המאולץ סטוקס Antistokes פיזור ראמאן ב Microspherical Whispering גלרית מצב מההודים

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא להפיק תדרים אופטיים חדשים באמצעות רזונטורים בעלי מצב "גל לוחש" (whispering-gallery-mode) ממיקרו-ספירות סיליקה עבור יישומים אופטיים ופוטוניים, החל ממקור לייזר קומפקטיים ועד לחשיפה ביוכימית. ברזונטורים זעירים במצב "גל לוחש", ניתן להנחות אור בשילוב ייחודי של כליאה מרחבית חזקה ואורך חיים ארוך של החלל. הפסדים נמוכים מבטיחים מקדמי איכות גבוהים.

רזונטורים אלו מתאימים באופן אידיאלי לאינטראקציות אופטיות לא-ליניאריות. בפרט, מיקרו-ספירות של סיליקה מפגינות פוטנציאל רב כגנרטורים של תדרים עבור מקורות קומפקטיים, בעלי רוחב קו צר וכיוון תדר (tunable) בגל רציף. העניין בשימוש בטכניקות היתוך לייצור המיקרו-ספירה נובע מהיכולת להשיג הפסדי פיזור נמוכים, וכתוצאה מכך מקדמי איכות (quality factors) גבוהים מאוד.

השתמשנו בסיב מוהס (taper fiber) שהוכן במעבדה כדי להזריק אור לתוך המיקרו-ספירות. נצילות הצימוד הגבוהה ומקדם הבנייה הגבוה של החלל יכולים לעורר אפקטים לא-ליניאריים של קר (Kerr effects) בהספק נמוך של משאבת גל רציף. את הליך ההסחה ידגים פרנקו קוסי, טכנאי מהמעבדה שלנו.

כדי ליצור מיקרו-ספירה, ראשית הכינו מקטע סיב לעבודה. רכזו את הציוד הדרוש ליצירת מיקרו-ספירה באמצעות סיב סיליקה במצב יחיד (single-mode). ציוד זה כולל את הסיב, אצטון, מקלף ציפוי אופטי וחוטך סיבים.

בנוסף, הכינו מכשיר הלחמה (fusion splicer). השתמשו במקלף כדי להסיר כ-1-2 סנטימטרים של ציפוי האקרילי מקצה הסיב. לאחר מכן, נקו את החלק שקולף בעזרת מטלית נקייה ואצטון.

הניחו את קצה הסיב בתוך חותך הסיבים ובצעו חיתוך כדי לבודד את החלק שקולף. אספו את הסיב החתוך מהחותך. העבירו את קצה הסיב למחבר ההתכה.

שם, מקמו את הסיב והחזיקו אותו במקומו בהתאם להנחיות היצרן. סגרו את המכסה, ודאו שההספק של הקשת ומשך הקשת נכונים, ואז הפעילו את הקשת. עקבו אחר ההתקדמות על גבי התצוגה.

בעוד הקשת ממיסה את הזכוכית, צורת הסיב תתחיל להפוך לכדור עקב מתח פנים. כאשר הכדור מתחיל להיווצר, הפסק את הקשת ופתח את המכסה. הגש אל הסיב במחזיק, סובב אותו ב-90 מעלות כדי לשמר את הצורה הכדורית, ולאחר מכן קבע את הסיב במקומו שוב.

סגרו את המכסה והפעילו מחדש את הקשת. ביצוע של לפחות שלוש סיבובים כאלה של 90 מעלות במשך 5 עד 10 דקות ייצור מיקרוספירה של כ-160 micrometers. בעת הוצאת המיקרוספירה וגבעול הסיב שלה, היו מוכנים לאחסן אותה או להשתמש בה בתוך יום אחד.

מחזיק בצורת T זה ניתן להרכבה על במה להזזה (translation stage) לשימוש בניסויי צימוד אור. במרכזו קיים תעלה עבור גבעול הסיב של המיקרוספירה. יש להניח את קצה הגבעול הנותר של המיקרוספירה בתעלה, כך שהמיקרוספירה תהיה חופשית ללא חסמים מעל המחזיק.

הדביקו את הגבעול באמצעות סרט דביק שקוף. כעת, התחילו ביצירת סיב מצומת (tapered fiber) כדי להזריק אור לתוך המיקרוספירה. פעולה זו תדרוש מכשיר המסוגל למשוך לאט את קצות הסיב זה מזה.

