W tym artykule przedstawiono efektywne generowanie zjawisk nieliniowych związanych z optyczną podatnością Χ(3) trzeciego rzędu w potrójnie rezonansowych mikrosferach krzemionkowych. Opisane tutaj interakcje to: Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS) i cztery procesy mieszania fal składające się na wymuszone rozpraszanie Ramana Anti-Stokes (SARS).
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Stymulowane rozpraszanie Ramana Stokesa i antystokesa w mikrosferycznych rezonatorach w trybie galerii szeptów
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Mikrosfery dielektryczne mogą ograniczać światło i dźwięk przez pewien czas dzięki wysokiej jakości trybom galerii szeptów czynników (WGM). Szklane mikrosfery mogą być postrzegane jako magazyn energii o ogromnej różnorodności zastosowań: kompaktowe źródła laserowe, bardzo czułe czujniki biochemiczne i zjawiska nieliniowe. Podany jest protokół wytwarzania zarówno mikrosfer, jak i systemu sprzęgającego. Opisane tutaj łączniki są włóknami stożkowymi. W artykule przedstawiono efektywne generowanie zjawisk nieliniowych związanych z oddziaływaniami optycznej podatności nieliniowej trzeciego rzędu Χ(3) w trójrezonansowych mikrosferach krzemionkowych. Opisane tutaj interakcje to: Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS) i cztery procesy mieszania fal składające się na wymuszone rozpraszanie Ramana Anti-Stokes (SARS). Dowodem na zjawisko wzmocnionej wnęki jest brak korelacji między pompą, sygnałem i kołem napinającym: musi istnieć tryb rezonansowy, aby uzyskać parę sygnału i koła napinającego. W przypadku oscylacji hiperparametrycznych (mieszanie czterech fal i wymuszone rozpraszanie Ramana antystokesa) mody muszą spełniać zasadę zachowania energii i pędu, a także, co nie mniej ważne, mieć dobre nakładanie się przestrzenne.
Wprowadzenie
Rezonatory modalne z galerią szeptów (WGMR) wykazują dwie unikalne właściwości, długi czas życia fotonów i małą objętość modów, które pozwalają na obniżenie progu zjawisk nieliniowych1-3. Tryby galerii szeptanej to mody optyczne, które są ograniczone na granicy dielektryków i powietrznych przez całkowite odbicie wewnętrzne. Mała objętość modowa wynika z dużego ograniczenia przestrzennego, podczas gdy ograniczenie czasowe jest związane ze współczynnikiem jakości Q jamy. WGMR może mieć różne geometrie i istnieją różne techniki wytwarzania odpowiednie do otrzymywania rezonatorów o wysokim Q4-6 Wnęki napięcia powierzchniowego, takie jak mikrosfery krzemionkowe, wykazują chropowatość zbliżoną do skali atomowej, co przekłada się na wysokie czynniki jakościowe. Oba rodzaje uwięzienia znacznie obniżają próg efektów nieliniowych ze względu na silne gromadzenie energii wewnątrz WGMR. Umożliwia również optykę nieliniową o fali ciągłej (CW).
WGMR można opisać za pomocą liczb kwantowych n, l, m i ich stanu polaryzacji, w silnej analogii do atomu wodoru7. Symetria sferyczna pozwala na separację w zależności promieniowych i kątowych. Roztwór promieniowy jest określony przez funkcje Bessela, a kątowe przez harmoniczne sferyczne8.
