הדור יעיל של תופעות לא לינאריות הקשורים הרגישות שאינו ליניארי אופטי מסדר שלישי Χ (3) אינטראקציות microspheres סיליקה התהודה פי שלוש מוצגת במאמר זה. האינטראקציות כאן המדווחות הן: מאולץ פיזור ראמאן (SRS), וארבעה תהליכי ערבוב גל כוללים מאולץ אנטי סטוקס פיזור ראמאן (SARS).
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
המאולץ סטוקס Antistokes פיזור ראמאן ב Microspherical Whispering גלרית מצב מההודים
במאמר זה
סיכום
תקציר
microspheres דיאלקטרי יכול להגביל אור וקול למשך פרק זמן בין מצבי גלריה לוחש גורם באיכות גבוהה (WGM). microspheres זכוכית ניתן לחשוב כחנות של אנרגיה עם מגוון עצום של יישומים: מקורות ליזר קומפקטי, חיישנים ביוכימיים רגישות גבוהה ותופעות קויות. פרוטוקול עבור הייצור של שני microspheres ומערכת צימוד הוא נתון. המצמדים המתוארים כאן הם סיבים מחודדים. הדור יעיל של תופעות לא לינאריות הקשורים הרגישות שאינו ליניארי אופטי מסדר שלישי Χ (3) אינטראקציות microspheres סיליקה התהודה פי שלוש מוצגת במאמר זה. האינטראקציות כאן המדווחות הן: מאולץ פיזור ראמאן (SRS), וארבעה תהליכי ערבוב גל כוללים מאולץ אנטי סטוקס פיזור ראמאן (SARS). הוכחת התופעה משופרת החלל ניתנת על ידי מחוסר ההתאמה בין המשאבה, האות ו הבטלן: מצב תהודה צריך להתקיים על מנת להשיג את הזוגשל אות ו בטלן. במקרה של תנודות hyperparametric (ערבוב ארבעה גלים מגורה פיזור אנטי סטוקס ראמאן), המצבים חייב למלא את שימור אנרגיה ותנע, ואחרון אחרון חביב, יש חפיפה מרחבית טובה.
מבוא
תהודת מצב גלריה לוחשת (WGMR) להראות שתי תכונות ייחודיות, חי פוטון ארוכים נפח במצב קטן המאפשרות הפחתת סף התופעות קויות 1-3. מצבי גלריה לוחשים הם מצבים אופטיים מתוחמים בממשק אוויר דיאלקטרי ידי ההשתקפות פנימית מוחלטת. היקף המצב הקטן בשל כליאת מרחבית הגבוהה ואילו הכליאה הזמנית קשורה Q גורמת איכות של החלל. WGMR יכול להיות גיאומטרי שונה ויש טכניקות ייצור שונות מתאימות לקבלת תהודת Q גבוהה 4-6 חללי מתח פנים כגון תערוכת microspheres סיליקה ליד חספוס בקנה מידה אטומי, המתרגמת בגורמים באיכות גבוהות. שני סוגים של כליאה מקטינים את הסף משמעותי תופעות קויות כתוצאה מהצטברות האנרגיה החזקה בתוך WGMR. זה גם מאפשר גל מתמשך אופטיקה לא לינארית (CW).
WGMR ניתן לתאר באמצעות המספרי קוונטי דואר n, l, m ומדינת הקיטוב שלהם, אנלוגיה חזקה עם אטום המימן 7. הסימטריה הכדורית מאפשרת הפרדה רדיאלי תלות זוויתית. הפתרון רדיאלי ניתן על ידי פונקציות Bessel, אלה זוויתי ידי הרמוניות ספריות 8.
