Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Вынужденное Стокса и антистоксовом комбинационного рассеяния света в микросферических Whispering Режим галереи резонаторы

10.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/53938

⸱

4 апреля 2016 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
1Enrico Fermi Center, 2Institute of Applied Physics “N. Carrara”, IFAC-CNR

В этой статье

Краткое содержание

Эффективная генерация нелинейных явлений , связанных с третьего порядка оптической нелинейной восприимчивости Χ (3) взаимодействия в трехкратно резонансных микросферы диоксида кремния представлен в данной работе. Взаимодействие здесь сообщается, являются: вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), и четыре волновые процессы смешивания, содержащие Вынужденное антистоксовые комбинационное рассеяние (SARS).

Аннотация

Диэлектрические микросферы могут ограничить свет и звук в течение длительного времени через коэффициент шепчущей галереи высокого качества (WGM). Стеклянные микросферы можно рассматривать как запас энергии с огромным разнообразием применений: компактные лазерные источники, высокочувствительных биохимических сенсоров и нелинейных явлений. Протокол для изготовления обоих микросферами и системы связи определяется. Соединители, описанные здесь, перетянутые волокна. Эффективная генерация нелинейных явлений , связанных с третьего порядка оптической нелинейной восприимчивости Χ (3) взаимодействия в трехкратно резонансных микросферы диоксида кремния представлен в данной работе. Взаимодействие здесь сообщается, являются: вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), и четыре волновые процессы смешивания, содержащие Вынужденное антистоксовые комбинационное рассеяние (SARS). Доказательство явления полости повышенной дается отсутствие корреляции между насоса, сигнальной и разностной: резонансный режим должен существовать для того, чтобы получить парусигнала и бездельника. В случае hyperparametric колебаний (ЧВ волны и стимулируется антистоксово комбинационного рассеяния), режимы должны выполнять сохранения энергии и импульса, и, наконец, но не в последнюю очередь, имеют хорошее пространственное перекрытие.

Введение

Whispering режим галереи резонаторы (WGMR) показывают два уникальных свойства, долгое время жизни фотона и малый объем моды , которые позволяют снижение порога нелинейных явлений 1-3. Шепчущей галереи являются оптические моды, которые ограничены в диэлектрик воздуха путем полного внутреннего отражения. Небольшой объем режим из-за высокого пространственного удержания в то время как временная ограничение связано с добротности резонатора. WGMR могут иметь различные геометрические формы и существуют различные способы изготовления , подходящие для получения высокой добротности резонаторов 4-6 Поверхностное натяжение полости , такие как диоксид кремния микросферы обладают вблизи атомного масштаба шероховатости, что выражается в высоких показателей качества. Оба типа удержания значительно снизить порог нелинейных эффектов вследствие сильного накопления энергии внутри WGMR. Она также позволяет непрерывные волны (CW) нелинейной оптики.

WGMR можно описать с помощью юе квантовые числа п, л, м , и их состояние поляризации, в сильной аналогии с атомом водорода 7. Сферическая симметрия позволяет разделение в радиальном, так и угловых зависимостей. Радиальная решение дается функции Бесселя, угловых единиц по сферическим гармоникам 8.

Кварцевое стекло центросимметрична и, следовательно, явления второго порядка , связанные с Х (2) взаимодействия запрещены. На поверхности микросфер, инверсия симметрия нарушается и Χ (2) явления можно наблюдать 1. Тем не менее, фазовые условия согласования для генерации частоты второго порядка являются более проблематичными, чем эквивалент в третьем поколении частоты порядка, особенно потому, что длины волн, участвующих весьма различны и роль дисперсии может быть весьма важным. Взаимодействие второго порядка чрезвычайно слабы. Генерируемой мощности весы с Q 3 , в то время как для Thiго порядка взаимодействия генерируемой мощности весы с Q 4. 9 По этой причине в центре внимания данной работы является третьего порядка оптического нелинейную восприимчивость Χ (3) взаимодействия , такие как вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и вынужденное антистоксового комбинационного рассеяния (SARS) , будучи SARS менее разведанным взаимодействие 10,11. Чанг 12 и Кампильо 13 впервые исследования нелинейных явлений с использованием капель сильно нелинейных материалов , как WGMR но лазер накачки импульсно вместо CW. Silica микросферы 14,10 и microtoroids 15 представили более стабильные и надежные платформы по сравнению с микрокапель, получая большую часть внимания в последние десятилетия. В частности, диоксид кремния микросферы очень просты в изготовлении и обращении.

