Mikrosferik Whispering Galeri Modu Rezonatörler içinde Uyarılmış Stokes ve Antistokes Raman saçılması

Özet

Üçüncü dereceden optik doğrusal olmayan duyarlılık ile ilgili doğrusal olmayan olayların etkili nesil Χ ⁽³⁾ triply rezonans silis mikrosferlerdeki etkileşimler bu yazıda sunulmuştur. bildirilen burada etkileşimler şunlardır: Uyarılmış Raman saçılması (SRS) ve Uyarılmış Anti-Stokes Raman Saçılma (SARS) içeren dört dalga karıştırma işlemleri.

Özet

Dielektrik mikroküreler yüksek kalite faktörü fısıldayan galeri modları arasında belirli bir süre (WGM) için ışık ve ses sınırlandırmak olabilir. kompakt lazer kaynakları, son derece hassas biyokimyasal sensörler ve doğrusal olmayan fenomenler: cam mikro uygulamalar büyük bir çeşitlilik ile bir enerji deposu olarak düşünülebilir. mikrosferler ve bağlantı sisteminin, hem imalatı için bir protokol verilmektedir. Burada anlatılan kuplörler konik lifler bulunmaktadır. Üçüncü dereceden optik doğrusal olmayan duyarlılık ile ilgili doğrusal olmayan olayların etkili nesil Χ ⁽³⁾ triply rezonans silis mikrosferlerdeki etkileşimler bu yazıda sunulmuştur. bildirilen burada etkileşimler şunlardır: Uyarılmış Raman saçılması (SRS) ve Uyarılmış Anti-Stokes Raman Saçılma (SARS) içeren dört dalga karıştırma işlemleri. boşluğu geliştirilmiş olgusunun bir dayanıklı pompa, sinyal ve avara arasındaki korelasyonun olmaması ile elde edilir: bir rezonant mod çifti elde etmek için ana kadar zorundadırsinyal ve avara. hyperparametric salınımlarının durumunda (dört dalga karıştırma ve uyarılmış anti-Stokes Raman saçılması) ise, modlar, enerji ve momentum korunumu yerine getirmek ve son ama en az değil, iyi bir mekansal örtüşme olmalıdır.

Giriş

Fısıldayan galeri modu rezonatörler (WGMR) doğrusal olmayan fenomenler ^1-3 eşik azalma sağlayan iki benzersiz özellikleri, uzun bir foton ömrü ve küçük mod hacmi göstermektedir. Fısıldayan galeri modları toplam iç yansıma yoluyla dielektrik hava arayüzü sınırlıdır optik modları vardır. zamansal hapsi boşluğunun kalite faktörü Q ile ilgilidir, oysa küçük mod hacmi yüksek uzaysal hapsi kaynaklanmaktadır. WGMR farklı geometrilere sahip olabilir ve yüksek Q Resonators böyle kaliteli faktörlerinin çevirir atomik ölçekli pürüzlülük yakın silis mikroküreler sergi olarak ^4-6 Yüzey gerilimi boşlukları elde etmek için uygun farklı üretim teknikleri vardır. doğumdan her iki tip önemli ölçüde bağlı WGMR içinde güçlü bir enerji birikimine doğrusal olmayan etkiler için eşik azaltır. Aynı zamanda sürekli dalga (CW) doğrusal olmayan optik sağlar.

WGMR th kullanılarak tanımlanabilirhidrojen atomu ⁷ ile güçlü benzer e kuantum N, L, m ve polarizasyon durumu. küresel simetri radyal ve açısal bağımlılıkları ayrılmasını sağlar. Radyal çözüm Bessel fonksiyonlarının, küresel harmonikler ⁸ açısal olanlar tarafından verilmektedir.

Silis camı nedenle, ki-kare ile ilgili ikinci derece fenomeni ⁽²⁾ etkileşimleri yasaktır, centrosymmetric ve. Mikro yüzeyinde, simetri inversiyon kırılır ve Χ ⁽²⁾ fenomeni ¹ görülmektedir. Ancak, ikinci dereceden frekans üretimi için faz eşleme koşulları dahil dalga boyları oldukça farklı ve dağılım rolü oldukça önemli olabilir, çünkü özellikle üçüncü derece frekans nesil eşdeğer daha sorunludur. ikinci dereceden etkileşim son derece zayıftır. Oysa bir thi için Q ³ ile oluşturulan güç ölçeklerrd sipariş etkileşim Q ⁴ ile oluşturulan güç ölçekler. ⁹ Bu nedenle, bu çalışmanın odak üçüncü dereceden optik doğrusal olmayan duyarlılık Χ ⁽³⁾ gibi Uyarılmış Raman Saçılması (SRS) ve Uyarılmış Antistokes Raman saçılımı olarak etkileşimler (SARS) 'dir SARS az araştırdı etkileşim ^10,11 olmak. Chang ¹² ve Campillo ¹³ derece doğrusal olmayan WGMR gibi malzemeler ancak pompa lazer yerine CW pulse edilmiştir damlacıkları kullanılarak doğrusal olmayan fenomenlerin çalışmalarını öncülük etmiştir. Silika mikroküreler ^14,10 ve microtoroids ¹⁵ son yıllarda dikkat çok kazanıyor, mikro damlacıklar kıyasla daha istikrarlı ve sağlam platformlar sağladı. Özellikle silis mikro imal ve kullanımı çok kolaydır.

