המאולץ סטוקס Antistokes פיזור ראמאן ב Microspherical Whispering גלרית מצב מההודים

Summary

הדור יעיל של תופעות לא לינאריות הקשורים הרגישות שאינו ליניארי אופטי מסדר שלישי Χ ⁽³⁾ אינטראקציות microspheres סיליקה התהודה פי שלוש מוצגת במאמר זה. האינטראקציות כאן המדווחות הן: מאולץ פיזור ראמאן (SRS), וארבעה תהליכי ערבוב גל כוללים מאולץ אנטי סטוקס פיזור ראמאן (SARS).

Abstract

microspheres דיאלקטרי יכול להגביל אור וקול למשך פרק זמן בין מצבי גלריה לוחש גורם באיכות גבוהה (WGM). microspheres זכוכית ניתן לחשוב כחנות של אנרגיה עם מגוון עצום של יישומים: מקורות ליזר קומפקטי, חיישנים ביוכימיים רגישות גבוהה ותופעות קויות. פרוטוקול עבור הייצור של שני microspheres ומערכת צימוד הוא נתון. המצמדים המתוארים כאן הם סיבים מחודדים. הדור יעיל של תופעות לא לינאריות הקשורים הרגישות שאינו ליניארי אופטי מסדר שלישי Χ ⁽³⁾ אינטראקציות microspheres סיליקה התהודה פי שלוש מוצגת במאמר זה. האינטראקציות כאן המדווחות הן: מאולץ פיזור ראמאן (SRS), וארבעה תהליכי ערבוב גל כוללים מאולץ אנטי סטוקס פיזור ראמאן (SARS). הוכחת התופעה משופרת החלל ניתנת על ידי מחוסר ההתאמה בין המשאבה, האות ו הבטלן: מצב תהודה צריך להתקיים על מנת להשיג את הזוגשל אות ו בטלן. במקרה של תנודות hyperparametric (ערבוב ארבעה גלים מגורה פיזור אנטי סטוקס ראמאן), המצבים חייב למלא את שימור אנרגיה ותנע, ואחרון אחרון חביב, יש חפיפה מרחבית טובה.

Introduction

תהודת מצב גלריה לוחשת (WGMR) להראות שתי תכונות ייחודיות, חי פוטון ארוכים נפח במצב קטן המאפשרות הפחתת סף התופעות קויות ^1-3. מצבי גלריה לוחשים הם מצבים אופטיים מתוחמים בממשק אוויר דיאלקטרי ידי ההשתקפות פנימית מוחלטת. היקף המצב הקטן בשל כליאת מרחבית הגבוהה ואילו הכליאה הזמנית קשורה Q גורמת איכות של החלל. WGMR יכול להיות גיאומטרי שונה ויש טכניקות ייצור שונות מתאימות לקבלת תהודת Q גבוהה ^4-6 חללי מתח פנים כגון תערוכת microspheres סיליקה ליד חספוס בקנה מידה אטומי, המתרגמת בגורמים באיכות גבוהות. שני סוגים של כליאה מקטינים את הסף משמעותי תופעות קויות כתוצאה מהצטברות האנרגיה החזקה בתוך WGMR. זה גם מאפשר גל מתמשך אופטיקה לא לינארית (CW).

WGMR ניתן לתאר באמצעות המספרי קוונטי דואר n, l, m ומדינת הקיטוב שלהם, אנלוגיה חזקה עם אטום המימן ^7. הסימטריה הכדורית מאפשרת הפרדה רדיאלי תלות זוויתית. הפתרון רדיאלי ניתן על ידי פונקציות Bessel, אלה זוויתי ידי הרמוניות ספריות ^8.

זכוכית סיליקה היא centrosymmetric, ולכן תופעות מסדר שני הקשורים Χ ⁽²⁾ אינטראקציות אסורות. על פני השטח של microsphere, ההיפוך של סימטריה שבורה Χ ⁽²⁾ תופעות ניתן לצפות ^1. עם זאת, תנאים התאמה שלב עבור דור תדירות מסדר שני הם בעייתיים יותר המקבילה בדור תדירות מסדר שלישי, בעיקר בגלל אורכי הגל המעורבים הם די שונים ואת תפקידיו של פיזור יכולים להיות די חשובים. האינטראקציות מהסדר שני חלשות מאוד. סולמות הכח שנוצרו עם Q ³ ואילו לגבי תיrd כדי אינטראקציה המאזניים הכוח שנוצר עם Q ^{4. 9} מסיבה זו, המוקד של עבודה זו היא הרגישות שאינו ליניארי אופטי מסדר שלישי Χ ⁽³⁾ אינטראקציות כגון מאולצת פיזור ראמאן (SRS) ועורר Antistokes פיזור ראמאן (SARS) , להיות סארס האינטראקציה פחות נחקרה ^10,11. צ'אנג ¹² ו Campillo ¹³ חלוץ המחקרים של תופעות לא לינאריות באמצעות טיפות של חומרים בלתי ליניארית כמו WGMR אבל ליזר המשאבה היה פעם במקום CW. Microspheres סיליקה ^14,10 ו microtoroids ¹⁵ ספקו יותר פלטפורמות יציבות וחזקות לעומת-טיפות מייקרו, צוברים הרבה תשומת הלב בעשורים האחרונים. במיוחד, microspheres סיליקה הוא מאוד קל לפברק להתמודד.

