Laser serat ultracepat multi-parameter yang dapat disetel telah mendorong pengembangan banyak bidang fotonik biomedis femtodetik yang sedang berkembang. Karena sulit untuk secara independen menyetel tiga parameter panjang gelombang pusat, frekuensi pengulangan, dan lebar pulsa dengan jaminan energi pulsa keluaran untuk laser ultracepat solid-state, fotonik biomedis femtodetik biasanya menggunakan penguat pulsa kicau serat selektif pulsa (pp-FCPA) yang digabungkan dengan penguat parametrik optik (OPA) sebagai sumber cahaya penggerak. Namun, komponen spasial OPA yang besar sangat mempengaruhi kualitas sinar dan kekebalan lingkungan dari sistem, dan pemeliharaan rutin yang membosankan berada di luar pengetahuan para ilmuwan kehidupan. Oleh karena itu, untuk menggantikan teknologi OPA dan memanfaatkan keunggulan sistem pp-FCPA, penulis mengembangkan sumber cahaya femtodetik yang dapat diatur panjang gelombangnya berdasarkan pembangkitan superkontinuum.
Gambar 1 Tiga cara pembangkitan supercontinuum
Gambar 1 mengilustrasikan tiga metode umum untuk menghasilkan spektrum superkontinuum. Metode 1 menggunakan arsitektur fusi semua serat, yang menawarkan konstruksi paling kompak dan stabilitas lingkungan yang sangat baik, tetapi serat tersebut sebagian besar membawa laser pikodetik, yang biasa ditemukan pada laser komersial. Metode 2, sebaliknya, menggunakan penutup yang tersedia secara komersial dengan penutup ujung serat dan ekspansi mode sebagai konverter panjang gelombang nonlinier yang dipasang pada osilator safir titanium untuk mendukung konversi panjang gelombang untuk pulsa femtodetik. Metode 3 mirip dengan Metode 2, tetapi menggabungkan ujung depan pp-FPCA dengan keunggulan serat optik dengan menggabungkan pulsa femtodetik berenergi tinggi ke dalam bagian serat kristal fotonik untuk menghasilkan spektrum superkontinuum yang koheren. Pendekatan ketiga inilah yang penulis gunakan dalam makalah ini.
Namun, secara eksperimental ditemukan bahwa serat optik yang digunakan untuk pembangkitan superkontinuum biasanya rusak setelah sekitar 100 jam operasi kumulatif. Kerusakan optik yang tidak dapat diperbaiki sangat membatasi masa pakai sumber superkontinum. Oleh karena itu, ada kebutuhan besar untuk mengetahui prinsip kerusakan optik ini guna menemukan cara untuk menghindarinya. Jika kerusakan optik disebabkan oleh kontaminan yang terbawa udara di lingkungan non-ruang superbersih dan/atau penggabungan spasial dengan daya puncak tinggi pada permukaan ujung serat, hal ini dapat diatasi dengan penutup ujung serat kristal fotonik yang tersedia secara komersial atau dengan menutup bukaan tertentu pada permukaan ujung serat. .
Tabel 1 Tiga skenario eksperimental untuk pembuatan supercontinuum
Tabel 1 mencantumkan tiga skema eksperimental yang digunakan oleh penulis untuk mempelajari mekanisme kerusakan serat. Skema 1 menggabungkan pulsa input dengan panjang gelombang pusat 1030 nm, frekuensi pengulangan 10 MHz, dan lebar pulsa 280 fs ke dalam bagian serat LMA-PM-15 25 cm, dan setelah percobaan berulang kali, semuanya diantaranya menemukan bahwa fiber mengalami kerusakan setelah 100 ± 40 jam pengoperasian kumulatif. Skema 2 menggunakan sumber cahaya penggerak dan serat kristal fotonik yang berbeda, namun kepadatan daya puncak yang digabungkan dengan permukaan ujung serat tetap sama seperti pada Skema 1. Namun, skenario 2 menunjukkan kerusakan optik dalam waktu 10 ± 2 jam. Kedua skema tersebut berbeda di mana kerusakan optik terjadi: lokasi kerusakan optik pada skema 1<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.
Untuk memverifikasi gagasan ini, penulis memilih serat LMA-PM-40-FUD dengan diameter bidang mode hingga 32 μm pada Skema 3. Periode LPFG-nya dihitung sekitar 9 cm, dan panjang serat 9 cm kurang dari satu siklus, sehingga efek kerusakan serat teoritis yang disebabkan oleh LPFG akan hilang. Secara eksperimental, sistem optik skema 3 juga tetap stabil setelah akumulasi operasi selama 2000 jam.
Gambar 2 Diagram skema sumber cahaya femtodetik multiparameter yang dapat disetel berdasarkan konverter serat nonlinier
Gambar 2 mewakili sumber cahaya femtodetik yang dapat disetel multi-parameter yang dibuat oleh penulis berdasarkan Skema 3. Seluruh sumber cahaya terdiri dari sistem pp-FCPA dengan frekuensi pengulangan yang dapat disetel dari 1-10 MHz sebagai front-end, dan serat kristal fotonik yang menghindari kerusakan optik yang disebabkan oleh LPFG sebagai unit yang menghasilkan spektrum superkontinuum, yaitu konverter serat nonlinier (FNWC). Pulsa yang diperluas secara spektral diarahkan ke pembentuk pulsa yang dapat diprogram. Dengan memilih jendela filter tertentu dan jumlah kompensasi dispersi, panjang gelombang pusat dapat disetel dalam rentang 950-1110 nm dan lebar pulsa dapat disetel dalam rentang 40-400 fs. Selain itu, pulsa keluaran akhir dapat ditransmisikan dengan bagian kabel patch serat optik inti berongga Kagome dengan dispersi rendah, sehingga sumber cahaya ini dapat dengan mudah dialihkan di antara modul aplikasi yang berbeda.
Singkatnya, penulis telah mengembangkan aksesori frekuensi berat, panjang gelombang, dan lebar pulsa yang andal untuk laser serat femtosecond yang secara substansial dapat disetel, menjelaskan dan menekan kerusakan optik dalam sistem serat berpasangan, dan yang sistem laser terintegrasinya memiliki tingkat keandalan yang tinggi. stabilitas, yang diharapkan dapat memperluas penerapan laser ultracepat yang dapat disetel di bidang biologi dan medis.
