Summary
Generazione efficiente di fenomeni non lineari relativi alla suscettibilità non lineare ottico terzo ordine Χ (3) interazioni in microsfere di silice triplamente risonanti è presentato in questo articolo. Le interazioni qui riportati sono: stimolata Raman Scattering (SRS), e quattro processi wave mixing composto stimolata Anti-Stokes Raman Scattering (SARS).
Abstract
microsfere dielettrici possono limitare luce e suono per un periodo di tempo attraverso il fattore sussurra di alta qualità modalità galleria (WGM). microsfere di vetro può essere pensato come riserva di energia, con una grande varietà di applicazioni: sorgenti laser compatto, sensori biochimici altamente sensibili e fenomeni non lineari. Un protocollo per la fabbricazione di entrambe le microsfere e sistema di accoppiamento è dato. Gli accoppiatori qui descritti sono fibre conici. Generazione efficiente di fenomeni non lineari relativi alla suscettibilità non lineare ottico terzo ordine Χ (3) interazioni in microsfere di silice triplamente risonanti è presentato in questo articolo. Le interazioni qui riportati sono: stimolata Raman Scattering (SRS), e quattro processi wave mixing composto stimolata Anti-Stokes Raman Scattering (SARS). Una prova del fenomeno cavità avanzata è data dalla mancanza di correlazione fra la pompa, di segnale e folle: un modo di risonanza deve esistere per ottenere la coppiadi segnale e di folle. Nel caso di oscillazioni hyperparametric (quattro onde e stimolato anti-Stokes Raman scattering), le modalità devono soddisfare la conservazione dell'energia e del momento e, ultimo ma non meno importante, avere una buona sovrapposizione spaziale.
Introduction
Whispering risonatori modalità galleria (WGMR) mostrano due proprietà uniche, una lunga durata e volume fotone modalità di piccole dimensioni che consentono la riduzione della soglia di fenomeni non lineari 1-3. Whispering modalità galleria sono i modi ottici che si limitano all'interfaccia aria dielettrico per riflessione interna totale. Il volume modalità piccola è dovuta alla elevata confinamento spaziale che il confinamento temporale è correlata al fattore di qualità Q della cavità. WGMR può avere diverse geometrie e ci sono diverse tecniche di fabbricazione adatti per l'ottenimento di elevati risonatori Q 4-6 cavità Tensione superficiale come ad esempio microsfere di silice mostra vicino rugosità scala atomica, che si traduce in fattori di alta qualità. Entrambi i tipi di confinamento riducono significativamente la soglia per effetti non lineari dovuti al forte accumulo di energia all'interno del WGMR. Permette anche Continuous Wave (CW) ottica non lineare.
WGMR può essere descritto utilizzando esimoe numeri quantici n, l, m ed il loro stato di polarizzazione, di una forte analogia con l'atomo di idrogeno 7. La simmetria sferica permette la separazione in senso radiale e dipendenze angolari. La soluzione radiale è data da funzioni di Bessel, quelli angolari dalle armoniche sferiche 8.
Vetro di silice è centrosimmetriche e, di conseguenza, secondo i fenomeni di ordine legate alla Χ (2) le interazioni sono vietati. Alla superficie della microsfera, l'inversione di simmetria è rotta e Χ (2) fenomeni può osservare 1. Tuttavia, le condizioni di accordo di fase per la generazione di frequenza secondo ordine sono più problematiche rispetto all'equivalente in terza generazione di frequenza dell'ordine, soprattutto perché le lunghezze d'onda coinvolte sono molto diverse e il ruolo della dispersione può essere molto importante. Il secondo ordine interazioni sono estremamente deboli. Le scale di potenza generati con Q 3, mentre per un Third ordine interazione scale potenza generata con Q 4. 9 Per questo motivo, il focus di questo lavoro è terzo ordine suscettibilità non lineare ottico Χ (3) interazioni, come stimolata Raman Scattering (SRS) e stimolato Antistokes Raman Scattering (SARS) , essendo la SARS l'interazione meno esplorati 10,11. Chang 12 e Campillo 13 pionieri degli studi di fenomeni non lineari utilizzando gocce di materiali altamente non lineari come WGMR ma il laser pompa è stata pulsava invece di CW. Microsfere di silice 14,10 e microtoroids 15 apposite piattaforme più stabili e robusti rispetto alle micro-goccioline, guadagnando gran parte dell'attenzione negli ultimi decenni. In particolare, microsfere di silice sono molto facili da fabbricare e maneggiare.
