Name: Stymulowane rozpraszanie Ramana Stokesa i antystokesa w mikrosferycznych rezonatorach w trybie galerii szeptów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-04T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 21 s
Description: Poznaj generowanie nowych częstotliwości optycznych w mikrosferycznych rezonatorach krzemionkowych w trybie galerii szeptów. Ta metoda umożliwia badanie nieliniowych zjawisk optycznych z zastosowaniem w zwartych źródłach laserowych i biochemicznym czujnikowaniu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi
Ente Cassa di Risparmio di Firenze (nr 2014.0770A2202.8861)

1. Wytwarzanie mikrosfer o bardzo wysokim współczynniku jakości
<ol>
	<li>Usuń około 1-2 cm standardowego jednomodowego (SMF) włókna krzemionkowego z powłoki akrylowej za pomocą ściągacza optycznego.</li>
	<li>Oczyść odizolowaną część acetonem i rozłup ją.</li>
	<li>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 "+".</li>
	<li>Gdy kula nabierze kształtu, zatrzymaj się, obróć włókno o 90° i powtórz krok 1.3.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Umieść odizolowane włókno w krótkim cylindrze z tlenku glinu, a powlekane końce włókna w dwóch etapach translacji, które uruchamiają się jednocześnie podczas procesu ciągnięcia.</li>
	<li>Podgrzać cylinder z tlenku glinu (który działa jak piekarnik) płomieniem tlen-butan do temperatury bliskiej temperaturze topnienia krzemionki (około 2 100 °C).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>Postępując zgodnie z sekcją 2, narysuj zwężające się włókno, ciągnąc, aż pęknie.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
4. Sprzężenie światła z mikrosferą
Uwaga: Używamy stożka do łączenia światła z mikrosferą i mierzenia rezonansów mikrorezonatora.
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>Ustaw równik mikrosfery w kontakcie ze stożkowym włóknem.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Włącz laser i sprawdź widmo transmisji układu stożka mikrosfery w oscyloskopie.
	<ol>
		<li>Dostrój laser CW działający przy 1,550 nm, aż pojawią się rezonanse. Rezonanse można zidentyfikować jako spadki widma w kształcie Lorentza.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zmierz szerokość linii rezonansowej (pełna szerokość, połowa maksimum zagłębienia w kształcie Lorentza). Oblicz współczynnik Q jako częstotliwość pompy podzieloną przez szerokość linii rezonansowej.</li>
	<li>Zmniejsz / zwiększ szczelinę między kulą a stożkiem, zmieniając zarówno szerokość, jak i głębokość rezonansu w celu zwiększenia/zmniejszenia wydajności sprzężenia.</li>
</ol>
5. Stymulowane rozpraszanie Ramana
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>Kozyreff, G., Dominguez-Juarez, J. L., Martorell, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non+linear+optics+in+spheres%3A+from+second+harmonic+scattering+to+quasi-phase+matched+generation+in+whispering+gallery+modes%5BTitle%5D)+AND+%22Laser+Photon.+Rev%22%5BJournal%5D)">Non linear optics in spheres: from second harmonic scattering to quasi-phase matched generation in whispering gallery modes.</a> Laser Photon. Rev. 5 (6), (2011).</li>
<li>Farnesi, D., Barucci, A., Righini, G. C., Berneschi, S., Soria, S., Nunzi Conti, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+frequency+generation+in+silica+microspheres%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Optical frequency generation in silica microspheres.</a> Phys. Rev. Lett. 112 (9), 093901(2014).</li>
<li>Liang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Miniature+multioctave+light+source+based+on+a+monolithic+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Optica%22%5BJournal%5D)">Miniature multioctave light source based on a monolithic microcavity.</a> Optica. 2 (1), 40-47 (2015).</li>
<li>Maker, A. J., Armani, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+Silica+Ultra+High+Quality+Factor+Microresonators%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators.</a> J. Vis. Exp. (65), e4164(2012).</li>
<li>Coillet, A., Henriet, R., Phan Huy, K., Jacquot, M., Furfaro, L., Balakireva, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+Photonics+Systems+Based+on+Whispering-gallery-mode+Resonators%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators.</a> J. Vis. Exp. (78), e50423(2013).</li>
<li>Han, K., Kim, K. H., Kim, J., Lee, W., Liu, J., Fan, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+Testing+of+Microfluidic+Optomechanical+Oscillators%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators.</a> J. Vis. Exp. (87), e51497(2014).</li>
<li>Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microspheres%2C+Photonic+Atoms%2C+and+the+Physics+of+Nothing%5BTitle%5D)+AND+%22American+Scientist%22%5BJournal%5D)">Microspheres, Photonic Atoms, and the Physics of Nothing.</a> American Scientist. 89 (5), 414-421 (2001).</li>
<li>Chiasera, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spherical+whispering+gallery+mode+microresonators%5BTitle%5D)+AND+%22Laser+Photon.+Rev%22%5BJournal%5D)">Spherical whispering gallery mode microresonators.</a> Laser Photon. Rev. 4 (3), 457-482 (2010).</li>
<li>Helt, L. G., Liscidini, M., Sipe, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+does+it+scale%3F+Comparing+quantum+and+classical+nonlinear+optical+processes+in+integrated+devices%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am.+B%22%5BJournal%5D)">How does it scale? Comparing quantum and classical nonlinear optical processes in integrated devices.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 29 (8), 2199-2212 (2012).</li>
<li>Leach, D. H., Chang, R. K., Acker, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulated+anti-Stokes+Raman+scattering+in+microdroplets%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Stimulated anti-Stokes Raman scattering in microdroplets.</a> Opt. Lett. 17 (6), 387-389 (1992).</li>
<li>Farnesi, D., Cosi, F., Trono, C., Righini, G. C., Nunzi Conti, G., Soria, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulated+Antistokes+Raman+scattering+resonantly+enhanced+in+silica+microspheres%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Stimulated Antistokes Raman scattering resonantly enhanced in silica microspheres.</a> Opt. Lett. 39 (20), 5993-5996 (2014).</li>
<li>Qian, S. X., Chang, R. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiorder+Stokes+emission+from+micrometer+size+droplets%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Multiorder Stokes emission from micrometer size droplets.</a> Phys. Rev. Lett. 56 (9), 926-929 (1986).</li>
