Controlled deformation and raman lasing in microdroplets standing on a superhydrophobic surface

Abstract

Sıvı mikrodamlacıklar, küresel şekli, pürüzsüz yüzeyi, biyo-uyumluluğu ve esnek yapısından dolayı, fısıldayan galeri kiplerinin (FGK) özelliklerinden faydalanan uygulamalarda idealdir. Bu tezde, ilk olarak gliserol-su mikrodamlacıklarının düzgün elektrik alan kullanılarak deforme edilmesi sonucu FGK'lerdeki dejenere olmama durumunu gösteriyoruz. Daha sonra, su tutmayan yüzey üzerinde duran saf su damlacıklarından elde edilen Raman lazer ışımasını sunuyoruz.Sıvı bir mikrokovuk, akışkan ve esnek yapısından dolayı göreceli olarak şeklinde kolay bir kontrol sağlar. Dışarıdan uygulanan kuvvet, elektrik alan, ya da buharlaşma/yoğunlaşma kinetiği sıvı mikrodamlacıkların şeklini değiştirebilir. Düzgün elektrik alan kullanarak, su tutmayan yüzey üzerindeki gliserol-su mikrodamlacıklarının FGK'lerindeki açısal bozulmayı kontrollü bir şekilde ortaya çıkarıyoruz. Dejenere olmayan FGK'lerin ölçülmüş spektral pozisyonları arasında iyi bir uyum gözlemledik. Deney sonuçlarımıza göre kullandığımız mikrodamlacıklar yüzey tarafından kesildiği için, ideal küresel bir mikrodamlacıktan beklenen açısal kip sayısından daha az açısal kip elde ettik. Bu farkı mikrodamlacıkların sus tutmayan yüzey üzerindeki kontak açılarını tahmin etmede kullanıyoruz.Sıvı mikrodamlacıklar, yüksek kalite faktörleriyle ve küçük kip hacimleriyle düşük eşik değerli Raman lazeri geliştirmek için de kullanılırlar. Saf su mikrodamlacıkları kullanarak, 650 nm civarında Raman lazer ışımasını gösterdik. Deneylerimizde, mikrodamlacıklar 532 nm'de çalışan iki kat sıklıklı darbeli bir lazer ile uyarıldı. 650 nm'de su damlacıklarının FGK rezonansları, suyun OH-bağlarının gerilmesi sonucu Raman rezonansıyla aynı yerdedir ve bu rezonansa karşılık gelen frekansta yoğun lazer emisyonu görülür. Lazer ışıması sırasında açık-kapalı davranışı gözlemlendi ve ortalama geçici ışımalar arası ayrılma, zamana bağlı yoğunluk izlemesiyle belirlenir.

Liquid microdroplets are ideally suited for applications that benefit from the properties of the whispering gallery modes (WGMs) because of their spherical shapes, smooth surfaces, biocompatibility, and flexible nature. In this thesis, we present nondegeneracy in WGMs as a result of deformation in the glycerol-water microdroplets using uniform electric field. Raman lasing from individual pure water microdroplets standing on a superhydrophobic surface is also presented in this thesis.A liquid microcavity provides relatively easy control of its shape due to its viscous and flexible nature. An applied external force, electric field, or control of the evaporation/condensation kinetics can change the shape of the liquid microdroplets. We demonstrated controlled lifting of the azimuthal degeneracy of the WGMs of glycerol water microdroplets standing on a superhydrophobic surface by using a uniform electric field. A good agreement was observed between the measured spectral positions of the nondegenerate WGMs. Our results revealed fewer azimuthal modes than expected from an ideal spherical microdroplet due to the truncation by the surface. We used this difference to estimate the contact angles of the microdroplets.Liquid microdroplets are also attractive in developing low threshold Raman lasers due to their high quality factors and small mode volumes. By using pure water microdroplets, we demonstrated Raman lasing near 650 nm. In the experiments, microdroplets were excited by a pulsed, frequency-doubled Nd:YAG laser at 532 nm. Intense laser emission was observed at frequencies corresponding to the WGM resonances of the water microdroplets near 650 nm where Raman resonances due to OH-stretching bonds of water are located. On-off behavior was observed during lasing and the average temporal inter-burst separation was determined from the time-dependent intensity traces.