Abstract

A ytterbium-doped silica microcavity laser demonstrates stable laser emission while completely submerged in water. To our knowledge, it is the first solid-state laser whose cavity mode interacts with water. The device generates more than 2μW of output power. The laser performance is presented, and low-concentration biosensing is discussed as a potential application.

© 2009 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. K. J. Vahala, Nature 424, 839 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. S. Arnold, M. Khoshsima, I. Teraoka, S. Holler, and F. Vollmer, Opt. Lett. 28, 272 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. K. De Vos, I. Bartolozzi, E. Schacht, P. Bienstman, and R. Baets, Opt. Express 15, 7610 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. A. M. Armani and K. J. Vahala, Opt. Lett. 31, 1896 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. A. M. Armani, R. P. Kulkarni, S. E. Fraser, R. C. Flagan, and K. J. Vahala, Science 317, 783 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. J. Yang and L. J. Guo, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 143 (2006).
    [CrossRef]
  7. M. Lu, S. Choi, C. J. Wagner, J. G. Eden, and B. T. Cunningham, Appl. Phys. Lett. 92, 261502 (2008).
    [CrossRef]
  8. E. P. Ostby, L. Yang, and K. J. Vahala, Opt. Lett. 32, 2650 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Nature 421, 925 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. L. Yang, T. Carmon, B. Min, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Appl. Phys. Lett. 86, 091114 (2005).
    [CrossRef]
  11. G. M. Hale and M. R. Querry, Appl. Opt. 12, 555 (1973).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. A. M. Armani, D. K. Armani, B. Min, K. J. Vahala, and S. M. Spillane, Appl. Phys. Lett. 87, 151118 (2005).
    [CrossRef]
  13. S. M. Spillane, T. J. Kippenberg, O. J. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 91, 043902 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. M. Cai, O. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 85, 74 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. B. K. Min, T. J. Kippenberg, L. Yang, K. J. Vahala, J. Kalkman, and A. Polman, Phys. Rev. A 70, 033803 (2004).
    [CrossRef]
  16. A. L. Schawlow and C. H. Townes, Phys. Rev. 112, 1940 (1958).
    [CrossRef]

2008 (1)

M. Lu, S. Choi, C. J. Wagner, J. G. Eden, and B. T. Cunningham, Appl. Phys. Lett. 92, 261502 (2008).
[CrossRef]

2007 (3)

2006 (2)

A. M. Armani and K. J. Vahala, Opt. Lett. 31, 1896 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

J. Yang and L. J. Guo, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 143 (2006).
[CrossRef]

2005 (2)

L. Yang, T. Carmon, B. Min, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Appl. Phys. Lett. 86, 091114 (2005).
[CrossRef]

A. M. Armani, D. K. Armani, B. Min, K. J. Vahala, and S. M. Spillane, Appl. Phys. Lett. 87, 151118 (2005).
[CrossRef]

2004 (1)

B. K. Min, T. J. Kippenberg, L. Yang, K. J. Vahala, J. Kalkman, and A. Polman, Phys. Rev. A 70, 033803 (2004).
[CrossRef]

2003 (4)

S. Arnold, M. Khoshsima, I. Teraoka, S. Holler, and F. Vollmer, Opt. Lett. 28, 272 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

S. M. Spillane, T. J. Kippenberg, O. J. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 91, 043902 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

K. J. Vahala, Nature 424, 839 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Nature 421, 925 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

2000 (1)

M. Cai, O. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 85, 74 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1973 (1)

1958 (1)

A. L. Schawlow and C. H. Townes, Phys. Rev. 112, 1940 (1958).
[CrossRef]

Armani, A. M.

A. M. Armani, R. P. Kulkarni, S. E. Fraser, R. C. Flagan, and K. J. Vahala, Science 317, 783 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

A. M. Armani and K. J. Vahala, Opt. Lett. 31, 1896 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

A. M. Armani, D. K. Armani, B. Min, K. J. Vahala, and S. M. Spillane, Appl. Phys. Lett. 87, 151118 (2005).
[CrossRef]

Armani, D. K.

