לייזרים סיבים אולטרה-מהירים ניתנים לכוונון רב-פרמטרים מניעים אזורים מתפתחים רבים של פוטוניקה ביו-רפואית של פמט-שנייה. מכיוון שקשה לכוון לייזרים אולטרה-מהירים במצב מוצק באופן עצמאי את שלושת הפרמטרים של אורך גל מרכזי, תדירות חזרה ורוחב פולס עם אנרגיית פולס פלט מובטחת, פוטוניקה ביו-רפואית של פמט-שנייה משתמשת בדרך כלל במגברי דופק מצייצים (pp-FCPA) עם פרמטרים אופטיים. מגברים (OPA) כמקור האור המניע. עם זאת, המרכיבים המרחביים המורכבים של OPA משפיעים מאוד על איכות האלומה והחסינות הסביבתית של המערכת, והתחזוקה השגרתית המייגעת היא מעבר לידע של מדעני החיים. לכן, כדי להחליף את טכנולוגיית ה-OPA ולנצל את מערכת pp-FCPA, המחברים פיתחו מקור אור פמט-שניות שניתן לכוונן באורך גל המבוסס על יצירת רצף-על.
איור 1 ממחיש שלוש שיטות נפוצות ליצירת ספקטרום העל-רצף. שיטה 1 משתמשת בארכיטקטורת היתוך של כל סיבים, בעלת המבנה הקומפקטי ביותר ויציבות סביבתית מצוינת, אך השידור בסיב הוא בעיקר לייזרים פיקושניות, הנמצאים בדרך כלל בלייזרים מסחריים. שיטה 2 משתמשת בסגירה מסחרית עם מכסי קצה של סיבים והרחבות מצבים כממיר אורך גל לא ליניארי נוסף עבור מתנדים טיטניום ספיר כדי לתמוך בהמרה של אורך גל של פולסים של פמט שנייה. שיטה 3 דומה לשיטה 2, אך משלבת חזית pp-FPCA עם יתרונות סיבים על ידי צימוד פולס פמט-שניות באנרגיה גבוהה לקטע של סיב גביש פוטוני כדי לייצר ספקטרום על-רצף קוהרנטי. זוהי שיטה שלישית זו בה משתמשים המחברים במאמר זה.
עם זאת, נמצא כי הסיבים המשמשים לייצור על-רצף ניזוקים בדרך כלל לאחר כ-100 שעות של פעולה מצטברת. נזק אופטי בלתי הפיך מגביל באופן משמעותי את חייו של מקור העל-רציף. לפיכך, יש צורך לקבוע את העיקרון של נזק אופטי זה כדי למצוא אמצעי לעקוף אותו. אם הנזק הפוטוני נגרם על ידי מזהמים הנישאים באוויר בסביבת חדר לא נקי ו/או צימוד מרחבי של הספק שיא גבוה בקצה הסיבים, ניתן לטפל בו על ידי מכסי קצה סיבי קריסטל פוטוניים זמינים מסחרית או על ידי קריסת פתחים ספציפיים בקצה הסיבים. .
טבלה 1 מפרטת את שלוש תוכניות הניסוי המשמשות את המחברים לחקר מנגנון הנזק של סיבים אופטיים. סכימה 1 צירפה פולס כניסה עם אורך גל מרכזי של 1030 ננומטר, תדירות חזרה של 10 מגה-הרץ ורוחב פולס של 280 fs לתוך קטע של 25 ס"מ של סיב LMA-PM-15, ולאחר ניסויים חוזרים, הכל נמצא כי הסיב ניזוק לאחר 100 ± 40 שעות של פעולה מצטברת. סכימה 2 השתמשה במקור כונן אחר ובסיבי גביש פוטוניים, אך שיא צפיפות ההספק בצירוף לחזית קצה הסיב נשארה זהה לזה של סכמה 1. שיטה 2, לעומת זאת, גורמת לנזק פוטוני תוך 10 ± 2 שעות. המיקום בו מתרחש הנזק האופטי שונה בין שני התרחישים הללו: הנזק האופטי בתרחיש 1 ממוקם<10 cm from the incident end of the fiber, whereas the optical damage in scenario 2 is located <1 cm from the incident end of the fiber. This difference indicates that the cause of fiber damage is not air contaminants in the environment or the high peak power density at the time of 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 gratings (LPFG). When a pulse is coupled into the fiber, part of the energy enters the core while the other part is transmitted into the cladding. When the light from the core mode and the cladding mode interfere with each other and generate standing waves, an LPFG is written into the fiber. the shorter the period of the LPFG, the more periods are contained in the same fiber length, and the more easily the fiber is damaged.
כדי לאמת רעיון זה, המחברים בחרו בסיב LMA-PM-40-FUD עם קוטר שדה מצב של 32 מיקרומטר בשיטה 3. תקופת ה-LPFG חושבה להיות כ-9 ס"מ, ואורך הסיב של 9 ס"מ הוא פחות ממחזור אחד, כך שאפקט הנזק לסיבים הנגרם על ידי LPFG ייעלם באופן תיאורטי. מבחינה נסיונית, המערכת האופטית של סכימה 3 גם נשארת יציבה לאחר 2000 שעות של פעולה מצטברת.
איור 2 מציג את מקור האור הפמט-שניות המתכוונן הרב-פרמטרי שנבנה על ידי המחברים בהתבסס על סכמה 3. מקור האור כולו מורכב ממערכת pp-FCPA עם תדר חוזר המתכוונן מ-1-10 MHz בתור הקצה הקדמי, ומגביש פוטוני סיבים מונעים נזק אופטי שנגרם על ידי LPFG כיחידה המייצרת את הספקטרום העל-רציף, כלומר, ממיר סיבים לא ליניארי (FNWC). לאחר הרחבה ספקטרלית הפולסים מופנים למעצב פולסים הניתן לתכנות. על ידי בחירת חלון סינון ספציפי וסכום פיצוי פיזור, ניתן לכוון את אורך הגל המרכזי בטווח של 950-1110 ננומטר וניתן לכוון את רוחב הפולסים בטווח של 40-400 fs. בנוסף, ניתן להעביר את דופק הפלט הסופי באמצעות קטע של כבל תיקון סיבים חלול ליבה של Kagome בעל פיזור נמוך, המאפשר להחליף בקלות את מקור האור הזה בין מודולי יישום שונים.
לסיכום, המחברים פיתחו אביזר אמין ללייזרי סיבים פמטו-שניים עם יכולת כוונון משמעותית מבחינת תדר חוזר, אורך גל ורוחב פולסים, אשר מסביר ומדכא נזק אופטי במערכת הסיבים המצמדים, ואשר מערכת הלייזר המשולבת המתאימה לו היא מאוד יציב, מבטיח להרחיב את היישומים של לייזרים אולטרה-מהירים ניתנים לכוונון בתחומים ביולוגיים ורפואיים.
