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Engineering

原位减量硫系中红外光纤产生超连续谱

Published: May 27, 2013 doi: 10.3791/50518
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Edward L. Ginzton Laboratory, Stanford University

Summary

我们描述了一种方法

Abstract

产生超（SCG）在一个锥形的硫系光纤是可取的扩大应用，如分子指纹，3痕量气体检测，4中红外（中红外，大约2-20微米波长范围）频率梳1，2实现高效的SCG的锥形光纤通过产生高次谐波的激光驱动的粒子加速，5和X-射线生产6开头的需要精确控制的群速度色散（GVD）和光脉冲的时间属性纤维，强烈地依赖于锥形的几何形状。8由于连续SCG实验，如纤维长度，逐渐变细的环境温度，或耦合进光纤的功率在逐渐变细的安装和程序的变化，原位光谱监测对SCG是需要优化的输出频谱的一个单一的实验。

的原位为SCG逐渐变细的纤维，包括通过光纤泵浦源耦合到光谱测量装置是锥形的。然后，该纤维是锥形的，而光谱的测量信号被实时地观察到。当信号达到其鼎盛时期，逐渐变细停止。逐渐变细的过程中原位允许产生一个稳定的，跨越倍频程，中红外频率梳从副谐波将市售的近红外光频率梳。9此方法降低了成本，由于减少所需的时间和材料制作最佳的锥度与腰的长度只有2毫米。

中原位的逐渐变细的技术可以扩展优化SCG为熔融光纤耦合器12，波分复用器（WDM），13 10或调谐的通带的MOF 11优化的锥形光纤对微结构光纤（MOF）14-16或修改色散补偿的光脉冲压缩的或拉伸。

Introduction

首次在可见光波长范围内产生后1,7 SCG来源已转向中红外光谱的应用程序，主要是由于3，4的硫系纤维，其中包括硫化物，硒，碲，一直是受欢迎的题材。中红外由于其低传输损耗和高非线性，18小于100分贝/公里19〜200次，二氧化硅为2 S 3，20 分别然而，大多数的硫族化合物的零色散波长位于中红外，超越的大部分可用的超快泵浦源的中心波长，使SCG具有挑战性的散装材料或标准单模硫系光纤。波导色散可以用来修改零色散点为SCG 7引入强波导色散的方法包括逐渐变细的纤维，8，21，使用微结构光纤，22-24或的组合的两个10通过转向的零色散波长的泵浦光波长以下时，水泵会遇到反常色散光纤中的。在反常色散区，孤子的形成是通过平衡的非线性引起的自相位调制和GVD引起的线性啁啾啁啾。飞秒泵浦源，光谱展宽通常是占主导地位的孤子裂变或断脉冲，作为脉冲沿光纤传播后，会出现一个初始的时间压缩。7逐渐变细的纤维的情况下，计算总的GVD包括物质和波导色散可以提供一个近似的最终产生显着扩大的频谱所需的圆锥直径。由于SCG GVD和试验，包括前锥形区域和耦合泵纤维的纤维长度的变化波动之间的依赖性强，计算出的近似值是不够的f或达到优化的锥度，在一个单一的审判。光谱监测可以被观察和占原位尖细的这些变化在实验装置。

此外，生成一个有效的超连续谱（SC）在很短的锥形光纤25日至27日正确的色散管理，因此， 在必要性减少的量保非线性噪声放大的连贯性，SCG和泵浦源的频率梳性能。 就地减量，变得更加重要，当纤维长度短，SCG容忍尺度长度。

中原位的逐渐变细的安装开始的泵浦源，这是次谐波锁模的掺Er光纤激光器，耦合到9的As 2 S 3的纤维，这将是锥形的核心。然后，在光纤的输出耦合到一个设备的特征的频谱的配置文​​件。在实验的耳鼻喉科，InSb探测器〜20 nm的分辨率后，单色仪是用来监视的输出频谱的一部分，最初是从泵浦源（〜3.9微米）的非常低的信号使纤维可能会被监控，而逐渐减量。当纤维是锥形的频谱变宽，光谱测量信号作为分散增加个别实验优化。通过监测的频谱在逐渐变细的过程中，逐渐变细，可以停止的那一刻时，光谱展宽的已被最大化。 原位逐渐变细，允许优化色散管理在一个单一的锥形光纤的高效SCG。尖细带静电，窄的热区生产短纤维锥腰，28允许低噪声SCG。在一起，原地静态减量可以启用连贯，低噪声，在中红外倍频跨越SCG。

