Method Article
Si descrive un metodo per In-situ Assottiglia di As 2 S 3 Fibre per raggiungere efficiente generazione supercontinuo medio infrarosso. Con assottiglia durante il monitoraggio dello spettro del supercontinuo, la larghezza spettrale può essere massimizzata per un cono in fibra. In-situ Fibra rastremata può essere applicata per ottimizzare le prestazioni di altri dispositivi a base di fibre.
Supercontinuo generazione (SCG) in una fibra calcogenuro rastremata è auspicabile per ampliare medio infrarosso (o medio IR, all'incirca la lunghezza d'onda 2-20 micron) pettini di frequenza 1, 2 per applicazioni quali fingerprinting molecolare, 3 rilevazione di gas traccia, 4 accelerazione di particelle laser-driven, 5 e x-ray produzione tramite elevata generazione armonica. 6 Il raggiungimento SCG efficiente in una fibra ottica rastremata richiede un controllo preciso della dispersione di velocità di gruppo (GVD) e le proprietà temporali degli impulsi ottici all'inizio del fibra, 7 che dipendono fortemente dalla geometria del cono. 8 A causa di variazioni nella configurazione e procedura rastremato di SCG successivi esperimenti-come la lunghezza della fibra, si assottiglia temperatura ambiente, o di potenza accoppiata nella fibra, monitoraggio spettrale in-situ di SCG è necessario ottimizzare la spettro di uscita per un singolo esperimento.
Fibra in situ rastremato di SCG consiste accoppiamento della sorgente pompa attraverso la fibra di essere rastremato per un dispositivo di misurazione spettrale. La fibra è poi conici mentre il segnale di misurazione spettrale è osservata in tempo reale. Quando il segnale raggiunge il suo picco, la rastremazione è fermo. La procedura assottiglia in situ consente la generazione di una ottava-spanning, pettine di frequenze medio IR stabile dalla sotto armonica di un pettine di frequenze vicino IR disponibile in commercio. 9 Questo metodo riduce i costi a causa della riduzione nel tempo e materiali richiesti di fabbricare una rastremazione ottimale con una lunghezza vita di soli 2 mm.
La tecnica assottiglia in situ può essere esteso per ottimizzare fibra ottica microstrutturata (MOF) per SCG 10 o sintonizzazione della banda passante del MOF, 11 coppie di fibre conici ottimizzazione per accoppiatori di fibre fuse 12 e ripartizione in lunghezza multiplexer (WDM), 13o la modifica di compensazione della dispersione per la compressione o stiramento di impulsi ottici. 14-16
Dopo essere stata prodotta prima nel campo di lunghezze d'onda visibili 1,7 fonti SCG si sono spostate verso il medio IR, in gran parte determinata dalle applicazioni in spettroscopia. 3, 4 fibre Chalcogenide, che comprendono solfuri, seleniuri e tellururi, sono stati un materiale popolare per il mid-IR a causa della loro bassa perdita di propagazione e alta linearità, 18 meno di 100 dB / km e 19 ~ 200 volte quella della silice per As 2 S 3, 20 rispettivamente. Tuttavia, la lunghezza d'onda di zero GVD della maggior calcogenuri è situato nel medio IR, oltre la lunghezza d'onda centrale della maggior parte delle fonti pompa ultraveloci disponibili, rendendo SCG sfidando in un materiale sfuso o una modalità singola fibra calcogenuro standard. Dispersione di guida d'onda può essere utilizzato per modificare il punto zero per GVD SCG. 7 Metodi per introdurre forte dispersione di guida d'onda includono fibra rastrematura, 8, 21 utilizzando fibre microstrutturate, 22-24 oanche una combinazione dei due. 10 Spostando la lunghezza d'onda di zero GVD sotto della lunghezza d'onda di pompa, la pompa sperimenterà dispersione anomala della fibra. Nel regime di dispersione anomala, formazione di solitoni avviene attraverso il bilanciamento del chirp lineare causata dalla modulazione di fase di sé e il chirp lineare causata da GVD. Per una sorgente pompa femtosecondi, allargamento spettrale è solitamente dominato da fissione solitoni o rottura di impulso, che si verifica dopo una compressione temporale iniziale come l'impulso si propaga lungo la fibra. 7 Nel caso di fibra affusolata, calcolando il totale GVD-compresi materiale e guida d'onda a dispersione può fornire un'approssimazione del diametro cono finale necessario per produrre uno spettro sensibilmente ampliato. A causa della forte dipendenza SCG su GVD e fluttuazioni tra prove sperimentali, comprese le variazioni della lunghezza della fibra prima zona rastremata e l'accoppiamento della pompa alla fibra, l'approssimazione calcolato non è sufficiente fo raggiungere un cono ottimizzato in prova unica. Monitoraggio spettrale permette di queste variazioni nel setup sperimentale per essere osservate e valutate in assottiglia in situ.