SRS является чистый процесс усиления , который может быть легко достигнуто в кварцевом WGMR 14,15, так как достижения порогового значения , достаточно. В этом случае высокая circulatiнг интенсивности внутри WGMR гарантирует комбинационное лазерной генерации, но для параметрических колебаний недостаточно. В этих случаях эффективные колебания требуют фазы и согласования режима, энергии и закон сохранения импульса и хорошее пространственное перекрытие всех резонансных мод , которые должны выполняться 16-18. Это тот случай ТОРС и ЧВС в целом.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Изготовление сверхвысоких фактора качества микросферы

  1. Газа около 1-2 см стандартного одномодового (SMF) кварцевом волокне от его акриловым покрытием с помощью оптического стриптизершу.
  2. Очистите оголенную часть с ацетоном и расщепляют его.
  3. Введем расщепляется наконечник в одном рычаге сварочного аппарата и производят серию электрических дуговых разрядов, с использованием контроллера Splicer. Выберите "ручного управления" из меню контроллера сплайсер, установите значения для дуги уровня мощности и дуги продолжительность до 60 и 800 мс соответственно; выберите "дугу" и нажмите на нижнюю часть "+".
  4. После того, как шар обретает форму, остановить, повернуть волокно на 90 ° и повторите шаг 1.3.
  5. Повторите шаг 1.3, по крайней мере в 4 раза, чтобы получить микросферы около 160 мкм. Повторите 16 раз, чтобы получить микросферы около 260 мкм.
    Примечание: электрическая дуга разряды произведет высокую температуру плавления, необходимую для расплавления кварцевого стекла. Surfacе напряжение будет нарисовать сфероид из успокоенный кончика волокна; размер сфер, прямо пропорционально количеству дуговых выстрелов, насыщающей при диаметре около 350 мкм, как это можно видеть на рисунке 1 , 19. Вращение обеспечивает сферическую форму резонатора.

2. Рисунок перетянутом волокне

Примечание: Скошенная волокно также необходим для соединения свет в микроре-. Размер микросфер будет определять талию конусностью. Для сферы диаметром более 125 мкм, диаметр конусности может быть около 3-4 мкм. Для получения более мелких, диаметр конусности должен быть меньше, скажем, 1-2 мкм. Для того чтобы сохранить потери на низком уровне и иметь только один режим в сужающейся секции (фундаментальная ах), сужающаяся должен быть адиабатическим (постепенный переход от толстых и тонких листов диаметра). Типичная общая длина адиабатического конического участка составляет около 2 см. FIGURe 2 показывает самодельный устройство для вытягивания волокна и на фиг 3А показана микрофотография типичной зоны талии.

  1. Газа 3-4 см стандартного одномодового (SMF) кварцевом волокне от его акриловым покрытием с помощью оптического стриптизершу, и соединить концы волокон к лазеру (вход) и измеритель мощности (выход). Убедитесь, что зачищенный зона находится примерно в середине волокна, а не на одном конце. Используйте голый терминатор волокна для того, чтобы иметь возможность соединить концы волокон к лазерной и измерителя мощности. Поместите лазер и измеритель мощности на верхней части рабочей скамейке.
  2. Поместите зачищенный волокна внутри короткого глинозема цилиндр, а концы с покрытием из волокна на два этапа перевода, которые приводят в действие одновременно во время процесса вытягивания.
  3. Нагреть цилиндр из оксида алюминия (который действует как печь) кислородным-бутан пламени вплоть до температуры, близкой к температуре плавления кремния (около 2100 ° С).
  4. Infer адиабатичность конусности от OBSErvation трансмиссии лазерного света, работающий при 635 нм. Убедитесь, что на выходе сохраняется однородное круглое пятно в то время как суженные, указывая, что ни один режим не происходит скремблирования. Остановка потянув и удалиться пламя, когда передаваемая мощность останавливается колебательное и постоянна во времени.
  5. Клей конический волокна в микроскоп стекло формы в виде U для размещения конусности (см Фигура 3В). С помощью микроскопа предметное стекло размеров 76x26x1.2 мм.

3. Изготовление малых микросферы

Примечание: Маленькие микросферы диаметром меньше размера стандартного волокна, плакированного требует предварительного сужением волокна. Минимальный диаметр, полученный с помощью этого метода составляет около 25 мкм.

  1. В следующем разделе 2, нарисовать конический волокно, потянув, пока она не ломается.
  2. Выполните все шаги раздела 1 (изготовление микросфер) UHQ но на шаге 1.3, измените значения на Splicer соntroller следующим образом: мощность дуги 20, длительность дуги 1200 мс.

4. Муфта света в микросфера

Примечание: Мы используем свечку, чтобы пара света в микросферы и измерить резонансы микрорезонатора.

