Stimulated Stokes und Antistokes Raman Scattering in Mikrosphärische Whispering Gallery-Modus Resona

Zusammenfassung

Effiziente Erzeugung von nicht - lineare Phänomene dritter Ordnung optische nichtlineare Zusammenhang Anfälligkeit Χ ⁽³⁾ Wechselwirkungen in dreifach resonanten Siliciumoxidmikrokügelchen wird in diesem Papier. Die Wechselwirkungen hier berichtet wird, sind: Stimulated Raman Scattering (SRS) und Vierwellenmischverfahren, umfassend Stimulated Anti-Stokes Raman Scattering (SARS).

Zusammenfassung

Die dielektrische Mikrokugeln können für eine lange Zeit durch hohe Qualitätsfaktor Whispering-Gallery-Modi (WGM) Licht und Ton beschränken. kompakte Laserquellen, hochempfindliche biochemische Sensoren und nichtlineare Phänomene: Glasmikrokugeln können mit einer großen Vielfalt von Anwendungen als Energiespeicher angesehen werden. Ein Protokoll für die Herstellung von sowohl den Mikrokügelchen und Kupplungssystem gegeben. Die Kuppler hier beschriebenen tapered fibers. Effiziente Erzeugung von nicht - lineare Phänomene dritter Ordnung optische nichtlineare Zusammenhang Anfälligkeit Χ ⁽³⁾ Wechselwirkungen in dreifach resonanten Siliciumoxidmikrokügelchen wird in diesem Papier. Die Wechselwirkungen hier berichtet wird, sind: Stimulated Raman Scattering (SRS) und Vierwellenmischverfahren, umfassend Stimulated Anti-Stokes Raman Scattering (SARS). Ein Nachweis des Hohlraumes-enhanced Phänomen wird durch das Fehlen von Korrelation zwischen dem Pump-, Signal- und Idler gegeben: ein Resonanzmodus, um zu bestehen hat das Paar zu erhalten,von Signal und Idler. Im Falle von hyperparametric Schwingungen (Vierwellenmischung und stimuliert Anti-Stokes-Raman-Streuung), müssen die Modi der Energie- und Impulserhaltung und last but not least erfüllen, haben eine gute räumliche Überlappung.

Einleitung

Whispering - Gallery - Mode - Resonatoren (WGMR) zeigen zwei einzigartige Eigenschaften, eine lange Lebensdauer und Photonen kleinen Modenvolumen, das die Reduzierung der Schwelle der nichtlinearen Phänomene ^1-3 ermöglichen. Whispering-Gallery-Modi sind optischen Moden, die auf der dielektrischen Luft-Grenzfläche durch Totalreflexion beschränkt sind. Die kleine Modenvolumen ist aufgrund der hohen räumlichen Confinement während die zeitliche Beschränkung auf den Gütefaktor Q des Resonators verbunden ist. WGMR können unterschiedliche Geometrien aufweisen und es gibt verschiedene Herstellungstechniken geeignet ist zum Erhalten hoher Q - Resonatoren ^4-6 Oberflächenspannung Hohlräume wie Siliciumdioxid - Mikrokugeln weisen in der Nähe von atomarer Skala Rauhigkeit, der in hoher Qualitätsfaktoren übersetzt. Beide Arten der Entbindung signifikant die Schwelle für nichtlineare Effekte aufgrund der starken Energieaufbau im Inneren des WGMR reduzieren. Es ermöglicht auch kontinuierliche Welle (CW) der nichtlinearen Optik.

WGMR kann mit th beschriebene Quantenzahlen n, l, m und deren Polarisationszustand in einem starken Analogie mit dem Wasserstoffatom ^7. Die Kugelsymmetrie ermöglicht die Trennung in Radial- und Winkelabhängigkeiten. Die radiale Lösung wird durch Bessel - Funktionen, die Winkel diejenigen durch die sphärischen Harmonischen ⁸ gegeben.

