Gestimuleerde Stokes en Antistokes Raman Scattering in microsferische Whispering Gallery Mode Resonators
Summary
Efficiënte productie van niet-lineaire verschijnselen in verband met de derde orde optische non-lineaire gevoeligheid Χ (3) interacties in drievoudig resonante silica microsferen wordt in dit document. De interacties gemeld hier zijn: gestimuleerde Raman Scattering (SRS), en vier wave mixing processen bestaande uit gestimuleerde Anti-Stokes Raman Scattering (SARS).
Abstract
Diëlektrische microsferen kan licht en geluid te beperken tot een bepaalde tijd door middel van hoge kwaliteit factor fluisteren galerij modi (WGM). compacte laserbronnen, zeer gevoelige biochemische sensoren en niet-lineaire verschijnselen: glazen microbolletjes kan als een opslag van energie, met een enorme verscheidenheid aan toepassingen worden gedacht. Een protocol voor de vervaardiging van zowel de microsferen en het koppelingssysteem wordt gegeven. De hier beschreven koppelaars zijn tapse vezels. Efficiënte productie van niet-lineaire verschijnselen in verband met de derde orde optische non-lineaire gevoeligheid Χ (3) interacties in drievoudig resonante silica microsferen wordt in dit document. De interacties gemeld hier zijn: gestimuleerde Raman Scattering (SRS), en vier wave mixing processen bestaande uit gestimuleerde Anti-Stokes Raman Scattering (SARS). Een bewijs van de holte versterkte verschijnsel wordt gegeven door het gebrek aan correlatie tussen de pomp signaal en idler: een resonante modus moet bestaan om het paar te verkrijgenvan het signaal en leegloper. In het geval van hyperparametric oscillaties (menging vier wave en gestimuleerd anti-Stokes Raman scattering), moet de modes het behoud van energie en impuls te vervullen en, last but not least, hebben een goede ruimtelijke overlap.
Introduction
Whispering gallery mode resonatoren (WGMR) tonen twee unieke eigenschappen, een lange levensduur en foton kleine mode volume dat de verlaging van de drempel van niet-lineaire verschijnselen 1-3 toestaan. Whispering Gallery modi zijn optische modi die op de diëlektrische lucht-interface zijn beperkt door totale interne reflectie. De kleine modus volume vanwege de hoge ruimtelijke beperking dat de tijdelijke beperking houdt verband met de kwaliteitsfactor Q van de holte. WGMR kunnen verschillende geometrieën en er zijn verschillende fabricagetechnieken die geschikt zijn voor het verkrijgen van hoge Q resonatoren 4-6 Oppervlaktespanning holtes zoals silica microsferen vertonen in de buurt van atomaire schaal ruwheid, wat zich vertaalt in een hoge kwaliteit factoren. Beide soorten opsluiting aanzienlijke vermindering van de drempel voor niet-lineaire effecten als gevolg van de sterke energie opbouw in de WGMR. Het staat ook continue golf (CW) niet-lineaire optica.
WGMR kan worden beschreven met behulp van the kwantumgetallen n, l, m en de polarisatietoestand met sterke analogie van het waterstofatoom 7. De sferische symmetrie maakt de scheiding radiale en angulaire afhankelijkheden. De radiale oplossing wordt gegeven door Besselfuncties, de hoekige die door de sferische harmonischen 8.
Silica glas is centrosymmetrische en dus tweede orde verschijnselen in verband met Χ (2) interacties worden verboden. Op het oppervlak van de microsfeer wordt de inversie van symmetrie gebroken en Χ (2) verschijnselen waar te nemen 1. Echter phase matching voorwaarden voor tweede-orde frequentie generatie problematischer dan het equivalent in derde generatie orderfrequentie, vooral omdat de betrokken golflengten heel anders en de rol van dispersie kan zeer belangrijk zijn. De tweede orde interacties zijn uiterst zwak. De opgewekte energie schalen met Q 3, terwijl voor een third Om de interactie van de opgewekte stroom schalen met Q 4. 9 Om die reden is de focus van dit werk is de derde orde optische non-lineaire gevoeligheid Χ (3) interacties zoals gestimuleerde Raman Scattering (SRS) en gestimuleerd Antistokes Raman Scattering (SARS) , zijnde SARS de minder bestudeerde interactie 10,11. Chang 12 en Campillo 13 een pionier in de studie van niet-lineaire verschijnselen met behulp van druppels van sterk niet-lineaire materialen WGMR maar de pomp laser werd gepulseerd plaats van CW. Silica microbolletjes 14,10 en 15 microtoroids ontvangen stabieler en robuuster platforms vergeleken met de microdruppels, het verkrijgen van veel aandacht in de afgelopen decennia. In het bijzonder silica microsferen zijn zeer eenvoudig te vervaardigen en te hanteren.
SRS is een pure winst proces dat gemakkelijk kan op silica WGMR 14,15, aangezien een drempelwaarde bereikt is voldoende. In dit geval is de hoge circulating intensiteit in de WGMR garandeert Raman laserwerking, maar parametrische oscillaties onvoldoende. In deze gevallen efficiënter oscillaties vereisen fase en mode matching, energie- en impulswet en een goede ruimtelijke overlap van resonantiemodussen te vervullen 16-18. Dit geldt voor SARS en FWM in het algemeen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Microsferen compacte en efficiënte lineaire oscillatoren en ze zijn zeer gemakkelijk te vervaardigen en te hanteren. Tapse vezels kan worden gebruikt voor het koppelen en het extraheren van het licht in / uit de resonator. Resonantie tegenstelling tot 95% en Q factoren van ongeveer 3 x 10 8 worden verkregen.