SRS הוא תהליך רווח טהור שיכול להיות מושגת בקלות סיליקה WGMR ^14,15, מאז לסף זה מספיק. במקרה זה, circulati הגבוההng עוצמת בתוך WGMR מבטיח lasing ראמאן, אבל עבור תנודות פרמטרית אינו מספיק. במקרים אלה, תנודות יעילות דורשות פאזה התאמתה מצב, אנרגיה בחוק שימור מומנטום חפיפת מרחבית טובה של כל מצבי התהודה להתגשם ^16-18. זהו המקרה עבור הסארס FWM בכלל.

Protocol

ייצור 1. פקטור ultrahigh של מיקרוסכמות איכות

1. להתפשט על 1-2 סנטימטר של סיבי סיליקה יחיד במצב רגיל (SMF) את הציפוי אקרילי שלה באמצעות חשפנית אופטית.
2. מנקה את החלק הפשיט עם אצטון ולהעיף אותו.
3. הצג את הקצה בקע בזרוע אחת של splicer פיוז'ן לייצר סדרה של פריקות קשת חשמליות באמצעות בקר splicer. בחר "הפעלה ידנית" מתפריט בקר splicer, להגדיר את הערכים עבור רמת כוח קשת קשת משך זמן עד msec 60 ו -800, בהתאמה; בחר "קשת" ולדחוף התחתון "+".
4. לאחר כדור יקרום עור וגידים, לעצור, לסובב את הסיבים על-ידי 90 ° וחזור על שלב 1.3.
5. חזור על שלב 1.3 לפחות 4 פעמים כדי לקבל microsphere של כ -160 מיקרומטר. חזור 16 פעמים כדי לקבל microsphere של כ 260 מיקרומטר.
   הערה: פריקות קשת חשמלי תפיק את טמפרטורת ההתכה הגבוהה הדרושות כדי למזג את זכוכית סיליקה. surfacמתח דואר ימשוך אליפטית מקצה הסיבים המפויס; בגודל של הספירות עומד ביחס ישר למספר יריות קשת, להרוות ב בקוטר של כ -350 מיקרומטר, כפי שניתן לראות באיור 1 ^19. הסיבוב מבטיח צורה כדורית של המהוד.

2. ציור סיבים Tapered

ההערה: הסיבים המחודדים גם דרושים צימוד אור לתוך microresonators. גודלו של microsphere יקבע את המותניים של להתחדד. לקטרים ​​כדור גדול מ -125 מיקרומטר, הקוטר של להתחדד יכול להיות של כ 3-4 מיקרומטר. עבור קטנים, הקוטר של להתחדד צריך להיות קטן, משהו כמו 1-2 מיקרומטר. על מנת לשמור על פסדים בגובה נמוך יש רק מצב אחד בקטע המחודד (אחד הבסיסי), היצרות צריך להיות adiabatic (מעבר הדרגתי עבה בקוטר דק). האורך הכולל הטיפוסי של הסעיף המחודד adiabatic הוא כ -2 סנטימטרים. Figuבתשובה לשאלה 2 מציגה את מכשיר תוצרת בית עבור משיכת הסיב איור 3A מראה microphoto של אזור המותניים טיפוסי.

1. רצועת 3-4 סנטימטר של סיבי סיליקה יחיד במצב רגיל (SMF) את הציפוי אקרילי שלה באמצעות חשפנית אופטית, ולחבר את הסיב מסתיים ליזר (קלט) ו מד כוח (פלט). הקפד כי האזור הפשיט הוא בערך באמצע של הסיבים, לא בקצה אחד. השתמש terminator סיבים חשופים כדי להיות מסוגל להתחבר הסיב מסתיים למונה לייזר וכוח. מניחים את הלייזר ואת מד הכוח על גבי הספסל עבודה.
2. מניח את הסיבים הפשיטו בתוך גליל אלומינה קצר, ואת הקצוות המצופים של הסיבים לשני שלבי תרגום כי להניע בו זמנית במהלך התהליך המשייך.
3. מחממים את גליל אלומינה (שפועל תנור) על ידי להבה חמצן-בוטאן עד לטמפרטורה קרובה לנקודת ההתכה של סיליקה (כ -2,100 מעלות צלזיוס).
4. להסיק את adiabaticity של להתחדד מן observation של העברת אור לייזר הפועלים 635 ננומטר. בדוק במוצא כתם עגול הומוגנית נשמר תוך מתחדדת, המציין כי אין מצב ערבול מתרחש. הפסק למשוך לפרוש את הלהבה כאשר הכוח המועבר מפסיק נדנוד, והוא קבוע לאורך זמן.
5. מדביק את הסיבים המחודדים לתוך שקופיות זכוכית מיקרוסקופ בצורה בצורת פרסה כדי להכיל את להתחדד (ראה איור 3B). השתמש שקופיות זכוכית מיקרוסקופ של ממדים 76x26x1.2 מ"מ.

