Stimulated Stokes und Antistokes Raman Scattering in Mikrosphärische Whispering Gallery-Modus Resona
Summary
Effiziente Erzeugung von nicht – lineare Phänomene dritter Ordnung optische nichtlineare Zusammenhang Anfälligkeit Χ (3) Wechselwirkungen in dreifach resonanten Siliciumoxidmikrokügelchen wird in diesem Papier. Die Wechselwirkungen hier berichtet wird, sind: Stimulated Raman Scattering (SRS) und Vierwellenmischverfahren, umfassend Stimulated Anti-Stokes Raman Scattering (SARS).
Abstract
Die dielektrische Mikrokugeln können für eine lange Zeit durch hohe Qualitätsfaktor Whispering-Gallery-Modi (WGM) Licht und Ton beschränken. kompakte Laserquellen, hochempfindliche biochemische Sensoren und nichtlineare Phänomene: Glasmikrokugeln können mit einer großen Vielfalt von Anwendungen als Energiespeicher angesehen werden. Ein Protokoll für die Herstellung von sowohl den Mikrokügelchen und Kupplungssystem gegeben. Die Kuppler hier beschriebenen tapered fibers. Effiziente Erzeugung von nicht – lineare Phänomene dritter Ordnung optische nichtlineare Zusammenhang Anfälligkeit Χ (3) Wechselwirkungen in dreifach resonanten Siliciumoxidmikrokügelchen wird in diesem Papier. Die Wechselwirkungen hier berichtet wird, sind: Stimulated Raman Scattering (SRS) und Vierwellenmischverfahren, umfassend Stimulated Anti-Stokes Raman Scattering (SARS). Ein Nachweis des Hohlraumes-enhanced Phänomen wird durch das Fehlen von Korrelation zwischen dem Pump-, Signal- und Idler gegeben: ein Resonanzmodus, um zu bestehen hat das Paar zu erhalten,von Signal und Idler. Im Falle von hyperparametric Schwingungen (Vierwellenmischung und stimuliert Anti-Stokes-Raman-Streuung), müssen die Modi der Energie- und Impulserhaltung und last but not least erfüllen, haben eine gute räumliche Überlappung.
Introduction
Whispering – Gallery – Mode – Resonatoren (WGMR) zeigen zwei einzigartige Eigenschaften, eine lange Lebensdauer und Photonen kleinen Modenvolumen, das die Reduzierung der Schwelle der nichtlinearen Phänomene 1-3 ermöglichen. Whispering-Gallery-Modi sind optischen Moden, die auf der dielektrischen Luft-Grenzfläche durch Totalreflexion beschränkt sind. Die kleine Modenvolumen ist aufgrund der hohen räumlichen Confinement während die zeitliche Beschränkung auf den Gütefaktor Q des Resonators verbunden ist. WGMR können unterschiedliche Geometrien aufweisen und es gibt verschiedene Herstellungstechniken geeignet ist zum Erhalten hoher Q – Resonatoren 4-6 Oberflächenspannung Hohlräume wie Siliciumdioxid – Mikrokugeln weisen in der Nähe von atomarer Skala Rauhigkeit, der in hoher Qualitätsfaktoren übersetzt. Beide Arten der Entbindung signifikant die Schwelle für nichtlineare Effekte aufgrund der starken Energieaufbau im Inneren des WGMR reduzieren. Es ermöglicht auch kontinuierliche Welle (CW) der nichtlinearen Optik.
WGMR kann mit th beschriebene Quantenzahlen n, l, m und deren Polarisationszustand in einem starken Analogie mit dem Wasserstoffatom 7. Die Kugelsymmetrie ermöglicht die Trennung in Radial- und Winkelabhängigkeiten. Die radiale Lösung wird durch Bessel – Funktionen, die Winkel diejenigen durch die sphärischen Harmonischen 8 gegeben.
Quarzglas ist zentrosymmetrischen und deshalb zweiter Ordnung Phänomene im Zusammenhang mit Χ (2) Wechselwirkungen verboten sind. An der Oberfläche des Mikrokügelchens ist die Umkehrung der Symmetrie gebrochen und Χ (2) Phänomene 1 beobachtet werden. Allerdings Phasenanpassungsbedingungen für die zweite Ordnung Frequenzerzeugung sind problematischer als das Äquivalent in dritter Ordnung Frequenzerzeugung, vor allem, weil die beteiligten Wellenlängen sehr unterschiedlich sind und die Rolle der Dispersion kann sehr wichtig sein. Die zweite Ordnung Wechselwirkungen sind extrem schwach. Die erzeugte Energie Skalen mit Q 3 , während für eine thidritter Ordnung Interaktion die erzeugte Leistung Skalen mit Q 4. 9 Aus diesem Grund liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit ist es dritte optische Ordnung nichtlinearen Suszeptibilität Χ (3) Wechselwirkungen wie Stimulated Raman Scattering (SRS) und stimulierte Antistokes Raman Scattering (SARS) , 10,11 SARS die weniger erforschten Wechselwirkung zu sein. Chang 12 und Campillo 13 Pionierarbeit geleistet , die Studien der nichtlinearen Phänomene Tröpfchen von hochgradig nichtlinearen Materialien wie WGMR verwenden , aber der Pumplaser anstelle von CW gepulst. Silica – Mikrokugeln 14,10 und 15 versehen Mikrotoroide stabiler und robuster Plattformen im Vergleich zu den Mikrotröpfchen, in den letzten Jahrzehnten viel Aufmerksamkeit gewinnen. Insbesondere sind Siliciumoxidmikrokügelchen sehr leicht herzustellen und zu handhaben.
SRS ist ein reiner Gewinn Prozess, der leicht in Siliciumdioxid WGMR erreicht werden kann , 14,15, da eine Schwelle erreicht genug ist. In diesem Fall ist die hohe circulating Intensität innerhalb des WGMR garantiert Raman Laser, aber für die parametrische Schwingungen nicht ausreichend. In diesen Fällen erfordern eine effiziente Schwingungen Phase und Modenanpassung, Energie- und Impulserhaltungsgesetz und eine gute räumliche Überlappung aller Resonanzmoden 16-18 erfüllt werden. Dies ist der Fall für SARS und FWM im Allgemeinen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Microspheres sind kompakte und effiziente nichtlineare Oszillatoren und sie sind sehr leicht herzustellen und zu handhaben. Tapered Fasern können zum Ankoppeln und das Extrahieren des Lichts in / aus dem Resonator verwendet werden. Resonance Kontrast bis zu 95% und Q – Faktoren von etwa 3 x 10 8 erhalten werden.
Die wichtigste Einschränkung dieser Herstellungstechniken ist die Massenproduktion und Integration. Sauberkeit der Fasern ist kritisch sowohl auf Mikrokügelchen und ver…
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).
