微小球ウィスパリングギャラリーモード共振器で刺激ストークスとAntistokesラマン散乱

本手順の全体的な目的は、小型レーザー光源から生化学的センシングに至る光学およびフォトニクス応用に向けて、シリカマイクロ球状ウィスパーリングギャラリーモード共振器を用いて新しい光周波数を生成することです。ウィスパーリングギャラリーモード・マイクロ共振器では、強力な空間的閉じ込めと長い共振器寿命という独自の組み合わせで光を誘導できます。低損失であることで、高いQ値が確保されます。

このような共振器は、非線形光学相互作用に最適です。特に、シリカマイクロスフェアは、連続波のコンパクトで狭線幅な可変波長光源としての周波数発生器として大きな可能性を秘めています。電極マイクロスフェアの作製に融接技術を用いる関心は、散乱損失を低く抑えることができ、その結果として非常に高いQ値（品質係数）を実現できることに基づいています。

マイクロスフィアに光を結合させるため、自作のテーパーファイバーを使用しました。高い結合効率と高い共振器ビルドアップ係数により、低い連続波ポンプ光電力で非線形カー効果を誘発することができます。テーパー作成の手順については、当研究室の技術者であるFranco Cosiが実演します。

マイクロスフィアを作成するために、まず作業用のファイバーを用意します。シングルモードシリカファイバーを用いてマイクロスフィアを作成するために必要な器具を揃えます。これには、ファイバー、アセトン、光学コーティングストリッパー、およびファイバークリーバーが含まれます。

さらに、融接機を用意してください。ストリッパーを使用して、ファイバ端端のアクリルコーティングを約1-2 cm除去します。その後、剥離した部分を清潔なワイプとアセトンで清掃します。

ファイバーの端をファイバークリーバーにセットし、切断してストリップ部分を分離します。クリーバーから切断したファイバーを回収します。ファイバーの先端を融着接合機へ移動させます。

そこで、メーカーのガイドラインに従ってファイバーを配置し、固定します。カバーを閉じ、アーク出力とアーク時間が正しいことを確認してから、アークを開始します。ディスプレイで進捗を確認してください。

アークによってガラスが溶けると、表面張力によりファイバーの端が球状になり始めます。球状に形成され始めたら、アークを停止してカバーを開けてください。ホルダー内のファイバーを取り出し、球状を維持するために90度回転させ、再びファイバーを固定します。

カバーを閉じ、アークを再点灯させます。5〜10分かけてこのような90度の回転を少なくとも3回行うことで、約160 µmのマイクロスフィアが作製されます。マイクロスフィアとそのファイバーステムを取り出す際は、当日中に保存または使用できるよう準備してください。

このT字型ホルダーは、光結合実験に使用するために翻訳ステージに取り付け可能です。中央にはマイクロスフィアのファイバステムを通すためのチャンネルがあります。マイクロスフィアがホルダーの上方で遮られないように、マイクロスフィアのステムの残端部分をチャンネルに配置してください。

ステムを透明なテープで固定します。次に、マイクロスフィアに光を結合させるためのテーパーファイバーを作成します。これには、ファイバーの両端をゆっくりと引き離すことができる装置が必要です。

シングルモードシリカファイバーを用意し、その中心点を特定します。光学コーティングストリッパーを使用して、この中心点付近のコーティングを約3-4 cm除去します。除去後、ファイバーの剥離部分にアルミナシリンダーを被せ、これをオーブンとして使用します。

次に、ベアファイバ端接コネクタを使用して、ファイバの一端を635 nanometersで動作可能なレーザーに接続します。ファイバのもう一端をパワーメーターに接続します。ファイバを設置したら、酸素ブタン炎を用いて、アルミナシリンダーをシリカの融点である約2,100 degrees Celsiusに近い温度まで加熱するように準備します。

ファイバープラーを起動し、2つの端をゆっくりと互いに遠ざかるように移動させます。635 nmのレーザーをオンにした状態で、パワーメーターを用いてファイバーを透過する出力をモニターします。数値の変化は、テーパリングが進行していることを示しています。

この時点で、ファイバーを引くのを止め、火を消します。時折、パワーメーターの入力端からファイバーを取り出し、ビームカードにファイバー出力を投影して、テーパリング工程中に均一な円形スポットが維持されているかを確認してください。シリンダーを含むすべての装置から切り離した後に、ファイバーの作業を行ってください。

U字型にカットしたガラス製顕微鏡スライドを、ファイバーのテーパー部分の近くに配置します。次に、テーパー部分がU字の中心に来るようにファイバーをスライドの上に置きます。ファイバーをピンと張った状態で、ファイバーとスライドが重なっている部分に接着剤を塗布し、ファイバーを固定します。これで、テーパーファイバーを用いてマイクロスフィアに光を結合させる準備が整いました。

