Estimulada Stokes y Antistokes Raman Scattering en microesférico Whispering Gallery Mode resonadores

Resumen

Generación eficiente de los fenómenos no lineales relacionados con la susceptibilidad de tercer orden no lineal óptica Χ ⁽³⁾ interacciones en las microesferas de sílice triplemente resonantes se presenta en este documento. Las interacciones aquí reportados son: Estimulada dispersión Raman (SRS), y cuatro procesos de mezcla de ondas que comprenden estimulada anti-Stokes Raman Scattering (SARS).

Resumen

microesferas dieléctricos pueden confinar la luz y el sonido durante un espacio de tiempo a través del factor susurrando modos galería de alta calidad (WGM). microesferas de vidrio pueden ser considerados como reserva de energía con una gran variedad de aplicaciones: las fuentes de láser compacto, sensores bioquímicos altamente sensibles y fenómenos no lineales. se da un protocolo para la fabricación tanto de las microesferas y sistema de acoplamiento. Los acopladores descritos aquí son fibras cónicas. Generación eficiente de los fenómenos no lineales relacionados con la susceptibilidad de tercer orden no lineal óptica Χ ⁽³⁾ interacciones en las microesferas de sílice triplemente resonantes se presenta en este documento. Las interacciones aquí reportados son: Estimulada dispersión Raman (SRS), y cuatro procesos de mezcla de ondas que comprenden estimulada anti-Stokes Raman Scattering (SARS). Una prueba de la cavidad fenómeno mejorada está dada por la falta de correlación entre la bomba, de la señal y idler: un modo de resonancia tiene que existir a fin de obtener el parde la señal y la rueda loca. En el caso de oscilaciones hyperparametric (mezcla de cuatro ondas y estimulado anti-Stokes Raman de dispersión), los modos deben cumplir con la conservación de la energía y el momento y, por último pero no menos importante, tener una buena superposición espacial.

Introducción

Susurrando resonadores modo de galería (WGMR) muestran dos propiedades únicas de toda la vida, un fotón de longitud y de pequeño volumen modo que permitan la reducción del umbral de los fenómenos no lineales ^1-3. Susurrando galería modos son modos ópticos que están limitados en la interfase aire dieléctrica por la reflexión interna total. El volumen pequeño modo es debido a la alta confinamiento espacial mientras que el confinamiento temporal está relacionado con el factor de calidad Q de la cavidad. WGMR puede tener diferentes geometrías y hay diferentes técnicas de fabricación adecuadas para la obtención de altos resonadores Q ^4-6 cavidades tensión superficial tales como microesferas de sílice exhiben cerca de rugosidad escala atómica, lo que se traduce en altos factores de calidad. Ambos tipos de confinamiento reducen significativamente el umbral de efectos no lineales debido a la fuerte acumulación de energía dentro de la WGMR. También permite a los continuos óptica no lineal de ondas (CW).

WGMR puede ser descrito usando THe números cuánticos n, l, m y su estado de polarización, de una fuerte analogía con el átomo de hidrógeno ^7. La simetría esférica permite la separación radial y en las dependencias angulares. La solución radial está dada por las funciones de Bessel, los angulares de los armónicos esféricos ^8.

Vidrio de sílice es centrosymmetric y, por lo tanto, están prohibidos los fenómenos de segundo orden relacionadas con Χ ⁽²⁾ interacciones. En la superficie de la microesfera, la inversión de la simetría se rompe y Χ ⁽²⁾ se puede observar fenómenos ^1. Sin embargo, las condiciones de adaptación de fase para la generación de frecuencia de segundo orden son más problemáticos que el equivalente en tercera generación de la frecuencia de compra, sobre todo porque las longitudes de onda implicadas son bastante diferentes y la función de dispersión pueden ser bastante importante. El segundo interacciones de orden son extremadamente débiles. Las escalas de la energía generada con Q ^3, mientras ^que para un thiPara rd interacción de las escalas de la energía generada con Q ^{4. 9} Por esta razón, el objetivo de este trabajo es de tercer orden óptica susceptibilidad no lineal Χ ⁽³⁾ interacciones tales como estimulada de Raman Scattering (SRS) y se estimularon Antistokes Raman Scattering (SARS) , siendo el SARS la interacción menos explorado ^10,11. Chang ¹² y ^{13 de} Campillo fue pionero en el estudio de los fenómenos no lineales utilizando gotas de materiales no lineales como WGMR pero el láser de bombeo se pulsó en lugar de CW. Microesferas de sílice ^14,10 y ¹⁵ microtoroids instalarán plataformas más estables y robustos en comparación con las microgotas, ganando gran parte de la atención en las últimas décadas. En particular, las microesferas de sílice son muy fáciles de fabricar y manejar.

