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

L'obiettivo generale di questa procedura è generare nuove frequenze ottiche utilizzando risonatori microsferici in silice a modi di tipo gallery sussurrante per applicazioni ottiche e fotoniche che vanno da sorgenti laser compatte al rilevamento biochimico. Nei microresonatori a modi di tipo gallery sussurrante, la luce può essere guidata con una combinazione unica di forte confinamento spaziale e lunga durata della cavità. Le basse perdite garantiscono elevati fattori di qualità.

Tali risonatori sono ideali per le interazioni ottiche non lineari. In particolare, le microsfere di silice mostrano un notevole potenziale come generatori di frequenza per sorgenti compatte a onda continua, con larghezza di riga ridotta e sintonizzabili. L'interesse nell'utilizzo di tecniche di fusione per la fabbricazione della microsfera elettrica si basa sul fatto che possono essere ottenute basse perdite per scattering e, di conseguenza, fattori di qualità molto elevati.

Abbiamo utilizzato una fibra conica realizzata in laboratorio per accoppiare la luce nelle microsfere. L'elevata efficienza di accoppiamento e il forte fattore di accumulo nella cavità possono innescare effetti non lineari di Kerr con una bassa potenza di pompaggio in regime di onda continua. La procedura relativa alla realizzazione della fibra conica sarà illustrata da Franco Cosi, tecnico del nostro laboratorio.

Per creare una microsfera, procurarsi innanzitutto un tratto di fibra su cui lavorare. Riunire l'equipaggiamento necessario per realizzare una microsfera utilizzando fibra di silice monomodale. Questo include la fibra, acetone, uno sverniciatore ottico e un cleaver per fibre.

Inoltre, preparare in anticipo un saldatore per fibre. Utilizzare lo sguainatore per rimuovere circa 1-2 centimetri del rivestimento acrilico dall'estremità della fibra. Successivamente, pulire la parte sguainata con un panno pulito e acetone.

Posizionare l'estremità della fibra nel cleaver per fibre e tagliare per isolare la porzione scoperta. Raccogliere la fibra tagliata dal cleaver. Spostare la punta della fibra sul saldatore a fusione.

In tale posizione, posizionare la fibra e mantenerla ferma seguendo le indicazioni del produttore. Chiudere il coperchio, verificare che la potenza dell'arco e la durata dell'arco siano corrette, quindi avviare l'arco. Monitorare l'avanzamento sul display.

Mentre l'arco fonde il vetro, la forma della fibra inizierà a diventare sferica a causa della tensione superficiale. Quando la sfera inizia a prendere forma, spegnere 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 al suo posto.

Chiudere il coperchio e riavviare l'arco. Eseguire almeno tre rotazioni di 90 gradi nell'arco di cinque-dieci minuti per ottenere una microsfera di circa 160 micrometri. Quando si rimuove la microsfera e il suo stelo in fibra, essere pronti a conservarla o utilizzarla entro un giorno.

Questo supporto a forma di t può essere montato su uno stadio di traslazione ed è utilizzabile in esperimenti di accoppiamento della luce. Al centro è presente un canale per il gambo in fibra della microsfera. Posizionare l'estremità residua del gambo della microsfera all'interno del canale in modo che la microsfera rimanga libera e non ostruita sopra il supporto.

Fissare il gambo con del nastro trasparente. Ora, iniziare a creare una fibra conica per accoppiare la luce nella microsfera. Sarà necessario un dispositivo in grado di allontanare lentamente le estremità della fibra.

Partire da un tratto di fibra in silice monomodale e identificarne il punto medio. Utilizzare lo sguainatore ottico per rimuovere circa 3-4 centimetri del rivestimento intorno a questo punto. Una volta completata questa operazione, far scivolare un cilindro in allumina sulla porzione di fibra sguainata per farlo fungere da forno.

Successivamente, utilizzare un terminatore a fibra nuda per collegare un'estremità della fibra a un laser in grado di operare a 635 nanometri. Collegare l'altra estremità della fibra a un misuratore di potenza. Una volta posizionata la fibra, predisporre una fiamma di ossigeno e butano per riscaldare il cilindro di allumina fino a una temperatura prossima al punto di fusione della silice, pari a circa 2.100 gradi Celsius.

Avviare il tiratore di fibre in modo che sposti lentamente le due estremità allontanandole una dall'altra. Con il laser a 635 nanometri acceso, monitorare la potenza trasmessa attraverso la fibra utilizzando il misuratore di potenza. I valori in cambiamento riflettono il progressivo assottigliamento.

A questo punto, interrompere il tiro della fibra e spegnere la fiamma. Rimuovere occasionalmente la fibra dall'ingresso del misuratore di potenza per proiettare l'uscita della fibra su una scheda di rilevamento del fascio, al fine di verificare che un punto circolare omogeneo venga mantenuto durante il processo di affusolamento. Lavorare sulla fibra solo dopo averla liberata da tutte le attrezzature, compreso il cilindro.

Posizionare un vetrino in vetro tagliato a forma di U vicino alla zona affusolata della fibra. Successivamente, posizionare la fibra sul vetrino con la zona affusolata centrata sulla U. Mantenere la fibra in tensione e applicare della colla nelle zone di sovrapposizione tra fibra e vetrino per fissarla. A questo punto, prepararsi ad accoppiare la luce nella microsfera mediante la fibra affusolata.