Inoltre, generando un supercontinuo efficiente (SC) in un breve fibra rastremata riduce la quantità di amplificazione non lineare rumore preservando la coerenza del SCG e le proprietà pettine di frequenza della sorgente di pompaggio. 25-27 dispersione gestione corretta, e quindi la necessità di un situ assottiglia, diventa ancora più critica quando la lunghezza della fibra è breve, come le scale di tolleranza SCG di lunghezza.
L'impianto in-situ assottiglia inizia con la sorgente di pompa, che è la subharmonic di una modalità bloccata-laser Er-fibra drogata, 9 accoppiato nel nucleo della As 2 S 3 fibra che sarà rastremata. L'uscita della fibra viene poi accoppiato ad un dispositivo che caratterizza il profilo spettrale. Nel experiment, un rivelatore InSb dopo un monocromatore con ~ 20 nm di risoluzione viene utilizzato per monitorare una porzione dello spettro di uscita in cui inizialmente vi è un segnale molto basso dalla sorgente pompa (a ~ 3.9 micron) in modo che la fibra può essere monitorata durante si assottiglia. Quando la fibra è conico e allarga lo spettro, le spettrali segnale aumenta di misurazione come la dispersione è ottimizzato per l'esperimento individuo. Monitorando lo spettro durante la procedura di rastrematura, rastremata può essere fermato al momento in cui l'allargamento spettrale è stata ingrandita. Assottiglia in-situ permettono una gestione ottimizzata per dispersione SCG efficiente in una singola fibra conicità. Assottiglia con una, ristretta zona di calore statico produce una vita breve cono fibra, 28 che consente di SCG basso rumore. Insieme, in-situ statica assottiglia può consentire coerente, a basso rumore, ottava-spanning SCG nel medio IR.
1. Tapering Setup Fabrication (Vedere Impostazione Assemblato in figura 1)
2. Calcogenuro Fibra Preparazione
3. Fibra Tap in-situEring Procedura
Dopo il completamento della procedura di tapering in situ, lo spettro della pompa ampliato per coprire 2,2-5 micron (a ~ 40 dB al di sotto del picco), come mostrato nella figura 3. L'energia di impulso pompa nella As 2 S 3 fibra era ~ 250 pJ con una lunghezza di impulso iniziale sotto 100 fsec. La lunghezza corta del girovita rastremata, ~ 2,1 millimetri, permette la generazione di una banda larga, coerente SC. Preserva la proprietà di pettine di frequenza della sorgente di pompa. Ulteriori informazioni sul pettine di frequenza e altre proprietà del SCG può essere trovato in 1.
La fibra risultante vita rastremata dalla modalità singolo Come 2 S 3 fibra (originariamente 7 micron diametro del core, 160 micron di diametro rivestimento, e 0,2 NA) è mostrato in un'immagine SEM di Figura 4. Ad un diametro di ~ 2.3 micron, la vita cono è troppo piccolo per essere osservabile ad occhio quando nella configurazione, ma può essere osservata attraverso diffrazione o FA fonte di luce. La vita affusolata sarà approssimativamente finché la zona di calore efficace del blocco riscaldatore. Rastremazione statica genera un lungo, regione di transizione esponenziale dalla fibra cilindrica alla cintola fibra rastremata che occupa il restante ~ 16 mm di lunghezza tirare.