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Protocol

1。尖细设置制造（组装设置如图1）

  1. 固定线路板上（大致居中）的电动线性阶段，从而使接触阶段，将翻译朝向和远离彼此
  2. 准备和放置光纤坐骑
    1. 将两个光学帖电动线性阶段使用彼此最接近的孔的板（各一个）。
    2. 将裸光纤安装的上衣的职位。确保用于光纤的V形槽对准。 （注：裸光纤坐骑的高度大约是梁的高度系统选择未来的职位和相应的底座高度）。
  3. 准备和这里的输入和输出耦合元件
    1. 将电动线性阶段（一个用于输入和一个输出侧）与适配器板的线性平移阶段。
    2. 将AR镀膜的ZnSe的输入耦合升ENS（安装在一个基座上光学安装与x和y的翻译）上输入转换阶段。选择赋予了最佳的从泵浦源耦合到光纤的纤芯的焦距。确保的光纤夹具的V形槽，在透镜的中心是在相同的高度。
    3. 将无涂层的ZnSe输出耦合透镜安装在一个基座上光学安装与x和y的翻译输出翻译阶段。确保为V形槽，在透镜的中心是在相同的高度。
  4. 准备并放置在加热元件（ 如图2所示）
    1. 机铝块所需的尺寸（约6毫米×25.4毫米×17.5毫米），孔的纤维的（有狭缝用于插入和取出纤维）和用于监测光纤的温度，孔的筒式加热器，和8 / 32的顶部和底部的螺纹孔，用于安装和固定墨盒加热器。
    2. 将墨盒加热器到t他适当的孔的铝块和8/32套螺丝固定。
    3. 将陶瓷后顶端8/32套螺丝进行热隔离。
    4. 将光后陶瓷后，使用直角钳后，一个额外的光学职位，以确保加热器XYZ直线阶段。
    5. 的实验电路板，所以可以集中的光纤夹具的V形槽的As 2 S 3铝合金加热器纤维的孔，用于固定的XYZ线性阶段。
    6. 转换的XYZ线性阶段铝合金加热器，使加热器不再是附近的裸光纤夹具，使光纤的固定而不阻塞。

2。硫系光纤的制备

  1. 所希望的长度的夹套浸泡作为光纤2 S 3（段长度必须大于8.5厘米所需的每个锥形光纤的护套光纤的长度）在丙酮中进行10分钟，或直至外套变得柔软。 （使用适当的溶剂，如果使用不同的纤维，茄克）。
  2. 轻轻地取出一个Kimwipe软化外套，除去不再一段时间超过5厘米。
  3. 一个Kimwipe用异丙醇清洁裸光纤。
  4. 2 S 3光纤使用海狸菜刀切割的一端。图片丢弃的纤维笔尖切割质量检查。
  5. 测量和断裂的至少6.35厘米长的纤维片。这种纤维的长度必须长于〜2厘米的纤维所需要的长度，勉强伸出的光纤夹具。
  6. 使用海狸菜刀切割纤维的第二端。图片丢弃的纤维笔尖切割质量检查。避免接触与第一切割光纤末端。
  7. 将纤维在纤维中的逐渐变细的安装夹具。避免接触的纤维（如，将被加热的纤维）的中心。

