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方法文章

原位 用于中红外超连续谱产生的硫系光纤拉锥

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DOI：

10.3791/50518

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2013年5月27日

 ,  ,  , 
1Edward L. Ginzton Laboratory, Stanford University

本文内容

摘要

我们介绍一种用于在原位（in-situ）拉锥 As2S3 光纤以实现高效中红外超连续谱产生的方法。通过在监测超连续谱光谱的同时进行拉锥，可使光纤锥形结构的光谱宽度最大化。in-situ 光纤拉锥技术可用于优化其他基于光纤器件的性能。

摘要

在锥形硫系光纤中产生超连续谱（SCG）有利于拓宽中红外（或中红外，波长范围约为2-20 μm）频率梳1, 2 用于分子指纹图谱等应用， 3 痕量气体检测， 4 激光驱动粒子加速 5 并通过高次谐波产生X射线。 6 在锥形光纤中实现高效的 SCG 需要对光纤起始端光脉冲的群速度色散（GVD）和时间特性进行精确控制。 7 其性能在很大程度上取决于锥形结构的几何形状。 8 由于连续 SCG 实验中的拉锥设置和操作存在差异，例如光纤长度、拉锥环境温度或耦合进光纤的功率， 原位 对超连续谱光源（SCG）进行光谱监测对于优化单次实验的输出光谱是必要的。

原位 用于SCG的光纤拉锥包括将泵浦光源通过待拉锥的光纤耦合至光谱测量装置。在拉锥过程中实时监测光谱测量信号。当信号达到峰值时，停止拉锥。 原位 锥形光纤工艺可实现从商用近红外频率梳的次谐波中产生稳定的、覆盖一个倍频程的中红外频率梳。 9 该方法通过减少制备所需时间和材料，降低了成本，可制备出腰段长度仅为2 mm的最优锥形结构。

该 原位 锥形技术可拓展用于优化微结构光纤（MOF）以实现超连续谱产生（SCG）10 或对金属有机框架（MOFs）通带的调节 11 优化锥形光纤对以制备熔融光纤耦合器12 和波分复用器（WDMs） 13 或通过调节色散补偿来压缩或展宽光脉冲。14-16

引言

在可见光波长范围内首次产生后1,7 中红外光源的应用主要受光谱学需求推动，使得半导体级联光源（SCG）的研究重心逐渐转向中红外波段。3, 4 硫属化物光纤，包括硫化物、硒化物和碲化物，因其在中红外波段具有低传输损耗和高非线性特性而成为该波段的常用材料，18 小于100 dB/km19 以及约是二氧化硅对砷吸附能力的200倍2S3,20 分别。然而，大多数硫族化物的零群速度色散（GVD）波长位于中红外区域，超出了大多数现有超快泵浦光源中心波长的范围，这使得在块状材料或标准单模硫族化物光纤中实现超连续谱产生（SCG）具有挑战性。可通过波导色散来调节零GVD点，以实现超连续谱产生。7 引入强波导色散的方法包括光纤拉锥，8, 21 使用微结构光纤，22-24 或两者的组合。10 通过将零群速度色散（GVD）波长移至泵浦波长以下，泵浦光将在光纤中经历反常色散。在反常色散区域，孤子的形成源于自相位调制引起的非线性啁啾与群速度色散引起的线性啁啾之间的平衡。对于飞秒泵浦光源，光谱展宽通常由孤子裂变或脉冲破碎主导，这一过程发生在脉冲沿光纤传播时的初始时间压缩之后。7 在光纤拉锥的情况下，计算总群速度色散（GVD）——包括材料色散和波导色散——可以近似估算出产生显著展宽光谱所需的最终锥形直径。由于超连续谱生成（SCG）对GVD具有强依赖性，且实验之间存在波动，例如拉锥区域前的光纤长度变化以及泵浦光与光纤的耦合情况变化，因此仅依靠计算得到的近似值无法在单次实验中实现优化的拉锥效果。光谱监测可使实验装置中的这些变量得以被观察并加以校正 原位 逐渐减细

此外，在短锥形光纤中高效产生超连续谱（SC）可减少非线性噪声放大，从而保持超连续谱产生的相干性以及泵浦源的频率梳特性。25-27 正确的色散管理，因此也是必要的 原位 当光纤长度较短时，锥形过渡变得更为关键，因为SCG容差随长度变化。

