Estimulada Stokes e Antistokes Raman Scattering em microparticulas Whispering Gallery Modo Resonators

O objetivo geral deste procedimento é gerar novas frequências ópticas utilizando ressoadores microesféricos de sílica em modo de galeria de sussurros para aplicações ópticas e fotônicas que vão desde fontes de laser compactas até sensores bioquímicos. Em microressonadores de modo de galeria de sussurros, a luz pode ser guiada com uma combinação única de forte confinamento espacial e longa duração da cavidade. Baixas perdas garantem fatores de qualidade elevados.

Esses ressoadores são idealmente adequados para interações ópticas não lineares. Em particular, microesferas de sílica mostram um grande potencial como geradores de frequência para fontes contínuas, compactas, de largura de linha estreita e sintonizáveis. O interesse pelo uso de técnicas de fusão para a fabricação da microesfera elétrica baseia-se no fato de que baixas perdas por espalhamento podem ser alcançadas e, consequentemente, fatores de qualidade muito elevados.

Utilizamos uma fibra afunilada caseira para acoplar a luz nas microesferas. O alto rendimento de acoplamento e o elevado fator de acumulação da cavidade podem induzir efeitos não lineares de Kerr com baixa potência de bomba contínua. A demonstração do procedimento de afunilamento será realizada por Franco Cosi, um técnico do nosso laboratório.

Para criar uma microesfera, obtenha primeiro um trecho de fibra para trabalhar. Reúna o equipamento necessário para fabricar uma microesfera utilizando fibra de sílica monomodo. Isso inclui a fibra, acetona, um removedor de revestimento óptico e uma cleaver de fibra.

Além disso, tenha pronto um fusor de fibras. Use o decapador para remover cerca de 1-2 centímetros do revestimento acrílico da extremidade da fibra. Em seguida, limpe a parte descascada com um lenço limpo e acetona.

Coloque a extremidade da fibra no cleaver de fibra e realize o corte para isolar a parte descascada. Recolha a fibra cortada do cleaver. Mova a ponta da fibra para o fusor.

Ali, posicione a fibra e fixe-a conforme as orientações do fabricante. Feche a tampa, verifique se a potência do arco e a duração do arco estão corretas e, em seguida, inicie o arco. Monitore o progresso no visor.

À medida que o arco derrete o vidro, a forma da fibra começará a se tornar esférica devido à tensão superficial. Quando a esfera começar a se formar, interrompa o arco e abra a tampa. Acesse a fibra no suporte, gire-a em 90 graus para preservar a forma esférica e, em seguida, fixe novamente a fibra no lugar.

Feche a tampa e reinicie o arco. Realizar pelo menos três rotações de 90 graus desse tipo ao longo de cinco a 10 minutos produzirá uma microesfera de cerca de 160 micrômetros. Ao remover a microesfera e seu talo de fibra, esteja preparado para armazená-la ou utilizá-la dentro de um dia.

Este suporte em formato de t pode ser montado em uma plataforma de translação para uso em experimentos de acoplamento de luz. Ele possui um canal ao longo de seu centro para o cabo de fibra da microesfera. Coloque a extremidade residual do cabo da microesfera no canal, de modo que a microesfera fique desobstruída acima do suporte.

Fixe o cabo com fita transparente. Agora, comece a criar uma fibra afunilada para acoplar a luz à microesfera. Isso exigirá um dispositivo capaz de puxar lentamente as extremidades da fibra para separá-las.

Inicie com um trecho de fibra de sílica monomodo e identifique seu ponto médio. Utilize o removedor óptico de revestimento para retirar cerca de 3-4 centímetros do revestimento ao redor desse ponto. Após isso, deslize um cilindro de alumina sobre a parte descoberta da fibra para servir como um forno.

Em seguida, utilize um terminador de fibra nua para conectar uma extremidade da fibra a um laser capaz de operar em 635 nanômetros. Conecte a outra extremidade da fibra a um medidor de potência. Uma vez que a fibra esteja posicionada, posicione uma chama de oxigênio-butano para aquecer o cilindro de alumina até uma temperatura próxima ao ponto de fusão da sílica, de aproximadamente 2.100 graus Celsius.

Inicie o puxador de fibra para que ele mova lentamente as duas extremidades uma da outra. Com o laser de 635 nanômetros ligado, monitore a potência transmitida pela fibra com o medidor de potência. Valores em mudança refletem o afinamento contínuo.

Neste momento, pare de puxar a fibra e desligue a chama. Remova ocasionalmente a fibra da entrada do medidor de potência para projetar a saída da fibra em um cartão de feixe e verificar se uma mancha circular homogênea é mantida durante o processo de afinamento. Trabalhe com a fibra após ela ter sido liberada de todos os equipamentos, incluindo o cilindro.

Posicione uma lâmina de microscópio de vidro cortada em forma de U próxima ao ponto de afunilamento da fibra. Em seguida, coloque a fibra sobre a lâmina, com o afunilamento centralizado na região em U. Mantenha a fibra esticada e aplique cola onde a fibra e a lâmina se sobrepõem, para fixar a fibra no lugar. Neste momento, prepare-se para acoplar luz à microesfera utilizando a fibra afunilada.

