[論文レビュー] Microspherical photonics: Giant resonant light forces, spectrally resolved optical manipulation, and coupled modes of microcavity arrays

Yangcheng Li|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 169被引用数 5

ひとこと要約

本学位論文は、スプライシング制御されたレーザー光トラップを用いて、誘電体マイクロスフィアにおける巨大な共鳴光学的力の発現を示し、運動量保存則の限界に近い力の大きさを達成した。レーザー波長をウィスパリング・ギャラリー・モード（WGM）共鳴に正確に合わせることで、超高性能な均一性を有するマイクロスフィアの分光的分解能を有する操作と分離が可能になった。また、結合されたマイクロキャビティアレイは、光子分子の同定に適した安定的かつ分解能のあるモード分裂パターンを示した。

ABSTRACT

In this dissertation novel resonant propulsion of dielectric microspheres is studied with the goal of sorting spheres with identical resonances, which are critical for developing microspherical photonics. First, evanescent field couplers were developed by fixing tapered microfibers in mechanically robust platforms. The tapers were obtained by chemical etching techniques. Using these platforms, WGMs modal numbers, coupling regimes and quality factors were determined for various spheres and compared with theory. Second, the spectroscopic properties of photonic molecules formed by spheres with better than 0.05% uniformity of WGM resonances were studied. It was shown that various spatial configurations of coupled-cavities present relatively stable mode splitting patterns in the fiber transmission spectra which can be used as spectral signatures to distinguish such photonic molecules. The third part is the study of giant resonant propulsion forces exerted on microspheres. This effect was observed in suspensions of polystyrene spheres with sufficiently large diameters. By integrating optical tweezers for individual sphere manipulation, the wavelength detuning between a tunable laser and WGMs in each of the spheres was precisely controlled. Resonant enhancement of optical forces was directly demonstrated in experiments. The spectral shape, position and magnitude of the observed propulsion force peaks were explained by efficient transfer of light momentum to microspheres under resonant conditions. The peak magnitude of the resonant force is shown to approach total absorption limit imposed by the conservation of momentum. The transverse movement of the spheres during the propulsion process was studied and the existence of a stable radial trap was demonstrated. Giant resonant propulsion forces can be used for large-scale sorting of microspheres with ultrahigh uniform resonant properties.

研究の動機と目的

• テーパー加工されたマイクロファイバーを用いた、誘電体マイクロスフィアの精密かつ分光的分解能を持つ光学的操作プラットフォームの開発。
• 0.05％未満のWGM共鳴均一性を有するマイクロスフィアから形成された光子分子の分光的シグナルの研究。
• マイクロスフィアのWGM共鳴近傍で、巨大な共鳴光学的推進力の実験的証明と定量的評価。
• 共鳴力増幅を用いて、マイクロスフィアの共鳴光学的応答に基づく大規模な分離を可能にする。
• 制御された操作を可能にするために、共鳴推進中の安定的径方向トラップ条件の同定。

提案手法

• 化学エッチングを用いてテーパー加工されたマイクロファイバーを作製し、安定なエバネッセント場結合を実現する機械的・剛性の高いプラットフォームに統合した。
• ウィスパリング・ギャラリー・モード（WGM）の特性—モード番号、結合状態、品質因数—を実験的に測定し、理論的モデルと比較した。
• 高精度な共鳴均一性を有するマイクロスフィアを組み合わせて光子分子を形成し、そのファイバー透過スペクトルを解析してモード分裂パターンを評価した。
• 可変周波数レーザーを用いて、浮遊状態のマイクロスフィア内の個々のWGMとレーザー波長のずれを正確に制御した。
• 共鳴励起時の横方向スフィア運動を追跡することで光学的力を測定し、運動量移動から力の大きさを推定した。
• 運動量保存に基づく理論的モデリングを用いて、共鳴力のスペクトル形状、位置、ピーク値の解釈を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘電体マイクロスフィアにおいて、共鳴励起下で巨大な共鳴光学的力が実験的に観測され、定量的に評価可能であるか。
• RQ2 WGM共鳴に合わせた分光的チューニングが、マイクロスフィアに作用する光学的力の大きさと方向にどのように影響を与えるか。
• RQ3 結合されたマイクロキャビティアレイ（光子分子）の安定的スペクトル的および空間的シグナルは、ファイバー透過スペクトルにおいてどのように現れるか。
• RQ4 マイクロスフィアにおいて、共鳴力が理論的運動量移動限界にどの程度近づけるか。
• RQ5 制御された操作と分離を可能にするために、共鳴推進中に安定的径方向トラップが達成可能か。

主な発見

• 巨大な共鳴光学的力が実験的に確認され、ピーク力の大きさが運動量保存則によって制限される総運動量吸収限界に近づいた。
• 推進力のスペクトル形状に変化が観察され、ピーク力の大きさと位置がWGM共鳴条件と直接相関していた。
• 共鳴力作用下でのマイクロスフィアの横方向運動から、安定的径方向トラップの存在が示され、制御された操作が可能になった。
• WGM共鳴均一性が0.05％未満のマイクロスフィアから形成された光子分子は、ファイバー透過スペクトルにおいて明確で安定したモード分裂パターンを示した。
• 測定された品質因数および結合状態は、ミー理論および波ガイド結合モデルに基づく理論的予測と良好に一致した。
• 共鳴力増幅による分光的分解能を有する操作により、超高精度で共鳴均一性が確保されたマイクロスフィアの高精度な分離が可能になった。