התחילו עם קטע של סיב סיליקה חד-סיב (single-mode) וזהו את נקודת האמצע שלו. השתמשו במסיר הציפוי האופטי כדי להסיר כ-3-4 סנטימטרים מהציפוי מסביב לנקודה זו. לאחר מכן, החליקו צילינדר אלומינה מעל החלק שהוסר ממנו הציפוי של הסיב כדי שישמש כתנור.

בשלב הבא, השתמשו במחבר סיב חשוף (bare fiber terminator) כדי לחבר קצה אחד של הסיב ללייזר המסוגל לפעול ב-635 nanometers. חברו את הקצה השני של הסיב למד הספק (power meter). לאחר שהסיב במקומו, הכינו להבה של חמצן-בוטאן כדי לחמם את גליל האלומינה לטמפרטורה הקרובה לנקודת ההתכה של הסיליקה, שהיא כ-2,100 degrees Celsius.

הפעילו את מושך הסיבים כך שיזיז לאט את שני הקצוות הרחק זה מזה. כאשר לייזר ה-635 nanometer פועל, עקבו אחר ההספק המועבר דרך הסיב באמצעות מד ההספק. שינויים בערכים משקפים את תהליך ההדקה (tapering) הנמשך.

בשלב זה, הפסיקו את משיכת הסיב והכבו את הלהבה. מדי פעם הוציאו את הסיב מכניסת מד ההספק כדי להקרין את פלט הסיב על כרטיס קרן (beam card), במטרה לוודא שנשמרת נקודה מעגלית הומוגנית במהלך תהליך ההצרת הסיב. עבדו עם הסיב לאחר ששחררתם אותו מכל הציוד, כולל מהשלינדר.

מקמו עלה זכוכית למיקרוסקופ שנגזרה לצורת U סמוך לחלק המהדק של הסיב. לאחר מכן, הניחו את הסיב על העלה כך שההדקה תהיה ממורכזת ב-U. שמרו על הסיב מתוח ומריחו דבק באזור החפיפה בין הסיב לעלה כדי לקבע את הסיב במקומו. בשלב זה, הכינו את הצימוד של האור לתוך המיקרוספירה באמצעות הסיב המהדק.

לביצוע פעולה זו, השתמשו בבמיי תרגום נפרדים עבור המיקרוספירה והסיב המחושב. על במה בעלת אקטואטורים פיזואלקטריים, התקינו את התומך בצורת T עם המיקרוספירה כך שהמיקרוספירה תפנה כלפי מעלה. בבמת התרגום השנייה, התקינו את פלסית הזכוכית עם הסיב המכוון בניצב לגזע הסיב של המיקרוספירה.

השתמש בכבל סיב אופטי עם מחבר כדי לחבר קצה אחד של הסיב המצומצם (tapered fiber) ללייזר דיודה כיוון (tunable diode laser). חבר את הקצה השני לגלאי פוטודיודה מסוג אינדיום-גליום-ארסניד. כעת, מקם את שתי במות התרגום (translation stages) מתחת לצינור המיקרוסקופ שישמש לתצפית על המרווח שבין המיקרו-ספירה לסיב המצומצם.

יש להניח את השניים כך שהסיב המצומצם (fiber taper) והמיקרוספירה יהיו בטווח התנועה של במות ההזזה. בנוסף, יש להניח מראה בזווית של 45 מעלות ביחס לצינור המיקרוסקופ כדי לנטר את המיקום האנכי של הסיב המצומצם. יש למקם את המיקרוספירה באמצעות במת ההזזה שלה ובהסתמך על המשוב מצינור המיקרוסקופ.

המטרה היא להביא את קו המש equilator של המיקרוספירה למגע עם הסיב המצומצם (taper). ברגע שהדבר הושג, הדליקו את לייזר הגל הרציף ועקבו אחר ספקטרום התמסורת באוסצילוסקופ. כוונות את הלייזר עד להופעת שקעים בעלי צורה לורנצית (Lorentzian) בספקטרום, הנובעים מתהודה.

מדדו את רוחבי קווי התהודה וחשבו את מקדם האיכות. המשיכו את הניסוי על ידי בחינת יעילות הצימוד כפונקציה של הרווח בין ה-taper לספירה. צימוד הסיב הוא קריטי כדי למצוא תהודה טובה שתעורר אפקטים לא ליניאריים.

