Name: stimulated stokes and antistokes raman scattering in microspherical whispering gallery mode resonators
Uploaded: 2016-04-04T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 21 s
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Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi
Ente Cassa di Risparmio di Firenze (No. 2014.0770A2202.8861)

1. Herstellung von Ultraqualitätsfaktor Microspheres <ol><li> Entfernen Sie ca. 1-2 cm von einer Standard-Single-Mode (SMF) Silica-Faser aus seiner Acryl-Beschichtung einen optischen Stripper. </li><li> Reinigen Sie den abisolierten Teil mit Aceton und es spalten. </li><li> Einzuführen, um die gespaltene Spitze in einen Arm eines Fusionssplicers und produzieren die Spleißvorrichtung Controller eine Reihe von elektrischen Bogenentladungen verwendet wird. Wählen Sie &quot;Handbetrieb&quot; von der Splicer-Controller-Menü legen Sie die Werte für die Lichtbogenleistung und Lichtbogendauer bis 60 und 800 msec; wählen Sie &quot;Bogen&quot; und drücken Sie den Boden &quot;+&quot;. </li><li> Sobald eine Kugel nimmt Gestalt an, stoppen, drehen Sie die Faser um 90 ° und wiederholen Sie Schritt 1.3. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 1.3 mindestens 4 mal eine Mikrokügelchens von etwa 160 um zu erhalten. 16 mal wiederholen, eines Mikrokügelchens von etwa 260 um zu erhalten. Hinweis: Die elektrische Bogenentladungen wird die hohe Schmelztemperatur erzeugen benötigt, um das Quarzglas zu verschmelzen. Die surface Spannung wird ein Sphäroid aus der besänftigt Faserspitze ziehen; Die Größe der Kugeln der Anzahl der Lichtbogenschüsse direkt proportional, bei einem Durchmesser von etwa 350 um zu sättigen, wie es in Abbildung 1 19 zu sehen ist. Die Rotation sorgt für eine sphärische Form des Resonators. </li></ol> 2. Zeichnen einer Kegel Fiber Hinweis: Der sich verjüngende Faser auch zum Einkoppeln von Licht in die Mikroresonatoren benötigt wird. Die Grße der Mikrokügelchen wird die Taille des Kegels bestimmen. Für Kugeldurchmesser größer ist als 125 um, kann der Durchmesser des Kegels von etwa 3-4 &amp; mgr; m sein. Für kleinere, sollte der Durchmesser des Kegels kleiner, etwa 1-2 um. Um Verluste auf einem niedrigen Niveau zu halten und nur einen Modus, in dem sich verjüngenden Abschnitt (die grundlegende eins) zu haben, hat die Verjüngung adiabatische (zu dünnen Durchmesser von dicken allmählichen Übergang) zu sein. Die typische Gesamtlänge des adiabatischen konischen Abschnitt ist etwa 2 cm. FiguRe 2 zeigt die hausgemachte Gerät die Faser und 3A zeigt eine Mikroskopaufnahme eines typischen Taillenzone zum Ziehen. <ol><li> Streifen 3-4 cm von einer Standard-Single-Mode (SMF) Silica-Faser aus seiner Acryl-Beschichtung einen optischen Stripper und verbinden die Faser einem Laser endet (Eingang) und einem Leistungsmesser (Output). Achten Sie darauf, dass die abisolierten Zone etwa in der Mitte der Faser ist, nicht an einem Ende. Verwenden Sie einen blanken Faser-Terminator, um der Lage sein, die Faser zu verbinden, endet mit dem Laser und Leistungsmesser. Setzen Sie den Laser und den Leistungsmesser oben auf der Werkbank. </li><li> Legen Sie die gestrippt Faser in einem kurzen Aluminiumoxidzylinder, und die beschichteten Enden der Faser in zwei Übersetzungsstufen, die gleichzeitig während des Ziehvorgangs betätigen. </li><li> Erhitzen Sie das Aluminiumoxidzylinder (das wirkt als Ofen) durch ein Sauerstoff-Butan-Flamme bis zu einer Temperatur nahe einem Schmelzpunkt von Silica (etwa 2.100 ° C). </li><li> Infer die Adiabasie der Verjüngung von der Observation der Übertragung eines Laserlicht bei 635 nm arbeitet. Überprüfen Sie, ob ein homogenes kreisförmiger Fleck am Ausgang erhalten wird, während sich verjüngenden, was darauf hinweist, dass kein Modus Scrambling auftritt. Stoppen Sie ziehen und die Flamme zurückziehen, wenn die Sendeleistung oszillierenden stoppt, und ist über die Zeit konstant. </li><li> Kleben Sie die verjüngte Faser in eine Folie Mikroskop Glas in Form eines