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

Ogólnym celem niniejszej procedury jest generowanie nowych częstotliwości optycznych przy użyciu krzemionkowych mikrosferycznych rezonatorów z modami szeptowych galerii (whispering-gallery-mode) w zastosowaniach optycznych i fotonicznych, od kompaktowych źródeł laserowych po biosensorykę chemiczną. W mikrorezonatorach z modami szeptowych galerii światło może być prowadzone dzięki unikalnej kombinacji silnego ograniczenia przestrzennego i długiego czasu życia wnęki. Niskie straty zapewniają wysokie dobroci (quality factors).

Takie rezonatory są idealnie dopasowane do nieliniowych oddziaływań optycznych. W szczególności krzemionkowe mikrosfery wykazują duży potencjał jako generatory częstotliwości dla kompaktowych, strojonych źródeł o wąskiej szerokości linii i fali ciągłej. Zainteresowanie stosowaniem technik stapiania do wytwarzania mikrosfer elektrycznych wynika z możliwości osiągnięcia niskich strat rozproszenia, a w konsekwencji bardzo wysokich dobroci.

Do sprzęgania światła z mikrosferami wykorzystaliśmy własnoręcznie wykonowane włókno zwężane. Wysoka wydajność sprzęgania oraz wysoki współczynnik wzmocnienia wnęki mogą wywoływać nieliniowe efekty Kerra przy niskiej mocy pompy w trybie ciągłym. Procedurę zwężania zademonstruje Franco Cosi, technik z naszego laboratorium.

Aby stworzyć mikrosferę, należy najpierw przygotować odpowiedni odcinek włókna. Przygotuj sprzęt niezbędny do wytworzenia mikrosfery z jednomoduowego włókna krzemianowego. Obejmuje on włókno, aceton, ściągacz powłoki optycznej oraz przecinarkę do włókien.

Dodatkowo należy przygotować spawarkę łukową. Za pomocą ściągacza należy usunąć około 1-2 centymetrów powłoki akrylowej z końca włókna. Następnie należy oczyścić odsłonięty odcinek za pomocą czystej ściereczki i acetonu.

Umieść koniec światłowodu w przecinaczce i wykonaj cięcie, aby odizolować odizolowaną część. Wyjmij przecięty światłowód z przecinaczki. Przenieś końcówkę światłowodu do spawarki światłowodowej.

Następnie umieść światłowód i utrwal go zgodnie z wytycznymi producenta. Zamknij pokrywę, sprawdź, czy moc łuku oraz czas trwania łuku są prawidłowe, a następnie uruchom łuk. Monitoruj przebieg procesu na wyświetlaczu.

W miarę jak łuk przetapia szkło, włókno zacznie formować sferę pod wpływem napięcia powierzchniowego. Gdy sfera zacznie przybierać kształt, należy przerwać działanie łuku i otworzyć osłonę. Uzyskaj dostęp do włókna w uchwycie, obróć je o 90 stopni, aby zachować sferyczny kształt, a następnie ponownie unieruchom włókno w uchwycie.

Zamknij pokrywę i ponownie uruchom łuk. Wykonanie co najmniej trzech takich obrotów o 90 stopni w czasie od 5 do 10 minut pozwoli uzyskać mikrosferę o średnicy około 160 micrometers. Po wyjęciu mikrosfery wraz z jej włóknistą nóżką należy przygotować się do jej przechowywania lub wykorzystania w ciągu jednego dnia.

Ten uchwyt w kształcie litery T można zamontować na stoliku translacyjnym do użytku w eksperymentach z sprzęganiem światła. Posiada on kanał biegnący przez środek, przeznaczony dla trzpienia światłowodowego mikrosfery. Umieść pozostałą końcówkę trzpienia mikrosfery w kanale w taki sposób, aby mikrosfera znajdowała się nad uchwytem bez żadnych przeszkód.

Przymocuj trzon przezroczystą taśmą. Następnie zacznij tworzyć zwężone włókno, aby sprzęgnąć światło z mikrosferą. Będzie do tego potrzebne urządzenie umożliwiające powolne rozciąganie końców włókna.