<li>Lin, H. B., Campillo, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CW+nonlinear+optics+in+droplet+microcavities+displaying+enhanced+gain%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">CW nonlinear optics in droplet microcavities displaying enhanced gain.</a> Phys. Rev. Lett. 73 (18), 2440-2443 (1994).</li>
<li>Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultralow+threshold+Raman+laser+using+a+spherical+dielectric+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Ultralow threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity.</a> Nature. 415 (6872), 621-623 (2002).</li>
<li>Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kerr-Nonlinearity+optical+parametrical+oscillation+in+an+ultrahigh+Q+toroid+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Kerr-Nonlinearity optical parametrical oscillation in an ultrahigh Q toroid microcavity.</a> Phys. Rev. Lett. 93 (8), 083904(2004).</li>
<li>Hill, S. C., Leach, D. H., Chang, R. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Third+order+sum+frequency+generation+in+droplets%3A+model+with+numerical+results+for+third-harmonic+generation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am.+B%22%5BJournal%5D)">Third order sum frequency generation in droplets: model with numerical results for third-harmonic generation.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 10 (1), 16-33 (1993).</li>
<li>Kozyreff, G., Dominguez Juarez, J. L., Martorell, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whispering+gallery+mode+phase+matching+for+surface+second+order+nonlinear+optical+processes+in+spherical+microresonators%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+A%22%5BJournal%5D)">Whispering gallery mode phase matching for surface second order nonlinear optical processes in spherical microresonators.</a> Phys. Rev. A. 77 (4), 043817(2008).</li>
<li>Jouravlev, M. V., Kurizki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unified+theory+of+Raman+and+parametric+amplification+in+nonlinear+microspheres%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+A%22%5BJournal%5D)">Unified theory of Raman and parametric amplification in nonlinear microspheres.</a> Phys. Rev. A. 70 (5), 053804(2004).</li>
<li>Brenci, M., Calzolai, R., Cosi, F., Nunzi Conti, G., Pelli, S., Righini, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microspherical+resonators+for+biophotonic+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">Microspherical resonators for biophotonic sensors.</a> Proc. SPIE. 6158, 61580S(2006).</li>
<li>Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamical+thermal+behavior+and+thermal+self-stability+of+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities.</a> Opt. Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).</li>
<li>Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Min, B., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+and+experimental+study+of+stimulated+and+cascaded+Raman+scattering+in+ultrahigh+Q+optical+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sel.+Quantum+Electron%22%5BJournal%5D)">Theoretical and experimental study of stimulated and cascaded Raman scattering in ultrahigh Q optical microcavities.</a> J. Sel. Quantum Electron. 10 (5), 1219-1228 (2004).</li>
<li>Bloembergen, N., Shen, Y. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coupling+between+vibrations+and+light+waves+in+Raman+laser+media%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Coupling between vibrations and light waves in Raman laser media.</a> Phys. Rev. Lett. 12 (18), 504-507 (1964).</li>
<li>Gorodestky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rayleigh+scattering+in+high+Q+microspheres%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am.+B%22%5BJournal%5D)">Rayleigh scattering in high Q microspheres.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 17 (6), 1051-1057 (2000).</li>
<li>Arnold, S., Ramjit, R., Keng, D., Kolchenko, V., Teraoka, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microparticle+photophysics+illuminates+viral+bio-sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Faraday+Discuss%22%5BJournal%5D)">Microparticle photophysics illuminates viral bio-sensing.</a> Faraday Discuss. 137, 65-83 (2008).</li>
<li>Ozdemir, S. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+sensitive+detection+of+nanoparticle+with+a+self+referenced+and+self-heterodyned+whispering+gallery+Raman+microlaser%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci+USA%22%5BJournal%5D)">Highly sensitive detection of nanoparticle with a self referenced and self-heterodyned whispering gallery Raman microlaser.</a> Proc. Natl. Acad. Sci USA. 11 (37), E3836-E3844 (2014).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych. D.F. jest doktorantem na Uniwersytecie w Parmie.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Światłowód</td><td>Corning</td><td>SMF28</td><td></td></tr><tr><td>Ściągacz powłok z włókien</td><td>Thorlabs</td><td>T06S13</td><td>Dostępne również u innych dostawców</td></tr><tr><td>Obcinak do włókien</td><td>Fitel</td><td>S325A</td><td>Dostępne również u innych dostawców</td></tr><tr><td>Spawarka</td><td>Furakawa</td><td>S177A-1R</td><td>Dostępne również u innych dostawców</td></tr><tr><td>Butan i tlen</td><td>Gaz nie dotyczy</td><td></td><td>dowolny sprzedawca</td></tr><tr><td>Tubus mikroskopu</td><td>Zestaw modułowy</td><td>Navitar</td><td>Zoom 6000</td></tr><tr><td>Kamera CCD</td><td>Nie</td><td></td><td>dotyczy dowolna będzie pasować</td></tr><tr><td>Monitor</td><td>nie</td><td></td> dotyczy <td>Nie dotyczy dowolny monitor jest ważny</td></tr><tr><td>3-osiowy stolik</td><td>PI Instrumenty, Thorlabs, Melles</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Różne słupki i mocowania</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>Dostępne również u innych dostawców</td></tr><tr><td>Kontrola polaryzacji</td><td>Thorlabs</td><td>FPC030</td><td>Dostępne również u innych dostawców</td></tr><tr><td>Tłumik</td><td>Throlabs</td><td>VOA50</td><td></td></tr><tr><td>Fotodioda</td><td>Thorlabs</td><td>PDA400</td><td>wycofany z produkcji, zastąpiony przez</td></tr><tr><td>oscyloskop</td> PDA10CS-EC <td>Tektronix</td><td>DPO7104</td><td></td></tr><tr><td>Optyczny analizator widma</td><td>Ando</td><td>AQ6317B</td><td></td></tr><tr><td>Wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem</td><td>IPG Fotonika</td><td>EAD-2K-C</td><td></td></tr><tr><td>Przestrajalny laser</td><td>Yenista</td><td>TUNIKI</td><td></td></tr></tbody></table>

