Crystalline Whispering Gallery Mode Resonators

dc.contributorSchwefel, Harald
dc.contributor.authorSedlmeir, Florian
dc.date.accessioned2017-03-06
dc.date.available2017-02-15
dc.date.created2016
dc.date.issued2017-03-06
dc.description.abstractHigh quality (Q) optical resonators find applications in many fields of science and in- dustry. They serve as narrowband linear frequency filters, laser cavities and are used in high-performance sensing experiments. In a resonator, the field intensity can be enhanced by orders of magnitude compared to the field driving the resonator. This property makes them a valuable tool for studying and exploiting nonlinear effects and to enhance light-matter interaction in general. In this work, we explore an important subtype of dielectric resonators, the so called whispering gallery mode (WGM) resonator. Essentially, such a resonator is a convex shaped, usually rotationally symmetric dielectric material with small optical losses. The light is guided close to the boundary, but almost entirely within the dielectric by total internal reflection (TIR). The modes of WGM resonators can exhibit very high Q factors and confine light on a small footprint resulting in high field intensities within the ma- terial. Together with their monolithic design offering high stability, they are a natural choice for nonlinear optics experiments. Furthermore, the evanescent field component of the TIR interacts with the environment of the resonator causing the great success of WGM resonators in bio- and refractometric sensing experiments. Here, we focus on WGM resonators made from a single crystalline material. In addition to the already mentioned favorable properties, they can exhibit birefringence and second order nonlinearities enabling highly efficient phase-matched three wave mixing between vastly different frequencies. These resonators have to be fabricated mechanically by high precision single point di- amond turning and polishing to maintain the single crystal nature and to ensure an optically smooth surface. We optimized this fabrication technique and are now able to reach material limited Q factors in magnesium fluoride and lithium niobate resonators. The narrow bandwidth of the modes of a magnesium fluoride WGM resonator and its refractive index being very close to that of water motivated us to conduct refractometric sensing experiments in aqueous environment. Due to the small difference of the refrac- tive indices between the resonator and the environment, the evanescent field extends deep into the surrounding water. This increases the sensitivity compared to other mate- rials commonly used for sensing considerably. We were able to show that even mm-sized magnesium fluoride resonators can compete with two orders of magnitude smaller fused silica spheres. In addition, the thermal properties and the birefringence of magnesium fluoride allow for sophisticated temperature stabilization schemes. In that context, we investigated an exotic type of resonator where the optic axis of the crystal is tilted with respect to the symmetry axis of the resonator. Such a resonator exhibits still very high Q factors. Furthermore, we showed that the modes of such a res- onator are, in general, elliptically polarized and the polarization depends on the position on the resonator rim. This raised the question whether such a system could be used for sensing of chirality. Our results and estimations show, however, that the effect imposed by chirality would be most likely too small compared to other effects to be measurable efficiently. We demonstrate that birefringence can also be used to couple selectively to one of the two polarization families usually excited in a z-cut resonator, while the coupling to the re- spective other polarization remains entirely suppressed. Selective coupling will improve nonlinear conversion experiments such as single photon generation or third harmonic generation in WGM resonators since it allows to tune coupling rates to the pump and signal modes independently. In that context we expanded the existing theory for prism coupling and are now able to provide a modified condition for coupling of WGMs to a prism. The developed theory allowed us furthermore to calculate the far field pattern of outcoupled WGMs as a function of the resonator geometry. Finally, we demonstrate efficient nonlinear up-conversion of microwave signals into the optical domain using an all-resonant lithium niobate resonator. We discuss theoreti- cally that this requires a very precisely fabricated resonator geometry to achieve phase- matching for a given set of frequencies. We show how such a resonator can be iteratively fabricated and demonstrate the so far best reported conversion efficiency of continuous wave microwave signals around 80GHz into the telecom band. The up-converted signal preserves the phase information of the input microwave signal and can be efficiently detected by optical methods like heterodyning. We discuss the noise properties of such a receiver and find that it could outperform state-of-the-art THz detectors at room temperature by orders of magnitudes. Depending on the actual implementation of the optical detection, the smallest, thermally limited, detectable power could be as small as 10 −17 W at 300K.en