的 原位 锥形放大装置从泵浦源开始，该泵浦源为锁模掺铒光纤激光器的倍频下谐波。9 耦合到 As 的核心中2S3 用于拉锥的光纤。光纤输出端连接至表征光谱轮廓的装置。实验中，使用单色仪后接一个分辨率约为20 nm的InSb探测器，监测输出光谱中泵浦源信号原本极弱的部分（约3.9 μm），以便在拉锥过程中实时监控光纤。当光纤被拉锥且光谱展宽时，随着色散特性在具体实验中达到最优，光谱测量信号随之增强。通过在拉锥过程中实时监测光谱，可在光谱展宽达到最大时立即停止拉锥操作。 原位 锥形化可在单根光纤锥中实现优化的色散管理，从而高效产生超连续谱。采用静态窄加热区进行锥形化可制备出短腰区光纤锥。28 可实现低噪声的SCG。 together, 原位 静态锥形化可在中红外波段实现相干、低噪声、倍频程展宽的超连续谱生成。

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方案

1. 锥形结构制备（参见图1中的组装示意图）

  1. 将电动线性位移台固定在光学平台上（大致居中），使两个位移台相互接触，并能够彼此相向或反向移动
  2. 准备并安装光纤夹具
    1. 使用两个电动线性位移台板上彼此最接近的螺孔，各安装一根光学支杆。
    2. 将裸露的光纤夹具安装在支杆顶部，确保光纤的V型槽对齐。（注意：裸露光纤夹具的高度大致等于系统的光束高度，应据此选择后续支杆和底座的高度。）
  3. 准备并安装输入和输出耦合元件
    1. 使用适配板将线性平移台分别安装到电动线性位移台上（一侧用于输入，另一侧用于输出）。
    2. 将带有抗反射涂层的ZnSe输入耦合透镜（安装在带有X和Y方向调节功能的光学镜架上，并置于底座上）放置在输入平移台上。选择合适的焦距，以实现泵浦光源到光纤纤芯的最佳耦合效果。确保透镜中心与光纤夹具的V型槽高度一致。
    3. 将无涂层的ZnSe输出耦合透镜（同样安装在带有X和Y方向调节功能的光学镜架上，并置于底座上）放置在输出平移台上。确保透镜中心与V型槽高度一致。
  4. 准备并安装加热元件（如图2所示）
    1. 将铝块加工至所需尺寸（约6 mm × 25.4 mm × 17.5 mm），并加工出用于穿光纤的孔（带切缝以便插入和取出光纤）、用于监测光纤温度的孔、用于插入筒状加热器的孔，以及在顶部和底部加工出8/32螺纹孔，用于安装和固定筒状加热器。
    2. 将筒状加热器插入铝块对应的孔中，并使用8/32紧定螺钉固定。
    3. 在顶部的8/32紧定螺钉上安装一个陶瓷支杆，以实现热隔离。
    4. 在陶瓷支杆上安装一根光学支杆，并使用直角支杆夹具和另一根光学支杆将加热器固定在XYZ线性位移台上。
    5. 将XYZ线性位移台固定在光学平台上，使铝制加热器中用于穿As2S3 光纤的孔能够与光纤夹具的V型槽对齐居中。
    6. 通过XYZ线性位移台移动铝制加热器，使其暂时远离裸露的光纤夹具，以便无阻碍地固定光纤。

2. 硫族化物光纤制备

  1. 将所需长度的包层 As2S3 光纤（必须长于 8.5 cm，即每次拉锥所需的包层光纤长度）浸入丙酮中约 10 分钟，或直至包层变软。（若使用其他类型的光纤，请选用相应的溶剂）。
  2. 用无尘纸轻轻去除软化的包层，每次去除的长度不得超过 5 cm。
  3. 用浸有异丙醇的无尘纸清洁裸露的光纤部分。
  4. 使用 BeaverTail 光纤切割刀切割 As2S3 光纤的一端。对丢弃的光纤端面成像，以检查切割质量。
  5. 测量并截取至少 6.35 cm 长的光纤段。该光纤长度应比光纤夹具中光纤略微露出所需的长度长约 2 cm 左右。
  6. 使用 BeaverTail 光纤切割刀切割光纤的另一端。对丢弃的光纤端面成像，以检查切割质量。避免触碰已切割的第一端。
  7. 将光纤放置于拉锥装置的光纤夹具中。避免触碰光纤的中心区域（即加热区域）。

