حفز ستوكس وAntistokes رامان التشتت في Microspherical يهمس معرض الوضع الرنين

الهدف العام من هذا الإجراء هو توليد ترددات بصرية جديدة باستخدام رنانات السيليكا الكروية الدقيقة ذات نمط معرض الهمس (whispering-gallery-mode) لتطبيقات البصريات والفوتونيات، والتي تتراوح من مصادر الليزر المدمجة إلى الاستشعار الكيميائي الحيوي. في الرنانات الدقيقة ذات نمط معرض الهمس، يمكن توجيه الضوء بمزيج فريد من الحصر المكاني القوي والعمر الطويل للتجويف، كما تضمن الخسائر المنخفضة تحقيق عوامل جودة عالية.

تعتبر هذه الرنانات مناسبة بشكل مثالي للتفاعلات الضوئية غير الخطية. وبشكل خاص، تظهر الكرات الدقيقة من السيليكا إمكانات كبيرة كمولدات تردد لمصادر مدمجة ذات موجة مستمرة، وعرض خطي ضيق، وقابلية للضبط. ويعود الاهتمام باستخدام تقنيات الصهر لتصنيع الكرات الدقيقة الكهربائية إلى إمكانية تحقيق خسائر تشتت منخفضة، وبالتالي الحصول على عوامل جودة عالية جداً.

استخدمنا ليفاً مستدقاً مُصنّعاً محلياً لربط الضوء داخل الكرات الدقيقة. حيث يمكن لكفاءة الربط العالية وعامل تراكم التجويف المرتفع تحفيز تأثيرات كير (Kerr effects) غير الخطية باستخدام قدرة ضخ منخفضة للموجة المستمرة. وسيقوم فرانكو كوزي، وهو فني من مختبرنا، بتوضيح إجراءات الاستدقاق.

لإنشاء كرة مجهرية، ابدأ أولاً بتجهيز قطعة من الألياف للعمل بها. اجمع المعدات اللازمة لإنشاء كرة مجهرية باستخدام ألياف السيليكا أحادية النمط، والتي تشمل الألياف، والأسيتون، ومقشر الطلاء البصري، وقاطع الألياف.

بالإضافة إلى ذلك، قم بتجهيز جهاز لحام الألياف (fusion splicer). استخدم أداة التعرية لإزالة حوالي 1-2 سنتيمتر من الغلاف الأكريليكي من طرف الليف البصري. اتبع ذلك بتنظيف الجزء الذي تمت تعريته باستخدام منديل نظيف وأسيتون.

ضع طرف الليف البصري في أداة قطع الألياف، ثم قم بالقطع لعزل الجزء المجرد. اجمع الليف المقطوع من أداة القطع، ثم انقل طرف الليف إلى جهاز لحام الألياف بالصهر.

هناك، ضع الليف البصري وثبته في مكانه وفقاً لإرشادات الشركة المصنعة. أغلق الغطاء، وتحقق من أن قدرة القوس ومدة القوس صحيحتان، ثم ابدأ القوس. راقب التقدم عبر الشاشة.

بينما يقوم القوس بصهر الزجاج، سيبدأ شكل الليف في التحول إلى كرة نتيجة للتوتر السطحي. وعندما تبدأ الكرة في التشكل، أوقف القوس وافتح الغطاء. قم بالوصول إلى الليف في الحامل، وأدره بزاوية 90 درجة للحفاظ على الشكل الكروي، ثم ثبت الليف في مكانه مرة أخرى.

أغلق الغطاء وأعد تشغيل القوس الكهربائي. سيؤدي إجراء ثلاث دورات على الأقل بزاوية 90 درجة على مدار 5 إلى 10 دقائق إلى إنتاج كرة مجهرية يبلغ قطرها حوالي 160 micrometers. عند إزالة الكرة المجهرية وساقها الليفية، كن مستعداً لتخزينها أو استخدامها خلال يوم واحد.

هذا الحامل على شكل حرف T قابل للتثبيت على منصة الإزاحة لاستخدامه في تجارب الربط الضوئي. ويحتوي على قناة في منتصفه مخصصة لساق الألياف الخاصة بالكرة المجهرية. ضع الطرف المتبقي من ساق الكرة المجهرية في القناة بحيث تكون الكرة المجهرية غير عائقة فوق الحامل.

