Lasers de fibra ultrarrápida sintonizáveis multiparâmetros impulsionaram o desenvolvimento de muitas áreas emergentes da fotônica biomédica de femtossegundos. Como é difícil ajustar independentemente os três parâmetros de comprimento de onda central, frequência de repetição e largura de pulso com energia de pulso de saída garantida para lasers ultrarrápidos de estado sólido, a fotônica biomédica de femtosegundo geralmente emprega um amplificador de pulso de fibra seletivo de pulso (pp-FCPA) acoplado com um amplificador óptico paramétrico (OPA) como fonte de luz condutora. No entanto, os volumosos componentes espaciais do OPA afetam grandemente a qualidade do feixe e a imunidade ambiental do sistema, e a tediosa manutenção de rotina está além do conhecimento dos cientistas da vida. Portanto, a fim de substituir a tecnologia OPA e utilizar as vantagens do sistema pp-FCPA, os autores desenvolveram uma fonte de luz de femtosegundo ajustável em comprimento de onda baseada na geração de supercontínuo.
Figura 1 Três formas de geração de supercontínuo
A Figura 1 ilustra três métodos comuns para gerar um espectro supercontínuo. O Método 1 usa uma arquitetura de fusão totalmente em fibra, que oferece a construção mais compacta e excelente estabilidade ambiental, mas a fibra carrega principalmente lasers de picossegundos, comumente encontrados em lasers comerciais. O Método 2, por outro lado, utiliza um fecho comercialmente disponível com tampas de extremidade de fibra e expansão de modo como um conversor de comprimento de onda não linear ligado a um oscilador de safira de titânio para suportar a conversão de comprimento de onda para pulsos de femtossegundos. O Método 3 é semelhante ao Método 2, mas combina um front-end pp-FPCA com as vantagens da fibra óptica, acoplando pulsos de femtossegundos de alta energia em uma seção de fibra de cristal fotônico para produzir um espectro supercontínuo coerente. É esta terceira abordagem que os autores empregam neste artigo.
No entanto, foi descoberto experimentalmente que a fibra óptica usada para geração de supercontínuo normalmente fica danificada após cerca de 100 horas de operação cumulativa. Danos ópticos irreversíveis limitam muito a vida útil de uma fonte supercontínua. Portanto, há uma grande necessidade de determinar o princípio deste dano óptico, a fim de encontrar meios de contorná-lo. Se o dano óptico for causado por contaminantes transportados pelo ar em um ambiente que não seja de supersala limpa e/ou acoplamento espacial de alta potência de pico na face final da fibra, ele pode ser resolvido por tampas de fibra de cristal fotônico disponíveis comercialmente ou pelo colapso de uma abertura específica na face final da fibra. .
Tabela 1 Três cenários experimentais para geração supercontínua
A Tabela 1 lista os três esquemas experimentais utilizados pelos autores para estudar os mecanismos de dano às fibras. O Esquema 1 acoplou um pulso de entrada com um comprimento de onda central de 1030 nm, uma frequência de repetição de 10 MHz e uma largura de pulso de 280 fs em uma seção de 25 cm de fibra LMA-PM-15 e, após experimentos repetidos, todos deles descobriram que a fibra foi danificada após 100 ± 40 horas de operação cumulativa. O Esquema 2 usou uma fonte de luz de acionamento diferente e fibra de cristal fotônico, mas a densidade de potência de pico acoplada à face final da fibra permaneceu a mesma do Esquema 1. O Cenário 2, entretanto, mostra danos ópticos dentro de 10 ± 2 horas. Os dois esquemas diferem no local onde ocorre o dano óptico: o dano óptico no esquema 1 está localizado<10 cm from the incident end of the fiber, whereas the optical damage in scheme 2 is located <1 cm from the incident end of the fiber. This difference suggests that the cause of the fiber damage is not airborne contaminants in the environment or the high peak power density during coupling, and that optical damage cannot be avoided by fiber end caps. Upon analysis, this fiber damage can be explained by the optical waveguide theory of long period fiber grating (LPFG). When a pulse is coupled into an optical fiber, part of the energy goes into the core while the other part of the energy passes into the cladding. When the light from the core mode and the cladding mode interferes with each other and produces a standing wave, an LPFG is written in the fiber.The shorter the period of the LPFG, the more cycles are contained in the same fiber length, and the more easily the fiber is damaged.
Para verificar essa ideia, os autores escolheram a fibra LMA-PM-40-FUD com diâmetro de campo modal de até 32 μm no Esquema 3. Seu período LPFG é calculado em cerca de 9 cm, e o comprimento da fibra de 9 cm é menos de um ciclo, então o efeito teórico de dano à fibra causado pelo LPFG desaparecerá. Experimentalmente, o sistema óptico do esquema 3 também permanece estável após 2.000 horas de operação acumulada.
Fig. 2 Diagrama esquemático de uma fonte de luz de femtosegundo multiparâmetro sintonizável baseada em um conversor não linear de fibra
A Figura 2 representa a fonte de luz de femtosegundo ajustável multiparâmetro construída pelos autores com base no Esquema 3. Toda a fonte de luz consiste em um sistema pp-FCPA com uma frequência de repetição ajustável de 1-10 MHz como front-end, e uma fibra de cristal fotônico que evita os danos ópticos causados pelo LPFG como unidade geradora do espectro supercontínuo, ou seja, o conversor não linear de fibra (FNWC). O pulso espectralmente ampliado é direcionado para um modelador de pulso programável. Ao selecionar uma janela de filtro específica e uma quantidade de compensação de dispersão, o comprimento de onda central pode ser ajustado na faixa de 950-1110 nm e a largura do pulso pode ser ajustada na faixa de 40-400 fs. Além disso, o pulso de saída final pode ser transmitido com uma seção de patchcord de fibra óptica de núcleo oco Kagome de baixa dispersão, permitindo que esta fonte de luz seja facilmente alternada entre diferentes módulos de aplicação.
Em resumo, os autores desenvolveram um acessório confiável de alta frequência, comprimento de onda e largura de pulso para lasers de fibra de femtosegundo que é substancialmente sintonizável, explica e suprime danos ópticos no sistema de fibra acoplada, e cujo sistema de laser integrado correspondente tem um alto grau de estabilidade, que deverá ampliar as aplicações de lasers ultrarrápidos sintonizáveis nas áreas biológicas e médicas.