SRS bir eşik ulaşan yeterli olduğundan kolayca silis WGMR ^14,15 elde edilebilir saf kazanç süreçtir. Bu durumda, yüksek circulatiWGMR içinde yoğunluğunu ng Raman lazer uygulaması garanti, ama parametrik salınımlar için yeterli değildir. Bu gibi durumlarda, verimli titreşimler faz ve mod eşleştirme, enerji ve momentum korunumu yasası ve tüm rezonans modlarının iyi bir mekansal örtüşme ^16-18 yerine getirilmesi gerekir. Bu durum, genelde SARS ve FWM için geçerlidir.

Protokol

Kalite Mikrokürelerinin Hiperfrekans Factor 1. Fabrikasyon

1. Bir optik striptizci kullanarak akrilik kaplama kapalı bir standart tek modlu (SMF) silika fiber yaklaşık 1-2 cm şerit.
2. aseton ile soyulmuş kısmını temizleyin ve parçalamak.
3. Bir füzyon raptedici bir kolunda yarılan ucu tanıtmak ve splicer denetleyicisini kullanarak elektrik ark deşarjları bir dizi üretmek. , Splayser kontrolör menüsünden "manuel işletimini" seçin ark güç düzeyinde değerlerini ayarlamak ve sırasıyla 60 ve 800 msn, süreyi ark; "Ark" seçin ve dip "+" itin.
4. Bir küre şeklini alıyor sonra, dur 90 ° lif döndürmek ve adım 1.3 tekrarlayın.
5. Tekrar adım 1.3 en az 4 kez yaklaşık 160 um olan bir mikrosferdir elde edildi. yaklaşık 260 um mikroküre elde etmek için 16 kez tekrarlayın.
   Not: Elektrik ark deşarj silis camı kaynaştırmak için gerekli olan yüksek erime sıcaklığına üretecek. Surface gerginlik mollified lif ucundan bir sfero çekecek; Bu ^19, Şekil 1 'de görülebileceği gibi, küre boyutu, yaklaşık 350 um bir çapı en doygun, yay çekim sayısı ile doğru orantılıdır. dönme rezonatör küresel bir şekil temin eder.

2. Konik Fiber Çizim

Not: şevli fiber de microresonators içine ışık bağlanması için gereklidir. mikro boyutu konik bel belirleyecektir. küre çapları daha büyük 125 mikron için konik çapı yaklaşık 3-4 mikron olabilir. küçük olanlar için, konik çapı daha küçük olmalıdır, 1-2 mikron söylüyorlar. düşük bir düzeyde kayıp tutmak ve konik bölüm sadece bir mod (temel bir) sahip olmak için, sivri adyabatik (ince bir çap kalın kademeli geçiş) olması gerekir. Adiyabatik şevli kısmın tipik toplam uzunluğu yaklaşık 2 cm'dir. Figu2 yeniden fiber çekilmesi için ev yapımı cihaz ve Şekil 3A tipik bir bel bölgesi bir MicroPhoto göstermektedir.

1. Şerit 3-4 optik striptizci kullanarak akrilik kaplama kapalı bir standart tek modlu (SMF) silika fiber cm ve elyaf lazer (giriş) ve bir güç ölçer (çıkış) için biter bağlayın. sıyrılmıştır bölgesi olmayan bir ucunda, elyafın ortasında yaklaşık olarak emin olun. fiber lazer ve güç metre biter bağlamak için edebilmek için bir çıplak fiber sonlandırıcı kullanın. lazer ve çalışma tezgahı üstünde güç ölçer yerleştirin.
2. Kısa bir alümina silindir içine soyulmuş lif ve çekme işlemi sırasında aynı anda harekete iki çeviri aşamaları içine elyaf kaplı uçlarını yerleştirin.
3. silis, erime noktası (yaklaşık 2.100 ° C) yakın bir sıcaklığa kadar, bir oksijen-butan alev alüminyum silindir (bu bir fırın olarak işlev yapar) ısıtın.
4. Obse gelen konik adiabaticity sonucuna635 nm 'de faaliyet gösteren bir lazer ışık iletim rvation. hiçbir mod çabalıyorlar oluştuğunu belirten sivrilen ise çıkışta homojen dairesel nokta korunmuş olup olmadığını kontrol edin. çekerek durdurmak ve iletilen güç salınım durur ve zamanla sabit olduğunda alev emekli.
5. Konik karşılamak için U şeklinde şekillendirilmiş bir mikroskop cam slayt olarak şevli fiber yapıştırıcı (Şekil 3B). boyutları 76x26x1.2 mm bir mikroskop cam slayt kullanın.

Küçük Mikrokürelerinin 3. Fabrikasyon

Not: kaplı standart lif büyüklüğü altında çapları küçük mikroküreler lif önceki doz azaltımı gerektirir. Bu yöntem kullanılarak elde edilen minimum çapı, yaklaşık 25 mm.

