Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Mikrosferik Whispering Galeri Modu Rezonatörler içinde Uyarılmış Stokes ve Antistokes Raman saçılması

10.8K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/53938

⸱

4 Nisan 2016

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

Bu makalede

Özet

Üçüncü dereceden optik doğrusal olmayan duyarlılık ile ilgili doğrusal olmayan olayların etkili nesil Χ (3) triply rezonans silis mikrosferlerdeki etkileşimler bu yazıda sunulmuştur. bildirilen burada etkileşimler şunlardır: Uyarılmış Raman saçılması (SRS) ve Uyarılmış Anti-Stokes Raman Saçılma (SARS) içeren dört dalga karıştırma işlemleri.

Özet

Dielektrik mikroküreler yüksek kalite faktörü fısıldayan galeri modları arasında belirli bir süre (WGM) için ışık ve ses sınırlandırmak olabilir. kompakt lazer kaynakları, son derece hassas biyokimyasal sensörler ve doğrusal olmayan fenomenler: cam mikro uygulamalar büyük bir çeşitlilik ile bir enerji deposu olarak düşünülebilir. mikrosferler ve bağlantı sisteminin, hem imalatı için bir protokol verilmektedir. Burada anlatılan kuplörler konik lifler bulunmaktadır. Üçüncü dereceden optik doğrusal olmayan duyarlılık ile ilgili doğrusal olmayan olayların etkili nesil Χ (3) triply rezonans silis mikrosferlerdeki etkileşimler bu yazıda sunulmuştur. bildirilen burada etkileşimler şunlardır: Uyarılmış Raman saçılması (SRS) ve Uyarılmış Anti-Stokes Raman Saçılma (SARS) içeren dört dalga karıştırma işlemleri. boşluğu geliştirilmiş olgusunun bir dayanıklı pompa, sinyal ve avara arasındaki korelasyonun olmaması ile elde edilir: bir rezonant mod çifti elde etmek için ana kadar zorundadırsinyal ve avara. hyperparametric salınımlarının durumunda (dört dalga karıştırma ve uyarılmış anti-Stokes Raman saçılması) ise, modlar, enerji ve momentum korunumu yerine getirmek ve son ama en az değil, iyi bir mekansal örtüşme olmalıdır.

Giriş

Fısıldayan galeri modu rezonatörler (WGMR) doğrusal olmayan fenomenler 1-3 eşik azalma sağlayan iki benzersiz özellikleri, uzun bir foton ömrü ve küçük mod hacmi göstermektedir. Fısıldayan galeri modları toplam iç yansıma yoluyla dielektrik hava arayüzü sınırlıdır optik modları vardır. zamansal hapsi boşluğunun kalite faktörü Q ile ilgilidir, oysa küçük mod hacmi yüksek uzaysal hapsi kaynaklanmaktadır. WGMR farklı geometrilere sahip olabilir ve yüksek Q Resonators böyle kaliteli faktörlerinin çevirir atomik ölçekli pürüzlülük yakın silis mikroküreler sergi olarak 4-6 Yüzey gerilimi boşlukları elde etmek için uygun farklı üretim teknikleri vardır. doğumdan her iki tip önemli ölçüde bağlı WGMR içinde güçlü bir enerji birikimine doğrusal olmayan etkiler için eşik azaltır. Aynı zamanda sürekli dalga (CW) doğrusal olmayan optik sağlar.

WGMR th kullanılarak tanımlanabilirhidrojen atomu 7 ile güçlü benzer e kuantum N, L, m ve polarizasyon durumu. küresel simetri radyal ve açısal bağımlılıkları ayrılmasını sağlar. Radyal çözüm Bessel fonksiyonlarının, küresel harmonikler 8 açısal olanlar tarafından verilmektedir.

