Microwave Systems Fotônica Baseado Ressonadores-gallery de modo Whispering

O objetivo geral deste procedimento é gerar pentes de frequência óptica usando o modo Whispering Gallery, ressonadores de disco para aplicações fotônicas de micro-ondas. O primeiro passo é retificar e polir a borda de um disco cristalino até que a escala de sua rugosidade superficial seja subnanométrica. O segundo passo é medir essa rugosidade superficial usando o microscópio interferômetro AAU.

Em seguida, uma fibra óptica monomodo é desenhada enquanto aquecida com o maçarico para obter uma fibra cônica com diâmetro de escala micrométrica. A etapa final é usar o cone para acoplar a luz do laser no ressonador de disco e excitar um modo de galeria sussurrante cujo caminho de luz de ida e volta corresponde a um número inteiro de reflexões internas totais. Em última análise, a potência da bomba é aumentada e outros modos de galeria sussurrante são excitados por meio da não linearidade do cuidado.

Isso leva a pulsos curtos no domínio temporal e um pente de frequência no domínio da frequência. O teste no uso do ativador de disco cristalizado polido mecanicamente é que é possível obter uma qualidade rápida de superfície muito alta com uma pequena absorção interna. A superfície pode ser usada com precisão usando um perfilômetro óptico personalizado, e o fator C relacionado está usando os métodos cavi para lançar a luz nos originadores do disco.

Usamos fibras do tipo fabricadas em nosso laboratório. Ao contrário de outros métodos. As fibras do tipo fornecem a eficiência de acoplamento muito alta necessária para desencadear efeitos não lineares.

Com baixa potência da bomba, a não linearidade do cuidado induz novas frequências como potência de laser suficientemente alta, levando a uma coluna de frequência óptica. Para frequências correlacionadas de fase, podem ser geradas microondas confiáveis, que usamos para aplicações photonix. O primeiro passo neste protocolo é produzir um ressonador.

Comece com fluoreto de magnésio cristalino de janela óptica ou fluoreto de cálcio. Aqui, um disco de fluoreto de cálcio de seis milímetros de diâmetro é usado. O cristal será moldado e polido em uma torre de polimento como a feita sob medida para este experimento.

As amostras nesta torre de polimento são fixadas a uma haste que é mantida pela cola do motor do fuso, a extremidade da haste até o centro da janela óptica cristalina, monte a haste no motor do fuso. Em seguida, cubra uma guia metálica em forma de V com uma almofada de suporte de polimento apropriada ao cristal usado. Pegue uma mistura preparada de um pó abrasivo, como diamante ou carboneto de silício com um tamanho de partícula de 10 mícrons e água e despeje sobre a almofada na guia.

Comece a rotação do cristal a cerca de 5.000 RPM e mova a guia em direção ao cristal giratório para começar a moê-lo a 20 gramas. Pressão Continue moendo até que o cristal tenha uma forma convexa como nesta imagem gerada por computador. Isso pode levar entre duas e quatro horas, dependendo do material.

Depois de moldar o cristal, o próximo passo é moer e polir. Usando partículas abrasivas progressivamente menores misturadas com água na guia, o processo completo leva de quatro a oito horas. À medida que a retificação e o polimento prosseguem, é importante obter feedback sobre o estado da superfície.

Inicialmente, quando o cristal estiver opaco, use um microscópio óptico para inspeção visual. A superfície deve permanecer livre de defeitos com rugosidade na escala do tamanho do grão abrasivo. Mais tarde, após o polimento bem-sucedido com partículas de um mícron, o cristal torna-se transparente e o polimento óptico foi alcançado em estágios posteriores com abrasivos menores, medições interferométricas são necessárias para caracterizar a superfície.

Use um microscópio equipado com a objetiva do interferômetro moral para estudar qualitativamente as variações da altura da superfície por meio dos padrões de interferência observados na objetiva moral. Metade da luz incidente é direcionada para a superfície do disco, enquanto a outra metade é refletida por um espelho. A luz refletida pelo disco e a luz do espelho produzem um padrão de interferência que é usado para caracterizar a superfície do disco.

Esta imagem interferométrica é de uma superfície que foi polida com pó de um mícron. Apresenta variações significativas de altura. Esta imagem é de uma superfície que foi polida com pó de 100 nanômetros.

Indica uma superfície muito mais lisa. Para uma caracterização mais detalhada, use uma medição controlada por computador das variações de altura da superfície em uma pequena área. Esta imagem foi concluída em cerca de uma hora e cobre aproximadamente 0,25 milímetros quadrados.

A retificação e o polimento devem continuar até que os dados interferométricos sugiram que a superfície é o mais lisa possível. Para acoplar a luz ao disco. Um cone é desenhado em uma fibra óptica.

Quando o cone é desenhado, o diâmetro da fibra no cone é reduzido de 125 mícrons para um mícron. Os modos de ordem superior são progressivamente excitados e interferem uns nos outros. Um ponto crítico é alcançado.