SRS è un processo di guadagno puro che può essere realizzato facilmente in WGMR silice 14,15, dal raggiungimento di una soglia è sufficiente. In questo caso, l'elevato circulating intensità all'interno WGMR garantisce Raman lasing, ma per oscillazioni parametriche non è sufficiente. In questi casi, oscillazioni efficienti richiedono fase e corrispondente modalità, l'energia e la legge di conservazione del momento e una buona sovrapposizione spaziale di tutti i modi di risonanza da soddisfare 16-18. Questo è il caso per la SARS e FWM in generale.
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Protocol
1. Realizzazione di Ultrahigh fattore di qualità microsfere
- Striscia circa 1-2 cm di fibra di silice standard di monomodale (SMF) al largo delle sue rivestimento acrilico utilizzando una spogliarellista ottica.
- Pulire la parte messa a nudo con acetone e fendere esso.
- Introdurre la punta spaccati in un braccio di una giuntatrice a fusione e produrre una serie di scariche ad arco elettrico utilizzando il controller splicer. Selezionare "operazione manuale" dal menu di controllo splicer, impostare i valori per il livello di potenza ad arco e arco della durata di 60 e 800 msec, rispettivamente; selezionare "arco" e spingere il fondo "+".
- Una volta che una sfera sta prendendo forma, smettere di ruotare la fibra di 90 ° e ripetere il punto 1.3.
- Ripetere passaggio 1.3 almeno 4 volte per ottenere una microsfera di circa 160 micron. Ripetere 16 volte per ottenere una microsfera di circa 260 micron.
Nota: Le scariche elettriche arco produrrà l'alta temperatura di fusione necessaria per fondere il vetro di silice. il surface tensione trarrà uno sferoide dalla punta della fibra addolcito; le dimensioni delle sfere è direttamente proporzionale al numero di colpi d'arco, saturando ad un diametro di circa 350 micron, come si può vedere in Figura 1 19. La rotazione assicura una forma sferica del risonatore.
2. Disegno di una fibra Tapered
Nota: è necessario anche La fibra rastremata per l'accoppiamento luce nelle microrisonatori. La dimensione della microsfera determinerà la vita del cono. Per diametri sfera maggiore di 125 micron, il diametro del cono può essere di circa 3-4 um. Per più piccoli, il diametro del cono dovrebbe essere più piccolo, dire 1-2 micron. Per mantenere le perdite a livello basso e di avere solo una modalità nella sezione rastremata (quello fondamentale), la rastremazione deve essere adiabatica (transizione graduale dalle spessore diametro sottile). La lunghezza totale tipica della sezione rastremata adiabatica è di circa 2 cm. Figure 2 mostra il dispositivo fatto in casa per tirare la fibra e la figura 3A mostra una microphoto di una tipica zona di vita.
- Striscia 3-4 cm di una fibra di silice normale monomodale (SMF) off suo rivestimento acrilico utilizzando un estrattore ottica, e collegare la fibra termina ad un laser (input) e un misuratore di potenza (output). Assicurarsi che la zona spogliato è circa a metà della fibra, non ad una estremità. Utilizzare un terminatore fibra nuda per essere in grado di collegare la fibra termina al misuratore laser e di potenza. Posizionare il laser e il misuratore di potenza sulla parte superiore del banco di lavoro.
- Posizionare la fibra spogliato all'interno di un cilindro corto allumina, e le estremità della fibra rivestiti in due fasi di traduzione che azionano simultaneamente durante il processo di trazione.
- Riscaldare il cilindro allumina (che agisce come un forno) da una fiamma di ossigeno-butano fino ad una temperatura prossima ad un punto di fusione di silice (circa 2.100 ° C).
- Dedurre la adiabaticity del cono dal observation della trasmissione di una luce laser operante a 635 nm. Verificare che in uscita un punto circolare omogenea è conservata mentre assottiglia, indicando che si verifica alcuna modalità scrambling. Smettere di tirare e ritirarsi fiamma quando la potenza trasmessa ferma oscillante, ed è costante nel tempo.
- Incollare la fibra rastremata in un vetrino da microscopio sagomato a forma di U per accogliere il cono (vedere Figura 3B). Utilizzare un vetrino da microscopio delle dimensioni 76x26x1.2 mm.
3. Realizzazione di piccole microsfere
Nota: Le piccole microsfere con diametro di sotto delle dimensioni di una fibra normale rivestito richiedono precedente rastremazione della fibra. Il diametro minimo ottenuto con questo metodo è di circa 25 micron.
- Seguendo la sezione 2, disegnare una fibra rastremata, tirando fino a che non si rompe.