Quarzglas ist zentrosymmetrischen und deshalb zweiter Ordnung Phänomene im Zusammenhang mit Χ ⁽²⁾ Wechselwirkungen verboten sind. An der Oberfläche des Mikrokügelchens ist die Umkehrung der Symmetrie gebrochen und Χ ⁽²⁾ Phänomene ¹ beobachtet werden. Allerdings Phasenanpassungsbedingungen für die zweite Ordnung Frequenzerzeugung sind problematischer als das Äquivalent in dritter Ordnung Frequenzerzeugung, vor allem, weil die beteiligten Wellenlängen sehr unterschiedlich sind und die Rolle der Dispersion kann sehr wichtig sein. Die zweite Ordnung Wechselwirkungen sind extrem schwach. Die erzeugte Energie Skalen mit Q ³ , während für eine thidritter Ordnung Interaktion die erzeugte Leistung Skalen mit Q ^{4. 9} Aus diesem Grund liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit ist es dritte optische Ordnung nichtlinearen Suszeptibilität Χ ⁽³⁾ Wechselwirkungen wie Stimulated Raman Scattering (SRS) und stimulierte Antistokes Raman Scattering (SARS) , ^10,11 SARS die weniger erforschten Wechselwirkung zu sein. Chang ¹² und Campillo ¹³ Pionierarbeit geleistet , die Studien der nichtlinearen Phänomene Tröpfchen von hochgradig nichtlinearen Materialien wie WGMR verwenden , aber der Pumplaser anstelle von CW gepulst. Silica - Mikrokugeln ^14,10 und ¹⁵ versehen Mikrotoroide stabiler und robuster Plattformen im Vergleich zu den Mikrotröpfchen, in den letzten Jahrzehnten viel Aufmerksamkeit gewinnen. Insbesondere sind Siliciumoxidmikrokügelchen sehr leicht herzustellen und zu handhaben.

SRS ist ein reiner Gewinn Prozess, der leicht in Siliciumdioxid WGMR erreicht werden kann , ^14,15, da eine Schwelle erreicht genug ist. In diesem Fall ist die hohe circulating Intensität innerhalb des WGMR garantiert Raman Laser, aber für die parametrische Schwingungen nicht ausreichend. In diesen Fällen erfordern eine effiziente Schwingungen Phase und Modenanpassung, Energie- und Impulserhaltungsgesetz und eine gute räumliche Überlappung aller Resonanzmoden ^16-18 erfüllt werden. Dies ist der Fall für SARS und FWM im Allgemeinen.

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Protokoll

1. Herstellung von Ultraqualitätsfaktor Microspheres

1. Entfernen Sie ca. 1-2 cm von einer Standard-Single-Mode (SMF) Silica-Faser aus seiner Acryl-Beschichtung einen optischen Stripper.
2. Reinigen Sie den abisolierten Teil mit Aceton und es spalten.
3. Einzuführen, um die gespaltene Spitze in einen Arm eines Fusionssplicers und produzieren die Spleißvorrichtung Controller eine Reihe von elektrischen Bogenentladungen verwendet wird. Wählen Sie "Handbetrieb" von der Splicer-Controller-Menü legen Sie die Werte für die Lichtbogenleistung und Lichtbogendauer bis 60 und 800 msec; wählen Sie "Bogen" und drücken Sie den Boden "+".
4. Sobald eine Kugel nimmt Gestalt an, stoppen, drehen Sie die Faser um 90 ° und wiederholen Sie Schritt 1.3.
5. Wiederholen Sie Schritt 1.3 mindestens 4 mal eine Mikrokügelchens von etwa 160 um zu erhalten. 16 mal wiederholen, eines Mikrokügelchens von etwa 260 um zu erhalten.
   Hinweis: Die elektrische Bogenentladungen wird die hohe Schmelztemperatur erzeugen benötigt, um das Quarzglas zu verschmelzen. Die surface Spannung wird ein Sphäroid aus der besänftigt Faserspitze ziehen; Die Größe der Kugeln der Anzahl der Lichtbogenschüsse direkt proportional, bei einem Durchmesser von etwa 350 um zu sättigen, wie es in Abbildung 1 ¹⁹ zu sehen ist. Die Rotation sorgt für eine sphärische Form des Resonators.

