Instrumentação para espectroscopia de modos ópticos com alto fator de qualidade em microesferas de sílica

Abstract

Neste trabalho, realizou-se a instrumentação eletrônica de um laser de diodo sintonizável com cavidade estendida para espectroscopia no visível dos automodos de microesferas de sílica. Para isto, é desejável desenvolver uma fonte de luz sintonizável por alguns GHz, apresentando uma largura de linha máxima de 1 MHz, já que o intervalo espectral livre das microcavidades de interesse é de poucas centenas de GHz e as suas ressonâncias ópticas são muito estreitas ( 10 MHz). Esta ferramenta é um laser de diodo sintonizável, montado com uma cavidade externa, em uma configuração tipo Littrow. Foi necessário construir um circuito eletrônico para estabilizar a corrente e a temperatura do laser de diodo e instalá-lo em uma montagem mecânica que permite o estreitamento da largura de linha do laser, assim como a varredura do seu comprimento de onda, sem salto de modos, no maior intervalo possível. Para realizar a caracterização do laser, foi projetado e construído um interferômetro Fabry-Perot confocal. Para fabricar as microesferas, é utilizado um laser de CO2 para derreter um pedaço de fibra óptica de telecomunicações, colado dentro de um túbulo de cobre. Ao absorver a energia do laser, a sílica derrete e, por tensão superficial, o material fundido torna-se esferóide. Para o controle da potência do laser de CO2, fator importante no processo de fabricação das microesferas, foi projetado um circuito eletrônico, que funciona como um gerador de onda quadrada com intervalo de trabalho variável (duty cycle). Para acoplamento da luz do laser de diodo, foi necessário polir a ponta de uma fibra óptica em ângulo acima do ângulo crítico. Neste sistema, o campo evanescente gerado pela reflexão interna total na ponta da fibra pode excitar os modos ópticos com altos fatores de qualidade, os chamados "modos de galeria de sussurros" (MGS) da microesfera, caso esta esteja distanciada até cerca de 100 nm da ponta da fibra. Uma fração da luz acoplada é espalhada e coletada por uma fibra multimodo, sendo levada a uma fotomultiplicadora. Para controle da varredura do laser de diodo e a aquisição do espectro de espalhamento em função da freqüência, um programa em LabView foi modificado. Através das larguras de linha das ressonâncias detectadas no espectro de espalhamento, medem-se os respectivos fatores de qualidade. Finalmente, foi montado um aparato para fazer a espectroscopia dos MGS, que permite variar ângulos geométricos importantes para o acoplamento eficiente de luz aos MGS. Em particular, um sistema de controle de temperatura da microesfera semelhante ao controle de temperatura do laser de diodo, mas para um Peltier com menor potência e um termistor diferente, foi projetado e instalado no aparato, de modo a controlar a posição espectral das suas ressonâncias ópticas