三次光学非線形感受率に関連する非線形現象を効率的に生成するには、Χは（3）三重共鳴シリカマイクロスフィアにおける相互作用は、この論文で提示されています。誘導ラマン散乱（SRS）、および4波が刺激アンチストークスラマン散乱（SARS）を含む混合プロセス：ここで報告相互作用があります。
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この記事について
サマリー
要約
誘電体微小球は、高品質係数ウィスパリングギャラリーモードを介して、時間の長さ（WGM）のために、光と音を閉じ込めることができます。コンパクトなレーザ光源、高感度生化学センサーおよび非線形現象：ガラス微小球は、アプリケーションの巨大な様々なエネルギーのストアとして考えることができます。微小球と連結システムの両方を製造するためのプロトコルが与えられます。ここで説明するカプラーはテーパー状繊維です。三次光学非線形感受率に関連する非線形現象を効率的に生成するには、Χは（3）三重共鳴シリカマイクロスフィアにおける相互作用は、この論文で提示されています。誘導ラマン散乱（SRS）、および4波が刺激アンチストークスラマン散乱（SARS）を含む混合プロセス：ここで報告相互作用があります。キャビティ強化現象の証拠は、ポンプ、信号およびアイドラー間の相関の欠如によって与えられる共振モードがペアを得るために存在しなければなりません信号およびアイドラーの。 hyperparametric振動の場合（4波混合と刺激アンチストークスラマン散乱）では、モードは、エネルギーと運動量保存を果たすと、最後のではなく、少なくともを、良い空間的な重なりを持っている必要があります。
概要
ウィスパリングギャラリーモード共振器（WGMR）は非線形現象1-3のしきい値の低減を可能にする2つのユニークな特性、長い光子寿命と小さなモード体積を示しています。ウィスパリングギャラリーモードは、全内部反射によって誘電空気界面に閉じ込められる光モードです。一時的な閉じ込めは、空洞の品質係数Qに関連しているのに対し、小モード容積は、高い空間閉じ込めによるものです。 WGMRは異なる形状を持つことができ、高Q共振器をこのような高品質係数に変換する原子スケールの粗さ、近くにシリカマイクロスフィアの展示など4-6表面張力の空洞を得るのに適した別の製造技術があります。閉じ込めの両方のタイプは大幅にWGMR内部に強力なエネルギーの蓄積に起因する非線形効果のしきい値を減らします。また、連続波（CW）非線形光学を可能にします。
WGMRは番目を使用して記述することができます水素原子7との強い類似の電子の量子数nは、L、M、およびそれらの偏光状態、。球対称は、半径方向と角度依存性で分離することを可能にします。ラジアル溶液はベッセル関数、球面調和8による角度のものによって与えられます。
シリカガラスは、したがって、Χに関連する二次現象は（2）の相互作用が禁止され、中心対称であると。ミクロスフェアの表面に、対称性の反転が破壊され、Χ（2）の現象は、1観察することができます。しかし、二次周波数発生に対する位相整合条件は、関与する波長が非常に異なっており、分散の役割が非常に重要であり得るので、特に、三次周波数発生における等価より問題です。二次相互作用は非常に弱いです。一方、THIのためのQ 3で生成された電力の鱗そのため番目の注文の相互作用Q 4。9で生成された電力の鱗、この作業の焦点は、三次光学非線形感受率であるΧような誘導ラマン散乱（SRS）と刺激Antistokesラマン散乱（SARS）など（3）相互作用、SARS少ない探求相互作用10,11です。チャン12とカミーロ13は、高非線形WGMRなどの材料が、ポンプレーザではなくCWのパルス化されたの液滴を用いた非線形現象の研究を開拓してきました。シリカマイクロスフィア14,10とマイクロトロイド15は、過去数十年間で注目の多くを得て、マイクロ液滴に比べて、より安定かつ堅牢なプラットフォームを提供します。特に、シリカマイクロスフィアは、製造、取り扱いが非常に簡単です。
SRSは、閾値に到達すると十分であるため、容易に、シリカWGMR 14,15で達成することができる純粋なゲイン処理です。この場合、高circulatiWGMR内部強度をngのは、ラマンレーザー発振を保証しますが、パラメトリック発振のために十分ではありません。これらのケースでは、効率的な振動は、エネルギーと運動量保存則と16-18を成就するすべての共振モードの良い空間的な重なり、位相およびモード整合を必要とします。これは、一般的にはSARSとFWMの場合です。
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プロトコル
品質マイクロスフェアの超ファクターの1製作
- ストリップ光学ストリッパーを使用して、そのアクリルコーティングオフ標準的なシングルモード（SMF）シリカ繊維の約1~2 cmです。
- アセトンで剥離部分をきれいにし、それを切断します。
- 融着接続機の一方のアームに切断された先端部を導入し、スプライサーコントローラを用いた電気アーク放電のシリーズを生産します。スプライサーコントローラメニューから「手動操作」を選択し、それぞれ、60および800ミリ秒にアーク電力レベルとアーク継続時間の値を設定します。 「アーク」を選択し、下の「+」を押してください。