SRS es un proceso ganancia pura que se puede lograr fácilmente en WGMR sílice ^14,15, ya que alcanzar un umbral es suficiente. En este caso, el alto circulating de intensidad dentro de la WGMR garantiza Raman de acción láser, pero para oscilaciones paramétricas no es suficiente. En estos casos, las oscilaciones eficientes requieren fase y modo correspondiente, la energía y la ley de conservación del momento y una buena superposición espacial de todos modos resonantes que deben cumplirse ^16-18. Este es el caso de SARS y FWM en general.

Protocolo

1. La fabricación de ultra alta Factor de microesferas de calidad

1. Franja de unos 1-2 cm de una fibra estándar monomodo (SMF) de sílice fuera de su recubrimiento acrílico usando un separador óptico.
2. Limpiar la parte pelada con acetona y se unirá él.
3. Introducir la punta escindido en un brazo de un empalmador de fusión y producir una serie de descargas de arco eléctrico utilizando el controlador de empalme. Seleccionar "modo manual" en el menú del controlador de empalme, establecer los valores para el nivel de potencia de arco y arco duración de 60 ms y 800, respectivamente; seleccione "arco" y empuje la parte inferior "+".
4. Una vez que una esfera está tomando forma, detener, hacer girar la fibra de 90 ° y repita el paso 1.3.
5. Repita el paso 1.3 al menos 4 veces para obtener una microesfera de aproximadamente 160 micras. Repetir 16 veces para obtener una microesfera de aproximadamente 260 micras.
   Nota: Las descargas de arco eléctricos producirán la elevada temperatura de fusión necesaria para fundir el vidrio de sílice. la superfie Tensión dibujará un esferoide de la punta de la fibra apaciguado; el tamaño de las esferas es directamente proporcional al número de disparos de arco, saturando en un diámetro de aproximadamente 350 micras, como se puede ver en la Figura 1 ^19. La rotación asegura una forma esférica del resonador.

2. Dibujo de un Fibra cónicos

Nota: también se necesita La fibra cónica para acoplar la luz en los microresonators. El tamaño de la microesfera determinará la cintura de la conicidad. Para diámetros de esfera mayor que 125 m, el diámetro del cono puede ser de aproximadamente 3-4 micras. Para los más pequeños, el diámetro de la conicidad debe ser más pequeño, por ejemplo 1 a 2 m. Con el fin de mantener las pérdidas en el nivel bajo y tener un solo modo en la sección cónica (la fundamental), el estrechamiento tiene que ser adiabática (transición gradual del grosor de diámetro fino). La longitud total típico de la sección cónica adiabático es de unos 2 cm. Figure 2 muestra el dispositivo de fabricación casera para tirar de la fibra y la Figura 3A muestra una microfotografía de una zona de cintura típico.

1. Strip 3-4 cm de una fibra de sílice estándar monomodo (SMF) de su recubrimiento acrílico usando un separador óptico, y conectar la fibra termina a un láser (entrada) y un medidor de potencia (salida). Asegúrese de que la zona de pelado es aproximadamente en el centro de la fibra, no en un extremo. Utilice un terminador de fibra desnuda con el fin de ser capaz de conectar la fibra termina al láser y la potencia metros. Coloque el láser y el medidor de potencia en la parte superior de la mesa de trabajo.
2. Coloque la fibra despojado dentro de un cilindro corta de alúmina, y los extremos recubiertos de la fibra en dos etapas de traducción que accionan simultáneamente durante el proceso de tracción.
3. Calentar el cilindro de alúmina (que actúa como un horno) por una llama de oxígeno-butano hasta una temperatura cerca de un punto de fusión de la sílice (alrededor de 2100 ° C).
4. Inferir la adiabaticidad de la forma cónica de la OBSErvación de la transmisión de una luz de láser que opera a 635 nm. Compruebe que en la salida de una mancha circular homogénea se conserva mientras se disminuía, lo que indica que no se produce el modo de codificación. Deje de tirar y retirar la llama cuando la potencia transmitida se detiene oscilante, y es constante en el tiempo.
5. Pegar la fibra cónica en un portaobjetos de vidrio de microscopio en forma en forma de U para acomodar el cono (Ver Figura 3B). Utilice un portaobjetos de vidrio de microscopio de las dimensiones 76x26x1.2 mm.

3. La fabricación de pequeñas microesferas

Nota: Las pequeñas microesferas con diámetros por debajo del tamaño de una fibra estándar revestido requieren estrechamiento anterior de la fibra. El diámetro mínimo obtenido con este método es de aproximadamente 25 micras.

