Microspherical 위스퍼 링 갤러리 모드 공진기에 자극 스톡스와 Antistokes 라만 산란

본 절차의 전반적인 목표는 소형 레이저 광원부터 생화학적 센싱에 이르는 광학 및 포토닉스 응용 분야를 위해 실리카 마이크로 구형 위스퍼링 갤러리 모드(whispering-gallery-mode) 공진기를 사용하여 새로운 광주파수를 생성하는 것입니다. 위스퍼링 갤러리 모드 마이크로 공진기 내에서 빛은 강력한 공간적 가둠과 긴 공동 수명의 독특한 조합으로 안내될 수 있습니다. 낮은 손실은 높은 품질 계수(quality factor)를 보장합니다.

이러한 공진기는 비선형 광학 상호작용에 매우 적합합니다. 특히, 실리카 마이크로스피어는 연속파 소형, 좁은 선폭 및 가변 파장 광원을 위한 주파수 생성기로서 큰 잠재력을 보여줍니다. 마이크로스피어 제작에 융합 기술을 사용하는 이유는 낮은 산란 손실을 달성할 수 있으며, 결과적으로 매우 높은 품질 계수를 얻을 수 있기 때문입니다.

우리는 마이크로구체에 빛을 결합시키기 위해 자체 제작한 테이퍼 파이버를 사용했습니다. 높은 결합 효율과 높은 캐비티 빌드업 계수는 낮은 연속파 펌프 전력으로도 비선형 커 효과를 유발할 수 있습니다. 테이퍼 제작 과정의 시연은 저희 실험실의 기술자인 Franco Cosi가 맡을 예정입니다.

마이크로스피어를 제작하려면 먼저 작업에 사용할 일정 길이의 광섬유를 준비하십시오. 싱글모드 실리카 광섬유를 사용하여 마이크로스피어를 제작하는 데 필요한 장비를 준비합니다. 여기에는 광섬유, 아세톤, 광섬유 코팅 스트리퍼 및 광섬유 절단기가 포함됩니다.

또한, 융착 접속기를 준비하십시오. 스트리퍼를 사용하여 광섬유 끝부분의 아크릴 코팅을 약 1-2 cm 제거합니다. 그 다음, 깨끗한 와이프와 아세톤으로 피복이 제거된 부분을 닦아냅니다.

광섬유의 끝부분을 광섬유 절단기에 넣고 절단하여 스트리핑된 부분을 분리합니다. 절단기에서 절단된 광섬유를 수거합니다. 광섬유 팁을 융착 접속기로 이동시킵니다.

그곳에 파이버를 배치하고 제조사의 지침에 따라 고정합니다. 커버를 닫고 아크 전력과 아크 지속 시간이 정확한지 확인한 후, 아크를 시작합니다. 디스플레이를 통해 진행 상황을 모니터링하십시오.

아크가 유리를 녹이면 표면 장력으로 인해 파이버 모양이 구형으로 형성되기 시작합니다. 구형이 형성되기 시작하면 아크를 멈추고 커버를 엽니다. 홀더에 있는 파이버를 꺼내 구형 모양을 유지하도록 90도 회전시킨 다음, 파이버를 다시 고정합니다.

덮개를 닫고 아크를 다시 시작합니다. 5~10분 동안 이러한 90도 회전을 최소 3회 수행하면 약 160 µm의 마이크로구체가 생성됩니다. 마이크로구체와 그 섬유 줄기를 제거할 때, 이를 즉시 보관하거나 하루 이내에 사용할 수 있도록 준비하십시오.

이 T자형 홀더는 광 결합 실험에 사용할 수 있도록 이동 스테이지에 장착 가능합니다. 홀더 중앙에는 마이크로스피어의 파이버 스템을 위한 채널이 있습니다. 마이크로스피어가 홀더 위로 가려지지 않도록 마이크로스피어의 남은 스템 끝부분을 채널에 배치하십시오.

투명 테이프로 줄기를 고정합니다. 이제 마이크로구체에 빛을 결합시키기 위해 테이퍼드 파이버(tapered fiber)를 제작합니다. 이를 위해서는 파이버 끝단을 천천히 당길 수 있는 장치가 필요합니다.