- 球体が形を取っているしたら、停止、90°繊維を回転させ、ステップ1.3を繰り返します。
- 約160ミクロンのマイクロスフェアを得るために、少なくとも4回繰り返し手順1.3。約260ミクロンのマイクロスフェアを得るために16回繰り返します。
注：電気アーチ放電は、石英ガラスを溶融するために必要な高い溶融温度を生成します。 surfac電子張力はmollifiedファイバ先端からスフェロイドを描画します。それは、図1から 19に見られるように、球のサイズは、約350ミクロンの直径で飽和、アークショットの数に正比例する。回転が共振器の球形を確実にします。
2.テーパファイバを描きます
注：テーパー繊維はまた、微小共振器に光を結合するために必要とされています。ミクロスフェアのサイズは、テーパーの腰部を決定します。球の直径よりも大きく125ミクロンの場合、テーパーの直径は約3-4ミクロンのものとすることができます。小さいもののために、テーパーの直径は小さくする必要があり、1〜2μmで言います。低レベルでの損失を維持するとテーパ部（基本1）に一つだけのモードを持っているために、テーパリングは、（太いから細い直径に徐々に移行）断熱なければなりません。断熱テーパ部の典型的な全長は約2cmである。Figu2再ファイバを引くためホームメイドのデバイスを示し、 図3（a）は 、典型的な腰ゾーンのマイクロフォトを示しています。
- ストリップ3-4の光学ストリッパーを使用して、そのアクリルコーティングオフ標準的なシングルモード（SMF）シリカ繊維のCM、およびファイバーレーザー（入力）とパワーメータ（出力）に終了し接続します。ストリッピングゾーンがない一端で、繊維のほぼ中央にあることを確認してください。ファイバーレーザーとパワーメータに終了接続できるようにするために、裸ファイバターミネータを使用します。レーザーと作業台の上に電力計を配置します。
- 引きプロセスの間に同時に作動させる2翻訳段階に短いアルミナシリンダ内取り除か繊維、および繊維のコーティングされた端を置きます。
- シリカの融点に近い温度（約2100℃）までの酸素ブタン炎によって（つまり、オーブンとして機能する）アルミナシリンダーを加熱します。
- OBSEからテーパの断熱性を推測します635 nmで動作するレーザ光の透過率のrvation。スクランブルないモードが発生しないことを示す、先細りながら出力で均質な円形スポットが保存されていることを確認してください。引っ張っ停止し、送信された電力は、発振停止したときに炎を引退し、経時的に一定です。
- テーパを収容するU字状に成形顕微鏡用スライドガラスにテーパファイバを接着（ 図3B参照 ）。 76x26x1.2ミリメートル寸法の顕微鏡スライドガラスを使用してください。
小型マイクロスフェアの3製作
注：標準的なファイバのクラッドのサイズ以下の直径を有する小型マイクロスフェアは、繊維の前の先細りを必要とします。この方法を用いて得られた最小直径は約25μmです。
- セクション2に従うことによって、それが壊れるまで引っ張って、テーパー状の繊維を描きます。
- スプライサーの共同で値を変更し、セクション1（UHQ微小球の製造）が、ステップ1.3でのすべての手順に従ってくださいntrollerは以下の通り：アーク電源20、アーク継続時間1200ミリ秒。
マイクロスフェアへ4.カップリングライト
注：我々は、マイクロスフェアに結合する光にテーパーを使用して、微小共振器の共振を測定します。
- 4.1。真ん中のチャネルとT字型PVC /アルミニウムホルダーを準備します。ホルダーにスコッチマジックや紙粘着テープの切れ端でマイクロスフェアの残留繊維ステムを修正しました。圧電アクチュエータと移動ステージと20nmの位置決め分解能に2本のネジでホルダーを固定します。
- マイクロスフェアの繊維幹に対して垂直に配置スライド面と別の翻訳段階にスライドガラスに接着テーパを修正しました。終端ファイバケーブルにテーパーの端をスプライス。波長可変ダイオードレーザーとInGaAsフォトダイオード検出器に他方に一端を接続します。
- 共同する長作動距離（> 20ミリメートル）と顕微鏡管を使用してくださいテーパーとマイクロスフェアとの間のギャップをntrol。位置微小球の赤道にテーパ相対制御できるようにチューブの方向に対して45°の他の方向の所定の位置にミラーシステムを監視するために。
- テーパー状の繊維と接触して、微小球の赤道を置きます。
- レーザーをオンにして、オシロスコープでマイクロスフェアテーパシステムの透過スペクトルを確認してください。
- 共振が現れるまでチューンCWレーザは、1550 nmで動作します。共鳴は、スペクトルにおけるローレンツ形状のディップとして同定することができます。
- 共鳴線幅（ローレンツ形ディップの半値幅）を測定します。共鳴線幅で割ったポンプの周波数としてQ値を計算します。
- 球体とテーパとの間のギャップを増加/増大結合効率を低下させるための共鳴幅及び深さの両方を変化させる/減少させます。
- 1550 nmおよび減衰器で動作するCWレーザとの間にエルビウム添加ファイバ増幅器（EDFA）を挿入します。 EDFAは1,530-1,570ナノメートルの波長範囲で動作します。注：これは、高入力パワーを必要とする2 W.非線形効果の最大出力電力に到達し、レーザパワーを後押しする。図4は、実験設定の概略を示しています。
