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&#39;Institut de chimie de haute pureté Substances et VG Plotnichenko et EM Dianov de la Fibre Optique Centre de recherche de l&#39;Académie des Sciences de Russie pour fournir la fibre As 3 à 2. Nous sommes également reconnaissants pour le soutien de l&#39;Office of Naval Research, la NASA, le Bureau de la Force aérienne de la recherche scientifique, Agilent, et le Bureau conjoint des Technologies.

1. Resserré Fabrication de configuration (voir Configuration assemblé à la figure 1) <ol><li> 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&#39;éloigner les uns des autres </li><li> Préparer et placer les supports de fibres <ol><li> Attacher deux postes optiques aux plaques de phase linéaires motorisés (une pièce) en utilisant les trous les plus proches de l&#39;autre. </li><li> 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.). </li></ol></li><li> Préparer et mettre l&#39;entrée et les éléments de couplage de sortie <ol><li> Attacher les tables de translation linéaires aux étapes linéaires motorisés (une pour l&#39;entrée et l&#39;autre pour le côté sortie) avec les plaques d&#39;adaptation. </li><li> 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&#39;entrée. Choisir une focale qui donne un couplage optimal de la source de pompage à l&#39;âme de la fibre. S&#39;assurer que le centre de la lentille est à la même hauteur que les rainures en V des pinces de fibres. </li><li> 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&#39;étage de translation en sortie. Assurez-vous que le centre de la lentille est à la même hauteur que la v-groove. </li></ol></li><li> Préparer et placer l&#39;élément de chauffage (voir figure 2) <ol><li> Machine de bloc d&#39;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&#39;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. </li><li> Insérez les cartouches chauffantes à til trous appropriés du bloc d&#39;aluminium et les fixer avec des vis 8/32 de set. </li><li> Fixer un poste céramique au sommet vis 8/32 de jeu pour l&#39;isolation thermique. </li><li> Fixer un poste optique au poste de céramique et d&#39;utiliser une pince droite post-angle avec un poste optique supplémentaire pour assurer le chauffage de la phase linéaire XYZ. </li><li> 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&#39;aluminium peut être centrée par les rainures en V des pinces de fibres. </li><li> Traduire le dispositif de chauffage de l&#39;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&#39;être assurée, sans obstruction. </li></ol></li></ol> 2. Chalcogénure fibre Préparation <ol><li> Faire tremper une longueur désirée de l&#39;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&#39;acétone pendant environ 10 minutes ou jusqu&#39;à ce que leveste devient mou. (Utilisez le solvant approprié pour la veste en cas d&#39;utilisation d&#39;une fibre différente). </li><li> Retirez délicatement la veste ramolli avec un Kimwipe, retirant une section plus de 5 cm à la fois. </li><li> Nettoyez la fibre nue avec de l&#39;isopropanol à une Kimwipe. </li><li> 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. </li><li> 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&#39;en tenir à peine sur les pinces de fibres. </li><li> 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. </li><li> 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). </li></ol> 3. In-situ Tap fibreeRing procédure <ol><li> 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&#39;image de la facette de sortie de la fibre avec la Pyrocam pour assurer l&#39;alimentation est le plus souvent dans le mode fondamental. Vérifiez que le faisceau de pompage se propage le long de l&#39;axe de la fibre. Si ce n&#39;est pas le couplage va changer une fois que les étapes motorisées commencent à bouger. </li><li><ol><li> Placer un hacheur en face de la source de pompage. (Cette étape est nécessaire pour AC détecteurs couplés). </li><li> 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. </li><li> Tourner le réseau du monochromateur afin de permettre le côté de grande longueur d&#39;onde du spectre de passer à travers le monochromateur jusqu&#39;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&#39;ondes détectables plus longue que la plus longue de longueur d&#39;onde contenus mesurable de la pompe. </li></ol></li><li> Traduire le chauffe en aluminium jusqu&#39;à ce que la fibre se glisse dans la fente et est centrée dans le trou fibre de l&#39;aluminium chauffage. </li><li> Placer le niveau du capteur RTD avec l&#39;une des cartouches chauffantes. Appuyez doucement sur ​​le capteur RTD contre la chauffe en aluminium afin qu&#39;il soit entièrement en contact avec le bloc comme le montre la figure 2. Si la sonde n&#39;est pas en contact avec le chauffe correctement (ou pas d&#39;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&#39;a pas diminué. <ol><li> Un petit RTD peut être placé à l&#39;intérieur de l&#39;autre trou du bloc de chauffage pour contrôler la température dans le trou. (Facultatif) </li></ol></li><li> 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) </li><li> Recouvrir le programme d&#39;installation avec un boîtier (avec des trous pour l&#39;entrée et faisceaux de sortie) pour réduire la circulation de l&#39;air et de permettre à la température s&#39;effilant stable. </li><li> 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&#39;appareil de chauffage, la température de l&#39;environnement, et le flux d&#39;air autour de la fibre). </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> 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&#39;indice de réfraction ou la contraction thermique). </li><li> 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&#39;aide de la fente dans le bloc de chauffage pour permettre à la fibre de passer. </li><li> 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&#39;onde du spectre. </li><li> Retirez la fibre si désiré. </li></ol>