싱글모드 실리카 광섬유를 준비하고 그 중간 지점을 확인합니다. 광섬유 코팅 제거기를 사용하여 이 지점을 중심으로 약 3-4cm의 코팅을 제거합니다. 제거가 완료되면, 가열로 역할을 할 알루미나 실린더를 코팅이 제거된 광섬유 부분에 끼웁니다.

다음으로, 베어 파이버 터미네이터(bare fiber terminator)를 사용하여 광섬유의 한쪽 끝을 635 nanometers에서 작동 가능한 레이저에 연결합니다. 광섬유의 다른 쪽 끝은 파워 미터에 연결합니다. 광섬유가 배치되면, 산소-부탄 화염을 사용하여 알루미나 실린더를 실리카의 녹는점인 약 2,100 degrees Celsius에 가까운 온도로 가열하도록 준비합니다.

파이버 풀러를 작동시켜 양 끝단이 서로 천천히 멀어지게 합니다. 635 nanometer 레이저를 켠 상태에서 파워미터로 파이버를 통해 전달되는 출력을 모니터링합니다. 변화하는 값은 테이퍼링이 진행 중임을 나타냅니다.

이 시점에서 파이버를 당기는 것을 멈추고 불꽃을 끕니다. 간혹 파워 미터 입력단에서 파이버를 분리하여 빔 카드에 파이버 출력을 투영함으로써, 테이퍼링 과정 동안 균일한 원형 스폿이 유지되는지 확인하십시오. 실린더를 포함한 모든 장비에서 파이버를 분리한 후에 작업을 수행하십시오.

U자 형태로 절단된 유리 현미경 슬라이드를 파이버의 테이퍼 부근에 배치합니다. 다음으로, 테이퍼 부분이 U자 중앙에 오도록 파이버를 슬라이드 위에 놓습니다. 파이버를 팽팽하게 유지한 상태에서 파이버와 슬라이드가 겹치는 부분에 접착제를 도포하여 파이버를 고정합니다. 이제 테이퍼드 파이버를 사용하여 마이크로스피어에 빛을 결합할 준비를 합니다.

이를 위해 마이크로구체와 테이퍼드 파이버에 각각 별도의 이동 스테이지를 사용하십시오. 압전 액추에이터가 장착된 스테이지에 마이크로구체가 위를 향하도록 마이크로구체가 고정된 T자형 홀더를 장착하십시오. 다른 이동 스테이지에는 파이버가 마이크로구체 파이버 줄기에 수직이 되도록 파이버가 놓인 유리 슬라이드를 장착하십시오.

종단 처리된 광섬유 케이블을 사용하여 테이퍼 광섬유의 한쪽 끝을 가변 다이오드 레이저에 연결합니다. 다른 쪽 끝은 인듐-갈륨-비소 광다이오드 검출기에 연결합니다. 이제 마이크로구체와 테이퍼 사이의 간격을 관찰하는 데 사용할 현미경 경통 아래에 두 개의 이동 스테이지를 배치합니다.

파이버 테이퍼와 마이크로스피어가 이동 스테이지의 이동 거리 내에 위치하도록 두 장치를 배치해야 합니다. 또한, 테이퍼의 수직 위치를 모니터링하기 위해 현미경 튜브에 대해 45도 각도로 거울을 배치하십시오. 이동 스테이지와 현미경 튜브의 피드백을 이용하여 마이크로스피어의 위치를 잡으십시오.

목표는 마이크로스피어의 적도가 테이퍼와 접촉하도록 하는 것입니다. 접촉이 완료되면 연속파 레이저를 켜고 오실로스코프로 투과 스펙트럼을 모니터링하십시오. 스펙트럼에 공진으로 인한 로렌츠 모양의 딥(dip)이 나타날 때까지 레이저를 튜닝하십시오.

공진 선폭을 측정하고 품질 계수를 계산하십시오. 테이퍼와 구체 사이의 간격에 따른 결합 효율을 탐구하여 실험을 계속하십시오. 비선형 효과를 유도할 수 있는 우수한 공진을 찾기 위해서는 광섬유 결합이 매우 중요합니다.

