이 콘텐츠를 보려면 JoVE 구독이 필요합니다. 로그인하거나 오늘 무료 평가판을 시작하세요.

방법 논문

Microspherical 위스퍼 링 갤러리 모드 공진기에 자극 스톡스와 Antistokes 라만 산란

10.8K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/53938

⸱

2016년 4월 4일

 ,  ,  ,  ,  , 
1Enrico Fermi Center, 2Institute of Applied Physics “N. Carrara”, IFAC-CNR

이 논문에서

요약

3 차 광학 비선형 감수성과 관련된 비선형 현상의 효율적인 생성 Χ (3) 삼중 공진 실리카 마이크로 스피어의 상호 작용이 논문에 제시되어있다. 보고 여기의 상호 작용은 다음과 같습니다 자극 된 라만 산란 (SRS) 및 자극 된 안티 - 스톡스 라만 산란 (SARS)를 포함하는 네 개의 파 혼합 처리합니다.

초록

유전체 미소는 높은 품질 계수 속삭이는 갤러리 모드를 통해 시간의 길이 (WGM)에 대한 빛과 소리를 한정 할 수 있습니다. 소형 레이저 소스, 고감도 생화학 센서 및 비선형 현상 : 유리 마이크로 스피어는 응용 프로그램의 거대한 다양한 에너지의 저장소로 생각 될 수있다. 미세과 커플 링 시스템 모두의 제조를위한 프로토콜이 제공됩니다. 여기에 기술 된 커플러는 테이퍼 섬유이다. 3 차 광학 비선형 감수성과 관련된 비선형 현상의 효율적인 생성 Χ (3) 삼중 공진 실리카 마이크로 스피어의 상호 작용이 논문에 제시되어있다. 보고 여기의 상호 작용은 다음과 같습니다 자극 된 라만 산란 (SRS) 및 자극 된 안티 - 스톡스 라만 산란 (SARS)를 포함하는 네 개의 파 혼합 처리합니다. 캐비티 강화 현상의 방지가 펌프 신호 및 아이들러 간의 상관 관계의 부족으로 주어진다 공진 모드는 쌍을 획득하기 위해 존재해야신호 및 아이들러의. hyperparametric 진동의 경우 (사 광파 혼합과 자극 반 스톡스 라만 산란)에서, 모드는 에너지와 운동량 보존을 수행하고, 마지막으로를, 좋은 공간 중복이 있어야합니다.

서론

속삭이는 갤러리 모드 공진기 (WGMR)는 비선형 현상 1-3의 임계 값의 감소를 수있는 두 가지 독특한 특성, 긴 광자 수명과 작은 모드 볼륨을 보여줍니다. 위스퍼 링 갤러리 모드는 내부 전반사에 의해 층간 무선 인터페이스에 한정되는 광 모드이다. 상기 시간 제한은 상기 캐비티의 품질 팩터 Q와 관련되는 반면 작은 모드 볼륨은 높은 공간 구속에 기인한다. WGMR 다른 형상을 가질 수 있고, 높은 Q의 공진기를 높은 품질 요소로 변환 원자 규모 거칠기 근처 실리카 미립자 전시 등 4-6 표면 장력 공동을 얻기위한 적합한 다른 제조 기술이있다. 감금의 두 가지 유형이 크게 인해 WGMR 내부의 강한 에너지 축적에 비선형 효과에 대한 임계 값을 줄일 수 있습니다. 또한 연속파 (CW) 비선형 광학 수 있습니다.

WGMR는 일을 사용하여 설명 할 수있다수소 원자 7 강한 유사 전자 양자 숫자 N, L, m 및 편광 상태. 구형 대칭은 반경 방향 및 각도 의존성에서 분리 할 수​​ 있습니다. 반경 방향 용액은 베셀 함수, 구형 고조파 (8)에 의해 각 사람에 의해 주어진다.