זכוכית סיליקה היא centrosymmetric, ולכן תופעות מסדר שני הקשורים Χ (2) אינטראקציות אסורות. על פני השטח של microsphere, ההיפוך של סימטריה שבורה Χ (2) תופעות ניתן לצפות 1. עם זאת, תנאים התאמה שלב עבור דור תדירות מסדר שני הם בעייתיים יותר המקבילה בדור תדירות מסדר שלישי, בעיקר בגלל אורכי הגל המעורבים הם די שונים ואת תפקידיו של פיזור יכולים להיות די חשובים. האינטראקציות מהסדר שני חלשות מאוד. סולמות הכח שנוצרו עם Q 3 ואילו לגבי תיrd כדי אינטראקציה המאזניים הכוח שנוצר עם Q 4. 9 מסיבה זו, המוקד של עבודה זו היא הרגישות שאינו ליניארי אופטי מסדר שלישי Χ (3) אינטראקציות כגון מאולצת פיזור ראמאן (SRS) ועורר Antistokes פיזור ראמאן (SARS) , להיות סארס האינטראקציה פחות נחקרה 10,11. צ'אנג 12 ו Campillo 13 חלוץ המחקרים של תופעות לא לינאריות באמצעות טיפות של חומרים בלתי ליניארית כמו WGMR אבל ליזר המשאבה היה פעם במקום CW. Microspheres סיליקה 14,10 ו microtoroids 15 ספקו יותר פלטפורמות יציבות וחזקות לעומת-טיפות מייקרו, צוברים הרבה תשומת הלב בעשורים האחרונים. במיוחד, microspheres סיליקה הוא מאוד קל לפברק להתמודד.
SRS הוא תהליך רווח טהור שיכול להיות מושגת בקלות סיליקה WGMR 14,15, מאז לסף זה מספיק. במקרה זה, circulati הגבוההng עוצמת בתוך WGMR מבטיח lasing ראמאן, אבל עבור תנודות פרמטרית אינו מספיק. במקרים אלה, תנודות יעילות דורשות פאזה התאמתה מצב, אנרגיה בחוק שימור מומנטום חפיפת מרחבית טובה של כל מצבי התהודה להתגשם 16-18. זהו המקרה עבור הסארס FWM בכלל.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
ייצור 1. פקטור ultrahigh של מיקרוסכמות איכות
- להתפשט על 1-2 סנטימטר של סיבי סיליקה יחיד במצב רגיל (SMF) את הציפוי אקרילי שלה באמצעות חשפנית אופטית.
- מנקה את החלק הפשיט עם אצטון ולהעיף אותו.
- הצג את הקצה בקע בזרוע אחת של splicer פיוז'ן לייצר סדרה של פריקות קשת חשמליות באמצעות בקר splicer. בחר "הפעלה ידנית" מתפריט בקר splicer, להגדיר את הערכים עבור רמת כוח קשת קשת משך זמן עד msec 60 ו -800, בהתאמה; בחר "קשת" ולדחוף התחתון "+".
- לאחר כדור יקרום עור וגידים, לעצור, לסובב את הסיבים על-ידי 90 ° וחזור על שלב 1.3.
- חזור על שלב 1.3 לפחות 4 פעמים כדי לקבל microsphere של כ -160 מיקרומטר. חזור 16 פעמים כדי לקבל microsphere של כ 260 מיקרומטר.
הערה: פריקות קשת חשמלי תפיק את טמפרטורת ההתכה הגבוהה הדרושות כדי למזג את זכוכית סיליקה. surfacמתח דואר ימשוך אליפטית מקצה הסיבים המפויס; בגודל של הספירות עומד ביחס ישר למספר יריות קשת, להרוות ב בקוטר של כ -350 מיקרומטר, כפי שניתן לראות באיור 1 19. הסיבוב מבטיח צורה כדורית של המהוד.
2. ציור סיבים Tapered
ההערה: הסיבים המחודדים גם דרושים צימוד אור לתוך microresonators. גודלו של microsphere יקבע את המותניים של להתחדד. לקטרים כדור גדול מ -125 מיקרומטר, הקוטר של להתחדד יכול להיות של כ 3-4 מיקרומטר. עבור קטנים, הקוטר של להתחדד צריך להיות קטן, משהו כמו 1-2 מיקרומטר. על מנת לשמור על פסדים בגובה נמוך יש רק מצב אחד בקטע המחודד (אחד הבסיסי), היצרות צריך להיות adiabatic (מעבר הדרגתי עבה בקוטר דק). האורך הכולל הטיפוסי של הסעיף המחודד adiabatic הוא כ -2 סנטימטרים. Figuבתשובה לשאלה 2 מציגה את מכשיר תוצרת בית עבור משיכת הסיב איור 3A מראה microphoto של אזור המותניים טיפוסי.