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

Nous avons démontré une procédure effilée de fibres nouvelles et vérifié sa validité en effectuant SCG dans l&#39;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&#39;un diamètre de fibre effilée qui ajoute assez dispersion de guide d&#39;ondes pour optimiser SCG dans le cône fibre par calcul, mais étant donné la longueur de traction nécessaire pour maximiser l&#...

Après avoir été d&#39;abord produit dans la gamme de longueur d&#39;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&#39;onde GVD zéro de la plupart des chalcogénures est situé dans le moyen IR, au-delà de la longueur d&#39;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&#39;une fibre monomode standard de chalcogénure. la dispersion du guide d&#39;ondes peut être utilisé pour modifier le point zéro pour GVD CTB. 7 méthodes pour introduire la dispersion solide de guide d&#39;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&#39;onde au-dessous de zéro GVD la longueur d&#39;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&#39;impulsion, qui se produit après une compression temporelle initiale en tant que l&#39;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&#39;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&#39;accouplement de la pompe à la fibre, l&#39;approximation calculée n&#39;est pas suffisamment fou la réalisation d&#39;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&#39;un supercontinuum efficace (SC) dans une fibre courte effilée diminue la quantité d&#39;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&#39;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&#39;un laser à verrouillage de mode Er fibre dopée, 9 couplé dans le noyau de l&#39;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&#39;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&#39;élargit, les spectrales hausse du signal de mesure que la dispersion est optimisé pour l&#39;expérience individuelle. En surveillant le spectre pendant la procédure effilée, s&#39;effilant peut être arrêtée au moment où l&#39;élargissement spectral a été maximisée. S&#39;effilant in situ permet la gestion de la dispersion optimisée pour CTB efficace dans un seul fuseau de fibres. S&#39;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.

