微球型回音壁模式谐振腔中的受激斯托克斯与反斯托克斯拉曼散射

本实验的总体目标是利用二氧化硅微球型回音壁模式谐振器产生新的光学频率，应用于从紧凑型激光源到生化传感的各类光学与光子学领域。在回音壁模式微谐振器中，光可凭借独特的强空间限制与长腔寿命组合进行导引。低损耗特性确保了高品质因子。

这类谐振器非常适用于非线性光学相互作用。特别是，二氧化硅微球在作为连续波、窄线宽、可调谐紧凑型光源的频率发生器方面具有巨大潜力。采用熔融技术制备微球的优势在于可实现较低的散射损耗，从而获得极高的品质因数。

我们使用自制的锥形光纤将光耦合到微球中。由于耦合效率高且腔内增强因子大，仅需较低的连续波泵浦功率即可激发非线性克尔效应。锥形光纤的制备过程将由本实验室技术人员Franco Cosi演示。

要制备微球，首先准备一段可用的光纤。收集使用单模石英光纤制备微球所需的设备，包括光纤、丙酮、光纤涂覆层剥离器和光纤切割刀。

此外，准备好熔接机。使用剥线钳从光纤末端去除约 1-2 厘米的丙烯酸涂层。随后用干净的擦拭纸和丙酮清洁已剥除涂层的部分。

将光纤末端放入光纤切割刀中，进行切割以分离已剥除涂覆层的部分。从切割刀中取出已切割的光纤。将光纤端面移至熔接机。

在此处根据制造商的说明放置光纤并固定。合上盖子，检查电弧功率和电弧持续时间是否正确，然后启动电弧。在显示屏上监控进度。

当电弧熔化玻璃时，由于表面张力的作用，光纤将开始形成球形。当球形初现时，停止放电并打开盖子。取出夹具中的光纤，将其旋转90度以保持球形结构，然后再次固定光纤。

关闭盖子并重新启动电弧。在5到10分钟内至少进行三次90度旋转，可制备出直径约160微米的微球。取出微球及其光纤柄时，应准备将其储存或在一天内使用。

这种T形支架可安装在平移台，用于光耦合实验。支架中部设有通道，用于容纳微球的光纤柄。将微球残留的光纤柄末端放入通道中，使微球位于支架上方且无任何遮挡。

用透明胶带固定光纤茎部。现在开始制作锥形光纤，以将光耦合到微球中。此过程需要使用一种能够缓慢将光纤两端拉开的装置。

取一段单模石英光纤，确定其中点位置。使用光纤涂覆层剥离工具去除该点周围约 3-4 厘米的涂覆层。完成此步骤后，将一个氧化铝圆筒套在已去涂覆层的光纤部分，用作加热炉。

接下来，使用裸光纤端接器将光纤的一端连接至可发射635纳米波长的激光器。将光纤的另一端连接至功率计。光纤就位后，调节氧-丁烷火焰，使氧化铝圆筒加热至接近二氧化硅熔点的温度，约为2,100摄氏度。

启动光纤拉锥仪，使两端缓慢相互分离。打开635纳米激光器，同时使用功率计监测光纤中透射的光功率。数值的变化反映了拉锥过程的进行。

此时，停止拉伸光纤并熄灭火焰。偶尔将光纤从功率计输入端取下，将光纤输出端投射到光束卡上，以检查在拉锥过程中是否保持均匀的圆形光斑。在光纤从包括圆柱体在内的所有设备中取出后，再进行后续操作。

将一块切割成U形的玻璃载玻片置于光纤锥形区域附近。接着，将光纤放置在载玻片上，使锥形部分位于U形中心。保持光纤张紧，并在光纤与载玻片重叠处涂抹胶水以固定光纤。此时，准备通过锥形光纤将光耦合至微球中。

为此，将微球和锥形光纤分别置于独立的平移阶段。在带有压电致动器的平移台上，安装带有微球的T形支架，使微球朝上。在另一个平移台上，安装带有光纤的玻璃载片，并使光纤方向与微球光纤茎部垂直。

使用带终端的光纤电缆将锥形光纤的一端连接到可调谐二极管激光器，另一端连接到铟镓砷化光电二极管探测器。然后，将两个平移台置于用于观察微球与锥形光纤间隙的显微镜管下方。

将两者放置在光纤锥形区和微球均处于平移台移动范围内的位置。此外，在显微镜镜筒成45度角处放置一面镜子，以监测锥形区的垂直位置。利用微球的平移台及显微镜镜筒的反馈信号来调整微球的位置。

目标是使微球的赤道与锥形光纤接触。完成此操作后，打开连续波激光器，并在示波器上监测透射光谱。调节激光器，直至光谱中出现由共振引起的洛伦兹线型凹陷峰。

测量共振谱线宽度并计算品质因子。通过探究锥形光纤与微球之间不同间隙下的耦合效率，继续开展实验。光纤耦合至关重要，以寻找良好的共振从而激发非线性效应。

良好的共振峰较窄，在低功率下具有高对比度。搭建实验装置以实现受激拉曼散射。波长为15,015纳米的可调谐二极管激光器发出的光进入锥形光纤。

激光器之后是一个掺铒光纤放大器，用于增强激光功率以实现非线性效应。接着是一个衰减器，然后是一个串联光纤偏振器。光随后通过一个锥形光纤，该光纤与一个微球体相耦合。

微球通过后，连接一个3分贝毫瓦的分路器。分路器的一个输出端连接至光谱分析仪，另一个输出端连接至示波器上的光电探测器。

将激光器从高频率向低频率调节，以实现热自锁。在示波器上观察到一个共振峰，其热漂移速度与波长扫描速度相当。当实现热自锁时，共振峰会变宽。

检查传输到光谱分析仪中的输出功率。调节衰减器以逐步增加功率，直至拉曼激光谱线出现。拉曼激光谱线相对于泵浦波长的失谐频率约为13.5太赫兹。

这是对直径为50微米的微球在约1,547纳米波长泵浦下进行测量的结果。在泵浦波长两侧，分别存在两条距离约13纳米的四波混频谱线。两条受激拉曼散射谱线位于约1,610纳米和1,710纳米处。

对98纳米微球的测量得到了类似结果。在此情况下，泵浦峰位于1,551纳米处，受激拉曼散射谱线中心位于1,646纳米。

受激反斯托克斯拉曼散射谱线中心位于约1,452纳米处。在受激反斯托克斯谱线附近的对称谱线来源于简并四波混频。一个拉曼锥的中心位于1,666纳米处。

该光谱来自直径为40微米的微球，当频率与腔模共振且与泵浦光及受激拉曼信号相位匹配时，可提供受激反斯托克斯增强的证据。泵浦光频率为1,540纳米，斯托克斯线位于1,630纳米，反斯托克斯线位于1,460纳米。该光谱来自一个65微米的微球，其受激反斯托克斯与受激拉曼散射的强度比接近于1。

泵浦频率中心位于1,572纳米，斯托克斯线位于1,640纳米，反斯托克斯线位于1,490纳米。观看本视频后，您应能够充分理解如何制备高Q值石英微球、如何拉制光纤锥以及如何高效地将光耦合进入微谐振腔，以研究基本的光与物质相互作用。电介质微球是一种光子学平台，在现代光学中发挥着极为重要的作用。

由于能够在极小体积内长时间限制光，它们可用于连续波非线性频率转换。已实现的微谐振器技术也可有效应用于生物传感。我组在此领域正取得优异成果。