Estimulada Stokes y Antistokes Raman Scattering en microesférico Whispering Gallery Mode resonadores

El objetivo general de este procedimiento es generar nuevas frecuencias ópticas utilizando resonadores microesféricos de sílice en modo de galería de susurros para aplicaciones ópticas y fotónicas que van desde fuentes láser compactas hasta sensores bioquímicos. En los microresonadores de modo de galería de susurros, la luz puede guiarse con una combinación única de fuerte confinamiento espacial y larga duración del campo en la cavidad. Las bajas pérdidas garantizan factores de calidad elevados.

Dichos resonadores son idealmente adecuados para interacciones ópticas no lineales. En particular, las microesferas de sílice muestran un gran potencial como generadores de frecuencia para fuentes continuas, compactas, de ancho de línea estrecho y sintonizables. El interés por utilizar técnicas de fusión para la fabricación de la microesfera eléctrica se basa en que pueden lograrse bajas pérdidas por dispersión y, en consecuencia, factores de calidad muy elevados.

Utilizamos una fibra cónica casera para acoplar la luz en las microesferas. El alto rendimiento de acoplamiento y el elevado factor de acumulación en la cavidad pueden inducir efectos no lineales de Kerr con baja potencia de bombeo en onda continua. El procedimiento de elaboración de la fibra cónica será demostrado por Franco Cosi, un técnico de nuestro laboratorio.

Para crear una microesfera, primero obtenga un tramo de fibra con el que trabajar. Reúna el equipo necesario para fabricar una microesfera utilizando fibra de sílice monomodo. Esto incluye la fibra, acetona, un decapador óptico de revestimientos y una cortadora de fibra.

Además, tenga listo un fusionador. Utilice el pelador para eliminar aproximadamente de 1 a 2 centímetros del recubrimiento acrílico del extremo de la fibra. A continuación, limpie la parte pelada con una toallita limpia y acetona.

Coloque el extremo de la fibra en el cortador de fibra y córtela para aislar la porción pelada. Recojer la fibra cortada del cortador. Mueva la punta de la fibra hacia la empalmadora por fusión.

Allí, coloque la fibra y sujétela en su lugar según las instrucciones del fabricante. Cierre la tapa, verifique que la potencia del arco y la duración del arco sean correctas, luego inicie el arco. Supervise el progreso en la pantalla.

A medida que el arco derrite el vidrio, la forma de la fibra comenzará a adoptar una esfera debido a la tensión superficial. Cuando la esfera comience a tomar forma, detenga el arco y abra la cubierta. Acceda a la fibra en el soporte, gírela 90 grados para preservar la forma esférica y luego asegure nuevamente la fibra en su lugar.

Cierre la tapa y reinicie el arco. Realizar al menos tres rotaciones de 90 grados durante cinco a 10 minutos producirá una microesfera de aproximadamente 160 micrómetros. Al retirar la microesfera y su vástago de fibra, prepárese para almacenarla o utilizarla dentro de un día.

Este soporte en forma de t puede montarse en una etapa de traslación para su uso en experimentos de acoplamiento de luz. Tiene un canal a lo largo de su parte central para el vástago de fibra de la microesfera. Coloque el extremo residual del vástago de la microesfera en el canal de manera que la microesfera quede sin obstáculos por encima del soporte.

Fije el tallo con cinta transparente. Ahora, comience a crear una fibra cónica para acoplar la luz en la microesfera. Esto requerirá un dispositivo que pueda separar lentamente los extremos de la fibra.

Comience con un tramo de fibra de sílice de modo único e identifique su punto medio. Utilice el decapante óptico de recubrimiento para eliminar aproximadamente de 3 a 4 centímetros del recubrimiento alrededor de este punto. Una vez hecho esto, deslice un cilindro de alúmina sobre la porción pelada de la fibra para que sirva como horno.

A continuación, utilice un terminador de fibra desnuda para conectar un extremo de la fibra a un láser capaz de operar a 635 nanómetros. Conecte el otro extremo de la fibra a un medidor de potencia. Una vez que la fibra esté en su lugar, disponga una llama de oxígeno-butano para calentar el cilindro de alúmina hasta una temperatura cercana al punto de fusión de la sílice, de aproximadamente 2.100 grados Celsius.

Inicie el estirador de fibras para que mueva lentamente los dos extremos uno alejándose del otro. Con el láser de 635 nanómetros encendido, supervise la potencia transmitida a través de la fibra mediante el medidor de potencia. Los valores cambiantes reflejan el estiramiento en curso.

En este momento, detenga el estiramiento de la fibra y apague la llama. De vez en cuando, retire la fibra de la entrada del medidor de potencia para proyectar la salida de la fibra sobre una tarjeta de haz y verificar que se mantenga un punto circular homogéneo durante el proceso de afinamiento. Trabaje con la fibra después de que haya sido liberada de todo equipo, incluido el cilindro.

Coloque un portaobjetos de microscopio de vidrio cortado en forma de U cerca del estrechamiento de la fibra. A continuación, coloque la fibra sobre el portaobjetos con el estrechamiento centrado en la U. Mantenga la fibra tensa y aplique pegamento donde la fibra y el portaobjetos se superponen para sujetar la fibra en su lugar. En este punto, prepárese para acoplar la luz en la microesfera mediante la fibra estrechada.