U - förmigen die Verjüngung aufzunehmen (siehe Abbildung 3B). Verwenden Sie ein Mikroskop Objektträger aus Glas mit den Abmessungen 76x26x1.2 mm. </li></ol> 3. Fabrication of Small Microspheres Anmerkung: Kleine Mikrokugeln mit Durchmessern unterhalb der Größe einer Standard-Mantelfaser vorherigen Verjüngung der Faser erfordern. Der Mindestdurchmesser dieses Verfahren erhalten unter Verwendung von etwa 25 &amp; mgr; m. <ol><li> Mit dem folgenden Abschnitt 2, ziehen eine sich verjüngende Faser, ziehen, bis er bricht. </li><li> Befolgen Sie alle Schritte des § 1 (Herstellung von UHQ Mikrokügelchen), aber in Schritt 1.3, ändern Sie die Werte auf der Splicer controller wie folgt: Lichtbogenleistung 20, Bogendauer 1200 ms. </li></ol> 4. Einkopplung von Licht in die Mikrokugel Hinweis: Wir verwenden die Verjüngung, um Licht in die Mikrokügelchen und die Resonanzen der Mikroresonator messen. <ol><li> 4.1. Bereiten Sie eine T-förmige PVC / Alu-Halter mit einem Kanal in der Mitte. Befestigen Sie den Restfaserstamm der Mikrokügelchen mit einem Stück Tesa Magie oder Papier Klebeband in den Halter. Spannen Sie den Halter mit zwei Schrauben in einem Verschiebetisch mit Piezoaktoren und eine Positionsauflösung von 20 nm. </li><li> Befestigen Sie die geklebte Verjüngung zu dem Glasträger in eine andere Übersetzung Stufe mit dem Schiebe Ebene senkrecht zur Mikrokügelchen Faserstamm positioniert. Splice die Enden der Verjüngung beendet Faserkabeln. Verbinden eines Ende mit dem abstimmbaren Diodenlaser und die andere zu einer InGaAs-Photodiodendetektor. </li><li> Verwenden Sie ein Mikroskoptubus mit großem Arbeitsabstand (&gt; 20 mm) zusammenntrol die Lücke zwischen dem Konus und Mikrokügelchen. Um das System in der anderen Richtung statt einen Spiegel auf 45 ° in Bezug auf die Rohrrichtung zu überwachen, so dass die Position der Verjüngungs relativ zum Äquator der Mikrokügelchen gesteuert werden kann. <ol><li> Positionieren Sie den Äquator der Mikrokügelchen in Kontakt mit der sich verjüngenden Faser. </li></ol></li><li> Schalten Sie den Laser und überprüfen Sie das Transmissionsspektrum des Mikrokugeln Kegel System in einem Oszilloskop. <ol><li> Stellen Sie den CW-Laser bei 1.550 nm arbeitet, bis Resonanzen auftreten. Die Resonanzen identifiziert werden können als Lorentz Dips im Spektrum geformt. </li></ol></li><li> Messen Sie die Resonanzlinienbreite (Halbwertsbreite des Lorentz-förmigen dip). Berechne den Q-Faktor, wenn die Frequenz der Pumpe durch die Resonanzlinienbreite geteilt. </li><li> Verkleinern / erhöhen die Lücke zwischen der Kugel und der Verjüngung, ändert beide Resonanz Breite und Tiefe zur Erhöhung / Verringerung der Kopplungseffizienz. </li></ol><pclass = &quot;jove_title&quot;&gt; 5. Stimulierte Raman-Streuung <ol><li> Legen Sie eine Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) zwischen dem CW-Laser bei 1.550 nm und das Dämpfungsglied arbeitet. Der EDFA arbeitet im Wellenlängenbereich von 1,530-1,570 nm. Hinweis: Dadurch wird die Laserleistung steigern, eine maximale Ausgangsleistung von 2 W. Nichtlineare Effekte müssen hohe Eingangsleistungen erreicht Abbildung 4 zeigt eine Skizze des experimentellen Aufbaus.. </li><li> Schließen Sie ein Ende des Konus mit terminierten Faserkabeln zu einem 3 dBm Splitter. Verbinden eines der Splitter Ausgangsfasern zu dem optischen Spektrum-Analysator und der andere zu einem Fotodetektor, der mit dem Oszilloskop verbunden ist. </li><li> Tune den Laser von hohen zu niedrigen Frequenzen, bis eine Resonanz mit einer thermischen Drift vergleichbar mit der Wellenlänge Abtastgeschwindigkeit des Lasers vorhanden. Wenn die thermische selbsthemmendes 20 eine Verbreiterung der Resonanz erreicht wird , kann auf dem Oszilloskop zu sehen ist. </li><li> Überprüfen Sie die Ausgangsleistung durch die Verjüngung übertragenin einen optischen Spektrumanalysator. Erhöhen Sie die Leistung, bis der Raman-Laserlinie erscheint. Es wird bei etwa 13,5 THz von der Pumpwellenlänge verstimmt. </li></ol>

