Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Erzeugung optischer Frequenzkämme unter Verwendung des Whispering Gallery-Modus, Scheibenresonatoren für Mikrowellenphotonik-Anwendungen. Der erste Schritt besteht darin, den Rand einer kristallinen Scheibe zu schleifen und zu polieren, bis die Skala ihrer Oberflächenrauheit unter Nanometer liegt. Der zweite Schritt besteht darin, diese Oberflächenrauheit mit dem AAU-Interferometermikroskop zu messen.

Als nächstes wird eine Singlemode-Glasfaser gezogen, während sie mit der Lötlampe erhitzt wird, um eine konische Faser mit einem Durchmesser im Mikrometermaßstab zu erhalten. Der letzte Schritt besteht darin, mit dem Taper Laserlicht in den Scheibenresonator einzukoppeln und einen Flüstergaleriemodus anzuregen, dessen Round-Trip-Lichtweg einer ganzzahligen Anzahl von internen Totalreflexionen entspricht. Letztendlich wird die Pumpleistung erhöht und andere Flüstergalerie-Modi werden über die Pflegenichtlinearität angeregt.

Dies führt zu kurzen Pulsen im temporalen Bereich und einem Frequenzkamm im Frequenzbereich. Der Test bei der Verwendung eines mechanisch polierten kristallisierten Scheibenators besteht darin, dass es möglich ist, eine sehr hohe Oberflächenqualität mit einer geringen internen Absorption zu erreichen. Die Oberflächenbeschaffenheit kann mit einem kundenspezifischen optischen Profilometer genau angegeben werden, und der zugehörige C-Faktor verwendet die Cavi-Methoden, um das Licht in die Scheibenursachen zu bringen.

Wir verwenden Fasern, die in unserem Labor hergestellt werden. Im Gegensatz zu anderen Methoden. Typfasern bieten die sehr hohe Kopplungseffizienz, die erforderlich ist, um nichtlineare Effekte auszulösen.

Bei geringer Pumpleistung induziert die Pflegenichtlinearität neue Frequenzen als ausreichend hohe Laserleistung, die zu einer optischen Frequenzsäule führt. Für phasenkorrelierte Frequenzen kann eine zuverlässige Mikrowelle erzeugt werden, die wir für Photonix-Anwendungen verwenden. Der erste Schritt in diesem Protokoll besteht darin, einen Resonator zu erzeugen.

Beginnen Sie mit kristallinem Magnesiumfluorid oder Calciumfluorid für optische Fenster. Hier kommt eine Scheibe mit Calciumfluorid mit einem Durchmesser von sechs Millimetern zum Einsatz. Der Kristall wird auf einem Polierturm geformt und poliert, wie er speziell für dieses Experiment angefertigt wurde.

Die Proben in diesem Polierturm werden an einem Stab befestigt, der vom Kleber des Spindelmotors gehalten wird, das Ende des Stabes an der Mitte des kristallinen optischen Fensters, und der Stab wird in den Spindelmotor eingebaut. Decken Sie als Nächstes eine V-förmige Metallführung mit einem Polierstützpad ab, das für den verwendeten Kristall geeignet ist. Nehmen Sie eine vorbereitete Mischung aus einem Schleifpulver, wie Diamant oder Siliziumkarbid mit einer Partikelgröße von 10 Mikrometern und Wasser und gießen Sie es über das Pad in der Führung.

Beginnen Sie die Drehung des Kristalls bei etwa 5.000 U/min und bewegen Sie die Führung in Richtung des rotierenden Kristalls, um ihn bei 20 Gramm zu schleifen. Druck Mahlen Sie weiter, bis der Kristall eine konvexe Form hat, wie in diesem computergenerierten Bild. Dies kann je nach Material zwischen zwei und vier Stunden dauern.

Nach der Formgebung des Kristalls folgt der weitere Schritt des weiteren Schleifens und Polierens. Durch die Verwendung von immer kleineren Schleifpartikeln, die mit Wasser in der Führung vermischt werden, dauert der gesamte Prozess vier bis acht Stunden. Während des Schleifens und Polierens ist es wichtig, eine Rückmeldung über den Zustand der Oberfläche zu erhalten.