3 原位光纤分路化工e圈程序

  1. 夫妇中红外泵浦源的基本模式与AR涂层的ZnSe透镜（= 12.7毫米）的纤维。使用未涂覆的ZnSe透镜（= 20毫米）的纤维，与Pyrocam，以确保电源的基本模式主要是输出面的图像。确保泵束沿纤维轴方向的传播。如果不是，耦合将改变机动阶段，一旦开始移动。
    1. 将斩波器前面的泵浦源。 （这一步是需要AC耦合探测器）。
    2. 通过单色仪使用单色器之前和之后的未涂覆的CaF 2的透镜（= 20毫米）的InSb检测器的输出连接的纤维。
    3. 旋转光栅单色仪，以允许在长波长侧的光谱通过单色器，直到所发送的信号是勉强高于本底噪声（在约3.9μm）。过滤器，而不是与单色仪（步骤3.2.2和3.2.3），一个适当的光学滤波器可用于测量功率在检测的波长长于最长的可测量的波长内容的泵。
  3. 翻译铝合金加热器，直到纤维通过狭缝滑上并集中在铝合金加热器的纤维孔。
  4. RTD传感器水平放置的筒式加热器。轻轻地完全按下RTD传感器对铝合金加热器，以便它完全接触，如在图2中示出的块。如果RTD是不接触的加热器是否正确（或不重复的方式），该块的温度将是未知的，导致纤维打破过程中逐渐变细。确保的单色器的信号并没有减少。
    1. 可以被放置在一个小的RTD的加热器块中的其他孔，在该孔的温度监测。 （可选）
  5. 我使用数码显微镜法师加热器块中的纤维，以允许在逐渐变细的过程中监测纤维。 （可选）
  6. 量具有箱的设置（与输入和输出光束的孔），以减少气流，并允许稳定的逐渐变细的温度。
  7. RTD和墨盒加热器连接，打开温度控制器上。把设定温度〜200℃，纤维开始软化（确切的温度​​将取决于纤维的周围的加热器，在环境温度和空气流量的尺寸）。
  8. 一旦温度稳定在设定点附近时，启动的的Labview程序转换〜10微米/秒，在每个方向彼此相差的电动载物台。
  9. 监视的InSb检测器的信号，这是光谱的测量信号。一旦探测器的信号达到最大值（小心不饱和探测器），停止机动阶段，并关闭墨盒加热器（温度控制器）。
  10. 等待〜10分钟的纤维的凝固（将减少一个小的检测器信号在此过程中，最有可能是由于折射率的温度依赖性或热收缩）。
  11. 在加热器块沿纤维走向的光纤夹子纤维无锥度的翻译。然后翻译加热器块相差的加热器块中使用的狭缝，以允许光纤通过从光纤。
  12. 表征单色SCG通过光谱测量。可能需要一个砷化铟过滤器来精确测量的长波长部分的光谱。
  13. 取出纤维，如果需要的话。

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Representative Results

的原位的逐渐变细的过程成功完成后，泵的频谱扩大，以包括从2.2至5微米（在约低40分贝的峰值）， 如图3所示。 2 S 3光纤泵脉冲能量为250〜100飞秒的初始脉冲长度下PJ。的短的长的锥形腰身〜2.1毫米，允许产生一个宽带，相干SC。这保留泵源频率梳性能。更多信息频率梳及其他性质的SCG可能会发现在1。

从单模作为2 S 3纤维（最初7微米的纤芯直径，包层直径为160μm，0.2 NA）将所得的锥形光纤腰身的SEM图像示于图4中。 〜2.3微米的直径，锥形腰身太小，无法用肉眼观察到，在设置时，但它可以通过X射线衍射观察到ö发光源。的锥形腰身将约只要有效加热区的加热器块。静态生成很长的，指数的过渡区逐渐变细的无锥度纤维的锥形纤维腰身占据其它〜16毫米的拉长度。

由于纤维是锥形的，所检测到的光谱测量信号类似于图5。这个信号应该保持大致不变，直到在光纤光谱展宽开始时发生GVD变得接近最佳。信号增加〜18毫米的拉伸长度处的峰，并迅速开始下降GVD通过最佳点。 3-dB的宽光谱测量信号的峰值252 nm和10分贝的宽度为572纳米，这表明灵敏度的锥形纤维直径，并强调原位逐渐变细的必要性。

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图1。 原位纤维锥设置。FS泵浦源耦合到2 S 3纤维透镜L 1的优化L 1的线性舞台上的地位（以淡灰色显示）和镜头卡口的XY位置（图中未示出）。的光纤的输出被耦合到与L 2的光谱测量装置由一个线性阶段优化。机动阶段（深灰色所示）的光纤拉远从中央热水器和停止时的光谱测量值最大化。

图2
图2。加热器集团铝合金加热器块。k为〜6毫米厚的两个4毫米的孔（一个用于光纤和一个监视的纤维的近似温度）。切割块中的一个小的狭缝，以允许插入和移除的纤维。该块2.54厘米长，这仅仅是足够长的时间以适应整个墨盒加热器的加热元件。后一种陶瓷（附8/32套螺丝）提供热隔离。 RTD传感器被放置在接触与加热器块，用筒式加热器的电平，以最快的速度反馈回路。块的一个重要方面，因为只要有筒式加热器，4毫米的孔，​​纤维，和抽头的空间安装在加热器块是〜1.75厘米的高度。

图3
图3。 SCG频谱的归谱的t他的输入和输出（泵）（SCG）所示。输出所产生的带宽〜3​​倍，更广泛的以频率为单位的输入的峰值在40 dB以下。浸在输出频谱约为4.2微米，相当于吸收大气中的CO 2。

