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Article de méthode

In-situ dégressifs de fibre chalcogénure pour la mi-infrarouge génération de supercontinuum

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DOI :

10.3791/50518

⸱

27 mai 2013

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

Dans cet article

Résumé

Nous décrivons une méthode pour In-situ Effilée de As 2 S 3 Fibres pour atteindre la génération de supercontinuum dans l'infrarouge moyen efficace. En se rétrécissant tout en surveillant le spectre du supercontinuum, la largeur spectrale peut être maximisée pour un fuseau de fibres. In-situ Fibre effilée peut être appliqué pour optimiser les performances des autres dispositifs à base de fibres.

Résumé

Supercontinuum génération (CTB) dans une fibre de chalcogénure conique est souhaitable d'élargir le moyen infrarouge (ou de l'infrarouge moyen, plus ou moins la gamme de longueurs d'onde de 2 à 20 um) fréquence peignes 1, 2 pour des applications telles que l'empreinte moléculaire, la détection de gaz 3 de la trace, 4 accélération de particules laser piloté, 5 et radiographie de production par l'intermédiaire de la génération d'harmoniques de haute 6. réalisation CTB efficace dans une fibre optique effilée nécessite un contrôle précis de la dispersion de vitesse de groupe (GVD) et les propriétés temporelles des impulsions optiques, au début de l' fibre 7, qui dépendent fortement de la géométrie du cône. 8 En raison des variations dans la configuration effilée et la procédure pour SCG successive expériences, telles que la longueur de la fibre, rétrécissant la température ambiante, ou puissance couplée dans la fibre, la surveillance spectrale in situ de la CTB est nécessaire d'optimiser le spectre de sortie pour une seule expérience.

Fibres in-situ effilée pour CTB consiste à coupler la source de pompage dans la fibre pour être conique à un dispositif de mesure spectrale. La fibre est ensuite conique tandis que le signal de mesure spectrale est observée en temps réel. Lorsque le signal atteint son apogée, le rétrécissement est arrêté. La procédure se rétrécissant in situ permet la génération d'une étable, d'octave couvrant, peigne de fréquence infrarouge moyen de la sous harmonique d'un peigne de fréquences proche infrarouge disponibles sur le marché. 9 Cette méthode réduit le coût en raison de la réduction du temps et des matériaux requis pour fabriquer un cône optimale avec une longueur de taille de 2 mm seulement.

La technique in-situ conique peut être étendue à l'optimisation de la fibre optique microstructurée (MOF) pour SCG 10 ou réglage de la bande passante du MOF, 11 paires de fibres coniques optimisation de coupleurs à fibres fondues et 12 longueurs d'onde (WDM multiplexeurs par répartition), 13ou modifier la compensation de dispersion pour la compression ou d'étirement d'impulsions optiques. 14-16

Introduction

Après avoir été d'abord produit dans la gamme de longueur d'onde visible 1,7 sources SCG ont évolué vers la mi-IR, largement guidée par des applications en spectroscopie. 3, 4 fibres chalcogénure, qui comprennent les sulfures, séléniures, tellurures et, ont été un matériau populaire pour la mi-IR en raison de leur faible perte de propagation et de non-linéarité élevée, 18 à moins de 100 dB / km et 19 ~ 200 fois celle de la silice pour As 2 S 3, 20 respectivement. Toutefois, la longueur d'onde GVD zéro de la plupart des chalcogénures est situé dans le moyen IR, au-delà de la longueur d'onde centrale de la plupart des sources de pompage disponibles ultra-rapides, ce qui rend difficile la CTB en un matériau en vrac ou d'une fibre monomode standard de chalcogénure. la dispersion du guide d'ondes peut être utilisé pour modifier le point zéro pour GVD CTB. 7 méthodes pour introduire la dispersion solide de guide d'ondes comprennent des fibres se rétrécissant, 8, 21 à partir de fibres microstructurées, 22 à 24 ouencore une combinaison des deux. 10 En décalant la longueur d'onde au-dessous de zéro GVD la longueur d'onde de la pompe, la pompe subira une dispersion anormale dans la fibre. Dans le régime de dispersion anormale, la formation soliton se produit par un équilibre entre le chirp non linéaire causée par la modulation de phase autonome et le chirp linéaire causée par GVD. Pour une source de pompage à femtoseconde, élargissement spectral est généralement dominé par fission soliton ou fraction d'impulsion, qui se produit après une compression temporelle initiale en tant que l'impulsion se propage le long de la fibre. 7 Dans le cas des fibres se rétrécissant, en calculant le total GVD-y compris à la fois matérielle et guide d'onde à dispersion peut fournir une approximation du diamètre du cône final nécessaire pour produire un spectre sensiblement élargi. En raison de la forte dépendance de la CTB sur GVD et les fluctuations entre les essais expérimentaux, y compris les modifications de la longueur de la fibre avant la région conique et de l'accouplement de la pompe à la fibre, l'approximation calculée n'est pas suffisamment fou la réalisation d'un cône optimisé en un seul essai. Surveillance spectrale permet à ces variations dans la configuration expérimentale pour être observées et prises en compte dans effilée in-situ.

