In situ nedtrappning av kalkogenid Fiber för Mid-IR Supercontinuum Generation

Summary

Vi beskriver ett förfarande för<em> In-situ</em> Avsmalnande Som₂ S₃ Fibrer för att åstadkomma effektiva mid-IR supercontinuum generation. Genom avsmalning under övervakning av supercontinuum s spektrum, kan den spektrala bredden maximeras för en fiber kona.<em> I-situ</em> Fiber avsmalnande kan tillämpas för att optimera prestanda för andra fiber-baserade enheter.

Abstract

Supercontinuum generationen (SCG) i en konisk kalkogenid fiber är önskvärd för att bredda mid-IR (eller mid-IR, ungefär 2-20 um våglängdsområdet) frekvens kammar ^{1, 2} för applikationer såsom molekylär fingeravtryck, ³ spårgas upptäckt, ⁴ laser-driven partikelacceleration, ⁵ och x-ray produktion via hög harmonic generation. ⁶ Uppnå effektiv SCG i en avsmalnande optisk fiber kräver noggrann kontroll av grupphastighetsdispersion (GVD) och temporala egenskaper optiska pulser vid början av fiber, ^7, som är starkt beroende av geometri avsmalningen. ⁸ På grund av variationer i den avsmalnande inställning och förfarande för successiva SCG experiment-såsom fiberlängd, avsmalnande miljö temperatur eller effekt kopplas in i fibern, in situ spektrala övervakning av SCG är nödvändigt att optimera den utgående spektrum för ett enda experiment.

In situ-fiber avsmalnande för SCG består av koppling pumpen källan genom fibern att vara avsmalnande till en spektral mätanordning. Fibern är sedan avsmalnande medan den spektrala mätsignalen observeras i realtid. När signalen når sin topp, är den avsmalnande stoppas. Den in-situ avsmalnande förfarande möjliggör generering av en stabil, oktav-spänner, mid-IR frekvenskamstekniken från sub överton av en kommersiellt tillgänglig nära-IR frekvenskamstekniken. ⁹ Denna metod sänker kostnaden på grund av minskningen i tid och nödvändigt material att tillverka en optimal avsmalning med en midja längd på endast 2 mm.

Den in situ avsmalnande teknik kan utvidgas till att optimera mikrostrukturerad optisk fiber (MOF) för SCG ¹⁰ eller inställning av passbandet för MOFs, ¹¹ optimerar avsmalnande fiberpar för sammansmälta fiberkopplare ¹² och våglängdsdivision multiplexorer (WDM), ¹³eller modifiera dispersionskompensation för kompression eller sträckning av optiska pulser. ^14-16

Introduction

Efter att först produceras i det synliga våglängdsområdet ^1,7 SCG källor har förskjutits mot mitten-IR, till stor del driven av tillämpningar inom spektroskopi. ^{3, 4} chalcogenide fibrer, som inkluderar sulfider, selenider och tellurides, har varit ett populärt material för mitten av IR på grund av deras låga utbredningsförlust och höga olinjäritet, ¹⁸ mindre än 100 dB / km ¹⁹ och ~ 200 gånger högre än kisel för As ₂ S _3, ²⁰ respektive. Emellertid är noll GVD våglängden hos de flesta kalkogenider beläget i mitten av IR, bortom centrum våglängden för majoriteten av tillgängliga ultrasnabba pumpkällor, vilket gör SCG utmanande i ett bulkmaterial eller en standard single-mode kalkogenid fiber. Vågledare dispersion kan användas för att modifiera noll GVD poäng för SCG. ⁷ Metoder för att införa stark vågledardispersionen inkluderar fiber avsmalnande, ^{8, 21} med hjälp av mikrostrukturerade fibrer, ^22-24 elleräven med en kombination av båda. ¹⁰ Genom att förskjuta noll GVD våglängd under pumpvåglängden, kommer pumpen att uppleva anomal dispersion i fibern. I den anomala dispersionen regimen, sker soliton formation genom att balansera den olinjära kvittra som orsakas av själva fas modulering och det linjära kvittra orsakas av GVD. För en femtosekund pumpkälla är spektral breddning vanligtvis domineras av soliton fission eller puls bryta, vilken genomförs efter en första temporal komprimering som pulsen propagerar längs fibern. ⁷ I fråga om fiber avsmalnande, beräkna det totala GVD-inklusive både material och vågledardispersion-kan ge en approximation av den slutliga avsmalnande diameter behövs för att producera ett kraftigt breddat spektrum. På grund av SCG starka beroendet av GVD och fluktuationer mellan experimentella studier, inklusive ändringar till fiberlängd innan det avsmalnande området och koppling av pumpen till fibern, är den beräknade approximation inte tillräckligt feller uppnå en optimerad avsmalning i en enda rättegång. Spectral övervakning möjliggör dessa variationer i experimentuppställning att följas och redovisas i in situ avsmalnande.