תהודה טובה היא צרה, בעלת ניגודיות גבוהה בהספק נמוך. הכינו את המערך לביצוע פיזור רמאן מושרה. אור מדיודה של לייזר דיודה הניתן לכיוונון הפועל ב-15,015 ננומטרים נכנס לסיב המצומת.

לאחר הלייזר, נמצא מגבר סיב מולב ארביום (erbium doped fiber amplifier) להגברת הספק הלייזר כדי להשיג אפקט לא-ליניארי. לאחר מכן, ישנו מפחית (attenuator) ולאחריו מקטב סיב מקו (inline fiber polarizer). האור עובר לאחר מכן דרך ה-taper, המצומד למיקרו-ספירה.

לאחר מעבר דרך המיקרוספירה, נמצא מפצל של 3-decibel-milliwatt. מוצא אחד של המפצל מחובר למנתח ספקטרום אופטי. המוצא השני מחובר לגלאי פוטוני המחובר לאוסצילוסקופ.

כוון את הלייזר מתדרים גבוהים לנמוכים כדי להשיג נעילה עצמית תרמית. באוסצילוסקופ, צפה בתהודה שבה הסחף התרמי בר השוואה למהירות סריקת אורך הגל. התהודה תתרחב כאשר תושג נעילה עצמית תרמית.

בדוק את הספק הפלט המועבר למנתח הספקטרום האופטי. כוונן את המנחית כדי להגביר את ההספק עד להופעת קו לייזר Raman. קו לייזר Raman נמצא בסטייה מהאורך גל של המשאבה בערך 13.5 terahertz.

זוהי מדידה ממיקרוספירה בקוטר 50 µm שנוחנפה באורך גל של כ-1,547 nm. משני צדי אורך גל הנחנפה, קיימים שני קווי ערבוב ארבע-גלים במרחק של כ-13 nm. שני קווי פיזור רמאן מושרה נמצאים בכ-1,610 ו-1,710 nm.

מדידות של כדור בעלות רדיוס של 98 ננומטר הניבו תוצאות דומות. במקרה זה, שיא השאיבה נמצא ב-1,551 ננומטר. קו פיזור רמן הstimmulated מרוכז ב-1,646 ננומטר.

קו פיזור רמאן אנטי-סטוקס המגורה מרוכז סביב 1, 452 ננומטרים. הקווים הסימטריים הסמוכים לקו אנטי-סטוקס המגורה נובעים מערבוב ארבע-גלים מנוון. קונוס רמאן מרוכז ב-1, 666 ננומטרים.

ספקטרום זה ממיקרוספירה בעלת קוטר של 40-micrometer מספק ראיה להגברה של antistokes מעורר כאשר התדר שלה הוא רזוננסי עם אופן החלל (cavity mode) ותואם-מופע (phased-matched) עם המשאבה ואות ה-stokes המעורר. תדר המשאבה הוא 1, 540 nanometers, קו ה-stokes נמצא ב-1, 630 nanometers, וקו ה-antistokes נמצא ב-1, 460 nanometers. ספקטרום זה ממיקרוספירה של 65-micrometer מציג יחס פיזור של antistokes מעורר ל-stokes מעורר הקרוב לאחד.

תדר המשאבה ממורכז ב-1, 572 nanometers, קו הסטוקס ב-1, 640 nanometers, וקו האנטי-סטוקס ב-1, 490 nanometers. לאחר צפייה בסרטון זה, יהיה לכם הבנה טובה לגבי אופן הייצור של מיקרו-ספירה של סיליקה בעלת Q גבוה, כיצד למשוך סיב taper, וכיצד להצמיד אור ביעילות למיקרו-רזונטור כדי לחקור אינטראקציות בסיסיות בין אור לחומר. מיקרו-ספירות חשמליות הן פלטפורמות פוטוניות הממלאות תפקיד חשוב ביותר באופטיקה מודרנית.

ניתן לנצלם להמרה לא-ליניארית של תדרים בזרם רציף (CW) הודות ליכולתם לכבול אור למשך פרקי זמן ממושכים בנפחים קטנים מאוד. טכנולוגיות המיקרו-רזונטור שהודגמו עשויות להיות מנוצלות ביעילות גם עבור חישוש ביולוגי (biosensing). הקבוצה שלנו משיגה תוצאות מצוינות בתחום זה.