Szkło krzemionkowe jest środkowosymetryczne i dlatego zjawiska drugiego rzędu związane z oddziaływaniami Χ(2) są zabronione. Na powierzchni mikrosfery następuje odwrócenie symetrii i można zaobserwować zjawiska Χ(2) 1. Jednak warunki dopasowania fazowego dla generowania częstotliwości drugiego rzędu są bardziej problematyczne niż ich odpowiedniki w generowaniu częstotliwości trzeciego rzędu, zwłaszcza że zaangażowane długości fal są zupełnie inne, a rola dyspersji może być dość ważna. Oddziaływania drugiego rzędu są wyjątkowo słabe. Wygenerowana moc skaluje się z Q3, podczas gdy dla interakcji trzeciego rzędu wygenerowana moc skaluje się z Q4. 9 Z tego powodu niniejsza praca skupia się na oddziaływaniach Χ(3) optycznej podatności trzeciego rzędu, takich jak wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS) i wymuszone antystokesowe rozpraszanie Ramana (SARS), przy czym SARS jest mniej zbadaną interakcją10,11. Chang12 i Campillo13 byli pionierami w badaniach zjawisk nieliniowych przy użyciu kropel wysoce nieliniowych materiałów, takich jak WGMR, ale laser pompujący był impulsowany zamiast CW. Mikrosfery krzemionkowe14,10 i mikrotoroidy15 zapewniły bardziej stabilne i wytrzymałe platformy w porównaniu z mikrokropelkami, zyskując wiele uwagi w ostatnich dziesięcioleciach. W szczególności mikrosfery krzemionkowe są bardzo łatwe w produkcji i obsłudze.
SRS to czysty proces wzmocnienia, który można łatwo osiągnąć w krzemionce WGMR14,15, ponieważ osiągnięcie progu jest wystarczające. W tym przypadku wysoka intensywność cyrkulacji wewnątrz WGMR gwarantuje laserowanie ramanowskie, ale dla oscylacji parametrycznych nie jest wystarczające. W takich przypadkach efektywne oscylacje wymagają dopasowania faz i modów, prawa zachowania energii i pędu oraz dobrego przestrzennego nakładania się wszystkich modów rezonansowych do spełnienia16-18. Tak jest w przypadku SARS i FWM w ogóle.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Wytwarzanie mikrosfer o bardzo wysokim współczynniku jakości
- Usuń około 1-2 cm standardowego jednomodowego (SMF) włókna krzemionkowego z powłoki akrylowej za pomocą ściągacza optycznego.
- Oczyść odizolowaną część acetonem i rozłup ją.
- Wprowadź rozszczepioną końcówkę do jednego ramienia spawarki i wytwórz serię wyładowań łuku elektrycznego za pomocą sterownika spawarki. Wybierz "obsługa ręczna" z menu sterownika spawarki, ustaw wartości poziomu mocy łuku i czasu trwania łuku odpowiednio na 60 i 800 ms; Wybierz "łuk" i naciśnij dolny "+".
- Gdy kula nabierze kształtu, zatrzymaj się, obróć włókno o 90° i powtórz krok 1.3.
- Powtórz krok 1.3 co najmniej 4 razy, aby uzyskać mikrosferę o wielkości około 160 μm. Powtórz 16 razy, aby uzyskać mikrosferę o wielkości około 260 μm.
Uwaga: Wyładowania łukowe wytworzą wysoką temperaturę topnienia potrzebną do stopienia szkła krzemionkowego. Napięcie powierzchniowe wyciągnie sferoidę z końcówki włókna zmiękczonego; wielkość kul jest wprost proporcjonalna do liczby strzałów łukowych, nasycających się przy średnicy około 350 μm, jak widać na rysunku 119. Rotacja zapewnia kulisty kształt rezonatora.
2. Rysowanie stożkowego włókna
Uwaga: Zwężające się światłowód jest również potrzebny do sprzężenia światła z mikrorezonatorami. Rozmiar mikrosfery określi talię stożka. W przypadku średnic kuli większych niż 125 μm średnica stożka może wynosić około 3-4 μm. W przypadku mniejszych średnica stożka powinna być mniejsza, powiedzmy 1-2 μm. Aby utrzymać straty na niskim poziomie i mieć tylko jeden tryb w sekcji stożkowej (podstawowy), zwężanie musi być adiabatyczne (stopniowe przejście od grubej do cienkiej średnicy). Typowa całkowita długość adiabatycznego odcinka stożkowego wynosi około 2 cm. Rysunek 2 przedstawia domowe urządzenie do wyciągania włókna, a rysunek 3A przedstawia mikrofotografię typowej strefy talii.
- Zdejmij 3-4 cm standardowego światłowodu krzemionkowego jednomodowego (SMF) z powłoki akrylowej za pomocą ściągacza izolacji optycznej i podłącz końce światłowodu do lasera (wejście) i miernika mocy (wyjście). Upewnij się, że odizolowana strefa znajduje się mniej więcej w środku włókna, a nie na jednym końcu. Użyj terminatora bez światłowodu, aby móc podłączyć końcówki światłowodu do lasera i miernika mocy. Umieść laser i miernik mocy na stole roboczym.
- Umieść odizolowane włókno w krótkim cylindrze z tlenku glinu, a powlekane końce włókna w dwóch etapach translacji, które uruchamiają się jednocześnie podczas procesu ciągnięcia.
- Podgrzać cylinder z tlenku glinu (który działa jak piekarnik) płomieniem tlen-butan do temperatury bliskiej temperaturze topnienia krzemionki (około 2 100 °C).
- Adiabatyczność stożka wywnioskować na podstawie obserwacji transmisji światła laserowego działającego przy długości fali 635 nm. Sprawdź, czy na wyjściu jednorodna okrągła plamka jest zachowana podczas zwężania, co wskazuje, że nie występuje szyfrowanie trybów. Przestań ciągnąć i wycofaj płomień, gdy przesyłana moc przestanie oscylować i będzie stała w czasie.
- Przyklej stożkowe włókno do szkiełka mikroskopowego w kształcie litery U, aby dopasować się do stożka (patrz rysunek 3B). Użyj szkiełka mikroskopowego o wymiarach 76x26x1,2 mm.
3. Wytwarzanie małych mikrosfer
Uwaga: Małe mikrosfery o średnicach poniżej rozmiaru standardowego włókna wymagają uprzedniego zwężenia włókna. Minimalna średnica uzyskana tą metodą to około 25 μm.
- Postępując zgodnie z sekcją 2, narysuj zwężające się włókno, ciągnąc, aż pęknie.
- Wykonaj wszystkie kroki opisane w sekcji 1 (wytwarzanie mikrosfer UHQ), ale w kroku 1.3 zmodyfikuj wartości na sterowniku spawarki w następujący sposób: moc łuku 20, czas trwania łuku 1,200 ms.
4. Sprzężenie światła z mikrosferą
Uwaga: Używamy stożka do łączenia światła z mikrosferą i mierzenia rezonansów mikrorezonatora.
- 4.1. Przygotuj uchwyt z PVC/aluminium w kształcie litery T z kanałem pośrodku. Przymocuj resztkowy trzpień mikrosfery za pomocą kawałka szkockiej magii lub papierowej taśmy klejącej w uchwycie. Zacisnąć uchwyt za pomocą dwóch w stoliku translacyjnym z siłownikami piezoelektrycznymi i rozdzielczością pozycjonowania 20 nm.
- Zamocuj stożek przyklejony do szkiełka szklanego do innego etapu translacji z płaszczyzną suwaka ustawioną prostopadle do trzpienia z włókna mikrosfery. Sklej końce stożka z zakończonymi światłowodowymi. Podłącz jeden koniec do przestrajalnego lasera diodowego, a drugi do detektora fotodiody InGaAs.
- Użyj rurki mikroskopu o dużej odległości roboczej (>20 mm), aby kontrolować szczelinę między stożkiem a mikrosferą. Aby monitorować system w przeciwnym kierunku, należy umieścić lustro pod kątem 45° w stosunku do kierunku rury, tak aby można było kontrolować położenie stożka względem równika mikrosfery.
- Ustaw równik mikrosfery w kontakcie ze stożkowym włóknem.
- Włącz laser i sprawdź widmo transmisji układu stożka mikrosfery w oscyloskopie.
- Dostrój laser CW działający przy 1,550 nm, aż pojawią się rezonanse. Rezonanse można zidentyfikować jako spadki widma w kształcie Lorentza.
- Zmierz szerokość linii rezonansowej (pełna szerokość, połowa maksimum zagłębienia w kształcie Lorentza). Oblicz współczynnik Q jako częstotliwość pompy podzieloną przez szerokość linii rezonansowej.
