Summary
Uma técnica interferômetro de referência, que é projetado para remover indesejável ruído jitter laser para nanodetection, é utilizado para sondar um fator microcavidade ultra-alta qualidade. Instruções de montagem, instalação e aquisição de dados são fornecidos, juntamente com o processo de medição para especificar o fator de qualidade da cavidade.
Abstract
Um interferômetro de fibra térmica e mecanicamente estabilizado adequado para examinar microcavidades fator de ultra-alta qualidade é formado. Depois de avaliar a sua faixa espectral livre (FSR), o módulo é colocado em paralelo com um sistema de cone-microcavidade fibra e, em seguida, calibrados por meio de isolar e eliminar mudanças aleatórias na frequência do laser (ou seja, a laser ruído jitter). Para realizar a junção afunilada-microcavidade e para maximizar a potência óptica que é transferida para o ressonador, um único modo de guia de ondas de fibra óptica é puxado. Soluções contendo nanobeads poliestireno são então preparados e transportados para o microcavidade, a fim de demonstrar a capacidade do sistema para detectar ligação à superfície da microcavidade. Os dados são pós-processados via curva adaptável encaixe, o que permite medições de alta resolução do fator de qualidade, bem como a plotagem dos parâmetros dependentes do tempo, tais como comprimento de onda ressonante e freqüência divisão turnos. Com cuidadoinspecionando passos na resposta no domínio do tempo e mudança na resposta no domínio da freqüência, este instrumento pode quantificar eventos de ligação discretos.
Introduction
Interesse de pesquisa tem aumentado significativamente no uso de modo sussurrando-gallery (WGM) microcavidades com o propósito de nanodetection e Biossensoriais 1-8. Trata-se de fator de qualidade ultra-alta (Q) cavidades ópticas que são proficientes na identificação de partículas biológicas minúsculas, até o nível de proteína único 2. Ou seja, monitorar mudanças na ressonância e frequência dividida para transmissão com extraordinária sensibilidade 9-11 pode ser ativado por confinamento da cavidade de energia da luz dentro de um pequeno volume de modo. As variações nas propriedades ópticas de um ressonador são a causa desses deslocamentos, que por sua vez origina a partir da ligação de moléculas discretas ou nanopartículas. Um exemplo menos sofisticada de uma estrutura WGM tridimensional para tais aplicações é uma microesfera de sílica, que pode ser fabricada com uma superfície lisa por perto atomicamente simplesmente ablação de uma fibra óptica desenhados usando um laser de CO 2. Como é sabido,High Q-factores da ordem de 10 9 pode ser atingido 1.
A frequência ressonante de uma microcavidade é convencionalmente monitorizado pela digitalização da frequência óptica de uma fonte de laser sintonizável, enquanto, simultaneamente, foto-detecção da transmissão óptica que é capturado num osciloscópio. Uma desvantagem inerente desta técnica é a incerteza associada com a localização das gotas na transmissão que surge da flutuação de comprimento de onda do laser ou jitter laser. Para superar esta complicação, um interferómetro pode ser usado juntamente com uma microcavidade para produzir um sinal de referência para cancelar o jitter de laser e aumentar a sensibilidade observada 2. Entrada de luz é dividida em dois caminhos ópticos: o feixe de referência que passa através do interferómetro (com uma gama espectral livre ou FSR grande o suficiente para evitar que o laser de jittering espaçamento uma frequência FSR passado durante a medição) e o feixe de detecção que interacts com o microresonator WGM. Este recurso agiliza experimentos em comparação com configurações mais avançadas, tais como a de WGM detecção implica a combinação de um laser de realimentação distribuída (DFB) e niobato de lítio periodicamente poled (PPLN) doubler 12. Nesta publicação, uma técnica interferômetro para monitoramento baseado fator ultra-alta qualidade microcavidade da matéria em nanoescala é descrito 3. Os procedimentos de configuração e aquisição de dados que são necessários para alcançar este objetivo estão descritas, ilustrando como fator de qualidade da cavidade pode ser determinado através de interferometria de referência.
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Protocol
1. Referência Interferômetro Construção e Mensuração FSR
- Construção
- Criar uma caixa de acrílico open-top. Esta estrutura deve ser grande o suficiente para caber confortavelmente em um 16 em x 16 em x 16 em caixa de isopor.
- Fabricar uma estante de 3 estágios para abrigar os componentes ópticos, que irá sentar-se na caixa de acrílico o open-top e será completamente fechado pela caixa de isopor para isolamento térmico. Dois furos elevados na caixa de Styrofoam tem de estar presente para permitir que as fibras para entrar e sair de todo o invólucro.
- Na 3 ª etapa: Uma fibra do acoplador direccional 3 dB de saída deve ser fixado a um controlador de polarização, que por sua vez conduz a uma porta de entrada de um 3 dB do acoplador direccional separado.
- Na fase 2 nd: formar um laço com cerca de 16 metros de fibra óptica provenientes de outra porta do primeiro acoplador direccional 3 dB de saída. Dirigir esta fibra para a porta de entrada dos restantes segunda 3 dB direccional acoplador na fase 3 rd.