3. 原位 光纤拉锥工艺

  1. 使用抗反射镀膜的ZnSe透镜（f = 12.7 mm）将中红外泵浦光源耦合至光纤的基模中。使用未镀膜的ZnSe透镜（f = 20 mm）将光纤输出端面成像到Pyrocam上，以确保输出光主要处于基模。确保泵浦光束沿光纤轴线传播；若未对准，则在电动平移台开始移动时耦合效率会发生变化。
    1. 在泵浦光源前放置一个斩波器。（此步骤适用于交流耦合探测器）
    2. 使用未镀膜的CaF2透镜（f = 20 mm）将光纤输出光耦合进入单色仪，并引导至InSb探测器，透镜分别置于单色仪前后。
    3. 旋转单色仪光栅，使光谱的长波长部分通过单色仪，直至透射信号略高于噪声基底（约3.9 μm处）。除使用单色仪滤波（步骤3.2.2和3.2.3）外，也可使用适当的光学滤光片来测量可探测波长范围内、长于泵浦光最长可测波长成分的光功率。
  3. 移动铝制加热器，使光纤穿过狭缝并居中于铝制加热器的光纤孔中。
  4. 将RTD传感器与其中一个筒状加热器对齐。轻轻将RTD传感器压紧在铝制加热器上，确保其与加热块完全接触，如图2所示。若RTD未正确接触加热器（或接触不可重复），将导致加热块温度未知，进而在拉锥过程中引起光纤断裂。同时确保通往单色仪的信号未下降。
    1. 可将小型RTD传感器置于加热块的另一孔中，用于监测孔内温度。（可选）
  5. 使用数字显微镜对加热块中的光纤进行成像，以便在拉锥过程中实时监控光纤状态。（可选）
  6. 用一个带有输入和输出光束通孔的盒子覆盖整个装置，以减少空气流动，实现稳定的拉锥温度。
  7. 连接RTD和筒状加热器后，开启温控器。将温度设定为约200 °C，此时光纤开始软化（确切温度取决于加热器尺寸、环境温度及光纤周围的气流）。
  8. 当温度稳定在设定值附近时，启动LabVIEW程序，使电动平移台以约10 μm/sec的速度在两个方向上相互远离移动。
  9. 监测InSb探测器的信号，即光谱测量信号。当探测器信号达到最大值时（注意避免探测器饱和），停止电动平移台运动，并关闭筒状加热器（温控器）。
  10. 等待约10分钟，使光纤完全固化（在此过程中探测器信号会略有下降，可能源于折射率的温度依赖性或热收缩）。
  11. 沿光纤方向将加热块平移至未拉锥的光纤夹持位置，然后利用加热块上的狭缝将加热块从光纤上移开，使光纤顺利通过。
  12. 通过单色仪进行光谱测量，表征超连续谱生成（SCG）特性。为准确测量光谱的长波长部分，可能需要使用InAs滤光片。
  13. 如需，可将光纤取下。

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结果

成功完成之后 原位 锥形过程，泵浦光谱展宽至覆盖2.2到 5 μm （约低于峰值 40 dB），如图所示 图3. As中的泵浦脉冲能量2S3 光纤中的脉冲能量约为 250 pJ，初始脉冲宽度小于 100 fsec。锥形腰区的长度较短，约为 2.1 mm，有利于产生宽带且相干的超连续谱。该设计可保留泵浦光源的频率梳特性。有关频率梳及超连续谱生成（SCG）其他特性的更多信息，可参见 1.

单模As2S3光纤（原始纤芯直径为7 μm，包层直径为160 μm，数值孔径为0.2）经拉锥后形成的锥形光纤腰区如图4中的扫描电镜（SEM）图像所示。当腰区直径约为2.3 μm时，其尺寸过小，在实验装置中无法用肉眼直接观察，但可通过光源的衍射现象进行观测。锥形腰区的长度大致等于加热块的有效加热区域长度。静态拉锥法会在未拉锥的光纤与锥形腰区之间形成一个长约~16 mm的指数型过渡区域。

