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

Общая цель данной процедуры — генерация новых оптических частот с использованием кварцевых микросферических резонаторов с модами шепчущей галереи для применения в оптике и фотонике: от компактных лазерных источников до биохимического сенсинга. В микрорезонаторах с модами шепчущей галереи свет может направляться благодаря уникальному сочетанию сильного пространственного ограничения и длительного времени жизни в резонаторе. Низкие потери обеспечивают высокие добротности.

Такие резонаторы идеально подходят для нелинейных оптических взаимодействий. В частности, кварцевые микросферы обладают большим потенциалом в качестве генераторов частоты для компактных перестраиваемых источников с узкой шириной линии и непрерывным излучением. Интерес к использованию методов термического сплавления для изготовления электрических микросфер обусловлен возможностью достижения низких потерь на рассеяние и, как следствие, очень высоких значений добротности.

Для ввода света в микросферы мы использовали изготовленное самостоятельно сужающееся оптоволокно. Высокая эффективность ввода и высокий коэффициент накопления в резонаторе позволяют инициировать нелинейные эффекты Керра при низкой мощности непрерывного излучения накачки. Процедуру работы с сужающимся волокном продемонстрирует Франко Кози, техник нашей лаборатории.

Для создания микросферы сначала отрежьте необходимый отрезок волокна. Подготовьте оборудование, необходимое для изготовления микросферы из одномодового кварцевого волокна. Вам понадобятся само волокно, ацетон, стриппер для снятия оптического покрытия и скалыватель волокна.

Кроме того, подготовьте сварочный аппарат для оптических волокон. С помощью стриппера снимите примерно 1-2 сантиметра акрилового покрытия с конца волокна. После этого очистите зачищенный участок чистой салфеткой, смоченной в ацетоне.

Поместите конец волокна в скалыватель и выполните скол, чтобы изолировать зачищенный участок. Извлеките сколотое волокно из скалывателя. Переместите кончик волокна в сварочный аппарат.

Поместите волокно и зафиксируйте его в соответствии с инструкциями производителя. Закройте крышку, убедитесь, что мощность и длительность дугового разряда установлены правильно, затем запустите разряд. Следите за ходом процесса на дисплее.

По мере того как дуга плавит стекло, волокно под воздействием поверхностного натяжения начнет принимать форму сферы. Когда сфера начнет формироваться, прекратите действие дуги и откройте крышку. Достаньте волокно из держателя, поверните его на 90 градусов для сохранения сферической формы, а затем снова зафиксируйте волокно на месте.

Закройте крышку и снова зажгите дугу. Выполнение по меньшей мере трех таких поворотов на 90 градусов в течение 5–10 минут позволит получить микросферу размером около 160 micrometers. При извлечении микросферы и ее волоконного стебля будьте готовы сохранить ее или использовать в течение одного дня.

Этот Т-образный держатель может быть установлен на столике перемещения для использования в экспериментах по связи световых лучей. В центре держателя имеется канал для оптоволоконного стержня микросферы. Поместите оставшийся конец стержня микросферы в канал так, чтобы микросфера оставалась открытой над держателем.

Закрепите стержень прозрачной клейкой лентой. Теперь приступайте к созданию конического волокна для ввода света в микросферу. Для этого потребуется устройство, способное медленно растягивать концы волокна.

Возьмите отрезок одномодового кварцевого волокна и определите его середину. С помощью стриппера для оптического покрытия удалите примерно 3-4 сантиметра покрытия вокруг этой точки. После этого наденьте на очищенный участок волокна цилиндр из оксида алюминия, который будет выполнять функцию печи.

Затем с помощью терминатора для голого волокна подключите один конец волокна к лазеру, способному работать на длине волны 635 нанометров. Другой конец волокна подключите к измерителю мощности. После установки волокна подготовьте кислородно-бутановое пламя для нагрева цилиндра из оксида алюминия до температуры, близкой к точке плавления кварцевого стекла, которая составляет около 2 100 градусов Цельсия.

Запустите волоконный вытяжной прибор так, чтобы два конца медленно раздвигались в противоположные стороны. При включенном лазером с длиной волны 635 нанометров контролируйте мощность, передаваемую через волокно, с помощью измерителя мощности. Изменение значений свидетельствует о текущем процессе сужения волокна.

На этом этапе прекратите вытягивание волокна и выключите пламя. Время от времени извлекайте волокно из входа измерителя мощности, чтобы спроецировать выходной сигнал волокна на карту пучка и убедиться, что в процессе сужения сохраняется однородное круглое пятно. Работайте с волокном только после того, как оно будет освобождено от всего оборудования, включая цилиндр.

Расположите стеклянный предметное стекло микроскопа, вырезанное в форме буквы U, рядом с конусом волокна. Затем поместите волокно на стекло так, чтобы конус находился по центру U. Удерживая волокно в натянутом состоянии, нанесите клей в местах перекрытия волокна и стекла, чтобы зафиксировать волокно. После этого подготовьтесь к вводу света в микросферу с помощью суженного волокна.