<table border="1">
		<tbody>
		 <tr>
			<td>Name of Equipment</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Motorized Linear Stages</td>
			<td>Newport</td>
			<td>MFA-PPD</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Motorized Stage Controller</td>
			<td>Newport</td>
			<td>ESP301</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Aluminum Block</td>
			<td>Any vendor.</td>
			<td></td>
			<td>Dimensions will vary depending on desired taper length.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>RTD Sensor</td>
			<td>Omega</td>
			<td>1PT100GX1510</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Cartridge Heaters</td>
			<td>Omega</td>
			<td>CSS-01115/120V</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Temperature Controller</td>
			<td>Omega</td>
			<td>CSC32</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Input Coupling Linear Translation Stage</td>
			<td>CVI</td>
			<td>07TXS224</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Output Coupling Linear Translation Stage</td>
			<td>Newport</td>
			<td>422-1S</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>XYZ Linear Translation Stage</td>
			<td>Newport</td>
			<td>461</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Assorted posts, optics mounts, bases, and forks</td>
			<td>Any vendor.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Optical Breadboard</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MB12</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Input Coupling ZnSe Lens</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>AL72512-E</td>
			<td>Available from other vendors. Input coupling focal length depends on pump source and fiber mode field diameter.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Output Coupling ZnSe Lens</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>NT62-961</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Box</td>
			<td>Any type will do.</td>
			<td></td>
			<td>Must be large enough to allow stage movement. Needs apertures for input and output coupling of light.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Ceramic Optical Post</td>
			<td>Any vendor.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Digital Microscope</td>
			<td>Any vendor.</td>
			<td></td>
			<td>Optional.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Table Clamps</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CL5</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Bare Fiber clamps</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>HFF003</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
		 <td></td>
		 <td></td>
		 <td></td>
		 <td>Table 1. Tapering Setup Materials.</td>
	 </tr>
		 <tr>
			<td>As2S3 Optical Fiber</td>
			<td>Fiber Optics Research Center of the Russian Academy of Sciences</td>
			<td></td>
			<td>Available from other vendors, such as CorActive. </td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Beavertail Cleaver</td>
			<td>Fiber Network Tools</td>
			<td>S-315</td>
			<td>Available from other vendors. Hand cleaving or polishing fiber tips can also produce high quality fiber tips.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>KimWipes</td>
			<td>Kimberly-Clark Professional</td>
			<td>34120</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Acetone, Isopropanol</td>
			<td>Any vendor.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
		 <td></td>
		 <td></td>
		 <td></td>
		 <td>Table 2. Materials for Chalcogenide Fiber Preparation.</td>
	 </tr>
		 <tr>
			<td>Pyrocam</td>
			<td>Ophir Photonics</td>
			<td>Pyrocam III Series</td>
			<td>Any camera with sensitivity at pump wavelength will work.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Monochromator</td>
			<td>Photon Technology International</td>
			<td></td>
			<td>A 100 line/mm grating was used. Any spectral measurement device will work (e.g. longpass filter). </td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>CaF2 Lenses</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LB5922</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>InAs Filter</td>
			<td>Any vendor.</td>
			<td></td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Amplified InSb Detector</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td>P4631-03</td>
			<td>Available from other vendors.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Computer</td>
			<td>Any vendor.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>DAQ</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>USB X Series</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Labview software for motorized stages</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Optional. Custom program.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Labview software for collecting detector data</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Optional. Custom program.</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Assorted posts, optics mounts, bases, and forks</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>1" Gold mirrors</td>
			<td>Any vendor.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Chopper and controller</td>
			<td>Any vendor.</td>
			<td>SRS Model SR540</td>
			<td>Optional. Depends on detector being used.</td>
		 </tr>
		 <tr>
		 <td></td>
		 <td></td>
		 <td></td>
		 <td>Table 3. Materials for In-situ Tapering Procedure.</td>
	 </tr>
		</tbody>
 </table>

in-situ tapering of chalcogenide fiber for mid-infrared supercontinuum generation

Supercontinuum génération (CTB) dans une fibre de chalcogénure conique est souhaitable d&#39;élargir le moyen infrarouge (ou de l&#39;infrarouge moyen, plus ou moins la gamme de longueurs d&#39;onde de 2 à 20 um) fréquence peignes 1, 2 pour des applications telles que l&#39;empreinte moléculaire, la détection de gaz 3 de la trace, 4 accélération de particules laser piloté, 5 et radiographie de production par l&#39;intermédiaire de la génération d&#39;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&#39; 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&#39;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&#39;une étable, d&#39;octave couvrant, peigne de fréquence infrarouge moyen de la sous harmonique d&#39;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&#39;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&#39;onde (WDM multiplexeurs par répartition), 13ou modifier la compensation de dispersion pour la compression ou d&#39;étirement d&#39;impulsions optiques. 14-16

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&#39;énergie de l&#39;impulsion de pompe dans le As 2 S 3 fibre était d&#39;environ 250 pJ avec une durée d&#39;impulsion initiale inférieure à 100 fs. La courte durée de la taille effilée, ~ 2.1 mm, permet la génération d&#39;une bande large, cohérente SC. Cela permet de préserver les...