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讨论

我们展示了一种新型的光纤拉锥方法，并通过在中红外波段实现超连续谱产生（SCG）验证了其有效性。据我们所知，该应用的替代方法是通过计算确定所需的光纤拉伸长度，以形成特定直径的锥形光纤，从而引入足够的波导色散，优化光纤锥区中的超连续谱产生；然而，由于在不同实验中，使光谱展宽达到最大的所需拉伸长度随光纤长度变化而变化，因此该计算值仅为近似值。该替代方法随后需要逐一制备并测试多个光纤锥，直至找到理想的锥形结构。通过实时监测超连续谱产生的光谱轮廓，并将其作为停止拉锥过程的判据，我们优化了单根光纤锥的输出，实现了在较短锥形段内显著的光谱展宽。这极大地降低了制备可用光纤锥所需的成本和时间。

最常见的失败情况是在拉锥过程中光纤发生断裂。断裂通常是由于加热块的温度设置不当所致。如果温度过低，光纤会因张力过高而断裂；如果温度过高，则会发生表面结晶29，在光纤表面产生裂纹，这些裂纹在张力作用下极易扩展，从而导致光纤断裂。在这两种情况中，更常见的失效模式是光纤过热，通常是由于未将RTD传感器放置在正确位置所致。光纤断裂很容易被检测到，因为光谱测量信号会突然下降至噪声本底水平。

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披露

已提交美国临时专利申请，以保护本文所披露的技术。

致谢

作者谨此感谢 G. Shambat、C. Phillips、K. Aghaei 提供的宝贵讨论，F. Afshinmanesh 提供的扫描电子显微镜图像，T. Marvdashti 提供的实验支持，以及俄罗斯科学院高纯度物质化学研究所的 M.F. Churbanov 和 G.E. Snopatin 与光纤研究中心的 V.G. Plotnichenko 和 E.M. Dianov 提供 As2S3 光纤。我们还感谢美国海军研究办公室、美国国家航空航天局、美国空军科学研究办公室、安捷伦科技公司以及联合技术办公室提供的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
电动线性位移台NewportMFA-PPD可从其他供应商处获得。
电动位移台控制器NewportESP301可从其他供应商处获得。
铝块任意供应商。尺寸将根据所需的锥形长度而变化。
RTD传感器Omega1PT100GX1510
筒式加热器OmegaCSS-01115/120V
温度控制器OmegaCSC32
输入耦合线性平移台CVI07TXS224可从其他供应商处获得。
输出耦合线性平移台Newport422-1S可从其他供应商处获得。
XYZ线性平移台Newport461可从其他供应商处获得。
各种支架、光学镜片安装座、底座和叉形件任意供应商。
光学面包板ThorlabsMB12可从其他供应商处获得。
输入耦合ZnSe透镜ThorlabsAL72512-E可从其他供应商处获得。输入耦合焦距取决于泵浦光源和光纤模场直径。
输出耦合ZnSe透镜Edmund OpticsNT62-961可从其他供应商处获得。
箱体任意类型均可。必须足够大以允许位移台移动，并需设有光输入和输出的通光孔径。
陶瓷光学支架任意供应商。
数字显微镜任意供应商。可选。
台面夹具ThorlabsCL5可从其他供应商处获得。
裸光纤夹具ThorlabsHFF003可从其他供应商处获得。
表1. 拉锥装置材料
As2S3 光纤俄罗斯科学院光纤研究中心可从其他供应商处获得，例如CorActive。
Beavertail光纤切割刀Fiber Network ToolsS-315可从其他供应商处获得。手工切割或抛光光纤端面也可获得高质量的端面。
KimWipes擦拭纸Kimberly-Clark Professional34120可从其他供应商处获得。
丙酮、异丙醇任意供应商。
表2. 硫系光纤制备材料
PyrocamOphir PhotonicsPyrocam III系列任何在泵浦波长具有响应的相机均可使用。
单色仪Photon Technology International使用了100线/mm的光栅。任何光谱测量设备均可使用（例如长通滤波器）。
CaF2透镜ThorlabsLB5922可从其他供应商处获得。
InAs滤光片任意供应商。可从其他供应商处获得。
放大型InSb探测器HamamatsuP4631-03可从其他供应商处获得。
计算机任意供应商。
数据采集卡（DAQ）National InstrumentsUSB X系列
用于电动位移台的Labview软件National Instruments可选。需自定义程序。
用于采集探测器数据的Labview软件National Instruments可选。需自定义程序。
各种支架、光学镜片安装座、底座和叉形件
1" 金反射镜任意供应商。
斩波器及控制器任意供应商。SRS Model SR540可选。取决于所使用的探测器。
表3. 原位拉锥实验材料In-situ 拉锥流程

参考文献

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