これを実現するために、マイクロスフィア用とテーパーファイバー用に、それぞれ独立した移動ステージを使用します。圧電アクチュエータを備えたステージに、マイクロスフィアが上を向くようにして、マイクロスフィアを固定したT字型ホルダーを取り付けます。もう一方の移動ステージには、マイクロスフィアのファイバーステムに対して垂直になるようにファイバーを配置したガラススライドを取り付けます。

終端処理済みファイバーケーブルを使用して、テーパーファイバーの一端を波長可変ダイオードレーザーに接続します。もう一方の端をインジウムガリウム亜森化物（InGaAs）フォトダイオード検出器に接続します。次に、マイクロ球とテーパーの間のギャップを観察するために使用する顕微鏡チューブの下に、2つの移動ステージを配置します。

ファイバテーパーとマイクロスフィアが、翻訳ステージの移動範囲内に収まるように2つを配置してください。さらに、顕微鏡チューブに対して45度の角度にミラーを配置し、テーパーの垂直方向の位置をモニターできるようにします。翻訳ステージと顕微鏡チューブからのフィードバックを用いて、マイクロスフィアを配置してください。

目的は、マイクロスフィアの赤道をテーパーに接触させることです。これが完了したら、連続波レーザーをオンにし、オシロスコープで透過スペクトルをモニターします。スペクトルに共鳴によるローレンツ型のディップが現れるまで、レーザーを調整してください。

共鳴線幅を測定し、Q値を算出します。さらに、テーパーと球の間のギャップの関数として結合効率を調査することで、実験を継続します。非線形効果を誘発させる良好な共鳴を見つけるためには、ファイバー結合が極めて重要です。

優れた共鳴は幅が狭く、低出力で高いコントラストを示します。誘導ラマン散乱を実現するためのセットアップを準備します。15,015ナノメートルで動作する可変波長ダイオードレーザーからの光が、テーパファイバーに入射します。

レーザーの後段に、非線形効果を得るためにレーザー出力を増幅させるエルビウム添加光ファイバ増幅器があります。次に、アッテネータとインラインファイバ偏光子へと続きます。その後、光はテーパーを通り、マイクロスフィアに結合されます。

マイクロスフェアを通過した後、3 dBmのスプリッターがあります。スプリッターの一方の出力は光スペクトラムアナライザへと導かれ、もう一方はオシロスコープに接続された光検出器へと導かれます。

熱的な自己ロックを実現するため、レーザーを高い周波数から低い周波数へと調整します。オシロスコープで、波長走査速度に匹敵する熱ドリフトを伴う共鳴を観察してください。熱的な自己ロックが達成されると、共鳴幅が広がります。

光スペクトラムアナライザに入力される出力電力を確認します。アッテネータを操作して、ラマンレーザー線が現れるまで電力を上げます。ラマンレーザー線は、ポンプ波長から約 13.5 terahertz デチューニングされています。

これは、約 1,547 nmでポンプ光を照射した直径 50 µmのマイクロ球による測定結果です。ポンプ波長の両側に、約 13 nm離れた2本の四光波混合線が見られます。また、約 1,610 nmと 1,710 nmに2本の誘導ラマン散乱線が存在します。

98ナノメートルの球体を用いた測定でも、同様の結果が得られました。この場合、ポンプ光のピークは1,551ナノメートルにあります。誘導ラマン散乱線は1,646ナノメートルを中心としています。

誘導アンチストークス・ラマン散乱線は約1,452ナノメートルを中心としています。誘導アンチストークス線付近の対称線は、縮退四光波混合によるものです。ラマンコーンは1,666ナノメートルを中心としています。

直径40 µmのマイクロスフィアから得られたこのスペクトルは、その周波数が共振器モードと共鳴し、ポンプ光および誘導ストークス信号と位相整合した際に、誘導アンチストークス増強が起こることを示しています。ポンプ周波数は1, 540 nm、ストークス線は1, 630 nm、アンチストークス線は1, 460 nmです。直径65 µmのマイクロスフィアから得られたこのスペクトルでは、誘導アンチストークス散乱と誘導ストークス散乱の比が1に近い値となっています。

ポンプ光の周波数は1,572ナノメートルに、ストークス線は1,640ナノメートルに、アンチストークス線は1,490ナノメートルに設定されています。このビデオを視聴することで、高Q値シリカマイクロスフィアの作製方法、ファイバーテーパーの作成方法、および光・物質の基礎的な相互作用を研究するためのマイクロレゾネーターへの効率的な光結合方法について深く理解することができます。誘電体マイクロスフィアは、現代の光学において極めて重要な役割を果たすフォトニックプラットフォームです。

非常に小さな体積で光を長時間閉じ込めることができるため、これらはCW非線形周波数変換に利用可能です。実証されているマイクロ共振器技術は、バイオセンシングにも効果的に活用できます。当研究グループは、この分野で優れた成果を上げています。