En outre, la génération d'un supercontinuum efficace (SC) dans une fibre courte effilée diminue la quantité d'amplification de bruit non linéaire conservant la cohérence de la CTB et les propriétés de peigne de fréquence de la source de pompage. Gestion 25-27 correct de dispersion, et donc la nécessité d'en situ effilée, devient encore plus crucial lorsque la longueur de la fibre est courte, que les échelles de tolérance de longueur SCG.

La configuration conique in situ commence par la source de pompage, qui est le sous-harmonique d'un laser à verrouillage de mode Er fibre dopée, 9 couplé dans le noyau de l'As 2 S 3 fibre qui va être conique. La sortie de la fibre est ensuite couplé à un dispositif qui caractérise le profil spectral. Dans le expériment, un détecteur InSb après un monochromateur à ~ 20 nm de résolution est utilisée pour surveiller une partie du spectre de sortie, où il est d'abord un signal de très faible à partir de la source de pompage (à ~ 3,9 um), de sorte que la fibre peut être surveillée tandis que effilée. Lorsque la fibre est conique et le spectre s'élargit, les spectrales hausse du signal de mesure que la dispersion est optimisé pour l'expérience individuelle. En surveillant le spectre pendant la procédure effilée, s'effilant peut être arrêtée au moment où l'élargissement spectral a été maximisée. S'effilant in situ permet la gestion de la dispersion optimisée pour CTB efficace dans un seul fuseau de fibres. S'effilant avec une zone de chaleur statique, étroite produit une courte taille de fuseau de fibres, 28 qui permet de CTB à faible bruit. Ensemble, in situ effilée statique peut permettre cohérent, à faible bruit, SCG octave couvrant à la mi-IR.