Poiché la fibra è essere rastremata, il segnale di misurazione spettrale rilevato come nella figura 5. Questo segnale dovrebbe rimanere sostanzialmente costante fino allargamento spettrale nella fibra inizia a verificarsi quando il GVD diventa vicina al valore ottimale. Il segnale aumenta ad un picco a una lunghezza di trazione di ~ 18 mm ed inizia a scendere rapidamente come GVD passa il punto ottimale. La larghezza a 3 dB del picco del segnale di misura spettrale è a soli 252 nm e la larghezza di 10 dB è 572 nm, che dimostra la sensibilità al diametro della fibra rastremata e sottolinea la necessità di tapering in-situ.
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Figura 1. In-situ Fibra Tapering Setup. L'origine pompa fs è accoppiato in As 2 S 3 in fibra con lente L 1 di ottimizzazione L 1 's posizione di fase lineare (in grigio chiaro) e la posizione XY del supporto dell'obiettivo (non mostrato in figura). L'uscita della fibra è accoppiato al dispositivo di misura spettrale con L 2 ottimizzato da una fase lineare. Le fasi motorizzate (in grigio scuro) tirare la fibra di distanza dalla stufa centrale e si fermano quando il valore di misurazione spettrale è massimizzato.
Figura 2. Alluminio blocco riscaldatore. L'blocco riscaldatorek è ~ spessore con due fori da 4 mm (uno per la fibra e uno per monitorare la temperatura approssimativa della fibra) di 6 mm. Una piccola fessura è tagliata nel blocco per consentire l'inserimento e la rimozione della fibra. Il blocco è lungo 2,54 centimetri, che è giusto il tempo di montare l'intero elemento di riscaldamento dei riscaldatori a cartuccia. Un post in ceramica (attaccato con una vite 8/32 set) fornisce l'isolamento termico. Il sensore RTD viene posto a contatto con il blocco riscaldatore e livello con un riscaldatore cartuccia per fornire il più veloce possibile circuito di retroazione. L'altezza del blocco-non una dimensione importante a patto che ci sia spazio per i riscaldatori a cartuccia, fori da 4 mm per la fibra, e rubinetti per montare il riscaldatore blocco è ~ 1,75 centimetri.
Figura 3. SCG Spectrum. Gli spettri normalizzata di tegli ingresso (pompa) e di uscita sono mostrati (SCG). La larghezza di banda generato dell'output è ~ 3 volte più ampia rispetto all'ingresso in unità di frequenza a 40 dB al di sotto del picco. Il tuffo in spettro di uscita intorno 4.2 micron corrisponde a CO 2 assorbimento nell'atmosfera.
Figura 4. Immagini di SEM conici As 2 S 3 Fibra. Esempi del rastremata Come 2 S 3 fibre sono mostrati in (a) e (b) (volutamente rotto dopo rastremato di immagini SEM). (A) L'immagine SEM di un AS S 2 3 fibra rastremata a circa il diametro ottimale per SCG, ~ 2.3 micron. (b) Una immagine SEM di un As 2 S 3 fibra rastremata dimostra il più piccolo diametro rastremato creata con il setup, ~ 760 nm.
Figura 5. Segnale spettrale di misura vs Tirando lunghezza. La potenza di uscita normalizzata dopo il monocromatore, impostare fermo a 3,9 micron, viene mostrato per un singolo esperimento cono in fibra. La potenza di uscita inizia ad aumentare drammaticamente dopo ~ 17 mm di lunghezza tirare. Il segnale massimo si verifica vicino a 18 mm di lunghezza tirare, corrispondente ad un diametro di fibra di ~ 2.3 micron. Le fasi motorizzate sono stati fermati poco dopo è stato raggiunto questa vetta.