1. bölüm 2 takip ederek, kırılır kadar çekerek, bir konik lif çizin.
2. splicer co değerleri değiştirmek, bölüm 1 (UHQ mikroküreler imalat), ancak adım 1.3 tüm adımları izleyinKontrol Ünitesiüzü beğeneceğ aşağıdaki gibi: Ark gücü 20, ark süresi 1.200 msn.

Microsphere içine 4. Kavrama Işık

Not: mikro içine çift ışığa konik kullanmak ve microresonator bir rezonans ölçün.

1. 4.1. ortasında bir kanal ile bir T PVC / alüminyum tutucu hazırlayın. tutucu içine viski büyü veya kağıt yapışkan bant bir parça mikro kalan lif sapını sabitleyin. piezoelektrik aktüatör ve 20 nm bir konumlandırma çözünürlüğe sahip bir çeviri aşamasında içine iki vidayla tutucu kelepçe.
2. Microsphere fiber gövdeye dik konumlandırılmış slayt düzlemi ile başka çeviri aşamasına cam slayt yapıştırılmış konik sabitleyin. sonlandırılmış fiber kablolar için konik uçlarını tuttur. bir ayarlanabilir diyot lazer sonu ve bir InGaAs fotodiyot dedektöre diğerini bağlayın.
3. co uzun çalışma mesafesi (> 20 mm) bir mikroskop tüp kullanınkonik ve mikro arasındaki boşluğu ntrol. mikrosfer ekvatora konik göreceli kontrol edilebilir pozisyon böylece tüp yönüne göre diğer yönde yer 45 ° bir ayna sistemi izlemek için.
   1. konik lifi ile temas mikrosfer ekvator yerleştirin.
4. Lazer açın ve bir osiloskop olarak Microsphere-konik sisteminin iletim spektrumunu kontrol edin.
   1. rezonans görünene kadar ayar CW lazer 1.550 nm çalışan. Lorentz spektrumda dips şekilli olarak rezonanslar tespit edilebilir.
5. rezonans çizgi genişliğine (Lorentz şeklindeki dip tam genişlikte yarı maksimum) ölçün. rezonans LineWidth bölü pompa sıklığı gibi Q faktörü hesaplayın.
6. , Küre ve konik arasındaki boşluğu artırmak / artan bağlanma verimliliğini azaltmak için rezonans genişliği ve derinliği hem değişen / azaltın.

5. Uyarılmış Raman Saçılma

1. 1550 nm ve zayıflatıcı çalışan CW lazer arasında bir erbium katkılı fiber amplifikatör (EDFA) yerleştirin. EDFA 1,530-1,570 nm dalga boyu aralığında çalışır. . Bu yüksek giriş yetkileri 2 W. Doğrusal Olmayan etkileri maksimum çıkış gücü ihtiyacı ulaşan lazer gücünü artıracak 4 deneysel set-up bir kroki göstermektedir: Not.
2. 3 dBm splitter sona fiber kablolar ile konik bir ucunu. optik spektrum analizör ve osiloskop bağlı bir fotoğraf dedektöre diğerine ayırıcı çıkış liflerinin birini bağlayın.
3. Lazerin dalga boyu tarama hızı ile karşılaştırılabilir bir termal sürüklenme ile bir rezonans kadar ayarlayın düşük frekanslarda yüksek gelen lazer bulunur. Termal kendinden kilitli ²⁰ elde edildiğinde rezonans genişlemesi osiloskopta görülebilir.
4. konik iletilen çıkış gücü kontrolbir optik spektrum analizör içine. Raman lazer çizgisi görünene kadar gücünü artırmak. Yaklaşık 13.5 THz pompa dalga boyu gelen detuned edilir.

Sonuçlar

Mikro-Q faktörleri protokolü, yukarıda tarif edilen geniş çaplı 10 ⁸ (Şekil 5) (> 200 um) aşan ve küçük çaplar için 10 ⁶ (<50 um) aşan Aşağıdaki üretti. (Kritik bağlantı yakın)% 95 üzerinde rezonans kontrast kolaylıkla görülebilir. Yüksek dolaşan şiddetleri için kızılötesi bölgede aşağıdaki doğrusal olmayan etkiler görülebilir: (SRS) uyarılmış Raman saçılması, SRS ²¹ basamaklı anti-Stoke...

Tartışmalar

Mikroküreler kompakt ve verimli doğrusal olmayan osilatörler ve onlar imal ve işlemek için çok kolaydır. Konik elyaf bağlanması ve rezonatörün üzerine / ışık çıkarmak için de kullanılabilir. % 95'e kadar rezonans kontrast ve yaklaşık 3 x 10 ⁸ Q faktörleri elde edilebilir.

Bu fabrikasyon teknikleri ana sınırlama seri üretim ve entegrasyonu. liflerin temizliğine mikroküreler ve daralan hem için kritiktir ve böylece nem. Her iki cihaz uzun süreli bir...

Malzemeler

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