In-situ Verjüngung Chalcogenide Fiber für Mid-infrared Supercontinuum-Generation

Summary

Wir beschreiben ein Verfahren zur<em> In-situ</em> Wie Verjüngung₂ S_3. Fasern, um eine effiziente mittleren Infrarot Superkontinuum Generation zu erreichen. Durch Verjüngung, während die Überwachung der Superkontinuum Das Spektrum kann die spektrale Breite für eine Fasertaper maximiert werden.<em> In-situ</em> Faser verjüngt angewendet werden, um die Leistung der anderen Faser-basierten Geräten zu optimieren.

Abstract

Supercontinuum Generation (SCG) in einer sich verjüngenden Chalkogenid Faser zur Verbreiterung mittleren Infrarot (oder mittleren IR-Bereich, etwa 2-20 um den Wellenlängenbereich) Frequenzkämme ^{1, 2} für Anwendungen wie molekularen Fingerabdruck, ³ Spurengaserkennung, ⁴ wünschenswert lasergetriebenen Partikelbeschleunigung, ⁵ und Erzeugung von Röntgenstrahlen durch hohen Harmonischen. ⁶ eine effiziente SCG in einer verjüngten optischen Faser erfordert eine genaue Kontrolle der Gruppe (GVD) und die zeitlichen Eigenschaften der optischen Impulse zu Beginn des Faser, ^7, die stark von der Geometrie des Konus. ⁸ Aufgrund von Abweichungen in dem sich verjüngenden Aufbau und das Verfahren für aufeinanderfolgende SCG-Experimente wie Faserlänge verjüngenden Umgebungstemperatur oder Leistung in die Faser gekoppelt ist, in-situ-Überwachung der spektralen die SCG ist notwendig, um das Ausgangsspektrum für ein einzelnes Experiment zu optimieren.

In-situ-Faser verjüngenden für SCG aus Koppeln der Pumpquelle durch die Faser verjüngt werden, um eine spektrale Meßvorrichtung. Die Faser wird dann verjüngt, während die spektrale Messsignal in Echtzeit beobachtet wird. Wenn das Signal seinen Spitzenwert erreicht, wird die sich verjüngende gestoppt. Die in-situ Verjüngung Verfahren ermöglicht die Erzeugung eines stabilen, Oktave umspannenden, mid-IR Frequenzkamms vom sub Harmonischen eines handelsüblichen nahen IR-Frequenz komb. ⁹ Diese Methode senkt Kosten aufgrund der Reduzierung der Zeit-und Materialaufwand erforderlich um eine optimale Verjüngung mit einer Taille von nur 2 mm herzustellen.

Die in-situ verjüngenden Technik kann zur Optimierung der mikrostrukturierten optischen Faser (MOF) für SCG ¹⁰ oder Abstimmung des Durchlassbandes MOFs, ¹¹ optimierende verjüngenden Lichtleitfasern paarweise kondensierten Faserkoppler ¹² und Wellenlängen-Multiplexer (WDM), ¹³ erweitert werdenoder Modifizieren Dispersionskompensationsmodul zur Kompression oder Dehnung der optischen Impulsen. ^14-16

Introduction

Nachdem er zunächst im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugt ^1,7 SCG Quellen zum mid-IR, die weitgehend von Anwendungen in der Spektroskopie angetrieben. ^{3, 4} Chalcogenide Fasern, die Sulfide, Selenide und Telluride gehören, verschoben wurden ein beliebtes Material für der mid-IR aufgrund ihrer geringen Ausbreitungsverlust und hohe Nichtlinearität, ¹⁸ weniger als 100 dB / km und ¹⁹ ~ 200 mal so Kieselsäure für As ₂ S _3, ²⁰ sind. Jedoch ist die Null GVD Wellenlänge der meisten chalkogenide mittleren IR befindet, über die Mittenwellenlänge der Mehrheit der verfügbaren ultraschnellen Pumpquellen, so SCG Herausforderung in einem Schüttgut oder einer Standard-Single-Mode-Faser Chalkogenid. Wellenleiterdispersion kann verwendet werden, um die Null-GVD Punkt für SCG modifizieren. ⁷ Methoden für die Einführung stark Wellenleiterdispersion gehören Faser ^{verjüngenden, 8, 21} mit mikrostrukturierten Fasern, ^22-24 oderauch eine Kombination der beiden. ¹⁰ Durch die Verschiebung des Null GVD Wellenlänge unterhalb der Pumpwellenlänge, wird die Pumpe mit anomaler Dispersion in der Faser auftreten. In der anomalen Dispersion Regime tritt Soliton Bildung durch den Ausgleich der nichtlinearen Chirp durch Eigenphasenmodulation und dem linearen Chirp von GVD verursacht. Für einen Femtosekunden Pumpquelle wird spektrale Verbreiterung der Regel durch Spaltung Soliton-Impuls oder brechen, und das eine zeitliche Komprimierung tritt als der Impuls breitet sich entlang der Faser bestimmt. ⁷ Bei Faser verjüngt, die Berechnung des gesamten GVD einschließlich sowohl Material und Wellenleiter-Dispersion kann eine Annäherung der endgültigen Kegeldurchmessers benötigt, um eine erheblich verbreiterten Spektrum zu erzeugen. Aufgrund der starken Abhängigkeit SCG auf GVD und Schwankungen zwischen experimentellen Studien, einschließlich Änderungen der Länge der Faser vor dem sich verjüngenden Bereich und Kupplung der Pumpe auf die Faser, beträgt die berechnete Näherung nicht ausreichend foder gelungen, eine optimierte Kegel in einem einzigen Versuch. Spectral Monitoring ermöglicht für diese Variationen in Versuchsanordnung beobachtet und berücksichtigt werden in in-situ verjüngt.