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	<li>Kozyreff, G., Dominguez-Juarez, J. L., Martorell, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non+linear+optics+in+spheres:+from+second+harmonic+scattering+to+quasi-phase+matched+generation+in+whispering+gallery+modes.">Non linear optics in spheres: from second harmonic scattering to quasi-phase matched generation in whispering gallery modes.</a> Laser Photon. Rev. 5 (6), (2011).</li><li>Farnesi, D., Barucci, A., Righini, G. C., Berneschi, S., Soria, S., Nunzi Conti, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+frequency+generation+in+silica+microspheres.">Optical frequency generation in silica microspheres.</a> Phys. Rev. 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The authors declare that they have no competing financial interests. D.F. is a PhD student at the University of Parma.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Optical Fiber</td><td>Corning</td><td>SMF28</td><td></td></tr><tr><td>Fiber coating stripper</td><td>Thorlabs</td><td>T06S13</td><td>Available from other vendors as well</td></tr><tr><td>Fiber cleaver</td><td>Fitel</td><td>S325A</td><td>Available from other vendors as well</td></tr><tr><td>Fusion splicer</td><td>Furakawa</td><td>S177A-1R</td><td>Available from other vendors as well</td></tr><tr><td>Butane and Oxygen Gas</td><td>n/a</td><td></td><td>any vendor</td></tr><tr><td>Microscope tube</td><td>Navitar</td><td>Zoom 6000</td><td>Modular Kit</td></tr><tr><td>CCD camera</td><td>n/a</td><td>N/A</td><td>any will fit</td></tr><tr><td>Monitor</td><td>n/a</td><td>N/A</td><td>any monitor is valid</td></tr><tr><td>3-Axis Stage</td><td>PI Instruments, Thorlabs, Melles</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Assorted posts and mounts</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>Available from other vendors as well</td></tr><tr><td>Polarization control</td><td>Thorlabs</td><td>FPC030</td><td>Available from other vendors as well</td></tr><tr><td>Attenuator</td><td>Throlabs</td><td>VOA50</td><td></td></tr><tr><td>Photodiode</td><td>Thorlabs</td><td>PDA400</td><td>discontinued, replaced by PDA10CS-EC</td></tr><tr><td>Oscilloscope</td><td>Tektronix</td><td>DPO7104</td><td></td></tr><tr><td>Optical spectrum analyzer</td><td>Ando</td><td>AQ6317B</td><td></td></tr><tr><td>Erbium Doped Fiber Amplifier</td><td>IPG Photonics</td><td>EAD-2K-C</td><td></td></tr><tr><td>Tunable Laser</td><td>Yenista</td><td>TUNICS</td><td></td></tr></tbody></table>

