Stimolata Stokes e Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery modalità risonatori

Riepilogo

Generazione efficiente di fenomeni non lineari relativi alla suscettibilità non lineare ottico terzo ordine Χ ⁽³⁾ interazioni in microsfere di silice triplamente risonanti è presentato in questo articolo. Le interazioni qui riportati sono: stimolata Raman Scattering (SRS), e quattro processi wave mixing composto stimolata Anti-Stokes Raman Scattering (SARS).

Abstract

microsfere dielettrici possono limitare luce e suono per un periodo di tempo attraverso il fattore sussurra di alta qualità modalità galleria (WGM). microsfere di vetro può essere pensato come riserva di energia, con una grande varietà di applicazioni: sorgenti laser compatto, sensori biochimici altamente sensibili e fenomeni non lineari. Un protocollo per la fabbricazione di entrambe le microsfere e sistema di accoppiamento è dato. Gli accoppiatori qui descritti sono fibre conici. Generazione efficiente di fenomeni non lineari relativi alla suscettibilità non lineare ottico terzo ordine Χ ⁽³⁾ interazioni in microsfere di silice triplamente risonanti è presentato in questo articolo. Le interazioni qui riportati sono: stimolata Raman Scattering (SRS), e quattro processi wave mixing composto stimolata Anti-Stokes Raman Scattering (SARS). Una prova del fenomeno cavità avanzata è data dalla mancanza di correlazione fra la pompa, di segnale e folle: un modo di risonanza deve esistere per ottenere la coppiadi segnale e di folle. Nel caso di oscillazioni hyperparametric (quattro onde e stimolato anti-Stokes Raman scattering), le modalità devono soddisfare la conservazione dell'energia e del momento e, ultimo ma non meno importante, avere una buona sovrapposizione spaziale.

Introduzione

Whispering risonatori modalità galleria (WGMR) mostrano due proprietà uniche, una lunga durata e volume fotone modalità di piccole dimensioni che consentono la riduzione della soglia di fenomeni non lineari ^1-3. Whispering modalità galleria sono i modi ottici che si limitano all'interfaccia aria dielettrico per riflessione interna totale. Il volume modalità piccola è dovuta alla elevata confinamento spaziale che il confinamento temporale è correlata al fattore di qualità Q della cavità. WGMR può avere diverse geometrie e ci sono diverse tecniche di fabbricazione adatti per l'ottenimento di elevati risonatori Q ^4-6 cavità Tensione superficiale come ad esempio microsfere di silice mostra vicino rugosità scala atomica, che si traduce in fattori di alta qualità. Entrambi i tipi di confinamento riducono significativamente la soglia per effetti non lineari dovuti al forte accumulo di energia all'interno del WGMR. Permette anche Continuous Wave (CW) ottica non lineare.

WGMR può essere descritto utilizzando esimoe numeri quantici n, l, m ed il loro stato di polarizzazione, di una forte analogia con l'atomo di idrogeno ^7. La simmetria sferica permette la separazione in senso radiale e dipendenze angolari. La soluzione radiale è data da funzioni di Bessel, quelli angolari dalle armoniche sferiche ^8.

Vetro di silice è centrosimmetriche e, di conseguenza, secondo i fenomeni di ordine legate alla Χ ⁽²⁾ le interazioni sono vietati. Alla superficie della microsfera, l'inversione di simmetria è rotta e Χ ⁽²⁾ fenomeni può osservare ^1. Tuttavia, le condizioni di accordo di fase per la generazione di frequenza secondo ordine sono più problematiche rispetto all'equivalente in terza generazione di frequenza dell'ordine, soprattutto perché le lunghezze d'onda coinvolte sono molto diverse e il ruolo della dispersione può essere molto importante. Il secondo ordine interazioni sono estremamente deboli. Le scale di potenza generati con Q ^3, mentre per un Third ordine interazione scale potenza generata con Q ^{4. 9} Per questo motivo, il focus di questo lavoro è terzo ordine suscettibilità non lineare ottico Χ ⁽³⁾ interazioni, come stimolata Raman Scattering (SRS) e stimolato Antistokes Raman Scattering (SARS) , essendo la SARS l'interazione meno esplorati ^10,11. Chang ¹² e Campillo ¹³ pionieri degli studi di fenomeni non lineari utilizzando gocce di materiali altamente non lineari come WGMR ma il laser pompa è stata pulsava invece di CW. Microsfere di silice ^14,10 e microtoroids ¹⁵ apposite piattaforme più stabili e robusti rispetto alle micro-goccioline, guadagnando gran parte dell'attenzione negli ultimi decenni. In particolare, microsfere di silice sono molto facili da fabbricare e maneggiare.