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Protocole

1. Resserré Fabrication de configuration (voir Configuration assemblé à la figure 1)

  1. Fixer les platines linéaires motorisés sur la planche à pain (approximativement au centre) ainsi que les étapes sont en contact et se traduiront par se rapprocher et s'éloigner les uns des autres
  2. Préparer et placer les supports de fibres
    1. Attacher deux postes optiques aux plaques de phase linéaires motorisés (une pièce) en utilisant les trous les plus proches de l'autre.
    2. Attacher les supports de fibres optiques nues pour les sommets des messages. Assurez-vous que les rainures en V pour la fibre sont alignés. (Note: La hauteur des supports de fibre optique nue sera à peu près la hauteur du faisceau du système Choisissez le futur poste et les socles en conséquence.).
  3. Préparer et mettre l'entrée et les éléments de couplage de sortie
    1. Attacher les tables de translation linéaires aux étapes linéaires motorisés (une pour l'entrée et l'autre pour le côté sortie) avec les plaques d'adaptation.
    2. Placez le revêtement AR ZnSe entrée de couplage Lens (monté dans une monture optique avec x et y traduction sur un piédestal) sur la scène de la traduction d'entrée. Choisir une focale qui donne un couplage optimal de la source de pompage à l'âme de la fibre. S'assurer que le centre de la lentille est à la même hauteur que les rainures en V des pinces de fibres.
    3. Placer la lentille de couplage de sortie de ZnSe non revêtue (monté dans une monture optique avec x et y traduction sur un piédestal) sur l'étage de translation en sortie. Assurez-vous que le centre de la lentille est à la même hauteur que la v-groove.
  4. Préparer et placer l'élément de chauffage (voir figure 2)
    1. Machine de bloc d'aluminium aux dimensions souhaitées (~ 6 mm x 25,4 mm x 17,5 mm) avec des trous pour la fibre (avec une fente pour l'insertion et le retrait de la fibre) et pour surveiller la température de la fibre, les trous pour les cartouches chauffantes et 8 / 32 trous taraudés en haut et en bas pour le montage et la fixation des cartouches chauffantes.
    2. Insérez les cartouches chauffantes à til trous appropriés du bloc d'aluminium et les fixer avec des vis 8/32 de set.
    3. Fixer un poste céramique au sommet vis 8/32 de jeu pour l'isolation thermique.
    4. Fixer un poste optique au poste de céramique et d'utiliser une pince droite post-angle avec un poste optique supplémentaire pour assurer le chauffage de la phase linéaire XYZ.
    5. Fixer la platine linéaire XYZ de la carte de test de telle sorte que le trou pour la fibre de 3 Comme 2 dans le dispositif de chauffage de l'aluminium peut être centrée par les rainures en V des pinces de fibres.
    6. Traduire le dispositif de chauffage de l'aluminium avec la platine de translation XYZ de manière que le dispositif de chauffage est plus proche des pinces de fibres optiques nues, permettant à la fibre d'être assurée, sans obstruction.

2. Chalcogénure fibre Préparation

  1. Faire tremper une longueur désirée de l'enveloppe As 2 S 3 fibres (qui doit être supérieure à 8,5 cm-la longueur de fibre enveloppe nécessaire pour chaque cône fibre) dans l'acétone pendant environ 10 minutes ou jusqu'à ce que leveste devient mou. (Utilisez le solvant approprié pour la veste en cas d'utilisation d'une fibre différente).
  2. Retirez délicatement la veste ramolli avec un Kimwipe, retirant une section plus de 5 cm à la fois.
  3. Nettoyez la fibre nue avec de l'isopropanol à une Kimwipe.
  4. Utilisez le castor couperet pour couper une extrémité de la fibre As 3 à 2. Image de la pointe de la fibre jetés à inspecter la qualité cliver.
  5. Mesurer et casser au moins une longueur morceau de la fibre 6,35 cm. Cette longueur de la fibre doit être environ 2 cm plus long que la longueur nécessaire pour la fibre de s'en tenir à peine sur les pinces de fibres.
  6. Utilisez le castor couperet pour couper la seconde extrémité de la fibre. Image de la pointe de la fibre jetés à inspecter la qualité cliver. Éviter le contact avec la première extrémité clivée de la fibre.
  7. Placer la fibre dans les pinces de fibres de la configuration effilée. Éviter de toucher le centre de la fibre (où la fibre sera chauffé).