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In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

Nous décrivons une méthode pour<em&gt; In-situ</em&gt; Effilée de As<sub&gt; 2</sub&gt; S<sub&gt; 3</sub&gt; Fibres pour atteindre la génération de supercontinuum dans l&#39;infrarouge moyen efficace. En se rétrécissant tout en surveillant le spectre du supercontinuum, la largeur spectrale peut être maximisée pour un fuseau de fibres.<em&gt; In-situ</em&gt; Fibre effilée peut être appliqué pour optimiser les performances des autres dispositifs à base de fibres.

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

Supercontinuum  generation (SCG) in a tapered chalcogenide fiber is desirable for broadening mid-infrared  (or mid-IR, roughly the 2-20 &mu;m wavelength ...

in-situ-tapering-chalcogenide-fiber-for-mid-infrared-supercontinuum

Research

JoVE Journal

Engineering

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

12.2K vues.  Stanford University. 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 fibre...

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In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric vehicles.1,2 However, many challenges, such as energy density and battery lifetimes, need to be overcome before this particular battery technology can be widely implemented in such applications.3 This research is challenging, and we outline a method to address these challenges using in situ NPD to probe the crystal structure of electrodes undergoing electrochemical cycling (charge/discharge) in a battery. NPD data help determine the underlying structural mechanism responsible for a range of electrode properties, and this information can direct the development of better electrodes and batteries.
We briefly review six types of battery designs custom-made for NPD experiments and detail the method to construct the &#8216;roll-over&#8217; cell that we have successfully used on the high-intensity NPD instrument, WOMBAT, at the Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO). The design considerations and materials used for cell construction are discussed in conjunction with aspects of the actual in situ NPD experiment and initial directions are presented on how to analyze such complex in situ data.

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

We describe the design and construction of an electrochemical cell for the examination of electrode materials using in situ neutron powder diffraction (NPD). We briefly comment on alternate in situ NPD cell designs and discuss methods for the analysis of the corresponding in situ NPD data produced using this cell.

In Situ diffraction de poudre, l&#39;utilisation des batteries au lithium-ion sur mesure

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Recherche

Ingénierie

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists chiefly of velocity and temperature readings, both ideally having high spatial and temporal resolution to facilitate rigorous code validation. While high resolution velocity data is readily obtained through optical measurement techniques such as particle image velocimetry, it has proven difficult to obtain temperature data with similar resolution. Traditional sensors such as thermocouples cannot fill this role, but the recent development of distributed sensing based on Rayleigh scattering and swept-wave interferometry offers resolution suitable for CFD code validation work. Thousands of temperature measurements can be generated along a single thin optical fiber at hundreds of Hertz. Sensors function over large temperature ranges and within opaque fluids where optical techniques are unsuitable. But this type of sensor is sensitive to strain and humidity as well as temperature and so accuracy is affected by handling, vibration, and shifts in relative humidity. Such behavior is quite unlike traditional sensors and so unconventional installation and operating procedures are necessary to ensure accurate measurements. This paper demonstrates implementation of a Rayleigh scattering-type distributed temperature sensor in a thermal mixing experiment involving two air jets at 25 and 45 &#176;C. We present criteria to guide selection of optical fiber for the sensor and describe installation setup for a jet mixing experiment. We illustrate sensor baselining, which links readings to an absolute temperature standard, and discuss practical issues such as errors due to flow-induced vibration. This material can aid those interested in temperature measurements having high data density and bandwidth for fluid dynamics experiments and similar applications. We highlight pitfalls specific to these sensors for consideration in experiment design and operation.

We demonstrate use of a fiber optic distributed sensor for mapping the temperature field of mixing air jets. The Rayleigh scattering-based sensor generates thousands of data points along a single fiber to provide exceptional spatial resolution that is unattainable with traditional sensors such as thermocouples.