Abbiamo dimostrato un romanzo procedura assottiglia fibra e verificata la sua validità eseguendo SCG nel medio IR. Per quanto a nostra conoscenza, il metodo alternativo per questa applicazione si basa sulla determinazione della lunghezza di fibra trazione necessaria per creare un diametro di fibra rastremata che aggiunge sufficiente dispersione di guida d'onda per ottimizzare SCG nel cono fibra attraverso calcolo, tuttavia, poiché la lunghezza necessaria tirando per massimizzare l'allargamento spettrale per una specifica lunghezza di fibra varia per ogni esperimento, questo valore calcolato è solo un'approssimazione. Il metodo alternativo richiede a stringere in fibra per essere creati e testati uno dopo l'altro fino a trovare una conicità desiderata. Essendo in grado di monitorare il profilo spettrale del SCG e usarlo come criterio per arrestare il processo di rastrematura, abbiamo ottimizzato l'uscita di una singola fibra conicità per raggiungere una sostanziale allargamento in un cono corto. Questo riduce notevolmente il costo e il tempo necessari a generite un cono in fibra di utile.
Il fallimento più comune è la rottura della fibra durante la procedura di rastremazione. Interruzioni di solito sono causati impostando impropriamente la temperatura del blocco riscaldante. Se la temperatura è troppo bassa, la fibra si rompe a causa di alta tensione. Se la temperatura è troppo alta, cristallizzazione superficiale, 29 che genera crepe nella superficie della fibra che facilmente si propagano in tensione, può produrre una rottura della fibra. Dei due, la modalità più frequente di guasto è stato surriscaldando la fibra, di solito da non posizionare il sensore RTD nella posizione corretta. Una rottura della fibra è facilmente rilevabile come il segnale di misura spettrale improvvisamente cadere a terra rumore.
Ulteriori miglioramenti alla configurazione sono possibili. Per esempio, fissare definitivamente lo sensore RTD al blocco riscaldatore consentirebbe una temperatura rastremazione più ripetibile, eliminando la modalità più comune di fallimento. Inoltre, removing umidità dal setup assottiglia da spurgo il setup con secco N 2 può contribuire a evitare rotture durante il tapering. Rimozione di una fibra conicità successo è stato compiuto, ma una procedura riproducibile non è stato ancora sviluppato. Poiché il rivestimento 2 S 3 fibra con una spessa, protettiva, indice bassa, bassa perdita, materiale di rivestimento potrebbe migliorare la stabilità meccanica della fibra e di consentire la più agevole manipolazione della fibra rastremata. Con metodi alternativi per il monitoraggio dello spettro, ad esempio utilizzando un filtro passa lungo lunghezza d'onda che trasmette sul lato lungo lunghezza d'onda della sorgente di pompaggio, potrebbe semplificare il sistema di rilevamento. Ci sono diverse modifiche opzionali che possono essere in grado di espandere l'utilità del corso di installazione in situ si assottiglia. Le dimensioni del blocco riscaldatore di alluminio possono essere alterati per modificare la lunghezza della regione rastremata. Dinamico rastremazione, che consiste nello spostare l'elemento riscaldante rispetto alla fibra durante conicitàING (fiamma spazzolatura) e / o in movimento le fasi a velocità diverse, può essere fatto anche con il monitoraggio in-situ. Ciò consentirebbe di diversi profili in fibra conici per essere creati. La dispersione totale cui è sottoposta la sorgente di pompaggio dipenderebbe sul profilo creato. Inoltre, di sostituire la resistenza con un riscaldatore ad alta temperatura permetterebbe fibre con punti di fusione superiori a essere rastremata.
Anche se non ancora dimostrato, la tecnica in situ assottiglia fibra può essere applicata ad altri dispositivi a base di fibre che sono prodotte tramite fibra rastremata. Leggera rastremazione in MOFs possibile ottimizzare la dispersione della fibra per SCG efficiente. 10 Utilizzando una sorgente a banda larga che copre la banda passante di un MOF (forse una sorgente basata SCG), la banda passante, che scala con la dimensione dimensione del microstrutturazione, può essere spostata verso il blu usando la fibra in situ si assottiglia. 11 Inoltre, una sorgente a banda larga può essere noied a caratterizzare componenti in fibra, come accoppiatori di fibre 12, 13 e WDMS fabbricati tramite fibra assottiglia durante la produzione per meglio soddisfare le specifiche. fibre in-situ rastremazione può essere adattato per ottimizzare i risultati di esperimenti maggior rastremate fibra.