- רצועת 3-4 סנטימטר של סיבי סיליקה יחיד במצב רגיל (SMF) את הציפוי אקרילי שלה באמצעות חשפנית אופטית, ולחבר את הסיב מסתיים ליזר (קלט) ו מד כוח (פלט). הקפד כי האזור הפשיט הוא בערך באמצע של הסיבים, לא בקצה אחד. השתמש terminator סיבים חשופים כדי להיות מסוגל להתחבר הסיב מסתיים למונה לייזר וכוח. מניחים את הלייזר ואת מד הכוח על גבי הספסל עבודה.
- מניח את הסיבים הפשיטו בתוך גליל אלומינה קצר, ואת הקצוות המצופים של הסיבים לשני שלבי תרגום כי להניע בו זמנית במהלך התהליך המשייך.
- מחממים את גליל אלומינה (שפועל תנור) על ידי להבה חמצן-בוטאן עד לטמפרטורה קרובה לנקודת ההתכה של סיליקה (כ -2,100 מעלות צלזיוס).
- להסיק את adiabaticity של להתחדד מן observation של העברת אור לייזר הפועלים 635 ננומטר. בדוק במוצא כתם עגול הומוגנית נשמר תוך מתחדדת, המציין כי אין מצב ערבול מתרחש. הפסק למשוך לפרוש את הלהבה כאשר הכוח המועבר מפסיק נדנוד, והוא קבוע לאורך זמן.
- מדביק את הסיבים המחודדים לתוך שקופיות זכוכית מיקרוסקופ בצורה בצורת פרסה כדי להכיל את להתחדד (ראה איור 3B). השתמש שקופיות זכוכית מיקרוסקופ של ממדים 76x26x1.2 מ"מ.
3. ייצור של מיקרוסכמות קטנות
הערה: microspheres הקטן בקטרים מתחת בגודל של סיבי תקן הלבושים דורש התחדדות קודמת של הסיבים. הקוטר המינימלי המתקבל באמצעות שיטה זו הוא כ -25 מיקרומטר.
- על ידי ביצוע הסעיף 2, לצייר סיבים מחודדים, מושך עד שהוא פורץ.
- בצע את כל השלבים של סעיף 1 (ייצור של microspheres UHQ) אבל בשלב 1.3, לשנות את הערכים על שיתוף splicerntroller כדלקמן: כוח קשת 20, משך קשת 1,200 msec.
4. אור זיווגים לתוך Microsphere
הערה: אנו משתמשים להתחדד לזוג אור לתוך microsphere ולמדוד את תהודות microresonator.
- 4.1. כן בעל T בצורת PVC / אלומיניום עם ערוץ באמצע. תקן גזע סיבים שיורית של microsphere עם מעשה-כישוף." ויסקי או דבק נייר לתוך המחזק. קלאמפ בעל עם שני ברגים לתוך במת תרגום עם מפעילי פיזואלקטריים החלטת מיצוב של 20 ננומטר.
- תקן את להתחדד מודבק לשקופית הזכוכית לתוך במת תרגום אחרת עם המטוס שקופית בניצב גזע סיבי microsphere. אחוי את הקצוות של הפתיל על כבלי סיבים הסתיימו. חבר קצה אחד של לייזר דיודה מתכונן והשני כדי גלאי פוטודיודה InGaAs.
- השתמש צינור מיקרוסקופ עם מרחק עבודה ארוך (> 20 מ"מ) לשתףntrol הפער בין להתחדד ו microsphere. על מנת לפקח על המערכת במקום בכיוון ההפוך מראה על 45 מעלות ביחס לכיוון הצינור כך שהמיקום יחסית להתחדד לקו המשווה של microsphere ניתן לשלוט.
- מקם את הקו המשווה של microsphere במגע עם הסיבים המחודדים.
- הפעל את הלייזר ולבדוק את ספקטרום שידור של מערכת microsphere-להתחדד ב אוסצילוסקופ.
- כוון את לייזר CW הפועלים 1,550 ננומטר עד תהודות להופיע. הרזוננסים ניתן לזהות הלורנצי בצורת מטבלים בספקטרום.
- מדוד את linewidth התהודה (מקסימום חצי רוחב מטבל בצורה הלורנצי). חשב את גורם Q כתדר של המשאבה מחולק linewidth תהודה.
- קטן / להגדיל את הפער בין התחום ואת להתחדד, שינוי הוא רוחב התהודה ועומק להגדלה / הפחתת יעילות הצימוד.
