Summary

Microspherical 위스퍼 링 갤러리 모드 공진기에 자극 스톡스와 Antistokes 라만 산란

Published: April 04, 2016
doi:

Summary

3 차 광학 비선형 감수성과 관련된 비선형 현상의 효율적인 생성 Χ (3) 삼중 공진 실리카 마이크로 스피어의 상호 작용이 논문에 제시되어있다. 보고 여기의 상호 작용은 다음과 같습니다 자극 된 라만 산란 (SRS) 및 자극 된 안티 – 스톡스 라만 산란 (SARS)를 포함하는 네 개의 파 혼합 처리합니다.

Abstract

유전체 미소는 높은 품질 계수 속삭이는 갤러리 모드를 통해 시간의 길이 (WGM)에 대한 빛과 소리를 한정 할 수 있습니다. 소형 레이저 소스, 고감도 생화학 센서 및 비선형 현상 : 유리 마이크로 스피어는 응용 프로그램의 거대한 다양한 에너지의 저장소로 생각 될 수있다. 미세과 커플 링 시스템 모두의 제조를위한 프로토콜이 제공됩니다. 여기에 기술 된 커플러는 테이퍼 섬유이다. 3 차 광학 비선형 감수성과 관련된 비선형 현상의 효율적인 생성 Χ (3) 삼중 공진 실리카 마이크로 스피어의 상호 작용이 논문에 제시되어있다. 보고 여기의 상호 작용은 다음과 같습니다 자극 된 라만 산란 (SRS) 및 자극 된 안티 – 스톡스 라만 산란 (SARS)를 포함하는 네 개의 파 혼합 처리합니다. 캐비티 강화 현상의 방지가 펌프 신호 및 아이들러 간의 상관 관계의 부족으로 주어진다 공진 모드는 쌍을 획득하기 위해 존재해야신호 및 아이들러의. hyperparametric 진동의 경우 (사 광파 혼합과 자극 반 스톡스 라만 산란)에서, 모드는 에너지와 운동량 보존을 수행하고, 마지막으로를, 좋은 공간 중복이 있어야합니다.

Introduction

속삭이는 갤러리 모드 공진기 (WGMR)는 비선형 현상 1-3의 임계 값의 감소를 수있는 두 가지 독특한 특성, 긴 광자 수명과 작은 모드 볼륨을 보여줍니다. 위스퍼 링 갤러리 모드는 내부 전반사에 의해 층간 무선 인터페이스에 한정되는 광 모드이다. 상기 시간 제한은 상기 캐비티의 품질 팩터 Q와 관련되는 반면 작은 모드 볼륨은 높은 공간 구속에 기인한다. WGMR 다른 형상을 가질 수 있고, 높은 Q의 공진기를 높은 품질 요소로 변환 원자 규모 거칠기 근처 실리카 미립자 전시 등 4-6 표면 장력 공동을 얻기위한 적합한 다른 제조 기술이있다. 감금의 두 가지 유형이 크게 인해 WGMR 내부의 강한 에너지 축적에 비선형 효과에 대한 임계 값을 줄일 수 있습니다. 또한 연속파 (CW) 비선형 광학 수 있습니다.

WGMR는 일을 사용하여 설명 할 수있다수소 원자 7 강한 유사 전자 양자 숫자 N, L, m 및 편광 상태. 구형 대칭은 반경 방향 및 각도 의존성에서 분리 할 수​​ 있습니다. 반경 방향 용액은 베셀 함수, 구형 고조파 (8)에 의해 각 사람에 의해 주어진다.

실리카 유리 그러므로, Χ 관련 2 차 현상이 (2) 상호 작용이 금지되어, 중심 대칭입니다. 마이크로 스피어의 표면에, 대칭 반전 끊어지고 Χ (2) 현상은 제 1 관찰 할 수있다. 그렇지만, 2 차 주파수 발생에 대한 위상 정합 조건이 포함 된 파장이 상당히 상이하고, 분산액의 역할이 매우 중요 할 수 때문에 특히, 3 차 주파수 발생에 상응하는보다 문제가있다. 2 차 상호 작용은 매우 약하다. 반면 생에 대한 Q 3 생성 된 전력 저울번째 순서의 상호 작용을 Q 4 생성 된 전력 규모. 9 이러한 이유로,이 작품의 초점은 3 차 광학 비선형 감수성 Χ (3) 자극 된 라만 산란 (SRS) 및 자극 된 Antistokes 라만 산란 등의 상호 작용 (SARS)입니다 , SARS 덜 탐구 상호 작용 10, 11을 주도했습니다. 장 12 Campillo은 (13)는 매우 비선형 WGMR 같은 물질하지만, 펌프 레이저 대신 CW의 펄스 한 방울을 사용하여 비선형 현상의 연구를 개척했다. 실리카 마이크로 스피어 14,10 및 microtoroids (15)은 지난 수십 년에 많은 관심을 얻고, 미세 물방울에 비해보다 안정적이고 강력한 플랫폼을 제공했다. 특히, 실리카 마이크로 스피어는 제조 및 취급이 매우 용이하다.

