Вынужденное Стокса и антистоксовом комбинационного рассеяния света в микросферических Whispering Режим галереи резонаторы
Summary
Эффективная генерация нелинейных явлений , связанных с третьего порядка оптической нелинейной восприимчивости Χ (3) взаимодействия в трехкратно резонансных микросферы диоксида кремния представлен в данной работе. Взаимодействие здесь сообщается, являются: вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), и четыре волновые процессы смешивания, содержащие Вынужденное антистоксовые комбинационное рассеяние (SARS).
Abstract
Диэлектрические микросферы могут ограничить свет и звук в течение длительного времени через коэффициент шепчущей галереи высокого качества (WGM). Стеклянные микросферы можно рассматривать как запас энергии с огромным разнообразием применений: компактные лазерные источники, высокочувствительных биохимических сенсоров и нелинейных явлений. Протокол для изготовления обоих микросферами и системы связи определяется. Соединители, описанные здесь, перетянутые волокна. Эффективная генерация нелинейных явлений , связанных с третьего порядка оптической нелинейной восприимчивости Χ (3) взаимодействия в трехкратно резонансных микросферы диоксида кремния представлен в данной работе. Взаимодействие здесь сообщается, являются: вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), и четыре волновые процессы смешивания, содержащие Вынужденное антистоксовые комбинационное рассеяние (SARS). Доказательство явления полости повышенной дается отсутствие корреляции между насоса, сигнальной и разностной: резонансный режим должен существовать для того, чтобы получить парусигнала и бездельника. В случае hyperparametric колебаний (ЧВ волны и стимулируется антистоксово комбинационного рассеяния), режимы должны выполнять сохранения энергии и импульса, и, наконец, но не в последнюю очередь, имеют хорошее пространственное перекрытие.
Introduction
Whispering режим галереи резонаторы (WGMR) показывают два уникальных свойства, долгое время жизни фотона и малый объем моды , которые позволяют снижение порога нелинейных явлений 1-3. Шепчущей галереи являются оптические моды, которые ограничены в диэлектрик воздуха путем полного внутреннего отражения. Небольшой объем режим из-за высокого пространственного удержания в то время как временная ограничение связано с добротности резонатора. WGMR могут иметь различные геометрические формы и существуют различные способы изготовления , подходящие для получения высокой добротности резонаторов 4-6 Поверхностное натяжение полости , такие как диоксид кремния микросферы обладают вблизи атомного масштаба шероховатости, что выражается в высоких показателей качества. Оба типа удержания значительно снизить порог нелинейных эффектов вследствие сильного накопления энергии внутри WGMR. Она также позволяет непрерывные волны (CW) нелинейной оптики.
WGMR можно описать с помощью юе квантовые числа п, л, м , и их состояние поляризации, в сильной аналогии с атомом водорода 7. Сферическая симметрия позволяет разделение в радиальном, так и угловых зависимостей. Радиальная решение дается функции Бесселя, угловых единиц по сферическим гармоникам 8.
Кварцевое стекло центросимметрична и, следовательно, явления второго порядка , связанные с Х (2) взаимодействия запрещены. На поверхности микросфер, инверсия симметрия нарушается и Χ (2) явления можно наблюдать 1. Тем не менее, фазовые условия согласования для генерации частоты второго порядка являются более проблематичными, чем эквивалент в третьем поколении частоты порядка, особенно потому, что длины волн, участвующих весьма различны и роль дисперсии может быть весьма важным. Взаимодействие второго порядка чрезвычайно слабы. Генерируемой мощности весы с Q 3 , в то время как для Thiго порядка взаимодействия генерируемой мощности весы с Q 4. 9 По этой причине в центре внимания данной работы является третьего порядка оптического нелинейную восприимчивость Χ (3) взаимодействия , такие как вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и вынужденное антистоксового комбинационного рассеяния (SARS) , будучи SARS менее разведанным взаимодействие 10,11. Чанг 12 и Кампильо 13 впервые исследования нелинейных явлений с использованием капель сильно нелинейных материалов , как WGMR но лазер накачки импульсно вместо CW. Silica микросферы 14,10 и microtoroids 15 представили более стабильные и надежные платформы по сравнению с микрокапель, получая большую часть внимания в последние десятилетия. В частности, диоксид кремния микросферы очень просты в изготовлении и обращении.
SRS является чистый процесс усиления , который может быть легко достигнуто в кварцевом WGMR 14,15, так как достижения порогового значения , достаточно. В этом случае высокая circulatiнг интенсивности внутри WGMR гарантирует комбинационное лазерной генерации, но для параметрических колебаний недостаточно. В этих случаях эффективные колебания требуют фазы и согласования режима, энергии и закон сохранения импульса и хорошее пространственное перекрытие всех резонансных мод , которые должны выполняться 16-18. Это тот случай ТОРС и ЧВС в целом.
Protocol
Representative Results
Discussion
Микросферы представляют собой компактные и эффективные нелинейные осцилляторы, и они очень просты в изготовлении и обращении. Конические волокна могут быть использованы для соединения и извлечения свет в / из резонатора. Резонанс контраст до 95% и добротности около 3 х 10 8 может бы?…
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).