Per fare ciò, utilizzare stadi di traslazione separati per la microsfera e la fibra conica. Su uno stadio con attuatori piezoelettrici, montare il supporto a forma di T con la microsfera in modo che quest'ultima sia rivolta verso l'alto. Sull'altro stadio di traslazione, montare il vetrino portaoggetti con la fibra orientata perpendicolarmente al gambo della fibra della microsfera.

Utilizzare un cavo in fibra terminato per collegare un'estremità della fibra conica a un laser a diodo accordabile. Collegare l'altra estremità a un rivelatore fotodiodo in arseniuro di indio-gallio. Posizionare ora entrambe le fasi di traslazione al di sotto del tubo del microscopio che verrà utilizzato per l'osservazione dell'intervallo tra la microsfera e la fibra conica.

I due devono essere posizionati in modo che il restringimento in fibra e la microsfera rientrino nella corsa delle fasi di traslazione. Inoltre, posizionare uno specchio a 45 gradi rispetto al tubo del microscopio per monitorare la posizione verticale del restringimento. Posizionare la microsfera utilizzando la sua fase di traslazione e il segnale di retroazione proveniente dal tubo del microscopio.

L'obiettivo è posizionare l'equatore della microsfera a contatto con la zona affusolata. Una volta raggiunta questa condizione, accendere il laser a onda continua e monitorare lo spettro di trasmissione su un oscilloscopio. Regolare il laser finché non compaiono nello spettro delle depressioni di forma lorentziana dovute alle risonanze.

Misurare le larghezze delle righe di risonanza e calcolare il fattore di qualità. Proseguire l'esperimento esplorando l'efficienza di accoppiamento in funzione della distanza tra la sezione sottile e la sfera. L'accoppiamento tramite fibra è fondamentale per individuare una risonanza adeguata in grado di innescare effetti non lineari.

Una buona risonanza è stretta e presenta un alto contrasto a bassa potenza. Preparare l'apparato per realizzare la diffusione Raman stimolata. La luce proveniente da un laser a diodo accordabile che opera a 15.015 nanometri entra nella fibra conica.

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

Dopo il passaggio attraverso la microsfera, è presente un divisore di 3 decibel-milliwatt. Un'uscita del divisore va a un analizzatore spettrale ottico. L'altra va a un fotorivelatore collegato a un oscilloscopio.

Regolare il laser da frequenze elevate a frequenze più basse per ottenere il bloccaggio termico automatico. Sull'oscilloscopio, osservare una risonanza con la deriva termica paragonabile alla velocità di scansione della lunghezza d'onda. La risonanza si allargherà quando viene raggiunto il bloccaggio termico automatico.

Verificare la potenza in uscita trasmessa nell'analizzatore spettrale ottico. Regolare l'attenuatore per aumentare la potenza fino a quando non appare la linea laser Raman. La linea laser Raman è sfasata rispetto alla lunghezza d'onda della pompa di circa 13,5 terahertz.

Questa è una misurazione effettuata su una microsfera di diametro di 50 micrometri pompata a circa 1.547 nanometri. Su entrambi i lati della lunghezza d'onda di pompaggio, si trovano due linee di mescolamento a quattro onde distanti circa 13 nanometri. Due linee di scattering Raman stimolato si trovano a circa 1.610 e 1.710 nanometri.

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

La riga di scattering Raman antistokes stimolata è centrata a circa 1.452 nanometri. Le righe simmetriche vicine alla riga antistokes stimolata derivano da mescolamento a quattro onde degenere. Un cono Raman è centrado a 1.666 nanometri.

Questo spettro proveniente da una microsfera di diametro di 40 micrometri fornisce evidenza di un potenziamento stimolato della radiazione antistokes quando la sua frequenza è in risonanza con la modalità della cavità e in accordo di fase con il segnale di pompa e quello stimolato della stokes. La frequenza di pompa è di 1.540 nanometri, la riga stokes è a 1.630 nanometri e la riga antistokes è a 1.460 nanometri. Questo spettro proveniente da una microsfera di 65 micrometri presenta un rapporto tra scattering antistokes stimolato e scattering stokes stimolato prossimo a uno.

La frequenza della pompa è centrata a 1.572 nanometri, la riga Stokes a 1.640 nanometri, la riga antistokes a 1.490 nanometri. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come fabbricare microsfere di silice ad alto fattore di merito (high-Q), di come realizzare un restringimento in fibra ottica (fiber taper) e di come accoppiare efficientemente la luce al microcavità per studiare le interazioni fondamentali tra luce e materia. Le microsfere in silice sono piattaforme fotoniche che svolgono un ruolo estremamente importante nell'ottica moderna.

Possono essere sfruttati per la conversione di frequenza non lineare in regime continuo grazie alla loro capacità di confinare la luce per lunghi periodi in volumi molto ridotti. Le tecnologie di micro-risonatori finora dimostrate possono essere efficacemente utilizzate anche per applicazioni di biosensing. Il nostro gruppo sta ottenendo ottimi risultati in questo settore.