A. M. Armani, D. K. Armani, B. Min, K. J. Vahala, and S. M. Spillane, Appl. Phys. Lett. 87, 151118 (2005).
[CrossRef]

D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Nature 421, 925 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Arnold, S.

Baets, R.

Bartolozzi, I.

Bienstman, P.

Cai, M.

M. Cai, O. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 85, 74 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Carmon, T.

L. Yang, T. Carmon, B. Min, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Appl. Phys. Lett. 86, 091114 (2005).
[CrossRef]

Choi, S.

M. Lu, S. Choi, C. J. Wagner, J. G. Eden, and B. T. Cunningham, Appl. Phys. Lett. 92, 261502 (2008).
[CrossRef]

Cunningham, B. T.

M. Lu, S. Choi, C. J. Wagner, J. G. Eden, and B. T. Cunningham, Appl. Phys. Lett. 92, 261502 (2008).
[CrossRef]

De Vos, K.

Eden, J. G.

M. Lu, S. Choi, C. J. Wagner, J. G. Eden, and B. T. Cunningham, Appl. Phys. Lett. 92, 261502 (2008).
[CrossRef]

Flagan, R. C.

A. M. Armani, R. P. Kulkarni, S. E. Fraser, R. C. Flagan, and K. J. Vahala, Science 317, 783 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Fraser, S. E.

A. M. Armani, R. P. Kulkarni, S. E. Fraser, R. C. Flagan, and K. J. Vahala, Science 317, 783 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Guo, L. J.

J. Yang and L. J. Guo, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 143 (2006).
[CrossRef]

Hale, G. M.

Holler, S.

Kalkman, J.

B. K. Min, T. J. Kippenberg, L. Yang, K. J. Vahala, J. Kalkman, and A. Polman, Phys. Rev. A 70, 033803 (2004).
[CrossRef]

Khoshsima, M.

Kippenberg, T. J.

B. K. Min, T. J. Kippenberg, L. Yang, K. J. Vahala, J. Kalkman, and A. Polman, Phys. Rev. A 70, 033803 (2004).
[CrossRef]

S. M. Spillane, T. J. Kippenberg, O. J. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 91, 043902 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Nature 421, 925 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Kulkarni, R. P.

A. M. Armani, R. P. Kulkarni, S. E. Fraser, R. C. Flagan, and K. J. Vahala, Science 317, 783 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Lu, M.

M. Lu, S. Choi, C. J. Wagner, J. G. Eden, and B. T. Cunningham, Appl. Phys. Lett. 92, 261502 (2008).
[CrossRef]

Min, B.

L. Yang, T. Carmon, B. Min, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Appl. Phys. Lett. 86, 091114 (2005).
[CrossRef]

A. M. Armani, D. K. Armani, B. Min, K. J. Vahala, and S. M. Spillane, Appl. Phys. Lett. 87, 151118 (2005).
[CrossRef]

Min, B. K.

B. K. Min, T. J. Kippenberg, L. Yang, K. J. Vahala, J. Kalkman, and A. Polman, Phys. Rev. A 70, 033803 (2004).
[CrossRef]

Ostby, E. P.

Painter, O.

M. Cai, O. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 85, 74 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Painter, O. J.

S. M. Spillane, T. J. Kippenberg, O. J. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 91, 043902 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Polman, A.

B. K. Min, T. J. Kippenberg, L. Yang, K. J. Vahala, J. Kalkman, and A. Polman, Phys. Rev. A 70, 033803 (2004).
[CrossRef]

Querry, M. R.

Schacht, E.

Schawlow, A. L.

A. L. Schawlow and C. H. Townes, Phys. Rev. 112, 1940 (1958).
[CrossRef]

Spillane, S. M.

A. M. Armani, D. K. Armani, B. Min, K. J. Vahala, and S. M. Spillane, Appl. Phys. Lett. 87, 151118 (2005).
[CrossRef]

L. Yang, T. Carmon, B. Min, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Appl. Phys. Lett. 86, 091114 (2005).
[CrossRef]

S. M. Spillane, T. J. Kippenberg, O. J. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 91, 043902 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Nature 421, 925 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Teraoka, I.

Townes, C. H.