Для этого используйте отдельные столики перемещения для микросферы и конического волокна. На столике с пьезоэлектрическими актуаторами закрепите Т-образный держатель с микросферой так, чтобы микросфера была направлена вверх. На другом столике перемещения закрепите предметное стекло с волокном, ориентированным перпендикулярно стержню волокна микросферы.

Используйте оптоволоконный кабель с разъемом, чтобы соединить один конец сужающегося волокна с перестраиваемым диодным лазером. Другой конец соедините с детектором на основе индий-галлий-арсенидного фотодиода. Затем расположите оба this translation stages под трубкой микроскопа, который будет использоваться для наблюдения за зазором между микросферой и сужающимся волокном.

Их следует расположить таким образом, чтобы конус волокна и микросфера находились в пределах диапазона перемещения трансляционных столиков. Кроме того, установите зеркало под углом 45 градусов по отношению к окуляру микроскопа для контроля вертикального положения конуса. Позиционируйте микросферу с помощью соответствующего трансляционного столика, используя визуальный контроль через микроскоп.

Цель состоит в том, чтобы экватор микросферы находился в контакте с конусом. После выполнения этого действия включите лазер непрерывного излучения и отслеживайте спектр пропускания на осциллографе. Настраивайте лазер до тех пор, пока в спектре не появятся провалы лоренцевой формы, обусловленные резонансами.

Измерьте ширину линий резонанса и рассчитайте добротность. Продолжите эксперимент, исследуя эффективность связи в зависимости от зазора между коническим волокном и сферой. Эффективность связи с волокном имеет решающее значение для поиска подходящего резонанса, необходимого для запуска нелинейных эффектов.

Хороший резонанс характеризуется узкой шириной и высокой контрастностью при низкой мощности. Подготовьте установку для реализации стимулированного рамановского рассеяния. Свет от перестраиваемого диодного лазера, работающего на длине волны 15,015 нм, поступает в сужающееся оптоволокно.

После лазера установлен эрбиевый волоконный усилитель для увеличения мощности лазера с целью достижения нелинейного эффекта. Далее следуют аттенюатор и встроенный волоконный поляризатор. Затем свет проходит через конус, соединенный с микросферой.

После прохождения через микросферу установлен делитель мощности 3 дБм. Один выход делителя подключен к анализатору оптического спектра, другой — к фотодетектору, соединенному с осциллографом.

Перестраивайте лазер от высоких частот к низким для достижения тепловой самоблокировки. На осциллографе наблюдайте резонанс с тепловым дрейфом, сопоставимым по скорости со скоростью сканирования длины волны. При достижении тепловой самоблокировки резонанс расширится.

Проверьте выходную мощность, поступающую в анализатор оптического спектра. Регулируйте аттенюатор для увеличения мощности до появления рамановской лазерной линии. Рамановская лазерная линия смещена относительно длины волны накачки примерно на 13,5 терагерц.

Это измерение для микросферы диаметром 50 мкм, накачка которой осуществляется на длине волны около 1 547 нм. По обе стороны от длины волны накачки расположены две линии четырехволнового смешения на расстоянии примерно 13 нм. Две линии стимулированного комбинационного рассеяния находятся примерно на 1 610 и 1 710 нм.

Измерения сферы диаметром 98 нм дали аналогичные результаты. В данном случае пик накачки находится на 1 551 нм. Линия стимулированного комбинационного рассеяния центрирована на 1 646 нм.

Линия стимулированного антистоксова рамановского рассеяния центрирована примерно на 1 452 нм. Симметричные линии рядом со стимулированной антистоксовой линией обусловлены вырожденным четырехволновым смешением. Рамановский конус центрирован на 1 666 нм.

Данный спектр от микросферы диаметром 40 мкм свидетельствует о стимулированном усилении антистоксого излучения, когда его частота резонирует с модой резонатора и фазово-согласована с накачкой и стимулированным стоксовым сигналом. Частота накачки составляет 1 540 нм, стоксова линия находится на 1 630 нм, а антистоксова линия — на 1 460 нм. Этот спектр от микросферы диаметром 65 мкм имеет отношение стимулированного антистоксового рассеяния к стимулированному стоксовому рассеянию, близкое к единице.

Частота накачки центрирована на 1, 572 нанометрах, стоксова линия — на 1, 640 нанометрах, антистоксова линия — на 1, 490 нанометрах. После просмотра этого видео вы должны хорошо понимать, как изготавливать кварцевые микросферы с высокой добротностью, как вытягивать конус волокна и как эффективно вводить свет в микрорезонатор для изучения фундаментальных взаимодействий света с веществом. Диэлектрические микросферы представляют собой фотонные платформы, которые играют чрезвычайно важную роль в современной оптике.

Они могут быть использованы для непрерывного (CW) нелинейного преобразования частоты благодаря их способности удерживать свет в течение длительных периодов времени в очень малых объемах. Продемонстрированные технологии микрорезонаторов также могут эффективно применяться для биосенсинга. Наша группа достигает отличных результатов в этой области.