Optisk forskning i glas mikrobobler resonatorer producerer interessante ikke-lineære effekter

Når man måler varigheden af ​​højhastigheds fysiske fænomener, et godt stopur kan kun bringe dig så langt, og mens oscilloskoper kan opfange elektriske signaler med frekvenser på nogle få GHz, at måle utroligt hurtige optiske fænomener kræver noget mere - et system kaldet en optisk frekvenskam. Normale lasere er monokromatiske kilder, der kun indeholder en enkelt frekvens af lys; i modsætning, frekvenskamme indeholder mange frekvenser, ligeligt fordelt i frekvensdomænet, som ligner meget tænderne på en kam. Frekvenskamme bruges i vid udstrækning som en type 'optisk lineal', da de kan måle hurtigt varierende signaler ved at forstyrre 'tænderne' på frekvenskammene med det signal, de ønsker at måle, som følgelig konverterer disse signaler til mere håndterbare radiofrekvenssignaler.

Forskere i Light-Matter Interactions Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, sammen med samarbejdspartnere i Washington University, udgav for nylig en artikel i Optik bogstaver hvor de skitserer, hvordan de skabte en frekvenskam i det synlige spektrum. De opnåede dette ved at kombinere et fænomen kendt som firebølgeblanding med en lavpris, lav-effekt enhed kaldet en mikro-boble resonator (MBR). MBR'er er en type whispering gallery mode resonator (WGMR), og indtil nu, kun infrarøde frekvenskamme er blevet produceret direkte ved hjælp af fire-bølge-blanding i WGMR'er. At flytte disse enheders driftsbølgelængde ind i det synlige regime har enorme fordele, da en 'optisk lineal' ofte er eftertragtet for lys, der kan observeres af det menneskelige øje. MBR-enheden kan være meget nyttig i lægevidenskaben, hvor højpræcisionsfrekvensmålinger er påkrævet, såsom medicinske CT-scanninger, hvor optiske frekvenskamme er en glimrende kandidat. I øjeblikket genereres optiske frekvenskamme ved hjælp af heftige femtosekund lasersystemer, der kræver meget plads og forbruger mange watt strøm, eller ved at bruge andre store mode-låste lasersystemer. Den foreslåede MBR, i modsætning, er mikron i størrelse og kræver kun en laveffektlaser for at pumpe enheden, da det lille volumen af ​​resonatoren betyder, at små inputeffekter svarer til ekstremt høje cirkulerende intensiteter, et krav om, at ikke-lineære processer skal forekomme.

Et klassisk hviskegalleri - fænomenerne, der gør det muligt for denne enhed at fungere - er en akustisk effekt. Kuppelen på St. Pauls katedral i London er et berømt eksempel på et hviskende galleri. I et cirkulært kabinet, lydbølger forplanter sig langs de indre vægge med lidt tab, så man kan høre hvisken mumlet nær væggen et stort stykke væk langs væggen. Optisk, forskerne kopierer denne effekt ved at få lys til at 'hoppe' langs væggene i et cirkulært hulrum, i dette tilfælde en mikrobobleresonator. Det lykkedes gruppen at fremstille en mikrobobleresonator med en vægtykkelse på 1,4 mikron - omkring 60 gange tyndere end et menneskehår - og en samlet diameter på 120 mikron. Ved at bruge denne enhed, det lykkedes dem at producere en optisk frekvenskam med en central rød bølgelængde på 765 nanometer, falder nøjagtigt sammen med de forudsagte resultater.

Forfatterne af papiret skabte MBR'er ved at tilspidse tynde glaskapillærer ned til nogle få titus mikrometer i diameter, blokere en af ​​deres åbninger og derefter pumpe gas ind i rørene. Opvarmning af et område af glasset ved hjælp af en CO2-laser danner en lille boble på grund af balancen mellem gastrykket i kapillæren og overfladespændingen af ​​det smeltede glas, meget ligesom hvordan glaspustere producerer smukke glasvaser. I modsætning til typiske solide resonatorer uden tynde vægge, forskerne kan styre vægtykkelsen præcist, hvilket giver en ekstra grad af frihed. Denne afgørende forskel gjorde det muligt for forskerne at indstille enhedens centrale frekvens til det synlige regime.

Dr. Yong Yang, den primære forfatter til dette papir, ser frem til at rykke grænserne for enheden med endnu tyndere vægdimensioner og håber at udvide rækkevidden af ​​denne enhed for til sidst at spænde over afstanden mellem det blå lys med lavere bølgelængde helt til det nære infrarøde område. "Jeg er begejstret for mikrobobleresonatoren, da dens unikke geometri giver os så meget mere kontrol over de dispersive egenskaber og i sidste ende vil hjælpe os til yderligere at skubbe grænserne for denne enhed, " siger Yang. Til sidst, dette arbejde kunne give forskere et værktøj, der er billigt, laveffekt og kompakt alternativ til de kommercielt tilgængelige frekvenskamme i dag. Hvilken bedre måde at måle lys på end at bruge lys?