stymulowane rozpraszanie ramana stokesa i antystokesa w mikrosferycznych rezonatorach w trybie galerii szeptów

Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

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.

Współczynniki Q mikrosfer wykonanych zgodnie z powyższym protokołem przekraczają 108 (Rysunek 5) dla dużych średnic (&gt;20 μm) oraz 106 dla małych średnic (&lt; 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...

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).

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

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...

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.

stimulated-stokes-antistokes-raman-scattering-microspherical

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Mikroczujnik fotoniczny o wysokiej czułości został opracowany do wykrywania pola elektrycznego. Czujnik wykorzystuje mody optyczne kuli dielektrycznej. Zmiany w zewnętrznym polu elektrycznym zaburzają morfologię kuli, prowadząc do przesunięć w jej modach optycznych. Natężenie pola elektrycznego jest mierzone poprzez monitorowanie tych przesunięć optycznych.

Opracowanie polimerowych mikrooptycznych czujników pola elektrycznego w trybie Whispering Gallery

Czujniki mikrownękowe z rdzeniem fluorescencyjnym wykorzystują powłokę z kropek kwantowych o wysokim indeksie w kanale mikrokapilar krzemionkowych. Zmiany współczynnika załamania światła płynów pompowanych do kanału kapilarnego powodują przesunięcia w widmie fluorescencji mikrownęki, które można wykorzystać do analizy ośrodka kanałowego.