قم بتثبيت الساق باستخدام شريط لاصق شفاف. الآن، ابدأ في إنشاء ليف مستدق لربط الضوء بالكرة المجهرية. سيتطلب ذلك جهازاً يمكنه سحب نهايات الليف ببطء بعيداً عن بعضهما البعض.

ابدأ بطول من ألياف السيليكا أحادية النمط وحدد نقطة المنتصف الخاصة بها. استخدم مقشر الغلاف البصري لإزالة حوالي 3-4 سنتيمترات من الغلاف حول هذه النقطة. بمجرد الانتهاء من ذلك، قم بإدخال أسطوانة ألومينا فوق الجزء المقشر من الليف لتعمل كفرن.

بعد ذلك، استخدم منهياً للألياف العارية لتوصيل أحد طرفي الليف بليزر قادر على التشغيل عند 635 nanometers. وصّل الطرف الآخر من الليف بمقياس القدرة. وبمجرد وضع الليف في مكانه، جهز لهباً من الأكسجين والبوتان لتسخين أسطوانة الألومينا إلى درجة حرارة قريبة من نقطة انصهار السيليكا والتي تبلغ حوالي 2,100 °C.

قم بتشغيل ساحب الألياف بحيث يحرك الطرفين بعيداً عن بعضهما البعض ببطء. ومع تشغيل ليزر 635 nanometer، راقب القدرة المنقولة عبر الليف باستخدام مقياس القدرة. وتعكس القيم المتغيرة عملية التناقص المستمرة في القطر.

عند هذه النقطة، توقف عن سحب الليف وأطفئ اللهب. قم بإزالة الليف من مدخل مقياس القدرة من حين لآخر لإسقاط مخرج الليف على بطاقة الشعاع للتحقق من الحفاظ على بقعة دائرية متجانسة أثناء عملية التضييق. ابدأ العمل مع الليف بعد تحريره من جميع المعدات بما في ذلك الأسطوانة.

ضع شريحة مجهرية زجاجية مقطوعة على شكل حرف U بالقرب من المستدق في الليف البصري. بعد ذلك، ضع الليف على الشريحة بحيث يكون المستدق متمركزاً على حرف U. حافظ على شد الليف وضع الغراء في منطقة تداخل الليف والشريحة لتثبيت الليف في مكانه. في هذه المرحلة، استعد لربط الضوء بالكرة الدقيقة باستخدام الليف المستدق.

للقيام بذلك، استخدم منصات نقل منفصلة لكل من الكرة الدقيقة والألياف المستدقة. قم بتثبيت الحامل الذي يتخذ شكل حرف T مع الكرة الدقيقة على منصة مزودة بمشغلات كهرضغطية، بحيث تكون الكرة الدقيقة موجهة للأعلى. وعلى منصة النقل الأخرى، ثبت الشريحة الزجاجية بحيث تكون الألياف موجهة بشكل عمودي على ساق ألياف الكرة الدقيقة.

استخدم كابل ألياف منتهي الطرف لتوصيل أحد طرفي الليف المستدق بليزر ديود قابل للضبط. وصِل الطرف الآخر بكاشف ثنائي ضوئي من زرنيخيد الغاليوم والإنديوم. الآن، ضع كلاً من مرحلتي الإزاحة أسفل أنبوبة المجهر التي ستُستخدم لمراقبة الفجوة بين الكرة المجهرية والليف المستدق.

يجب وضع كل منهما بحيث يكون مستدق الألياف والكرة المجهرية ضمن نطاق حركة مراحل الإزاحة. بالإضافة إلى ذلك، ضع مرآة بزاوية 45 درجة بالنسبة لأنبوب المجهر لمراقبة الموضع الرأسي للمستدق. قم بتحديد موضع الكرة المجهرية باستخدام مرحلة الإزاحة الخاصة بها وبالاستعانة بالتغذية الراجعة من أنبوب المجهر.

الهدف هو جعل خط استواء الكرة الدقيقة في حالة تلامس مع المستدق. بمجرد إتمام ذلك، قم بتشغيل ليزر الموجة المستمرة ومراقبة طيف النفاذية على جهاز راسم الإشارة. قم بضبط الليزر حتى تظهر في الطيف انخفاضات ذات شكل لورنتز ناتجة عن الرنين.

قم بقياس عرض خطوط الرنين واحسب عامل الجودة. استكمل التجربة من خلال استكشاف كفاءة الاقتران كدالة للفجوة بين المستدق والكرة. يعد الاقتران الليفي أمراً بالغ الأهمية من أجل إيجاد رنين جيد لتحفيز التأثيرات غير الخطية.