SRS는 임계치에 도달하면 충분하기 때문에 쉽게 실리카 WGMR 14,15으로 달성 될 수있는 순수한 이득 공정이다. 이 경우, 높은 circulatiWGMR 내부 강도를 ng를하는 라만 레이저 발진을 보장하지만, 파라 메트릭 진동을 위해 충분하지 않습니다. 이 경우, 효율적인 진동 위상 및 모드 매칭, 에너지와 운동량 보존 법칙과 모든 공진 모드의 좋은 공간 중복 16-18을 충족 할 필요합니다. 이것은 일반적으로 SARS 및 FWM의 경우입니다.

Protocol

품질 마이크로 스피어의 초고 요인 1. 제작 광학 스트리퍼를 사용하여 아크릴 코팅 오프 표준 단일 모드 (SMF) 실리카 섬유의 약 1-2cm를 제거. 아세톤으로 제거 부분을 청소하고 절단. 융착 접속기의 일 아암의 절단 끝 도입 플라이 컨트롤러를 사용하는 전기 아크 방전의 시리즈를 생성한다. , 플라이 컨트롤러 메뉴에서 "수동 조작"을 선택 아크 전력 레벨에 대한 값을 ?…

Representative Results

미소 구체의 Q 인자 프로토콜이 상기 큰 직경이 108 (도 5) (> 200 μm의) 초과 작은 직경이 106 (<50 μm의) 초과 다음 제조. (중요 커플 링에 가까운) 95 % 이상 공명 대비가 쉽게 관찰 할 수있다. 고 순환 농도의 경우, 적외선 영역에서의 다음의 비선형 효과가 관찰 될 수있다 : (SRS)를 라만 산란 자극, SRS 21 캐스케이드 반 스톡스 라만 산란 (S…

Discussion

마이크로 컴팩트하고 효율적인 비선형 발진기 그리고 그들은 제조 및 취급이 매우 용이하다. 테이퍼 섬유 커플 링 공진기 /로부터의 광을 추출하기 위해 사용될 수있다. 95 %까지의 공진 대비 약 3 × 108의 Q 인자를 얻을 수있다.

이러한 제조 기술의 주요 제한은 대량 생산과 통합된다. 섬유의 청결도가 미세하고 테이퍼 모두에게 중요하다 습도 등이다. 두 디바이스는 ?…

Divulgaciones

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

Referencias

  1. 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).
  2. 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).
  3. Liang, W., et al. Miniature multioctave light source based on a monolithic microcavity. Optica. 2 (1), 40-47 (2015).
  4. Maker, A. J., Armani, A. M. Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators. J. Vis. Exp. (65), e4164 (2012).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Arnold, S. Microspheres, Photonic Atoms, and the Physics of Nothing. American Scientist. 89 (5), 414-421 (2001).
  8. Chiasera, A., et al. Spherical whispering gallery mode microresonators. Laser Photon. Rev. 4 (3), 457-482 (2010).
  9. 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).
  10. Leach, D. H., Chang, R. K., Acker, W. P. Stimulated anti-Stokes Raman scattering in microdroplets. Opt. Lett. 17 (6), 387-389 (1992).
  11. 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).
  12. Qian, S. X., Chang, R. K. Multiorder Stokes emission from micrometer size droplets. Phys. Rev. Lett. 56 (9), 926-929 (1986).
  13. Lin, H. B., Campillo, A. J. CW nonlinear optics in droplet microcavities displaying enhanced gain. Phys. Rev. Lett. 73 (18), 2440-2443 (1994).
  14. Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Vahala, K. J. Ultralow threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature. 415 (6872), 621-623 (2002).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Jouravlev, M. V., Kurizki, G. Unified theory of Raman and parametric amplification in nonlinear microspheres. Phys. Rev. A. 70 (5), 053804 (2004).
  19. Brenci, M., Calzolai, R., Cosi, F., Nunzi Conti, G., Pelli, S., Righini, G. C. Microspherical resonators for biophotonic sensors. Proc. SPIE. 6158, 61580S (2006).
  20. Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. J. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Opt. Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).
  21. 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).
  22. Bloembergen, N., Shen, Y. R. Coupling between vibrations and light waves in Raman laser media. Phys. Rev. Lett. 12 (18), 504-507 (1964).
  23. 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).
  24. Arnold, S., Ramjit, R., Keng, D., Kolchenko, V., Teraoka, I. Microparticle photophysics illuminates viral bio-sensing. Faraday Discuss. 137, 65-83 (2008).
  25. 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).

Play Video

Citar este artículo
Farnesi, D., Berneschi, S., Cosi, F., Righini, G. C., Soria, S., Nunzi Conti, G. Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators. J. Vis. Exp. (110), e53938, doi:10.3791/53938 (2016).

View Video