실리카 유리 그러므로, Χ 관련 2 차 현상이 (2) 상호 작용이 금지되어, 중심 대칭입니다. 마이크로 스피어의 표면에, 대칭 반전 끊어지고 Χ (2) 현상은 제 1 관찰 할 수있다. 그렇지만, 2 차 주파수 발생에 대한 위상 정합 조건이 포함 된 파장이 상당히 상이하고, 분산액의 역할이 매우 중요 할 수 때문에 특히, 3 차 주파수 발생에 상응하는보다 문제가있다. 2 차 상호 작용은 매우 약하다. 반면 생에 대한 Q 3 생성 된 전력 저울번째 순서의 상호 작용을 Q 4 생성 된 전력 규모. 9 이러한 이유로,이 작품의 초점은 3 차 광학 비선형 감수성 Χ (3) 자극 된 라만 산란 (SRS) 및 자극 된 Antistokes 라만 산란 등의 상호 작용 (SARS)입니다 , SARS 덜 탐구 상호 작용 10, 11을 주도했습니다. 장 12 Campillo은 (13)는 매우 비선형 WGMR 같은 물질하지만, 펌프 레이저 대신 CW의 펄스 한 방울을 사용하여 비선형 현상의 연구를 개척했다. 실리카 마이크로 스피어 14,10 및 microtoroids (15)은 지난 수십 년에 많은 관심을 얻고, 미세 물방울에 비해보다 안정적이고 강력한 플랫폼을 제공했다. 특히, 실리카 마이크로 스피어는 제조 및 취급이 매우 용이하다.

SRS는 임계치에 도달하면 충분하기 때문에 쉽게 실리카 WGMR 14,15으로 달성 될 수있는 순수한 이득 공정이다. 이 경우, 높은 circulatiWGMR 내부 강도를 ng를하는 라만 레이저 발진을 보장하지만, 파라 메트릭 진동을 위해 충분하지 않습니다. 이 경우, 효율적인 진동 위상 및 모드 매칭, 에너지와 운동량 보존 법칙과 모든 공진 모드의 좋은 공간 중복 16-18을 충족 할 필요합니다. 이것은 일반적으로 SARS 및 FWM의 경우입니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

프로토콜

품질 마이크로 스피어의 초고 요인 1. 제작

  1. 광학 스트리퍼를 사용하여 아크릴 코팅 오프 표준 단일 모드 (SMF) 실리카 섬유의 약 1-2cm를 제거.
  2. 아세톤으로 제거 부분을 청소하고 절단.
  3. 융착 접속기의 일 아암의 절단 끝 도입 플라이 컨트롤러를 사용하는 전기 아크 방전의 시리즈를 생성한다. , 플라이 컨트롤러 메뉴에서 "수동 조작"을 선택 아크 전력 레벨에 대한 값을 설정하고 각각 60와 800 밀리 초에 기간을 호; "호"를 선택하고 하단의 "+"를 누릅니다.
  4. 구 모양을 복용하면, 중지 90 °로 섬유를 회전 단계 1.3를 반복합니다.
  5. 반복 단계 1.3 적어도 4 회 약 160 ㎛의 미세 구를 얻는다. 약 260 ㎛의 미세을 얻기 위해 16 번 반복합니다.
    주 : 전기 아크 방전이 석영 유리를 융해하는 데 필요한 높은 용융 온도를 생성한다. SURFAC전자 장력은 mollified 섬유 끝에서 회전 타원체를 그릴 것입니다; 이 19도 1에서 알 수있는 바와 같이 구체의 크기는 약 350 ㎛의 직경에 포화 아크 쇼트 수에 정비례한다. 회전은 공진기의 구형을 보장한다.

2. 테이퍼 섬유 그리기

주 : 테이퍼 섬유도 microresonators으로 광을 결합하기위한 필요하다. 마이크로 스피어의 크기는 테이퍼의 허리를 결정할 것이다. 구형 직경 125 ㎛의보다 큰 경우, 테이퍼의 직경은 약 3-4 ㎛ 인 일 수있다. 작은 것 들어, 테이퍼의 직경이 작아야 1-2 μm의 말한다. 로우 레벨의 손실을 유지하고 테이퍼 섹션의 단지 하나의 모드 (기본 하나)을 갖기 위해, 테이퍼 단열 (가는 직경과 두께에서 점진적)이어야한다. 단열 테이퍼 부분의 전형적인 전체 길이는 약 2cm입니다. Figu이 재 섬유 당기는 홈 만들어진 장치를 나타내고,도 3a는 일반적인 허리 영역의 microphoto를 나타낸다.

