Stimulé Stokes et antistokes Raman Scattering dans microsphériques Galerie Whispering mode Resonators

Résumé

Production efficace des phénomènes non linéaires liés à la troisième ordre optique susceptibilité non linéaire Χ ⁽³⁾ les interactions dans les microsphères de silice triple résonance est présenté dans le présent document. Les interactions ici rapportés sont: diffusion Raman stimulée (SRS), et quatre processus d'onde de mélange comprenant Stimulé Anti-stokes Raman Scattering (SRAS).

Résumé

microsphères diélectriques peuvent confiner la lumière et du son pour une longueur de temps par facteur modes de galerie de haute qualité (WGM). microsphères de verre peuvent être considérés comme un magasin d'énergie avec une grande variété d'applications: sources laser compact, des capteurs biochimiques très sensibles et les phénomènes non linéaires. Un protocole pour la fabrication à la fois des microsphères et le système de couplage est donné. Les coupleurs décrits ici sont des fibres coniques. Production efficace des phénomènes non linéaires liés à la troisième ordre optique susceptibilité non linéaire Χ ⁽³⁾ les interactions dans les microsphères de silice triple résonance est présenté dans le présent document. Les interactions ici rapportés sont: diffusion Raman stimulée (SRS), et quatre processus d'onde de mélange comprenant Stimulé Anti-stokes Raman Scattering (SRAS). Une preuve du phénomène de la cavité renforcée est donnée par l'absence de corrélation entre la pompe, signal et oisif: un mode de résonance doit exister afin d'obtenir la pairedu signal et oisif. Dans le cas d'oscillations hyperparametric (mélange à quatre ondes et stimulé anti-stokes diffusion Raman), les modes doivent remplir la conservation de l'énergie et de l'élan et, last but not least, un bon chevauchement spatial.

Introduction

Whispering résonateurs en mode galerie (WGMR) montrent deux propriétés uniques, une longue durée de vie des photons et un petit volume de mode qui permettent la réduction du seuil des phénomènes non linéaires ^1-3. Whispering modes de galerie sont des modes optiques qui sont confinés à l'interface de l'air diélectrique par réflexion interne totale. Le petit volume de mode est due au confinement spatiale élevée alors que le confinement temporel est lié au facteur de qualité Q de la cavité. WGMR peut avoir des géométries différentes et il existe différentes techniques de fabrication appropriées pour obtenir résonateurs haute Q ^4-6 cavités de tension de surface telles que les microsphères de silice présentent près atomique rugosité de l' échelle, ce qui se traduit par des facteurs de qualité. Les deux types de confinement réduisent considérablement le seuil pour les effets non linéaires en raison de l'accumulation d'énergie forte à l'intérieur du WGMR. Elle permet également continues vague (CW) optique non linéaire.

WGMR peut être décrit en utilisant ee nombres quantiques n, l, m et leur état ​​de polarisation, une forte analogie avec l'atome d'hydrogène ^7. La symétrie sphérique permet la séparation dans le sens radial et les dépendances angulaires. La solution radiale est donnée par les fonctions de Bessel, les angulaires par les harmoniques sphériques ^8.

Verre de silice est centrosymétrique et, par conséquent, deuxième phénomènes d'ordre liés à Χ ⁽²⁾ les interactions sont interdits. A la surface de la microsphère, l'inversion de la symétrie est rompue et Χ ⁽²⁾ , on peut observer des phénomènes ^1. Cependant, les conditions d'adaptation de phase pour second ordre génération de fréquence sont plus problématiques que l'équivalent en troisième génération de fréquences de l'ordre, en particulier parce que les longueurs d'onde en jeu sont très différents et le rôle de la dispersion peut être assez importante. Les deuxièmes interactions d'ordre sont extrêmement faibles. Les échelles de puissance générées avec Q ³ , tandis que pour un third pour l' interaction des échelles de puissance générées avec Q ^{4. 9} Pour cette raison, l'objectif de ce travail est le troisième ordre optique susceptibilité non linéaire Χ ⁽³⁾ interactions tels que diffusion Raman stimulée (SRS) et Stimulé antistokes Raman Scattering (SRAS) , étant le SRAS interaction moins explorée ^10,11. Chang ¹² et Campillo ¹³ pionnier des études de phénomènes non linéaires utilisant des gouttelettes de matériaux fortement non linéaires comme WGMR mais le laser de pompe a été puisée au lieu de CW. Microsphères de silice ^14,10 et microtoroids ¹⁵ fourni des plates - formes plus stables et robustes par rapport aux micro-gouttelettes, gagnant beaucoup d'attention au cours des dernières décennies. En particulier, les microsphères de silice sont très faciles à fabriquer et à manipuler.

