JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

جيل فعال من الظواهر غير الخطية المتعلقة المرتبة الثالثة البصرية قابلية غير الخطية Χ (3) ويرد التفاعلات في المجهرية السيليكا الرنانة ثلاثة أسباب في هذه الورقة. التفاعلات هنا ذكرت هي: حفز رامان نثر (SRS)، وأربع عمليات موجة خلط تضم بتنشيط مكافحة ستوكس رامان نثر (سارس).

Abstract

يمكن المجهرية عازلة تحصر الضوء والصوت لفترة من الزمن من خلال الجودة العالية عامل يهمس سائط معرض (WGM). يمكن اعتبار المجهرية الزجاج كمخزن للطاقة مع مجموعة كبيرة من التطبيقات: مصادر الليزر المدمجة، وأجهزة الاستشعار الحيوية حساسة للغاية والظواهر غير الخطية. ويرد بروتوكول لتصنيع كل من المجهرية ونظام اقتران. ومقرنة الموصوفة هنا هي الألياف مدبب. جيل فعال من الظواهر غير الخطية المتعلقة المرتبة الثالثة البصرية قابلية غير الخطية Χ (3) ويرد التفاعلات في المجهرية السيليكا الرنانة ثلاثة أسباب في هذه الورقة. التفاعلات هنا ذكرت هي: حفز رامان نثر (SRS)، وأربع عمليات موجة خلط تضم بتنشيط مكافحة ستوكس رامان نثر (سارس). ويرد دليل على ظاهرة محسنة تجويف بسبب عدم وجود ارتباط بين المضخة، إشارة والمهمل: وضع الرنانة ديه في الوجود من أجل الحصول على زوجإشارة والمهمل. في حالة التذبذبات hyperparametric (خلط أربعة موجة وحفز مكافحة ستوكس رامان نثر)، يجب على وسائل الوفاء الحفاظ على الطاقة والزخم، وأخيرا وليس آخرا، يوجد بينهما تداخل المكاني جيد.

Introduction

يهمس المرنانات وضع معرض (WGMR) تظهر اثنين من خصائص فريدة من نوعها، وعمر الفوتون طويلة وحجم الوضع الصغيرة التي تسمح بتخفيض عتبة الظواهر غير الخطية 1-3. يهمس وسائط معرض وسائط البصرية التي تقتصر على واجهة الهواء عازلة بواسطة الانعكاس الكلي الداخلي. ويرجع ذلك إلى الحبس مكانية عالية حجم صغير وضع في حين يرتبط الحبس الزمني لس عامل الجودة من تجويف. WGMR يمكن أن يكون هندستها مختلفة، وهناك تقنيات تصنيع مختلفة مناسبة للحصول على ارتفاع المرنانات س 4-6 تجاويف التوتر السطحي مثل المجهرية السيليكا المعرض قرب خشونة نطاق الذرية، والذي يترجم في العوامل ذات جودة عالية. كلا النوعين من الحبس تقلل إلى حد كبير عتبة التأثيرات اللاخطية بسبب تراكم الطاقة قوي داخل WGMR. كما يسمح مستمرة موجة (CW) غير الخطية البصريات.

ويمكن وصف WGMR باستخدام الالبريد أعداد الكم ن، ل، م والدولة استقطابها، في تشابه قوي مع ذرة الهيدروجين 7. التناظر الكروي يسمح للفصل في شعاعي وتبعيات الزاوي. ونظرا لحل شعاعي بواسطة وظائف بسل، تلك الزاوية من قبل التوافقيات كروية 8.

