Stymulowane rozpraszanie Ramana Stokesa i antystokesa w mikrosferycznych rezonatorach w trybie galerii szeptów

Ogólnym celem tej procedury jest wygenerowanie nowych częstotliwości optycznych przy użyciu mikrosferycznych rezonatorów typu whispering-gallery do zastosowań optycznych i fotonicznych, od kompaktowych źródeł laserowych po detekcje biochemiczne. W szepczących mikrorezonatorach w trybie galerii światło może być kierowane dzięki unikalnemu połączeniu silnego uwięzienia przestrzennego i długiej żywotności wnęki. Niskie straty zapewniają wysokie czynniki jakościowe.

Takie rezonatory idealnie nadają się do nieliniowych oddziaływań optycznych. W szczególności mikrosfery krzemionkowe wykazują duży potencjał jako generatory częstotliwości dla zwartych fal ciągłych, o wąskiej szerokości linii i przestrajalnych źródłach. Zainteresowanie wykorzystaniem technik fuzji jądrowej do wytwarzania mikrosfery elektrycznej opiera się na niskich stratach rozpraszania, a co za tym idzie, bardzo wysokich czynnikach jakościowych.

Użyliśmy domowego włókna stożkowego, aby połączyć światło z mikrosferami. Wysoka wydajność sprzężenia i wysoki współczynnik narastania wnęki mogą wywoływać nieliniowe efekty Kerra przy niskiej mocy pompy fal ciągłych. Procedurę stożka zademonstruje Franco Cosi, technik z naszego laboratorium.

Aby stworzyć mikrosferę, najpierw zdobądź kawałek włókna do pracy. Zbierz sprzęt potrzebny do stworzenia mikrosfery przy użyciu jednomodowego włókna krzemionkowego. Obejmuje to światłowód, aceton, środek do usuwania powłok optycznych i tasak do włókien.

Dodatkowo przygotuj spawarkę. Użyj środka do ściągania izolacji, aby usunąć około 1-2 centymetry powłoki akrylowej z końca włókna. Następnie wyczyść usuniętą część czystą chusteczką i acetonem.

Umieść koniec włókna w obcinarce do włókien i rozetnij, aby odizolować odizolowaną część. Zbierz odcięte włókno z tasaka. Przesuń końcówkę włókna do spawarki.

Tam umieść włókno i przytrzymaj je na miejscu zgodnie z wytycznymi producenta. Zamknij pokrywę, sprawdź, czy moc łuku i czas jego trwania są prawidłowe, a następnie rozpocznij łuk. Monitoruj postęp na wyświetlaczu.

Gdy łuk topi szkło, kształt włókna zacznie tworzyć kulę pod wpływem napięcia powierzchniowego. Gdy kula zacznie nabierać kształtu, zatrzymaj łuk i otwórz pokrywę. Uzyskaj dostęp do włókna w uchwycie, obróć je o 90 stopni, aby zachować kulisty kształt, a następnie ponownie zabezpiecz włókno na miejscu.

Zamknij pokrywę i ponownie uruchom łuk. Wykonanie co najmniej trzech takich obrotów o 90 stopni w ciągu 5 do 10 minut wytworzy mikrosferę o wielkości około 160 mikrometrów. Podczas wyjmowania mikrosfery i jej trzonu z włókna należy być przygotowanym do przechowywania lub użycia w ciągu jednego dnia.

Ten uchwyt w kształcie litery T można zamontować na stoliku translacyjnym do użytku z eksperymentami ze sprzężeniem światła. Ma kanał w środku dla trzonu włókna mikrosfery. Umieść resztkowy koniec trzpienia mikrosfery w kanale, tak aby mikrosfera była drożna nad uchwytem.

Przymocuj trzpień za pomocą przezroczystej taśmy. Teraz zacznij tworzyć zwężające się światło, aby połączyć światło z mikrosferą. Będzie to wymagało urządzenia, które może powoli rozsuwać końce światłowodów.