Silis camı nedenle, ki-kare ile ilgili ikinci derece fenomeni (2) etkileşimleri yasaktır, centrosymmetric ve. Mikro yüzeyinde, simetri inversiyon kırılır ve Χ (2) fenomeni 1 görülmektedir. Ancak, ikinci dereceden frekans üretimi için faz eşleme koşulları dahil dalga boyları oldukça farklı ve dağılım rolü oldukça önemli olabilir, çünkü özellikle üçüncü derece frekans nesil eşdeğer daha sorunludur. ikinci dereceden etkileşim son derece zayıftır. Oysa bir thi için Q 3 ile oluşturulan güç ölçeklerrd sipariş etkileşim Q 4 ile oluşturulan güç ölçekler. 9 Bu nedenle, bu çalışmanın odak üçüncü dereceden optik doğrusal olmayan duyarlılık Χ (3) gibi Uyarılmış Raman Saçılması (SRS) ve Uyarılmış Antistokes Raman saçılımı olarak etkileşimler (SARS) 'dir SARS az araştırdı etkileşim 10,11 olmak. Chang 12 ve Campillo 13 derece doğrusal olmayan WGMR gibi malzemeler ancak pompa lazer yerine CW pulse edilmiştir damlacıkları kullanılarak doğrusal olmayan fenomenlerin çalışmalarını öncülük etmiştir. Silika mikroküreler 14,10 ve microtoroids 15 son yıllarda dikkat çok kazanıyor, mikro damlacıklar kıyasla daha istikrarlı ve sağlam platformlar sağladı. Özellikle silis mikro imal ve kullanımı çok kolaydır.

SRS bir eşik ulaşan yeterli olduğundan kolayca silis WGMR 14,15 elde edilebilir saf kazanç süreçtir. Bu durumda, yüksek circulatiWGMR içinde yoğunluğunu ng Raman lazer uygulaması garanti, ama parametrik salınımlar için yeterli değildir. Bu gibi durumlarda, verimli titreşimler faz ve mod eşleştirme, enerji ve momentum korunumu yasası ve tüm rezonans modlarının iyi bir mekansal örtüşme 16-18 yerine getirilmesi gerekir. Bu durum, genelde SARS ve FWM için geçerlidir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Kalite Mikrokürelerinin Hiperfrekans Factor 1. Fabrikasyon

  1. Bir optik striptizci kullanarak akrilik kaplama kapalı bir standart tek modlu (SMF) silika fiber yaklaşık 1-2 cm şerit.
  2. aseton ile soyulmuş kısmını temizleyin ve parçalamak.
  3. Bir füzyon raptedici bir kolunda yarılan ucu tanıtmak ve splicer denetleyicisini kullanarak elektrik ark deşarjları bir dizi üretmek. , Splayser kontrolör menüsünden "manuel işletimini" seçin ark güç düzeyinde değerlerini ayarlamak ve sırasıyla 60 ve 800 msn, süreyi ark; "Ark" seçin ve dip "+" itin.
  4. Bir küre şeklini alıyor sonra, dur 90 ° lif döndürmek ve adım 1.3 tekrarlayın.
  5. Tekrar adım 1.3 en az 4 kez yaklaşık 160 um olan bir mikrosferdir elde edildi. yaklaşık 260 um mikroküre elde etmek için 16 kez tekrarlayın.
    Not: Elektrik ark deşarj silis camı kaynaştırmak için gerekli olan yüksek erime sıcaklığına üretecek. Surface gerginlik mollified lif ucundan bir sfero çekecek; Bu 19, Şekil 1 'de görülebileceği gibi, küre boyutu, yaklaşık 350 um bir çapı en doygun, yay çekim sayısı ile doğru orantılıdır. dönme rezonatör küresel bir şekil temin eder.

2. Konik Fiber Çizim

Not: şevli fiber de microresonators içine ışık bağlanması için gereklidir. mikro boyutu konik bel belirleyecektir. küre çapları daha büyük 125 mikron için konik çapı yaklaşık 3-4 mikron olabilir. küçük olanlar için, konik çapı daha küçük olmalıdır, 1-2 mikron söylüyorlar. düşük bir düzeyde kayıp tutmak ve konik bölüm sadece bir mod (temel bir) sahip olmak için, sivri adyabatik (ince bir çap kalın kademeli geçiş) olması gerekir. Adiyabatik şevli kısmın tipik toplam uzunluğu yaklaşık 2 cm'dir. Figu2 yeniden fiber çekilmesi için ev yapımı cihaz ve Şekil 3A tipik bir bel bölgesi bir MicroPhoto göstermektedir.

