RESEARCH ARTICLE

Precision vertical drawing of diameter-gradient microfibers: cascaded geometries for tailored nonlinearity  

Hao Chi,Xinying He,Dezhou Lu,Shuoyang Wang,Jiahui Wu,Mengyang Jin,Xueliang Li,Zhuning Wang,Yaoguang Ma

https://doi.org/10.1007/s12200-025-00160-8

Abstract: As nonlinearity is highly correlated with their geometric dimensions, precise fabrication of optical micro/nanofibers (MNFs) has been a longstanding pursuit. Existing MNFs fabrication systems typically adopt horizontal structures, which inherently introduce inaccuracy stem from asymmetry between fiber axis/geometry and chaotic environment due to high temperature airflow, vibration, etc., leading to deviations from the expected fiber morphology, especially for complex-structured MNFs. Here, we propose and manufacture a MNFs fabrication systems, effectively reducing fiber shape deviations during the fabrication process, enabling the fabrication of precise MNFs. To demonstrate the capability of our system in manufacturing precise structure MNFs, we design and fabricate diameter-gradient microfibers with four cascaded structures over a length of approximately 120 mm and a minimum diameter of about 1 µm for on-demand nonlinearity to generate supercontinuum spectrum. Eventually, we obtain supercontinuum spectrum covering 1463–1741 nm at the – 10 dB level with an efficiency of 264.62 nm/kW, exhibiting good flatness and enabling efficient spectral broadening.

研究背景

光学微纳光纤（MNFs）因其强光场约束、大倏逝场和可调的色散与非线性的特性，在传感、非线性光学和量子光学等领域应用广泛。MNFs的几何形态直接影响其光学性质，尤其是用于超连续谱生成等非线性应用时，需要精确控制光纤结构。传统水平拉锥系统受热气流、振动等环境影响，难以精确制备复杂结构MNFs，而工业级垂直拉丝塔又成本高昂。因此，开发一种能够精确制备复杂结构MNFs的桌面级系统具有重要意义。

主要内容

本文提出并构建了一种桌面级垂直MNFs拉锥系统，通过将热气流方向与光纤轴向对齐，有效减少了制备过程中的形态偏差。利用该系统成功制备了具有四段级联结构的直径梯度微光纤（总长~120 mm，最小直径~1.3 μm），并用于实现高效率、高平坦度的超连续谱产生。通过仿真优化了级联结构的参数（锥区斜率、级联数量等），并通过实验验证了其非线性性能。

创新点

• 垂直拉锥系统设计：首次提出桌面级垂直MNFs拉锥系统，有效抑制热气流干扰，实现复杂结构MNFs的高精度、高成功率制备。

• 级联结构优化设计：通过遗传算法逆向优化了级联MNFs的结构参数（锥区斜率、级联段数、长度等），实现了对超连续谱宽度和平坦度的定制化控制。

• 高性能超连续谱生成：实验实现了在1050 W峰值功率泵浦下，覆盖1463–1741 nm（-10 dB带宽278 nm）、平坦度0.4874的超连续谱，效率达264.62 nm/kW，优于多数已报道的PCF、MMF等结构。

方法

• 系统构建：自主研发电加热器（Si₃N₄加热元件，寿命~1000 h），集成高精度平移台与温控系统，支持多种拉锥模式（恒定热区、线性变热区等）。

• 光纤制备：采用五步拉锥工艺（线性变热区+恒定热区法）制备四段级联MNFs。

• 仿真优化：结合广义非线性薛定谔方程（GNLSE）与自适应步长Runge-Kutta法，量化频谱平坦度，利用遗传算法逆向设计最优级联结构。

• 超连续谱实验：使用1550 nm飞秒激光器（120 fs，峰值功率1050 W）泵浦级联MNFs，通过光谱分析仪测量输出谱。

结果

• 制备的级联MNFs最大直径4.5 μm，最小直径1.3 μm，长度约120 mm，结构符合设计预期。

• 实验测得超连续谱-10 dB带宽为277.85 nm，平坦度0.4874，效率264.62 nm/kW，优于对比的均匀MNFs（1.2–1.8 μm）及其他文献报道的PCF、MMF等结构。

• 仿真与实验一致表明：较小锥区斜率、较多级联段数（4段）和较高泵浦功率有利于谱宽拓展；优化后的级联结构在提升谱宽的同时改善了平坦度。

• 垂直拉锥系统成功解决了复杂结构MNFs制备中的形变问题，为实现高精度MNFs加工提供了可靠平台。

总结

本研究通过创新性垂直拉锥系统实现了高精度级联MNFs的制备，结合仿真优化与实验验证，展示了其在超连续谱生成中的优异性能，为微纳光纤在非线性光学中的应用提供了新的设计自由度和加工基础。

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