- Seguire tutte le fasi della sezione 1 (fabbricazione di microsfere UHQ), ma nella fase 1.3, modificare i valori in splicer controller come segue: potere ad arco 20, durata dell'arco 1.200 msec.
4. Giunto luce nella microsfera
Nota: Usiamo il cono di luce paio nella microsfera e misurare le risonanze del microrisonatore.
- 4.1. Preparare un supporto / alluminio PVC a forma di T con un canale nel mezzo. Fissare la deriva in fibra residua del microsfere con un pezzo di magia adesivo o un nastro adesivo di carta nel supporto. Fissare il supporto con due viti in una fase di traduzione con attuatori piezoelettrici e una risoluzione di posizionamento di 20 nm.
- Fissare la rastremazione incollato al vetrino in un'altra fase di traduzione con il piano scorrevole disposto perpendicolarmente allo stelo fibra microsfere. Splice le estremità del cono di cavi in fibra terminati. Collegare un'estremità al diodo laser sintonizzabile e l'altra ad un rivelatore fotodiodo InGaAs.
- Utilizzare un tubo microscopio con lunga distanza di lavoro (> 20 mm) per control il divario tra il cono e microsfere. Per monitorare il sistema in altro luogo direzione a specchio a 45 ° rispetto alla direzione di tubo in modo che la posizione del cono rispetto all'equatore della microsfera può essere controllato.
- Posizionare l'equatore della microsfera a contatto con la fibra rastremata.
- Accendere il laser e controllare lo spettro di trasmissione del sistema di microsfere-cono in un oscilloscopio.
- Tune il laser CW operante a 1.550 nm fino all'apparizione di risonanze. Le risonanze possono essere identificati come Lorentzian forma tuffi nello spettro.
- Misurare la larghezza di riga di risonanza (larghezza massima della metà del tuffo a forma Lorentziano). Calcolare il fattore Q come la frequenza della pompa divisa per la larghezza di riga di risonanza.
- Ridurre / aumentare la distanza tra la sfera e il cono, cambiando sia in larghezza e profondità di risonanza per aumentare / diminuire l'efficienza di accoppiamento.
- Inserire un amplificatore in fibra drogata con Erbio (EDFA) tra il laser CW operante a 1.550 nm e l'attenuatore. L'EDFA funziona nella gamma di lunghezze d'onda di 1,530-1,570 nm. Nota: Questo aumenterà la potenza del laser, raggiungendo una potenza di uscita massima di 2 effetti non lineari W. bisogno di potenze di ingresso elevate figura 4 mostra uno schizzo del set-up sperimentale..
- Collegare una estremità del cono con cavi in fibra terminati a uno splitter 3 dBm. Collegare una delle fibre in uscita splitter per l'analizzatore di spettro ottico e l'altra ad un fotorilevatore che è collegato all'oscilloscopio.
- Tune il laser da alta a basse frequenze fino a risonanza con una deriva termica paragonabile alla lunghezza d'onda velocità di scansione del laser è trovato. Una volta raggiunta la termica autobloccante 20 un allargamento della risonanza può essere visto sul oscilloscopio.
- Controllare la potenza trasmessa attraverso il conoin un analizzatore di spettro ottico. Aumentare la potenza fino a visualizzare la linea laser Raman. Esso viene intonata dalla lunghezza d'onda della pompa a circa 13,5 THz.
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Representative Results
I fattori Q delle microsfere fabbricati seguendo il protocollo di cui sopra è superiore a 10 8 (Figura 5) per grandi diametri (> 200 micron) e superiore a 10 6 per piccoli diametri (<50 micron). Resonance contrasto superiore a 95% (vicino a accoppiamento critico) può essere facilmente osservato. Per le alte intensità di circolazione, i seguenti effetti non lineari nella regione infrarossa può essere osservato: stimolate Raman (SRS), cascata SRS 21, stimolati contro Stokes-Raman (SARS) e quattro miscelazione onda (FWM) e degenerate FWM. Il guadagno Raman amplifica in egual modo in cui la luce viaggia in avanti e all'indietro, la creazione di onde stazionarie per SRS e SRS cascata. coppie FWM sono in viaggio onde. Un esempio di misurazioni può essere visto nelle figure 6 e 7.
