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

Bu prosedürün genel amacı, kompakt lazer kaynaklarından biyokimyasal algılamaya kadar uzanan optik ve fotonik uygulamalar için silika mikrosferik fısıltı galerisi modu (whispering-gallery-mode) rezonatörleri kullanarak yeni optik frekanslar üretmektir. Fısıltı galerisi modu mikrorezonatörlerde ışık, güçlü uzaysal sınırlama ve uzun boşluk ömrünün benzersiz bir kombinasyonu ile yönlendirilebilir. Düşük kayıplar, yüksek kalite faktörleri sağlar.

Bu tür rezonatörler, doğrusal olmayan optik etkileşimler için idealdir. Özellikle silika mikroküreler; sürekli dalga, kompakt, dar çizgi genişliğine sahip ve ayarlanabilir kaynaklar için frekans üreteçleri olarak büyük bir potansiyel sergiler. Elektrik mikrokürelerin üretimi için füzyon tekniklerinin kullanılmasının nedeni, düşük saçılma kayıplarının elde edilebilmesi ve buna bağlı olarak çok yüksek kalite faktörlerine ulaşılabilmesidir.

Işığı mikrokürelere kuplajlamak için ev yapımı konik fiber kullandık. Yüksek kuplaj verimliliği ve yüksek kavite birikim faktörü, düşük sürekli dalga pompa gücü ile doğrusal olmayan Kerr etkilerini tetikleyebilir. Konikleştirme prosedürünü laboratuvarımızdan teknisyen Franco Cosi gösterecektir.

Bir mikroküre oluşturmak için öncelikle çalışılacak bir fiber parçası hazırlayın. Tek modlu silika fiber kullanarak mikroküre oluşturmak için gerekli ekipmanları toplayın. Bunlar arasında fiber, aseton, bir optik kaplama soyucu ve bir fiber kesici bulunur.

Ek olarak, bir füzyon ekleme cihazını hazır bulundurun. Fiberin ucundaki akrilik kaplamanın yaklaşık 1-2 santimetresini kaldırmak için soyucu kullanın. Ardından, soyulan kısmı temiz bir bez ve asetonla temizleyin.

Fiberin ucunu fiber klişeleyicinin içine yerleştirin ve soyulmuş kısmı izole etmek için kesin. Kesilen fiberi klişeleyiciden toplayın. Fiber ucunu füzyon ekleme cihazına taşıyın.

Burada, fiberi konumlandırın ve üretici kılavuzuna uygun olarak yerinde tutun. Kapağı kapatın, ark gücünün ve ark süresinin doğru olduğunu kontrol edin, ardından arkı başlatın. İlerlemeyi ekrandan takip edin.

Ark camı erittiğinde, yüzey gerilimi nedeniyle fiber şekli bir küre oluşturmaya başlayacaktır. Küre şekillenmeye başladığında, arkı durdurun ve kapağı açın. Tutucudaki fibere erişin, küresel şekli korumak için onu 90 derece döndürün ve ardından fiberi tekrar yerine sabitleyin.

Kapağı kapatın ve arkı yeniden başlatın. Beş ila 10 dakika boyunca bu şekilde en az üç adet 90 derecelik rotasyon gerçekleştirmek, yaklaşık 160 µm boyutunda bir mikroküre oluşturacaktır. Mikroküreyi ve fiber gövdesini çıkarırken, onu saklamaya veya bir gün içinde kullanmaya hazır olun.

Bu T şeklindeki tutucu, ışık kuplaj deneylerinde kullanılmak üzere translasyon tablasına monte edilebilir. Orta kısmında, mikrosferin fiber gövdesi için bir kanal bulunmaktadır. Mikrosfer, tutucunun üzerinde engelsiz kalacak şekilde, mikrosferin kalan gövde ucunu kanala yerleştirin.

Sapı şeffaf bantla sabitleyin. Şimdi, ışığı mikroküreye kenetlemek için konik bir fiber oluşturmaya başlayın. Bu işlem, fiber uçlarını yavaşça birbirinden çekebilen bir cihaz gerektirecektir.

