In-situ Disminución gradual de la fibra calcogenuro para Generación supercontinuum infrarrojo medio

Se describe un método para In-situ Ahusamiento de Como ₂ S ₃ Fibras para lograr la generación supercontinuum infrarrojo medio eficiente. Por disminuyendo mientras se monitorea el espectro de la supercontinuum, la anchura espectral se puede maximizar para un cono de fibra. In-situ Fibra cónica se puede aplicar a optimizar el rendimiento de otros dispositivos basados ​​en fibra.

Generación supercontinuum (SCG) en una fibra de calcogenuro cónica es deseable para la ampliación del infrarrojo medio (o infrarrojo medio, más o menos el rango de longitud de onda de 2-20 micras) los peines de frecuencia ^{1, 2} para aplicaciones tales como huellas moleculares, la detección de gases traza ^{3, 4} aceleración de partículas por láser impulsado, ⁵ y de rayos X a través de la producción de generación de armónicos. ⁶ El logro de SCG eficiente en una fibra óptica cónico requiere un control preciso de la dispersión de velocidad de grupo (EVI) y las propiedades temporales de los impulsos ópticos en el comienzo de la fibra, ⁷ que dependen fuertemente de la geometría de la forma cónica. ⁸ Debido a las variaciones en la configuración de ahusamiento y el procedimiento para SCG sucesivos experimentos-tales como longitud de la fibra, disminuyendo la temperatura ambiente, o de tensión acoplada en la fibra, monitorización espectral in situ de los la SCG es necesario para optimizar el espectro de salida de un solo experimento.

Fibra in situ se estrecha para SCG consiste en el acoplamiento de la fuente de bombeo a través de la fibra a ser cónico para un dispositivo de medición espectral. La fibra es entonces cónica, mientras que la señal de medición espectral se observa en tiempo real. Cuando la señal llega a su punto máximo, se detiene la cónica. El procedimiento se estrecha in situ permite la generación de un establo, octava-que abarca, peine de frecuencias IR medio de la sub armónica de un peine de frecuencia de IR cercano disponible comercialmente. ⁹ Este método reduce el coste debido a la reducción en el tiempo y materiales necesarios para la fabricación de un cono con una longitud óptima de la cintura de sólo 2 mm.

La técnica se estrecha in situ se puede extender a la optimización de fibra óptica microestructurada (MOF) para SCG ¹⁰ o la sintonización de la banda de paso de MOF, ¹¹ pares de fibra cónicos optimización para acopladores de fibra fundida ¹² y multiplexores de división de longitud de onda (WDM), ¹³o la modificación de compensación de la dispersión para la compresión o estiramiento de los pulsos ópticos. ^14-16

Después de haber sido producido por primera vez en la gama de longitud de onda visible ^1,7 fuentes de SCG se han desplazado hacia el infrarrojo medio, en gran parte impulsado por las aplicaciones de la espectroscopia. ^{3, 4} fibras calcogenuro, que incluyen sulfuros, seleniuros y telururos, han sido un material popular para A mediados de los IR debido a su baja pérdida de propagación y alta no linealidad, ¹⁸ a menos de 100 dB / km y ¹⁹ ~ 200 veces mayor que la de la sílice para As ₂ S _3, ²⁰ respectivamente. Sin embargo, la longitud de onda GVD cero de la mayoría de los calcogenuros está situado en el infrarrojo medio, más allá de la longitud de onda central de la mayoría de las fuentes de la bomba ultrarrápidos disponibles, haciendo SCG un reto en un material a granel o un modo de fibra calcogenuro único estándar. Dispersión de guía de ondas se puede utilizar para modificar el punto de GVD cero para SCG. ⁷ Los métodos para la introducción de una fuerte dispersión de guía de ondas incluyen la fibra se estrecha, ^{8, 21} el uso de fibras microestructurados, ^22-24 oincluso una combinación de los dos. ¹⁰ Al cambiar la longitud de onda GVD cero por debajo de la longitud de onda de la bomba, la bomba va a experimentar dispersión anómala en la fibra. En el régimen de dispersión anómala, la formación de solitones se produce a través de equilibrar el chirp lineal causada por modulación de fase uno mismo y escuchar los pitidos lineal causada por la EVI. Para una fuente de bomba de femtosegundo, ensanchamiento espectral es generalmente dominada por la fisión solitón o ruptura de pulso, que se produce después de una compresión temporal inicial como el pulso se propaga a lo largo de la fibra. ⁷ En el caso de la fibra se estrecha, el cálculo del total de GVD-incluyendo tanto materiales como guía de onda de dispersión puede proporcionar una aproximación de la forma cónica de diámetro final necesaria para producir un espectro ampliado significativamente. Debido a la fuerte dependencia de SCG en GVD y las fluctuaciones entre los ensayos experimentales, incluyendo cambios a la longitud de la fibra antes de la región cónica y el acoplamiento de la bomba a la fibra, la aproximación calculada no es suficiente fo alcanzar una forma cónica optimizada en un solo ensayo. Monitoreo espectral permite estas variaciones en la configuración experimental a ser observados y contabilizados en cónica in-situ.

