המאולץ סטוקס Antistokes פיזור ראמאן ב Microspherical Whispering גלרית מצב מההודים
Summary
הדור יעיל של תופעות לא לינאריות הקשורים הרגישות שאינו ליניארי אופטי מסדר שלישי Χ (3) אינטראקציות microspheres סיליקה התהודה פי שלוש מוצגת במאמר זה. האינטראקציות כאן המדווחות הן: מאולץ פיזור ראמאן (SRS), וארבעה תהליכי ערבוב גל כוללים מאולץ אנטי סטוקס פיזור ראמאן (SARS).
Abstract
microspheres דיאלקטרי יכול להגביל אור וקול למשך פרק זמן בין מצבי גלריה לוחש גורם באיכות גבוהה (WGM). microspheres זכוכית ניתן לחשוב כחנות של אנרגיה עם מגוון עצום של יישומים: מקורות ליזר קומפקטי, חיישנים ביוכימיים רגישות גבוהה ותופעות קויות. פרוטוקול עבור הייצור של שני microspheres ומערכת צימוד הוא נתון. המצמדים המתוארים כאן הם סיבים מחודדים. הדור יעיל של תופעות לא לינאריות הקשורים הרגישות שאינו ליניארי אופטי מסדר שלישי Χ (3) אינטראקציות microspheres סיליקה התהודה פי שלוש מוצגת במאמר זה. האינטראקציות כאן המדווחות הן: מאולץ פיזור ראמאן (SRS), וארבעה תהליכי ערבוב גל כוללים מאולץ אנטי סטוקס פיזור ראמאן (SARS). הוכחת התופעה משופרת החלל ניתנת על ידי מחוסר ההתאמה בין המשאבה, האות ו הבטלן: מצב תהודה צריך להתקיים על מנת להשיג את הזוגשל אות ו בטלן. במקרה של תנודות hyperparametric (ערבוב ארבעה גלים מגורה פיזור אנטי סטוקס ראמאן), המצבים חייב למלא את שימור אנרגיה ותנע, ואחרון אחרון חביב, יש חפיפה מרחבית טובה.
Introduction
תהודת מצב גלריה לוחשת (WGMR) להראות שתי תכונות ייחודיות, חי פוטון ארוכים נפח במצב קטן המאפשרות הפחתת סף התופעות קויות 1-3. מצבי גלריה לוחשים הם מצבים אופטיים מתוחמים בממשק אוויר דיאלקטרי ידי ההשתקפות פנימית מוחלטת. היקף המצב הקטן בשל כליאת מרחבית הגבוהה ואילו הכליאה הזמנית קשורה Q גורמת איכות של החלל. WGMR יכול להיות גיאומטרי שונה ויש טכניקות ייצור שונות מתאימות לקבלת תהודת Q גבוהה 4-6 חללי מתח פנים כגון תערוכת microspheres סיליקה ליד חספוס בקנה מידה אטומי, המתרגמת בגורמים באיכות גבוהות. שני סוגים של כליאה מקטינים את הסף משמעותי תופעות קויות כתוצאה מהצטברות האנרגיה החזקה בתוך WGMR. זה גם מאפשר גל מתמשך אופטיקה לא לינארית (CW).
WGMR ניתן לתאר באמצעות המספרי קוונטי דואר n, l, m ומדינת הקיטוב שלהם, אנלוגיה חזקה עם אטום המימן 7. הסימטריה הכדורית מאפשרת הפרדה רדיאלי תלות זוויתית. הפתרון רדיאלי ניתן על ידי פונקציות Bessel, אלה זוויתי ידי הרמוניות ספריות 8.
זכוכית סיליקה היא centrosymmetric, ולכן תופעות מסדר שני הקשורים Χ (2) אינטראקציות אסורות. על פני השטח של microsphere, ההיפוך של סימטריה שבורה Χ (2) תופעות ניתן לצפות 1. עם זאת, תנאים התאמה שלב עבור דור תדירות מסדר שני הם בעייתיים יותר המקבילה בדור תדירות מסדר שלישי, בעיקר בגלל אורכי הגל המעורבים הם די שונים ואת תפקידיו של פיזור יכולים להיות די חשובים. האינטראקציות מהסדר שני חלשות מאוד. סולמות הכח שנוצרו עם Q 3 ואילו לגבי תיrd כדי אינטראקציה המאזניים הכוח שנוצר עם Q 4. 9 מסיבה זו, המוקד של עבודה זו היא הרגישות שאינו ליניארי אופטי מסדר שלישי Χ (3) אינטראקציות כגון מאולצת פיזור ראמאן (SRS) ועורר Antistokes פיזור ראמאן (SARS) , להיות סארס האינטראקציה פחות נחקרה 10,11. צ'אנג 12 ו Campillo 13 חלוץ המחקרים של תופעות לא לינאריות באמצעות טיפות של חומרים בלתי ליניארית כמו WGMR אבל ליזר המשאבה היה פעם במקום CW. Microspheres סיליקה 14,10 ו microtoroids 15 ספקו יותר פלטפורמות יציבות וחזקות לעומת-טיפות מייקרו, צוברים הרבה תשומת הלב בעשורים האחרונים. במיוחד, microspheres סיליקה הוא מאוד קל לפברק להתמודד.
SRS הוא תהליך רווח טהור שיכול להיות מושגת בקלות סיליקה WGMR 14,15, מאז לסף זה מספיק. במקרה זה, circulati הגבוההng עוצמת בתוך WGMR מבטיח lasing ראמאן, אבל עבור תנודות פרמטרית אינו מספיק. במקרים אלה, תנודות יעילות דורשות פאזה התאמתה מצב, אנרגיה בחוק שימור מומנטום חפיפת מרחבית טובה של כל מצבי התהודה להתגשם 16-18. זהו המקרה עבור הסארס FWM בכלל.
Protocol
Representative Results
Discussion
מיקרוסכמות הן מתנדים קויים קומפקטיים ויעילים והם מאוד קלים לפברק להתמודד. סיבי Tapered יכולים לשמש צימוד ומחלץ את האור / מן המהוד. בניגוד תהודה עד 95% וגורמים Q של כ -3 x 10 8 ניתן להשיג.
המגבלה העיקרית של טכניקות ייצור אלה היא ייצור ה…
Divulgations
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).
