Řízení výkonu a vlnové délky laditelného laseru

Abstract

Tunable supercontinuum lasery umožňují širokopásmovou, vysoce rozlišenou spektroskopii a zobrazování díky plynulé regulaci vlnové délky i výstupního výkonu. Tradičně se u takových laserů jednotlivé vlnové délky vybírají ručně a výkon se pro každý bod nastavuje manuálně, proces náročný na čas a náchylný k nestabilitě. V této práci vyvíjíme a ověřujeme plně automatizovaný Pythonem řízený systém pro laser NKT Photonics SuperK Extreme, doplněný filtrem SuperK VARIA a výkonovým metrem Thorlabs PM100D. Nejprve kalibrační postup prochází rozsah 405 nm835 nm v uživatelem definovaných krocích a využívá proporcionální zpětnovazební smyčku ke stabilizaci výstupního výkonu na cílovou hodnotu (± 0,5 µW) a generování kalibrační křivky závislosti mezi nastavením výkonu a vlnovou délkou. Následně systém provádí otevřenou (open-loop) měřicí sekvenci, při níž interpoluje z této kalibrační křivky a udržuje výkon konstantní během rychlých skenů vlnové délky. Experimentální měření pro zvolené cílové výkony 5 µW a 100 µW prokazují, že ve více než 90 % vlnových délek (v rámci hardwarových omezení) dochází ke sblížení na cílový výkon během pěti iterací zpětné smyčky, a výsledky vykazují reprodukovatelnou a stabilní kontrolu výkonu napříč stovkami bodů. Odstraněním manuálních zásahů tento automatizovaný postup zkracuje čas přípravy experimentu, minimalizuje lidské chyby a umožňuje vysoce efektivní a přesná spektrální měření pro aplikace ve spektroskopii, biomedicínském zobrazování a optických komunikacích.

Tunable supercontinuum lasers enable broadband, high-resolution spectroscopy and imaging by allowing continuous adjustment of both wavelength and output power. Traditionally, experiments with such lasers involve manually selecting discrete wavelengths and manually tuning power at each point, a process that is labor-intensive and prone to instability. In this work, we develop and validate a fully automated Python-controlled control system for a NKT Photonics SuperK Extreme laser, alongside a SuperK VARIA filter and a Thorlabs PM100D power meter. First, the calibration process sweeps the laser from 405 nm835 nm in steps defined by the user, using a proportional feedback loop to maintain output to a target power (± 0.5 µW) and generate a power-setting vs. wavelength calibration curve. Second, the instrument takes open-loop measurements by interpolating from this curve with power maintained constant during high-speed wavelength sweeps. Experimental measurements for target powers of 5 µW and 100 µW show five iterations of convergence for over 90 % of wavelengths where hardware limitation permits, and reproducible, steady power control across hundreds of points. By removing human inputs, this automated technique reduces the setup time, decreases human error, and offers high-throughput, accurate spectral measurement for spectroscopy, biomedical imaging, and optical communications applications.