Introducing a novel optical microcavity: A glycerol/water microdroplet on a superhydrophobic surface

Abstract

Optik mikrokovuklar, ısıgı küçük hacim içinde yüksek kaliteli rezonanslardahapsederler. Bu yapılar, kovuk kuantum elektrodinamigi, optoelektronik ve biyolojikalgılama gibi, temel ve uygulamalı arastırma alanlarında birçok uygulamalar bulmuslardır.Bugüne kadar degisik sekillerin optik mikrokovuk islevi gördükleri gösterilmistir. Bugösterimlerde çesitli sınırlama ilkeleriyle silindirik, küresel, yuvarsı/toroid halka ve digersekiller ve topolojiler kullanılmıstır.Kendilerine özgü kesik mikroküre sekilleriyle, su tutmayan yüzey üzerinde duranyag/su mikrodamlacıkları da özellikle yüzeye paralel olan ekvatoral düzlemde ısık için üçboyutlu bir sınırlama saglayabilirler. Büyük temas açılarıyla bu mikrokovukların fısıldayangaleri kipleri (FGKler) yüksek kalite faktörlerine sahip olabilirler. Bunun yanında,mikrodamlacıkların optik özelliklerini incelemek için elektrodinamik tutma ve optikcımbızlama gibi ek pozisyon kontrol tekniklerine ihtiyaç yoktur. Bu tezde, su tutmayan yüzeyüzerinde duran basit gliserol/su mikrodamlacıkları kullanılarak elde edilen su sonuçlarısunuyoruz. (i) Su mikrodamlacıklarında genis taranabilir FGKlerin gözlenmesi. 9.6 nm'denbüyük tayf taranabilirligine akımla kontrol edilen bir nem odacıgı içindebuharlasma/yogunlasma ile ulasıldı. (ii) Su mikrodamlacıklarının kendi-kontrolmekanizmasıyla hacimlerini femtolitre seviyede sabit tutulabildigi gösterildi. Bu mekanizma,sabit tutulan yogunlasma oranı ile ebada baglı lazer kaynaklı ısıtması arasındaki etkilesimedayanır. Uygulanan lazeri 500 milisaniye engelleyerek, sabit hacimli mikrodamlacıklarınhacmini basamaklı olarak da degistirebildik. (iii) Rhodamin B katılmıs yag/sumikrodamlacıkların lazer ısıması gösterildi. Bu deneyde, 532 nm'de çalısan iki kat sıklıklıdarbeli bir lazer uyarma aracı olarak kullanıldı. (iv) Aynı uyarıcı kaynak kullanılarak yag/sumikrodamlacıklarında Raman lazer ısıması gözlemlendi. Gözlenen Raman lazer ısıması,devamlı olmak yerine, aralıklı salınımlar seklindeydi. Azot gazı uygulanarak ısımasalınımlarının gözlenme aralıklarında 2.3 sn'den 0.4 sn'ye kadar düsme gözlemlendi.FGKlerin yüksek tayf taranabilirligi; taranabilir filtreler, anahtarlar ve lazerler gibioptik iletisim sistemlerindeki yeni uygulamalara ilham verebilir. Gözlenen Raman ısıması 650nm civarında kısa mesafeli iletisim sistemleri için çok düzenli, etkili fiyatta ısık kaynaklarıgelistirilmesine zemin hazırlayabilir. Bunun yanında sonuçlarımız FGKlerin damlacıklarınbüyüklügüne ve sekline olan duyarlılıgı sayesinde su tutmayan yüzeylerin karakterizasyonuve sıvı-katı yüzeylerin incelenmesinde de uygulama bulabilir.

Optical microcavities confine light into small volumes in high quality resonances.They have found various applications in both fundamental and applied research areassuch as cavity quantum electrodynamics, optoelectronics, and biological sensing. Up todate various geometries have been demonstrated to function as optical microcavities.Cylindrical, spherical, spheroidal/toroidal, ring, and other shapes and topologies withvarious confining principles have been used in these demonstrations.With their specific truncated microsphere geometry, glycerol/water microdropletsstanding on a superhydrophobic surface can also provide a three dimensionalconfinement for light, specifically in the equatorial plane paralel to the substrate.Provided a large contact angle, the whispering gallery modes (WGMs) of these opticalmicrocavities can possess relatively high quality factors. Besides, no additional positioncontrol technique such as electrodynamic trapping or optical tweezing is necessary toanalyze the optical properties of these microdroplets. In this thesis we present thefollowing results obtained using single glycerol/water microdroplets standing on asuperhydrophobic surface. (i) We demonstrate the observation of largely tunable WGMsin water microdroplets. Larger than 9.6 nm spectral tunability was achieved byevaporation/condensation in a current controlled mini humidity chamber. (ii) Wedemonstrate a self-control mechanism stabilizing the volume of these microdroplets withfemtoliter resolution. The mechanism relied on the interplay between the condensationrate that was kept constant and the size dependent laser induced heating. By blocking thelaser excitation for 500 msec, we were able to change the stable volume of individualmicrodroplets stepwise. (iii) We demonstrate lasing in Rhodamine B dopedglycerol/water microdroplets. In these experiments, a pulsed, frequency-doubledNd:YAG laser operating at 532 nm was used as the excitation source. (iv) Using thesame pulsed excitation source, we demonstrate Raman lasing in glycerol/watermicrodroplets.The observed Raman lasing was not sustained; rather, oscillation would occur intemporally separated bursts. Inter-burst separations were determined to decrease from 2.3sec to 0.4 sec by using nitrogen purging. Large spectral tunability of the WGMs caninspire novel applications in optical communication systems, e.g. tunable filters,switches, and lasers. The observed Raman lasing can also pave way to the developmentof very compact, cost-effective light sources for short-haul communications systems ataround 650 nm. Besides due to the sensitivity of the WGMs to the size and shape of themicrodroplets, our results can find applications in characterizing superhydrophobicsurfaces and investigating liquid-solid surfaces.