マルチパラメータ調整可能な超高速ファイバーレーザーは、フェムト秒生物医学フォトニクスの多くの新興分野の開発を推進してきました。 固体超高速レーザーの出力パルスエネルギーを保証しながら、中心波長、繰り返し周波数、パルス幅の 3 つのパラメーターを独立して調整することは困難であるため、フェムト秒生物医学フォトニクスでは通常、パルス選択性ファイバーチャープパルス増幅器 (pp-FCPA) を結合したパルス選択性ファイバーチャープパルス増幅器が使用されます。駆動光源として光パラメトリックアンプ（OPA）を使用。 しかし、OPA のかさばる空間コンポーネントは、システムのビーム品質と環境耐性に大きく影響し、面倒な日常のメンテナンスは生命科学者の知識を超えています。 そこで著者らは、OPA技術に代わるpp-FCPAシステムの利点を活かすために、スーパーコンティニューム発生に基づく波長可変フェムト秒光源を開発した。
図1 スーパーコンティニュームの3つの生成方法
図 1 は、スーパーコンティニューム スペクトルを生成する 3 つの一般的な方法を示しています。 方法 1 は、最もコンパクトな構造と優れた環境安定性を提供する全ファイバー融合アーキテクチャを使用しますが、ファイバーは主に商用レーザーでよく見られるピコ秒レーザーを伝送します。 一方、方法 2 では、ファイバ エンド キャップとモード拡張を備えた市販のクロージャを、チタン サファイア発振器に取り付けられた非線形波長変換器として使用し、フェムト秒パルスの波長変換をサポートします。 方法 3 は方法 2 と似ていますが、高エネルギーのフェムト秒パルスをフォトニック結晶ファイバーのセクションに結合してコヒーレント スーパーコンティニューム スペクトルを生成することにより、pp-FPCA フロント エンドと光ファイバーの利点を組み合わせています。 著者らがこの論文で採用しているのは、この 3 番目のアプローチです。
しかし、スーパーコンティニューム生成に使用される光ファイバーは、通常、約 100 時間の累積運転後に損傷することが実験的に判明しました。 不可逆的な光損傷は、スーパーコンティニューム源の寿命を大きく制限します。 したがって、この光学的損傷を回避する手段を見つけるために、この光学的損傷の原理を解明する必要性が非常に高い。 スーパークリーンルーム以外の環境での空気中の汚染物質や、ファイバー端面での高いピークパワーの空間結合によって光損傷が引き起こされた場合、市販のフォトニック結晶ファイバーエンドキャップを使用するか、ファイバー端面の特定の開口部を潰すことで対処できます。 。
表 1 スーパーコンティニューム生成の 3 つの実験シナリオ
表 1 は、繊維損傷メカニズムを研究するために著者が使用した 3 つの実験スキームを示しています。 スキーム 1 では、中心波長 1030 nm、繰り返し周波数 10 MHz、パルス幅 280 fs の入力パルスを LMA-PM-15 ファイバーの 25 cm セクションに結合し、実験を繰り返した結果、すべてのそのうちの 1 人は、累積 100 ± 40 時間の動作後にファイバが損傷したことを発見しました。 スキーム 2 では、異なる駆動光源とフォトニック結晶ファイバーを使用しましたが、ファイバー端面に結合されたピークパワー密度はスキーム 1 と同じままでした。ただし、シナリオ 2 では、10 ± 2 時間以内に光学的損傷が見られます。 2 つのスキームは、光学的損傷が発生する場所が異なります。スキーム 1 の光学的損傷は、どこで発生するかが異なります。<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.
この考えを検証するために、著者らはスキーム 3 でモードフィールド直径が最大 32 μm の LMA-PM-40-FUD ファイバーを選択しました。その LPFG 周期は約 9 cm、ファイバー長は 9 cm と計算されます。は 1 サイクル未満であるため、LPFG によって引き起こされる理論上の繊維損傷の影響は消えます。 実験的には、スキーム 3 の光学システムは 2000 時間の累積動作後も安定したままです。
図2 ファイバ非線形コンバータに基づくマルチパラメータ調整可能なフェムト秒光源の概略図
図 2 は、スキーム 3 に基づいて著者らが構築したマルチパラメータ調整可能なフェムト秒光源を表しています。光源全体は、フロントエンドとして 1-10 MHz から調整可能な繰り返し周波数を持つ pp-FCPA システムで構成されています。スーパーコンティニュームスペクトルを生成するユニットとしてのLPFGによる光損傷を回避するフォトニック結晶ファイバー、すなわちファイバー非線形コンバーター（FNWC）。 スペクトル的に広がったパルスは、プログラム可能なパルス整形器に送られます。 特定のフィルターウィンドウと分散補償量を選択することにより、中心波長を 950-1110 nm の範囲で調整でき、パルス幅を 40-400 fs の範囲で調整できます。 さらに、最終出力パルスは低分散カゴメ中空コア光ファイバーパッチコードのセクションを使用して送信できるため、この光源を異なるアプリケーションモジュール間で簡単に切り替えることができます。
要約すると、著者らは、フェムト秒ファイバーレーザー用の信頼性の高い高周波、波長、およびパルス幅のアクセサリを開発しました。これは実質的に調整可能で、結合ファイバーシステムの光損傷を説明および抑制し、対応する統合レーザーシステムは高度な強度を備えています。これにより、生物学および医療分野における波長可変超高速レーザーの応用が広がることが期待されています。