Por otra parte, la generación de una supercontinuum eficiente (SC) en una fibra corta cónica reduce la cantidad de ruido de amplificación no lineal preservar la coherencia del SCG y las propiedades peine de frecuencia de la fuente de bombeo. Gestión ^25-27 adecuada dispersión, y por lo tanto la necesidad de en situ se estrecha, se hace aún más crítico cuando la longitud de la fibra es corta, como las escalas de tolerancia SCG con longitud.

La configuración cónica in situ comienza con la fuente de la bomba, que es el subarmónico de un láser de modo bloqueado dopado con Er fibra, ⁹ acoplado en el núcleo de la Como ₂ S ₃ de fibra que va a ser cónica. La salida de la fibra se acopla a continuación a un dispositivo que caracteriza el perfil espectral. En la experimENT, un detector InSb después de un monocromador con ~ 20 nm de resolución se utiliza para supervisar una parte del espectro de salida donde existe inicialmente una señal de muy bajo de la fuente de la bomba (en ~ 3,9 micras) de modo que la fibra se puede monitorizar mientras ahusamiento. Cuando la fibra se estrecha y ensancha el espectro, se incrementa la señal de medición espectrales como la dispersión se optimiza para el experimento individual. Al monitorear el espectro durante el procedimiento de ahusamiento, que se estrecha puede ser detenido en el momento en que el ensanchamiento espectral se ha maximizado. Ahusada in situ permite la gestión de dispersión optimizado para SCG eficiente en una sola cinta por fibra. Ahusamiento con una, zona de calor estrecha estática produce un corto intermedio estrechado de fibra, ²⁸ que permite la SCG bajo nivel de ruido. Juntos, estático in-situ se estrecha puede permitir coherente, bajo nivel de ruido, la octava que abarca SCG en el infrarrojo medio.