figure 6 mostra due linee SRS separate da 100 nm (1.608 nm e 1.708 nm) ed in prossimità della pompa una cascata di quattro fotoni processo parametrico riferiscono elettronico Kerr non linearità del mezzo, per una microsfera di circa 50 micron di diametro, pompato a 1,546.6 nm. In questo caso FWM è degenerato, due fotoni della pompa generano un segnale e folle fotone. Risultati simili sono stati ottenuti pompando una microsfera di circa 98 micron di diametro a 1.551 nm (Figura 7). Qui, un pettine Raman può essere visto centrata a 1,666.2 nm, e le linee secondarie può essere visto in prossimità della pompa con bassa efficienza (degenerato FWM). Inoltre, la linea anti-Stokes è centrata a 1.451 nm, e due bande laterali simmetriche sono separati da 10 nm. In questo caso, i campi pompa e Stokes sono sufficientemente costruite-up, ma l'efficienza di SARS è ostacolato dalla mancata corrispondenza di fase dovuto alla modulazione di fase incrociata (XPM) tra i campi interattivi (pompa, Stokes e anti-Stokes). Nel caso di a fetto accordo di fase, la Stokes e componenti anti-Stokes rispecchierà l'un l'altro.
SARS è sempre rilevato in presenza di SRS, e mai in assenza di SRS, in accordo con la teoria della Bloembergen e Shen 22. Intensità SARS è appositamente migliorata quando la frequenza SARS è risonante con un modo della cavità e la fase abbinato con la pompa e il segnale SRS. La figura 8 è un esempio. Essa mostra una linea SRS e SARS separati da 90 nm (1.629 nm e 1.459 nm, rispettivamente) e altre linee SRS centrata a 1,613.8 nm, 1,645.6 nm, 1.710 nm, 1,727.6 nm e 1.745,8 nm. Figura 9 mostra un caso di accordo di fase perfetta per una microsfera di 65 micron di diametro pompato a 1572 nm. La linea di Stokes è centrata a 1640 nm e la Antistokes è centrata a 1490 nm (separazione in frequenza di circa 347 cm-1).
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Figura 1. dimensioni microsfera. Dimensioni delle microsfere prodotte sulla punta di un 125 in fibra di serie micron di telecomunicazioni, in funzione dei colpi d'arco in un splicer fusione fibra. Questa cifra è stata modificata da [18]. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Disegno di una fibra di cono. Set-up sperimentale per disegnare una fibra rastremata. La fibra è tenuto da due morsetti per fibra, che si trovano su un pattino, sulla cima di due rotaie. La struttura è portatile. Sul blocco è collegato ad una vite che tira la fibra a parte. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questafigura.
Figura 3. Una fibra cono. (A) al microscopio ottico di una vita cono. Il colore verde è dovuto ad effetti di interferenza, e la sua omogeneità indica l'omogeneità dello spessore lungo la sezione rastremata. (B) Il cono incollato al suo supporto in vetro a forma di U. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. set-up sperimentale: il segnale da un diodo laser sintonizzabile (TDL) è amplificata da un EDFA e, dopo aver superato un attenuatore ed un polarizzatore, viene lanciata nella WGMR mediante una fibra rastremata. Il segnale di uscita è diviso e inviato in unanalizzatore di spettro ottico (OSA) e ad un fotodiodo per monitorare il segnale in un oscilloscopio. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. risonanze. WGM risonanza di una sfera di silice con un diametro di 250 micron accoppiato ad una fibra rastremata 4 micron vita. La linea rossa è la misura migliore utilizzando una funzione di Lorentz. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. spettro non lineare di piccole microsfere. Spettro sperimentale di FWM e cascata Ramanlinee in una microsfera di 50 micron di diametro. La pompa è il picco a 1,546.6 nm, cascata picchi FWM sono le linee simmetriche che appaiono vicino alla pompa (separazione di 13 nm), mentre le linee Raman cascata separati a circa 13,5 THz (o circa 100 nm) dalla pompa e da se stessi (1.608 nm prima linea, 1.708 nm seconda linea). clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 7. lineare spettro di microsfere Q ultraelevati. Spettro sperimentale di SARS, FWM in prossimità della pompa e SRS pettine in una microsfera di 98 micron di diametro. La pompa è il picco centrata a 1.551 nm, degenerato FWM è visto vicino alla pompa. La linea di SRS separati da 100 nm è centrata a 1.646 nm e il corrispondente SARS è centrato a 1,451.5 nm. Le due linee simmetriche nella zona della linea di SARS sono degenerate FWM. Il pettine Raman è centrata a 1,666.2 nm. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 8. Cavità migliorato SARS Spectrum. Spettro sperimentale di SARS in una microsfera di 40 micron di diametro. La pompa è centrata a 1,539.4 nm, la linea di SRS è centrata a 1,629.6 nm e il corrispondente SARS è centrata a 1.459 nm. Le altre linee di SRS sono centrate a 1,613.8 nm, 1,645.6 nm, 1.710 nm, 1,727.6 nm e 1.745,8 nm. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Le microsfere sono oscillatori non lineari compatti ed efficienti e sono molto facili da realizzare e gestire. fibre conici possono essere utilizzati per l'accoppiamento e l'estrazione della luce / dal risonatore. Resonance contrasto fino al 95% e fattori Q di circa 3 x 10 8 possono essere ottenuti.
