Efficiënte productie van niet-lineaire verschijnselen in verband met de derde orde optische non-lineaire gevoeligheid Χ (3) interacties in drievoudig resonante silica microsferen wordt in dit document. De interacties gemeld hier zijn: gestimuleerde Raman Scattering (SRS), en vier wave mixing processen bestaande uit gestimuleerde Anti-Stokes Raman Scattering (SARS).
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Gestimuleerde Stokes en Antistokes Raman Scattering in microsferische Whispering Gallery Mode Resonators
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Diëlektrische microsferen kan licht en geluid te beperken tot een bepaalde tijd door middel van hoge kwaliteit factor fluisteren galerij modi (WGM). compacte laserbronnen, zeer gevoelige biochemische sensoren en niet-lineaire verschijnselen: glazen microbolletjes kan als een opslag van energie, met een enorme verscheidenheid aan toepassingen worden gedacht. Een protocol voor de vervaardiging van zowel de microsferen en het koppelingssysteem wordt gegeven. De hier beschreven koppelaars zijn tapse vezels. Efficiënte productie van niet-lineaire verschijnselen in verband met de derde orde optische non-lineaire gevoeligheid Χ (3) interacties in drievoudig resonante silica microsferen wordt in dit document. De interacties gemeld hier zijn: gestimuleerde Raman Scattering (SRS), en vier wave mixing processen bestaande uit gestimuleerde Anti-Stokes Raman Scattering (SARS). Een bewijs van de holte versterkte verschijnsel wordt gegeven door het gebrek aan correlatie tussen de pomp signaal en idler: een resonante modus moet bestaan om het paar te verkrijgenvan het signaal en leegloper. In het geval van hyperparametric oscillaties (menging vier wave en gestimuleerd anti-Stokes Raman scattering), moet de modes het behoud van energie en impuls te vervullen en, last but not least, hebben een goede ruimtelijke overlap.
Inleiding
Whispering gallery mode resonatoren (WGMR) tonen twee unieke eigenschappen, een lange levensduur en foton kleine mode volume dat de verlaging van de drempel van niet-lineaire verschijnselen 1-3 toestaan. Whispering Gallery modi zijn optische modi die op de diëlektrische lucht-interface zijn beperkt door totale interne reflectie. De kleine modus volume vanwege de hoge ruimtelijke beperking dat de tijdelijke beperking houdt verband met de kwaliteitsfactor Q van de holte. WGMR kunnen verschillende geometrieën en er zijn verschillende fabricagetechnieken die geschikt zijn voor het verkrijgen van hoge Q resonatoren 4-6 Oppervlaktespanning holtes zoals silica microsferen vertonen in de buurt van atomaire schaal ruwheid, wat zich vertaalt in een hoge kwaliteit factoren. Beide soorten opsluiting aanzienlijke vermindering van de drempel voor niet-lineaire effecten als gevolg van de sterke energie opbouw in de WGMR. Het staat ook continue golf (CW) niet-lineaire optica.
WGMR kan worden beschreven met behulp van the kwantumgetallen n, l, m en de polarisatietoestand met sterke analogie van het waterstofatoom 7. De sferische symmetrie maakt de scheiding radiale en angulaire afhankelijkheden. De radiale oplossing wordt gegeven door Besselfuncties, de hoekige die door de sferische harmonischen 8.
Silica glas is centrosymmetrische en dus tweede orde verschijnselen in verband met Χ (2) interacties worden verboden. Op het oppervlak van de microsfeer wordt de inversie van symmetrie gebroken en Χ (2) verschijnselen waar te nemen 1. Echter phase matching voorwaarden voor tweede-orde frequentie generatie problematischer dan het equivalent in derde generatie orderfrequentie, vooral omdat de betrokken golflengten heel anders en de rol van dispersie kan zeer belangrijk zijn. De tweede orde interacties zijn uiterst zwak. De opgewekte energie schalen met Q 3, terwijl voor een third Om de interactie van de opgewekte stroom schalen met Q 4. 9 Om die reden is de focus van dit werk is de derde orde optische non-lineaire gevoeligheid Χ (3) interacties zoals gestimuleerde Raman Scattering (SRS) en gestimuleerd Antistokes Raman Scattering (SARS) , zijnde SARS de minder bestudeerde interactie 10,11. Chang 12 en Campillo 13 een pionier in de studie van niet-lineaire verschijnselen met behulp van druppels van sterk niet-lineaire materialen WGMR maar de pomp laser werd gepulseerd plaats van CW. Silica microbolletjes 14,10 en 15 microtoroids ontvangen stabieler en robuuster platforms vergeleken met de microdruppels, het verkrijgen van veel aandacht in de afgelopen decennia. In het bijzonder silica microsferen zijn zeer eenvoudig te vervaardigen en te hanteren.