Belirli bir uzunluktaki tek modlu silika fiber ile başlayın ve orta noktasını belirleyin. Bu noktanın çevresindeki kaplamanın yaklaşık 3-4 santimetresini kaldırmak için optik kaplama soyucuyu kullanın. Bu işlem tamamlandığında, fırın görevi görmesi için fiberin soyulmuş kısmına bir alümina silindir geçirin.

Ardından, fiberin bir ucunu 635 nanometre dalga boyunda çalışabilen bir lazere bağlamak için çıplak fiber sonlandırıcı kullanın. Fiberin diğer ucunu bir güç ölçere bağlayın. Fiber yerleştirildikten sonra, alümina silindiri yaklaşık 2.100 °C olan silika erime noktasına yakın bir sıcaklığa ısıtmak için bir oksijen-bütan alevi hazırlayın.

Fiber çekiciyi, iki ucun yavaşça birbirinden uzaklaşacağı şekilde çalıştırın. 635 nanometre lazer açıkken, fiber üzerinden iletilen gücü güç ölçer ile izleyin. Değişen değerler, devam eden konikleştirme işlemini yansıtır.

Bu noktada, fiberi çekmeyi bırakın ve alevi söndürün. Daraltma işlemi sırasında homojen, dairesel bir noktanın korunduğunu kontrol etmek için, fiber çıkışını bir ışın kartına yansıtmak amacıyla fiberi ara ara güç metre girişinden çıkarın. Fiberle, silindir dahil tüm ekipmanlardan kurtulduktan sonra çalışın.

U şeklinde kesilmiş bir cam mikroskop lamını fiberin konik kısmının yakınına yerleştirin. Ardından, fiberi, konik kısmı U'nun merkezine gelecek şekilde lamın üzerine koyun. Fiberi gergin tutun ve fiber ile lamın üst üste geldiği bölgelere fiberi sabitlemek için yapıştırıcı uygulayın. Bu aşamada, konik fiber ile mikroküreye ışık kuplajı yapmaya hazırlanın.

Bunu yapmak için, mikrosfer ve konik fiber için ayrı taşıma aşamaları kullanın. Piezoelektrik aktüatörlere sahip bir aşamaya, mikrosfer yukarı bakacak şekilde mikrosferli T şeklinde tutucuyu monte edin. Diğer taşıma aşamasına ise, cam lamı, fiber mikrosfer fiber gövdesine dik olacak şekilde yerleştirin.

Konik fiberin bir ucunu ayarlanabilir bir diyot lazere bağlamak için uçları sonlandırılmış bir fiber kablo kullanın. Diğer ucu ise bir indiyum-galyum-arsenür fotodiyot detektöre bağlayın. Şimdi, her iki translasyon kademesini, mikroküre ile konik fiber arasındaki boşluğun gözlemi için kullanılacak mikroskop tüpünün altına yerleştirin.

İkisi, fiber taper ve mikroküre translasyon aşamalarının hareket mesafesi içinde olacak şekilde yerleştirilmelidir. Ayrıca, taper'ın dikey konumunu izlemek için mikroskop tüpüne 45 derecelik açıyla bir ayna yerleştirin. Mikroküreyi, kendi translasyon aşamasını ve mikroskop tüpünden gelen geri bildirimi kullanarak konumlandırın.

Amaç, mikrokürenin ekvatorunun konik uçla temas etmesini sağlamaktır. Bu işlem tamamlandıktan sonra, sürekli dalga lazerini açın ve iletim spektrumunu bir osiloskop üzerinden izleyin. Spektrumda rezonanslar nedeniyle Lorentzian şeklinde çökmeler oluşana kadar lazeri ayarlayın.

Rezonans çizgi genişliklerini ölçün ve kalite faktörünü hesaplayın. Deneye, konik uç ile küre arasındaki boşluğun bir fonksiyonu olarak kuplaj verimliliğini inceleyerek devam edin. Doğrusal olmayan etkileri tetikleyecek iyi bir rezonans bulmak için fiber kuplajı kritik önem taşır.