1. Disminución gradual de fabricación Configuración (Consulte Instalación Montado en la Figura 1)

1. Asegure las etapas lineales motorizados en el tablero (más o menos centrada) de manera que las etapas están en contacto y se traducirán hacia y lejos el uno del otro
2. Prepare y coloque los soportes de fibra
   1. Adjuntar dos mensajes ópticos a las placas de etapa lineal motorizados (uno cada uno) utilizando los orificios más cercanos el uno al otro.
   2. Fije los soportes de fibra óptica desnuda de la parte superior de los postes. Asegúrese de que las ranuras en V de la fibra están alineados. (Nota: La altura de los soportes de fibra óptica desnuda será más o menos ser la altura del haz del sistema Elija el futuro post y alturas de pedestal en consecuencia..)
3. Prepare y coloque la entrada y salida de elementos de acoplamiento
   1. Fije las etapas de traducción lineales para las etapas lineales motorizados (uno para la entrada y uno para el lado de salida) con las placas adaptadoras.
   2. Coloque la AR recubierto ZnSe entrada acoplamiento lens (montado en un soporte óptico con x y la traducción y en un pedestal) en la etapa de traducción entrada. Elija una distancia focal que da acoplamiento óptimo de la fuente de la bomba para el núcleo de la fibra. Asegúrese de que el centro de la lente está a la misma altura como las ranuras en V de las abrazaderas de fibra.
   3. Coloque la lente de acoplamiento de salida de ZnSe sin recubrimiento (montado en un soporte óptico con x y la traducción y en un pedestal) en la etapa de traducción de salida. Asegúrese de que el centro de la lente está en la misma altura que la ranura en V.
4. Preparar y colocar el elemento de calentamiento (tal como se muestra en la Figura 2)
   1. Máquina el bloque de aluminio a las dimensiones deseadas (~ 6 mm x 25,4 mm x 17,5 mm) con agujeros para la fibra (con una ranura para insertar y retirar la fibra) y para el control de la temperatura de la fibra, los agujeros para los calentadores de cartucho, y 8 / 32 agujeros roscados en la parte superior e inferior para el montaje y fijación de los calentadores de cartucho.
   2. Inserte los calentadores de cartucho de tél agujeros correspondientes del bloque de aluminio y seguro con 8/32 tornillos de fijación.
   3. Adjuntar un puesto de cerámica al tornillo 8/32 set top para el aislamiento térmico.
   4. Adjuntar un puesto óptico para el poste de cerámica y el uso de un poste derecho abrazadera de ángulo con un puesto óptica adicional para asegurar el calentador a la etapa de XYZ lineal.
   5. Fije la etapa lineal XYZ a la placa de prueba de manera que el orificio para el Como ₂ S ₃ de fibra en el calentador de aluminio puede estar centrada con las ranuras en V de las abrazaderas de fibra.
   6. Traducir el calentador de aluminio con la etapa lineal XYZ para que el calentador ya no está cerca de las abrazaderas de fibra óptica desnuda, lo que permite que la fibra sea asegurado sin obstrucción.

2. Calcogenuros Preparación de fibra

1. Soak una longitud deseada de la camisa de Como ₂ S ₃ de fibra (debe ser mayor que 8,5 cm-la longitud de la fibra con camisa necesario para cada cinta por fibra) en acetona durante aproximadamente 10 min o hasta que elchaqueta se vuelve suave. (Use el disolvente adecuado para la chaqueta si se utiliza una fibra diferente).
2. Retire suavemente la chaqueta ablandada con un KIMWIPE, la eliminación de una sección de no más de 5 cm a la vez.
3. Limpie la fibra desnuda con isopropanol en una KIMWIPE.
4. Utilice el castor cuchilla para romper un extremo del As ₂ S ₃ fibra. Imagen de la punta de la fibra desechado para inspeccionar la calidad unirá.
5. Mida y romper al menos una pieza de 6,35 cm de longitud de la fibra. Esta longitud de la fibra debe ser ~ 2 cm más largo que la longitud necesaria para la fibra que apenas sobresalen de las abrazaderas de fibra.
6. Utilice la cola de castor cuchilla para escindir el segundo extremo de la fibra. Imagen de la punta de la fibra desechado para inspeccionar la calidad unirá. Evite el contacto con el primer extremo cortado de la fibra.
7. Coloque la fibra en las abrazaderas de fibra de la configuración cónica. Evitar tocar el centro de la fibra (en el que se calienta la fibra).