3. ייצור של מיקרוסכמות קטנות

הערה: microspheres הקטן בקטרים ​​מתחת בגודל של סיבי תקן הלבושים דורש התחדדות קודמת של הסיבים. הקוטר המינימלי המתקבל באמצעות שיטה זו הוא כ -25 מיקרומטר.

1. על ידי ביצוע הסעיף 2, לצייר סיבים מחודדים, מושך עד שהוא פורץ.
2. בצע את כל השלבים של סעיף 1 (ייצור של microspheres UHQ) אבל בשלב 1.3, לשנות את הערכים על שיתוף splicerntroller כדלקמן: כוח קשת 20, משך קשת 1,200 msec.

4. אור זיווגים לתוך Microsphere

הערה: אנו משתמשים להתחדד לזוג אור לתוך microsphere ולמדוד את תהודות microresonator.

1. 4.1. כן בעל T בצורת PVC / אלומיניום עם ערוץ באמצע. תקן גזע סיבים שיורית של microsphere עם מעשה-כישוף." ויסקי או דבק נייר לתוך המחזק. קלאמפ בעל עם שני ברגים לתוך במת תרגום עם מפעילי פיזואלקטריים החלטת מיצוב של 20 ננומטר.
2. תקן את להתחדד מודבק לשקופית הזכוכית לתוך במת תרגום אחרת עם המטוס שקופית בניצב גזע סיבי microsphere. אחוי את הקצוות של הפתיל על כבלי סיבים הסתיימו. חבר קצה אחד של לייזר דיודה מתכונן והשני כדי גלאי פוטודיודה InGaAs.
3. השתמש צינור מיקרוסקופ עם מרחק עבודה ארוך (> 20 מ"מ) לשתףntrol הפער בין להתחדד ו microsphere. על מנת לפקח על המערכת במקום בכיוון ההפוך מראה על 45 מעלות ביחס לכיוון הצינור כך שהמיקום יחסית להתחדד לקו המשווה של microsphere ניתן לשלוט.
   1. מקם את הקו המשווה של microsphere במגע עם הסיבים המחודדים.
4. הפעל את הלייזר ולבדוק את ספקטרום שידור של מערכת microsphere-להתחדד ב אוסצילוסקופ.
   1. כוון את לייזר CW הפועלים 1,550 ננומטר עד תהודות להופיע. הרזוננסים ניתן לזהות הלורנצי בצורת מטבלים בספקטרום.
5. מדוד את linewidth התהודה (מקסימום חצי רוחב מטבל בצורה הלורנצי). חשב את גורם Q כתדר של המשאבה מחולק linewidth תהודה.
6. קטן / להגדיל את הפער בין התחום ואת להתחדד, שינוי הוא רוחב התהודה ועומק להגדלה / הפחתת יעילות הצימוד.

5. מאולץ פיזור ראמאן

1. הכנס מגבר סיב מסומם ארביום (EDFA) בין ליזר CW הפועל 1,550 ננומטר ואת המחליש. EDFA עובד בטווח אורכי הגל של 1,530-1,570 ננומטר. הערה: זה יהיה להגביר את כוח הליזר, והגיע כוח תפוקה מקסימלית של 2 תופעות וו קויות צריכים כוחות קלט גבוהים איור 4 מראה סקיצה של ניסוי ההגדרה..
2. חבר קצה אחד של להתחדד עם כבלי סיבים פעולתו כדי מפצל 3 dBm. חבר אחד הסיבים פלט ספליטר מנתח הספקטרום האופטי והשנייה לגלאי צילום מחובר האוסילוסקופ.
3. Tune הלייזר מהגבוה תדרים נמוכים עד תהודה עם סחיפה תרמית דומה למהירות הגל סריקה של הלייזר מצוי. כאשר התרמית עצמית נעילה ²⁰ מושגת רחבה של התהודה ניתן לראות על אוסצילוסקופ.
4. בדוק את הספק המוצא המועבר דרך להתחדדלתוך מנתח ספקטרום אופטי. להגדיל את הכוח עד קו לייזר ראמאן מופיע. הוא detuned מן גל המשאבה בסביבות 13.5 THz.

תוצאות

גורמי Q של microspheres מפוברקים בעקבות הפרוטוקול שתואר לעיל הם העולה על 10 ⁸ (איור 5) עבור בקטרים ​​גדולים (> 200 מיקרומטר) ואת עולה על 10 ⁶ לקטרים ​​קטנים (<50 מיקרומטר). בניגוד תהודה מעל 95% (קרוב צימוד קריטי) ניתן להבחין בקלות. לקבלת עוצמ?...

Discussion

מיקרוסכמות הן מתנדים קויים קומפקטיים ויעילים והם מאוד קלים לפברק להתמודד. סיבי Tapered יכולים לשמש צימוד ומחלץ את האור / מן המהוד. בניגוד תהודה עד 95% וגורמים Q של כ -3 x 10 ⁸ ניתן להשיג.

המגבלה העיקרית של טכניקות ייצור אלה היא ייצור ה...

Materials

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