Quando esses modos de ordem superior são ejetados, apenas um modo permanece guiado e seu campo evanescente pode ser usado para acoplar a luz ao disco para criar a fibra óptica para acoplamento ao ressonador. Comece com cerca de um metro de fibra de sílica monomodo. Junte a fibra nua aos conectores FC de cada lado.

Retire cerca de cinco centímetros do revestimento de plástico e polímero da seção central de uma fibra de sílica monomodo. Em seguida, conecte uma extremidade da fibra a uma onda contínua próxima à fonte de laser infravermelho e a outra a um fotodiodo. Isso permite o monitoramento da fibra.

Em seguida, fixe uma parte revestida em ambos os lados da região descascada da fibra em um motor de alta resolução controlado por computador. Os motores devem ser controlados por computador e configurados para puxar as extremidades em direções opostas a uma aceleração constante. Agora, aqueça a parte não revestida da fibra com um maçarico por cerca de um minuto.

As chamas devem ser suaves para evitar danificar o cone evolutivo. Após um minuto enquanto ainda aplica uma chama, use uma interface de computador dos motores para iniciar cada um deles em movimento com uma aceleração constante de cerca de cinco mícrons por quadrado. Em segundo lugar, uma vez iniciado o desenho, monitore a transmissão do cone usando a fonte de laser e o fotodiodo.

Os padrões de interferência do IOD aparecerão durante o processo, aumentarão em frequência e desaparecerão para um diâmetro de resíduo próximo a um mícron. Neste ponto, pare o movimento do motor e a chama imediatamente para acoplar a luz ao ressonador e medir os modos agan da cavidade. O ressonador e o cone de fibra devem ser aproximados um do outro sob um microscópio.

Fixe o ressonador em um estágio de translação controlado por PAO de três eixos nas proximidades do cone da fibra enquanto usa o microscópio para monitorar a posição relativa do ressonador e do cone da fibra. Mova o ressonador a uma distância inferior a um mícron do cone. Empregue um espelho para ajudar no posicionamento vertical e no ângulo de inclinação para testar o acoplamento da fibra e do ressonador.

Conecte a fibra cônica a um diodo laser visível. Quando o acoplamento é eficiente, o ressonador deve ser iluminado. Uma vez que o acoplamento eficiente tenha sido alcançado, substitua o diodo laser visível por um laser livre de salto de modo que tenha se alinhado com mais estreito do que o da ressonância.

A outra extremidade do cone deve ser inserida em um fotodiodo conectado a um osciloscópio. Quando a luz entra na cavidade, sua intensidade diminui exponencialmente com o tempo. O tempo de decaimento característico é chamado de tempo de vida do fóton.

Uma medida importante da capacidade de armazenamento de energia do ressonador é o fator de qualidade definido como o produto do tempo de vida do fóton e da frequência angular do fóton. Uma medição precisa do fator de qualidade pode ser feita com o experimento de anel de cavidade para realizá-lo. Varra o laser de entrada através de comprimentos de onda rápidos o suficiente para causar interferência entre a luz ressonante que decai na câmara e a luz desafinada de um tempo subsequente.

Em seguida, ajuste a posição do ressonador e do cone para maximizar o fator de qualidade do acoplamento. Usando o traço do osciloscópio como guia, o fator de qualidade é encontrado ajustando a curva medida. Efeitos não lineares podem ser vistos inserindo um amplificador óptico entre o laser sintonizável e o ressonador.

Usando o traço do osciloscópio de fotodiodo para feedback, sintonize o laser em um comprimento de onda de entrada próximo à ressonância. Neste ponto, conecte a fibra de saída a um analisador de espectro óptico de alta resolução. Aumente a potência de entrada do laser enquanto desafina ligeiramente o comprimento de onda da bomba.

Novas frequências aparecerão em cada lado do pico da bomba. Este é um pente de frequência óptica de cuidado. Neste gráfico de transmissão versus tempo, o traço em azul foi encontrado usando a técnica de anel de cavidade em um ressonador de modo de galeria sussurrante fabricado a partir de fluoreto de cálcio.

Com os métodos deste protocolo, a curva vermelha é a curva ajustada a partir da qual um fator de qualidade intrínseca de 1,5 vezes 10 elevado ao nono pode ser determinado. Esses dados mostram o pente de frequência óptica de cuidado obtido para um ressonador de modo de galeria sussurrante. A frequência central é a do laser de entrada, cerca de 193,3 terahertz.

As outras linhas espectrais são criadas pelas interações não lineares no ressonador. A frequência entre cada linha espectral é de seis gigahertz, correspondendo à faixa espectral livre do ressonador. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter um bom entendimento sobre como fabricar o modo de galeria sussurrante ultra HighQ, ressonadores, como acoplá-los à bomba de laser usando uma fibra cônica e como gerar uma composição de frequência óptica.

Esses métodos permitem a investigação das interações fundamentais da matéria leve induzidas por campos de laser fortemente confinados em meios não lineares, uma exploração de uma ampla variedade de aplicações tecnológicas. Não se esqueça de tomar precauções como máscaras, colas e óculos de segurança a laser certificados ao realizar este procedimento.