SRS è un processo di guadagno puro che può essere realizzato facilmente in WGMR silice ^14,15, dal raggiungimento di una soglia è sufficiente. In questo caso, l'elevato circulating intensità all'interno WGMR garantisce Raman lasing, ma per oscillazioni parametriche non è sufficiente. In questi casi, oscillazioni efficienti richiedono fase e corrispondente modalità, l'energia e la legge di conservazione del momento e una buona sovrapposizione spaziale di tutti i modi di risonanza da soddisfare ^16-18. Questo è il caso per la SARS e FWM in generale.

Protocollo

1. Realizzazione di Ultrahigh fattore di qualità microsfere

1. Striscia circa 1-2 cm di fibra di silice standard di monomodale (SMF) al largo delle sue rivestimento acrilico utilizzando una spogliarellista ottica.
2. Pulire la parte messa a nudo con acetone e fendere esso.
3. Introdurre la punta spaccati in un braccio di una giuntatrice a fusione e produrre una serie di scariche ad arco elettrico utilizzando il controller splicer. Selezionare "operazione manuale" dal menu di controllo splicer, impostare i valori per il livello di potenza ad arco e arco della durata di 60 e 800 msec, rispettivamente; selezionare "arco" e spingere il fondo "+".
4. Una volta che una sfera sta prendendo forma, smettere di ruotare la fibra di 90 ° e ripetere il punto 1.3.
5. Ripetere passaggio 1.3 almeno 4 volte per ottenere una microsfera di circa 160 micron. Ripetere 16 volte per ottenere una microsfera di circa 260 micron.
   Nota: Le scariche elettriche arco produrrà l'alta temperatura di fusione necessaria per fondere il vetro di silice. il surface tensione trarrà uno sferoide dalla punta della fibra addolcito; le dimensioni delle sfere è direttamente proporzionale al numero di colpi d'arco, saturando ad un diametro di circa 350 micron, come si può vedere in Figura 1 ^19. La rotazione assicura una forma sferica del risonatore.

2. Disegno di una fibra Tapered

Nota: è necessario anche La fibra rastremata per l'accoppiamento luce nelle microrisonatori. La dimensione della microsfera determinerà la vita del cono. Per diametri sfera maggiore di 125 micron, il diametro del cono può essere di circa 3-4 um. Per più piccoli, il diametro del cono dovrebbe essere più piccolo, dire 1-2 micron. Per mantenere le perdite a livello basso e di avere solo una modalità nella sezione rastremata (quello fondamentale), la rastremazione deve essere adiabatica (transizione graduale dalle spessore diametro sottile). La lunghezza totale tipica della sezione rastremata adiabatica è di circa 2 cm. Figure 2 mostra il dispositivo fatto in casa per tirare la fibra e la figura 3A mostra una microphoto di una tipica zona di vita.

1. Striscia 3-4 cm di una fibra di silice normale monomodale (SMF) off suo rivestimento acrilico utilizzando un estrattore ottica, e collegare la fibra termina ad un laser (input) e un misuratore di potenza (output). Assicurarsi che la zona spogliato è circa a metà della fibra, non ad una estremità. Utilizzare un terminatore fibra nuda per essere in grado di collegare la fibra termina al misuratore laser e di potenza. Posizionare il laser e il misuratore di potenza sulla parte superiore del banco di lavoro.
2. Posizionare la fibra spogliato all'interno di un cilindro corto allumina, e le estremità della fibra rivestiti in due fasi di traduzione che azionano simultaneamente durante il processo di trazione.
3. Riscaldare il cilindro allumina (che agisce come un forno) da una fiamma di ossigeno-butano fino ad una temperatura prossima ad un punto di fusione di silice (circa 2.100 ° C).
4. Dedurre la adiabaticity del cono dal observation della trasmissione di una luce laser operante a 635 nm. Verificare che in uscita un punto circolare omogenea è conservata mentre assottiglia, indicando che si verifica alcuna modalità scrambling. Smettere di tirare e ritirarsi fiamma quando la potenza trasmessa ferma oscillante, ed è costante nel tempo.
5. Incollare la fibra rastremata in un vetrino da microscopio sagomato a forma di U per accogliere il cono (vedere Figura 3B). Utilizzare un vetrino da microscopio delle dimensioni 76x26x1.2 mm.

3. Realizzazione di piccole microsfere

Nota: Le piccole microsfere con diametro di sotto delle dimensioni di una fibra normale rivestito richiedono precedente rastremazione della fibra. Il diametro minimo ottenuto con questo metodo è di circa 25 micron.

