Summary
Geração eficiente de fenômenos não lineares relacionadas com a terceira ordem susceptibilidade não-linear óptico Χ (3) interações em microesferas de sílica triplamente ressonantes é apresentada neste artigo. As interações aqui relatados são: Stimulated Raman Scattering (SRS), e quatro processos onda mistura compreendendo Stimulated Anti-Stokes Raman Scattering (SARS).
Abstract
microesferas dielétricos pode confinar luz e som para um período de tempo através do fator sussurrando modos galeria de alta qualidade (WGM). microesferas de vidro pode ser pensado como uma reserva de energia com uma enorme variedade de aplicações: fontes de laser compacta, sensores bioquímicos muito sensíveis e fenômenos não lineares. Um protocolo para o fabrico de ambos os micro-esferas e sistema de acoplamento é dada. Os acopladores aqui descritas são fibras afuniladas. Geração eficiente de fenômenos não lineares relacionadas com a terceira ordem susceptibilidade não-linear óptico Χ (3) interações em microesferas de sílica triplamente ressonantes é apresentada neste artigo. As interações aqui relatados são: Stimulated Raman Scattering (SRS), e quatro processos onda mistura compreendendo Stimulated Anti-Stokes Raman Scattering (SARS). Uma prova do fenómeno-cavidade reforçada é dada pela falta de correlação entre a bomba, sinal e complementar: um modo de ressonância tem de existir, a fim de obter o parde sinal e complementar. No caso de oscilações hyperparametric (mistura de quatro ondas e estimulou anti-Stokes espalhamento Raman), os modos deve cumprir a conservação de energia e impulso e, por último mas não menos importante, ter uma boa sobreposição espacial.
Introduction
Sussurrando ressonadores Gallery Mode (WGMR) mostram duas propriedades únicas, uma vida inteira de fótons de comprimento e volume de modo pequeno que permitem a redução do limiar de fenômenos não lineares 1-3. Whispering modos galeria são modos ópticos que são confinadas na interface ar dieléctrico por reflexão total interna. O volume pequeno modo é devido à alta confinamento espacial enquanto que o confinamento temporal é relacionado com o factor de qualidade Q de cavidade. WGMR pode ter diferentes geometrias e há técnicas de fabricação diferentes adequados para a obtenção de ressonadores High Q 4-6 cavidades tensão de superfície, tais como microesferas de sílica exposição perto de rugosidade escala atômica, o que se traduz em fatores de alta qualidade. Ambos os tipos de confinamento reduzir significativamente o limiar para os efeitos não lineares, devido à forte acumulação de energia no interior do WGMR. Ele também permite contínuas onda (CW) não lineares óptica.
WGMR pode ser descrito usando the números quânticos n, L, M e o seu estado de polarização, num forte analogia com o átomo de hidrogénio 7. A simetria esférica permite a separação em radial e dependências angulares. A solução radial é dada por funções de Bessel, os angulares pelos harmônicos esféricos 8.
Vidro de sílica é centrossimétrico e, portanto, segundo fenômenos de ordem relacionadas com Χ (2) interações são proibidos. Na superfície da microesfera, a inversão de simetria é quebrada e Χ (2) os fenómenos pode ser observada uma. No entanto, as condições de casamento de fase para a geração de frequência de segunda ordem são mais problemáticas do que o equivalente em geração de terceira frequência ordem, especialmente porque os comprimentos de onda envolvidas são bastante diferentes e o papel de dispersão pode ser muito importante. O segundo interações de ordem são extremamente fracos. As escalas de energia gerados com Q 3 enquanto que para um thifim rd interação das escalas de energia gerados com Q 4. 9 Por essa razão, o foco deste trabalho é de terceira ordem óptica susceptibilidade não-linear Χ (3) interações tais como Stimulated Raman Scattering (SRS) e estimulou Antistokes Raman Scattering (SARS) , sendo SARS a interação menos exploradas 10,11. Chang 12 e Campillo 13 foi pioneiro nos estudos de fenômenos não lineares usando gotículas de materiais altamente não-lineares como WGMR mas o laser da bomba foi pulsado em vez de CW. Microesferas de sílica 14,10 e microtoroids 15 instaladas plataformas mais estáveis e robustos em comparação com os micro-gotas, ganhando muita atenção nas últimas décadas. Particularmente, microesferas de sílica são muito fáceis de fabricar e manusear.
SRS é um processo de ganho puro que pode ser facilmente alcançada em sílica WGMR 14,15, desde que atingiu um limiar é suficiente. Neste caso, o elevado circulating intensidade dentro do WGMR garante Raman de laser, mas para oscilações paramétricos não é suficiente. Nestes casos, as oscilações eficientes requerem fase e correspondência modo, a energia ea lei de conservação de impulso e uma boa sobreposição espacial de todos os modos de ressonância a ser cumprida 16-18. Este é o caso de SARS e FWM em geral.
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Protocol
1. Fabricação de Ultra Fator de Microesferas de qualidade
- Tira cerca de 1-2 cm de um modo único (SMF) de fibra de sílica padrão fora de seu revestimento acrílico usando uma stripper de óptica.
- Limpe a parte descascada com acetona e pegará-lo.
- Introduzir a ponta clivada em um braço de um splicer de fusão e produzir uma série de descargas de arco elétrico, utilizando o controlador splicer. Selecione "operação manual" no menu controlador splicer, defina os valores para o nível de potência do arco e arco duração de 60 e 800 ms, respectivamente; selecione "arco" e empurre a parte inferior "+".
- Uma vez que uma esfera está tomando forma, parar, girar a fibra em 90 ° e repita o passo 1.3.
- Repetir o passo 1.3, pelo menos 4 vezes para obter uma microesfera de cerca de 160 um. Repetir 16 vezes para se obter uma microesfera de cerca de 260 uM.
Nota: As descargas de arco eléctrico irá produzir a temperatura de fusão elevada necessária para fundir o vidro de sílica. o surface tensão vai chamar um esferóide a partir da ponta da fibra amolecidas; o tamanho das esferas é directamente proporcional ao número de disparos de arco, saturando com um diâmetro de cerca de 350 um, como pode ser visto na Figura 1 19. A rotação assegura uma forma esférica do dispositivo de ressonância.
2. Desenho de um Fiber Tapered
Nota: A fibra cónica, também é necessário para o acoplamento de luz para os microresonators. O tamanho da microesfera vai determinar a cintura do cone. Para esfera diâmetros maiores que 125 um, o diâmetro do cone pode ser de cerca de 3-4 um. Por menores, o diâmetro do cone deve ser menor, digamos 1-2 uM. A fim de manter as perdas em baixo nível e a ter apenas um modo de na secção cónica (o fundamental), o afunilamento deve ser adiabática (transição gradual de espessura e diâmetro fino). O comprimento total típica da secção cónica adiabático é de cerca de 2 cm. FiguRE 2 mostra o dispositivo caseira para puxar a fibra e A Figura 3A mostra uma microfotografia de uma zona de cintura típico.
- Faixa de 3-4 cm de um modo único (SMF) de fibra de sílica padrão fora de seu revestimento acrílico usando uma stripper de óptica, e ligar as extremidades da fibra a um laser (entrada) e um medidor de potência (saída). Certifique-se de que a zona descascada é aproximadamente no meio da fibra, não numa das extremidades. Usar um terminador de fibra nua, a fim de ser capaz de ligar as extremidades das fibras para o medidor de energia laser e. Coloque o laser e o medidor de energia na parte superior da bancada de trabalho.
- Coloque a fibra despojado dentro de um pequeno cilindro de alumina, e as pontas revestidas da fibra em duas fases de tradução que actuam simultaneamente durante o processo de puxar.
- Aquece-se a cilindro de alumina (que actua como um forno) por uma chama de oxigénio-butano-se a uma temperatura próxima de um ponto de fusão de sílica (cerca de 2100 ° C).
- Inferir a adiabaticity do cone do OBSErvação da transmissão de um laser que opera a 635 nm. Verifique se na saída uma mancha circular homogênea é preservada, enquanto afinando, indicando que nenhum modo de embaralhamento ocorre. Pare de puxar e retirar a chama quando a potência transmitida oscilo batentes, e é constante ao longo do tempo.
- Cole a fibra cónica para uma lâmina de microscópio de vidro em forma sob a forma de um U para acomodar o afilamento (ver figura 3b). Use uma lâmina de vidro de dimensões 76x26x1.2 mm.
3. Fabricação de Microesferas Pequenas
Nota: As pequenas microsferas com diâmetros inferiores ao tamanho de uma fibra padrão folheado exige afilamento anterior da fibra. O diâmetro mínimo obtido usando este método é de cerca de 25 um.
- Seguindo a seção 2, desenhar uma fibra cônico, puxando até quebrar.
- Siga todos os passos da secção 1 (fabricação de microesferas UHQ), mas na etapa 1.3, modifique os valores na co splicerntroller como se segue: o poder do arco 20, a duração de arco 1.200 ms.
4. acoplamento da luz para a microesfera
Nota: Nós usamos o cone de luz casal no microesfera e medir as ressonâncias do microresonator.
- 4.1. Preparar um suporte / alumínio em forma de T de PVC com um canal no meio. Fixar a haste de fibra residual da microesfera com um pedaço de magia scotch ou fita adesiva de papel no suporte. Prenda o suporte com dois parafusos em uma fase de tradução com atuadores piezoelétricos e uma resolução de posicionamento de 20 nm.
- Corrigir o cone colado à lâmina de vidro para outra fase de tradução com o plano de deslizamento posicionado perpendicularmente à haste de fibra de microesferas. Unir as extremidades do cone de cabos de fibra terminados. Conecte uma ponta a laser de diodo sintonizável e o outro a um detector de fotodiodo de InGaAs.
- Use um tubo de microscópio com longa distância de trabalho (> 20 mm) para control a lacuna entre o cone e microesfera. A fim de controlar o sistema em outro lugar direcção de um espelho a 45 ° em relação à direcção do tubo de modo que a posição do cone em relação ao equador da microesfera podem ser controlados.
- Posicionar o equador da microesfera em contacto com a fibra cónica.
- Ligue o laser e verificar o espectro de transmissão do sistema de microsferas atarraxamento num osciloscópio.
- Sintonize o laser CW operando a 1.550 nm até ressonâncias aparecer. As ressonâncias podem ser identificados como Lorentziana forma depressões no espectro.
- Medir a largura de linha de ressonância (full metade de largura máxima do mergulho em forma de Lorentz). Calcular o factor Q como a frequência da bomba dividida pela largura de linha de ressonância.
- Reduzir / aumentar o fosso entre a esfera e o cone, alterando a largura de ressonância e profundidade para aumentar / diminuir a eficiência de acoplamento.
- Inserir um érbio dopado amplificador de fibra (EDFA) entre o laser CW operando a 1.550 nm e o atenuador. O EDFA funciona na faixa de comprimento de onda de 1,530-1,570 nm. Nota: Isto irá aumentar a potência do laser, atingindo uma potência máxima de saída 2 efeitos não lineares W. precisa potências de entrada altas Figura 4 mostra um esboço da montagem experimental..
- Ligue uma extremidade do cone com cabos de fibra terminados para um divisor de 3 dBm. Conectar uma das fibras de saída do divisor para o analisador de espectro óptico e o outro para um fotodetector que está ligado ao osciloscópio.
- Sintonize o laser de alta para baixas frequências até uma ressonância com uma deriva térmica comparável à velocidade de varredura de comprimento de onda do laser é encontrado. Quando o térmico de auto-travamento 20 é conseguido um alargamento da ressonância pode ser visto no osciloscópio.
- Verifique a potência de saída transmitida através do conepara um analisador de espectro óptico. Aumentar o poder até que a linha de laser Raman aparece. É afinado, a partir do comprimento de onda da bomba a cerca de 13,5 THz.
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Representative Results
Os factores Q das microesferas fabricadas seguindo o protocolo descrito acima estão em excesso de 10 8 (Figura 5) para grandes diâmetros (> 200 um) e um excesso de 10 6 para diâmetros pequenos (<50 um). contraste de ressonância acima de 95% (perto de acoplamento crítico) pode ser facilmente observado. Para altas intensidades circulantes, podem ser observados os seguintes efeitos não lineares na região do infravermelho: estimulada espalhamento Raman (SRS), em cascata SRS 21, estimulados Stokes anti-espalhamento Raman (SARS) e mistura de quatro ondas (FWM) e degenerados FWM. O ganho Raman amplifica em igual maneira que a luz viaja em frente e direção para trás, criando ondas estacionárias para SRS e cascata SRS. pares FWM está viajando ondas. Um exemplo de medições pode ser visto nas Figuras 6 e 7.
Figure 6 mostra duas linhas SRS separados por 100 nm (1.608 nm e 1.708 nm) e na proximidade da bomba de um processo paramétrico de quatro fotões em cascata com base na não linearidade Kerr electrónico do meio, para uma microesfera de cerca de 50 um de diâmetro, bombeada a 1,546.6 nm. Neste caso FWM é degenerada, dois fótons da bomba de gerar um sinal e complementar fóton. Resultados semelhantes foram obtidos por bombeamento de uma microesfera de cerca de 98 | iM de diâmetro a 1551 nm (Figura 7). Aqui, um pente de Raman pode ser visto centrado em 1,666.2 nm, e as linhas secundárias pode ser visto na vizinhança da bomba com baixa eficiência (degenerado FWM). Além disso, a linha de anti-Stokes é centrada em 1451 nm, e duas bandas laterais simétricas são separados por 10 nm. Neste caso, os campos da bomba e Stokes estão suficientemente construída, mas a eficiência de SARS é dificultada pela não correspondência de fase devido à modulação de fase cruzada (XPM) entre os campos interativos (bomba, Stokes e anti-Stokes). No caso de per casamento de fase fect, o Stokes e componentes anti-Stokes irá espelhar o outro.
SARS é sempre detectado em presença de SRS, e nunca na ausência de SRS, de acordo com a teoria da Bloembergen e Shen 22. Intensidade SRA é especialmente aumentada quando a frequência ressonante é de SARS com um modo da cavidade e a fase combinada com a bomba e o sinal de SRS. A Figura 8 é um exemplo. Ela mostra uma linha de SRS e SARS separados por 90 nm (1629 nm e 1459 nm, respectivamente) e outras linhas de SRS centrado em 1,613.8 nm, 1,645.6 nm, 1710 nm, 1,727.6 nm e 1,745.8 nm. A Figura 9 mostra um caso de alinhamento perfeito da fase para uma microesfera de 65 um de diâmetro bombeada a 1572 nm. A linha de Stokes é centrada em 1640 nm ea Antistokes está centrado em 1490 nm (separação na frequência de cerca de 347 cm-1).
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Figura 1. dimensões microesferas. Tamanho das microesferas produzidas na ponta de uma fibra padrão de 125 mm de telecomunicações, em função dos tiros de arco em um splicer da fusão da fibra. Este valor foi modificado a partir de [18]. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Desenho de uma fibra de cone. Experimental set-up para desenhar uma fibra cônico. A fibra é realizada por dois grampos de fibras, que estão localizados em um bloco de deslizamento, na parte superior de duas calhas. A estrutura é portátil. No bloco está conectado a um parafuso que puxa a fibra distante. Por favor clique aqui para ver uma versão maior destafigura.
Figura 3. Uma fibra cone. (A) micrografia óptica de um gargalo. A cor verde é devido aos efeitos de interferência, e a sua homogeneidade indica a homogeneidade de espessura ao longo da secção cónica. (B) O cone colado ao seu suporte de vidro em forma de U. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. conjunto experimental: o sinal a partir de um diodo de laser sintonizável (TDL) é amplificada por um EDFA e, depois de passar um atenuador e um polarizador, é lançado no WGMR por meio de uma fibra cónica. O sinal de saída é dividido e enviado para umaanalisador de espectro óptico (OSA) e um fotodiodo para monitorar o sinal em um osciloscópio. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. As ressonâncias. WGM ressonância de uma esfera de sílica, com um diâmetro de 250 um acoplado a uma fibra afunilada 4 mm de cintura. Linha vermelha é o melhor ajuste usando uma função de Lorentz. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6. espectro não-linear de pequenas microesferas. Espectro experimental de FWM e em cascata Ramanem linhas de uma microesfera de 50 um de diâmetro. A bomba é o pico a 1,546.6 nm, em cascata picos FWM são as linhas simétricas que aparecem junto à bomba (separação de 13 nm), enquanto que as linhas de Raman em cascata separados em cerca de 13,5 THz (ou cerca de 100 nm) a partir da bomba e de si mesmos (1608 nm primeira linha, 1.708 nm segunda linha). por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7. espectro não-linear de microesferas Q extremamente altas. Espectro experimental de SARS, FWM nas imediações da bomba e SRS pente em uma microesfera de 98 mm de diâmetro. A bomba é o pico centrado em 1551 nm, degenerou FWM é visto junto da bomba. A linha de SRS separados por 100 nm é centrada em 1646 nm ea SARS correspondente é centrou na 1,451.5 nm. As duas linhas simétricos na vizinhança da linha de SARs são degeneradas FWM. O pente Raman é centrado em 1,666.2 nm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8. Cavidade reforçada SARS Espectro. Espectro experimental de SARS em uma microesfera de 40 um de diâmetro. A bomba é centrado em 1,539.4 nm, a linha SRS é centrado em 1,629.6 nm ea SARS correspondente é centrada em 1.459 nm. As outras linhas SRS são centrado em 1,613.8 nm, 1,645.6 nm, 1.710 nm, 1,727.6 1,745.8 nm e nm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
As microesferas são osciladores lineares compacta e eficiente e que são muito fáceis de fabricar e manusear. fibras afilado pode ser utilizado para o acoplamento e extrair a luz no / a partir do ressonador. Ressonância contraste de até 95% e factores Q de cerca de 3 x 10 8 pode ser obtido.
A principal limitação destas técnicas de fabricação é a produção e integração de massa. Limpeza das fibras é crítica para ambas as microesferas e cones, e por isso é de humidade. Ambos os dispositivos têm de ser mantidos em ambiente seco para um laboratório vida longa duração. Muito velas finas são frágeis; grande cuidado deve ser tomado ao acoplamento. No que se refere o factor Q, o tamanho da microesfera pode ser crítico. Em microsferas com diâmetros que variam de 50 a 500 um, está em excesso de 10 10 Q foram demonstradas em vácuo 23. O Q intrínseca de uma microesfera é determinada pelas contribuições dos vários tipos de perdas: curvatura intrínsecaPerdas (Q rad), espalhamento Raman e Rayleigh perdas de espalhamento sobre falta de homogeneidade da superfície residual (o último estão dependentes da dimensão, menor o diâmetro do mais elevadas as perdas 22), perdas materiais intrínsecos, e as perdas introduzidas pelos contaminantes da superfície. Q rad -1 desaparece com tamanho crescente:. Diminui mais rapidamente do que R -5/2 24 Nossos microesferas que variam de diâmetros de 25 a 250 um tem Q Fatores de diversas magnitudes abaixo do valor limite de vácuo de fatores Q. O Q obtidos variaram entre 5 x 10 6 até 3 x 10 8.
Outros métodos utilizados para o fabrico de microesferas de envolver o uso de CO 2 ou butano / N 2 O maçarico. Em todos os procedimentos, a tensão superficial vai chamar a sílica fundida num esferóide. Aqui, a escolha do instrumento para a fusão da fibra só é económico. CO 2 lasers são caros, tochas ou bobinas estão presentes em todos os laboratórios usandofibras. Tapers também pode ser fabricado por erosão ácido fluorídrico (HF) do revestimento de vidro e o núcleo. Este método é extremamente longa; São necessários cerca de 5 horas para o desbaste de uma fibra de 125 ^ m a uma inclinação de 4 uM. Outro inconveniente é a falta de adiabaticity, HF irá corroer todo o vidro à mesma taxa.
Tapers deve mostrar baixas perdas; caso contrário, será difícil observar efeitos não lineares. Acoplamento eficiência também é muito importante. O espaço entre o cone e a microesfera irá determinar o regime de acoplamento. Por alteração directa da abertura, e / ou ligeira desafinação da ressonância, o efeito não-linear pode ser quer aumentada ou diminuída.
WGMR pode abrir o caminho para a geração de luz não-clássica para aplicações de computação quântica. Átomos podem ser presos perto de suas superfícies para eletrodinâmica quântica experiências e fibras cônicos permitirá um transporte eficiente em ambientes desafiadores. SRS e SRA pode ser usado como radiaçãopara medições espectroscópicas e também para a detecção activa, tal como foi recentemente provado 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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