in-situで中間赤外線スーパーコンティニューム生成のカルコゲナイド繊維のテーパ

我々は、手法について述べるその場 Asの先細り ₂ S ₃繊維を効率的中間赤外線スーパーコンティニューム生成を達成する。スーパーコンティニウムのスペクトルをモニタしながら先細りにより、スペクトル幅がテーパファイバのために最大にすることができる。その場繊維を他の繊維ベースのデバイスの性能を最適化するために適用することができる。

テーパーカルコゲナイド繊維によるSUPERCONTINUUM世代（SCG）は、分子フィンガープリンティング^、3微量ガス検出^、4などのアプリケーションに中間赤外線（またはおよそ2-20μmの波長範囲、半ばIR）周波数コム^1、2を広げるために望ましい高調波発生介してレーザー駆動粒子加速^、5及びX線生産^6は、テーパー付き光ファイバの効率的なSCGを達成するの冒頭群速度分散（GVD）と光パルスの時間的特性の正確な制御を必要とする繊維、テーパーの形状に強く依存する^7。環境温度、またはスペクトル監視現場でファイバに結合力を、先細連続SCG実験-などの繊維長さなどのために先細りセットアップや手順のばらつきによる^8、 SCGは、単一の実験に出力スペクトルを最適化する必要がある。

SCGための先細りの現場ファイバは、分光測定装置にテーパ状に光ファイバを介してポンプ光源を連結から成る。スペクトル測定信号をリアルタイムで観察しながら繊維は、その後先細になっている。信号がピークに達したときに、テーパが停止される。 in-situで先細りの手順では、市販されている近赤外周波数コムのサブハーモニックから安定した、オクターブスパニング、中赤外周波数コムの生成が可能になります^。9この方法では、必要な時間と材料の削減によるコストを削減のみ2mmのウエスト長との最適なテーパを作製した。

インサイチュテーパ技術は、溶融ファイバカプラ¹²と、波長分割マルチプレクサ^{（WDMs）、13}に対してMOFは^、11最適テーパファイバ対の通過帯域の¹⁰またはチューニングSCGための微細構造光ファイバ（MOF）を最適に拡張することができる又は光パルスの圧縮または伸張のための分散補償を修正する^。14-16

最初の^1,7 SCG源は主に分光内のアプリケーションによって駆動、中赤外の方にシフトして可視波長範囲で生産されている^。3後^、硫化物^、セレン、およびテルルを含む⁴カルコゲナイド繊維は、、のための普及した材料であったその低伝搬損失と高非線形性^、18 ₂ S ₃として未満で100デシベル/キロ^19〜200倍、シリカのもの^、20のために半ばIR それぞれ。しかし、ほとんどのカルコゲナイドの零GVD波長は、バルク材料や標準のシングルモード光ファイバカルコゲナイドで挑戦SCGを作って、使用可能な超高速ポンプ源の大半の中心波長を越えて、中赤外に位置しています。導波路分散は、SCGのためのゼロGVD点を修正するために使用することができる。強い導波路分散を導入するための⁷メソッドテーパファイバ^、8、微細構造ファイバを用いた^21、22-24又はを含む2であっても組み合わせが¹⁰ポンプ波長ゼロ以下GVD波長をシフトすることで、ポンプは繊維に異常分散を経験するでしょう。異常分散領域では、ソリトン形成は、自己位相変調とGVDによって生じる線形チャープによって生じる非線形チャープのバランスを介して行われます。フェムト秒ポンプ·ソース用、スペクトル広がりは通常パルスがファイバに沿って伝播する初期時間圧縮した後に発生するソリトン分裂またはパルスの破れ、によって支配されています。テーパーファイバーの場合^7、両方の材料総含むGVDを計算し、導波路分散は、することができます大幅に広がったスペクトルを生成するために必要な最終的なテーパー径の近似を提供する。ファイバへのポンプのテーパ領域と結合する前に、繊維長の変更などの実験的試行、間GVDと変動に関するSCGの強い依存性があるため、計算された近似が十分でFはないまたは単一の試験で最適化されたテーパーを達成。スペクトル監視は、in-situで先細りにについて観測及び会計処理するための実験セットアップでこれらの変化を可能にします。