SRS est un processus de gain pur qui peut être facilement atteint en silice WGMR ^14,15, après avoir atteint un seuil suffisant. Dans ce cas, la haute circulatiintensité à l'intérieur du WGMR ng garantit Raman lasing, mais pour des oscillations paramétriques ne suffit pas. Dans ces cas, les oscillations efficaces nécessitent phase et adaptation de mode, l' énergie et la loi de conservation de l' impulsion et un bon chevauchement spatial de tous les modes de résonance à remplir ^16-18. Tel est le cas pour le SRAS et FWM en général.

Protocole

1. Fabrication de ultrahaute Facteur de microsphères qualité

1. Strip environ 1-2 cm d'un seul mode (SMF) fibre de silice norme hors de son revêtement acrylique à l'aide d'un décapant optique.
2. Nettoyer la partie dénudée avec de l'acétone et de cliver.
3. Introduire la pointe clivé dans un bras d'une colleuse de fusion et de produire une série de décharges électriques à arc à l'aide du contrôleur de colleuse. Sélectionnez "mode manuel" dans le menu du contrôleur colleuse, définissez les valeurs pour le niveau de puissance à l'arc et l'arc de la durée à 60 et 800 msec, respectivement; sélectionnez "arc" et poussez le bas "+".
4. Une fois une sphère prend forme, arrêter, tourner la fibre de 90 ° et répéter l'étape 1.3.
5. Répétez l'étape 1.3 au moins 4 fois pour obtenir une microsphère d'environ 160 um. Répéter 16 fois pour obtenir une microsphère d'environ 260 um.
   Remarque: Les décharges d'arc électrique va produire la température de fusion élevée nécessaire pour fondre le verre de silice. La surface tension tirera un sphéroïde de la pointe de la fibre adoucies; la taille des sphères est directement proportionnelle au nombre de coups d'arc, saturant à un diamètre d'environ 350 um, comme on peut le voir sur la figure 1 ^19. La rotation assure une forme sphérique du résonateur.

2. Dessin d'une fibre Tapered

Remarque: La fibre conique est également nécessaire pour coupler la lumière dans les Microrésonateurs. La taille de la microsphère déterminera la taille du cône. Pour un diamètre de sphère supérieure à 125 um, le diamètre du cône peut être d'environ 3-4 um. Pour les plus petits, le diamètre du cône doit être plus petite, disons 1-2 um. Afin de maintenir les pertes à un niveau bas et d'avoir un seul mode dans la section conique (le fondamental), le rétrécissement doit être adiabatique (transition progressive de l'épaisseur à faible diamètre). La longueur totale typique de la section conique adiabatique est d' environ 2 cm. Figure 2 montre le dispositif fait maison pour tirer la fibre et la figure 3A montre un MicroPhoto d'une zone de la taille typique.

1. Strip 3-4 cm d'un seul mode (SMF) fibre de silice norme hors de son revêtement acrylique à l'aide d'un décapant optique, et connecter les extrémités des fibres à un laser (entrée) et un mesureur de puissance (sortie). Assurez-vous que la zone dénudée est à peu près au milieu de la fibre, et non pas à une extrémité. Utiliser un agent de terminaison de fibre nue afin de pouvoir relier les extrémités des fibres à l'appareil de mesure au laser et la puissance. Placez le laser et le compteur de puissance au-dessus de la table de travail.
2. Placer la fibre dénudée à l'intérieur d'un cylindre court d'alumine, et dont les extrémités revêtues de la fibre en deux étapes de traduction qui actionnent en même temps pendant le processus de tirage.
3. Chauffer le cylindre d'alumine (qui agit comme un four) par une flamme oxygène-butane jusqu'à une température proche d'un point de fusion de la silice (environ 2.100 ° C).
4. Déduire le adiabaticité du cône de l'observation de la transmission d'une lumière laser fonctionnant à 635 nm. Assurez-vous que à la sortie une tache circulaire homogène est préservée tout en se rétrécissant, ce qui indique qu'aucun mode de brouillage se produit. Arrêtez de tirer et de se retirer de la flamme lorsque la puissance transmise cesse oscillant, et est constante au fil du temps.
5. Coller la fibre conique dans une lame de verre de microscope en forme sous la forme d'un U pour recevoir le cône (voir la figure 3B). Utilisez une lame de verre de microscope de dimensions 76x26x1.2 mm.

3. Fabrication des petites microsphères

Nota: Les petites microsphères ayant des diamètres inférieurs à la taille d'une fibre standard revêtu requièrent effilement préalable de la fibre. Le diamètre minimum obtenu à l'aide de cette méthode est d'environ 25 um.