زجاج السيليكا هو centrosymmetric، وبالتالي الظواهر الدرجة الثانية تتعلق Χ ممنوعة (2) التفاعلات. في سطح microsphere، هو كسر قلب من التماثل وΧ (2) ظواهر يمكن ملاحظتها 1. ومع ذلك، وظروف مطابقة مرحلة لتوليد تردد من الدرجة الثانية هي أكثر تعقيدا من ما يعادل في توليد تردد من الدرجة الثالثة، وخاصة لأن موجات المعنية هي مختلفة تماما، ودور تشتت يمكن أن تكون هامة جدا. التفاعلات من الدرجة الثانية ضعيفة للغاية. موازين الطاقة المولدة مع س 3 في حين لثيأجل الثالثة تفاعل موازين الطاقة المولدة مع س 4. 9 ولهذا السبب، فإن التركيز على هذا العمل هو ثالث ترتيب البصرية قابلية غير الخطية Χ (3) التفاعلات مثل حفز رامان نثر (SRS) ومحفز Antistokes رامان نثر (سارس) ، ويجري السارس التفاعل أقل استكشاف 10،11. تشانغ 12 و 13 كامبايلو رائدة في دراسات الظواهر غير الخطية باستخدام قطرات من المواد غير الخطية للغاية كما WGMR كنه نابض الليزر مضخة بدلا من الأسلحة الكيميائية. المجهرية السيليكا 14،10 وmicrotoroids 15 قدمت منصات أكثر استقرارا وقوية بالمقارنة مع قطرات صغيرة، والحصول على الكثير من الاهتمام في العقود الأخيرة. بشكل خاص، المجهرية السيليكا هي سهلة جدا لصنع والتعامل معها.

SRS هو عملية اكتساب النقية التي لا يمكن أن يتحقق بسهولة في السيليكا WGMR 14،15، منذ وصولها إلى عتبة يكفي. في هذه الحالة، circulati عاليةنانوغرام كثافة داخل WGMR يضمن رامان الليزرة، ولكن لالتذبذبات حدودي غير كاف. في هذه الحالات، التذبذبات فعالة تتطلب المرحلة ومطابقة الوضع والطاقة وقانون الحفاظ على الزخم والتداخل المكاني جيد للجميع وسائط الرنانة التي ينبغي الوفاء بها 16-18. هذا هو الحال بالنسبة لمرض السارس وFWM بشكل عام.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. تصنيع فوق العالي عامل من الجزئي الجودة

  1. تجريد حوالي 1-2 سم من معيار واحد واسطة (SMF) الألياف السيليكا قبالة طلاء الاكريليك لها باستخدام متجرد البصرية.
  2. تنظيف الجزء جردت مع الأسيتون ويلتصق به.
  3. إدخال طرف المشقوق في ذراع واحدة من الربط الانصهار وإنتاج سلسلة من عمليات التصريف القوس الكهربائي باستخدام وحدة تحكم جهاز الربط. حدد "التشغيل اليدوي" من القائمة تحكم الربط، تعيين قيم لمستوى طاقة قوس وقوس المدة إلى 60 و 800 ميللي ثانية، على التوالي؛ حدد "القوس"، ودفع القاع "+".
  4. مرة واحدة في المجال يتشكل، ووقف، وتناوب على الألياف بنسبة 90 درجة وكرر الخطوة 1.3.
  5. كرر الخطوة 1.3 4 مرات على الأقل للحصول على microsphere من حوالي 160 ميكرون. كرر 16 مرة للحصول على microsphere من حوالي 260 ميكرون.
    ملاحظة: إن التصريف القوس الكهربائية تنتج ارتفاع درجة حرارة انصهار اللازمة لصهر الزجاج السيليكا. وsurfacوه التوتر رسم كروي من طرف الألياف ثائرة. حجم مجالات يتناسب طرديا مع عدد من الطلقات قوس، تشبع في قطرها حوالي 350 ميكرون، كما يمكن أن نرى في الشكل 1 19. تناوب يضمن الشكل الكروي للمرنان.

2. رسم الألياف مستدق

ملاحظة: مطلوب الألياف مدبب أيضا لاقتران الضوء في microresonators. فإن حجم microsphere تحديد الخصر من تفتق. لأقطار المجال أكبر من 125 ميكرون، وقطرها من تفتق يمكن أن يكون حوالي 3-4 ميكرون. لأصغر، قطر تفتق يجب أن يكون أصغر، ويقول 1-2 ميكرون. من اجل الحفاظ على خسائر على مستوى منخفض والحصول على وضع واحد فقط في قسم مدبب (واحد أساسي)، ومستدق يجب أن يكون ثابت الحرارة (التحول التدريجي من سميكة لقطر رقيقة). ويبلغ طول نموذجي من قسم مدبب ثابت الحرارة حوالي 2 سم. فيقوإعادة 2 يدل على جهاز محلية الصنع لسحب الألياف والشكل 3A يظهر microphoto منطقة الخصر نموذجية.