  1. 스트립 3-4 광 스트리퍼를 사용하여 아크릴 코팅 오프 표준 단일 모드 (SMF) 실리카 섬유 cm, 및 섬유 레이저 (입력) 및 파워 미터 (출력)에 종료 연결합니다. 스트리핑 영역이없는 한 끝에, 섬유의 중간에 약 있는지 확인합니다. 섬유 레이저와 파워 미터에 종료 연결할 수하기 위해 베어 섬유 터미네이터를 사용합니다. 레이저와 워크 벤치의 상단에 전원 측정기를 놓습니다.
  2. 짧은 알루미나 실린더 내부의 제거 섬유 및 당기는 과정에서 동시에 작동이 번역 단계에 섬유의 코팅 끝을 놓습니다.
  3. 실리카의 융점 (약 2100 ℃)에 가까운 온도로 산소 - 부탄 불꽃에 의해 알루미늄 실린더 (즉 오븐 역할) 가열한다.
  4. obse에서 테이퍼의 adiabaticity을 추론635 nm에서 동작하는 레이저 광의 전송 rvation. 어떤 모드 스크램블링하지가 발생하는 것을 나타내는, 테이퍼 동안 출력에서​​ 균일 한 원형 반점이 보존되어 있는지 확인합니다. 당기 중지하고 전송 전력이 진동을 중지하고, 시간이 지남에 따라 일정 할 때 불꽃을 은퇴.
  5. 테이퍼를 수용하는 U 형태의 형상을 현미경 유리 슬라이드에 테이퍼 광섬유 접착제 (도 3b 참조). 차원 76x26x1.2 mm의 현미경 유리 슬라이드를 사용합니다.

작은 마이크로 스피어 3. 제작

참고 : 입은 표준 섬유의 크기 아래에 직경이 작은 미소가 섬유의 이전 테이퍼가 필요합니다. 이 방법을 이용하여 얻어진 최소 직경은 대략 25 μm의 것이다.

  1. (2) 다음으로,이 휴식까지 당겨, 테이퍼 섬유를 그립니다.
  2. 플라이 공동의 값을 수정, 섹션 1 (UHQ 마이크로 스피어의 제조)하지만, 단계 1.3의 모든 단계를 수행ntroller으로는 다음과 같습니다 아크 전원 (20), 아크 기간 1,200 밀리 초.

미세 구에 4 커플 링 라이트

참고 : 우리는 마이크로 스피어에 몇 가지 빛에 테이퍼를 사용하여 마이크로 공진기의 공진을 측정한다.

  1. 4.1. 중간에 채널을 가진 T 모양의 PVC / 알루미늄 홀더를 준비합니다. 홀더에 스카치 매직이나 종이 접착 테이프의 조각으로 마이크로 스피어의 잔류 섬유 줄기를 수정합니다. 압전 액츄에이터 및 20 nm의 위치 해상도로 번역 단계로 두 개의 나사와 홀더를 클램프.
  2. 미세 구 섬유 줄기에 수직으로 위치 슬라이드 평면과 다른 번역 단계로 유리 슬라이드에 붙어 테이퍼를 수정합니다. 종료 화이버에 테이퍼 단부 스플 라이스. 한 파장 가변 다이오드 레이저 단부와의 InGaAs 광 다이오드 검출기에 다른 하나를 연결합니다.
  3. 공동 긴 작동 거리 (> 20mm)과 현미경 튜브를 사용테이퍼 및 미세 사이의 간격을 ntrol. 마이크로 스피어의 적도에 대하여 테이퍼를 제어 할 수있는 위치되도록 튜브 방향에 대하여 반대 방향의 위치에 4​​5 ° 미러 시스템을 모니터하기 위해.
    1. 테이퍼 섬유와 접촉 마이크로 스피어의 적도를 놓습니다.
  4. 레이저의 전원을 켜고 오실로스코프의 미세 테이퍼 시스템의 전송 스펙트럼을 확인합니다.
    1. 공진이 나타날 때까지 조정은 CW 레이저는 1550 nm에서 동작. 로렌츠 스펙트럼에서 딥 모양으로 공진이 식별 될 수있다.
  5. 공진 선폭합니다 (로렌 시안 모양의 딥의 전체 폭의 절반 최대)를 측정한다. 공진 선폭 나눈 펌프의 주파수와 Q 팩터를 계산한다.
  6. 상기 구 및 테이퍼 사이의 갭을 ​​증가 증가 / 커플 링 효율을 감소시키는 공진의 폭과 깊이를 모두 변경 / 줄인다.
5. 자극 라만 산란