양호한 공명은 폭이 좁고, 낮은 출력에서도 높은 대비를 나타냅니다. 유도 라만 산란을 구현하기 위해 장치를 준비하십시오. 15,015 nm에서 작동하는 가변 파장 다이오드 레이저의 빛이 테이퍼드 광섬유로 들어갑니다.

레이저 이후에는 비선형 효과를 달성하기 위해 레이저 출력을 높여주는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기가 있습니다. 다음으로 감쇠기와 인라인 광섬유 편광자가 이어집니다. 그 후 빛은 마이크로스피어에 결합된 테이퍼를 통과합니다.

마이크로스피어를 통과한 후, 3-dBm 스플리터가 있습니다. 스플리터의 출력단 중 하나는 광스펙트럼 분석기로 연결됩니다. 다른 하나는 오실로스코프에 연결된 광검출기로 연결됩니다.

열적 자기 잠금(thermal self-locking)을 달성하기 위해 레이저를 고주파수에서 저주파수 방향으로 튜닝하십시오. 오실로스코프에서 파장 스캔 속도와 유사한 열 드리프트(thermal drift)가 발생하는 공명 상태를 관찰하십시오. 열적 자기 잠금이 이루어지면 공명 폭이 넓어집니다.

광학 스펙트럼 분석기로 전달되는 출력 전력을 확인하십시오. 라만 레이저 라인이 나타날 때까지 감쇠기를 조절하여 전력을 높이십시오. 라만 레이저 라인은 펌프 파장에서 약 13.5 terahertz만큼 디튜닝되어 있습니다.

이것은 약 1,547 nm에서 펌핑된 직경 50 µm 마이크로구체의 측정 결과입니다. 펌프 파장의 양측으로 약 13 nm 떨어진 곳에 두 개의 4광자 혼합(four-wave mixing) 선이 나타납니다. 두 개의 유도 라만 산란(stimulated Raman scattering) 선은 약 1,610 nm와 1,710 nm에서 관찰됩니다.

98nm 구체에 대한 측정에서도 유사한 결과가 나타났습니다. 이 경우, 펌프 피크는 1,551nm에 위치합니다. 유도 라만 산란선은 1,646nm를 중심으로 형성됩니다.

자극 안티스토크스 라만 산란선은 약 1, 452 nanometers에서 중심을 이룹니다. 자극 안티스토크스 선 근처의 대칭선들은 축퇴 4파 혼합에 의해 발생한 것입니다. 라만 콘은 1, 666 nanometers에서 중심을 이룹니다.

지름 40 µm 마이크로구체에서 얻은 이 스펙트럼은 주파수가 공동 모드와 공명하고 펌프 및 유도 스토크스 신호와 위상 정합될 때 유도 안티스토크스 증폭이 일어남을 보여주는 증거를 제공합니다. 펌프 주파수는 1,540 nm, 스토크스 선은 1,630 nm, 안티스토크스 선은 1,460 nm입니다. 65 µm 마이크로구체에서 얻은 이 스펙트럼은 유도 안티스토크스 대비 유도 스토크스 산란 비율이 1에 가깝습니다.

펌프 주파수는 1, 572 nanometers, 스토크스 선은 1, 640 nanometers, 안티스토크스 선은 1, 490 nanometers에 중심을 둡니다. 이 영상을 시청한 후, 여러분은 고-Q 실리카 마이크로스피어를 제작하는 방법, 파이버 테이퍼를 인발하는 방법, 그리고 기본 광-물질 상호작용을 연구하기 위해 마이크로 공진기에 빛을 효율적으로 결합하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 유전체 마이크로스피어는 현대 광학에서 매우 중요한 역할을 하는 광학 플랫폼입니다.

이들은 매우 작은 부피 내에서 빛을 장시간 가둘 수 있는 능력 덕분에 CW 비선형 주파수 변환에 활용될 수 있습니다. 입증된 마이크로 공진기 기술은 바이오센싱 분야에서도 효과적으로 활용될 수 있으며, 저희 연구 그룹은 이 분야에서 우수한 성과를 거두고 있습니다.