High Q-factor measurements and prolonged Raman lasing in microdroplets standing on a superhydrophobic surface

Abstract

Optik mikrokovuklar ışık-madde etkileşmelerinin incelendiği ve özgün fotonik ve optoelektronik cihaz konseptlerinin geliştirildiği ve test edildiği platformlardır. Temel bilim açısından bakıldığında, kuantum ve doğrusal olmayan optic alanında önemlidir. Teknolojik açıdan ise gelecekteki bilgisayar ve telekomünikasyon cihazları bu yapılardan istifade edebilir. Bu tezin sonuçları iki ana kısımda sunulmaktadır; i) sıvı mikrodamlacıkları optic mikrokovuk olarak karakterize etmek ve ii) sürdürülebilir mikrodamla Raman lazeri gösterimi. Her iki kısımda da yeni gösterilen damlacığın tersinebilir fototermal tarama tekniği kullanılmıştır.Yüksek Kalite faktörleri (Q-faktör) özellikle kuantum ve doğrusal olmayan optik çalışmaları için önemlidir. Laboratuvarımızda önceki Q-faktör ölçüm denemeleri monokromatörün çözünürlüğü ile (0.07 nm) sınırlanmış olup, yaklaşık 650 nm civarında 8100 civarı bir Q-faktöre tekabül etmekteydi. Tezin ilk kısmında tersinebilir fototermal tarama tekniğini bu kısıtlamayı ortadan kaldırmak için kullandık. Q-faktörleri ölçmek için bu teknikle damlacığın boyu çok hassas bir biçimde sürekli olarak tarandı. Aynı zamanda boya molekülü katkılanmış olan bu damlacıklar Fısıldayan Galeri Kipleri (FGK) mavi lazer ile uyarıldı. Rezonans durumu sağlandığında tek foton detektöründe bir pik görüldü. Bu metodla 105 mertebesinde Q-faktörler ölçüldü. Damlacığın boyunu ?1Å hassasiyetle taradığımızı işaret eden 0.004 nm çözünürlük elde edildi.Tezin ikinci kısmında ise NaCl-su damlacıklarından 25 dakikaya kadar sürdürülebilen Raman lazeri gösteriyoruz. Prensip olarak deneylerimizde üst zaman limiti yoktur ve bütün deneyler yeterli data toplandıktan sonra manuel olarak sonlandırılmıştır. Gösterdiğimiz teknik iki lazerle çalışmaktadır: fototermal tarama için sürekli dalga infrared (IR) lazer, ve boyut sabitlemesi ve Raman bandı uyarılması için darbeli yeşil pompa lazeri. Daha önce damlaların rezonans ısıtmasının boyuta bağlı soğurma nedeniyle boyut sabitlemesine yol açacağı gösterilmişti. Bu çalışmada, bu tekniği fototermal tarama tekniği ile birleştirerek uzun surely Raman lazeri gösterimi için kullandık. Fototermal tarama ile damlacığın boyu yeşil lazer ile rezonansa yakın bir boya getirilir. Bu noktadan sonra ise yeşil lazerin rezonans ısıtması daha önce gözlemlenen açık-kapalı davranışını yokeden bir boyut sabitlemesini sağlar. Buna rağmen nem hücresindeki uzun sureli, yavaş dalgalanmaları elimine etmek için Raman lazeri çalışmaya başladıktan sonra IR lazerin gücü küçük manuel ayarlamalarla değiştirilmiştir.

Optical microcavities are platforms in which the light-matter interactions are investigated and novel photonic and optoelectronic device concepts are introduced and tested. From the basic scientific point of view, they are important for quantum and nonlinear optical studies, whereas from a technological perspective, future computers and telecommunication components can benefit from microcavity based devices. The results of this thesis are presented in two parts; i) characterizing liquid microdroplets as optical microcavities and ii) sustainable microdroplet Raman laser, both with the help of recently demonstrated reversible photothermal tuning of a droplet.High Quality factors (Q-factors) are essential for studies in especially quantum and nonlinear optics. Previous attempts of Q-factor measurements were limited by the resolution (0.07 nm) of the monochromator present in the laboratory which corresponds to a Q-factor of about 8100 around 650 nm. In the first part of the thesis, we made use of reversible photothermal tuning to overcome this limitation. When heated, certain amount of water evaporates, thus changes the equilibrium size of the microdroplet. In order to measure the Q-factor, we continuously change the power of the IR laser in very small steps, which enables tuning of the size of the microdroplet accordingly. WGMs of a dye-doped microdroplet are simultaneously excited by a probe laser and dye emission is monitored with an avalanche photo diode (APD). A peak is observed in the APD signal when the resonance condition is satisfied. Q-factors up to 105 are measured with this method. We achieved a resolution around 0.004 nm, which implies that we have the ability to tune the droplet?s radius with a precision of ?1Å.In the second part of the thesis, we demonstrate sustained Raman lasing from NaCl-water microdroplets with time periods as long as 25 minutes. In principle, there is no upper limit and all the experiments were terminated after sufficient amount of data were gathered. The technique we present relies on two lasers: a cw IR laser for photothermal tuning, and a pulsed green laser for size stabilization and excitation of the Raman band. It was previously shown that resonant heating of a droplet can lead to size stabilization due to size-dependent absorption. In this study, we combine this effect with photothermal tuning to sustain Raman lasing in long time scales. By photothermal tuning, the size of the droplet is tuned to a specific size in resonance with the green laser. From then on, resonant heating of the green laser leads to size stabilization, which eliminates the previously observed on-off behavior. However, long term fluctuation in the chamber still needs to be suppressed and it is compensated by slight manual adjustments of IR laser power after Raman lasing is detected.