Light localization and diagnostics in micro-structured optical fibers

Abstract

Whispering gallery mode (WGMs) resonances are useful for various applications due to their unique characteristics, such as high Q-factor and sensitivity to changes in refractive index. This thesis explores the potential of utilizing whispering gallery mode resonances to study amorphous materials such as ion-rich glass and silk fibroin protein and to correlate the behavior of the spectral resonances with their specific optical and mechanical properties.Whispering gallery mode resonances in thermally polarized glass hetero-fibers with radial symmetry are studied for the first time. In comparison to the spectral behavior of the fibers in their pristine state, the TE and TM polarized responses go through a spectral "cleaning" process; higher-order radial modes are suppressed or eliminated because of radially oriented thermal poling. The thermally poled hetero-fiber WGM cavities have been rigorously simulated utilizing the finite element method. The calculated modal eigenstates and transmission spectra have affirmed the mode selection mechanism introduced by the azimuthally symmetric thermal polling procedure. To reveal the spatial profile of the structural and optical changes introduced to the thermally poled hetero-fibers and correlate them with the WGM spectral measurements, second-harmonic generation (SHG) microscopy, energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), and micro-Raman (μRaman) measurements were carried out.During this research, cylindrical resonators made of silk fibroin were developed and attached to silica glass microfibers. For modal excitation, we employ a technique known as evanescent coupling, which uses optical fiber tapers. In addition, we investigate and analyze the optical birefringence properties of these resonators in the 1.5-micrometer spectral band. Through thermal annealing, silk fibroin undergoes a unique structural transformation from Silk I (amorphous) to Silk II (semi-crystalline). The increase of nano-crystalline sheet structures in Silk II is accompanied by several modifications to this biomaterial's physical (wettability) and optical (birefringence) properties. The photoelasticity of amorphous (Silk I) and semicrystalline Silk (Silk II) is attributed to the emergence of the β-sheet conformations that dominate the Silk II structure. Photo-elastic experiments are performed, tracing the TE and TM shifts of the whispering gallery mode resonances upon applying an axial strain. The strain optical coefficient K’ for Silk I fibroin was found to be 0.059±0.004, with the corresponding value for Silk II being 0.129±0.004.

Οι τρόποι εγκλωβισμού ψιθυρισμού του φωτός είναι χρήσιμοι σε διάφορες εφαρμογές λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών τους, όπως ο υψηλός συντελεστής ποιότητας (Q-factor) και η ευαισθησία στις αλλαγές του δείκτη διάθλασης. Η παρούσα διατριβή εξετάζει τη δυνατότητα της αξιοποίησης των τρόποι εγκλωβισμού συντονισμού του φωτός σε κοιλότητες κυλινδρικής συμμετρίας για τη μελέτη άμορφων υλικών, όπως το θερμικά πολωμένου γυαλιού Duran και της αναγεννημένης φιμπροίνης του μεταξιού, και τη σύνδεση αυτών των συντονισμών με τις συγκεκριμένες οπτικές και μηχανικές τους ιδιότητες.Στο πρώτο μέρος της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζεται η μελέτη που πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο των τρόπων εγκλωβισμού ψιθυρισμού σε ηλεκτρικά πολωμένες υάλινες οπτικές έτερο-ίνες. Οι ΤΕ και ΤΜ ρυθμοί ανώτερης της μονάδας τάξης των ηλεκτρικά πολωμένων έτερο-ινών υφίστανται έναν φασματικό “καθαρισμό” σε σύγκριση με τη φασματική απόκριση των αρχικών έτερο-ινών. Η συγκεκριμένη φασματική συμπεριφορά των ηλεκτρικά πολωμένων έτερο-ινών αποδίδεται σε αλλαγές του δείκτη διάθλασης οι οποίες λαμβάνουν χώρα κοντά στην περιφέρεια της έτερο-ίνας. Αυτές οι αλλαγές συνδέονται με ακτινικά συμμετρική ανακατανομή των ιόντων που προϋπάρχουν μέσα στην ύαλο, όπως αυτό προέκυψε από την διαδικασία της θερμικής πόλωσης. Οι φασματικές αποκρίσεις των ηλεκτρικά πολωμένων οπτικών κοιλοτήτων προσομοιώθηκαν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Για να διερευνηθούν οι χωρικές αλλαγές της κατανομής των ιόντων και της δομής της ύαλου που λαμβάνουν χώρα στις ηλεκτρικά πολωμένες έτερο-ίνες πραγματοποιήθηκαν μια σειρά από επιπλέον μετρήσεις χαρακτηρισμού της μορφής της ύαλου. Αυτές ήταν οι εξής: μικροσκοπία δεύτερης αρμονικής τάξης (SGH), φασματοσκοπία διασποράς ενέργειας ακτίνων Χ (EDX) και φασματοσκοπία μ-Raman. Οι παραπάνω μετρήσεις αποκάλυψαν ότι υπάρχει μεταβολή στην συγκέντρωση των ιόντων μετά την διαδικασία της θερμικής πόλωσης της υάλου η οποία επιφέρει αλλαγές στην δομή της καθώς και στην συμμετρία του πλέγματος της. Σε αυτήν τη μελέτη αναπτύχθηκαν οπτικές κοιλότητες κατασκευασμένες από φιμπροίνη, οι οποίες υποστηρίζουν τρόπους εγκλωβισμού ψιθυρισμού, εναποτεθειμένες σε γυάλινες οπτικές ίνες. Για την διέγερση των οπτικών αντηχείων μεταξιού χρησιμοποιήθηκαν θερμικά εφελκυσμένες οπτικές ίνες γυαλιού μικρής διαμέτρου (2 μm). Ο οπτικός χαρακτηρισμός των συγκεκριμένων οπτικών αντηχείων μεταξιού έγινε στο φασματικό εύρος των 1.5 μm. Μέσω θερμικής ανόπτησης το μετάξι υφίσταται μια δομική μεταμόρφωση από την άμορφη κατάσταση (μετάξι τύπου I) σε μια ημικρυσταλλική κατάσταση (μετάξι τύπου IΙ). Αυτός ο μετασχηματισμός συνοδεύεται από αρκετές ευδιάκριτες αλλαγές στις οπτικές ιδιότητες αυτού του βιοϋλικού, επιπλέον της αύξησης των δομών νάνο-κρυσταλλικών β-φύλλων στο μετάξι τύπου ΙΙ. Τα φωτοελαστικά πειράματα πραγματοποιήθηκαν καταγράφοντας τις φασματικές μετατοπίσεις των TE και ΤΜ τρόπων εγκλωβισμού ψιθυρισμού καθώς εφαρμόζαμε αξονική τάση στο σύστημα. Από τις παραπάνω μετρήσεις και την οπτική και μηχανική ανάλυση τους προέκυψε ότι ο φωτοελαστικός οπτικός συντελεστής K για το μετάξι τύπου Ι είναι 0.059±0.004 με την αντίστοιχη τιμή για το μετάξι τύπου ΙΙ να είναι 0.129±0.004.