- הכנס מגבר סיב מסומם ארביום (EDFA) בין ליזר CW הפועל 1,550 ננומטר ואת המחליש. EDFA עובד בטווח אורכי הגל של 1,530-1,570 ננומטר. הערה: זה יהיה להגביר את כוח הליזר, והגיע כוח תפוקה מקסימלית של 2 תופעות וו קויות צריכים כוחות קלט גבוהים איור 4 מראה סקיצה של ניסוי ההגדרה..
- חבר קצה אחד של להתחדד עם כבלי סיבים פעולתו כדי מפצל 3 dBm. חבר אחד הסיבים פלט ספליטר מנתח הספקטרום האופטי והשנייה לגלאי צילום מחובר האוסילוסקופ.
- Tune הלייזר מהגבוה תדרים נמוכים עד תהודה עם סחיפה תרמית דומה למהירות הגל סריקה של הלייזר מצוי. כאשר התרמית עצמית נעילה 20 מושגת רחבה של התהודה ניתן לראות על אוסצילוסקופ.
- בדוק את הספק המוצא המועבר דרך להתחדדלתוך מנתח ספקטרום אופטי. להגדיל את הכוח עד קו לייזר ראמאן מופיע. הוא detuned מן גל המשאבה בסביבות 13.5 THz.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
גורמי Q של microspheres מפוברקים בעקבות הפרוטוקול שתואר לעיל הם העולה על 10 8 (איור 5) עבור בקטרים גדולים (> 200 מיקרומטר) ואת עולה על 10 6 לקטרים קטנים (<50 מיקרומטר). בניגוד תהודה מעל 95% (קרוב צימוד קריטי) ניתן להבחין בקלות. לקבלת עוצמות במחזור גבוה, תופעות לא לינאריות הבאים באזור אינפרא אדום ניתן לצפות: מגורה פיזור ראמאן (SRS), מדורגת 21 SRS, מגורה פיזור אנטי סטוקס ראמאן (SARS) וארבעה ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
מיקרוסכמות הן מתנדים קויים קומפקטיים ויעילים והם מאוד קלים לפברק להתמודד. סיבי Tapered יכולים לשמש צימוד ומחלץ את האור / מן המהוד. בניגוד תהודה עד 95% וגורמים Q של כ -3 x 10 8 ניתן להשיג.
המגבלה העיקרית של טכניקות ייצור אלה היא ייצור המוני ואינטגרציה. ניקיון של הסיבים הוא קריטי הוא microspheres ו נרות, וכך גם לחות. שני המכשירים חייבים להיות כל הזמן בסביבה יבשה לחיים מעבדה לטווח ארוך. מאוד נרות דקים הם ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים. ד"פ הוא דוקטורנט באוניברסיטת פארמה.
תודות
מוזיאון היסטורי לפיסיקה ומרכז לאמנות
Ente Cassa di Risparmio di Firenze (No. 2014.0770A2202.8861)
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| סיבים אופטיים | קורנינג | SMF28 | |
| חשפנית ציפוי סיבים | Thorlabs | T06S13 | זמין גם מספקים אחרים |
| קליבר סיבים | Fitel | S325A | זמין גם מספקים אחרים |
| שחבור היתוך | Furakawa | S177A-1R | זמין מספקים אחרים גם |
| בוטאן וגז חמצן | n/a | כל ספק | |
| צינור מיקרוסקופ | Navitar | Zoom 6000 | ערכה מודולרית |
| מצלמת CCD | n/a | N/A | כל אחד יתאים |
| צג | n/a | N/A | כל צג תקף |
| 3-Axis Stage | PI Instruments, Thorlabs, Melles | ||
| מגוון עמודים ותושבות | Thorlabs | זמין גם מספקים אחרים בקרת | |
| קיטוב | Thorlabs | FPC030 | זמין גם מספקים אחרים |
| מנחת | Throlabs | VOA50 | |
| Photodiode | Thorlabs | PDA400 | הופסק, הוחלף על ידי אוסילוסקופ PDA10CS-EC |
| Tektronix | DPO7104 | ||
| מנתח ספקטרום אופטי | Ando | AQ6317B | |
| מגבר סיבים מסומם ארביום | IPG Photonics | EAD-2K-C | |
| לייזר מתכוונן | Yenista | TUNICS |
מקורות
- Kozyreff, G., Dominguez-Juarez, J. L., Martorell, J. Non linear optics in spheres: from second harmonic scattering to quasi-phase matched generation in whispering gallery modes. Laser Photon. Rev. 5 (6), (2011).