İyi bir rezonans dardır ve düşük güçte yüksek kontrasta sahiptir. Stimüle Raman saçılımını gerçekleştirmek için düzeneği hazırlayın. 15.015 nanometrede çalışan ayarlanabilir bir diyot lazerden gelen ışık konik fibere girer.

Lazerden sonra, doğrusal olmayan etkiyi elde etmek için lazer gücünü artırmak amacıyla bir erbyum katkılı fiber amplifikatör bulunur. Ardından bir zayıflatıcı ve ardından bir hat içi fiber polarizör yer alır. Işık daha sonra, bir mikroküreye kuplajlanmış olan konik uca (taper) geçer.

Mikrosferden geçtikten sonra, 3-desibel-miliwatt'lık bir ayırıcı bulunur. Ayırıcının bir çıkışı optik spektrum analizöre gider. Diğeri ise bir osiloskopa bağlı olan fotodedektöre gider.

Termal kendi kendine kilitlemeyi (thermal self-locking) sağlamak için lazeri yüksek frekanslardan düşük frekanslara doğru ayarlayın. Osiloskopta, termal sürüklenmenin dalga boyu tarama hızıyla karşılaştırılabilir olduğu bir rezonans gözlemleyin. Termal kendi kendine kilitleme gerçekleştiğinde rezonans genişleyecektir.

Optik spektrum analizörüne iletilen çıkış gücünü kontrol edin. Raman lazer çizgisi görünene kadar gücü artırmak için zayıflatıcıyı ayarlayın. Raman lazer çizgisi, pompa dalga boyundan yaklaşık 13.5 terahertz kadar sapmıştır.

Bu, yaklaşık 1.547 nanometrede pompalanan 50 mikrometre çapındaki bir mikrokürenin ölçümüdür. Pompa dalga boyunun her iki yanında, yaklaşık 13 nanometre uzaklıkta iki adet dört dalga karıştırma hattı bulunmaktadır. İki uyarılmış Raman saçılması hattı ise yaklaşık 1.610 ve 1.710 nanometrededir.

98 nanometre çapındaki bir küre ile yapılan ölçümler benzer sonuçlar vermiştir. Bu durumda, pompa piki 1.551 nanometrededir. Stimüle Raman saçılması çizgisi 1.646 nanometre merkezlidir.

Uyarılmış antistokes Raman saçılma çizgisi yaklaşık 1, 452 nanometre merkezlidir. Uyarılmış antistokes çizgisine yakın simetrik çizgiler, dejenerize dört dalga karışımından kaynaklanmaktadır. Bir Raman konisi 1, 666 nanometre merkezlidir.

40 µm çapındaki bir mikroküreden elde edilen bu spektrum, frekansı boşluk moduyla rezonans olduğunda ve pompa ile uyarılmış stokes sinyaliyle faz-eşleştiğinde uyarılmış antistokes artışının kanıtını sunmaktadır. Pompa frekansı 1,540 nm, stokes çizgisi 1,630 nm ve antistokes çizgisi 1,460 nm'dir. 65 µm'lik bir mikroküreden alınan bu spektrumda, uyarılmış antistokes'un uyarılmış stokes saçılmasına oranı bire yakındır.

Pompa frekansı 1, 572 nanometrede, stokes çizgisi 1, 640 nanometrede ve antistokes çizgisi 1, 490 nanometrede merkezlenmiştir. Bu videoyu izledikten sonra, yüksek-Q silika mikrokürelerin nasıl üretileceği, fiber taper'ın nasıl çekileceği ve temel ışık-madde etkileşimlerini incelemek için ışığın mikrorezonatöre nasıl verimli bir şekilde kupleneceği konusunda iyi bir anlayış kazanmış olmalısınız. Elektriksel mikroküreler, modern optikte son derece önemli bir rol oynayan fotonik platformlardır.

Işığı çok küçük hacimlerde uzun süreler boyunca hapsetme yetenekleri sayesinde, CW doğrusal olmayan frekans dönüşümü için kullanılabilirler. Gösterilen mikrorezonatör teknolojileri biyosensör uygulamaları için de etkili bir şekilde kullanılabilir. Grubumuz bu alanda mükemmel sonuçlar elde etmektedir.