  1. 1,550 nm의 감쇠기에서 동작 CW 레이저와 어븀 첨가 광섬유 증폭기 (EDFA)를 삽입합니다. EDFA는 1,530-1,570 나노 미터의 파장 범위에서 작동합니다. . 이것은 높은 입력 전력을 2 W. 비선형 효과의 최대 출력 전력을 필요 도달하는 레이저 출력을 높일 것 (4)는 실험 장치의 스케치를 나타낸다 참고.
  2. 3 dBm의 스플리터에 종료 광섬유 케이블 테이퍼의 한쪽 끝을 연결합니다. 광 스펙트럼 분석기 및 오실로스코프에 연결된 광 검출기에 대한 다른 하나의 스플리터 출력 섬유 중 하나를 연결한다.
  3. 레이저의 파장 스캔 속도에 필적하는 열 드리프트와 공진까지 조정 낮은 주파수 높은에서 레이저가 발견된다. 열 셀프 로크 (20)가 달성 될 때 공진의 폭이 넓어 오실로스코프에서 볼 수있다.
  4. 테이퍼 통해 송신 출력 전력을 점검광 스펙트럼 분석기로. 라만 레이저 라인이 나타날 때까지 전원을 늘립니다. 그것은 약 13.5 테라 헤르츠에서 펌프 파장에서 이조된다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

결과

미소 구체의 Q 인자 프로토콜이 상기 큰 직경이 108 (도 5) (> 200 μm의) 초과 작은 직경이 106 (<50 μm의) 초과 다음 제조. (중요 커플 링에 가까운) 95 % 이상 공명 대비가 쉽게 관찰 할 수있다. 고 순환 농도의 경우, 적외선 영역에서의 다음의 비선형 효과가 관찰 될 수있다 : (SRS)를 라만 산란 자극, SRS 21 캐스케이드 반 스톡스 라만 산란 (SARS) 및 사 광파 혼합 (FWM)를 자극 FWM 변성. 라만 이득은, 동일한 방법으로 앞으로 여행 빛과 역방향을 증폭 SRS에 대한 서 파도를 생성하고 SRS 캐스케이드. FWM 쌍은 파도를 여행. 측정의 일례는도 6 및도 7에서 볼 수있다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

토론

마이크로 컴팩트하고 효율적인 비선형 발진기 그리고 그들은 제조 및 취급이 매우 용이하다. 테이퍼 섬유 커플 링 공진기 /로부터의 광을 추출하기 위해 사용될 수있다. 95 %까지의 공진 대비 약 3 × 108의 Q 인자를 얻을 수있다.

이러한 제조 기술의 주요 제한은 대량 생산과 통합된다. 섬유의 청결도가 미세하고 테이퍼 모두에게 중요하다 습도 등이다. 두 디바이스는 오래 지속 실험실 생활 건조한 환경에서 보관해야합니다. 매우 얇은 테이퍼는 연약; 결합하면 큰주의를 기울여야합니다. Q 값에 대해서는, 미세 구 크기는 중요 할 수있다. 50 ~ 500 μm의에 이르기까지 직경 미소에서, Q의 10 10를 초과하는 진공 23에서 설명하고있다. 마이크로 스피어의 고유 Q는 손실 여러 종류의 기여에 의해 결정됩니다 고유의 곡률손실 (Q의 RAD) 잔류 표면 불균일성의 라만 산란 및 레일리 산...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

공개 사항

저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다. D.F.는 파르마 대학교의 박사 과정 학생입니다.

감사의 글

Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi

Ente Cassa di Risparmio di Firenze (번호 2014.0770A2202.8861)

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
광섬유코닝SMF28
섬유 코팅 스트리퍼ThorlabsT06S13다른 공급업체에서도 사용 가능
파이버 절단기FitelS325A다른 공급업체에서도 사용
융합 접속기FurakawaS177A-1R다른 공급업체에서도 사용
부탄 및 산소 가스해당 없음모든 공급 업체
현미경 튜브NavitarZoom 6000모듈러 키트
CCD 카메라해당 없음
없음 모니터없음없음모든 모니터가 유효
3축 스테이지PI 기기, Thorlabs, Melles
다양한 게시물 및 마운트Thorlabs다른 공급업체에서도 사용 가능
편광 제어ThorlabsFPC030
감쇠기ThrolabsVOA50
포토다이오드ThorlabsPDA400단종, PDA10CS-EC
오실로스코프TektronixDPO7104
광 스펙트럼 분석기AndoAQ6317B
Erbium Doped Fiber AmplifierIPG로 대체됨 포토닉스EAD-2K-C
조정 가능한 레이저YenistaTUNICS
가능 가능