De belangrijkste beperking van deze vervaardigingstechnieken is massaproductie en integratie. Netheid van de vezels is essentieel voor zowel microsferen en tapers, en dus is …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi
Ente Cassa di Risparmio di Firenze (No. 2014.0770A2202.8861)
Materials
| 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 |
References
- Kozyreff, G., Dominguez-Juarez, J. L., Martorell, J. Non linear optics in spheres: from second harmonic scattering to quasi-phase matched generation in whispering gallery modes. Laser Photon. Rev. 5 (6), (2011).
- Farnesi, D., Barucci, A., Righini, G. C., Berneschi, S., Soria, S., Nunzi Conti, G. Optical frequency generation in silica microspheres. Phys. Rev. Lett. 112 (9), 093901 (2014).
- Liang, W., et al. Miniature multioctave light source based on a monolithic microcavity. Optica. 2 (1), 40-47 (2015).
- Maker, A. J., Armani, A. M. Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators. J. Vis. Exp. (65), e4164 (2012).
- Coillet, A., Henriet, R., Phan Huy, K., Jacquot, M., Furfaro, L., Balakireva, I., et al. Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators. J. Vis. Exp. (78), e50423 (2013).
- Han, K., Kim, K. H., Kim, J., Lee, W., Liu, J., Fan, X., et al. Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators. J. Vis. Exp. (87), e51497 (2014).
- Arnold, S. Microspheres, Photonic Atoms, and the Physics of Nothing. American Scientist. 89 (5), 414-421 (2001).
- Chiasera, A., et al. Spherical whispering gallery mode microresonators. Laser Photon. Rev. 4 (3), 457-482 (2010).
- Helt, L. G., Liscidini, M., Sipe, J. E. How does it scale? Comparing quantum and classical nonlinear optical processes in integrated devices. J. Opt. Soc. Am. B. 29 (8), 2199-2212 (2012).
- Leach, D. H., Chang, R. K., Acker, W. P. Stimulated anti-Stokes Raman scattering in microdroplets. Opt. Lett. 17 (6), 387-389 (1992).
- Farnesi, D., Cosi, F., Trono, C., Righini, G. C., Nunzi Conti, G., Soria, S. Stimulated Antistokes Raman scattering resonantly enhanced in silica microspheres. Opt. Lett. 39 (20), 5993-5996 (2014).
- Qian, S. X., Chang, R. K. Multiorder Stokes emission from micrometer size droplets. Phys. Rev. Lett. 56 (9), 926-929 (1986).
- Lin, H. B., Campillo, A. J. CW nonlinear optics in droplet microcavities displaying enhanced gain. Phys. Rev. Lett. 73 (18), 2440-2443 (1994).
- Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Vahala, K. J. Ultralow threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature. 415 (6872), 621-623 (2002).
- Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. Kerr-Nonlinearity optical parametrical oscillation in an ultrahigh Q toroid microcavity. Phys. Rev. Lett. 93 (8), 083904 (2004).
- Hill, S. C., Leach, D. H., Chang, R. K. Third order sum frequency generation in droplets: model with numerical results for third-harmonic generation. J. Opt. Soc. Am. B. 10 (1), 16-33 (1993).
- Kozyreff, G., Dominguez Juarez, J. L., Martorell, J. Whispering gallery mode phase matching for surface second order nonlinear optical processes in spherical microresonators. Phys. Rev. A. 77 (4), 043817 (2008).
- Jouravlev, M. V., Kurizki, G. Unified theory of Raman and parametric amplification in nonlinear microspheres. Phys. Rev. A. 70 (5), 053804 (2004).
- Brenci, M., Calzolai, R., Cosi, F., Nunzi Conti, G., Pelli, S., Righini, G. C. Microspherical resonators for biophotonic sensors. Proc. SPIE. 6158, 61580S (2006).
- Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. J. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Opt. Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).
- Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Min, B., Vahala, K. J. Theoretical and experimental study of stimulated and cascaded Raman scattering in ultrahigh Q optical microcavities. J. Sel. Quantum Electron. 10 (5), 1219-1228 (2004).
- Bloembergen, N., Shen, Y. R. Coupling between vibrations and light waves in Raman laser media. Phys. Rev. Lett. 12 (18), 504-507 (1964).
- Gorodestky, M. L., Pryamikov, A. D., Ilchenko, V. S. Rayleigh scattering in high Q microspheres. J. Opt. Soc. Am. B. 17 (6), 1051-1057 (2000).
- Arnold, S., Ramjit, R., Keng, D., Kolchenko, V., Teraoka, I. Microparticle photophysics illuminates viral bio-sensing. Faraday Discuss. 137, 65-83 (2008).
- Ozdemir, S. K., et al. Highly sensitive detection of nanoparticle with a self referenced and self-heterodyned whispering gallery Raman microlaser. Proc. Natl. Acad. Sci USA. 11 (37), E3836-E3844 (2014).