Dessutom genererar en effektiv supercontinuum (SC) i en kort avsmalnande fibrer minskar mängden olinjära brusförstärkning bevara sammanhållningen i SCG och frekvensen egenskaperna kam av pumpens källan. ^25-27 Korrekt dispersion management, och därmed behovet av in situ avsmalnande, blir ännu mer kritisk när fibern är kort, eftersom SCG tolerans skalor med längden.

Den in-situ avsmalnande installationen börjar med pumpen källa, vilket är den underton av en modlåst-Er-dopade fiber laser, ⁹ kopplas in i kärnan av den Som ₂ S ₃ fiber som kommer att vara avsmalnande. Utsignalen från fibern kopplas sedan till en anordning som kännetecknar den spektrala profilen. I experiment, en InSb detektor efter en monokromator med ~ 20 nm av upplösning används för att övervaka en del av den utgående spektrum där det är initialt en mycket låg signal från pumpen källan (vid ~ 3,9 ^ m), så att fibern kan övervakas medan avsmalnande. När fibern är avsmalnande och spektrumet breddas, är den spektrala mätsignal ökar när dispersionen optimerad för den enskilda experimentet. Genom övervakning av spektrumet under avsmalnande förfarande kan avsmalnande stoppas i det ögonblick då den spektrala breddning har maximerats. Möjliggör optimerad dispersion hantering för effektiv SCG i en enda fiber avsmalnande In-situ avsmalnande. Avsmalnande med en statisk, smal värmezon ger en kort midja fiber kona, ²⁸ som medger låg ljudnivå SCG. Tillsammans kan in-situ statisk avsmalnande möjliggör konsekvent, låg bullernivå, oktav-spänner SCG i mitten av IR.

Protocol

Ett. Avsmalnande Setup Fabrication (Se Monterad Setup i figur 1) Säkra de motoriserade linjära stegen på bakbord (grovt centrerad) så att stegen är i kontakt och översätter mot och från varandra Förbered och placera fiber fästen Fäst två optiska tjänster till de motoriserade linjärt steg plattor (en vardera) i hålen närmast varandra. Fäst de kala optisk fiber fästen till toppen av stolparna. Se till att V-spåren för fibern är inriktade. (OBS: Höjden på de ka…

Representative Results

Efter avslutad in-situ avsmalnande förfarande, breddat pumpen spektrum att täcka 2,2-5 m (vid ~ 40 dB under maxvärdet), som ses i figur 3. Pumppulsen energi i As 2 S 3 fiber var ~ 250 pJ med en initial puls längd under 100 fsec. Den korta längden av den avsmalnande midja, ~ 2,1 mm, möjliggör för generering av ett bredband, sammanhängande SC. Detta bevarar de egenskaper frekvenskamstekniken i pumpen källan. Mer information om frekvensen kam och andra egenskaper ho…

Discussion

Vi har visat en ny fiber avsmalnande förfarande och kontrolleras dess giltighet genom att utföra SCG i mitten av IR. Så vitt vi vet, är den alternativa metoden för denna applikation baserad på bestämning av fibern drar längd som krävs för att skapa en avsmalnande fiber diameter som tillför tillräckligt vågledardispersion att optimera SCG i fibern avsmalnande genom beräkning, men eftersom den drar längd som behövs att maximera den spektrala bredda för en specifik längd av fiber varierar för varje exper…

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.