참고문헌

  1. Kozyreff, G., Dominguez-Juarez, J. L., Martorell, J. Non linear optics in spheres: from second harmonic scattering to quasi-phase matched generation in whispering gallery modes. Laser Photon. Rev. 5 (6), (2011).
  2. Farnesi, D., Barucci, A., Righini, G. C., Berneschi, S., Soria, S., Nunzi Conti, G. Optical frequency generation in silica microspheres. Phys. Rev. Lett. 112 (9), 093901(2014).
  3. Liang, W., et al. Miniature multioctave light source based on a monolithic microcavity. Optica. 2 (1), 40-47 (2015).
  4. Maker, A. J., Armani, A. M. Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators. J. Vis. Exp. (65), e4164(2012).
  5. Coillet, A., Henriet, R., Phan Huy, K., Jacquot, M., Furfaro, L., Balakireva, I., et al. Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators. J. Vis. Exp. (78), e50423(2013).
  6. Han, K., Kim, K. H., Kim, J., Lee, W., Liu, J., Fan, X., et al. Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators. J. Vis. Exp. (87), e51497(2014).
  7. Arnold, S. Microspheres, Photonic Atoms, and the Physics of Nothing. American Scientist. 89 (5), 414-421 (2001).
  8. Chiasera, A., et al. Spherical whispering gallery mode microresonators. Laser Photon. Rev. 4 (3), 457-482 (2010).
  9. Helt, L. G., Liscidini, M., Sipe, J. E. How does it scale? Comparing quantum and classical nonlinear optical processes in integrated devices. J. Opt. Soc. Am. B. 29 (8), 2199-2212 (2012).
  10. Leach, D. H., Chang, R. K., Acker, W. P. Stimulated anti-Stokes Raman scattering in microdroplets. Opt. Lett. 17 (6), 387-389 (1992).
  11. Farnesi, D., Cosi, F., Trono, C., Righini, G. C., Nunzi Conti, G., Soria, S. Stimulated Antistokes Raman scattering resonantly enhanced in silica microspheres. Opt. Lett. 39 (20), 5993-5996 (2014).
  12. Qian, S. X., Chang, R. K. Multiorder Stokes emission from micrometer size droplets. Phys. Rev. Lett. 56 (9), 926-929 (1986).
  13. Lin, H. B., Campillo, A. J. CW nonlinear optics in droplet microcavities displaying enhanced gain. Phys. Rev. Lett. 73 (18), 2440-2443 (1994).
  14. Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Vahala, K. J. Ultralow threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature. 415 (6872), 621-623 (2002).
  15. Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. Kerr-Nonlinearity optical parametrical oscillation in an ultrahigh Q toroid microcavity. Phys. Rev. Lett. 93 (8), 083904(2004).
  16. Hill, S. C., Leach, D. H., Chang, R. K. Third order sum frequency generation in droplets: model with numerical results for third-harmonic generation. J. Opt. Soc. Am. B. 10 (1), 16-33 (1993).
  17. Kozyreff, G., Dominguez Juarez, J. L., Martorell, J. Whispering gallery mode phase matching for surface second order nonlinear optical processes in spherical microresonators. Phys. Rev. A. 77 (4), 043817(2008).
  18. Jouravlev, M. V., Kurizki, G. Unified theory of Raman and parametric amplification in nonlinear microspheres. Phys. Rev. A. 70 (5), 053804(2004).
  19. Brenci, M., Calzolai, R., Cosi, F., Nunzi Conti, G., Pelli, S., Righini, G. C. Microspherical resonators for biophotonic sensors. Proc. SPIE. 6158, 61580S(2006).
  20. Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. J. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Opt. Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).
  21. Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Min, B., Vahala, K. J. Theoretical and experimental study of stimulated and cascaded Raman scattering in ultrahigh Q optical microcavities. J. Sel. Quantum Electron. 10 (5), 1219-1228 (2004).
  22. Bloembergen, N., Shen, Y. R. Coupling between vibrations and light waves in Raman laser media. Phys. Rev. Lett. 12 (18), 504-507 (1964).
  23. Gorodestky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S. Rayleigh scattering in high Q microspheres. J. Opt. Soc. Am. B. 17 (6), 1051-1057 (2000).
  24. Arnold, S., Ramjit, R., Keng, D., Kolchenko, V., Teraoka, I. Microparticle photophysics illuminates viral bio-sensing. Faraday Discuss. 137, 65-83 (2008).
  25. Ozdemir, S. K., et al. Highly sensitive detection of nanoparticle with a self referenced and self-heterodyned whispering gallery Raman microlaser. Proc. Natl. Acad. Sci USA. 11 (37), E3836-E3844 (2014).

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재인쇄 및 허가

태그

Microspherical 위스퍼 링 갤러리 모드 공진기에 자극 스톡스와 Antistokes 라만 산란
문의하기
사서에게 추천하기

개인정보

이용 약관

정책

저작권 © 2026 MyJoVE Corporation. 모든 권리 보유.