Stimuleret Stokes og Antistokes Raman Scattering i mikrosfæriske hviskegallerimodus Resonatorer
Summary
Effektiv generation af ikke-lineære fænomener i relation til tredje ordre optisk ikke-lineær modtagelighed Χ (3) interaktioner i tredobbelt resonante silica mikrosfærer er præsenteret i dette papir. Samspillet her indberettede: stimuleret Raman Scattering (SRS), og fire bølge blanding processer omfatter Stimuleret Anti-Stokes Raman Scattering (SARS).
Abstract
Dielektriske mikrosfærer kan begrænse lys og lyd for et tidsrum gennem høj kvalitet faktor hviskende galleri tilstande (WGM). Glas mikrosfærer kan opfattes som et lager af energi med et stort udvalg af applikationer: kompakt laser kilder, meget følsomme biokemiske sensorer og ikke-lineære fænomener. En protokol til fremstilling af både de mikrosfærer og koblingssystemet er givet. De her beskrevne koblinger er tilspidsede fibre. Effektiv generation af ikke-lineære fænomener i relation til tredje ordre optisk ikke-lineær modtagelighed Χ (3) interaktioner i tredobbelt resonante silica mikrosfærer er præsenteret i dette papir. Samspillet her indberettede: stimuleret Raman Scattering (SRS), og fire bølge blanding processer omfatter Stimuleret Anti-Stokes Raman Scattering (SARS). En kvittering for hulrummet med forbedret fænomen er givet ved den manglende korrelation mellem pumpen, signal og medløbende: en resonant tilstand har til at eksistere for at opnå parretaf signalet og medløbende. I tilfælde af hyperparametric svingninger (fire bølge blanding og stimuleret anti-Stokes Raman-spredning), skal tilstandene opfylde den energi og impuls bevarelse og sidst, men ikke mindst, har en god rumlig overlap.
Introduction
Hviskegallerimodus resonatorer (WGMR) viser to unikke egenskaber, en lang foton levetid og lille tilstand volumen, der tillader en reduktion af tærsklen for ikke-lineær fænomener 1-3. Whispering galleri tilstande er optiske tilstande, der er begrænset på det dielektriske luft-grænsefladen ved total intern refleksion. Den lille tilstand volumen skyldes den høje rumlige indeslutning henviser den tidsmæssige indespærring er relateret til kvalitetsfaktor Q af hulrummet. WGMR kan have forskellige geometrier og der er forskellige fremstillingsteknik er egnede til at opnå høje Q resonatorer 4-6 Overfladespænding hulrum såsom silica mikrosfærer udviser nær skala ruhed atomare, som oversætter i høj kvalitet faktorer. Begge typer af indespærring reducere tærsklen for ikke-lineære effekter som følge af den stærke energi buildup inde i WGMR. Det giver også kontinuerlig bølge (CW) ulineær optik.
WGMR kan beskrives ved hjælp af the kvantetal n, l, m og deres polarisationstilstand, med et stærkt analogi med hydrogenatomet 7. Den sfæriske symmetri tillader adskillelsen i radial og kantede afhængigheder. Den radiale løsning er givet ved Bessel funktioner, de kantede dem ved de sfæriske harmoniske 8.
Silica glas er centrosymmetrisk, og derfor anden ordens fænomener i relation til Χ (2) interaktioner er forbudt. Ved overfladen af mikrosfæren, er inverteringen af symmetrien brudt og Χ (2) kan observeres fænomener 1. Men fase matchende betingelser for anden ordens frekvens generation er mere problematisk end den tilsvarende i tredje orden frekvens generation, især fordi de involverede bølgelængder er helt anderledes, og den rolle for spredning kan være ganske vigtigt. Den anden ordens interaktioner er yderst svage. De genererede effekt skalaer med Q 3 hvorimod for en third ordre interaktion de genererede magt skalaer med Q 4. 9 Derfor er fokus i dette arbejde tredje ordre optisk ikke-lineær modtagelighed Χ (3) interaktioner såsom stimuleret Raman Scattering (SRS) og stimuleret Antistokes Raman Scattering (SARS) , bliver SARS de mindre udforskede interaktion 10,11. Chang 12 og Campillo 13 banebrydende studier af ikke-lineære fænomener ved hjælp af dråber af stærkt ikke-lineære materialer som WGMR men pumpen laser blev pulseret i stedet for CW. Silica mikrosfærer 14,10 og microtoroids 15 forudsat mere stabile og robuste platforme i forhold til mikro-dråber, få meget af opmærksomhed i de seneste årtier. Især silicamikrosfærer er meget nemme at fremstille og håndtere.
SRS er en ren gain process, der let kan opnås i silica WGMR 14,15, eftersom nå en tærskel er nok. I dette tilfælde, den høje circulating intensitet inde i WGMR garanterer Raman udsende laserstråler, men for parametriske svingninger er ikke tilstrækkeligt. I disse tilfælde, effektive svingninger kræver fase og tilstand matching, energi og bevarelse momentum lov og en god rumlig overlap af alle resonanssvingningstyper skal opfyldes 16-18. Dette er tilfældet for SARS og FWM generelt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikrosfærer er kompakte og effektive ikke-lineære oscillatorer og de er meget lette at fremstille og håndtere. Koniske fibre kan anvendes til kobling og ekstraktion af lys i / fra resonatoren. Kan opnås resonans kontrast op til 95% og Q faktorer på omkring 3 x 10 8.
Den væsentligste begrænsning af disse fremstillingsteknik er masseproduktion og integration. Renlighed af fibrene er kritisk for både mikrosfærer og tilspidses, og så er fugtighed. Begge enheder skal opbevare…
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).