Synteza i działanie mikrownęk z rdzeniem fluorescencyjnym w detekcji refraktometrycznej

Przedstawiono dostosowane techniki opracowane w naszym laboratorium do budowy mikrofalowych systemów fotonicznych opartych na rezonatorach o ultra-wysokim Q w trybie galerii szeptów. Protokoły uzyskiwania i charakteryzowania tych rezonatorów są szczegółowo opisane i podano wyjaśnienie niektórych z ich zastosowań w fotonice mikrofalowej.

Mikrofalowe systemy fotoniczne oparte na rezonatorach z galerią szeptów

Referencyjna technika interferometryczna, która ma na celu usuwanie niepożądanych zakłóceń laserowych dla nanodetekcji, jest wykorzystywana do sondowania mikrownęk czynnikowych o ultra wysokiej jakości. Instrukcje dotyczące montażu, konfiguracji i pozyskiwania danych są dostarczane wraz z procesem pomiaru w celu określenia współczynnika jakości gniazda.

Implementacja interferometru referencyjnego do nanodetekcji

Parametryczne wzbudzenia optomechaniczne zostały ostatnio eksperymentalnie zademonstrowane w mikroprzepływowych rezonatorach optomechanicznych za pomocą ciśnienia promieniowania optycznego i stymulowanego rozpraszania Brillouina. W artykule opisano wytwarzanie tych rezonatorów mikroprzepływowych wraz z metodologiami generowania i weryfikacji oscylacji optomechanicznych.

Produkcja i testowanie mikroprzepływowych oscylatorów optomechanicznych

Opisujemy konstrukcję spektrometru CW-SBS do szybkiego rozpraszania Brillouiny stymulowanego falami ciągłymi. Spektrometr wykorzystuje lasery diodowe o pojedynczej częstotliwości i atomowy filtr wycinający do pozyskiwania widm transmisyjnych mętnych/niemętnych próbek o wysokiej rozdzielczości spektralnej przy prędkościach do 100 razy większych niż w przypadku istniejących spektrometrów CW-SBS. To ulepszenie umożliwia szybką analizę materiału Brillouina.<br...

Szybki spektrometr rozpraszania Brillouina stymulowany falami ciągłymi do analizy materiałów

Przedstawiono protokoły syntezy mikrosfer z polimerów, manipulacji mikrosferami i pomiarów mikrofotoluminescencji.

Wytwarzanie mikrosfer polimerowych do zastosowań w rezonatorach optycznych i laserach

W tym manuskrypcie opisana jest implementacja mikroskopu z wymuszonym rozpraszaniem Ramana (SRS), uzyskanego przez integrację eksperymentalnego zestawu SRS z laserowym mikroskopem skaningowym. Mikroskop SRS oparty jest na dwóch femtosekundowych (fs) źródłach laserowych, Ti-Sapphire (Ti:Sa) i zsynchronizowanym optycznym oscylatorze parametrycznym (OPO).

Wdrożenie mikroskopu nieliniowego opartego na wymuszonym rozpraszaniu Ramana

Opisano szczegóły generowania i optymalizacji sygnału, pomiaru, akwizycji danych i obsługi danych dla femtosekundowego, czasowo rozdzielczego, stymulowanego spektrometrem Ramana w bliskiej podczerwieni. Jako reprezentatywne zastosowanie pokazano badanie Ramana stymulowane bliską podczerwienią dynamiki stanu wzbudzonego β-karotenu w toluenie.

Ultraszybkie, czasowo-rozdzielcze, stymulowane bliską podczerwienią pomiary ramanowskie funkcjonalnych układów π-sprzężonych

Przedstawiamy protokół do pozyskiwania obrazów chemicznych za pomocą mikroskopii SRS (ang. broadband stimulated Raman scattering). Opierając się na mikroskopie SRS, który działa z różnicową detekcją wielokanałową typu lock-in, protokół opisuje przygotowanie próbki, regulację aparatury SRS i chemometrię w celu rozplątania różnych składników chemicznie niejednorodnych próbek.

Multipleksowe obrazowanie chemiczne oparte na szerokopasmowej mikroskopii rozpraszania Ramana stymulowanego

Poznaj generowanie nowych częstotliwości optycznych w mikrosferycznych rezonatorach krzemionkowych w trybie galerii szeptów. Ta metoda umożliwia badanie nieliniowych zjawisk optycznych z zastosowaniem w zwartych źródłach laserowych i biochemicznym czujnikowaniu.

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

Przeglądaj więcej filmów