Zacznij od długości jednomodowego włókna krzemionkowego i określ jego punkt środkowy. Użyj optycznego środka do usuwania powłok, aby usunąć około 3-4 centymetry powłoki w tym miejscu. Gdy to zrobisz, nasuń cylinder z tlenku glinu na pozbawioną części włókna, aby służył jako piekarnik.

Następnie użyj terminatora z gołym światłowodem, aby podłączyć jeden koniec światłowodu do lasera zdolnego do pracy z prędkością 635 nanometrów. Podłącz drugi koniec światłowodu do miernika mocy. Gdy włókno znajdzie się na miejscu, zorganizuj płomień tlenowo-butanowy, aby podgrzać cylinder z tlenku glinu do temperatury bliskiej temperaturze topnienia krzemionki wynoszącej około 2 100 stopni Celsjusza.

Uruchom ściągacz do włókien tak, aby powoli odsunął oba końce od siebie. Przy włączonym laserze 635 nm monitoruj moc przesyłaną przez światłowód za pomocą miernika mocy. Zmieniające się wartości odzwierciedlają trwające zwężanie.

W tym momencie przestań ciągnąć włókno i zatrzymaj płomień. Od czasu do czasu wyjmuj światłowód z wejścia miernika mocy, aby wyświetlić wyjście światłowodu na karcie wiązki, aby sprawdzić, czy podczas procesu zwężania zachowana jest jednorodna okrągła plamka. Pracuj z włóknem po jego uwolnieniu od całego sprzętu, w tym cylindra.

Umieść szklane szkiełko mikroskopowe wycięte tak, aby utworzyło literę U w pobliżu stożka włókna. Następnie umieść włókno na szkiełku ze stożkiem wyśrodkowanym na U'Utrzymuj włókno napięte i nałóż klej w miejscu, w którym włókno i suwak zachodzą na siebie, aby utrzymać włókno na miejscu. W tym momencie przygotuj się do sprzężenia światła z mikrosferą za pomocą zwężającego się włókna.

Aby to zrobić, użyj oddzielnych etapów translacji dla mikrosfery i włókna stożkowego. Na stoliku z siłownikami piezoelektrycznymi zamontuj uchwyt w kształcie litery T z mikrosferą tak, aby mikrosfera była skierowana do góry. Na drugim etapie translacji zamontuj szkiełko szklane z włóknem zorientowanym prostopadle do trzpienia włókna mikrosferycznego.

Użyj zakończonego światłowodowego, aby podłączyć jeden koniec stożkowego światłowodu do przestrajalnego lasera diodowego. Podłącz drugi koniec do detektora fotodiody indowo-galowo-arsenkowej. Teraz umieść oba etapy translacji pod rurką mikroskopu, która będzie używana do obserwacji szczeliny między mikrosferą a stożkiem.

Oba powinny być umieszczone tak, aby stożek włókien i mikrosfera znajdowały się w odległości przesuwu etapów translacji. Ponadto umieść lustro pod kątem 45 stopni w stosunku do tubusu mikroskopu, aby monitorować pionowe położenie stożka. Ustaw mikrosferę za pomocą jej etapu translacyjnego i informacji zwrotnej z tubusu mikroskopu.

Celem jest, aby równik mikrosfery stykał się ze stożkiem. Gdy to zrobisz, włącz laser o fali ciągłej i monitoruj widmo transmisji na oscyloskopie. Dostrój laser, aż w widmie pojawią się spadki w kształcie Lorentza spowodowane rezonansami.

Zmierz szerokości linii rezonansowej i oblicz współczynnik jakości. Kontynuuj eksperyment, badając wydajność sprzężenia w funkcji przerwy między stożkiem a kulą. Sprzężenie światłowodów ma kluczowe znaczenie dla znalezienia dobrego rezonansu w celu wyzwolenia efektów nieliniowych.