3. In-situ Tap fibreeRing procédure

  1. Coupler la source de pompage à mi-IR pour le mode fondamental de la fibre avec la lentille ZnSe revêtue AR (f = 12,7 mm). Utilisation de la lentille de ZnSe non revêtue (f = 20 mm) à l'image de la facette de sortie de la fibre avec la Pyrocam pour assurer l'alimentation est le plus souvent dans le mode fondamental. Vérifiez que le faisceau de pompage se propage le long de l'axe de la fibre. Si ce n'est pas le couplage va changer une fois que les étapes motorisées commencent à bouger.
    1. Placer un hacheur en face de la source de pompage. (Cette étape est nécessaire pour AC détecteurs couplés).
    2. Coupler la sortie de la fibre à travers le monochromateur et le détecteur InSb utilisant les lentilles non revêtues CaF 2 (f = 20 mm) avant et après le monochromateur.
    3. Tourner le réseau du monochromateur afin de permettre le côté de grande longueur d'onde du spectre de passer à travers le monochromateur jusqu'à ce que le signal émis est à peine au-dessus du plancher de bruit (à ~ 3,9 um). Au lieu de filtrement avec le monochromateur (étapes 3.2.2 et 3.2.3), un filtre optique approprié peut être utilisé pour mesurer la puissance dans les longueurs d'ondes détectables plus longue que la plus longue de longueur d'onde contenus mesurable de la pompe.
  3. Traduire le chauffe en aluminium jusqu'à ce que la fibre se glisse dans la fente et est centrée dans le trou fibre de l'aluminium chauffage.
  4. Placer le niveau du capteur RTD avec l'une des cartouches chauffantes. Appuyez doucement sur ​​le capteur RTD contre la chauffe en aluminium afin qu'il soit entièrement en contact avec le bloc comme le montre la figure 2. Si la sonde n'est pas en contact avec le chauffe correctement (ou pas d'une manière reproductible), la température du bloc sera inconnu et provoquer la fibre de briser lors effilée. Assurez-vous que le signal au monochromateur n'a pas diminué.
    1. Un petit RTD peut être placé à l'intérieur de l'autre trou du bloc de chauffage pour contrôler la température dans le trou. (Facultatif)
  5. Utilisez le microscope numérique pour image la fibre dans le bloc chauffant pour permettre un suivi de la fibre pendant le processus de rétrécissement. (Facultatif)
  6. Recouvrir le programme d'installation avec un boîtier (avec des trous pour l'entrée et faisceaux de sortie) pour réduire la circulation de l'air et de permettre à la température s'effilant stable.
  7. Avec les appareils de chauffage et de RDT cartouche connectés, mettez le régulateur de température. Réglez la température à 200 ° C, où la fibre commence à se ramollir (la température exacte dépendra des dimensions de l'appareil de chauffage, la température de l'environnement, et le flux d'air autour de la fibre).
  8. Lorsque la température est stable autour du point de consigne, lancer le programme Labview qui traduit les étapes motorisés à une distance les uns des autres à ~ 10 pm / s dans chaque sens.
  9. Surveiller le signal du détecteur InSb, qui est le signal de mesure spectrale. Une fois le signal du détecteur atteint sa valeur maximale (attention à ne pas saturer le détecteur), arrêter les étapes motorisées et éteindre les cartouches chauffantes (régulateur de température).
  10. Attendez ~ 10 min pour la fibre à se solidifier (le signal du détecteur diminue un peu au cours de ce processus, probablement en raison de la dépendance de la température de l'indice de réfraction ou la contraction thermique).
  11. Traduire le bloc de dispositif de chauffage le long de la fibre vers une pince à fibre lorsque la fibre est non conique. Puis traduire le bloc chauffant à une distance à partir de la fibre à l'aide de la fente dans le bloc de chauffage pour permettre à la fibre de passer.
  12. Caractériser la CTB à travers des mesures spectrales avec le monochromateur. Un filtre InAs peut être nécessaire de mesurer avec précision la partie de grande longueur d'onde du spectre.
  13. Retirez la fibre si désiré.

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Résultats

Après la réussite de la procédure effilée in-situ, le spectre de la pompe élargie pour couvrir 2,2 à 5 um (à ~ 40 dB en dessous de la pointe), comme le montre la figure 3. L'énergie de l'impulsion de pompe dans le As 2 S 3 fibre était d'environ 250 pJ avec une durée d'impulsion initiale inférieure à 100 fs. La courte durée de la taille effilée, ~ 2.1 mm, permet la génération d'une bande large, cohérente SC. Cela permet de préserver les propriétés de pei...

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Discussion

Nous avons démontré une procédure effilée de fibres nouvelles et vérifié sa validité en effectuant SCG dans l'infrarouge moyen. Au meilleur de nos connaissances, la méthode alternative pour cette application est basée sur la détermination de la longueur de tirage de fibre nécessaire à la création d'un diamètre de fibre effilée qui ajoute assez dispersion de guide d'ondes pour optimiser SCG dans le cône fibre par calcul, mais étant donné la longueur de traction nécessaire pour maximiser l'élargissement sp...

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Déclarations de divulgation

A États-Unis brevet provisoire a été déposée la protection de la technologie décrite dans cet article.