Darüber hinaus erzeugt eine effiziente Superkontinuum (SC) in einem kurzen, sich verjüngenden Faser reduziert die Menge der nicht-linearen rauscharme Verstärkung Erhaltung der Kohärenz des SCG und der Frequenzkamm Eigenschaften der Pumpquelle. ^25-27 ordnungsgemäße Dispersionsmanagement und damit die Notwendigkeit, in situ-Verjüngung, wird sogar noch kritischer, wenn die Faserlänge kurz ist, wie die SCG Toleranz Waagen mit Länge.

Die in-situ verjüngenden Aufbau beginnt mit der Pumpquelle, die die subharmonic eines modengekoppelten Er-dotierten Faser-Laser, ⁹ in den Kern der As ₂ S _3, die Faser verjüngt sein wird gekoppelt ist. Der Ausgang der Faser wird dann in eine Vorrichtung, die das spektrale Profil charakterisiert gekoppelt. Im experiment eine InSb-Detektor nach einem Monochromator mit ~ 20 nm Auflösung wird verwendet, um einen Teil des Ausgangsspektrum zu überwachen, wo es zunächst ein sehr niedriges Signal von der Pumpquelle (bei ~ 3,9 um), so dass die Faser überwacht werden kann, während Verjüngung. Wenn die Faser verjüngt ist, und das Spektrum verbreitert ist die spektrale Messung Signal ansteigt, wenn die Dispersion für die einzelnen Experiment optimiert. Durch Überwachen des Spektrums, das während der Verjüngung Verfahren können Verjüngung an dem Moment, wenn die spektrale Verbreiterung wurde maximiert gestoppt werden. In-situ Verjüngung ermöglicht optimierte Dispersion für den effizienten SCG in einer einzelnen Faser Verjüngung. Degressive mit einer statischen, schmale Heizzone erzeugt einen kurzen Fasertaper Taille, ^28, der für geräuscharmen SCG ermöglicht. Zusammen können in-situ statische Verjüngung kohärenten, geräuscharm, Oktave umspannenden SCG in der mid-IR aktivieren.

Protocol

1. Degressive Setup-Fabrication (Siehe Setup-Assembled in Abbildung 1) Sichern Sie sich die motorisierte lineare Stadien auf dem Steckbrett (etwa mittig), so dass die Stufen in Kontakt sind und hin und weg voneinander übersetzen Bereiten Sie und legen Sie die Faser Halterungen Befestigen Sie zwei optische Beiträge zu den motorisierten Lineartisch Platten (jeweils) mit den Löchern in der Nähe zueinander. Bringen Sie die bloße optische Faser Reittiere zu den Gipfeln der Beiträ…

Representative Results

Nach dem erfolgreichen Abschluss des in-situ Verfahren verjüngt, erweitert die Pumpe Spektrum von 2,2 bis 5 um (bei ​​~ 40 dB unter dem Spitzenwert), wie in Abbildung 3 zu sehen abzudecken. Die Pumppulsenergie in der As 2 S 3 Faser war ~ 250 PJ mit einer anfänglichen Pulsdauer unter 100 fs. Die kurze Länge des verjüngten Taille, ~ 2,1 mm, ermöglicht die Erzeugung eines breitbandigen, kohärenten SC. Dies schont die Frequenzkamm Eigenschaften der Pumpquelle. Mehr I…

Discussion

Wir haben eine neuartige Faser verjüngenden Verfahren nachgewiesen und bestätigt seine Gültigkeit durch Ausführen SCG im mittleren IR. Nach bestem Wissen versichern wir, ist die alternative Methode für diese Anwendung auf die Bestimmung der Faser Zuglänge erforderlich, um eine sich verjüngende Faserdurchmesser, die genug fügt Wellenleiterdispersion zu SCG im Fasertaper durch Berechnung zu optimieren erstellen basierend, aber da die Zuglänge benötigt die spektrale Verbreiterung für eine bestimmte Länge der Fa…

Materials

Name of Equipment	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.