2. Zeichnen einer Kegel Fiber

Hinweis: Der sich verjüngende Faser auch zum Einkoppeln von Licht in die Mikroresonatoren benötigt wird. Die Grße der Mikrokügelchen wird die Taille des Kegels bestimmen. Für Kugeldurchmesser größer ist als 125 um, kann der Durchmesser des Kegels von etwa 3-4 & mgr; m sein. Für kleinere, sollte der Durchmesser des Kegels kleiner, etwa 1-2 um. Um Verluste auf einem niedrigen Niveau zu halten und nur einen Modus, in dem sich verjüngenden Abschnitt (die grundlegende eins) zu haben, hat die Verjüngung adiabatische (zu dünnen Durchmesser von dicken allmählichen Übergang) zu sein. Die typische Gesamtlänge des adiabatischen konischen Abschnitt ist etwa 2 cm. FiguRe 2 zeigt die hausgemachte Gerät die Faser und 3A zeigt eine Mikroskopaufnahme eines typischen Taillenzone zum Ziehen.

1. Streifen 3-4 cm von einer Standard-Single-Mode (SMF) Silica-Faser aus seiner Acryl-Beschichtung einen optischen Stripper und verbinden die Faser einem Laser endet (Eingang) und einem Leistungsmesser (Output). Achten Sie darauf, dass die abisolierten Zone etwa in der Mitte der Faser ist, nicht an einem Ende. Verwenden Sie einen blanken Faser-Terminator, um der Lage sein, die Faser zu verbinden, endet mit dem Laser und Leistungsmesser. Setzen Sie den Laser und den Leistungsmesser oben auf der Werkbank.
2. Legen Sie die gestrippt Faser in einem kurzen Aluminiumoxidzylinder, und die beschichteten Enden der Faser in zwei Übersetzungsstufen, die gleichzeitig während des Ziehvorgangs betätigen.
3. Erhitzen Sie das Aluminiumoxidzylinder (das wirkt als Ofen) durch ein Sauerstoff-Butan-Flamme bis zu einer Temperatur nahe einem Schmelzpunkt von Silica (etwa 2.100 ° C).
4. Infer die Adiabasie der Verjüngung von der Observation der Übertragung eines Laserlicht bei 635 nm arbeitet. Überprüfen Sie, ob ein homogenes kreisförmiger Fleck am Ausgang erhalten wird, während sich verjüngenden, was darauf hinweist, dass kein Modus Scrambling auftritt. Stoppen Sie ziehen und die Flamme zurückziehen, wenn die Sendeleistung oszillierenden stoppt, und ist über die Zeit konstant.
5. Kleben Sie die verjüngte Faser in eine Folie Mikroskop Glas in Form eines U - förmigen die Verjüngung aufzunehmen (siehe Abbildung 3B). Verwenden Sie ein Mikroskop Objektträger aus Glas mit den Abmessungen 76x26x1.2 mm.

3. Fabrication of Small Microspheres

Anmerkung: Kleine Mikrokugeln mit Durchmessern unterhalb der Größe einer Standard-Mantelfaser vorherigen Verjüngung der Faser erfordern. Der Mindestdurchmesser dieses Verfahren erhalten unter Verwendung von etwa 25 & mgr; m.

1. Mit dem folgenden Abschnitt 2, ziehen eine sich verjüngende Faser, ziehen, bis er bricht.
2. Befolgen Sie alle Schritte des § 1 (Herstellung von UHQ Mikrokügelchen), aber in Schritt 1.3, ändern Sie die Werte auf der Splicer controller wie folgt: Lichtbogenleistung 20, Bogendauer 1200 ms.

4. Einkopplung von Licht in die Mikrokugel

Hinweis: Wir verwenden die Verjüngung, um Licht in die Mikrokügelchen und die Resonanzen der Mikroresonator messen.