stimulated stokes and antistokes raman scattering in microspherical whispering gallery mode resonators

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.

Die Q - Faktoren der Mikrokügelchen , hergestellt nach dem oben beschriebenen Protokoll sind in mehr als 10 8 (Figur 5) für den großen Durchmessern (&gt; 200 um) und von mehr als 10 6 bei kleinen Durchmessern (&lt;50 um). Resonance Kontrast von über 95% (in der Nähe kritischer Kopplung) leicht beobachtet werden. Für hohe zirkulierende Intensitäten können die folgenden nichtlineare Effekte im Infrarotbereich beobachtet werden: stimulierte Ram...

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Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

Stimulated Stokes und Antistokes Raman Scattering in Mikrosphärische Whispering Gallery-Modus Resona

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).

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...

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Engineering

11.2K Aufrufe.  Enrico Fermi Center.  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). 

Serie: Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

Rejection of Fluorescence Background in Resonance and Spontaneous Raman Microspectroscopy

Raman spectroscopy is often plagued by a strong fluorescent background, particularly for biological samples. If a sample is excited with a train of ultrafast pulses, a system that can temporally separate spectrally overlapping signals on a picosecond timescale can isolate promptly arriving Raman scattered light from late-arriving fluorescence light. Here we discuss the construction and operation of a complex nonlinear optical system that uses all-optical switching in the form of a low-power optical Kerr gate to isolate Raman and fluorescence signals. A single 808 nm laser with 2.4 W of average power and 80 MHz repetition rate is split, with approximately 200 mW of 808 nm light being converted to &lt; 5 mW of 404 nm light sent to the sample to excite Raman scattering. The remaining unconverted 808 nm light is then sent to a nonlinear medium where it acts as the pump for the all-optical shutter. The shutter opens and closes in 800 fs with a peak efficiency of approximately 5%. Using this system we are able to successfully separate Raman and fluorescence signals at an 80 MHz repetition rate using pulse energies and average powers that remain biologically safe. Because the system has no spare capacity in terms of optical power, we detail several design and alignment considerations that aid in maximizing the throughput of the system. We also discuss our protocol for obtaining the spatial and temporal overlap of the signal and pump beams within the Kerr medium, as well as a detailed protocol for spectral acquisition. Finally, we report a few representative results of Raman spectra obtained in the presence of strong fluorescence using our time-gating system.

We discuss the construction and operation of a complex nonlinear optical
system that uses ultrafast all-optical switching to isolate Raman from fluorescence
signals. Using this system we are able to successfully separate Raman and fluorescence
signals utilizing pulse energies and average powers that remain biologically safe.

Ablehnung des Fluorescence Resonance Hintergrund in und Spontane Raman Mikrospektroskopie

Raman spectroscopy is often plagued by a strong fluorescent background, particularly for biological samples. If a sample is excited with a train of ...