Dobry rezonans jest wąski, ma wysoki kontrast przy małej mocy. Przygotuj konfigurację do realizacji stymulowanego rozpraszania Ramana. Światło z przestrajalnego lasera diodowego pracującego na długości 15 015 nanometrów wpada do zwężającego się włókna.

Po laserze znajduje się wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem, który zwiększa moc lasera w celu uzyskania efektu nieliniowego. Następnie znajduje się tłumik, a następnie polaryzator światłowodowy inline. Światło przechodzi następnie przez stożek, który jest sprzężony z mikrosferą.

Po przejściu przez mikrosferę znajduje się rozdzielacz o natężeniu 3 decybeli i miliwatów. Jedno wyjście rozgałęźnika trafia do optycznego analizatora widma. Drugi trafia do fotodetektora podłączonego do oscyloskopu.

Dostosuj laser od wysokich do niskich częstotliwości, aby uzyskać samoblokujące się termicznie. Na oscyloskopie obserwuj rezonans z dryfem termicznym porównywalnym z prędkością skanowania długości fali. Rezonans poszerzy się, gdy zostanie osiągnięte samoblokujące się termicznie.

Sprawdź moc wyjściową przesyłaną do optycznego analizatora widma. Manipuluj tłumikiem, aby zwiększyć moc, aż pojawi się linia lasera Ramana. Linia lasera Ramana jest odłączana od długości fali pompy na częstotliwości około 13,5 teraherca.

Jest to pomiar z mikrosfery o średnicy 50 mikrometrów pompowanej z prędkością około 1 547 nanometrów. Po obu stronach długości fali pompy znajdują się dwie czterofalowe linie mieszające w odległości około 13 nanometrów. Dwie wymuszone linie rozpraszania Ramana znajdują się na wysokości około 1 610 i 1 710 nanometrów.

Pomiary sfery o długości 98 nanometrów dały podobne wyniki. W tym przypadku szczyt pompy wynosi 1 551 nanometrów. Wyśrodkowana linia rozpraszania Ramana jest wyśrodkowana na 1 646 nanometrach.

Wymuszona antystokesowa linia rozpraszania Ramana jest wyśrodkowana na około 1 452 nanometrach. Symetryczne linie w pobliżu stymulowanej linii antystokesów pochodzą ze zdegenerowanego mieszania czterofalowego. Stożek Ramana jest wyśrodkowany na 1 666 nanometrach.

To widmo z mikrosfery o średnicy 40 mikrometrów dostarcza dowodów na stymulowane wzmocnienie antystokesów, gdy jego częstotliwość jest rezonansowa z trybem wnękowym i fazowo dopasowana do pompy i stymulowanego sygnału Stokesa. Częstotliwość pompy wynosi 1 540 nanometrów, linia Stokesa wynosi 1 630 nanometrów, a linia antystokesowa 1 460 nanometrów. To widmo z mikrosfery o długości 65 mikrometrów ma wymuszony stosunek rozpraszania antystokesów do wymuszonych stokesów bliski jeden.

Częstotliwość pompy jest wyśrodkowana na 1 572 nanometrach, linia Stokesa na 1 640 nanometrach, linia antystokesowa na 1 490 nanometrach. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wytwarzać mikrosferę krzemionkową o wysokiej zawartości Q, jak narysować stożek światłowodu i jak skutecznie połączyć światło z mikrorezonatorem, aby badać podstawowe interakcje światło-materia. Mikrosfery elektryczne to platformy fotoniczne, które odgrywają niezwykle ważną rolę we współczesnej optyce.

Mogą być wykorzystywane do nieliniowej konwersji częstotliwości CW ze względu na ich zdolność do zatrzymywania światła przez długi czas w bardzo małych objętościach. Zademonstrowane technologie mikrorezonatorów mogą być również skutecznie wykorzystane do biodetekcji. Nasza grupa osiąga doskonałe wyniki w tej dziedzinie.