1. 4.1. Bereiten Sie eine T-förmige PVC / Alu-Halter mit einem Kanal in der Mitte. Befestigen Sie den Restfaserstamm der Mikrokügelchen mit einem Stück Tesa Magie oder Papier Klebeband in den Halter. Spannen Sie den Halter mit zwei Schrauben in einem Verschiebetisch mit Piezoaktoren und eine Positionsauflösung von 20 nm.
2. Befestigen Sie die geklebte Verjüngung zu dem Glasträger in eine andere Übersetzung Stufe mit dem Schiebe Ebene senkrecht zur Mikrokügelchen Faserstamm positioniert. Splice die Enden der Verjüngung beendet Faserkabeln. Verbinden eines Ende mit dem abstimmbaren Diodenlaser und die andere zu einer InGaAs-Photodiodendetektor.
3. Verwenden Sie ein Mikroskoptubus mit großem Arbeitsabstand (> 20 mm) zusammenntrol die Lücke zwischen dem Konus und Mikrokügelchen. Um das System in der anderen Richtung statt einen Spiegel auf 45 ° in Bezug auf die Rohrrichtung zu überwachen, so dass die Position der Verjüngungs relativ zum Äquator der Mikrokügelchen gesteuert werden kann.
   1. Positionieren Sie den Äquator der Mikrokügelchen in Kontakt mit der sich verjüngenden Faser.
4. Schalten Sie den Laser und überprüfen Sie das Transmissionsspektrum des Mikrokugeln Kegel System in einem Oszilloskop.
   1. Stellen Sie den CW-Laser bei 1.550 nm arbeitet, bis Resonanzen auftreten. Die Resonanzen identifiziert werden können als Lorentz Dips im Spektrum geformt.
5. Messen Sie die Resonanzlinienbreite (Halbwertsbreite des Lorentz-förmigen dip). Berechne den Q-Faktor, wenn die Frequenz der Pumpe durch die Resonanzlinienbreite geteilt.
6. Verkleinern / erhöhen die Lücke zwischen der Kugel und der Verjüngung, ändert beide Resonanz Breite und Tiefe zur Erhöhung / Verringerung der Kopplungseffizienz.

5. Stimulierte Raman-Streuung

1. Legen Sie eine Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) zwischen dem CW-Laser bei 1.550 nm und das Dämpfungsglied arbeitet. Der EDFA arbeitet im Wellenlängenbereich von 1,530-1,570 nm. Hinweis: Dadurch wird die Laserleistung steigern, eine maximale Ausgangsleistung von 2 W. Nichtlineare Effekte müssen hohe Eingangsleistungen erreicht Abbildung 4 zeigt eine Skizze des experimentellen Aufbaus..
2. Schließen Sie ein Ende des Konus mit terminierten Faserkabeln zu einem 3 dBm Splitter. Verbinden eines der Splitter Ausgangsfasern zu dem optischen Spektrum-Analysator und der andere zu einem Fotodetektor, der mit dem Oszilloskop verbunden ist.
3. Tune den Laser von hohen zu niedrigen Frequenzen, bis eine Resonanz mit einer thermischen Drift vergleichbar mit der Wellenlänge Abtastgeschwindigkeit des Lasers vorhanden. Wenn die thermische selbsthemmendes ²⁰ eine Verbreiterung der Resonanz erreicht wird , kann auf dem Oszilloskop zu sehen ist.
4. Überprüfen Sie die Ausgangsleistung durch die Verjüngung übertragenin einen optischen Spektrumanalysator. Erhöhen Sie die Leistung, bis der Raman-Laserlinie erscheint. Es wird bei etwa 13,5 THz von der Pumpwellenlänge verstimmt.

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Ergebnisse

Die Q - Faktoren der Mikrokügelchen , hergestellt nach dem oben beschriebenen Protokoll sind in mehr als 10 ⁸ (Figur 5) für den großen Durchmessern (> 200 um) und von mehr als 10 ⁶ bei kleinen Durchmessern (<50 um). Resonance Kontrast von über 95% (in der Nähe kritischer Kopplung) leicht beobachtet werden. Für hohe zirkulierende Intensitäten können die folgenden nichtlineare Effekte im Infrarotbereich beobachtet werden: stimulierte Ram...

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Diskussion

Microspheres sind kompakte und effiziente nichtlineare Oszillatoren und sie sind sehr leicht herzustellen und zu handhaben. Tapered Fasern können zum Ankoppeln und das Extrahieren des Lichts in / aus dem Resonator verwendet werden. Resonance Kontrast bis zu 95% und Q - Faktoren von etwa 3 x 10 ⁸ erhalten werden.

Die wichtigste Einschränkung dieser Herstellungstechniken ist die Massenproduktion und Integration. Sauberkeit der Fasern ist kritisch sowohl auf Mikrokügelchen und ver...

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Materialien

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