Stimolata Stokes e Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery modalità risonatori

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di generare nuove frequenze ottiche utilizzando risonatori microsferici in silice in modalità whispering-gallery per applicazioni ottiche e fotoniche che vanno dalle sorgenti laser compatte al rilevamento biochimico. Nei microrisonatori a galleria sussurrata, la luce può essere guidata con una combinazione unica di forte confinamento spaziale e lunga durata della cavità. Le basse perdite garantiscono fattori di alta qualità.

Tali risonatori sono ideali per interazioni ottiche non lineari. In particolare, le microsfere di silice mostrano un grande potenziale come generatori di frequenza per onde continue compatte, a linea stretta e sorgenti sintonizzabili. L'interesse dell'utilizzo di tecniche di fusione per la fabbricazione della microsfera elettrica si basa su basse perdite di scattering che possono essere raggiunte e, di conseguenza, fattori di qualità molto elevati.

Abbiamo usato una fibra conica fatta in casa per accoppiare la luce nelle microsfere. L'elevata efficienza di accoppiamento e l'elevato fattore di accumulo della cavità possono innescare effetti Kerr non lineari con una bassa potenza della pompa a onda continua. A dimostrare la procedura di conicità sarà Franco Cosi, tecnico del nostro laboratorio.

Per creare una microsfera, per prima cosa procurati un pezzo di fibra con cui lavorare. Raccogli l'attrezzatura necessaria per creare una microsfera utilizzando la fibra di silice monomodale. Ciò include la fibra, l'acetone, uno sverniciatore di rivestimento ottico e una mannaia per fibre.

Inoltre, tieni a portata di mano una giuntatrice a fusione. Usa lo sverniciatore per rimuovere circa 1-2 centimetri di rivestimento acrilico dall'estremità della fibra. Seguire questo pulendo la parte sverniciata con un panno pulito e acetone.

Posizionare l'estremità della fibra nella mannaia e tagliare per isolare la parte spogliata. Raccogli la fibra tagliata dalla mannaia. Spostare la punta della fibra sulla giuntatrice a fusione.

Lì, posiziona la fibra e tienila in posizione secondo le linee guida del produttore. Chiudere il coperchio, verificare che la potenza dell'arco e la durata dell'arco siano corrette, quindi avviare l'arco. Monitora l'avanzamento sul display.

Quando l'arco fonde il vetro, la forma della fibra inizierà a formare una sfera a causa della tensione superficiale. Quando la sfera inizia a prendere forma, fermare l'arco e aprire il coperchio. Accedere alla fibra nel supporto, ruotarla di 90 gradi per preservare la forma sferica, quindi fissare nuovamente la fibra in posizione.

Chiudere il coperchio e riavviare l'arco. L'esecuzione di almeno tre rotazioni di 90 gradi nell'arco di 5-10 minuti produrrà una microsfera di circa 160 micrometri. Quando si rimuove la microsfera e il suo gambo in fibra, prepararsi a conservarla o utilizzarla entro un giorno.

Questo supporto a forma di T è montabile su uno stadio di traslazione per l'uso con esperimenti di accoppiamento della luce. Ha un canale al centro per lo stelo della fibra della microsfera. Posizionare l'estremità residua dello stelo della microsfera nel canale in modo che la microsfera non sia ostruita sopra il supporto.

Fissare lo stelo con del nastro trasparente. Ora, inizia a creare una fibra affusolata per accoppiare la luce nella microsfera. Ciò richiederà un dispositivo in grado di separare lentamente le estremità della fibra.

Inizia con una lunghezza di fibra di silice monomodale e identifica il suo punto medio. Utilizzare lo sverniciatore ottico per rimuovere circa 3-4 centimetri di rivestimento attorno a questo punto. Fatto ciò, fai scivolare un cilindro di allumina sulla parte spelata della fibra per fungere da forno.

Successivamente, utilizzare un terminatore in fibra nuda per collegare un'estremità della fibra a un laser in grado di funzionare a 635 nanometri. Collegare l'altra estremità della fibra a un misuratore di potenza. Una volta che la fibra è in posizione, predisporre una fiamma di ossigeno-butano per riscaldare il cilindro di allumina a una temperatura vicina al punto di fusione della silice di circa 2.100 gradi Celsius.

Avvia l'estrattore di fibre in modo che allontani lentamente le due estremità l'una dall'altra. Con il laser a 635 nanometri acceso, monitora la potenza trasmessa attraverso la fibra con il misuratore di potenza. I valori variabili riflettono il tapering in corso.

A questo punto, smetti di tirare la fibra e ferma la fiamma. Di tanto in tanto rimuovere la fibra dall'ingresso del misuratore di potenza per proiettare l'uscita della fibra su una scheda del fascio per verificare che durante il processo di rastremazione venga preservato un punto circolare omogeneo. Lavora con la fibra dopo che è stata liberata da tutte le apparecchiature, compreso il cilindro.

Posizionare un vetrino da microscopio in vetro tagliato in modo da formare una U vicino alla conicità della fibra. Quindi, metti la fibra sulla diapositiva con la conicità centrata sulla U'Mantieni la fibra tesa e applica la colla dove la fibra e la diapositiva si sovrappongono per tenere la fibra in posizione. A questo punto, preparati ad accoppiare la luce nella microsfera con la fibra affusolata.