Zacznij od odcinka jednomodowego włókna krzemianowego i wyznacz jego środek. Użyj ściągacza powłoki optycznej, aby usunąć około 3-4 centymetrów powłoki wokół tego punktu. Po wykonaniu tej czynności nasuń cylinder z tlenku glinu na odsłonięty fragment włókna, który będzie służył jako piecyk.

Następnie należy użyć terminatora gołego włókna, aby połączyć jeden koniec włókna z laserem zdolnym do pracy przy długości fali 635 nanometrów. Drugi koniec włókna należy połączyć z miernikiem mocy. Po umieszczeniu włókna należy przygotować płomień tlenowo-butanowy, aby podgrzać cylinder aluminiowy do temperatury zbliżonej do punktu topnienia krzemionki, wynoszącego około 2 100 stopni Celsjusza.

Uruchom wyciągacz włókien w taki sposób, aby powoli oddalał od siebie oba końce. Przy włączonym laserze o długości fali 635 nanometrów monitoruj moc przenikającą przez włókno za pomocą miernika mocy. Zmieniające się wartości odzwierciedlają postępujący proces zwężania.

W tym momencie należy przestać wyciągać światłowód i zgasić płomień. Co jakiś czas należy wyjąć światłowód z wejścia miernika mocy, aby rzutować sygnał wyjściowy na kartę wiązki w celu sprawdzenia, czy podczas procesu zwężania zachowano jednorodną okrągłą plamkę. Prace ze światłowodem należy prowadzić po jego uwolnieniu ze wszystkich urządzeń, w tym z cylindra.

Umieść szklaną płytkę mikroskopową wyciętą w kształt litery U w pobliżu zwężenia włókna. Następnie połóż włókno na płytce tak, aby zwężenie znajdowało się w centrum wycięcia w kształcie litery U. Naciągnij włókno i nałóż klej w miejscu styku włókna z płytką, aby unieruchomić włókno. W tym momencie przygotuj się do sprzęgnięcia światła z mikrosferą za pomocą zwężonego włókna.

Aby to osiągnąć, należy zastosować oddzielne stopnie translacyjne dla mikrosfery i zwężonego światłowodu. Na stopniu z aktuatorami piezoelektrycznymi zamontuj uchwyt w kształcie litery T z mikrosferą w taki sposób, aby mikrosfera była skierowana w górę. Na drugim stopniu translacyjnym zamontuj szkiełko przedmiotowe ze światłowodem zorientowanym prostopadle do trzonu światłowodu mikrosfery.

Użyj zakończonego kabla światłowodowego, aby połączyć jeden koniec zwężonego światłowodu z regulowanym laserem diodowym. Drugi koniec podłącz do detektora w postaci fotodiody arsenek indu-galu-itu. Następnie umieść oba stoły translacyjne pod tubusem mikroskopu, który będzie służył do obserwacji szczeliny między mikrosferą a zwężeniem.

Oba elementy należy umieścić w taki sposób, aby zwężka światłowodowa i mikrosfera znajdowały się w zasięgu ruchu przesuwaków translacyjnych. Dodatkowo należy umieścić lustro pod kątem 45 stopni względem tubusu mikroskopu, aby monitorować pionową pozycję zwężki. Pozycję mikrosfery należy ustawić za pomocą odpowiadającego jej przesuwaka translacyjnego, korzystając z obrazu z tubusu mikroskopu.

Celem jest doprowadzenie do kontaktu równika mikrosfery z zwężeniem włókna. Po wykonaniu tej czynności włącz laser w trybie ciągłym i monitoruj widmo transmisji na oscyloskopie. Dostrajaj laser do momentu, aż w widmie pojawią się wgłębienia o kształcie Lorentza wynikające z rezonansów.

Zmierz szerokości linii rezonansowych i oblicz dobroć. Kontynuuj eksperyment, badając efektywność sprzężenia w funkcji przerwy między zwężką a sferą. Sprzężenie światłowodowe jest kluczowe w celu znalezienia odpowiedniego rezonansu do wywołania efektów nieliniowych.

