다중 매개변수 조정 가능 초고속 광섬유 레이저는 펨토초 생물의학 포토닉스의 여러 신흥 영역 개발을 주도해 왔습니다. 고체 초고속 레이저에 대해 보장된 출력 펄스 에너지로 중심 파장, 반복 주파수 및 펄스 폭의 세 가지 매개 변수를 독립적으로 조정하는 것이 어렵기 때문에 펨토초 생체 의학 포토닉스는 일반적으로 결합된 펄스 선택형 광섬유 처프 펄스 증폭기(pp-FCPA)를 사용합니다. OPA(Optical Parametric Amplifier)를 구동 광원으로 사용합니다. 그러나 OPA의 부피가 큰 공간 구성 요소는 시스템의 빔 품질과 환경 내성에 큰 영향을 미치며 지루한 일상적인 유지 관리는 생명 과학자의 지식 범위를 벗어납니다. 따라서 OPA 기술을 대체하고 pp-FCPA 시스템의 장점을 활용하기 위해 저자는 초연속체 생성 기반의 파장 가변 펨토초 광원을 개발했습니다.
그림 1 초연속체 생성의 세 가지 방법
그림 1은 초연속 스펙트럼을 생성하는 세 가지 일반적인 방법을 보여줍니다. 방법 1은 가장 컴팩트한 구조와 우수한 환경 안정성을 제공하는 전체 섬유 융합 아키텍처를 사용하지만, 섬유는 상업용 레이저에서 일반적으로 발견되는 피코초 레이저를 대부분 전달합니다. 반면에 방법 2는 펨토초 펄스에 대한 파장 변환을 지원하기 위해 티타늄 사파이어 발진기에 부착된 비선형 파장 변환기로서 광섬유 엔드 캡과 모드 확장이 있는 시중에서 판매되는 클로저를 사용합니다. 방법 3은 방법 2와 유사하지만 고에너지 펨토초 펄스를 광결정 광섬유 섹션에 결합하여 응집성 초연속 스펙트럼을 생성함으로써 pp-FPCA 프런트 엔드와 광섬유의 장점을 결합합니다. 저자가 이 논문에서 사용하는 것이 바로 이 세 번째 접근 방식입니다.
그러나 초연속체 생성에 사용되는 광섬유는 일반적으로 약 100시간의 누적 작동 후에 손상되는 것으로 실험적으로 밝혀졌다. 되돌릴 수 없는 광학적 손상은 초연속 광원의 수명을 크게 제한합니다. 따라서 이를 회피할 수 있는 수단을 찾기 위해서는 이러한 광학적 손상의 원리를 결정해야 할 필요성이 큽니다. 슈퍼클린룸이 아닌 환경의 공기 중 오염물질 및/또는 광섬유 종단면의 높은 피크 전력의 공간적 결합으로 인해 광학적 손상이 발생하는 경우 시중에서 판매되는 광결정 광섬유 엔드캡을 사용하거나 광섬유 종단면의 특정 구멍을 축소하여 해결할 수 있습니다. .
표 1 초연속체 생성을 위한 세 가지 실험 시나리오
표 1에는 저자가 섬유 손상 메커니즘을 연구하기 위해 사용한 세 가지 실험 계획이 나열되어 있습니다. 반응식 1은 중심 파장 1030 nm, 반복 주파수 10 MHz, 펄스 폭 280 fs의 입력 펄스를 LMA-PM-15 광섬유의 25 cm 단면에 결합시켰으며, 반복 실험 끝에 모두 그 중 100±40시간의 누적 작동 후에 섬유가 손상되었음을 발견했습니다. Scheme 2는 다른 구동광원과 광결정 광섬유를 사용했지만 광섬유 단면에 결합된 피크 전력 밀도는 Scheme 1과 동일하게 유지되었습니다. 그러나 Scenario 2는 10 ± 2시간 이내에 광학적 손상을 나타냅니다. 두 가지 방식은 광학적 손상이 발생하는 위치가 다릅니다. 방식 1의 광학적 손상이 있는 위치는 다음과 같습니다.<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.
이 아이디어를 검증하기 위해 저자는 Scheme 3에서 모드 필드 직경이 최대 32μm인 LMA-PM-40-FUD 섬유를 선택했습니다. LPFG 주기는 약 9cm, 섬유 길이는 9cm로 계산되었습니다. 1사이클 미만이므로 LPFG로 인한 이론적 섬유 손상 효과는 사라집니다. 실험적으로, 방식 3의 광학 시스템은 2000시간의 누적 작동 후에도 안정적인 상태를 유지합니다.
그림 2. 광섬유 비선형 변환기를 기반으로 한 다중 매개변수 조정 가능 펨토초 광원의 개략도
그림 2는 Scheme 3을 기반으로 저자가 구축한 다중 매개 변수 조정 가능 펨토초 광원을 나타냅니다. 전체 광원은 프런트 엔드로 1-10 MHz에서 조정 가능한 반복 주파수를 갖는 pp-FCPA 시스템으로 구성됩니다. 초연속 스펙트럼을 생성하는 단위인 LPFG에 의한 광학적 손상을 방지하는 광결정 광섬유, 즉 FNWC(Fiber Nonlinear Converter)가 있다. 스펙트럼적으로 확장된 펄스는 프로그래밍 가능한 펄스 셰이퍼로 전달됩니다. 특정 필터 창과 분산 보상량을 선택하면 중심 파장을 950-1110 nm 범위에서 조정할 수 있고 펄스 폭을 40-400 fs 범위에서 조정할 수 있습니다. 또한 최종 출력 펄스는 저분산 Kagome 중공 코어 광섬유 패치코드 섹션을 통해 전송될 수 있으므로 이 광원을 다른 응용 모듈 간에 쉽게 전환할 수 있습니다.
요약하면, 저자는 실질적으로 조정 가능하고 결합된 광섬유 시스템의 광학적 손상을 설명 및 억제하며 해당 통합 레이저 시스템이 높은 수준의 광 손상을 갖는 펨토초 광섬유 레이저를 위한 신뢰할 수 있는 고주파수, 파장 및 펄스 폭 액세서리를 개발했습니다. 이는 생물학 및 의료 분야에서 조정 가능한 초고속 레이저의 응용 범위를 넓힐 것으로 예상됩니다.