Para hacer esto, utilice etapas de traslación separadas para la microesfera y la fibra cónica. En una etapa con actuadores piezoeléctricos, monte el soporte en forma de T con la microesfera de manera que la microesfera apunte hacia arriba. En la otra etapa de traslación, monte la lámina de vidrio con la fibra orientada perpendicularmente al vástago de la fibra de la microesfera.

Utilice un cable de fibra terminado para conectar un extremo de la fibra cónica a un láser de diodo sintonizable. Conecte el otro extremo a un detector fotodiodo de arseniuro de indio-galio. Ahora, coloque ambas etapas de traslación debajo del tubo del microscopio que se utilizará para observar el espacio entre la microesfera y la punta cónica.

Los dos deben colocarse de manera que el estrechamiento de la fibra y la microesfera queden dentro del rango de desplazamiento de las etapas de traslación. Además, coloque un espejo a 45 grados con respecto al tubo del microscopio para monitorear la posición vertical del estrechamiento. Posicione la microesfera utilizando la etapa de traslación y la retroalimentación del tubo del microscopio.

El objetivo consiste en tener el ecuador de la microesfera en contacto con el tiralíneas. Una vez logrado esto, encienda el láser de onda continua y supervise el espectro de transmisión en un osciloscopio. Ajuste el láser hasta que aparezcan en el espectro depresiones con forma lorentziana debidas a resonancias.

Mida los anchos de línea de resonancia y calcule el factor de calidad. Continúe el experimento explorando la eficiencia de acoplamiento en función del espacio entre el tiralíneas y la esfera. El acoplamiento de fibra es crucial para encontrar una buena resonancia que desencadene efectos no lineales.

Una buena resonancia es estrecha y presenta alto contraste a baja potencia. Prepare el montaje para realizar dispersión Raman estimulada. La luz de un láser de diodo sintonizable que opera a 15,015 nanómetros entra en la fibra cónica.

Después del láser, hay un amplificador de fibra dopada con erbio para aumentar la potencia del láser y lograr el efecto no lineal. A continuación, hay un atenuador y luego, un polarizador de fibra en línea. La luz pasa entonces por el estrechamiento, que está acoplado a una microesfera.

Después de pasar el microesfera, hay un divisor de 3 decibelios-milivatios. Una salida del divisor va a un analizador de espectro óptico. La otra va a un fotodetector conectado a un osciloscopio.

Ajuste el láser de frecuencias altas a bajas para lograr el bloqueo térmico automático. En el osciloscopio, observe una resonancia cuya deriva térmica sea comparable a la velocidad de barrido de longitud de onda. La resonancia se ensanchará cuando se logre el bloqueo térmico automático.

Verifique la potencia de salida transmitida al analizador de espectro óptico. Manipule el atenuador para aumentar la potencia hasta que aparezca la línea láser Raman. La línea láser Raman está desintonizada desde la longitud de onda del bombeo en aproximadamente 13,5 terahercios.

Esta es una medición realizada a partir de una microesfera de 50 micrómetros de diámetro bombeada a aproximadamente 1.547 nanómetros. A ambos lados de la longitud de onda de bombeo, hay dos líneas de mezcla de cuatro ondas situadas a unos 13 nanómetros de distancia. Dos líneas de dispersión Raman estimulada se encuentran a aproximadamente 1.610 y 1.710 nanómetros.

Las mediciones de una esfera de 98 nanómetros produjeron resultados similares. En este caso, el pico de bombeo se encuentra a 1.551 nanómetros. La línea de dispersión estimulada de Raman está centrada a 1.646 nanómetros.

La línea estimulada de dispersión Raman antistokes está centrada aproximadamente a 1.452 nanómetros. Las líneas simétricas cercanas a la línea antistokes estimulada provienen de la mezcla degenerada de cuatro ondas. Un cono Raman está centrado a 1.666 nanómetros.

Este espectro proveniente de una microesfera de 40 micrómetros de diámetro proporciona evidencia de una mejora estimulada en la línea antistokes cuando su frecuencia es resonante con el modo de la cavidad y está sincronizada en fase con la señal de bombeo y la señal estimulada de stokes. La frecuencia de bombeo es de 1.540 nanómetros, la línea de stokes se encuentra a 1.630 nanómetros y la línea antistokes está a 1.460 nanómetros. Este espectro proveniente de una microesfera de 65 micrómetros presenta una relación entre dispersión antistokes estimulada y dispersión stokes estimulada cercana a uno.

La frecuencia de bombeo está centrada en 1.572 nanómetros, la línea de Stokes en 1.640 nanómetros y la línea anti-Stokes en 1.490 nanómetros. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo fabricar microesferas de sílice de alto factor de calidad (Q), cómo elaborar una punta de fibra estrechada y cómo acoplar eficientemente la luz al microresonador para estudiar interacciones fundamentales entre luz y materia. Las microesferas dieléctricas son plataformas fotónicas que desempeñan un papel extremadamente importante en la óptica moderna.

Pueden aprovecharse para la conversión de frecuencia no lineal en onda continua debido a su capacidad para confinar la luz durante largos períodos de tiempo en volúmenes muy pequeños. Las tecnologías de microresonadores que se han demostrado también pueden aprovecharse eficazmente para biosensores. Nuestro grupo está obteniendo excelentes resultados en este campo.