3. Toque fibra In-situEring Procedimiento

1. Pareja la fuente bomba de infrarrojo medio para el modo fundamental de la fibra con la lente de ZnSe recubierto con AR (f = 12,7 mm). Usar la lente de ZnSe sin revestir (f = 20 mm) a la imagen de la cara de salida de la fibra con la Pyrocam para asegurar el poder es principalmente en el modo fundamental. Asegúrese de que el haz de bombeo se propaga a lo largo del eje de la fibra. Si no lo es, el acoplamiento va a cambiar una vez que las etapas motorizadas comienzan a moverse.
2. 1. Coloque un helicóptero en frente de la fuente de bombeo. (Este paso es necesario para detectores acoplados de CA).
   2. Pareja la salida de la fibra a través del monocromador y para el detector InSb utilizando los no recubiertos CaF ₂ lentes (f = 20 mm) antes y después del monocromador.
   3. Girar la rejilla del monocromador para permitir que el lado de longitud de onda larga del espectro pase a través del monocromador hasta que la señal transmitida es apenas por encima del ruido de fondo (en ~ 3,9 micras). En lugar de filtroING con el monocromador (pasos 3.2.2 y 3.2.3), un filtro óptico apropiado se puede utilizar para medir la potencia en longitudes de onda detectables más larga que la longitud de onda más larga contenido medible de la bomba.
3. Traducir el calentador de aluminio hasta que la fibra se desliza a través de la hendidura y se centra en el agujero de la fibra del calentador de aluminio.
4. Coloque el nivel sensor RTD con uno de los calentadores de cartucho. Presione suavemente el sensor RTD contra el calentador de aluminio de modo que lo que está en contacto con el bloque, como se muestra en la Figura 2. Si el RTD no está en contacto con el calentador correctamente (o no de una manera repetible), la temperatura del bloque será desconocido y hacer que la fibra se rompa durante el ahusamiento. Asegúrese de que la señal para el monocromador no ha disminuido.
   1. Un pequeño RTD se puede colocar en el interior del otro orificio del bloque calentador para controlar la temperatura en el agujero. (Opcional)
5. Utilice el microscopio digital para imago la fibra en el bloque del calentador para permitir la supervisión de la fibra durante el proceso de adelgazamiento. (Opcional)
6. Cubra la instalación con una caja (con agujeros para la entrada y salida de las vigas) para reducir el flujo de aire y permitir una temperatura disminuyendo estable.
7. Con los calentadores de IDT y el cartucho conectado, encienda el controlador de temperatura. Ajustar la temperatura a ~ 200 ° C, donde la fibra comienza a ablandarse (la temperatura exacta dependerá de las dimensiones del calentador, la temperatura ambiente, y el flujo de aire alrededor de la fibra).
8. Una vez la temperatura es estable alrededor del punto de ajuste, iniciar el programa Labview que traduce las etapas motorizadas de distancia el uno del otro en ~ 10 m / s en cada dirección.
9. Monitorear la señal del detector InSb, que es la señal de medición espectral. Una vez que la señal del detector alcanza su valor máximo (tenga cuidado de no saturar el detector), deje las platinas motorizadas y apague los calentadores de cartucho (controlador de temperatura).
10. Espere a ~ 10 min para la fibra para solidificar (la señal del detector disminuye un poco durante este proceso, muy probablemente debido a la dependencia de la temperatura del índice de refracción o la contracción térmica).
11. Traducir el bloque del calentador largo de la fibra hacia una abrazadera de fibra, donde la fibra es cilíndrica. Entonces traducir el bloque calentador lejos de la fibra utilizando la hendidura en el bloque del calentador para permitir que la fibra de pasar.
12. Caracterizar el SCG a través de mediciones espectrales con el monocromador. Un filtro de InAs puede ser necesaria para medir con precisión la parte de longitud de onda larga del espectro.
13. Retire la fibra si se desea.

Después de completar con éxito el procedimiento de ahusamiento in situ, el espectro de la bomba amplió para cubrir 2,2-5 micras (en ~ 40 dB por debajo del pico), como se ve en la Figura 3. La energía del pulso de la bomba en el As ₂ S ₃ de fibra fue de ~ 250 Pj con una duración del impulso inicial de menos de 100 fs. La corta longitud de la cintura ahusada, ~ 2,1 mm, permite la generación de una banda ancha, coherente SC. Esto preserva las propiedades peine de frecuencia de la fuente de bombeo. Más información sobre el peine de frecuencias y otras propiedades de la SCG se puede encontrar en ^1.

La fibra de la cintura ahusada resultante de la monomodo Como ₂ S ₃ de fibra (originalmente 7 m de diámetro de núcleo, 160 micras diámetro del revestimiento, y 0,2 NA) se muestra en una imagen de SEM en la Figura 4. En un diámetro de ~ 2,3 micras, la cintura ahusada es demasiado pequeño para ser observable por el ojo cuando en la configuración, pero se puede observar a través de difracción o fuente de luz fa. La cintura ahusada será aproximadamente tan largo como la zona de calentamiento efectivo del bloque calentador. Ahusamiento estático genera un, región de transición exponencial largo de la fibra no ahusada de la fibra de la cintura ahusada que ocupa el restante ~ 16 mm de la longitud de extracción.

