حفز ستوكس وAntistokes رامان التشتت في Microspherical يهمس معرض الوضع الرنين
Summary
جيل فعال من الظواهر غير الخطية المتعلقة المرتبة الثالثة البصرية قابلية غير الخطية Χ (3) ويرد التفاعلات في المجهرية السيليكا الرنانة ثلاثة أسباب في هذه الورقة. التفاعلات هنا ذكرت هي: حفز رامان نثر (SRS)، وأربع عمليات موجة خلط تضم بتنشيط مكافحة ستوكس رامان نثر (سارس).
Abstract
يمكن المجهرية عازلة تحصر الضوء والصوت لفترة من الزمن من خلال الجودة العالية عامل يهمس سائط معرض (WGM). يمكن اعتبار المجهرية الزجاج كمخزن للطاقة مع مجموعة كبيرة من التطبيقات: مصادر الليزر المدمجة، وأجهزة الاستشعار الحيوية حساسة للغاية والظواهر غير الخطية. ويرد بروتوكول لتصنيع كل من المجهرية ونظام اقتران. ومقرنة الموصوفة هنا هي الألياف مدبب. جيل فعال من الظواهر غير الخطية المتعلقة المرتبة الثالثة البصرية قابلية غير الخطية Χ (3) ويرد التفاعلات في المجهرية السيليكا الرنانة ثلاثة أسباب في هذه الورقة. التفاعلات هنا ذكرت هي: حفز رامان نثر (SRS)، وأربع عمليات موجة خلط تضم بتنشيط مكافحة ستوكس رامان نثر (سارس). ويرد دليل على ظاهرة محسنة تجويف بسبب عدم وجود ارتباط بين المضخة، إشارة والمهمل: وضع الرنانة ديه في الوجود من أجل الحصول على زوجإشارة والمهمل. في حالة التذبذبات hyperparametric (خلط أربعة موجة وحفز مكافحة ستوكس رامان نثر)، يجب على وسائل الوفاء الحفاظ على الطاقة والزخم، وأخيرا وليس آخرا، يوجد بينهما تداخل المكاني جيد.
Introduction
يهمس المرنانات وضع معرض (WGMR) تظهر اثنين من خصائص فريدة من نوعها، وعمر الفوتون طويلة وحجم الوضع الصغيرة التي تسمح بتخفيض عتبة الظواهر غير الخطية 1-3. يهمس وسائط معرض وسائط البصرية التي تقتصر على واجهة الهواء عازلة بواسطة الانعكاس الكلي الداخلي. ويرجع ذلك إلى الحبس مكانية عالية حجم صغير وضع في حين يرتبط الحبس الزمني لس عامل الجودة من تجويف. WGMR يمكن أن يكون هندستها مختلفة، وهناك تقنيات تصنيع مختلفة مناسبة للحصول على ارتفاع المرنانات س 4-6 تجاويف التوتر السطحي مثل المجهرية السيليكا المعرض قرب خشونة نطاق الذرية، والذي يترجم في العوامل ذات جودة عالية. كلا النوعين من الحبس تقلل إلى حد كبير عتبة التأثيرات اللاخطية بسبب تراكم الطاقة قوي داخل WGMR. كما يسمح مستمرة موجة (CW) غير الخطية البصريات.
ويمكن وصف WGMR باستخدام الالبريد أعداد الكم ن، ل، م والدولة استقطابها، في تشابه قوي مع ذرة الهيدروجين 7. التناظر الكروي يسمح للفصل في شعاعي وتبعيات الزاوي. ونظرا لحل شعاعي بواسطة وظائف بسل، تلك الزاوية من قبل التوافقيات كروية 8.
زجاج السيليكا هو centrosymmetric، وبالتالي الظواهر الدرجة الثانية تتعلق Χ ممنوعة (2) التفاعلات. في سطح microsphere، هو كسر قلب من التماثل وΧ (2) ظواهر يمكن ملاحظتها 1. ومع ذلك، وظروف مطابقة مرحلة لتوليد تردد من الدرجة الثانية هي أكثر تعقيدا من ما يعادل في توليد تردد من الدرجة الثالثة، وخاصة لأن موجات المعنية هي مختلفة تماما، ودور تشتت يمكن أن تكون هامة جدا. التفاعلات من الدرجة الثانية ضعيفة للغاية. موازين الطاقة المولدة مع س 3 في حين لثيأجل الثالثة تفاعل موازين الطاقة المولدة مع س 4. 9 ولهذا السبب، فإن التركيز على هذا العمل هو ثالث ترتيب البصرية قابلية غير الخطية Χ (3) التفاعلات مثل حفز رامان نثر (SRS) ومحفز Antistokes رامان نثر (سارس) ، ويجري السارس التفاعل أقل استكشاف 10،11. تشانغ 12 و 13 كامبايلو رائدة في دراسات الظواهر غير الخطية باستخدام قطرات من المواد غير الخطية للغاية كما WGMR كنه نابض الليزر مضخة بدلا من الأسلحة الكيميائية. المجهرية السيليكا 14،10 وmicrotoroids 15 قدمت منصات أكثر استقرارا وقوية بالمقارنة مع قطرات صغيرة، والحصول على الكثير من الاهتمام في العقود الأخيرة. بشكل خاص، المجهرية السيليكا هي سهلة جدا لصنع والتعامل معها.
SRS هو عملية اكتساب النقية التي لا يمكن أن يتحقق بسهولة في السيليكا WGMR 14،15، منذ وصولها إلى عتبة يكفي. في هذه الحالة، circulati عاليةنانوغرام كثافة داخل WGMR يضمن رامان الليزرة، ولكن لالتذبذبات حدودي غير كاف. في هذه الحالات، التذبذبات فعالة تتطلب المرحلة ومطابقة الوضع والطاقة وقانون الحفاظ على الزخم والتداخل المكاني جيد للجميع وسائط الرنانة التي ينبغي الوفاء بها 16-18. هذا هو الحال بالنسبة لمرض السارس وFWM بشكل عام.
Protocol
Representative Results
Discussion
المجهرية مدمجة وكفاءة مؤشرات التذبذب غير الخطية وأنها سهلة جدا لصنع والتعامل معها. الألياف مدبب يمكن استخدامها لتوصيل واستخراج الضوء في / من مرنان. صدى المقابل تصل إلى 95٪ والعوامل س من حوالي 3 × 10 8 ويمكن الحصول على.
القيد الر…
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).