- 3 dBmのスプリッタに終端ファイバケーブルとテーパーの一方の端を接続します。光スペクトラムアナライザ及びオシロスコープに接続された光検出器の他のいずれかのスプリッタ出力ファイバのいずれかを接続します。
- レーザの波長スキャン速度に匹敵する熱ドリフトとの共振までチューン低い周波数に高いからレーザーが発見されました。熱セルフロック20が達成されると、共振の広がりは、オシロスコープ上で見ることができます。
- テーパーを介して送信出力電力をチェック光スペクトラムアナライザに。ラマンレーザーラインが表示されるまで電力を増加させます。これは、約13.5テラヘルツでポンプ波長から離調されています。
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結果
マイクロスフェアのQファクタは、プロトコルが、上記の大口径のための10 8（ 図5）（> 200ミクロン）を超えると小さい直径のため10 6（<50ミクロン）を超えている以下の作製しました。 95％の上記共鳴コントラスト（臨界結合に近い）を容易に観察することができます。高い循環強度のために、赤外領域の次の非線形効果を観察することができます（SRS）を誘導ラマン散乱、SRS 21カスケード接続された反ストークスラマン散乱（SARS）と4光波混合（FWM）を刺激し、FWMを縮退しました。ラマン利得は、SRSのための定在波を生成する、同じ方法で順方向および逆方向に進行する光を増幅し、SRSカスケード。 FWM対が波を旅行しています。測定値の一例は、 図6及び図7に見ることができます。
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ディスカッション
マイクロスフェアは、コンパクトで効率的な非線形振動子であり、彼らは製造、取り扱いが非常に簡単です。テーパー付き繊維は、結合共振器/からの光を抽出するために使用することができます。 95％までの共鳴造影約3×10 8のQ値を得ることができます。
これらの製造技術の主な制限は、大量生産との統合です。繊維の清潔さは、マイクロスフェアとテーパーの両方にとって非常に重要であるので、湿度があります。両デバイスは、長期的な実験室での生活のために乾燥した環境に保管されなければなりません。非常に薄いテーパーは壊れやすく、カップリング時に細心の注意を払うべきです。 Qファクタに関して、ミクロスフェアのサイズは重要であることができます。 50〜500μmの範囲の直径を有するマイクロスフェアでは、10 10を超えるQ 'sが真空23で実証されてきました。内部曲率：マイクロスフェアの固有Qは、損失のいくつかのタイプからの寄付によって決定されます残留表面の不均一性に係る損失（Q ラジアン ）、ラマ...
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開示事項
著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。D.F.はパルマ大学の博士課程の学生です。
謝辞
Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi
Ente Cassa di Risparmio di Firenze (No. 2014.0770A2202.8861)
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 光ファイバー | コーニング | SMF28 | |
| ファイバーコーティングストリ | ッパーThorlabs | T06S13 | 他のベンダーからも入手可能 |
| ファイバークリー | バーFitel | S325A | ベンダーからも利用可能 |
| フュージョンスプライサー | 富河 | S177A-1R | 他のベンダーからも入手可能 |
| ブタンと酸素ガス | n/a | 任意のベンダー | |
| 顕微鏡の管 | Navitar | ズーム 6000 | モジュラー キット |
| CCDのカメラ | n/a | N/A | 任意は |
| モニター | n/a | N/A | に合う どのモニターでも有効な |
| 3軸線の段階 | PIの器械、Thorlabs、Melles | ||
| 盛り合わせのポストおよび台紙 | Thorlabs | ベンダーからまた | |
| 利用できる 分極制御 | Thorlabs | FPC030 | 他のベンダーからも入手可能 |
| Attenuator | Throlabs | VOA50 | |
| フォトダイオード | Thorlabs | PDA400 | 製造中止、PDA10CS-EC |
| オシロスコープ | Tektronix DPO7104 | ||
| 光スペクトラムアナライザ | 安藤 | AQ6317B | |
| エルビウムドープファイバーアンプ | IPGフォトニクス | EAD-2K-C | |
| チューナブルレーザー | イェニスタ | チュニックス |
参考文献
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