Stimolata Stokes e Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery modalità risonatori
Summary
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
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
- 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).