Wenn der Kristall undurchsichtig ist, verwenden Sie zunächst ein optisches Mikroskop zur visuellen Inspektion. Die Oberfläche soll fehlerfrei bleiben mit Rauheit auf der Skala der Schleifkorngröße. Später, nach erfolgreichem Polieren mit Ein-Mikrometer-Partikeln, wird der Kristall transparent und die optische Politur wurde in späteren Stadien mit kleineren Schleifmitteln erreicht, interferometrische Messungen sind erforderlich, um die Oberfläche zu charakterisieren.

Verwenden Sie ein Mikroskop, das mit dem Moralinterferometer-Objektiv ausgestattet ist, um Oberflächenhöhenvariationen qualitativ über die beobachteten Interferenzmuster im Moralobjektiv zu untersuchen. Die Hälfte des einfallenden Lichts wird auf die Oberfläche der Scheibe gelenkt, die andere Hälfte wird von einem Spiegel reflektiert. Das von der Scheibe reflektierte Licht und das Licht des Spiegels erzeugen ein Interferenzmuster, das zur Charakterisierung der Scheibenoberfläche verwendet wird.

Dieses interferometrische Bild stammt von einer Oberfläche, die mit einem Mikrometer-Pulver poliert wurde. Er weist erhebliche Höhenunterschiede auf. Dieses Bild stammt von einer Oberfläche, die mit 100 Nanometer Pulver poliert wurde.

Es deutet auf eine viel glattere Oberfläche hin. Für eine detailliertere Charakterisierung verwenden Sie eine computergesteuerte Messung der Höhenvariationen der Oberfläche in einem kleinen Bereich. Dieses Bild wurde in etwa einer Stunde fertiggestellt und umfasst etwa 0,25 Quadratmillimeter

Das Schleifen und Polieren sollte so lange fortgesetzt werden, bis die interferometrischen Daten darauf hindeuten, dass die Oberfläche so glatt wie möglich ist. Um Licht an die Scheibe zu koppeln. In einer optischen Faser wird eine Verjüngung eingezeichnet.

Beim Ziehen des Kegels wird der Faserdurchmesser im Kegel von 125 Mikrometern auf einen Mikrometer reduziert. Moden höherer Ordnung werden progressiv angeregt und stören sich gegenseitig. Ein kritischer Punkt ist erreicht.

Wenn diese Moden höherer Ordnung ausgestoßen werden, bleibt nur eine Mode geführt, und ihr evaneszierendes Feld kann verwendet werden, um Licht in die Scheibe einzukoppeln, um die optische Faser für die Kopplung an den Resonator zu erzeugen. Beginnen Sie mit etwa einem Meter Singlemode-Silica-Faser. Spleißen Sie die blanke Faser auf jeder Seite mit FC-Anschlüssen.

Entfernen Sie etwa fünf Zentimeter der Kunststoff- und Polymerbeschichtung vom Mittelteil einer Singlemode-Siliziumdioxidfaser. Verbinden Sie dann ein Ende der Faser mit einer kontinuierlichen Laserquelle im nahen Infrarot und das andere mit einer Fotodiode. Dies ermöglicht eine Überwachung der Faser.

Befestigen Sie als Nächstes einen beschichteten Teil auf beiden Seiten des abisolierten Bereichs der Faser an einem computergesteuerten hochauflösenden Motor. Die Motoren sollten computergesteuert und so konfiguriert sein, dass sie die Enden mit einer konstanten Beschleunigung in entgegengesetzte Richtungen ziehen. Erhitzen Sie nun den unbeschichteten Teil der Faser mit einer Lötlampe für etwa eine Minute.

Die Flammen sollten sanft sein, um eine Beschädigung der sich entwickelnden Verjüngung zu vermeiden. Nachdem Sie eine Minute lang noch eine Flamme angelegt haben, verwenden Sie eine Computerschnittstelle der Motoren, um jeden von ihnen mit einer konstanten Beschleunigung von etwa fünf Mikrometern pro Quadrat in Bewegung zu setzen. Zweitens, sobald die Zeichnung begonnen hat, überwachen Sie die Übertragung der Verjüngung mit der Laserquelle und der Fotodiode.

IOD-Interferenzmuster treten während des Prozesses auf, nehmen an Häufigkeit zu und verschwinden dann bei einem Abfalldurchmesser von etwa einem Mikrometer. Stoppen Sie an diesem Punkt sowohl die Motorbewegung als auch die Flamme sofort, um das Licht an den Resonator zu koppeln und die Agan-Moden des Hohlraums zu messen. Resonator und Faserkegel müssen unter dem Mikroskop nahe beieinander gebracht werden.