A. L. Schawlow and C. H. Townes, Phys. Rev. 112, 1940 (1958).
[CrossRef]

Vahala, K. J.

E. P. Ostby, L. Yang, and K. J. Vahala, Opt. Lett. 32, 2650 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

A. M. Armani, R. P. Kulkarni, S. E. Fraser, R. C. Flagan, and K. J. Vahala, Science 317, 783 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

A. M. Armani and K. J. Vahala, Opt. Lett. 31, 1896 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

L. Yang, T. Carmon, B. Min, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Appl. Phys. Lett. 86, 091114 (2005).
[CrossRef]

A. M. Armani, D. K. Armani, B. Min, K. J. Vahala, and S. M. Spillane, Appl. Phys. Lett. 87, 151118 (2005).
[CrossRef]

B. K. Min, T. J. Kippenberg, L. Yang, K. J. Vahala, J. Kalkman, and A. Polman, Phys. Rev. A 70, 033803 (2004).
[CrossRef]

S. M. Spillane, T. J. Kippenberg, O. J. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 91, 043902 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Nature 421, 925 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

K. J. Vahala, Nature 424, 839 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

M. Cai, O. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 85, 74 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Vollmer, F.

Wagner, C. J.

M. Lu, S. Choi, C. J. Wagner, J. G. Eden, and B. T. Cunningham, Appl. Phys. Lett. 92, 261502 (2008).
[CrossRef]

Yang, J.

J. Yang and L. J. Guo, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 143 (2006).
[CrossRef]

Yang, L.

E. P. Ostby, L. Yang, and K. J. Vahala, Opt. Lett. 32, 2650 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

L. Yang, T. Carmon, B. Min, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Appl. Phys. Lett. 86, 091114 (2005).
[CrossRef]

B. K. Min, T. J. Kippenberg, L. Yang, K. J. Vahala, J. Kalkman, and A. Polman, Phys. Rev. A 70, 033803 (2004).
[CrossRef]

Appl. Opt. (1)

Appl. Phys. Lett. (3)

M. Lu, S. Choi, C. J. Wagner, J. G. Eden, and B. T. Cunningham, Appl. Phys. Lett. 92, 261502 (2008).
[CrossRef]

L. Yang, T. Carmon, B. Min, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Appl. Phys. Lett. 86, 091114 (2005).
[CrossRef]

A. M. Armani, D. K. Armani, B. Min, K. J. Vahala, and S. M. Spillane, Appl. Phys. Lett. 87, 151118 (2005).
[CrossRef]

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. (1)

J. Yang and L. J. Guo, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 143 (2006).
[CrossRef]

Nature (2)

K. J. Vahala, Nature 424, 839 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Nature 421, 925 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (3)

Phys. Rev. (1)

A. L. Schawlow and C. H. Townes, Phys. Rev. 112, 1940 (1958).
[CrossRef]

Phys. Rev. A (1)

B. K. Min, T. J. Kippenberg, L. Yang, K. J. Vahala, J. Kalkman, and A. Polman, Phys. Rev. A 70, 033803 (2004).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (2)

S. M. Spillane, T. J. Kippenberg, O. J. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 91, 043902 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

M. Cai, O. Painter, and K. J. Vahala, Phys. Rev. Lett. 85, 74 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Science (1)

A. M. Armani, R. P. Kulkarni, S. E. Fraser, R. C. Flagan, and K. J. Vahala, Science 317, 783 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Image of testing setup showing evanescent coupling of fiber taper to Yb 3 + : Si O 2 microcavity (side view).

Fig. 2
Fig. 2

Plot of microtoroid pump-mode resonance in water with Lorenzian fit for the undercoupled condition ( Q = 1.3 × 10 5 at λ = 970.8 nm ). Data are taken by measuring the transmitted power along the fiber taper while the pump laser wavelength is scanned in time.

Fig. 3
Fig. 3

Comparison of measured laser output power as a function of absorbed pump power for 120 μ m diameter Yb 3 + : Si O 2 microtoroid in air and water.

Fig. 4
Fig. 4

Closeup of the laser threshold in water shown in Fig. 3.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Comparison of Microtoriod Laser Results in Air and Water

Metrics