Forschung

Biotechnik

Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The optical modes are frequently referred to as "whispering gallery modes" (WGM) or "morphology dependent resonances" (MDR) and exhibit high optical quality factors. Some proposed applications of micro-cavity optical resonators are in spectroscopy1, micro-cavity laser technology2, optical communications3-6 as well as sensor technology. The WGM-based sensor applications include those in biology7, trace gas detection8, and impurity detection in liquids9. Mechanical sensors based on microsphere resonators have also been proposed, including those for force10,11, pressure12, acceleration13 and wall shear stress14. In the present, we demonstrate a WGM-based electric field sensor, which builds on our previous studies15,16. A candidate application of this sensor is in the detection of neuronal action potential.
The electric field sensor is based on polymeric multi-layered dielectric microspheres. The external electric field induces surface and body forces on the spheres (electrostriction effect) leading to elastic deformation. This change in the morphology of the spheres, leads to shifts in the WGM. The electric field-induced WGM shifts are interrogated by exciting the optical modes of the spheres by laser light. Light from a distributed feedback (DFB) laser (nominal wavelength of ~ 1.3 &mu;m) is side-coupled into the microspheres using a tapered section of a single mode optical fiber. The base material of the spheres is polydimethylsiloxane (PDMS). Three microsphere geometries are used: (1) PDMS sphere with a 60:1 volumetric ratio of base-to-curing agent mixture, (2) multi layer sphere with 60:1 PDMS core, in order to increase the dielectric constant of the sphere, a middle layer of 60:1 PDMS that is mixed with varying amounts (2% to 10% by volume) of barium titanate and an outer layer of 60:1 PDMS and (3) solid silica sphere coated with a thin layer of uncured PDMS base. In each type of sensor, laser light from the tapered fiber is coupled into the outermost layer that provides high optical quality factor WGM (Q ~ 106). The microspheres are poled for several hours at electric fields of ~ 1 MV/m to increase their sensitivity to electric field.

A high-sensitivity photonic micro sensor was developed for electric field detection. The sensor exploits the optical modes of a dielectric sphere. Changes in the external electric field perturb the sphere morphology leading to shifts in its optical modes. The electric field strength is measured by monitoring these optical shifts.

Entwicklung von Whispering Gallery-Modus polymeren Mikro-optische Electric Field Sensoren

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

Ingenieurwesen

Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various areas of technology and applied science, such as aerospace and communication engineering, sensing, metrology, nonlinear photonics, and quantum optics. In this article, we present the principal techniques used in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators. First detailed in this article is the protocol for resonator polishing, which is based on a grind-and-polish technique close to the ones used to polish optical components such as lenses or telescope mirrors. Then, a white light interferometric profilometer measures surface roughness, which is a key parameter to characterize the quality of the polishing. In order to launch light in the resonator, a tapered silica fiber with diameter in the micrometer range is used. To reach such small diameters, we adopt the "flame-brushing" technique, using simultaneously computer-controlled motors to pull the fiber apart, and a blowtorch to heat the fiber area to be tapered. The resonator and the tapered fiber are later approached to one another to visualize the resonance signal of the whispering gallery modes using a wavelength-scanning laser. By increasing the optical power in the resonator, nonlinear phenomena are triggered until the formation of a Kerr optical frequency comb is observed with a spectrum made of equidistant spectral lines. These Kerr comb spectra have exceptional characteristics that are suitable for several applications in science and technology. We consider the application related to ultra-stable microwave frequency synthesis and demonstrate the generation of a Kerr comb with GHz intermodal frequency.

The customized techniques developed in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators are presented. The protocols to obtain and characterize these resonators are detailed, and an explanation of some of their applications in microwave photonics is given.

Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Resonance Raman Spectroscopy of Extreme Nanowires and Other 1D Systems

This paper briefly describes how nanowires with diameters corresponding to 1 to 5 atoms can be produced by melting a range of inorganic solids in the presence of carbon nanotubes. These nanowires are extreme in the sense that they are the limit of miniaturization of nanowires and their behavior is not always a simple extrapolation of the behavior of larger nanowires as their diameter decreases. The paper then describes the methods required to obtain Raman spectra from extreme nanowires and the fact that due to the van Hove singularities that 1D systems exhibit in their optical density of states, that determining the correct choice of photon excitation energy is critical. It describes the techniques required to determine the photon energy dependence of the resonances observed in Raman spectroscopy of 1D systems and in particular how to obtain measurements of Raman cross-sections with better than 8% noise and measure the variation in the resonance as a function of sample temperature. The paper describes the importance of ensuring that the Raman scattering is linearly proportional to the intensity of the laser excitation intensity. It also describes how to use the polarization dependence of the Raman scattering to separate Raman scattering of the encapsulated 1D systems from those of other extraneous components in any sample.