1. En suivant l'article 2, dessiner une fibre conique, tirant jusqu'à ce qu'il casse.
2. Suivez toutes les étapes de la section 1 (fabrication de microsphères de UHQ), mais à l'étape 1.3, modifier les valeurs de la co colleusentroller comme suit: puissance arc 20, la durée de l'arc 1200 msec.

4. Couplage de la lumière dans la microsphère

Note: Nous utilisons le cône pour coupler la lumière dans la microsphère et de mesurer les résonances du microrésonateur.

1. 4.1. Préparer un support en aluminium / PVC en forme de T avec un canal au milieu. Fixer la tige de fibres résiduelles de la microsphère avec un morceau de la magie de scotch ou de ruban adhésif de papier dans le support. Fixer le support avec deux vis dans un étage de translation avec des actionneurs piézoélectriques et une résolution de 20 nm de positionnement.
2. Fixer le cône collé à la lame de verre dans un autre étage de translation avec le plan de glissement positionné perpendiculairement à la tige en fibre de microsphère. Splice les extrémités du cône aux câbles à fibres terminés. Connecter une extrémité à la diode laser accordable et l'autre à un détecteur à photodiode en InGaAs.
3. Utiliser un tube de microscope avec une longue distance de travail (> 20 mm) pour control l'écart entre le cône et microsphère. Afin de surveiller le système à l'autre endroit dans la direction d'un miroir à 45 ° par rapport à la direction du tube, de sorte que la position du cône par rapport à l'équateur de la microsphère peut être contrôlée.
   1. Positionner l'équateur de la microsphère au contact de la fibre effilée.
4. Allumez le laser et vérifier le spectre du système microsphère-cône transmission dans un oscilloscope.
   1. Réglez le laser CW fonctionnant à 1,550 nm jusqu'à résonances apparaissent. Les résonances peuvent être identifiés comme Lorentzienne en forme de creux dans le spectre.
5. Mesurer la largeur de raie de résonance (à moitié plein de largeur maximale du creux en forme de Lorentzienne). Calculer le facteur Q à la fréquence de la pompe, divisée par la largeur de raie de résonance.
6. Réduire / augmenter l'écart entre la sphère et le cône, changeant à la fois la largeur de résonance et de la profondeur pour augmenter / diminuer l'efficacité du couplage.

5. Diffusion Raman stimulée

1. Insérer un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) entre le laser CW fonctionnant à 1 550 nm et l'atténuateur. Le EDFA fonctionne dans la gamme de longueur d'onde de 1,530-1,570 nm. Note: Ceci permet d' accroître la puissance du laser, pour atteindre une puissance de sortie maximale de 2 effets W. Nonlinear besoin de fortes puissances d'entrée La figure 4 montre un croquis de l'expérimental..
2. Branchez une extrémité du cône avec des câbles de fibre terminés à un séparateur 3 dBm. Relier l'une des fibres de sortie du répartiteur à l'analyseur de spectre optique et l'autre à un détecteur photoélectrique qui est relié à l'oscilloscope.
3. Réglez le laser de haute à basses fréquences jusqu'à ce qu'une résonance avec une dérive thermique comparable à la longueur d'onde la vitesse de balayage du laser se trouve. Lorsque le thermique ²⁰ autobloquant est réalisé un élargissement de la résonance peut être vu sur l'oscilloscope.
4. Vérifiez la puissance de sortie transmise à travers le cônedans un analyseur de spectre optique. Augmenter la puissance jusqu'à ce que la ligne laser Raman apparaît. Il est désaccordée de la longueur d'onde de la pompe à environ 13.5 THz.

Résultats

Les facteurs Q des microsphères fabriquées suivant le protocole décrit ci - dessus est supérieure à 10 ⁸ (figure 5) pour les grands diamètres (> 200 um) et plus de 10 ⁶ pour les petits diamètres (<50 pm). Resonance contraste supérieur à 95% (près de couplage critique) peut être facilement observée. Pour des intensités de circulation élevées, les effets non linéaires suivants dans la région infrarouge peuvent être observées: ...

Discussion

Les microsphères sont des oscillateurs non linéaires compacts et efficaces et ils sont très faciles à fabriquer et à manipuler. les fibres effilées peuvent être utilisés pour le couplage et extraction de la lumière dans le / du résonateur. Résonance contraste allant jusqu'à 95% et les facteurs Q d'environ 3 x 10 ⁸ peuvent être obtenus.

La principale limitation de ces techniques de fabrication est la production et l'intégration de masse. Propreté des fibr...

matériels

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