また、短いテーパファイバにおける効率スーパーコンティニウム（SC）を生成することの必要性で 、従って^25-27適切な分散管理は、SCGのコヒーレンスを維持する非線形雑音増幅量とポンプ源の周波数コム特性を減少させ、テーパ現場 、長さの公差SCGスケールとして、繊維長が短い場合にさらに重要になる。

in-situで先細りセットアップは先細りになります₂ Sとして₃ファイバのコアに結合モードロックErドープファイバレーザ^、9の低調波であるポンプ源、始まります。ファイバの出力は、スペクトルプロファイルを特徴付ける装置に結合されている。 experimで耳鼻咽喉科、分解能〜20nmのモノクロメータでは、ポンプ源（〜3.9程度で）からの非常に低い信号がファイバ中に監視することができるように、最初に存在する場合に出力スペクトルの一部を監視するために使用された後、InSbの検出器先細り。繊維は先細りであるテーパ状であり、スペクトルが広がるときに、分散液として、分光測定信号増加は、個々の実験のために最適化されている。スペクトルの広がりが最大されていた瞬間に停止することができるテーパー、テーパー手順中にスペクトルを監視することによって。 その場先細りは単繊維テーパーで効率的SCGために最適化された分散管理を可能にします。静的で先細り、狭いヒートゾーンは、低ノイズSCG可能に短繊維テーパー腰^、28を生成します。一緒に、in-situで先細り静的半ばIRにおけるコヒーレント、低ノイズ、オクターブスパニングSCGを有効にすることができます。

1。先細りセットアップ作製（図1の組み立てセットアップを参照してください）

1. ステージが接触していると、互いに向かって離れて変換されるようにブレッドボード（大体中心）に電動リニアステージを確保
2. 繊維のマウントを準備し、配置
   1. お互いに最​​も近い穴を使用して、電動リニアステージプレート（1ずつ）、2つの光のポストを取り付けます。
   2. 支柱のてっぺんに裸光ファイバマウントを取り付けます。繊維用のV溝が整列していることを確認してください。 （注：裸光ファイバマウントの高さは大体システムのビームの高さになりますそれに応じて将来のポストと台座の高さを選択してください。）
3. 入力と出力のカップリング要素を準備し、配置
   1. アダプタプレートを電動リニアステージ（入力用と出力側のためのもの）に線形変換ステージを取り付けます。
   2. ARコーティングされたZnSeの入力カップリングLを置き入力変換ステージ上ENS（台座の上に、xとyの変換と光学マウントに取り付けられた）。ポンプ光源からファイバのコアに最適なカップリングを与える焦点距離を選択してください。レンズの中心が繊維クランプのV溝と同じ高さにあることを確認してください。
   3. 出力変換ステージ上にコーティングされていないのZnSe出力カップリングレンズ（台座の上に、xとyの変換と光学マウントにマウント）に置きます。レンズの中心がV溝と同じ高さにあることを確認してください。
4. （ 図2に示すように）を準備し、発熱体を配置
   1. マシンアルミニウム繊維用の穴（ファイバーを挿入し、除去するためにスリット付き）とファイバ温度を監視するための所望の寸法にブロック（〜6ミリメートルX 25.4ミリメートルX 17.5ミリメートル）、カートリッジヒーター用の穴、及び8 /を32は、カートリッジヒーターの取付と固定するために、上下の穴をタップ。
   2. をtにカートリッジヒーターを挿入彼は適切なアルミブロックの穴と32分の8セットネジで固定します。
   3. 断熱のためのトップ32分の8セットスクリューにセラミックポストを取り付けます。
   4. セラミックポストに光学ポストを取り付け、XYZリニアステージにヒーターを確保するために付加的な光学ポストと直角ポストクランプを使用しています。
   5. アルミヒーターで₂ S ₃繊維などのための穴を繊維クランプのV溝を中心にすることができるようにブレッドボードにXYZリニアステージを固定します。
   6. ヒーターは繊維が閉塞することなく固定することができるように、裸光ファイバクランプの近くにもはやないようにXYZリニアステージのアルミヒーターを翻訳。

2。カルコゲナイドファイバー準備

1. 分約10またはまで、アセトンでジャケットとして₂ S ₃繊維（8.5 cmの各ファイバテーパーに必要なジャケットファイバの長さよりも長くなければなりません）の希望の長さを浸すジャケットは柔らかくなる。 （異なる繊維を使用している場合は、ジャケットのための適切な溶剤を使用してください）​​。
2. ゆっくりと時間が5 cm以上、もはやセクションを削除し、キムワイプで軟化ジャケットを削除します。
3. キムワイプにイソプロパノールで裸ファイバを清掃します。
4. ₂ S ₃繊維としての開裂一端にBeavertailの包丁を使用してください。切断品質を検査するためのイメージを捨てファイバ先端を。
5. 測定し、繊維の少なくとも6.35センチメートルの長さの部分を破る。この繊維長はかろうじてファイバークランプの外に付着する繊維のために必要な長さよりも〜2センチメートル長くなければならない。
6. 切断する繊維の第2の端部をBeavertailの包丁を使用してください。切断品質を検査するためのイメージを捨てファイバ先端を。ファイバの第1劈開端との接触を避ける。
7. 先細りセットアップの繊維クランプに繊維を配置します。ファイバの中心に触れないようにしてください（繊維が加熱される場所）。

（3） その場ファイバー·タップ手順ering

1. ARコーティングされたZnSeのレンズ（F = 12.7ミリメートル）と、ファイバの基本モードに結合中赤外ポンプ光源を。電源は基本モードで主にあることを確認するためにPyrocamとファイバの出力端面の画像にコーティングされていないのZnSeレンズ（F = 20 mm）を使用します。ポンプ光がファイバの軸に沿って伝播されていることを確認してください。そうでない場合は、電動ステージの移動を開始した後、結合が変更される。
2. 1. ポンプ源の前にチョッパーを置きます。 （この手順は、AC結合検出器のために必要とされる）。
   2. モノクロ通し、モノクロメータの前後にコーティングされていないのCaF ₂レンズ（F = 20ミリメートル）を使用したInSb検出器への繊維のカップル出力。
   3. 送信された信号はほとんどノイズフロア（〜3.9μmの時）を超えるまでモノクロメータを通過するスペクトルの長波長側を可能にするためにモノクロメータの回折格子を回転させる。代わりに、フィルタのモノクロメータとる（ステップ3.2.2と3.2.3）、適切な光学フィルタは、ポンプの最長測定可能な波長の内容よりも長い検出可能な波長のパワーを測定するために使用することができる。
3. スリットを通してファイバースリップまでアルミヒーターを翻訳したアルミニウムヒーターの光ファイバ穴の中央に配置されます。
4. カートリッジヒーターのいずれかでのRTDセンサレベルを置きます。 図2に示すように、ブロックに接触して完全になるように緩やかにアルミニウムヒータに対するRTDセンサを押してください。 RTDが正しくヒーターと接触（またはしない再現性のある方法で）されていない場合は、ブロックの温度は不明であると繊維がテーパー間に壊れることになります。モノクロメータへの信号が減少していないことを確認してください。
   1. 小さなRTDは孔内の温度を監視するヒータブロックの他の孔の内側に配置することができる。 （オプション）
5. 私にデジタル顕微鏡を使用してテーパー処理中に繊維のモニタリングを可能にするヒーターブロックでメイジ繊維。 （オプション）
6. 空気の流れを減少させ、安定した先細りの温度を可能にするボックス（入力と出力ビーム用の穴付き）のセットアップをカバーしています。
7. RTDとカートリッジヒーターを接続した状態で、温度調節器の電源をオンにします。繊維が軟化し始める〜200°C、（正確な温度はファイバの周りにヒーター、環境温度、および空気流の大きさに依存する）まで温度を設定する。
8. 温度が設定点を中心に安定したら、離れて各方向に〜10μmの/秒、互いに自動ステージを翻訳LabVIEWプログラムを起動します。
9. スペクトル測定信号であるたInSb検出器の信号を監視します。検出器信号が最大値（検出器が飽和しないように注意してください）​​に達すると、自動ステージを停止し、カートリッジヒーター（温度調節器）をオフ。
10. （検出器の信号は屈折率や熱収縮の温度依存性に起因する可能性が最も高い、このプロセス中に少し減少します）固化する繊維のための〜10分間待ちます。
11. 繊維が傾斜のないある繊維クランプに向かって繊維に沿ってヒーターブロックを翻訳。次いで繊維を通過させるヒータブロックにスリットを使用してファイバからヒータブロックを離れて変換する。
12. モノクロとスペクトル測定を通してSCGを特徴付ける。 InAsのフィルタを正確にスペクトルの長波長部分を測定するために必要とされるかもしれない。
13. 必要に応じてファイバを取り外し。

インサイチュテーパ手順が正常に完了した後、ポンプスペクトルは、 図3に見られるように2.2から5ミクロン（ピーク下〜40 dB低い）から覆うように広がる。 ₂ S ₃繊維としてポンプパルスエネルギーは100フェムト秒の下で最初のパルス長で〜250 PJでした。テーパー腰の短い長さ、〜2.1ミリメートルは、ブロードバンド、首尾一貫したSCの生成が可能になります。これは、ポンプ源の周波数コムのプロパティを保持します。周波数コムとSCGの他のプロパティの詳細については^、1で見つけられるかもしれません。

₂ S ₃ファイバー（当初7μmのコア径160μmのクラッド径、0.2 NA）のような単一のモードからなるテーパーファイバー腰は図4のSEM像で示されている。 〜2.3ミク​​ロンの直径では、テーパーウエストはときセットアップで肉眼で観察されるには余りにも小さいですが、それは、回折Oを通して観察することができます FA光源。テーパーウエストはヒーターブロックの効果的な熱ゾーンとほぼ同じ長さになります。静的先細り、残りを占めているテーパーファイバーウエスト〜引っ張る長さ16 mmまで傾斜のない繊維から長い、指数関数的な遷移領域を生成します。

ファイバがテーパされているように、検出されたスペクトルの測定信号は、 図5に似ている。繊維のスペクトル広がりまで、この信号はほぼ一定のままにしてくださいGVDが最適に近くなったときに起こり始める。信号は〜18ミリメートルの引っ張り長さのピークに増加し、迅速GVDが最適点を通過するときに低下し始める。スペクトル測定信号のピークの3 dBの幅が唯一の252 nmで10 dBの幅は572 nmで、テーパー繊維径に対する感受性を示し、in-situで先細りの必要性を強調している。

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図1ファイバテーパセットアップその場 。FSポンプ源が最適L ₁のリニアステージ位置（ライトグレーで表示）と、レンズマウントのXY位置によってレンズL ₁と₂のようにS ₃ファイバに結合されている（図示せず）。ファイバの出力は、直動ステージによって最適化さL ₂を有する分光測定装置に結合されている。電動ステージは（濃い灰色で表示）離れて中央のヒーターから繊維を引き出し、スペクトル測定値が最大化されたときに停止します。

図2。アルミニウムヒーターブロック。ヒーター圏kは、2つの4 mmの穴（繊維と繊維のおおよその温度を監視するための1対1）を有する厚い〜6mmである。小さなスリットを挿入し、繊維の除去を可能にするために、ブロックにカットされています。ブロックは、単に十分な長さのカートリッジヒーターの全体の発熱体にフィットするようになっている、2.54mmolセンチです。セラミックポストは（32分の8セットネジで取り付けられている）、熱絶縁を提供します。 RTDセンサは、可能な最も速いフィードバックループを提供するために、カートリッジヒータとヒータブロックとレベルと接触して配置されている。ブロックしないカートリッジヒータ、ファイバ用4 mmの穴、ヒータ〜1.75センチメートルブロック-はマウントするタップの余地がある限り重要な次元の高さ。

図3。スペクトラムSCG。トンの正規スペクトル彼入力（ポンプ）と出力（​​SCG）が示されている。出力の生成された帯域幅は、ピークの40 dB下での周波数単位で入力より2〜3倍広い。 4.2μmの周りの出力スペクトルにおけるディップは、大気中のCO ₂吸収に相当します。

図4。 ₂ S ₃のようにテーパーファイバのSEM画像_。2 S ₃のようにテーパファイバの例に示されている（a）および（b）は、（意図的にSEM撮像するための先細りした後、壊れた）図₂のようにSの（a）は、SEM像最適SCGは約直径にテーパー₃繊維は、〜2.3程度である。（b）のテーパーとして₂ S ₃繊維のSEM像は、セットで作成された最小のテーパー直径を示していますまで、〜760 nmである。

図5。スペクトル測定信号対引っ張る長さ。モノクロ後に正規化された出力電力、3.9ミクロンで文房具セットは、単繊維テーパー実験のために示されている。出力電力は大幅に長さを引っ張る〜17ミリメートル後に増加し始める。最大信号は約2.3ミク​​ロンの繊維径に対応する長さを、引っ張るの近くに18ミリメートルを発生します。電動ステージはこのピークに達した直後に停止した。

我々は、新規ファイバーテーパー手順を示し、中間-IRでSCGを行うことにより、その有効性を検証した。我々の知る限り、このアプリケーションのための代替方法は、計算によりテーパファイバのSCG最適化するために十分な導波路分散を追加するテーパ状繊維径を作成するために必要な繊維引上げ長さを決定することに基づいているが、引上げ長が必要なのでファイバの特定の長さのためにスペクトル広がりを最大化するために、各実験のために、この計算された値だけ変化する近似値である。代替方法は、所望のテーパーが見つかるまでテーパファイバが作成され、順次にテストする必要があります。 SCGのスペクトルプロファイルを監視し、テーパプロセスを停止するための基準として使用することができることによって、我々は短いテーパの広がりを達成するために実質的な単繊維テーパの出力を最適化した。これにより属に必要なコストと時間を削減しTE便利ファイバーテーパー。

最も一般的な障害が先細り手順の間に繊維の破損です。登録は、通常、不適切にヒータブロックの温度を設定することによって引き起こされる。温度が低すぎると、繊維は、高い張力のために壊れる。温度が高すぎる場合には、容易に張力下に伝播繊維表面にクラックを発生させる表面結晶化^、29は 、光ファイバの断線を生成することができる。 2つのうち、失敗のより頻繁なモードは、通常、適切な位置にRTDセンサーを配置していないから、繊維が過熱しました。繊維·ブレークは、スペクトル測定信号が突然ノイズフロアに低下しますように容易に検出可能である。

セットアップへのさらなる改良が可能である。例えば、恒久的にヒータブロックにRTDセンサを取り付けること障害の最も一般的なモードを排除し、より再現先細り温度を可能にするであろう。また、レム乾燥N ₂でセットアップをパージすることによりテーパーセットアップから水分をovingする先細中破損を避けるために役立つかもしれない。成功したテーパファイバを除去して達成されたが、再現性のあるプロシージャは、まだ開発されていない。コーティングは厚く、保護、低屈折率を持つ₂ S ₃繊維、低損失、クラッド材は、繊維の機械的安定性を向上させ、テーパーファイバーの取り扱いを簡単にすることができたよう。このようなポンプ光源の長波長側の透過長波長通過フィルタを使用するなどスペクトルを監視するための代替方法を使用して、検出方式を簡素化できる。現在のin-situで先細りセットアップの有用性を広げることができるかもしれませんいくつかのオプションの変更があります。アルミニウムヒータブロックの寸法は、テーパ領域の長さを変更するように変更することができる。テーパ中に繊維に対して加熱素子を移動させることからなる、先細り動的る（火炎ブラッシング）及び/又は異なる速度でステージを移動するも、 その場での監視を行うことができる。これは、作成する別のテーパーファイバープロファイルを可能にするであろう。ポンプ源が経験全分散は、その後作成したプロファイルに依存する。また、高温ヒーターで加熱要素を交換するより高い融点を有する繊維をテーパ状に可能にするであろう。

まだ実証されていないが、 その場でテーパファイバ技術は、テーパファイバを介して製造される他の繊維ベースのデバイスに適用することができる。 MOFは先細りで若干、効率的SCG用ファイバの分散を微調整することができます^{10は、MOF（}おそらくSCGベースのソース）の通過帯域をカバーする広帯域光源を使用することにより、通過帯域を、その微細構造の次元の大きさに比例、できるテーパー^11はさらに、広帯域光源は、私たちすることができますin-situで繊維を使用したブルーシフトオピニオンは、そのような良好な仕様を満たすために製造中にテーパファイバを作製したファイバカプラ¹²と^WDMs、13等の繊維成分を特徴づける。先細りその場ファイバが最もテーパファイバの実験の結果を最適化するように適合させることができる。

米国仮特許は、この資料に記載された技術を保護提出されています。

著者らは、高純度の化学研究所からSEM画像、実験的なサポートのためのT. Marvdashti、そしてMF ChurbanovとGE Snopatinための貴重な議論、F. AfshinmaneshためG. Shambat、C.フィリップス、K. Aghaeiに感謝したいと思います₂ S ₃繊維として提供するためのロシア科学アカデミーのファイバーオプティクス研究センターからの物質とVG PlotnichenkoとEM Dianov。また、米海軍研究、NASA、科学研究、アジレント、および共同技術事務所の空軍事務所のオフィスからの支援に感謝しています。