Fibre optique Capteurs distribués pour haute résolution cartographie des champs de température

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

Electrospray Deposition of Uniform Thickness Ge23Sb7S70 and As40S60 Chalcogenide Glass Films

Solution-based electrospray film deposition, which is compatible with continuous, roll-to-roll processing, is applied to chalcogenide glasses. Two chalcogenide compositions are demonstrated: Ge23Sb7S70 and As40S60, which have both been studied extensively for planar mid-infrared (mid-IR) microphotonic devices. In this approach, uniform thickness films are fabricated through the use of computer numerical controlled (CNC) motion. Chalcogenide glass (ChG) is written over the substrate by a single nozzle along a serpentine path. Films were subjected to a series of heat treatments between 100 &#176;C and 200 &#176;C under vacuum to drive off residual solvent and densify the films. Based on transmission Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and surface roughness measurements, both compositions were found to be suitable for the fabrication of planar devices operating in the mid-IR region. Residual solvent removal was found to be much quicker for the As40S60 film as compared to Ge23Sb7S70. Based on the advantages of electrospray, direct printing of a gradient refractive index (GRIN) mid-IR transparent coating is envisioned, given the difference in refractive index of the two compositions in this study.

Electrospray Deposition of Uniform Thickness Ge23Sb7S70 and As40S60 Chalcogenide Glass Films

A method of uniform thickness solution-derived chalcogenide glass film deposition is demonstrated using computer numerical controlled motion of a single-nozzle electrospray.

Electrospray Déposition de Uniforme Épaisseur Ge<sub&gt; 23</sub&gt; Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; 70</sub&gt; Et As<sub&gt; 40</sub&gt; S<sub&gt; 60</sub&gt; chalcogénure verre Films

Solution-based electrospray film deposition, which is compatible with continuous, roll-to-roll processing, is applied to chalcogenide glasses. Two ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) scaffolds with tunable specific surface areas up to 80 m2&#183;g-1. An aqueous solution of a zirconium salt, yttrium salt, and glucose is mixed with propylene oxide (PO) to form a gel. The gel is dried under ambient conditions to form a xerogel. The xerogel is pressed into pellets and then sintered in an argon atmosphere. During sintering, a YSZ ceramic phase forms and the organic components decompose, leaving behind amorphous carbon. The carbon formed in situ serves as a hard template, preserving a high surface area YSZ nanomorphology at sintering temperature. The carbon is subsequently removed by oxidation in air at low temperature, resulting in a porous, nanostructured YSZ scaffold. The concentration of the carbon template and the final scaffold surface area can be systematically tuned by varying the glucose concentration in the gel synthesis. The carbon template concentration was quantified using thermogravimetric analysis (TGA), the surface area and pore size distribution was determined by physical adsorption measurements, and the morphology was characterized using scanning electron microscopy (SEM). Phase purity and crystallite size was determined using X-ray diffraction (XRD). This fabrication approach provides a novel, flexible platform for realizing unprecedented scaffold surface areas and nanomorphologies for ceramic-based electrochemical energy conversion applications, e.g. solid oxide fuel cell (SOFC) electrodes.

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

A protocol for fabricating porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ) scaffolds at temperatures between 1,000 &#176;C and 1,400 &#176;C is presented.

Fabrication à haute température de nanostructurés yttriée-Zircon (YSZ) par scellants<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon Templating xérogels

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and forging. Adoption of this technique is proceeding despite disagreement concerning the underlying mechanism responsible for EAD. The experimental procedure described herein enables a more explicit study compared to previous EAD research by removing thermal effects, which are responsible for disagreement in interpreting previous EAD results. Furthermore, as the procedure described here enables EAD observation in situ and in real time in a transmission electron microscope (TEM), it is superior to existing post-mortem methods that observe EAD effects post-test. Test samples consist of a single crystal copper (SCC) foil having a free-standing tensile test section of nanoscale thickness, fabricated using a combination of laser and ion beam milling. The SCC is mounted to an etched silicon base that provides mechanical support and electrical isolation while serving as a heat sink. Using this geometry, even at high current density (~3,500 A/mm2), the test section experiences a negligible temperature increase (&#60;0.02 &#176;C), thus eliminating Joule heating effects. Monitoring material deformation and identifying the corresponding changes to microstructures, e.g. dislocations, are accomplished by acquiring and analyzing a series of TEM images. Our sample preparation and in situ experiment procedures are robust and versatile as they can be readily utilized to test materials with different microstructures, e.g., single and polycrystalline copper.

