Laser sợi quang cực nhanh có thể điều hướng đa thông số đang thúc đẩy nhiều lĩnh vực mới nổi của quang tử y sinh femto giây. Do các tia laser cực nhanh ở trạng thái rắn khó điều chỉnh độc lập ba thông số bước sóng trung tâm, tần số lặp lại và độ rộng xung với năng lượng xung đầu ra được đảm bảo, nên các quang tử y sinh femto giây thường sử dụng các bộ khuếch đại xung chirp một sợi quang chọn lọc xung (pp-FCPA) với tham số quang học. bộ khuếch đại (OPA) làm nguồn sáng điều khiển. Tuy nhiên, các thành phần không gian phức tạp của OPA ảnh hưởng lớn đến chất lượng chùm tia và khả năng miễn dịch với môi trường của hệ thống, và việc bảo trì định kỳ tẻ nhạt nằm ngoài tầm hiểu biết của các nhà khoa học sự sống. Do đó, để thay thế công nghệ OPA và tận dụng lợi thế của hệ thống pp-FCPA, các tác giả đã phát triển nguồn sáng femto giây có thể điều chỉnh bước sóng dựa trên thế hệ siêu liên tục.
Hình 1 minh họa ba phương pháp phổ biến để tạo phổ siêu liên tục. Phương pháp 1 sử dụng kiến trúc tổng hợp toàn sợi quang, có cấu trúc nhỏ gọn nhất và ổn định môi trường tuyệt vời, nhưng quá trình truyền trong sợi quang chủ yếu là laser picosecond, thường thấy trong laser thương mại. Phương pháp 2 sử dụng cách đóng thương mại với nắp đầu sợi quang và phần mở rộng chế độ làm bộ chuyển đổi bước sóng phi tuyến tính bổ sung cho bộ tạo dao động titan sapphire để hỗ trợ chuyển đổi bước sóng của các xung femto giây. Phương pháp 3 tương tự như Phương pháp 2, nhưng kết hợp giao diện người dùng pp-FPCA với các ưu điểm của sợi quang bằng cách ghép một xung femto giây năng lượng cao vào một phần của sợi tinh thể quang tử để tạo ra phổ siêu liên tục kết hợp. Đây là phương pháp thứ ba mà các tác giả sử dụng trong bài viết này.
Tuy nhiên, người ta thấy rằng sợi quang được sử dụng để tạo siêu liên tục thường bị hỏng sau khoảng 100 giờ hoạt động tích lũy. Thiệt hại quang học không thể đảo ngược giới hạn đáng kể tuổi thọ của nguồn siêu liên tục. Vì vậy, cần phải xác định nguyên lý của hiện tượng hư hỏng quang học này để tìm ra biện pháp khắc phục nó. Nếu hiện tượng hư hại do quang điện gây ra bởi các chất gây ô nhiễm trong không khí trong môi trường phòng không siêu sạch và/hoặc sự ghép nối không gian của công suất cực đại cao ở mặt cuối sợi quang, thì nó có thể được giải quyết bằng các nắp đầu sợi quang tinh thể có bán trên thị trường hoặc bằng cách thu gọn các lỗ cụ thể ở mặt cuối sợi quang .
Bảng 1 liệt kê ba sơ đồ thí nghiệm được các tác giả sử dụng để nghiên cứu cơ chế hư hỏng của sợi quang. Sơ đồ 1 đã ghép một xung đầu vào có bước sóng trung tâm là 1030 nm, tần số lặp lại là 10 MHz và độ rộng xung là 280 fs vào một đoạn 25 cm của sợi quang LMA-PM-15 và sau nhiều lần thử nghiệm, tất cả nhận thấy sợi quang bị hư hỏng sau 100 ± 40 giờ hoạt động tích lũy. Sơ đồ 2 đã sử dụng nguồn truyền động và sợi tinh thể quang tử khác, nhưng mật độ công suất cực đại được kết hợp với mặt đầu sợi quang vẫn giống như của Sơ đồ 1. Tuy nhiên, Sơ đồ 2 dẫn đến hiện tượng hư hại do quang trong vòng 10 ± 2 giờ. Vị trí xảy ra hư hỏng quang học khác nhau giữa hai tình huống này: hư hỏng quang học trong tình huống 1 nằm ở đâu<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.
Để xác minh ý tưởng này, các tác giả đã chọn sợi LMA-PM-40-FUD có đường kính trường chế độ là 32 μm trong Sơ đồ 3. Chu kỳ LPFG được tính là khoảng 9 cm và chiều dài sợi 9 cm là ít hơn một chu kỳ, do đó hiệu ứng hư hỏng sợi do LPFG gây ra về mặt lý thuyết sẽ biến mất. Về mặt thực nghiệm, hệ thống quang học của sơ đồ 3 cũng ổn định sau 2000 giờ hoạt động tích lũy.
Hình 2 cho thấy nguồn sáng femto giây có thể điều hướng đa tham số do các tác giả xây dựng dựa trên Sơ đồ 3. Toàn bộ nguồn sáng bao gồm một hệ thống pp-FCPA với tần số lặp lại có thể điều chỉnh từ 1-10 MHz làm mặt trước và một tinh thể quang tử tránh được hư hỏng quang học do LPFG gây ra với tư cách là đơn vị tạo ra phổ siêu liên tục, tức là bộ chuyển đổi phi tuyến sợi quang (FNWC). Sau khi mở rộng quang phổ, các xung được hướng đến một bộ tạo xung có thể lập trình được. Bằng cách chọn một cửa sổ bộ lọc cụ thể và lượng bù tán sắc, bước sóng trung tâm có thể được điều chỉnh trong phạm vi 950-1110 nm và độ rộng xung có thể được điều chỉnh trong phạm vi 40-400 fs. Ngoài ra, xung đầu ra cuối cùng có thể được truyền đi bằng một đoạn cáp vá sợi quang lõi rỗng Kagome có độ phân tán thấp, cho phép nguồn sáng này dễ dàng chuyển đổi giữa các mô-đun ứng dụng khác nhau.
Tóm lại, các tác giả đã phát triển một phụ kiện đáng tin cậy cho laser sợi quang femto giây với khả năng điều chỉnh đáng kể về tần số lại, bước sóng và độ rộng xung, giúp giải thích và triệt tiêu thiệt hại quang học trong hệ thống sợi quang được ghép nối và hệ thống laser tích hợp tương ứng của nó có hiệu quả cao. ổn định, hứa hẹn sẽ mở rộng các ứng dụng của laser cực nhanh có thể điều chỉnh được trong các lĩnh vực sinh học và y tế.