Un brevetto provvisorio Stati Uniti è stata depositata proteggere la tecnologia divulgato in questo articolo.
Gli autori desiderano ringraziare G. Shambat, C. Phillips, K. Aghaei per inestimabili discussioni, F. Afshinmanesh per le immagini SEM, T. Marvdashti per il supporto sperimentale, e MF Churbanov e GE Snopatin presso l'Istituto di Chimica di alta purezza Sostanze e VG Plotnichenko e EM Dianov dalla Fibra Ottica Centro di Ricerca dell'Accademia Russa delle Scienze per fornire l'As 2 S 3 in fibra. Siamo anche grati per il sostegno da parte del Office of Naval Research, la NASA, l'Ufficio Air Force della Ricerca Scientifica, Agilent e l'Technologies Joint Office.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Motorized Linear Stages | Newport | MFA-PPD | Available from other vendors. |
Motorized Stage Controller | Newport | ESP301 | Available from other vendors. |
Aluminum Block | Any vendor. | Dimensions will vary depending on desired taper length. | |
RTD Sensor | Omega | 1PT100GX1510 | |
Cartridge Heaters | Omega | CSS-01115/120V | |
Temperature Controller | Omega | CSC32 | |
Input Coupling Linear Translation Stage | CVI | 07TXS224 | Available from other vendors. |
Output Coupling Linear Translation Stage | Newport | 422-1S | Available from other vendors. |
XYZ Linear Translation Stage | Newport | 461 | Available from other vendors. |
Assorted posts, optics mounts, bases, and forks | Any vendor. | ||
Optical Breadboard | Thorlabs | MB12 | Available from other vendors. |
Input Coupling ZnSe Lens | Thorlabs | AL72512-E | Available from other vendors. Input coupling focal length depends on pump source and fiber mode field diameter. |
Output Coupling ZnSe Lens | Edmund Optics | NT62-961 | Available from other vendors. |
Box | Any type will do. | Must be large enough to allow stage movement. Needs apertures for input and output coupling of light. | |
Ceramic Optical Post | Any vendor. | ||
Digital Microscope | Any vendor. | Optional. | |
Table Clamps | Thorlabs | CL5 | Available from other vendors. |
Bare Fiber clamps | Thorlabs | HFF003 | Available from other vendors. |
Table 1. Tapering Setup Materials. | |||
As2S3 Optical Fiber | Fiber Optics Research Center of the Russian Academy of Sciences | Available from other vendors, such as CorActive. | |
Beavertail Cleaver | Fiber Network Tools | S-315 | Available from other vendors. Hand cleaving or polishing fiber tips can also produce high quality fiber tips. |
KimWipes | Kimberly-Clark Professional | 34120 | Available from other vendors. |
Acetone, Isopropanol | Any vendor. | ||
Table 2. Materials for Chalcogenide Fiber Preparation. | |||
Pyrocam | Ophir Photonics | Pyrocam III Series | Any camera with sensitivity at pump wavelength will work. |
Monochromator | Photon Technology International | A 100 line/mm grating was used. Any spectral measurement device will work (e.g. longpass filter). | |
CaF2 Lenses | Thorlabs | LB5922 | Available from other vendors. |
InAs Filter | Any vendor. | Available from other vendors. | |
Amplified InSb Detector | Hamamatsu | P4631-03 | Available from other vendors. |
Computer | Any vendor. | ||
DAQ | National Instruments | USB X Series | |
Labview software for motorized stages | National Instruments | Optional. Custom program. | |
Labview software for collecting detector data | National Instruments | Optional. Custom program. | |
Assorted posts, optics mounts, bases, and forks | |||
1" Gold mirrors | Any vendor. | ||
Chopper and controller | Any vendor. | SRS Model SR540 | Optional. Depends on detector being used. |
Table 3. Materials for In-situ Tapering Procedure. |
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