تبدیل طول موج غیرخطی فیبر نوری برای کاربردهای فوتونیک زیست پزشکی

لیزرهای فیبر فوق سریع قابل تنظیم چند پارامتری باعث توسعه بسیاری از مناطق نوظهور فوتونیک زیست پزشکی فمتوثانیه شده است. از آنجایی که تنظیم مستقل سه پارامتر طول موج مرکز، فرکانس تکرار و عرض پالس با انرژی پالس خروجی تضمین شده برای لیزرهای فوق سریع حالت جامد دشوار است، فوتونیک زیست‌پزشکی فمتوثانیه معمولاً از یک تقویت‌کننده پالس چیرپ فیبر انتخابی پالس (pp-FCPA) استفاده می‌کند. با تقویت کننده پارامتری نوری (OPA) به عنوان منبع نور محرک. با این حال، اجزای فضایی حجیم OPA تا حد زیادی بر کیفیت پرتو و ایمنی محیطی سیستم تأثیر می‌گذارد، و تعمیر و نگهداری معمول خسته کننده فراتر از دانش دانشمندان زندگی است. بنابراین، به منظور جایگزینی فناوری OPA و استفاده از مزایای سیستم pp-FCPA، نویسندگان یک منبع نور فمتوثانیه قابل تنظیم با طول موج بر اساس تولید ابرپیوسته توسعه دادند.

شکل 1 سه روش تولید ابرپیوسته
شکل 1 سه روش رایج برای تولید یک طیف ابرپیوسته را نشان می دهد. روش 1 از معماری فیوژن تمام فیبر استفاده می کند که فشرده ترین ساختار و پایداری محیطی عالی را ارائه می دهد، اما فیبر عمدتاً لیزرهای پیکو ثانیه ای را حمل می کند که معمولاً در لیزرهای تجاری یافت می شود. از سوی دیگر، روش 2 از یک بسته بندی تجاری موجود با کلاهک های انتهایی فیبر و گسترش حالت به عنوان مبدل طول موج غیر خطی متصل به نوسانگر یاقوت کبود تیتانیوم برای پشتیبانی از تبدیل طول موج برای پالس های فمتوثانیه استفاده می کند. روش 3 شبیه به روش 2 است، اما یک قسمت جلویی pp-FPCA را با مزایای فیبر نوری با جفت کردن پالس های فمتوثانیه ای پرانرژی در بخشی از فیبر کریستال فوتونی برای تولید یک طیف ابرپیوسته منسجم ترکیب می کند. این سومین رویکردی است که نویسندگان در این مقاله به کار می برند.
با این حال، به طور تجربی مشخص شد که فیبر نوری مورد استفاده برای تولید ابرپیوسته معمولاً پس از حدود 100 ساعت کار تجمعی آسیب می بیند. آسیب نوری برگشت ناپذیر طول عمر یک منبع ابرپیوسته را تا حد زیادی محدود می کند. بنابراین، نیاز زیادی به تعیین اصل این آسیب نوری برای یافتن ابزاری برای دور زدن آن وجود دارد. اگر آسیب نوری توسط آلاینده‌های موجود در هوا در یک محیط غیر اتاق فوق تمیز و/یا جفت فضایی با حداکثر توان بالا در سطح انتهایی فیبر ایجاد شود، می‌توان آن را با درپوش‌های انتهایی فیبر کریستال فوتونیک موجود در بازار یا با فروپاشی دیافراگم خاص در سطح انتهایی فیبر برطرف کرد. .

جدول 1 سه سناریوی تجربی برای تولید ابرپیوسته
جدول 1 سه طرح آزمایشی مورد استفاده توسط نویسندگان را برای مطالعه مکانیسم های آسیب فیبر فهرست می کند. طرح 1 یک پالس ورودی با طول موج مرکزی 1030 نانومتر، فرکانس تکرار 10 مگاهرتز و عرض پالس 280 fs را در یک بخش 25 سانتی‌متری از فیبر LMA-PM{7}} جفت کرد و پس از آزمایش‌های مکرر، همه آنها دریافتند که فیبر پس از 40 ± 100 ساعت عملیات تجمعی آسیب دیده است. طرح 2 از منبع نور درایو متفاوت و فیبر کریستال فوتونیک استفاده کرد، اما اوج چگالی توان همراه با وجه انتهایی فیبر مانند طرح 1 باقی ماند. سناریوی 2، با این حال، آسیب نوری را در عرض 10 ± 2 ساعت نشان می دهد. این دو طرح در محل وقوع آسیب نوری متفاوت هستند: آسیب نوری در طرح 1 واقع شده است.<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.
برای تأیید این ایده، نویسندگان فیبر LMA-PM{1}}FUD را با قطر میدان حالت تا 32 میکرومتر در طرح 3 انتخاب کردند. دوره LPFG آن حدود 9 سانتی متر و طول فیبر 9 سانتی متر محاسبه شده است. کمتر از یک چرخه است، بنابراین اثر آسیب نظری فیبر ناشی از LPFG ناپدید می شود. به طور تجربی، سیستم نوری طرح 3 نیز پس از 2000 ساعت کار انباشته پایدار می ماند.

شکل 2 نمودار شماتیک یک منبع نور فمتوثانیه قابل تنظیم چند پارامتری بر اساس مبدل غیرخطی فیبری
شکل 2 منبع نور فمتوثانیه ای قابل تنظیم چند پارامتری را نشان می دهد که توسط نویسندگان بر اساس طرح 3 ساخته شده است. کل منبع نور شامل یک سیستم pp-FCPA با فرکانس تکرار قابل تنظیم از 1-10 مگاهرتز به عنوان قسمت جلویی است. یک فیبر کریستال فوتونی که از آسیب نوری ناشی از LPFG به عنوان واحدی که طیف ابرپیوسته تولید می کند، یعنی مبدل غیرخطی فیبر (FNWC) جلوگیری می کند. پالس گسترده شده طیفی به یک شکل دهنده پالس قابل برنامه ریزی هدایت می شود. با انتخاب یک پنجره فیلتر خاص و مقدار جبران پراکندگی، می توان طول موج مرکزی را در محدوده 950-1110 نانومتر و عرض پالس را در محدوده 40-400 fs تنظیم کرد. علاوه بر این، پالس خروجی نهایی را می‌توان با بخشی از پچ‌کورد فیبر نوری توخالی Kagome با پراکندگی کم منتقل کرد و به این منبع نور اجازه می‌دهد به راحتی بین ماژول‌های کاربردی مختلف جابجا شود.
به طور خلاصه، نویسندگان یک لوازم جانبی قابل اعتماد با فرکانس سنگین، طول موج، و عرض پالس برای لیزرهای فیبر فمتوثانیه ایجاد کرده‌اند که قابل تنظیم است، آسیب‌های نوری را در سیستم فیبر جفت شده توضیح داده و سرکوب می‌کند، و سیستم لیزر یکپارچه مربوطه دارای درجه بالایی از پایداری، که انتظار می رود کاربردهای لیزرهای فوق سریع قابل تنظیم در زمینه های بیولوژیکی و پزشکی را گسترش دهد.