Dobry rezonans jest wąski i charakteryzuje się wysokim kontrastem przy niskiej mocy. Przygotuj układ do realizacji stymulowanego rozpraszania Ramanowskiego. Światło z regulowanego lasera diodowego pracującego przy 15 015 nanometrach wpada do zwężanego światłowodu.

Za laserem znajduje się wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem, który zwiększa moc lasera w celu uzyskania efektu nieliniowego. Następnie znajduje się tłumik, a po nim liniowy polaryzator światłowodowy. Światło przechodzi następnie przez zwężkę (taper), która jest sprzężona z mikrosferą.

Po przejściu przez mikrosferę znajduje się dzielnik o tłumieniu 3 dBm. Jedno wyjście dzielnika prowadzi do analizatora widma optycznego, a drugie do fotodetektora podłączonego do oscyloskopu.

Dostrój laser od wysokich do niskich częstotliwości, aby uzyskać termiczne samoblokowanie. Na oscyloskopie zaobserwuj rezonans z dryftem termicznym porównywalnym do prędkości skanowania długości fali. Rezonans ulegnie poszerzeniu w momencie osiągnięcia termicznego samoblokowania.

Sprawdź moc wyjściową przesyłaną do analizatora widma optycznego. Reguluj tłumik, aby zwiększyć moc, aż do pojawienia się linii laserowej Ramana. Linia laserowa Ramana jest odstrojona od długości fali pompy o około 13,5 terahertz.

Jest to pomiar z mikrosfery o średnicy 50 µm pompowanej przy długości fali około 1 547 nm. Po obu stronach długości fali pompy znajdują się dwie linie mieszania czterofalowego w odległości około 13 nm. Dwie linie wymuszonego rozpraszania Ramanowskiego znajdują się przy około 1 610 i 1 710 nm.

Pomiary sfery o średnicy 98 nanometrów dały podobne wyniki. W tym przypadku pik pompy znajduje się przy 1 551 nanometrach. Linia stymulowanego rozpraszania Ramanowskiego jest wyśrodkowana przy 1 646 nanometrach.

Linia stymulowanego ramanowskiego rozproszenia antistokesa jest scentrowana na długości około 1 452 nanometrów. Symetryczne linie w pobliżu linii stymulowanego antistokesa pochodzą z zdegenerowanego mieszania czterofalowego. Stożek Ramana jest scentrowany na długości 1 666 nanometrów.

Widmo to, uzyskane z mikrosfery o średnicy 40 µm, dostarcza dowodów na stymulowane wzmocnienie antystokesowskie w sytuacji, gdy częstotliwość jest rezonansowa z modem wnęki i dopasowana fazowo z pompą oraz stymulowanym sygnałem stokesowskim. Częstotliwość pompy wynosi 1 540 nm, linia stokesowska znajduje się przy 1 630 nm, a linia antystokesowska przy 1 460 nm. Widmo to, pochodzące z mikrosfery o średnicy 65 µm, wykazuje stosunek stymulowanego rozpraszania antystokesowskiego do stymulowanego rozpraszania stokesowskiego bliski jedności.

Częstotliwość pompy jest wyśrodkowana na 1, 572 nanometrach, linia Stokesa na 1, 640 nanometrach, a linia anty-Stokesa na 1, 490 nanometrach. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo dobrze rozumieć, jak wytwarzać krzemionkowe mikrosfery o wysokim dobroci Q, jak wyciągać zwężkę światłowodową oraz jak efektywnie sprzęgać światło do mikrorezonatora w celu badania fundamentalnych oddziaływań światło-materia. Elektryczne mikrosfery to platformy fotoniczne, które odgrywają niezwykle ważną rolę w nowoczesnej optyce.

Mogą one być wykorzystywane do nieliniowej konwersji częstotliwości fal ciągłych (CW) dzięki zdolności do ograniczania światła przez długi czas w bardzo małych objętościach. Zaprezentowane technologie mikrorezonatorów mogą być również skutecznie wykorzystywane w biosensorach. Nasza grupa osiąga w tej dziedzinie doskonałe wyniki.