- Zmniejsz / zwiększ szczelinę między kulą a stożkiem, zmieniając zarówno szerokość, jak i głębokość rezonansu w celu zwiększenia/zmniejszenia wydajności sprzężenia.
5. Stymulowane rozpraszanie Ramana
- Włożyć wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem (EDFA) między laser CW pracujący przy 1 550 nm a tłumik. EDFA pracuje w zakresie długości fal 1 530-1 570 nm. Uwaga: Zwiększy to moc lasera, osiągając maksymalną moc wyjściową 2 W. Efekty nieliniowe wymagają dużych mocy wejściowych. Rysunek 4 przedstawia szkic układu doświadczalnego.
- Podłącz jeden koniec stożka z zakończonymi światłowodowymi do rozdzielacza 3 dBm. Podłącz jeden ze światłowodów wyjściowych rozgałęźnika do analizatora widma optycznego, a drugi do fotodetektora, który jest podłączony do oscyloskopu.
- Dostrój laser od wysokich do niskich częstotliwości, aż zostanie znaleziony rezonans o dryfcie termicznym porównywalnym z prędkością skanowania długości fali lasera. Po osiągnięciu samoblokującego się termicznie20 na oscyloskopie można zaobserwować poszerzenie rezonansu.
- Sprawdź moc wyjściową przesyłaną przez stożek do optycznego analizatora widma. Zwiększaj moc, aż pojawi się linia lasera Ramana. Jest on rozstrojony od długości fali pompy na poziomie około 13,5 THz.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Współczynniki Q mikrosfer wykonanych zgodnie z powyższym protokołem przekraczają 108 (Rysunek 5) dla dużych średnic (>20 μm) oraz 106 dla małych średnic (< 50 μm). Można łatwo zaobserwować kontrast rezonansowy powyżej 95% (blisko sprzężenia krytycznego). Przy wysokich intensywnościach krążących w obszarze podczerwieni można zaobserwować następujące efekty nieliniowe: wymuszone rozproszenie Ramanowskie (SRS), kaskadowe SRS21, wymuszon...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Mikrosfery są kompaktowymi i wydajnymi oscylatorami nieliniowymi i są bardzo łatwe w produkcji i obsłudze. Włókna stożkowe mogą być używane do sprzęgania i ekstrakcji światła do/z rezonatora. Można uzyskać kontrast rezonansowy do 95% i współczynniki Q około 3 x 108 .
Głównym ograniczeniem tych technik wytwarzania jest masowa produkcja i integracja. Czystość włókien ma kluczowe znaczenie zarówno dla mikrosfer, jak i stożków, a także dla wilgotności. Oba urządzenia muszą być przechowy...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych. D.F. jest doktorantem na Uniwersytecie w Parmie.
Podziękowania
Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi
Ente Cassa di Risparmio di Firenze (nr 2014.0770A2202.8861)
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Światłowód | Corning | SMF28 | |
| Ściągacz powłok z włókien | Thorlabs | T06S13 | Dostępne również u innych dostawców |
| Obcinak do włókien | Fitel | S325A | Dostępne również u innych dostawców |
| Spawarka | Furakawa | S177A-1R | Dostępne również u innych dostawców |
| Butan i tlen | Gaz nie dotyczy | dowolny sprzedawca | |
| Tubus mikroskopu | Zestaw modułowy | Navitar | Zoom 6000 |
| Kamera CCD | Nie | dotyczy dowolna będzie pasować | |
| Monitor | nie | Nie dotyczy dowolny monitor jest ważny | |
| 3-osiowy stolik | PI Instrumenty, Thorlabs, Melles | ||
| Różne słupki i mocowania | Thorlabs | Dostępne również u innych dostawców | |
| Kontrola polaryzacji | Thorlabs | FPC030 | Dostępne również u innych dostawców |
| Tłumik | Throlabs | VOA50 | |
| Fotodioda | Thorlabs | PDA400 | wycofany z produkcji, zastąpiony przez |
| oscyloskop | Tektronix | DPO7104 | |
| Optyczny analizator widma | Ando | AQ6317B | |
| Wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem | IPG Fotonika | EAD-2K-C | |
| Przestrajalny laser | Yenista | TUNIKI |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