1. En la sección 2 siguiente, dibuje una fibra cónica, tirando hasta que se rompa.
2. Siga todos los pasos de la sección 1 (fabricación de microesferas UHQ) pero en el paso 1.3, modificar los valores de la co empalmadorntroller de la siguiente manera: potencia de arco 20, duración del arco 1.200 ms.

4. Luz de acoplamiento en la microesfera

Nota: Utilizamos el cono de luz pareja en la microesfera y medimos las resonancias del microrresonador.

1. 4.1. Preparar un soporte / aluminio PVC en forma de T con un canal en el medio. Fijar el vástago de la fibra residual de la microesfera con un pedazo de magia scotch o cinta adhesiva de papel en el soporte. Fijar el soporte con dos tornillos en una etapa de traducción con actuadores piezoeléctricos y una resolución de posicionamiento de 20 nm.
2. Fijar la conicidad pegado a la lámina de vidrio en otra etapa de traducción con el plano de deslizamiento posicionado perpendicular al vástago de la fibra de las microesferas. Empalmar los extremos de la forma cónica de los cables de fibra terminados. Conectar un extremo al láser de diodo sintonizable y el otro a un detector de fotodiodo de InGaAs.
3. Use un tubo de microscopio con distancia de trabajo larga (> 20 mm) para coNTROL la brecha entre el cono y la microesfera. Con el fin de supervisar el sistema en la otra dirección lugar un espejo a 45 ° con respecto a la dirección del tubo de manera que la posición de la conicidad con respecto al ecuador de la microesfera puede ser controlada.
   1. Coloque el ecuador de la microesfera en contacto con la fibra cónico.
4. Encienda el láser y comprobar el espectro de transmisión del sistema de microesferas-Reducción en un osciloscopio.
   1. Sintonizar el láser de onda continua operando a 1.550 nm hasta que aparecen resonancias. Las resonancias pueden ser identificados como de Lorentz en forma de depresiones en el espectro.
5. Medir la anchura de línea de resonancia (llena la mitad del máximo ancho de la inmersión en forma de Lorentz). Se calcula el factor Q como la frecuencia de la bomba dividida por la anchura de línea de resonancia.
6. Reducir / aumentar la diferencia entre la esfera y la conicidad, el cambio tanto en anchura y profundidad de resonancia para aumentar / disminuir la eficacia de acoplamiento.

5. Estimulada Raman Scattering

1. Insertar un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) entre el láser CW que opera a 1550 nm y el atenuador. El EDFA funciona en el rango de longitud de onda de 1,530-1,570 nm. Nota: Esto aumentará la potencia del láser, alcanzando una potencia de salida máxima de 2 W. efectos no lineales necesitan altas potencias de entrada La figura 4 muestra un esquema del montaje experimental..
2. Conecte un extremo del cono con cables de fibra terminados a un divisor de 3 dBm. Conectar una de las fibras de salida del divisor al analizador de espectro óptico y el otro a un fotodetector que está conectado al osciloscopio.
3. Tune el láser de alta a bajas frecuencias hasta una resonancia con una deriva térmica comparable a la velocidad de exploración de longitud de onda del láser se encuentra. Cuando se consigue la térmica ²⁰ autoblocante una ampliación de la resonancia se puede ver en el osciloscopio.
4. Compruebe la potencia de salida transmitida a través de la puesta a puntoen un analizador de espectro óptico. Aumentar la potencia hasta que aparezca la línea de láser Raman. Se desafinada de la longitud de onda de la bomba a aproximadamente 13,5 THz.

Resultados

Los factores Q de las microesferas fabricadas siguiendo el protocolo descrito anteriormente son en exceso de 10 ⁸ (Figura 5) para diámetros grandes (> 200 m) y más de 10 ⁶ para diámetros pequeños (<50 micras). contraste de resonancia por encima de 95% (cerca de acoplamiento crítico) se puede observar fácilmente. Para altas intensidades de circulación, se pueden observar los siguientes efectos no lineales en la región del infrarrojo: la...

Discusión

Las microesferas son osciladores no lineales compactos y eficientes y que son muy fáciles de fabricar y manejar. fibras cónicos se pueden utilizar para el acoplamiento y la extracción de la luz en / desde el resonador. Contraste de resonancia de hasta 95% y factores Q de alrededor de 3 x 10 ⁸ pueden ser obtenidos.

La principal limitación de estas técnicas de fabricación es la producción y la integración de masas. Limpieza de las fibras es crítica tanto para microesferas y...

Materiales

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