  1. Şerit 3-4 optik striptizci kullanarak akrilik kaplama kapalı bir standart tek modlu (SMF) silika fiber cm ve elyaf lazer (giriş) ve bir güç ölçer (çıkış) için biter bağlayın. sıyrılmıştır bölgesi olmayan bir ucunda, elyafın ortasında yaklaşık olarak emin olun. fiber lazer ve güç metre biter bağlamak için edebilmek için bir çıplak fiber sonlandırıcı kullanın. lazer ve çalışma tezgahı üstünde güç ölçer yerleştirin.
  2. Kısa bir alümina silindir içine soyulmuş lif ve çekme işlemi sırasında aynı anda harekete iki çeviri aşamaları içine elyaf kaplı uçlarını yerleştirin.
  3. silis, erime noktası (yaklaşık 2.100 ° C) yakın bir sıcaklığa kadar, bir oksijen-butan alev alüminyum silindir (bu bir fırın olarak işlev yapar) ısıtın.
  4. Obse gelen konik adiabaticity sonucuna635 nm 'de faaliyet gösteren bir lazer ışık iletim rvation. hiçbir mod çabalıyorlar oluştuğunu belirten sivrilen ise çıkışta homojen dairesel nokta korunmuş olup olmadığını kontrol edin. çekerek durdurmak ve iletilen güç salınım durur ve zamanla sabit olduğunda alev emekli.
  5. Konik karşılamak için U şeklinde şekillendirilmiş bir mikroskop cam slayt olarak şevli fiber yapıştırıcı (Şekil 3B). boyutları 76x26x1.2 mm bir mikroskop cam slayt kullanın.

Küçük Mikrokürelerinin 3. Fabrikasyon

Not: kaplı standart lif büyüklüğü altında çapları küçük mikroküreler lif önceki doz azaltımı gerektirir. Bu yöntem kullanılarak elde edilen minimum çapı, yaklaşık 25 mm.

  1. bölüm 2 takip ederek, kırılır kadar çekerek, bir konik lif çizin.
  2. splicer co değerleri değiştirmek, bölüm 1 (UHQ mikroküreler imalat), ancak adım 1.3 tüm adımları izleyinKontrol Ünitesiüzü beğeneceğ aşağıdaki gibi: Ark gücü 20, ark süresi 1.200 msn.

Microsphere içine 4. Kavrama Işık

Not: mikro içine çift ışığa konik kullanmak ve microresonator bir rezonans ölçün.

  1. 4.1. ortasında bir kanal ile bir T PVC / alüminyum tutucu hazırlayın. tutucu içine viski büyü veya kağıt yapışkan bant bir parça mikro kalan lif sapını sabitleyin. piezoelektrik aktüatör ve 20 nm bir konumlandırma çözünürlüğe sahip bir çeviri aşamasında içine iki vidayla tutucu kelepçe.
  2. Microsphere fiber gövdeye dik konumlandırılmış slayt düzlemi ile başka çeviri aşamasına cam slayt yapıştırılmış konik sabitleyin. sonlandırılmış fiber kablolar için konik uçlarını tuttur. bir ayarlanabilir diyot lazer sonu ve bir InGaAs fotodiyot dedektöre diğerini bağlayın.
  3. co uzun çalışma mesafesi (> 20 mm) bir mikroskop tüp kullanınkonik ve mikro arasındaki boşluğu ntrol. mikrosfer ekvatora konik göreceli kontrol edilebilir pozisyon böylece tüp yönüne göre diğer yönde yer 45 ° bir ayna sistemi izlemek için.
    1. konik lifi ile temas mikrosfer ekvator yerleştirin.
  4. Lazer açın ve bir osiloskop olarak Microsphere-konik sisteminin iletim spektrumunu kontrol edin.
    1. rezonans görünene kadar ayar CW lazer 1.550 nm çalışan. Lorentz spektrumda dips şekilli olarak rezonanslar tespit edilebilir.
  5. rezonans çizgi genişliğine (Lorentz şeklindeki dip tam genişlikte yarı maksimum) ölçün. rezonans LineWidth bölü pompa sıklığı gibi Q faktörü hesaplayın.
  6. , Küre ve konik arasındaki boşluğu artırmak / artan bağlanma verimliliğini azaltmak için rezonans genişliği ve derinliği hem değişen / azaltın.
5. Uyarılmış Raman Saçılma