The paper describes a method for producing extreme nanowires by melt infiltration into carbon nanotubes and how 1D systems may be characterized and investigated using Resonance Raman Spectroscopy to determine vibrational and optical excitation energies.

Resonanz-Raman-Spektroskopie von Extreme Nanodrähte und andere 1D-Systeme

This paper briefly describes how nanowires with diameters corresponding to 1 to 5 atoms can be produced by melting a range of inorganic solids in the ...

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as aqueous solutions and biomaterials, with fast acquisition times. Here, we discuss the assembly and operation of a Brillouin spectrometer that uses stimulated Brillouin scattering (SBS) to measure stimulated Brillouin gain (SBG) spectra of water and lipid emulsion-based tissue-like samples in transmission mode with &lt;10 MHz spectral-resolution and &lt;35 MHz Brillouin-shift measurement precision at &lt;100 ms. The spectrometer consists of two nearly counter-propagating continuous-wave (CW) narrow-linewidth lasers at 780 nm whose frequency detuning is scanned through the material Brillouin shift. By using an ultra-narrowband hot rubidium-85 vapor notch filter and a phase-sensitive detector, the signal-to-noise-ratio of the SBG signal is significantly enhanced compared to that obtained with existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables measurement of SBG spectra with up to 100-fold faster acquisition times, thereby facilitating high spectral-resolution and high-precision Brillouin analysis of soft materials at high speed.

We describe the construction of a rapid continuous-wave-stimulated-Brillouin-scattering (CW-SBS) spectrometer. The spectrometer employs single-frequency diode-lasers and an atomic vapor notch-filter to acquire transmission spectra of turbid/non-turbid samples with high spectral-resolution at speeds up to 100-fold faster than those of existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables high-speed Brillouin material analysis.

High-Speed-Dauerstrich-stimulierten Brillouin-Streuung Spektrometer für Materialanalyse

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.

Herstellung von Polymer-Mikrosphären für optische Resonator- und Laseranwendungen

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Implementation of a Nonlinear Microscope Based on Stimulated Raman Scattering

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy uses near-infrared excitation light; therefore, it shares many multi-photon microscopic imaging properties. SRS imaging modality can be obtained using commercial laser-scanning microscopes by equipping with a non-descanned forward detector with proper bandpass filters and lock-in amplifier (LIA) detection scheme. A schematic layout of a typical SRS microscope includes the following: two pulsed laser beams, (i.e., the pump and probe directed in a scanning microscope), which must be overlapped in both space and time at the image plane, then focused by a microscope objective into the sample through two scanning mirrors (SMs), which raster the focal spot across an x-y plane. After interaction with the sample, transmitted output pulses are collected by an upper objective and measured by a forward detection system inserted in an inverted microscope. Pump pulses are removed by a stack of optical filters, whereas the probe pulses that are the result of the SRS process occurring in the focal volume of the specimen are measured by a photodiode (PD). The readout of the PD is demodulated by the LIA to extract the modulation depth. A two-dimensional (2D) image is obtained by synchronizing the forward detection unit with the microscope scanning unit. In this paper, the implementation of an SRS microscope is described and successfully demonstrated, as well as the reporting of label-free images of polystyrene beads with diameters of 3 &#181;m. It is worth noting that SRS microscopes are not commercially available, so in order to take advantage of these characteristics, the homemade construction is the only option. Since SRS microscopy is becoming popular in many fields, it is believed that this careful description of the SRS microscope implementation can be very useful for the scientific community.