  1. قطاع 3-4 سم من معيار واحد واسطة (SMF) الألياف السيليكا قبالة طلاء الاكريليك لها باستخدام متجرد البصرية، وتوصيل الألياف تنتهي ليزر (المدخلات) والسلطة متر (المخرجات). مما لا شك فيه أن المنطقة جردت تقريبا في منتصف الألياف، وليس في نهاية واحدة. استخدام فاصل الألياف عارية من أجل أن تكون قادرة على توصيل الألياف ينتهي إلى متر الليزر والطاقة. وضع الليزر والسلطة متر على قمة مقاعد البدلاء العمل.
  2. وضع الألياف جردت داخل اسطوانة الألومينا قصيرة، وينتهي المغلفة للألياف إلى مرحلتين الترجمة التي تحفيز وقت واحد أثناء عملية سحب.
  3. حرارة الاسطوانة الألومينا (الذي يقوم بدور الفرن) من خلال لهب الأوكسجين البوتان تصل إلى درجة حرارة قريبة من درجة انصهار من السيليكا (حوالي 2100 درجة مئوية).
  4. استنتاج adiabaticity من تفتق من observation للانتقال من ضوء الليزر التي تعمل على 635 نانومتر. تأكد من أن في الانتاج والحفاظ على بقعة دائرية متجانسة في حين مستدق، مشيرا إلى أنه لا توجد طريقة الهرولة يحدث. وقف سحب والتقاعد اللهب عندما توقف القدرة المرسلة تتأرجح، وثابتة مع مرور الوقت.
  5. الغراء الألياف مدبب إلى شريحة المجهر والزجاج على شكل في شكل U لاستيعاب تفتق (انظر الشكل 3B). استخدام شريحة ميكروسكوب الأبعاد 76x26x1.2 مم.

3. تصنيع المجهرية الصغيرة

ملاحظة: المجهرية الصغيرة بأقطار أقل من حجم الألياف القياسية يرتدون تتطلب مستدق السابق من الألياف. الحد الأدنى لقطر تم الحصول عليها باستخدام هذه الطريقة حوالي 25 ميكرون.

  1. باتباع الباب 2، رسم الألياف مدبب، وسحب حتى وقوعه.
  2. اتبع كافة الخطوات من القسم 1 (تلفيق المجهرية UHQ) ولكن في الخطوة 1.3، تعديل القيم على التعاون الربطntroller على النحو التالي: السلطة قوس 20، ومدة القوس 1200 ميللي ثانية.

4. اقتران الضوء في Microsphere

ملاحظة: نحن نستخدم تفتق للضوء زوجين في microsphere وقياس الرنين من ميكروريسوناتور.

  1. 4.1. إعداد بولي كلوريد الفينيل حامل / الألومنيوم على شكل حرف T مع قناة في الوسط. إصلاح الجذعية الألياف المتبقية من microsphere مع قطعة من السحر سكوتش أو شريط لاصق ورقة إلى حامل. المشبك حامل مع اثنين من البراغي في مرحلة الترجمة مع المحركات كهرضغطية ودقة تحديد المواقع من 20 نانومتر.
  2. إصلاح تفتق لصقها على شريحة زجاجية في مرحلة الترجمة آخر مع الطائرة شريحة وضع عمودي على الساق الألياف microsphere. لصق نهايات مستدقة لكابلات الألياف إنهاؤها. قم بتوصيل أحد ليزر ديود الانضباطي وغيرها من واحد إلى الثنائي الضوئي InGaAs كاشف.
  3. استخدام أنبوب المجهر مع مسافة العمل الطويلة (> 20 ملم) للمشاركةntrol الفجوة بين تفتق وmicrosphere. من أجل مراقبة النظام في المكان الاتجاه الآخر مرآة في 45 درجة فيما يتعلق باتجاه أنبوب بحيث الموقف تفتق نسبة إلى خط الاستواء من microsphere يمكن السيطرة عليها.
    1. ضع خط الاستواء من microsphere في اتصال مع الألياف مدبب.
  4. بدوره على الليزر والتحقق من الطيف انتقال من النظام microsphere-تفتق في الذبذبات.
    1. ضبط الليزر CW تعمل على 1550 نانومتر حتى تظهر الأصداء. ويمكن تحديد الأصداء كما شكل Lorentzian الانخفاضات في الطيف.
  5. قياس linewidth الرنين (الكامل نصف كحد أقصى عرض للتراجع Lorentzian شكل). حساب معامل س كما تردد من مضخة مقسوما على linewidth الرنين.
  6. تقليل / زيادة الفجوة بين المجال وتفتق، وتغيير كل من عرض الرنين وعمق لزيادة / خفض كفاءة اقتران.
5. حفز رامان نثر