  1. 4.1. Подготовьте Т-образную форму держатель / алюминий ПВХ с каналом в середине. Закрепить остаточного волокна стебель микросферы с куском скотча магии или бумажного скотча в держатель. Закрепить держатель с двумя винтами в стадии перевода с пьезоэлектрическими приводами и разрешением позиционирования 20 нм.
  2. Закрепите конус приклеенную к предметное стекло в другой стадии перевода с слайд-плоскости, расположенной перпендикулярно к стеблю микросферы волокна. Слить концы конусности к прерванных кабелей волокна. Подключите один конец к перестраиваемого диодного лазера, а другой к детектору фотодиода InGaAs.
  3. С помощью микроскопа трубки с большим рабочим расстоянием (> 20 мм) для совместногоуправляете разрыв между конусом и микросферы. Для того, чтобы контролировать систему в другом направлении месте зеркала под углом 45 ° по отношению к направлению трубки таким образом, что положение конусность относительно экватора микросферы можно контролировать.
    1. Поместите экватор микросферы в контакте с коническим волокном.
  4. Включите лазер и проверьте спектр пропускания системы микросферы-конусной в осциллографе.
    1. Настройтесь лазер CW работает на 1,550 нм, пока не появятся резонансы. Резонансы могут быть идентифицированы как Лоренцевы формы провалов в спектре.
  5. Мера резонанса ширина (полная половина максимума Лоренцевы формы провала). Рассчитывают коэффициент Q, как частота насоса, деленной на резонансной линии.
  6. Уменьшить / увеличить разрыв между сферой и конусность, изменение и ширину резонанса и глубину для увеличения / уменьшения эффективности сцепления.
5. Вынужденное комбинационное рассеяние

  1. Вставьте легированного эрбием волоконный усилитель (EDFA) между лазером CW, работающей при 1550 нм и аттенюатора. ВУЛЭ работает в диапазоне длин волн от 1,530-1,570 нм. Примечание: Это позволит увеличить мощность лазера, достигая максимальной выходной мощности 2 Вт эффектов нелинейной нужны высокие входные мощности На рисунке 4 показана схема экспериментальной установки..
  2. Подключите один конец конуса с прекращенных волоконных кабелей к разветвитель 3 дБм. Подключите один из выходов разветвитель волокон к оптическим анализатором спектра, а другой к фотодетектор, который подключен к осциллографу.
  3. Настройтесь лазер от высоких до низких частот до резонанса с тепловым дрейфом, сравнимым с длиной волны скорости сканирования лазера найден. Когда тепловая самоблокирующийся 20 достигается уширение резонанса можно увидеть на осциллографе.
  4. Проверьте выходной мощности, передаваемой через конусностьюв оптический анализатор спектра. Увеличение мощности до тех пор, пока не появится лазерная линия комбинационного рассеяния. Оно расстроенное от длины волны накачки приблизительно 13,5 ТГц.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Добротности микросферы изготовленных следуя протоколу , описанному выше, превышает 10 8 (рисунок 5) для больших диаметров (> 200 мкм) и более 10 6 для малых диаметров (<50 мкм). Резонанс контраст выше 95% (близко к критической связи) можно легко наблюдать. Для высоких циркулирующих интенсивностей, можно наблюдать следующие нелинейные эффекты в инфракрасной области: вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), каскадный SRS 21, стимул...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Микросферы представляют собой компактные и эффективные нелинейные осцилляторы, и они очень просты в изготовлении и обращении. Конические волокна могут быть использованы для соединения и извлечения свет в / из резонатора. Резонанс контраст до 95% и добротности около 3 х 10 8 может быть получена.

Основным недостатком этих методов изготовления является массовое производство и интеграция. Чистота волокон имеет решающее значение для обоих микросферами и конусами, и поэтому является вла...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов. Д.Ф. является аспирантом Пармского университета.

Благодарности

Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi

Ente Cassa di Risparmio di Firenze (No 2014.0770A2202.8861)

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Оптическое волокноCorningSMF28
Средство для снятия волоконного покрытияThorlabsT06S13Доступно у других поставщиков, а также
Скалыватель волокнаFitelS325AДоступно у других поставщиков, а также
Сварочный аппаратFurakawaS177A-1RДоступно у других поставщиков, а также
Бутан и кислород Газн/дЛюбой поставщик
Трубка для микроскопаNavitarZoom 6000Модульный комплект
Пограничная камеран/дН/Дподойдет
Мониторн/дН/Длюбой монитор действителен
3-осевой столикPI Инструменты, Thorlabs, Melles
Ассорти постов и крепленийThorlabsДоступно у других поставщиков а также
Контроль поляризацииThorlabsFPC030Доступен и у других производителей
АттенюаторThrolabsVOA50
ФотодиодThorlabsPDA400снят с производства, заменен на PDA10CS-EC
ОсциллографTektronixDPO7104
Анализатор оптического спектраAndoAQ6317B
Эрбиевый волоконный усилительIPG ФотоникаEAD-2K-C
Перестраиваемый лазерYenistaTUNICS
любой

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Вынужденное Стокса и антистоксовом комбинационного рассеяния света в микросферических Whispering Режим галереи резонаторы
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.