- Farnesi, D., Barucci, A., Righini, G. C., Berneschi, S., Soria, S., Nunzi Conti, G. Optical frequency generation in silica microspheres. Phys. Rev. Lett. 112 (9), 093901(2014).
- Liang, W., et al. Miniature multioctave light source based on a monolithic microcavity. Optica. 2 (1), 40-47 (2015).
- Maker, A. J., Armani, A. M. Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators. J. Vis. Exp. (65), e4164(2012).
- Coillet, A., Henriet, R., Phan Huy, K., Jacquot, M., Furfaro, L., Balakireva, I., et al. Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators. J. Vis. Exp. (78), e50423(2013).
- Han, K., Kim, K. H., Kim, J., Lee, W., Liu, J., Fan, X., et al. Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators. J. Vis. Exp. (87), e51497(2014).
- Arnold, S. Microspheres, Photonic Atoms, and the Physics of Nothing. American Scientist. 89 (5), 414-421 (2001).
- Chiasera, A., et al. Spherical whispering gallery mode microresonators. Laser Photon. Rev. 4 (3), 457-482 (2010).
- Helt, L. G., Liscidini, M., Sipe, J. E. How does it scale? Comparing quantum and classical nonlinear optical processes in integrated devices. J. Opt. Soc. Am. B. 29 (8), 2199-2212 (2012).
- Leach, D. H., Chang, R. K., Acker, W. P. Stimulated anti-Stokes Raman scattering in microdroplets. Opt. Lett. 17 (6), 387-389 (1992).
- Farnesi, D., Cosi, F., Trono, C., Righini, G. C., Nunzi Conti, G., Soria, S. Stimulated Antistokes Raman scattering resonantly enhanced in silica microspheres. Opt. Lett. 39 (20), 5993-5996 (2014).
- Qian, S. X., Chang, R. K. Multiorder Stokes emission from micrometer size droplets. Phys. Rev. Lett. 56 (9), 926-929 (1986).
- Lin, H. B., Campillo, A. J. CW nonlinear optics in droplet microcavities displaying enhanced gain. Phys. Rev. Lett. 73 (18), 2440-2443 (1994).
- Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Vahala, K. J. Ultralow threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature. 415 (6872), 621-623 (2002).
- Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. Kerr-Nonlinearity optical parametrical oscillation in an ultrahigh Q toroid microcavity. Phys. Rev. Lett. 93 (8), 083904(2004).
- Hill, S. C., Leach, D. H., Chang, R. K. Third order sum frequency generation in droplets: model with numerical results for third-harmonic generation. J. Opt. Soc. Am. B. 10 (1), 16-33 (1993).
- Kozyreff, G., Dominguez Juarez, J. L., Martorell, J. Whispering gallery mode phase matching for surface second order nonlinear optical processes in spherical microresonators. Phys. Rev. A. 77 (4), 043817(2008).
- Jouravlev, M. V., Kurizki, G. Unified theory of Raman and parametric amplification in nonlinear microspheres. Phys. Rev. A. 70 (5), 053804(2004).
- Brenci, M., Calzolai, R., Cosi, F., Nunzi Conti, G., Pelli, S., Righini, G. C. Microspherical resonators for biophotonic sensors. Proc. SPIE. 6158, 61580S(2006).
- Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. J. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Opt. Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).
- Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Min, B., Vahala, K. J. Theoretical and experimental study of stimulated and cascaded Raman scattering in ultrahigh Q optical microcavities. J. Sel. Quantum Electron. 10 (5), 1219-1228 (2004).
- Bloembergen, N., Shen, Y. R. Coupling between vibrations and light waves in Raman laser media. Phys. Rev. Lett. 12 (18), 504-507 (1964).
- Gorodestky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S. Rayleigh scattering in high Q microspheres. J. Opt. Soc. Am. B. 17 (6), 1051-1057 (2000).
- Arnold, S., Ramjit, R., Keng, D., Kolchenko, V., Teraoka, I. Microparticle photophysics illuminates viral bio-sensing. Faraday Discuss. 137, 65-83 (2008).
- Ozdemir, S. K., et al. Highly sensitive detection of nanoparticle with a self referenced and self-heterodyned whispering gallery Raman microlaser. Proc. Natl. Acad. Sci USA. 11 (37), E3836-E3844 (2014).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
תגיות