Para fazer isso, utilize estágios de tradução separados para a microesfera e para a fibra afunilada. Em um estágio com atuadores piezoelétricos, monte o suporte em forma de T com a microesfera de modo que a microesfera aponte para cima. No outro estágio de tradução, monte a lâmina de vidro com a fibra orientada perpendicularmente ao cabo da fibra da microesfera.

Use um cabo de fibra terminado para conectar uma extremidade da fibra afunilada a um laser de diodo sintonizável. Conecte a outra extremidade a um detector fotodiodo de arsênio de índio-gálio. Agora, posicione ambas as etapas de translação sob o tubo do microscópio que será usado para observar a lacuna entre a microesfera e o afunilamento.

Os dois devem ser posicionados de modo que o estreitamento da fibra e a microesfera estejam dentro da distância de deslocamento das plataformas de translação. Além disso, coloque um espelho a 45 graus em relação ao tubo do microscópio para monitorar a posição vertical do estreitamento. Posicione a microesfera utilizando a plataforma de translação e o feedback proveniente do tubo do microscópio.

O objetivo é posicionar o equador da microesfera em contato com o tapers. Feito isso, ligue o laser de onda contínua e monitore o espectro de transmissão em um osciloscópio. Ajuste o laser até que apareçam no espectro depressões com formato lorentziano devido às ressonâncias.

Meça as larguras das linhas de ressonância e calcule o fator de qualidade. Continue o experimento explorando a eficiência de acoplamento em função da distância entre o tapers e a esfera. O acoplamento com fibra é crucial para encontrar uma boa ressonância capaz de acionar efeitos não lineares.

Uma boa ressonância é estreita e apresenta alto contraste em baixa potência. Prepare a montagem para realizar a dispersão Raman estimulada. A luz de um laser de diodo sintonizável operando em 15.015 nanômetros entra na fibra afunilada.

Após o laser, há um amplificador de fibra dopada com érbio para aumentar a potência do laser e alcançar o efeito não linear. Em seguida, há um atenuador e, depois, um polarizador de fibra em linha. A luz então passa pelo estreitamento, que é acoplado a uma microesfera.

Após passar pela microesfera, há um divisor de 3 decibéis-miliwatt. Uma saída do divisor vai para um analisador de espectro óptico. A outra vai para um fotodetector conectado a um osciloscópio.

Ajuste o laser de frequências altas para baixas para alcançar o travamento térmico automático. No osciloscópio, observe uma ressonância com a deriva térmica comparável à velocidade de varredura do comprimento de onda. A ressonância se alargará quando o travamento térmico automático for alcançado.

Verifique a potência de saída transmitida para o analisador de espectro óptico. Ajuste o atenuador para aumentar a potência até que a linha do laser Raman apareça. A linha do laser Raman está deslocada em relação ao comprimento de onda da bomba em aproximadamente 13,5 terahertz.

Esta é uma medição realizada a partir de uma microesfera com diâmetro de 50 micrômetros bombeada em aproximadamente 1.547 nanômetros. Em ambos os lados do comprimento de onda de bombeamento, existem duas linhas de mistura de quatro ondas situadas a cerca de 13 nanômetros de distância. Duas linhas de espalhamento Raman estimulado estão localizadas em aproximadamente 1.610 e 1.710 nanômetros.

Medições de uma esfera de 98 nanômetros produziram resultados semelhantes. Neste caso, o pico da bomba está em 1.551 nanômetros. A linha de espalhamento Raman estimulado é centrada em 1.646 nanômetros.

A linha estimulada de espalhamento Raman antistokes é centrada em aproximadamente 1.452 nanômetros. As linhas simétricas próximas à linha antistokes estimulada são provenientes da mistura degenerada de quatro ondas. Um cone Raman é centrado em 1.666 nanômetros.

Este espectro proveniente de uma microesfera com diâmetro de 40 micrômetros fornece evidência de realce estimulado da antistokes quando sua frequência é ressonante com o modo da cavidade e casada em fase com o sinal de bombeamento e o sinal estimulado de stokes. A frequência de bombeamento é de 1.540 nanômetros, a linha de stokes está em 1.630 nanômetros e a linha de antistokes está em 1.460 nanômetros. Este espectro de uma microesfera de 65 micrômetros apresenta uma razão entre espalhamento estimulado de antistokes e espalhamento estimulado de stokes próxima a um.

A frequência da bomba é centrada em 1.572 nanômetros, a linha de Stokes em 1.640 nanômetros, a linha antistokes em 1.490 nanômetros. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como fabricar microesferas de sílica de alto fator Q, como estirar um tapers de fibra e como acoplar luz de forma eficiente ao microressonador para estudar interações fundamentais entre luz e matéria. As microesferas de sílica são plataformas fotônicas que desempenham um papel extremamente importante na óptica moderna.

Eles podem ser explorados para a conversão de frequência não linear em onda contínua devido à sua capacidade de confinar a luz por longos períodos em volumes muito pequenos. As tecnologias de microressonadores que foram demonstradas também podem ser efetivamente aproveitadas para biossensores. Nossa equipe está obtendo excelentes resultados nesta área.