A medida que la fibra está siendo cónico, la señal de medición espectral detectada se asemeja a la figura 5. Esta señal debe permanecer más o menos constante hasta que la ampliación espectral en la fibra comienza a ocurrir cuando la GVD se convierte en cerca de óptima. La señal aumenta hasta un pico a una longitud de tracción del ~ 18 mm y rápidamente comienza a caer como el GVD pasa el punto óptimo. La anchura de 3 dB del pico en la señal de medición espectral es sólo 252 nm y la anchura de 10 dB es 572 nm, lo que demuestra la sensibilidad al diámetro de la fibra cónica y hace hincapié en la necesidad de que se estrecha in situ.

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Figura 1. In-situ fibra Disminución gradual de instalación. La fuente de la bomba fs se acopla en el As ₂ S ₃ de fibra con la lente L ₁ mediante la optimización de L ₁ 's posición de etapa lineal (en gris claro) y la posición XY de la montura del objetivo (no mostrado en la figura). La salida de la fibra se acopla al dispositivo de medición espectral con L ₂ optimizado por una etapa lineal. Las etapas motorizados (se muestra en gris oscuro) tire de la fibra de distancia de la calefacción central y se detiene cuando el valor de medición espectral se maximiza.

Figura 2. Calentador del bloque de aluminio. El bloque calentadork es ~ 6 mm de espesor, con dos agujeros de 4 mm (uno para la fibra y uno para controlar la temperatura aproximada de la fibra). Una pequeña ranura se corta en el bloque para permitir la inserción y extracción de la fibra. El bloque es de 2,54 cm de largo, que es el tiempo suficiente para adaptarse a toda la resistencia de los calentadores de cartucho. Un puesto de cerámica (que se adjunta con un tornillo de 8/32 set) proporciona aislamiento térmico. El sensor RTD se coloca en contacto con el bloque del calentador y el nivel con un calentador de cartucho para proporcionar el bucle de retroalimentación más rápida posible. La altura del bloque-no una dimensión importante, siempre y cuando no hay espacio para los calentadores de cartucho, agujeros de 4 mm para la fibra, y los grifos para montar el calentador de bloque es de ~ 1,75 cm.

Figura 3. Espectro de SCG. El espectros normalizados de tque de entrada (de la bomba) y la salida (SCG) se muestran. El ancho de banda de la salida generada es ~ 3 veces más amplia que la de entrada en unidades de frecuencia a 40 dB por debajo del pico. El baño en el espectro de salida alrededor de 4,2 micras corresponde a la absorción de CO ₂ en la atmósfera.

La Figura 4. Imágenes SEM de Como cónicos ₂ S ₃ de fibra. Ejemplos de la cónica Como ₂ S ₃ fibras se muestran (a) y (b) (a propósito roto después de la reducción de imágenes SEM). (A) La imagen de SEM de un Como ₂ S en ₃ de fibra cónica a aproximadamente el diámetro de SCG óptima, ~ 2,3 micras. (b) Una imagen de SEM de un Como ₂ S ₃ de fibra cónica demuestra el más pequeño diámetro cónico creado con el conjuntoup, ~ 760 nm.

Figura 5. Señal espectral Medición vs Tirando Longitud. La potencia de salida normalizada después del monocromador, ajuste estacionario a 3,9 micras, se muestra para un solo experimento cinta por fibra. La potencia de salida comienza a aumentar drásticamente después de ~ 17 mm de longitud tirando. El máximo de la señal se produce cerca de 18 mm de tirar de longitud, correspondiente a un diámetro de fibra de ~ 2,3 micras. Las etapas motorizados fueron detenidos poco después de que se alcanzó este pico.

Hemos demostrado un nuevo procedimiento se estrecha fibra y verificado su validez mediante la realización de SCG en el infrarrojo medio. Para el mejor de nuestro conocimiento, el método alternativo para esta aplicación se basa en la determinación de la longitud de extracción de fibra necesaria para crear un diámetro de fibra cónica que añade suficiente dispersión de guía de onda para optimizar SCG en el cono de fibra a través de cálculo, sin embargo, ya que la longitud de extracción necesario para maximizar el ensanchamiento espectral para una longitud específica de la fibra varía para cada experimento, este valor calculado es sólo una aproximación. El método alternativo requiere entonces conos de fibra para ser creados y probados uno tras otro hasta encontrar una puesta a punto deseado. Al ser capaz de controlar el perfil espectral de la SCG y utilizarlo como criterio para detener el proceso de adelgazamiento, hemos optimizado la salida de una sola cinta por fibra para lograr la ampliación sustancial en un cono corto. Esto reduce en gran medida el coste y el tiempo necesario para géneroste una vela fibra útil.