SRS is een pure winst proces dat gemakkelijk kan op silica WGMR 14,15, aangezien een drempelwaarde bereikt is voldoende. In dit geval is de hoge circulating intensiteit in de WGMR garandeert Raman laserwerking, maar parametrische oscillaties onvoldoende. In deze gevallen efficiënter oscillaties vereisen fase en mode matching, energie- en impulswet en een goede ruimtelijke overlap van resonantiemodussen te vervullen 16-18. Dit geldt voor SARS en FWM in het algemeen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Fabricage van Ultrahoog Factor van Quality microsferen
- Strip ongeveer 1-2 cm van een standaard single-mode (SMF) silica fiber buiten zijn acryl coating met een optische stripper.
- Reinig het gestripte deel met aceton en klieven het.
- Invoering van de gesplitste tip in een arm van een fusie lasapparaat en produceren een reeks van elektrische boog ontladingen met behulp van de splicer controller. Selecteer "handbediening" in het menu lasapparaat controller, stelt de waarden voor arc vermogen en de Arc de duur tot 60 en 800 msec, respectievelijk; "ARC" selecteren en druk op de bodem "+".
- , Stoppen zodra een bol vorm aan te nemen, draait u de vezel 90 ° en herhaal stap 1.3.
- Herhaal stap 1,3 minstens 4 keer een microsfeer van ongeveer 160 urn. Herhaal 16 keer een microsfeer van ongeveer 260 urn.
Opmerking: De elektrische boog ontladingen zal de hoge smelttemperatuur nodig kwartsglas smelten produceren. de surface spanning zal een bolvormige van de vertederd fiber tip te trekken; de grootte van de bolletjes is recht evenredig met het aantal shots boog, verzadigen bij een diameter van ongeveer 350 urn, zoals te zien is in figuur 1 19. De rotatie zorgt voor een bolvorm van de resonator.
2. Het tekenen van een taps toelopende Fiber
Opmerking: De tapse vezel is ook nodig voor het koppelen van licht in de microresonators. De grootte van de microbolletjes zal de taille van de tapsheid bepalen. Voor bol diameters groter dan 125 um, kan de diameter van de tapsheid van ongeveer 3-4 urn. Voor kleinere, de diameter van de conus kleiner moet zijn, zeg 1-2 urn. Om de verliezen op een laag niveau te houden en slechts één modus in de taps toelopende sectie (de fundamentele één) hebben, het afbouwen moet adiabatische (geleidelijke overgang van dik naar dun diameter) zijn. De typische lengte van het tapse gedeelte adiabatische ongeveer 2 cm. FiguRE 2 toont de zelfgemaakte inrichting voor het trekken van de vezel en Figuur 3A toont een microphoto van een typische taille zone.
- Strook 3-4 cm van een standaard single-mode (SMF) silica fiber buiten zijn acryl coating met behulp van een optische stripper, en sluit de vezeluiteinden een laser (input) en een vermogensmeter (output). Zorg ervoor dat het gestripte gebied is ongeveer in het midden van de vezel, niet aan een uiteinde. Gebruik een kale vezel terminator om te kunnen verbinden de vezeluiteinden de laser en krachtmeter. Plaats de laser en de stroom meter boven de werkbank.
- Plaats de gestripte vezel in een korte alumina cilinder en de uiteinden van de beklede vezel in twee fasen vertaling die gelijktijdig bedienen tijdens het trekproces.
- Verwarm de alumina cilinders (die fungeert als een oven) door een zuurstof-butaan vlam tot een temperatuur dichtbij een smeltpunt van silica (ongeveer 2100 ° C).
- Afleiden de adiabaticiteit van de conus van de observation van de transmissie van laserlicht werkt bij 635 nm. Controleer of aan de uitgang een homogene cirkelvormige spot behouden blijven taps, wat aangeeft dat er geen scrambling modus plaatsvindt. Stop met het trekken en met pensioen gaan de vlam wanneer het uitgezonden vermogen stopt oscillerende, en is constant in de tijd.
- Lijm de tapse vezel in een microscoop glasplaatje gevormd in de vorm van een U om de conus huisvesten (zie figuur 3B). Gebruik een microscoop glasplaatje van afmetingen 76x26x1.2 mm.
3. Fabricage van kleine microsferen
Opmerking: Kleine microbolletjes met een diameter die kleiner zijn dan een standaard glasvezel bekleed vereisen voorafgaande afbouwen van de vezel. De minimumdiameter zo verkregen ongeveer 25 urn.
- Door het volgen van deel 2, trek je een taps toelopende vezel, trekken tot het breekt.
- Volg alle stappen van deel 1 (fabricage van UHQ microsferen), maar in stap 1.3, de waarden op de splicer co wijzigenntroller als volgt: arc vermogen 20, duur arc 1200 msec.
4. Koppeling Licht in de microsfeer
Let op: We maken gebruik van de conus te koppelen licht in de microbolletjes en meet de resonanties van de microresonator.
- 4,1. Bereid een T-vormige PVC / aluminium houder met een kanaal in het midden. Bevestig de resterende fiber steel van de microsfeer met een stuk van de whisky magie of papier tape in de houder. Klem de houder met twee schroeven in een vertaling podium met piëzo-elektrische actuatoren en een positionering resolutie van 20 nm.
- Bevestig de versmalling vastgelijmd aan het glaasje in een andere vertaling podium met de schuif vlak loodrecht op de microsferen fiber steel. Splice de uiteinden van de conus aan beëindigd glasvezelkabels. Sluit het ene uiteinde van de afstembare diodelaser en de andere om een InGaAs fotodiode detector.
- Gebruik een microscoop buis met lange werkafstand (> 20 mm) om samen tentrol de spleet tussen de conus en microsfeer. Om het systeem te controleren in de andere richting plaats een spiegel bij 45 ° ten opzichte van de buis richting, zodat de positie van de conus ten opzichte van de equator van de microbolletjes kan worden geregeld.
- Plaats de evenaar van de microsferen in contact met het tapse vezel.
- Schakel de laser en controleer de transmissie spectrum van de microsfeer-conus systeem in een oscilloscoop.
- Tunen van de CW-laser werkt bij 1550 nm tot resonanties verschijnen. De resonanties kan worden geïdentificeerd als Lorentz gevormd dips in het spectrum.
- Meet de resonantie lijnbreedte (volledige breedte half maximum van de Lorentz gevormde dip). Bereken de Q factor van de frequentie van de pomp gedeeld door de resonantie lijnbreedte.
- Verkleinen / vergroten de afstand tussen de bol en de conus, veranderen zowel resonantie breedte en diepte voor het verhogen / verlagen van de koppeling efficiëntie.
- Plaats een erbium gedoteerde vezelversterker (EDFA) tussen de CW-laser werkt bij 1550 nm en de verzwakker. De EDFA werkt in het golflengtegebied van 1,530-1,570 nm. Opmerking: Dit zal de laser vermogen te vergroten, het bereiken van een maximaal vermogen van 2 W. lineaire effecten hoeven hoge input bevoegdheden Figuur 4 toont een schets van de experimentele set-up..
- Ene uiteinde van de conus met beëindigd vezelkabels een 3 dBm splitter. Één paar splitter uitgangsvezels het optische spectrum analyzer en de andere om een fotodetector die is verbonden met de oscilloscoop.
- Stem de laser van hoge naar lage frequenties tot een resonantie met een thermische drift vergelijkbaar is met de golflengte scansnelheid van de laser wordt gevonden. Wanneer de thermische zelfborgende 20 wordt hiermee de verbreding van de resonantie kan worden gezien op de oscilloscoop.
- Controleer het vermogen overgebracht door de versmallingin een optische spectrumanalysator. Verhoog de kracht totdat de Raman laser lijn verschijnt. Het wordt ontstemd de pomp golflengte bij ongeveer 13,5 THz.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De Q factoren van de microsferen vervaardigd volgens het protocol beschreven zijn dan 10 8 (figuur 5) voor grote diameters (> 200 pm) en meer dan 10 6 voor kleine diameters (<50 pm). Resonantie contrast boven 95% (bijna kritische koppeling) kan gemakkelijk worden waargenomen. Voor hoge circulerende intensiteiten, kan de volgende niet-lineaire effecten in het infrarode gebied in acht worden genomen: gestimuleerde Raman scattering (SRS), cascade...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Microsferen compacte en efficiënte lineaire oscillatoren en ze zijn zeer gemakkelijk te vervaardigen en te hanteren. Tapse vezels kan worden gebruikt voor het koppelen en het extraheren van het licht in / uit de resonator. Resonantie tegenstelling tot 95% en Q factoren van ongeveer 3 x 10 8 worden verkregen.
De belangrijkste beperking van deze vervaardigingstechnieken is massaproductie en integratie. Netheid van de vezels is essentieel voor zowel microsferen en tapers, en dus is d...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben. D.F. is een promovendus aan de Universiteit van Parma.
Dankbetuigingen
Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi
Ente Cassa di Risparmio di Firenze (nr. 2014.0770A2202.8861)
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Optical Fiber | Corning | SMF28 | |
| Fiber coating stripper | Thorlabs | T06S13 | Ook verkrijgbaar bij andere leveranciers |
| Fiber cleaver | Fitel | S325A | Ook verkrijgbaar bij andere leveranciers |
| Fusion splicer | Furakawa | S177A-1R | Ook verkrijgbaar bij andere leveranciers |
| Butane and Oxygen Gas | n/a | elke leverancier | |
| Microscope tube | Navitar | Zoom 6000 | Modulair Kit |
| CCD camera | n/a | N/A | elke camera past |
| Monitor | n/a | N/A | elke monitor is geldig |
| 3-Axis Stage | PI Instruments, Thorlabs, Melles | ||
| Assorted posts and mounts | Thorlabs | Ook verkrijgbaar bij andere leveranciers | |
| Polarization control | Thorlabs | FPC030 | Ook verkrijgbaar bij andere leveranciers |
| Attenuator | Throlabs | VOA50 | |
| Photodiode | Thorlabs | PDA400 | buiten gebruik, vervangen door PDA10CS-EC |
| Oscilloscope | Tektronix | DPO7104 | |
| Optical spectrum analyzer | Ando | AQ6317B | |
| Erbium Doped Fiber Amplifier | IPG Photonics | EAD-2K-C | |
| Tunable Laser | Yenista | TUNICS |
Referenties
- 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).
- 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).
- Liang, W., et al. Miniature multioctave light source based on a monolithic microcavity. Optica. 2 (1), 40-47 (2015).
- Maker, A. J., Armani, A. M. Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators. J. Vis. Exp. (65), e4164(2012).
- 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).
- 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).
- Arnold, S. Microspheres, Photonic Atoms, and the Physics of Nothing. American Scientist. 89 (5), 414-421 (2001).
- Chiasera, A., et al. Spherical whispering gallery mode microresonators. Laser Photon. Rev. 4 (3), 457-482 (2010).
- 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).
- Leach, D. H., Chang, R. K., Acker, W. P. Stimulated anti-Stokes Raman scattering in microdroplets. Opt. Lett. 17 (6), 387-389 (1992).
- 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).
- Qian, S. X., Chang, R. K. Multiorder Stokes emission from micrometer size droplets. Phys. Rev. Lett. 56 (9), 926-929 (1986).
- Lin, H. B., Campillo, A. J. CW nonlinear optics in droplet microcavities displaying enhanced gain. Phys. Rev. Lett. 73 (18), 2440-2443 (1994).
- Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Vahala, K. J. Ultralow threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature. 415 (6872), 621-623 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jouravlev, M. V., Kurizki, G. Unified theory of Raman and parametric amplification in nonlinear microspheres. Phys. Rev. A. 70 (5), 053804(2004).
- Brenci, M., Calzolai, R., Cosi, F., Nunzi Conti, G., Pelli, S., Righini, G. C. Microspherical resonators for biophotonic sensors. Proc. SPIE. 6158, 61580S(2006).
- Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. J. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Opt. Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).
- 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).
- Bloembergen, N., Shen, Y. R. Coupling between vibrations and light waves in Raman laser media. Phys. Rev. Lett. 12 (18), 504-507 (1964).
- 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).
- Arnold, S., Ramjit, R., Keng, D., Kolchenko, V., Teraoka, I. Microparticle photophysics illuminates viral bio-sensing. Faraday Discuss. 137, 65-83 (2008).
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
