Stimulert Stokes og Antistokes Raman spredning i mikrosfærisk Whispering Gallery Mode resonatorer
Summary
Effektiv generasjon av ikke-lineære fenomener knyttet til tredje orden optisk ikke-lineær mottakelighet Χ (3) interaksjoner i triply resonant silika mikrosfærer er presentert i denne artikkelen. Samspillet her rapporteres er: stimulert Raman Spredning (SRS), og fire bølgeblandingsprosesser som omfatter stimulert Anti-Stokes Raman Spredning (SARS).
Abstract
Dielektriske sfærer kan begrense lys og lyd for en lang tid gjennom høy kvalitet faktor hviskende galleri moduser (WGM). Glass mikrosfære kan betraktes som et lager av energi med et stort utvalg av programmer: kompakt laserkilder, svært sensitive biokjemiske sensorer og ikke-lineære fenomener. En protokoll for fremstilling av både de mikrokuler og koblingssystem er gitt. Koplingene som beskrives her er koniske fibre. Effektiv generasjon av ikke-lineære fenomener knyttet til tredje orden optisk ikke-lineær mottakelighet Χ (3) interaksjoner i triply resonant silika mikrosfærer er presentert i denne artikkelen. Samspillet her rapporteres er: stimulert Raman Spredning (SRS), og fire bølgeblandingsprosesser som omfatter stimulert Anti-Stokes Raman Spredning (SARS). Et bevis av hulrommet med forbedret fenomen er gitt ved mangel på korrelasjon mellom pumpe, signal og idler: en resonansmodus må foreligge for å oppnå paretsignal og dagdriver. I tilfelle av hyperparametric svingninger (firebølget blanding og stimulert anti-Stokes Raman-spredning), må modiene oppfylle energi og bevegelses bevaring og sist, men ikke minst, har en god romlig overlapping.
Introduction
Whispering galleri-type resonatorer (WGMR) viser to unike egenskaper, en lang levetid og liten foton modus volum som tillater reduksjon av terskelen av ikke-lineære fenomener 1-3. Hviskende galleri modi er optiske modi som er begrenset ved dielektrisk luftgrensesnittet ved total intern refleksjon. Den lille modus volum er på grunn av den høye romlige begrensnings mens den temporale begrensnings er relatert til kvalitetsfaktoren Q for hulrommet. WGMR kan ha forskjellige geometrier og det er forskjellige fabrikasjonsteknikker som er egnet for å oppnå høy Q-resonatorer 4-6 Overflatespenning hulrom som for eksempel silikamikrosfærer oppviser i nærheten av atommålestokk ruhet, som oversetter i høye kvalitetsfaktorer. Begge typer innesperring redusere terskelen for ikke-lineære effekter på grunn av sterk energi buildup inne i WGMR. Den gjør det også kontinuerlig bølge (CW) lineære optikk.
WGMR kan beskrives ved hjelp av the kvantetall n, l, m og deres polarisasjonstilstand, med en sterk analogi med hydrogenatomet 7. Den kulesymmetri muliggjør separasjon i radial og vinkelmessige avhengigheter. Den radielle løsning er gitt av Bessel funksjoner, vinkel de av de sfæriske harmoniske 8.
Silica glass er centrosymmetric og derfor andre ordens fenomener knyttet til Χ (2) samhandling er forbudt. På overflaten av mikrokulen blir den inverse symmetri brutt og Χ (2) fenomener kan observeres 1. Imidlertid fasesamsvarende forhold for andre-ordens frekvensgenerering er mer problematiske enn de tilsvarende i tredje orden frekvens generasjon, spesielt fordi de bølgelengder som er involvert er ganske forskjellige og rollen til dispersjonen kan være ganske viktig. De andre ordens interaksjoner er svært svake. De genererte kraft vekter med Q 3, mens for en third for interaksjon de genererte kraft skalaer med Q 4. 9 Av den grunn fokus for dette arbeidet er tredje orden optisk ikke-lineær mottakelighet Χ (3) interaksjoner som stimulert Raman Spredning (SRS) og stimulert Antistokes Raman Spredning (SARS) , som SARS den mindre utforsket samspillet 10,11. Chang 12 og Campillo 13 pioner i studier av ikke-lineære fenomener ved hjelp av dråper av sterkt ikke-lineære materialer som WGMR men pumpen laseren ble pulset stedet for CW. Silica sfærer 14,10 og microtoroids 15 gitt mer stabile og robuste plattformer i forhold til mikrodråper, få mye av oppmerksomheten i de siste tiårene. Spesielt silika mikrosfærer er veldig lett å dikte og håndtere.
SRS er en ren gevinst prosess som lett kan oppnås i silika WGMR 14,15, etter at det nådde en terskel er nok. I dette tilfellet er den høye circulating intensitet inne i WGMR garanterer Raman laser, men for parametriske oscillasjoner er ikke tilstrekkelig. I disse tilfellene effektive svingninger krever fase og modus tilpasning, energi og bevegelses bevaring lov og en god romlig overlapping av alle resonansmodi for å bli oppfylt 16-18. Dette er tilfelle for SARS og FWM generelt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikrokuler er kompakte og effektive lineære oscillatorer og de er veldig lett å dikte og håndtere. Koniske fibre kan brukes for kobling og ekstrahering av lys i / fra resonatoren. Resonans kontrast opp til 95% og Q-faktorer på ca. 3 x 10 til 8 kan oppnås.
Den største begrensningen av disse fabrikasjonsteknikker er masseproduksjon og integrering. Renhet av fibrene er avgjørende både for mikrokuler og smalner, og det er fuktighet. Begge enhetene må holdes i tørre omgivelse…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