  1. إدراج الإربيوم مخدر الألياف مكبر للصوت (EDFA) بين الليزر CW تعمل على 1550 نانومتر والمخفف. يعمل EDFA في نطاق الطول الموجي لل1،530-1،570 نانومتر. ملاحظة: سيؤدي هذا إلى تعزيز قوة الليزر، ليصل الحد الأقصى لانتاج الطاقة من 2 الآثار دبليو اللاخطية تحتاج القوى مدخلات عالية يبين الشكل 4 رسما تخطيطيا للانشاء التجريبية.
  2. ربط واحدة من نهاية تفتق مع كابلات الألياف إنهاء لالخائن 3 ديسيبل. ربط واحدة من الألياف الانتاج التقسيم إلى محلل الطيف الضوئي وغيرها من واحد إلى جهاز الكشف عن الصورة التي يتصل بها الذبذبات.
  3. تم العثور على لحن ليزر من الأعلى إلى ترددات منخفضة حتى صدى مع الانجراف الحرارية مقارنة مع الطول الموجي سرعة المسح الضوئي لليزر. عندما يتحقق الحرارية تأمين الذاتي 20 توسيع نطاق صدى يمكن أن ينظر إليه على الذبذبات.
  4. تحقق انتاج الطاقة التي تنتقل من خلال تفتقإلى محلل الطيف الضوئي. زيادة قوة حتى يظهر خط ليزر رامان. وdetuned أنه من الطول الموجي ضخ حوالي 13.5 THz لل.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

ملفقة العوامل س من المجهرية بعد بروتوكول وصف أعلاه هي ما يزيد على 10 8 (الشكل 5) لأقطار كبيرة (> 200 ميكرون)، والتي تزيد عن 10 6 لأقطار صغيرة (<50 ميكرون). على النقيض صدى تزيد عن 95٪ (على مقربة من اقتران حرج) يمكن ملاحظتها بسهولة. لشدة تعم?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

المجهرية مدمجة وكفاءة مؤشرات التذبذب غير الخطية وأنها سهلة جدا لصنع والتعامل معها. الألياف مدبب يمكن استخدامها لتوصيل واستخراج الضوء في / من مرنان. صدى المقابل تصل إلى 95٪ والعوامل س من حوالي 3 × 10 8 ويمكن الحصول على.

القيد الر...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

The authors declare that they have no competing financial interests. D.F. is a PhD student at the University of Parma.

Acknowledgements

Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Optical FiberCorningSMF28
Fiber coating stripperThorlabsT06S13Available from other vendors as well
Fiber cleaverFitelS325AAvailable from other vendors as well
Fusion splicerFurakawaS177A-1RAvailable from other vendors as well
Butane and Oxygen Gasn/aany vendor
Microscope tubeNavitarZoom 6000Modular Kit
CCD cameran/aN/Aany will fit
Monitorn/aN/Aany monitor is valid
3-Axis StagePI Instruments, Thorlabs, Melles
Assorted posts and mountsThorlabsAvailable from other vendors as well
Polarization controlThorlabsFPC030Available from other vendors as well
AttenuatorThrolabsVOA50
PhotodiodeThorlabsPDA400discontinued, replaced by PDA10CS-EC
OscilloscopeTektronixDPO7104
Optical spectrum analyzerAndoAQ6317B
Erbium Doped Fiber AmplifierIPG PhotonicsEAD-2K-C
Tunable LaserYenistaTUNICS

References

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

110 microresonators Antistokes

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved