Gestimuleerde Stokes en Antistokes Raman Scattering in microsferische Whispering Gallery Mode Resonators

Het algemene doel van deze procedure is het genereren van nieuwe optische frequenties met behulp van silica microsferische whispering-gallery-mode resonatoren voor optische en fotonische toepassingen, variërend van compacte laserbronnen tot biochemische detectie. In whispering gallery-mode microresonatoren kan licht worden geleid met een unieke combinatie van sterke ruimtelijke opsluiting en een lange caviteitstijd. Lage verliezen garanderen hoge kwaliteitsfactoren.

Dergelijke resonatoren zijn bij uitstek geschikt voor niet-lineaire optische interacties. In het bijzonder vertonen silica-microsferen een groot potentieel als frequentiegeneratoren voor compacte, smalspectrale en afstembare continue-golfbronnen. De interesse in het gebruik van fusietechnieken voor de fabricage van de elektrische microsfeer is gebaseerd op het feit dat hiermee lage verstrooiingsverliezen en bijgevolg zeer hoge kwaliteitsfactoren kunnen worden bereikt.

We hebben zelfgemaakte taps toeveringsvezels gebruikt om licht in de microsferen te koppelen. De hoge koppelefficiëntie en de hoge cavity-opbouwfactor kunnen niet-lineaire Kerr-effecten triggeren met een laag continu-golf pomppvermogen. De procedure voor de tapsvezel zal worden gedemonstreerd door Franco Cosi, een technicus uit ons laboratorium.

Om een microsfeer te maken, moet u eerst een stuk vezel klaarleggen. Verzamel de benodigdheden om een microsfeer te maken met behulp van single-mode silicavezel. Dit omvat de vezel, aceton, een optische coatingstripper en een vezelcleaver.

Zorg daarnaast dat een fusielasapparaat gereedstaat. Gebruik de stripper om ongeveer 1-2 centimeter van de acrylaatcoating aan het uiteinde van de vezel te verwijderen. Maak vervolgens het gestripte gedeelte schoon met een schoon pluisvrij doekje en aceton.

Plaats het uiteinde van de vezel in de vezelbreker en breek deze af om het gestripte gedeelte te isoleren. Verwijder de afgebroken vezel uit de vezelbreker. Verplaats de vezeltip naar de fusielasmachine.

Positioneer daar de vezel en houd deze op hun plaats volgens de richtlijnen van de fabrikant. Sluit de afdekking, controleer of het boogvermogen en de boogduur correct zijn en start vervolgens de boog. Volg de voortgang op het display.

Terwijl de vlamboog het glas doet smelten, zal de vezelvorm door oppervlaktespanning een bol gaan vormen. Zodra de bol zich begint te vormen, stopt u de vlamboog en opent u de afdekking. Neem de vezel uit de houder, draai deze 90 graden om de bolvorm te behouden en zet de vezel vervolgens weer vast.

Sluit de kap en start de boog opnieuw. Het uitvoeren van ten minste drie van dergelijke rotaties van 90 graden gedurende vijf tot 10 minuten zal een microsfeer van ongeveer 160 micrometers produceren. Wees bij het verwijderen van de microsfeer en de bijbehorende vezelsteel voorbereid om deze binnen een dag op te slaan of te gebruiken.

Deze T-vormige houder is monteerbaar op een translatieplateau voor gebruik bij lichtkoppelingsexperimenten. In het midden bevindt zich een kanaal voor de fibersteel van de microsfeer. Plaats het resterende uiteinde van de steel van de microsfeer in het kanaal, zodat de microsfeer boven de houder ongehinderd vrij komt te liggen.

Bevestig de steel met transparante tape. Begin nu met het maken van een taps toelopende vezel om licht in de microsfeer te koppelen. Hiervoor is een apparaat nodig dat de vezeluiteinden langzaam uit elkaar kan trekken.

Begin met een stuk enkelmodus siliciumvezel en bepaal het middenpunt ervan. Gebruik de stripper voor optische coatings om ongeveer 3-4 centimeter van de coating rond dit punt te verwijderen. Schuif vervolgens een aluminiumoxidecilinder over het gestripte deel van de vezel om als oven te dienen.

Gebruik vervolgens een bare-fiber terminator om één uiteinde van de vezel te verbinden met een laser die in staat is om op 635 nanometer te werken. Verbind het andere uiteinde van de vezel met een vermogensmeter. Zodra de vezel is geplaatst, wordt er een zuurstof-butaanvlam gebruikt om de aluminiumoxidecilinder te verhitten tot een temperatuur die dicht bij het smeltpunt van silica ligt, ongeveer 2 100 graden Celsius.

Start de fiber puller zodat de twee uiteinden langzaam van elkaar worden bewogen. Monitor met de laser van 635 nanometer aan het vermogen dat door de vezel wordt getransporteerd met de power meter. Veranderende waarden weerspiegelen de voortgang van het taps toelopen.

Stop op dit punt met het trekken aan de vezel en doof de vlam. Verwijder de vezel af en toe uit de ingang van de vermogensmeter om de vezeloutput op een beamcard te projecteren, zodat kan worden gecontroleerd of een homogene cirkelvormige spot behouden blijft tijdens het taps toelopen. Werk met de vezel nadat deze is losgekoppeld van alle apparatuur, inclusief de cilinder.

Plaats een glazen microscoopglasplaatje dat is gesneden in een U-vorm nabij de taps toelopende sectie van de vezel. Leg vervolgens de vezel op het glasplaatje, waarbij de taps toelopende sectie in het midden van de U wordt geplaatst. Houd de vezel gespannen en breng lijm aan op de plek waar de vezel en het glasplaatje overlappen om de vezel op zijn plaats te fixeren. Bereid nu de koppeling van licht in de microsfeer via de taps toelopende vezel voor.

Om dit te doen, gebruikt u afzonderlijke translatiepodia voor de microsfeer en de taps toelopende vezel. Monteer op een podium met piëzo-actuatoren de T-vormige houder met de microsfeer zodanig dat de microsfeer naar boven wijst. Monteer op het andere translatiepodium het glazen objectglas met de vezel loodrecht georiënteerd ten opzichte van de steel van de microsfeervezel.

Gebruik een afgetermineerde glasvezelkabel om één uiteinde van de taps toelopende vezel te verbinden met een instelbare diodelaser. Verbind het andere uiteinde met een indium-gallium-arsenide fotodiodedetector. Plaats vervolgens beide translatietrappen onder de microscoopbuis die zal worden gebruikt voor de observatie van de opening tussen de microsfeer en de taper.

De twee moeten zo worden geplaatst dat de vezeltaper en de microsfeer binnen het bereik van de translatiepodia vallen. Plaats daarnaast een spiegel onder een hoek van 45 graden ten opzichte van de microscoopbuis om de verticale positie van de taper te monitoren. Positioneer de microsfeer met behulp van het bijbehorende translatiepodium en de feedback van de microscoopbuis.

Het doel is om de equator van de microsfeer in contact te brengen met de taper. Zodra dit is gebeurd, schakelt u de continugolflaser in en monitort u het transmissiespectrum op een oscilloscoop. Stem de laser af totdat er Lorentzian-vormige dips door resonanties in het spectrum verschijnen.

Meet de resonantielijnbreedtes en bereken de kwaliteitsfactor. Zet het experiment voort door de koppelefficiëntie te onderzoeken als functie van de afstand tussen de taper en de bol. Vezelkoppeling is cruciaal om een goede resonantie te vinden om niet-lineaire effecten te triggeren.

Een goede resonantie is smal en vertoont een hoog contrast bij een laag vermogen. Bereid de opstelling voor om gestimuleerde Raman-verstrooiing te realiseren. Licht van een afstembare diodelaser die werkt op 15 015 nanometer gaat de taps toelopende vezel binnen.

Na de laser volgt een erbium-gedoteerde vezelversterker om het laservermogen te verhogen zodat het niet-lineaire effect kan worden bereikt. Vervolgens volgt een attenuator en daarna een inline vezelpolarisator. Het licht gaat vervolgens door de taper, die gekoppeld is aan een microsfeer.

Na het passeren van de microsfeer bevindt zich een 3-decibel-milliwatt splitter. Eén uitgang van de splitter gaat naar een optische spectrumanalyser. De andere gaat naar een fotodetector die is aangesloten op een oscilloscoop.

Stem de laser af van hoge naar lage frequenties om thermische zelfblokkering te bereiken. Observeer op de oscilloscoop een resonantie waarbij de thermische drift vergelijkbaar is met de snelheid van de golflengtescan. De resonantie zal verbreden wanneer thermische zelfblokkering is bereikt.

Controleer het uitgangsvermogen dat naar de optische spectrumanalyser wordt gestuurd. Bedien de attenuator om het vermogen te verhogen totdat de Raman-laserlijn verschijnt. De Raman-laserlijn is ongeveer 13,5 terahertz afgestemd van de pompgolflengte.

Dit is een meting van een microsfeer met een diameter van 50 µm, gepompt bij ongeveer 1.547 nm. Aan weerszijden van de pompgolflengte bevinden zich twee lijnen van viergolfmenging op ongeveer 13 nm afstand. Twee lijnen van gestimuleerde Ramanverstrooiing bevinden zich op ongeveer 1.610 en 1.710 nm.

Metingen van een bol van 98 nanometer gaven vergelijkbare resultaten. In dit geval bevindt de pomp-piek zich op 1.551 nanometer. De lijn van gestimuleerde Raman-verstrooiing is gecentreerd op 1.646 nanometer.

De gestimuleerde anti-Stokes Raman-verstrooiingslijn is gecentreerd rond ongeveer 1.452 nanometer. De symmetrische lijnen nabij de gestimuleerde anti-Stokes-lijn zijn afkomstig van gedegenereerde viergolfmenging. Een Raman-kegel is gecentreerd op 1.666 nanometer.

Dit spectrum van een microsfeer met een diameter van 40 micrometer levert bewijs voor gestimuleerde antistokes-versterking wanneer de frequentie resonant is met de caviteitsmodus en fase-gematcht is met de pomp en het gestimuleerde stokes-signaal. De pompfrequentie is 1.540 nanometer, de stokes-lijn bevindt zich op 1.630 nanometer en de antistokes-lijn bevindt zich op 1.460 nanometer. Dit spectrum van een microsfeer van 65 micrometer heeft een verhouding tussen gestimuleerde antistokes- en gestimuleerde stokes-verstrooiing die dicht bij één ligt.

De pompfrequentie is gecentreerd op 1.572 nanometers, de stokeslijn op 1.640 nanometers en de antistokeslijn op 1.490 nanometers. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u silica-microsferen met een hoge Q-factor fabriceert, hoe u een fiber taper trekt en hoe u licht efficiënt in een microresonator koppelt om fundamentele licht-materie-interacties te bestuderen. De elektrische microsferen zijn fotonische platforms die een uiterst belangrijke rol spelen in de moderne optica.

Ze kunnen worden benut voor CW niet-lineaire frequentieconversie vanwege hun vermogen om licht gedurende lange perioden in zeer kleine volumes op te sluiten. De gedemonstreerde microresonatortechnologieën kunnen ook effectief worden ingezet voor biosensing. Onze groep behaalt uitstekende resultaten op dit gebied.