1. Seguendo la sezione 2, disegnare una fibra rastremata, tirando fino a che non si rompe.
2. Seguire tutte le fasi della sezione 1 (fabbricazione di microsfere UHQ), ma nella fase 1.3, modificare i valori in splicer controller come segue: potere ad arco 20, durata dell'arco 1.200 msec.

4. Giunto luce nella microsfera

Nota: Usiamo il cono di luce paio nella microsfera e misurare le risonanze del microrisonatore.

1. 4.1. Preparare un supporto / alluminio PVC a forma di T con un canale nel mezzo. Fissare la deriva in fibra residua del microsfere con un pezzo di magia adesivo o un nastro adesivo di carta nel supporto. Fissare il supporto con due viti in una fase di traduzione con attuatori piezoelettrici e una risoluzione di posizionamento di 20 nm.
2. Fissare la rastremazione incollato al vetrino in un'altra fase di traduzione con il piano scorrevole disposto perpendicolarmente allo stelo fibra microsfere. Splice le estremità del cono di cavi in ​​fibra terminati. Collegare un'estremità al diodo laser sintonizzabile e l'altra ad un rivelatore fotodiodo InGaAs.
3. Utilizzare un tubo microscopio con lunga distanza di lavoro (> 20 mm) per control il divario tra il cono e microsfere. Per monitorare il sistema in altro luogo direzione a specchio a 45 ° rispetto alla direzione di tubo in modo che la posizione del cono rispetto all'equatore della microsfera può essere controllato.
   1. Posizionare l'equatore della microsfera a contatto con la fibra rastremata.
4. Accendere il laser e controllare lo spettro di trasmissione del sistema di microsfere-cono in un oscilloscopio.
   1. Tune il laser CW operante a 1.550 nm fino all'apparizione di risonanze. Le risonanze possono essere identificati come Lorentzian forma tuffi nello spettro.
5. Misurare la larghezza di riga di risonanza (larghezza massima della metà del tuffo a forma Lorentziano). Calcolare il fattore Q come la frequenza della pompa divisa per la larghezza di riga di risonanza.
6. Ridurre / aumentare la distanza tra la sfera e il cono, cambiando sia in larghezza e profondità di risonanza per aumentare / diminuire l'efficienza di accoppiamento.

5. Stimolata Raman Scattering

1. Inserire un amplificatore in fibra drogata con Erbio (EDFA) tra il laser CW operante a 1.550 nm e l'attenuatore. L'EDFA funziona nella gamma di lunghezze d'onda di 1,530-1,570 nm. Nota: Questo aumenterà la potenza del laser, raggiungendo una potenza di uscita massima di 2 effetti non lineari W. bisogno di potenze di ingresso elevate figura 4 mostra uno schizzo del set-up sperimentale..
2. Collegare una estremità del cono con cavi in ​​fibra terminati a uno splitter 3 dBm. Collegare una delle fibre in uscita splitter per l'analizzatore di spettro ottico e l'altra ad un fotorilevatore che è collegato all'oscilloscopio.
3. Tune il laser da alta a basse frequenze fino a risonanza con una deriva termica paragonabile alla lunghezza d'onda velocità di scansione del laser è trovato. Una volta raggiunta la termica autobloccante ²⁰ un allargamento della risonanza può essere visto sul oscilloscopio.
4. Controllare la potenza trasmessa attraverso il conoin un analizzatore di spettro ottico. Aumentare la potenza fino a visualizzare la linea laser Raman. Esso viene intonata dalla lunghezza d'onda della pompa a circa 13,5 THz.

Risultati

I fattori Q delle microsfere fabbricati seguendo il protocollo di cui sopra è superiore a 10 ⁸ (Figura 5) per grandi diametri (> 200 micron) e superiore a 10 ⁶ per piccoli diametri (<50 micron). Resonance contrasto superiore a 95% (vicino a accoppiamento critico) può essere facilmente osservato. Per le alte intensità di circolazione, i seguenti effetti non lineari nella regione infrarossa può essere osservato: stimolate Raman (SRS), cascat...

Discussione

Le microsfere sono oscillatori non lineari compatti ed efficienti e sono molto facili da realizzare e gestire. fibre conici possono essere utilizzati per l'accoppiamento e l'estrazione della luce / dal risonatore. Resonance contrasto fino al 95% e fattori Q di circa 3 x 10 ⁸ possono essere ottenuti.

Il principale limite di queste tecniche di fabbricazione è la produzione di massa e di integrazione. Pulizia delle fibre è fondamentale per entrambe le microsfere e conicità...

Materiali

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