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier G. Shambat, C. Phillips, K. Aghaei pour les discussions précieuses, F. Afshinmanesh pour SEM images, T. Marvdashti pour support expérimental, et MF Churbanov et GE Snopatin de l'Institut de chimie de haute pureté Substances et VG Plotnichenko et EM Dianov de la Fibre Optique Centre de recherche de l'Académie des Sciences de Russie pour fournir la fibre As 3 à 2. Nous sommes également reconnaissants pour le soutien de l'Office of Naval Research, la NASA, le Bureau de la Force aérienne de la recherche scientifique, Agilent, et le Bureau conjoint des Technologies.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Platines linéaires motoriséesNewportMFA-PPDDisponible auprès d’autres fournisseurs.
Contrôleur de platine motoriséNewportESP301Disponible chez d’autres fournisseurs.
Bloc d’aluminiumN’importe quel fournisseur.Les dimensions varient en fonction de la longueur de cône souhaitée.
Capteur RTDOmega1PT100GX1510
Cartouches chauffantesOmegaCSS-01115/120V
Régulateur de températureOmegaCSC32
Couplage d’entrée Étage de translation linéaireCVI07TXS224Disponible auprès d’autres fournisseurs.
Etape de translation linéaire à couplage de sortieNewport422-1SDisponible auprès d’autres fournisseurs.
Platine de traduction linéaire XYZNewport461Disponible auprès d’autres fournisseurs.
Poteaux, supports optiques, bases et fourches assortis N’importequel fournisseur.
Breadboard optiqueThorlabsMB12Disponible chez d’autres fournisseurs.
Couplage d’entrée Objectif ZnSeThorlabsAL72512-EDisponible auprès d’autres fournisseurs. La distance focale de couplage d’entrée dépend de la source de la pompe et du diamètre du champ en mode fibre.
Accouplement de sortie Lentille ZnSeEdmund OpticsNT62-961Disponible auprès d’autres fournisseurs.
BoîteN’importe quel type fera l’affaire.Doit être suffisamment grand pour permettre le mouvement de la scène. Nécessite des ouvertures pour le couplage d’entrée et de sortie de la lumière.
Poteau optique en céramiqueN’importe quel fournisseur.
Microscope numériqueN’importe quel fournisseur.optionnel.
Pinces de tableThorlabsCL5Disponible chez d’autres fournisseurs.
Pinces à fibres nuesThorlabsHFF003Disponible auprès d’autres fournisseurs.
Table 1. Matériaux de configuration de conicité.
>As2S3 Fibre optiqueCentre de recherche sur la fibre optique de l’Académie des sciencesDisponible auprès d’autres fournisseurs, tels que CorActive.
Outils de réseau de fibre optiqueBeavertail CleaverS-315Disponible auprès d’autres fournisseurs. Le clivage manuel ou le polissage des pointes en fibre peuvent également produire des pointes en fibre de haute qualité.
KimWipesKimberly-Clark Professional34120Disponible auprès d’autres fournisseurs.
Acétone, IsopropanolN’importe quel fournisseur.
Table 2. Matériaux pour la préparation des fibres de chalcogénure.
PyrocamOphir PhotonicsPyrocam III SeriesN’importe quelle caméra avec une sensibilité à la longueur d’onde de la pompe fonctionnera.
MonochromatorPhoton Technology InternationalUn réseau de 100 lignes/mm a été utilisé. Tout appareil de mesure spectrale fonctionnera ( par exemple filtre passe-long).
Objectifs CaF2ThorlabsLB5922Disponible auprès d’autres fournisseurs.
InAs Filtrezn’importe quel fournisseur.Disponible auprès d’autres fournisseurs.
Détecteur InSb amplifiéHamamatsuP4631-03Disponible chez d’autres fournisseurs.
OrdinateurN’importe quel fournisseur.
DAQNational Instruments USBX Series
Logiciel Labview pour platines motoriséesNational InstrumentsEn option. Programme personnalisé.
Logiciel Labview pour la collecte des données des détecteursNational InstrumentsEn option. Programme personnalisé.
Poteaux, supports optiques, bases et fourches assortis 1" Miroirs
dorésN’importe quel fournisseur.
Chopper et contrôleur N’importequel fournisseur.Modèle SRS SR540en option. Dépend du détecteur utilisé.
Tableau 3. Matériaux pour In-situ Tapering Procedure.
de Russie

Références

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