In this manuscript, the implementation of a stimulated Raman scattering (SRS) microscope, obtained by the integration of an SRS experimental set-up with a laser scanning microscope, is described. The SRS microscope is based on two femtosecond (fs) laser sources, a Ti-Sapphire (Ti:Sa) and synchronized optical parametric oscillator (OPO).

Implementierung eines nichtlinearen Mikroskops auf Basis der stimulierten Raman-Streuung

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy uses near-infrared excitation light; therefore, it shares many multi-photon microscopic imaging properties. ...

Ultrafast Time-resolved Near-IR Stimulated Raman Measurements of Functional &#960;-conjugate Systems

Femtosecond time-resolved stimulated Raman spectroscopy is a promising method of observing the structural dynamics of short-lived transients with near infrared (near-IR) transitions, because it can overcome the low sensitivity of spontaneous Raman spectrometers in the near-IR region. Here, we describe technical details of a femtosecond time-resolved near-IR multiplex stimulated Raman spectrometer that we have recently developed. A description of signal generation and optimization, measurement, data acquisition, and calibration and correction of recorded data is provided as well. We present an application of our spectrometer to analyze the excited-state dynamics of &#946;-carotene in toluene solution. A C=C stretch band of &#946;-carotene in the second lowest excited singlet (S2) state and the lowest excited singlet (S1) state is clearly observed in the recorded time-resolved stimulated Raman spectra. The femtosecond time-resolved near-IR stimulated Raman spectrometer is applicable to the structural dynamics of &#960;-conjugate systems from simple molecules to complex materials.

Details of signal generation and optimization, measurement, data acquisition, and data handling for a femtosecond time-resolved near-IR stimulated Raman spectrometer are described. A near infrared stimulated Raman study on the excited-state dynamics of &#946;-carotene in toluene is shown as a representative application.

Ultraschnelle zeitaufgelöste Near-IR Stimulated Raman Messungen von funktionalen -konjugatsystemen

Femtosecond time-resolved stimulated Raman spectroscopy is a promising method of observing the structural dynamics of short-lived transients with near ...

Chemie

Multiplex Chemical Imaging Based on Broadband Stimulated Raman Scattering Microscopy

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy is a nonlinear optical technique for label-free chemical imaging. This analytical tool delivers chemical maps at high speed, and high spatial resolution of thin samples by directly interrogating their molecular vibrations. In its standard implementation, SRS microscopy is narrowband and forms images with only a single vibrational frequency at a time. However, this approach not only hinders the chemical specificity of SRS but also neglects the wealth of information encoded within vibrational spectra. 
These limitations can be overcome by broadband SRS, an implementation capable of extracting a vibrational spectrum per pixel of the image in parallel. This delivers hyperspectral data that, when coupled with chemometric analysis, maximizes the amount of information retrieved from the specimen. Thus, broadband SRS improves the chemical specificity of the system, allowing the quantitative determination of the concentration of the different constituents of a sample. Here, we report a protocol for chemical imaging with broadband SRS microscopy, based on a home-built SRS microscope operating with a custom differential multichannel-lock-in amplifier detection. It discusses the sample preparation, alignment of the SRS apparatus, and chemometric analysis. By acquiring vibrational Raman spectra, the protocol illustrates how to identify different chemical species within a mixture, determining their relative concentrations.

We present a protocol to acquire chemical images with broadband stimulated Raman scattering (SRS) microscopy. Based on an SRS microscope that operates with differential multichannel-lock-in detection, the protocol describes the sample preparation, adjustment of the SRS apparatus, and chemometrics to disentangle different constituents of chemically heterogeneous samples.

Chemische Multiplex-Bildgebung auf Basis einer breitbandstimulierten Raman-Streumikroskopie

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy is a nonlinear optical technique for label-free chemical imaging. This analytical tool delivers chemical maps ...