图4
图4。作为2 S 3纤维的锥形的圆锥作为2 S 3纤维的例子的SEM照片示于（a）和（二）（，有意拆分后逐渐变细的扫描电镜成像）（a）在SEM图像中的一个作为2 S 的3纤维圆锥直径大约为最佳SCG〜2.3微米（二）的As 2 S 3锥形纤维的SEM图像的示范最小圆锥直径与集创建，〜760纳米。

图5
图5。主场迎战拉长度的光谱测量信号。单色的归一化后的输出功率，设置固定在3.9微米，显示为一个单一的锥形光纤实验。输出功率〜17毫米的长度拉后开始大幅增加。的最大信号发生拉长度，对应于〜2.3微米的纤维直径接近18毫米。机动阶段停止，不久后达到高峰。

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Discussion

我们已经展示了一种新型的纤维逐渐变细的过程，并验证其有效性，在中红外波段进行SCG。据我们所知，该应用程序的另一种方法是基于确定需要创建添加足够的波导色散优化SCG通过计算在纤维锥度的锥形纤维直径的拉光纤的长度，但是，由于需要的拉伸长度最大限度地为特定长度的光纤光谱展宽变化每次实验中，该计算值只是一个近似值。替代方法，然后要求纤维逐渐变细，以创建和测试一个又一个，直到找到所需的锥度。能够监测的光谱轮廓的SCG停止锥形过程，并用它作为标准，我们优化了输出一个单一的的锥形光纤来实现大幅扩大在短锥。这大大降低了成本和时间需要属TE一个有用的锥形光纤。

最常见的故障是在逐渐变细的过程中，纤维的断裂。休息通常是由不恰当的设置温度的加热器块。如果温度过低，则纤维会打破由于高张力。如果温度过高时，在纤维表面的结晶，29的表面上的纤维在张力下，很容易传播而产生裂纹，可产生中断。在这两个，更频繁的故障模式被过热的纤维，通常的不RTD传感器放置在适当的位置。光纤断裂很容易探测作为光谱测量信号会突然下降到本底噪声。

进一步改进的安装模式是可能的。例如，永久连接的RTD传感器的加热器块将允许更可重复的逐渐变细的温度，消除了最常见的故障模式。此外，物权锥形设置清除设置与干燥的N 2 oving水分，可以帮助避免尖细过程中破损。卸下一个成功的锥形光纤已经完成，但尚未开发出一个可重复的过程。涂布2 S 3纤维厚的，保护性的，低折射率，低损失，包层材料，可以提高纤维的机械稳定性和允许的锥形纤维更容易处理。使用替代方法，用于监测的频谱，如使用的是长波长通滤波器，其传输上的长波长侧的泵浦源，可以简化检测方案。有几种可选的修改，可以扩大当前处于原位倾斜设置的用处。铝加热块的尺寸可以改变，以改变的锥形区的长度。动态的锥形，由移动的加热元件相对于锥形过程中纤维的（火焰刷牙）和/或以不同的速度移动的阶段，也可以做与现场监测。这将允许以创建不同的锥形光纤的档案。然后由泵源经历的总色散取决于创建的配置文件。此外，取代用高温加热器的加热元件将允许具有较高的熔点的纤维是锥形的。

虽然尚未证明， 原位纤维逐渐变细的技术可以应用到其他的纤维为基础的装置，通过逐渐变细的纤维生产。轻微的逐渐变细的MOF可以微调高效SCG的纤维的分散液10，通过使用宽带光源覆盖的通带的MOF（也许是一个基于SCG源），通带，该秤的尺寸大小的微构造，可蓝移用原位纤维逐渐变细。11此外，宽带光源可以是我们表征纤维组件，如光纤耦合器12和特定的波分复用器13通过纤维在生产过程中逐渐变细，以更好地符合规格制作。 原位纤维逐渐变细，可适应大多数光纤锥形实验优化的结果。

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Disclosures

一名美国临时在这篇文章中所披露的技术已申请专利保护。

Acknowledgments

笔者想感谢G. Shambat的C.菲利普斯，K. Aghaei的宝贵的讨论，楼Afshinmanesh的SEM图像，实验的支持，T. Marvdashti和MF Churbanov的和GE Snopatin的高纯度化学研究所物质和VG Plotnichenko和EM Dianov的光纤研究中心，俄罗斯科学院提供2 S 3纤维。我们也从海军研究，美国航空航天局，空军科研，安捷伦，联合技术办公室办公室办公室的支持表示感谢。

Materials

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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References

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物理工程，光电，光学，红外光谱，非线性光学，光纤，光波导，波的传播（光学），光纤，红外光学，光纤，第75期，逐渐变细，硫系，产生超连续谱，中红外，
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