يكون الرنين الجيد ضيقاً، وذو تباين عالٍ عند القدرة المنخفضة. قم بتجهيز الإعدادات لتحقيق تشتت رامان المحفز. يدخل الضوء من ليزر ديود قابل للضبط يعمل عند 15,015 نانومتر إلى الألياف المستدقة.

بعد الليزر، يوجد مضخم ألياف مطعم بالإربيوم لتعزيز قدرة الليزر لتحقيق تأثير غير خطي. يليه مخمد، ثم مستقطب ألياف مدمج. ثم يمر الضوء عبر المستدق، المرتبط بكرة مجهرية.

بعد المرور بالكرة المجهرية، يوجد مقسم بقدرة 3 ديسيبل-ملي واط. يذهب أحد مخرجي المقسم إلى محلل طيف بصري، بينما يذهب الآخر إلى كاشف ضوئي متصل بجهاز رسم تذبذبي.

قم بضبط الليزر من الترددات العالية إلى المنخفضة لتحقيق القفل الحراري الذاتي. لاحظ على راسم oscilloscope رنيناً يكون فيه الانزياح الحراري قابلاً للمقارنة مع سرعة مسح الطول الموجي. سيتسع الرنين عند تحقيق القفل الحراري الذاتي.

تحقق من قدرة الإخراج المنقولة إلى محلل الطيف البصري. قم بتعديل الموهن لزيادة القدرة حتى يظهر خط ليزر رامان. ينزاح خط ليزر رامان عن الطول الموجي للمضخة بمقدار 13.5 terahertz تقريبًا.

هذا قياس من كرة مجهرية بقطر 50 ميكرومتر يتم ضخها عند حوالي 1,547 نانومتر. وعلى كلا جانبي طول موجة الضخ، يوجد خطان لخلط الموجات الأربعة يبعدان حوالي 13 نانومتر. وهناك خطان لتشتت رامان المحفز عند حوالي 1,610 و 1,710 نانومتر.

أعطت قياسات كرة قطرها 98 نانومتر نتائج مماثلة. وفي هذه الحالة، تقع ذروة المضخة عند 1,551 نانومتر. ويتركز خط تشتت رامان المحفز عند 1,646 نانومتر.

يتمركز خط تشتت رامان المضاد للستوكس المستحث عند حوالي 1,452 نانومتر. وتنشأ الخطوط المتماثلة القريبة من خط تشتت رامان المضاد للستوكس من خلط الموجات الأربع المتدهورة. كما يتمركز مخروط رامان عند 1,666 نانومتر.

يوفر هذا الطيف الناتج عن كرة مجهرية بقطر 40-micrometer دليلاً على تعزيز مضاد ستوكس المحفز عندما يكون ترددها رنينياً مع نمط التجويف ومتوافقاً طورياً مع المضخة وإشارة ستوكس المحفزة. تردد المضخة هو 1, 540 nanometers، وخط ستوكس عند 1, 630 nanometers، وخط مضاد ستوكس عند 1, 460 nanometers. أما هذا الطيف الناتج عن كرة مجهرية بقطر 65-micrometer، فإن نسبة تشتت مضاد ستوكس المحفز إلى تشتت ستوكس المحفز فيه تقترب من الواحد.

يتم تمركز تردد المضخة عند 1, 572 nanometers، وخط ستوكس عند 1, 640 nanometers، وخط مضاد ستوكس عند 1, 490 nanometers. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يتوفر لديك فهم جيد لكيفية تصنيع الكرات المجهرية من السيليكا ذات عامل الجودة العالي (high-Q silica microsphere)، وكيفية سحب مستدق ليفي (fiber taper)، وكيفية اقران الضوء بكفاءة في المرنان المجهري لدراسة التفاعلات الأساسية بين الضوء والمادة. وتعد الكرات المجهرية الكهربائية منصات فوتونية تلعب دوراً بالغ الأهمية في البصريات الحديثة.

يمكن استغلالها في تحويل الترددات غير الخطية للموجات المستمرة (CW) نظراً لقدرتها على حصر الضوء لفترات زمنية طويلة في أحجام صغيرة جداً. كما يمكن توظيف تقنيات الرنانات الدقيقة (microresonator) التي تم إثبات فعاليتها في مجال الاستشعار الحيوي بشكل فعال. وتحقق مجموعتنا نتائج ممتازة في هذا المجال.