dc.description.abstractOptische Resonatoren mit hohen Gütefaktoren ($Q$ Faktoren) finden verschiedenste Anwendungen in der Technik und der Wissenschaft. Beispielsweise können sie als schmalbandige Filter, Laserresonatoren oder als hochsensible Sensoren genutzt werden. Ein Resonator verstärkt das in ihn eingekoppelte Licht um viele Größenordnungen und ist demzufolge ideal für nichtlineare Experimente geeignet.\\ Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem speziellen Typ dielektrischer Resonatoren, dem sogenannten Flüstergallerieresonator. Dieser ist aus einem konvexen und üblicherweise rotationssymmetrischen Stück transparenten Materials gefertigt, in dem das Licht entlang der Grenzfläche mit Hilfe totaler interner Reflektion geleitet wird. Durch diesen wellenleiterartigen Effekt wird die Feldverteilung des Lichtes räumlich stark begrenzt und es können, zusammen mit dem hohen $Q$ Faktor, sehr hohe Feldstärken im Dielektrikum erreicht werden. Ein kleiner Teil des Feldes ist außerhalb des Resonators in Form einer evaneszenten Welle zu finden, welche mit der Umgebung wechselwirken kann. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass der Resonator aus einem Stück gefertigt ist und somit sehr hohe mechanische Stabilität aufweist. Diese Eigenschaften zusammengenommen machen Flüstergallerieresonatoren zu vielseitigen und mächtigen Plattformen für nichtlineare Optik und Sensing Anwendungen.\\ Insbesondere werden im Folgenden Flüstergallerieresonatoren untersucht, welche aus Einkristallen gefertigt sind. Zusätzlich zu den bereits genannten vorteilhaften Eigenschaften können diese optisch doppelbrechend sein und Nichtlinearitäten zweiter Ordnung aufweisen, was phasenangepasste, hocheffiziente Dreiwellenmischung bei geringen Eingangsleistungen erlaubt. Solche Resonatoren müssen mechanisch auf einer hochpräzisen Diamantdrehmaschine geformt und anschließend poliert werden um eine optische Güte der Oberfläche zu gewährleisten. Im Laufe dieser Arbeit haben wir diesen Prozess optimiert und sind nun in der Lage materiallimitierte Gütefaktoren in Magnesiumfluorid und Lithiumniobat zu erreichen.\\ Mit Magnesiumfluoridresonatoren wurden refraktometrische Sensing Experimente durchgeführt. Aufgrund des geringen Brechungsindexunterschieds zwischen Wasser und Magnesiumfluorid ist der Anteil des evaneszenten Feldes an den Moden deutlich größer als in den sonst üblichen Resonatormaterialien wie beispielsweise Quarzglas. Daher konnten wir zeigen, dass selbst millimetergroße Magensiumfluoridresonatoren die gleiche Sensitivität aufweisen wie zwei Größenordnungen kleinere Quarzglasresonatoren. Des Weiteren bieten Magnesiumfluoridresonatoren aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften und ihrer Doppelbrechung die Möglichkeit effektiver Temperaturstabilisierung.\\ In diesem Zusammenhang untersuchten wir einen Magnesiumfluoridresonator bei dem die optische Achse nicht parallel zur Rotationsachse des Resonators ausgerichtet ist. Dieser Resonator wies immer noch Moden hoher Güte auf, die allerdings, im Allgemeinen, elliptisch polarisiert sind und deren Polarisation von der Position im Resonator abhängt. Obwohl es naheliegend scheint, zeigen unsere Ergebnisse jedoch, dass ein solches asymmetrisches System vermutlich nicht zur Detektion von Chiralität geeignet ist.\\ Ein weiteres hier vorgestelltes Experiment welches sich mit doppelbrechenden Resonatoren beschäftigt ist selektive Kopplung an einen Flüstergallerieresonator. Hierbei nutzen wir den unterschiedlich großen Brechungsindex verschiedener Polarisationen in dem Resonator selbst und im Kopplungsprisma, um eine Modenfamilie effizient auszukoppeln, während die jeweils andere Familie ungekoppelt bleibt. Wir zeigen, dass eine solche Konfiguration nutzbringend in nichtlinearen Experimenten, wie beispielsweise der Erzeugung von korrelierten Photonenpaaren oder der dritten Harmonischen, eingesetzt werden kann. Im Rahmen dieses Projekts wurde die bestehende Kopplungstheorie erweitert und auf nichtsphärische Geometrien angewandt was uns erlaubt die Fernfelder von ausgekoppelten Moden zu berechnen und eine modifizierte Kopplungsbedingung anzugeben.\\ Der letzte Teil dieser Arbeit beschreibt ein Experiment in dem ein schwaches Mikrowellensignal durch einen nichtlinearen Prozess in ein optisches Signal im Telekommunikationsband konvertiert wird. Hierfür nutzten wir einen Lithiumniobatresonator der für alle beteiligten Frequenzen, das Mikrowellensignal, die optische Pumpe und das hochkonvertierte optische Signal resonant ist. Dies erforderte eine hochpräzise, iterative Fertigung des Resonators um Phasenanpassung zu ermöglichen. Die resultierende Konversionseffizienz ist mit Abstand die beste die für diesen Frequenzbereich bislang erzielt werden konnte. Da der Prozess kohärent ist, enthält das optische Signal die Phaseninformationen des Eingangssignals und kann mit optischen Methoden wie beispielsweise einer Heterodynmessung effizient detektiert werden. Die Rauscheigenschaften des Konverters zeigen, dass diese indirekte Methode um Größenordnung besser sein kann als die direkte Messung von Mikrowellen oder THz Signalen. Abhängig von der verwendeten optischen Messmethode hat ein solcher Detektor das Potential bis zu einem thermischen Limit von \SI{e-17}{W} Eingangsleistung zu messen.de
dc.format.extent188
dc.identifier.opus-id8248
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/8248
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus4-82485
dc.language.isoen
dc.rights.urihttp://www.gesetze-im-internet.de/urhg/index.html
dc.subjectFlüstergallerieresonator
dc.subjectWhispering Gallery Mode Resonator
dc.subject.ddcDDC Classification::5 Naturwissenschaften und Mathematik :: 53 Physik :: 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
dc.subject.ddcDDC Classification::5 Naturwissenschaften und Mathematik :: 53 Physik :: 539 Moderne Physik
dc.titleCrystalline Whispering Gallery Mode Resonatorsen
dc.titleKristalline Flüstergallerieresonatorende
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
local.date.accepted2016-12-22
local.sendToDnbfree*
local.subject.fakultaetNaturwissenschaftliche Fakultät / Department Physik
local.subject.gndOptischer Resonator
local.subject.gndDielektrischer Resonator
local.subject.gndNichtlineare Optik
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Naturwissenschaftliche Fakultät
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