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Isolating electrical and thermal effects on electrically assisted deformation (EAD) is very difficult using macroscopic samples. Metallic sample micro- and nanostructures together with a custom test procedure have been developed to evaluate the impact of applied current on the formation without joule heating and evolution of dislocations on these samples.

Une nouvelle méthode pour<em&gt; In Situ</em&gt; Caractérisation électromécanique des échantillons à l&#39;échelle nanométrique

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of lithium-ion (Li-ion) batteries. However, a number of setbacks prevent their integration into commercial devices. The main limiting factor is due to nanoscale phenomena occurring at the electrode/electrolyte interfaces, ultimately leading to degradation of battery operation. These key problems are highly challenging to observe and characterize as these batteries contain multiple buried interfaces. One approach for direct observation of interfacial phenomena in thin film batteries is through the fabrication of electrochemically active nanobatteries by a focused ion beam (FIB). As such, a reliable technique to fabricate nanobatteries was developed and demonstrated in recent work. Herein, a detailed protocol with a step-by-step process is presented to enable the reproduction of this nanobattery fabrication process. In particular, this technique was applied to a thin film battery consisting of LiCoO2/LiPON/a-Si, and has further been previously demonstrated by in situ cycling within a transmission electron microscope.

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

A protocol for the fabrication of electrochemically active LiPON-based solid-state lithium-ion nanobatteries using a focused ion beam is presented.

Fabrication de faisceau ionique focalisé de Lithium-ion à l’état solide axée sur les LiPON micro-batterie pour In Situ essais

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

Installation Method to Enhance Quality Control for Fiber Reinforced Polymer Spike Anchors

Fiber reinforced polymer (FRP) anchors are a promising way to enhance the performance of externally-bonded FRPs applied to existing structures, as they can delay or even prevent debonding failure. However, a major concern faced by designers is the premature failure of the anchors due to stress concentration. Poor installation quality and preparation of the clearance holes can result in stress concentration that provokes this premature failure. This paper deals with an installation method that aims to reduce the impact of the stress concentration and to provide a proper quality control of the preparation of the drill hole. The method involves three parts: the drilling and cleaning of the holes, the smoothing of the hole edges with a customized drill bit, and the installation of the anchor itself, including the impregnation of the anchor dowel and its insertion. Anchor fans (the free length of the spikes) are then bonded to the external FRP reinforcement. For the end anchorage, and in the case of reinforcements with multiple plies, it is recommended that the anchor fan be inserted between two plies to assist the stress-transfer mechanism. 
The proposed procedure is complemented with a design approach for spike anchors, based on an extensive database. It is proposed that the design follow a number of steps, namely: selection of the anchor diameter and subsequent tensile strength of the connector (that is to say, the anchor before fanning out the free end), evaluation of the reduction in the tensile strength due to bending, provision of enough embedment to prevent slippage failure, and consideration of the number and spacing of anchors for a given reinforcement. In this sense, it should be noted that further research is needed in order to obtain a general expression for the contribution of spike anchors to overall bond strength of FRP reinforcements.

This manuscript presents a method for controlling the quality of installation for spike anchors designed to delay delamination of externally bonded fiber reinforced polymers. The protocol includes the preparation of the drill hole and the insertion process. The most influential parameters on the efficiency of the anchors are discussed.

Méthode d’installation afin d’améliorer le contrôle de la qualité des fibre renforcé polymère piquets d’ancrage

Fiber reinforced polymer (FRP) anchors are a promising way to enhance the performance of externally-bonded FRPs applied to existing structures, as they ...

Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. When visualization is lost, the medical device can cause trauma to critical tissue structures. Here, a method to track the needle tip during ultrasound image-guided procedures is presented. This method involves the use of a fiber-optic ultrasound receiver that is affixed within the cannula of a medical needle to communicate ultrasonically with the external ultrasound probe. This custom probe comprises a central transducer element array and side element arrays. In addition to conventional two-dimensional (2D) B-mode ultrasound imaging provided by the central array, three-dimensional (3D) needle tip tracking is provided by the side arrays. For B-mode ultrasound imaging, a standard transmit-receive sequence with electronic beamforming is performed. For ultrasonic tracking, Golay-coded ultrasound transmissions from the 4 side arrays are received by the hydrophone sensor, and subsequently the received signals are decoded to identify the needle tip&#39;s spatial location with respect to the ultrasound imaging probe. As a preliminary validation of this method, insertions of the needle/hydrophone pair were performed in clinically realistic contexts. This novel ultrasound imaging/tracking method is compatible with current clinical workflow, and it provides reliable device tracking during in-plane and out-of-plane needle insertions.

Accurate and efficient visualization of invasive medical devices is extremely important in many ultrasound-guided minimally invasive procedures. Here, a method for localizing the spatial position of a needle tip relative to the ultrasound imaging probe is presented.

Aiguille à ultrasons tridimensionnel Tip suivi avec un récepteur à ultrasons de la fibre optique

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. ...

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

A new method for the simultaneous study of the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil through two experimental laboratory setups is presented. The experiments are easily repeatable compared to operational scale experiments (pool diameter &#8805;2 m), while still featuring quite realistic in situ burning conditions of crude oil on water. Experimental conditions include a flowing water sub-layer that cools the oil slick and an external heat flux (up to 50 kW/m2) that simulates the higher heat feedback to the fuel surface in operational scale crude oil pool fires. These conditions enable a controlled laboratory study of the burning efficiency of crude oil pool fires that are equivalent to operational scale experiments. The method also provides quantitative data on the requirements for igniting crude oils in terms of the critical heat flux, ignition delay time as a function of the incident heat flux, the surface temperature upon ignition, and the thermal inertia. This type of data can be used to determine the required strength and duration of an ignition source to ignite a certain type of fresh or weathered crude oil. The main limitation of the method is that the cooling effect of the flowing water sub-layer on the burning crude oil as a function of the external heat flux has not been fully quantified. Experimental results clearly showed that the flowing water sub-layer does improve how representative this setup is of in situ burning conditions, but to what extent this representation is accurate is currently uncertain. The method nevertheless features the most realistic in situ burning laboratory conditions currently available for simultaneously studying the flammability and burning efficiency of crude oil on water.

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

Here, we present a protocol to simultaneously study the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil under conditions that simulate in situ burning operations on the sea.

Une procédure expérimentale pour Laboratory Studies of In Situ brûlant : inflammabilité et l’efficacité de combustion de pétrole brut

A new method for the simultaneous study of the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil through two experimental laboratory ...

Design and Fabrication of an Optical Fiber Made of Water

In this report, an optical fiber of which the core is made solely of water, while the cladding is air, is designed and manufactured. In contrast with solid-cladding devices, capillary oscillations are not restricted, allowing the fiber walls to move and vibrate. The fiber is constructed by a high direct current (DC) voltage of several thousand volts (kV) between two water reservoirs that creates a floating water thread, known as a water bridge. Through the choice of micropipettes, it is possible to control the maximal diameter and length of the fiber. Optical fiber couplers, at both sides of the bridge, activate it as an optical waveguide, allowing researchers to monitor the water fiber capillary body waves through transmission modulation and, therefore, deducing changes in surface tension.
Co-confining two important wave types, capillary and electromagnetic, opens a new path of research in the interactions between light and liquid-wall devices. Water-walled microdevices are a million times softer than their solid counterparts, accordingly improving the response to minute forces.

This protocol describes the design and manufacture of a water bridge and its activation as a water fiber. The experiment demonstrates that capillary resonances of the water fiber modulate its optical transmission.

Conception et Fabrication d’une fibre optique fait d’eau

In this report, an optical fiber of which the core is made solely of water, while the cladding is air, is designed and manufactured. In contrast with ...