[논문 리뷰] Microspherical photonics: Giant resonant light forces, spectrally resolved optical manipulation, and coupled modes of microcavity arrays

Yangcheng Li|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 03.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 169인용 수 5

한 줄 요약

이 학위논문은 스펙트럴 제어된 레이저 트랩을 사용하여 유전체 마이크로스피어에서 거대한 공명 광력의 존재를 입증하며, 운동량 보존 한계에 가까운 力 크기를 달성한다. 레이저 파장을 웸버링 갤러리 모드(WGM) 공명에 정밀하게 맞춤으로써, 스펙트럴 해상도를 갖춘 마이크로스피어의 조작과 분류가 가능해지며, 이는 초고도로 균일한 특성을 지닌 복합 마이크로캐비티 어레이가 안정적이고 해상도 있는 모드 분할 패턴을 나타내어 광학 분자 식별에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 테이퍼형 마이크로섬유를 이용한 정밀한 스펙트럼 해상도를 갖춘 유전체 마이크로스피어의 광학 조작 플랫폼을 개발하기 위해.
• 0.05% 이내의 WGM 공명 균일도를 갖는 마이크로스피어로 형성된 광학 분자의 스펙트럼적 특징을 연구하기 위해.
• 공명 조건에서 마이크로스피어 근처에서 거대한 공명 광학 추진력이 실험적으로 입증되고 정량화되기를 위해.
• 공명력 증폭을 이용해 마이크로스피어의 공명 광학 반응에 기반한 대규모 분류를 가능하게 하기 위해.
• 제어 가능한 조작을 위해 공명 추진 중 안정적인 반경 방향 트랩 조건을 확보하기 위해.

제안 방법

• 화학 에칭을 통해 테이퍼형 마이크로섬유를 제작하고, 기계적으로 안정된 플랫폼에 통합하여 표면에서의 비틀림장력 결합을 확보하였다.
• 웨이버링 갤러리 모드(WGM) 특성—모드 수, 결합 제도, 품질 인자—는 실험적으로 측정되었으며 이론 모델과 비교되었다.
• 고정도 공명 균일성을 갖는 마이크로스피어를 조립하여 광학 분자를 형성하고, 섬유 전송 스펙트럼을 분석하여 모드 분할 패턴을 분석하였다.
• 일련의 매달린 마이크로스피어의 WGM에 대한 레이저 파장과의 탈조를 정밀하게 제어하기 위해 가변 주기 레이저를 사용하였다.
• 공명 자극 중 가로 방향 마이크로스피어 운동을 추적하여 광력을 측정하였으며, 운동량 전달로부터 힘의 크기를 유추하였다.
• 운동량 보존 기반의 이론적 모델링을 통해 공명력의 스펙트럼 형태, 위치, 최대 크기를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유전체 마이크로스피어에서 공명 자극 조건 하에 거대한 공명 광력이 실험적으로 관측되고 정량화될 수 있는가?
• RQ2 WGM 공명에 대한 스펙트럼 조절이 마이크로스피어에 작용하는 광력의 크기와 방향에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 결합된 마이크로캐비티 어레이(광학 분자)의 안정적인 스펙트럼적 및 공간적 특징은 섬유 전송 스펙트럼에서 어떻게 나타나는가?
• RQ4 마이크로스피어에서 공명력이 운동량 전달 이론 한계에 얼마나 가까이 도달할 수 있는가?
• RQ5 제어 가능한 조작과 분류를 위해 공명 추진 중 안정적인 반경 방향 트랩이 달성될 수 있는가?

주요 결과

• 거대한 공명 광력이 실험적으로 입증되었으며, 최대 힘 크기가 운동량 보존 원리에 의해 제한되는 총 운동량 흡수 한계에 가까워졌다.
• 공명력의 스펙트럼 형태가 관측되었으며, 최대 힘 크기와 위치가 WGM 공명 조건과 직접적으로 상관관계가 있었다.
• 공명력에 의해 영향을 받는 마이크로스피어의 횡방향 운동에서 안정적인 반경 방향 트랩이 존재함을 확인하여 제어 가능한 조작이 가능해졌다.
• 0.05% 이내의 WGM 공명 균일도를 갖는 마이크로스피어로 형성된 광학 분자는 섬유 전송 스펙트럼에서 뚜렷하고 안정적인 모드 분할 패턴을 나타내었다.
• 측정된 마이크로스피어의 품질 인자와 결합 제도는 Mie 이론 및 웨이브가이드 결합 모델에 기반한 이론 예측과 양호한 일치를 보였다.
• 공명력 증폭에 의한 스펙트럼 해상도 조작 덕분에 초고도로 균일한 공명 특성을 지닌 마이크로스피어의 고정밀 분류가 가능해졌다.