Il principale limite di queste tecniche di fabbricazione è la produzione di massa e di integrazione. Pulizia delle fibre è fondamentale per entrambe le microsfere e conicità, e così l'umidità. Entrambi i dispositivi devono essere conservati in ambiente secco per una vita di laboratorio lunga durata. Molto coni sottili sono fragili; grande cura dovrebbe essere presa quando l'accoppiamento. Per quanto riguarda il fattore Q, la dimensione microsfere può essere critico. In microsfere con diametri da 50 a 500 micron, s 'superiore a 10 10 Q è stata dimostrata nel vuoto 23. Il Q intrinseca di una microsfera è determinato dal contributo di vari tipi di perdite: curvatura intrinsecaperdite (Q rad), Raman e Rayleigh scattering di perdite sulla disomogeneità della superficie residua (questi ultimi sono di dimensioni dipendono, minore è il diametro del più elevate le perdite 22), perdite materiali intrinseci, e le perdite introdotte da contaminanti. Q rad -1 svanisce con l'aumento delle dimensioni:. Diminuisce più velocemente di R -5/2 24 I nostri microsfere che vanno da un diametro di 25-250 micron hanno Q fattori diversi grandezze di sotto del valore di vuoto finale di fattori Q. Il Q ottenuti variava da 5 x 10 6 fino a 3 x 10 8.
Altri metodi utilizzati per la fabbricazione di microsfere comportano l'uso di CO 2 o / N torcia butano 2 O. In tutte le procedure, la tensione superficiale trarrà la silice fusa in uno sferoide. Qui, la scelta dello strumento per la fusione della fibra è economico soltanto. CO 2 laser sono costosi, torce o giuntatrici sono presenti in tutti i laboratori utilizzandofibre. Coni potrebbero anche essere fabbricato da acido fluoridrico (HF) erosione del rivestimento di vetro e il nucleo. Questo metodo è estremamente lungo; circa 5 ore sono necessarie per diradamento una fibra 125 micron ad una conicità 4 micron. Un altro inconveniente è la mancanza di adiabaticity, HF erodere tutto il vetro alla stessa velocità.
Coni dovrebbero mostrare basse perdite; altrimenti sarà difficile osservare effetti non lineari. Accoppiamento efficienza è anche molto importante. Il divario tra il cono e la microsfera determinerà il regime di accoppiamento. Dal cambiamento diretto del gap, e / o battimenti dalla risonanza, l'effetto non lineare può essere sia migliorata o diminuita.
WGMR può aprire la strada alla generazione di luce non classica per le applicazioni di calcolo quantistico. Gli atomi possono essere intrappolati nei pressi delle loro superfici per l'elettrodinamica quantistica esperimenti e fibre coniche consentirà un trasporto efficiente in ambienti difficili. SRS e SARS possono essere utilizzati come radiazioneper misure spettroscopiche e anche per il rilevamento attivo come è stato recentemente dimostrato 25.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Optical Fiber | Corning | SMF28 | |
| Fiber coating stripper | Thorlabs | T06S13 | Available from other vendors as well |
| Fiber cleaver | Fitel | S325A | Available from other vendors as well |
| Fusion splicer | Furakawa | S177A-1R | Available from other vendors as well |
| Butane and Oxygen Gas | n/a | any vendor | |
| Microscope tube | Navitar | Zoom 6000 | Modular Kit |
| CCD camera | n/a | N/A | any will fit |
| Monitor | n/a | N/A | any monitor is valid |
| 3-Axis Stage | PI Instruments, Thorlabs, Melles | ||
| Assorted posts and mounts | Thorlabs | Available from other vendors as well | |
| Polarization control | Thorlabs | FPC030 | Available from other vendors as well |
| Attenuator | Throlabs | VOA50 | |
| Photodiode | Thorlabs | PDA400 | discontinued, replaced by PDA10CS-EC |
| Oscilloscope | Tektronix | DPO7104 | |
| Optical spectrum analyzer | Ando | AQ6317B | |
| Erbium Doped Fiber Amplifier | IPG Photonics | EAD-2K-C | |
| Tunable Laser | Yenista | TUNICS |
References
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