Per fare ciò, utilizzare stadi di traslazione separati per la microsfera e la fibra conica. Su un tavolino con attuatori piezoelettrici, montare il supporto a forma di T con la microsfera in modo che la microsfera sia rivolta verso l'alto. Nell'altro stadio di traslazione, montare il vetrino con la fibra orientata perpendicolarmente allo stelo della fibra a microsfera.

Utilizzare un cavo in fibra terminato per collegare un'estremità della fibra conica a un laser a diodi sintonizzabili. Collegare l'altra estremità a un rivelatore di fotodiodi indio-gallio-arseniuro. Ora, posizionate entrambi gli stadi di traslazione sotto il tubo del microscopio che verrà utilizzato per l'osservazione dello spazio tra la microsfera e il cono.

I due devono essere posizionati in modo che la conicità della fibra e la microsfera si trovino entro la distanza di viaggio delle fasi di traslazione. Inoltre, posizionare uno specchio a 45 gradi rispetto al tubo del microscopio per monitorare la posizione verticale del cono. Posizionare la microsfera utilizzando il suo stadio di traslazione e il feedback del tubo del microscopio.

L'obiettivo è quello di avere l'equatore della microsfera a contatto con il cono. Fatto ciò, accendi il laser a onda continua e monitora lo spettro di trasmissione su un oscilloscopio. Sintonizzare il laser fino a quando nello spettro non compaiono avvallamenti a forma di lorentziana dovuti a risonanze.

Misurare le larghezze delle linee di risonanza e calcolare il fattore di qualità. Continua l'esperimento esplorando l'efficienza di accoppiamento in funzione dello spazio tra la conicità e la sfera. L'accoppiamento delle fibre è fondamentale per trovare una buona risonanza per innescare effetti non lineari.

Una buona risonanza è stretta, è ad alto contrasto a bassa potenza. Preparare il set-up per realizzare lo scattering Raman stimolato. La luce di un laser a diodi sintonizzabili che opera a 15.015 nanometri entra nella fibra conica.

Dopo il laser, c'è un amplificatore in fibra drogata con erbio per aumentare la potenza del laser per ottenere un effetto non lineare. Successivamente, c'è un attenuatore e poi un polarizzatore in fibra in linea. La luce passa quindi attraverso il cono, che è accoppiato a una microsfera.

Dopo aver passato la microsfera, c'è uno splitter da 3 decibel-milliwatt. Un'uscita dello splitter va a un analizzatore di spettro ottico. L'altro va a un fotorivelatore collegato a un oscilloscopio.

Sintonizza il laser dalle alte alle basse frequenze per ottenere l'autobloccaggio termico. Sull'oscilloscopio, osservare una risonanza con la deriva termica paragonabile alla velocità di scansione della lunghezza d'onda. La risonanza si allargherà quando si ottiene l'autobloccaggio termico.

Controllare la potenza di uscita trasmessa all'analizzatore di spettro ottico. Manipola l'attenuatore per aumentare la potenza fino a quando non appare la linea laser Raman. La linea laser Raman è desintonizzata dalla lunghezza d'onda della pompa a circa 13,5 terahertz.

Si tratta di una misura da microsfere di 50 micrometri di diametro pompate a circa 1.547 nanometri. Su entrambi i lati della lunghezza d'onda della pompa, ci sono due linee di miscelazione a quattro onde a circa 13 nanometri di distanza. Due linee di scattering Raman stimolate sono a circa 1.610 e 1.710 nanometri.

Le misurazioni di una sfera a 98 nanometri hanno prodotto risultati simili. In questo caso, il picco della pompa è a 1.551 nanometri. La linea di scattering Raman stimolata è centrata a 1.646 nanometri.

La linea di scattering Raman stimolata è centrata a circa 1.452 nanometri. Le linee simmetriche vicino alla linea di antistokes stimolata provengono da un mescolamento degenerato a quattro onde. Un cono Raman è centrato a 1.666 nanometri.

Questo spettro, proveniente da una microsfera di 40 micrometri di diametro, fornisce la prova del potenziamento degli antistokes stimolati quando la sua frequenza è risonante con la modalità della cavità e abbinata in fase con la pompa e il segnale di stokes stimolato. La frequenza della pompa è di 1.540 nanometri, la linea di Stokes è di 1.630 nanometri e la linea di antistokes è di 1.460 nanometri. Questo spettro, da una microsfera di 65 micrometri, ha un rapporto di dispersione tra antistokes stimolato e stokes stimolato vicino a uno.

La frequenza della pompa è centrata a 1.572 nanometri, la linea di Stokes a 1.640 nanometri, la linea di antistokes a 1.490 nanometri. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come fabbricare microsfere di silice ad alto Q, come disegnare un cono di fibra e come accoppiare in modo efficiente la luce nel microrisonatore per studiare le interazioni fondamentali luce-materia. Le microsfere elettriche sono piattaforme fotoniche che svolgono un ruolo estremamente importante nell'ottica moderna.

Possono essere sfruttati per la conversione di frequenza non lineare CW grazie alla loro capacità di confinare la luce per lunghi periodi di tempo in volumi molto piccoli. Le tecnologie dei microrisonatori che sono state dimostrate possono anche essere sfruttate efficacemente per il biorilevamento. Il nostro gruppo sta ottenendo ottimi risultati in questo settore.