  1. 1550 nm ve zayıflatıcı çalışan CW lazer arasında bir erbium katkılı fiber amplifikatör (EDFA) yerleştirin. EDFA 1,530-1,570 nm dalga boyu aralığında çalışır. . Bu yüksek giriş yetkileri 2 W. Doğrusal Olmayan etkileri maksimum çıkış gücü ihtiyacı ulaşan lazer gücünü artıracak 4 deneysel set-up bir kroki göstermektedir: Not.
  2. 3 dBm splitter sona fiber kablolar ile konik bir ucunu. optik spektrum analizör ve osiloskop bağlı bir fotoğraf dedektöre diğerine ayırıcı çıkış liflerinin birini bağlayın.
  3. Lazerin dalga boyu tarama hızı ile karşılaştırılabilir bir termal sürüklenme ile bir rezonans kadar ayarlayın düşük frekanslarda yüksek gelen lazer bulunur. Termal kendinden kilitli 20 elde edildiğinde rezonans genişlemesi osiloskopta görülebilir.
  4. konik iletilen çıkış gücü kontrolbir optik spektrum analizör içine. Raman lazer çizgisi görünene kadar gücünü artırmak. Yaklaşık 13.5 THz pompa dalga boyu gelen detuned edilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Mikro-Q faktörleri protokolü, yukarıda tarif edilen geniş çaplı 10 8 (Şekil 5) (> 200 um) aşan ve küçük çaplar için 10 6 (<50 um) aşan Aşağıdaki üretti. (Kritik bağlantı yakın)% 95 üzerinde rezonans kontrast kolaylıkla görülebilir. Yüksek dolaşan şiddetleri için kızılötesi bölgede aşağıdaki doğrusal olmayan etkiler görülebilir: (SRS) uyarılmış Raman saçılması, SRS 21 basamaklı anti-Stokes Raman saçılması (SARS) ve dört dalga karıştı...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Mikroküreler kompakt ve verimli doğrusal olmayan osilatörler ve onlar imal ve işlemek için çok kolaydır. Konik elyaf bağlanması ve rezonatörün üzerine / ışık çıkarmak için de kullanılabilir. % 95'e kadar rezonans kontrast ve yaklaşık 3 x 10 8 Q faktörleri elde edilebilir.

Bu fabrikasyon teknikleri ana sınırlama seri üretim ve entegrasyonu. liflerin temizliğine mikroküreler ve daralan hem için kritiktir ve böylece nem. Her iki cihaz uzun süreli bir laboratuar ömrü için kuru ort...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar, rekabet eden hiçbir finansal çıkarları olmadığını beyan ederler. DF, Parma Üniversitesi'nde doktora öğrencisidir.

Teşekkürler

Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Fiber OptikCorningSMF28
Fiber kaplama sıyırıcıThorlabsT06S13Diğer satıcılardan da temin edilebilir
Fiber baltaFitelS325ADiğer satıcılardan da temin edilebilir
Füzyon birleştiriciFurakawaS177A-1RDiğer satıcılardan da temin edilebilir
Bütan ve Oksijen Gazıyokherhangi bir satıcı
Mikroskop tüpüNavitarZoom 6000Modüler Kit
CCD kameran/aN/Aherhangi biri uygun olacak
Monitörn/aN/Aherhangi bir monitör geçerlidir
3 Eksenli StagePI Instruments, Thorlabs, Melles
Çeşitli direkler ve montajlarThorlabsDiğer satıcılardan da temin edilebilir
Polarizasyon kontrolüThorlabsFPC030Diğer satıcılardan da temin edilebilir
ZayıflatıcıThrolabsVOA50
FotodiyotThorlabsPDA400'ünüretimi durduruldu, yerini PDA10CS-EC
OsiloskopuTektronixDPO7104
aldı Optik spektrum analizörüAndoAQ6317B
Erbiyum Katkılı Fiber AmplifikatörIPG FotonikEAD-2K-C
Ayarlanabilir LazerYenistaTUNIKLER

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Mikrosfer retimiKonik Fiber KuplajUyar lm Raman Sa l mUyar lm Anti Stokes Sa l mDo rusal Olmayan Optik Etkile imlerKalite Fakt r l mFiber ekme Tekni iOptik Spektrum AnaliziTermal Kendi Kendine Kilitleme
Mikrosferik Whispering Galeri Modu Rezonatörler içinde Uyarılmış Stokes ve Antistokes Raman saçılması
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.