El fallo más común es la rotura de la fibra durante el procedimiento de estrechamiento. Breaks son causados ​​generalmente por establecer correctamente la temperatura del bloque calentador. Si la temperatura es demasiado baja, la fibra se romperá debido a la alta tensión. Si la temperatura es demasiado alta, la superficie de cristalización, ²⁹ que genera grietas en la superficie de la fibra que se propagan fácilmente bajo tensión, se puede producir una rotura en la fibra. De los dos, el modo más frecuente de fracaso fue el sobrecalentamiento de la fibra, por lo general de no colocar el sensor RTD en la posición adecuada. Una rotura de fibras es detectable fácilmente como la señal de medición espectral bajar repentinamente a la base de ruido.

Otras mejoras en la configuración son posibles. Por ejemplo, la fijación permanente del sensor RTD para el bloque del calentador permitiría una temperatura ahusamiento más repetible, lo que elimina el modo más común de insuficiencia. También, removing humedad de la configuración cónica purgando el programa de instalación con _N2 seco puede ayudar a evitar roturas durante cónica. Extracción de una cinta por fibra éxito se ha logrado, pero un procedimiento reproducible aún no ha sido desarrollado. Como el revestimiento ₂ S ₃ de fibra con una, de protección, de bajo índice de espesor, de baja pérdida, material de revestimiento podría mejorar la estabilidad mecánica de la fibra y permitir un manejo más fácil de la fibra estrechada. El uso de métodos alternativos para el control de la espectro, tales como el uso de un filtro de paso de longitud de onda larga que transmite en el lado de longitud de onda larga de la fuente de la bomba, podría simplificar el esquema de detección. Hay varias modificaciones opcionales que pueden ser capaces de ampliar la utilidad de la configuración cónica in situ actual. Las dimensiones del bloque calentador de aluminio se pueden alterar para cambiar la longitud de la región cónica. Ahusamiento dinámico, que consiste en desplazar el elemento de calentamiento con respecto a la fibra durante el ahusamientoING (llama cepillado) y / o en movimiento las etapas a diferentes velocidades, también se puede hacer con el seguimiento in situ. Esto permitiría a los diferentes perfiles de fibra cónica que se creará. La dispersión total experimentado por la fuente de la bomba dependerá, pues, el perfil creado. También, en sustitución del elemento de calentamiento con un calentador de alta temperatura permitiría que las fibras con altos puntos de fusión para ser cónica.

Aunque todavía no se ha demostrado, la fibra in situ técnica de ahusamiento se puede aplicar a otros dispositivos a base de fibras que se producen a través de fibra se estrecha. Ahusamiento leve en MOF puede ajustar con precisión la dispersión de la fibra para SCG eficiente. ¹⁰ Mediante el uso de una fuente de banda ancha que cubre la banda de paso de un MOF (tal vez una fuente basada en SCG), la banda de paso, que escala con el tamaño de la dimensión de la microestructuración, puede ser azul en diferido con fibra in-situ se estrecha. ¹¹ Además, una fuente de banda ancha puede ser que nosed para caracterizar componentes de la fibra, tales como acopladores de fibra ^{12, 13} y WDMS fabricados a través de fibra se estrecha durante la producción para cumplir mejor con las especificaciones. fibra in situ se estrecha se puede adaptar para optimizar los resultados de la mayoría de los experimentos de fibra ahusados.

Una patente de Estados Unidos provisional se ha presentado la protección de la tecnología descrita en este artículo.

Los autores desean agradecer a G. Shambat, C. Phillips, K. Aghaei para discusiones valiosas, F. Afshinmanesh para SEM imágenes, T. Marvdashti apoyo experimental, y MF Churbanov y GE Snopatin del Instituto de Química de alta pureza Sustancias y VG Plotnichenko y EM Dianov del Centro de Investigación de Fibra Óptica de la Academia de Ciencias de Rusia para la prestación del As ₂ S ₃ fibra. También estamos agradecidos por el apoyo de la Oficina de Investigación Naval, la NASA, la Fuerza Aérea Oficina de Investigación Científica, Agilent, y la Oficina de Tecnologías de Conjunto.