Befestigen Sie den Resonator auf einem dreiachsigen PAO-gesteuerten Translationstisch in der Nähe des Faserkegels, während Sie das Mikroskop verwenden, um die relative Position des Resonators und des Faserkegels zu überwachen. Bewegen Sie den Resonator in einen Abstand von weniger als einem Mikrometer vom Taper. Verwenden Sie einen Spiegel, um die vertikale Positionierung und den Neigungswinkel zu unterstützen, um die Kopplung der Faser und des Resonators zu testen.

Verbinden Sie die konische Faser mit einer sichtbaren Laserdiode. Wenn die Kopplung effizient ist, sollte der Resonator beleuchtet sein. Sobald eine effiziente Kopplung erreicht ist, ersetzen Sie die sichtbare Laserdiode durch einen modensprungfreien Laser, der schmaler ausgerichtet ist als die der Resonanz.

Das andere Ende des Tapers sollte in eine Fotodiode eingegeben werden, die mit einem Oszilloskop verbunden ist. Wenn Licht in den Hohlraum eindringt, nimmt seine Intensität mit der Zeit exponentiell ab. Die charakteristische Abklingzeit wird als Photonenlebensdauer bezeichnet.

Ein wichtiges Maß für die Energiespeicherkapazität des Resonators ist der Qualitätsfaktor, der als Produkt aus der Photonenlebensdauer und der Photonenwinkelfrequenz definiert ist. Eine genaue Messung des Qualitätsfaktors kann mit dem Kavitätenring-Down-Experiment durchgeführt werden, um es durchzuführen. Schwenken Sie den Eingangslaser schnell genug durch die Wellenlängen, um Interferenzen zwischen dem in der Kammer zerfallenden Resonanzlicht und dem verstimmten Licht aus einem späteren Zeitpunkt zu verursachen.

Passen Sie dann die Position des Resonators und der Verjüngung an, um den Kopplungsqualitätsfaktor zu maximieren. Anhand der Oszilloskop-Kurve wird der Qualitätsfaktor durch Anpassung der gemessenen Kurve ermittelt. Nichtlineare Effekte können durch das Einsetzen eines optischen Verstärkers zwischen dem abstimmbaren Laser und dem Resonator beobachtet werden.

Stimmen Sie den Laser mit der Fotodioden-Oszilloskop-Spur für das Feedback auf eine Eingangswellenlänge ab, die nahe der Resonanz liegt. Verbinden Sie an dieser Stelle die Ausgangsfaser mit einem hochauflösenden optischen Spektrumanalysator. Erhöhen Sie die Eingangsleistung des Lasers, während Sie die Wellenlänge der Pumpe leicht verstimmen.

Neue Frequenzen werden auf jeder Seite der Pumpenspitze angezeigt. Dies ist ein optischer Frequenzkamm für die Pflege. In diesem Diagramm der Transmission über die Zeit wurde die Spur in Blau mit der Hohlraumring-Down-Technik an einem Flüstergalerie-Resonator gefunden, der aus Kalziumfluorid hergestellt wurde.

Bei den Methoden dieses Protokolls ist die rote Kurve die angepasste Kurve, aus der ein intrinsischer Qualitätsfaktor von 1,5 mal 10 bis zur Neun bestimmt werden kann. Diese Daten zeigen die Sorgfalt des optischen Frequenzkamms, der für einen Flüstergalerie-Resonator erhalten wurde. Die Zentralfrequenz ist die des Eingangslasers, etwa 193,3 Terahertz.

Die anderen Spektrallinien werden durch die nichtlinearen Wechselwirkungen im Resonator erzeugt. Die Frequenz zwischen den einzelnen Spektrallinien beträgt sechs Gigahertz, was dem freien Spektralbereich des Resonators entspricht. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man den Ultra-HighQ-Flüstergaleriemodus und Resonatoren herstellt, wie man sie mit einer konischen Faser an die Laserpumpe koppelt und wie man eine optische Frequenzkomposition erzeugt.

Diese Methoden ermöglichen die Untersuchung der fundamentalen Licht-Materie-Wechselwirkungen, die durch stark begrenzte Laserfelder in nichtlinearen Medien induziert werden, und ermöglichen die Erforschung einer Vielzahl technologischer Anwendungen. Vergessen Sie nicht, Vorsichtsmaßnahmen wie Masken, Klebstoffe und zertifizierte Laserschutzbrillen zu treffen, während Sie diesen Vorgang durchführen.