- Encher a caixa de acrílico com 50% de raspas de gelo misturado com 50% de água líquida, como para formar um banho de gelo e, consequentemente, manter a temperatura dos componentes ópticos perto de 0 ° C.
- Medição FSR
- Configure o laser sonda no comprimento de onda desejado. Empregar um gerador de função de modo a que a sua saída está ligada a um divisor de potência de 3 dB. Uma das saídas do divisor de 3 dB deve ser ligado ao osciloscópio para fins de controlo e a outra saída é para ser utilizado directamente para sintonizar a frequência do laser.
- Alimentar a saída do laser, como a entrada para o acoplador direccional 1 de 3 dB.
- As duas saídas da 2 ª 3 dB acoplador direcional são para transportar sinais photomixed ao fotodetector equilibrada (BPD). Finalmente, conecte o cabo do BPD saída para um canal de entrada do osciloscópio.
- Linearmente analisar a frequência do laser por supplying o módulo de laser com um sinal de rampa gerado a partir do gerador de forma de onda (com uma tensão de pico-a-pico de 1 V e a frequência de varrimento de 100 Hz). O sinal de saída do DBP será sinusoidal no osciloscópio.
- Sintonizar o controlador de polarização como para maximizar a tensão de pico-a-pico da forma de onda sinusoidal.
- Para medir o FSR, configure a laser para saída de onda contínua, definindo o gerador de forma de onda para o modo DC. Ajustar a tensão do gerador de forma de onda para que o sinal transmitido a partir da DBP oscila em torno de 0 V (isto é. Do ponto de quadratura). Inspecione o sinal de saída através de um analisador de espectro elétrico. O sinal monitorado deve aparecer como uma função sinc-quadrado, em que a localização do primeiro zero, mais próxima do máximo global (com frequência zero) corresponde ao FSR. Para minimizar o ruído de medição, defina o analisador de espectro elétrico para o modo de cálculo da média.
2. Fibra Puxando 13
Preâmbulo: O objectivo deste procedimento é de aproximadamente corresponde a fase de fotões que viajam no estreitamento para aqueles do microcavidade de modo que o acoplamento eficiente pode ocorrer. Como a fibra é puxada, a parte central, que se situa entre os dois grampos vai apoiar a transição de um modo único dentro de uma fibra regular, para vários modos dentro de um guia de ondas formadas pelo revestimento de sílica inicial tornando-se o núcleo e o ar tornar-se o revestimento, e depois a um único modo. O núcleo de sílica da fibra vai praticamente desaparecem na secção central, onde as condições de propagação temporariamente multimodo satisfeitos, será contrariada pelo encolhimento contínuo do diâmetro da fibra.
- Corrigir o suporte da fibra para a platina motorizada translacional.
- Connectorize duas seções de fibra óptica com conectores FC / APC em uma extremidade de cada seção. Retire o revestimento tampão das extremidades não conectadas com uma stripper fibra, limpe-os com acetona primeiro e then isopropanol, unir as facetas finais e fusão emenda-los juntos.
- Para monitorizar a perda no cone, ligar uma sonda de laser no modo de potência constante de uma extremidade da fibra, enquanto a outra extremidade da fibra está ligada a um fotodetector (PD). A saída do TP tem de ser ligado a um osciloscópio. Ajuste as configurações do osciloscópio como para medir a tensão de saída PD, que é proporcional à potência de laser transmitido.
- Gravar o valor inicial da tensão de saída PD e continuar a monitorizar até que o passo 2.9.
- Prender a fibra para o suporte da fibra e da imagem da fibra com um microscópio óptico.
- Libertar hidrogénio de tal modo que ele começa a fluir próximo do cone, à espera de ar a sair do tubo e para a pressão do canal de estabilizar. Uma vez que a taxa de fluxo para o gás de hidrogénio atinge 110 ml / min, inflamar-la perto da saída com um isqueiro para aquecer a fibra.
- Usando um programa LabVIEW costume, linearmente puxar a fibra. Note-se que durante o pulling processo, o núcleo de fibra desaparece gradualmente enquanto vários modos de revestimento tornar-se dominante na orientação da luz através da seção de fibra cônico. A intensidade transmitida através da fibra óptica deve oscilar devido à interferência multimodo.
- Continue a puxar a fibra para reduzir a largura do cone de fibra até que suporta apenas um único modo de revestimento. Uma vez que a intensidade transmitida deixa de variar, pare de puxar a fibra.
- Solte o suporte de fibra a partir da fase de tradução e fixá-lo perto do palco piezoelétrico.
3. Preparação e entrega de soluções
- Prepare a 22:00, 13:00, e 100 fM soluções compostas de 50 nm de raio microesferas de poliestireno monodisperso em soro fisiológico tamponado com fosfato de Dulbecco (DPBS). Além disso, criar uma solução DPBS puro.
- Coloque as soluções em uma centrífuga, escalonar as suas posições dentro dela para fins de equilíbrio, e dar início a um ciclo de fiação 30 min.
- Após completion, colocar firmemente as soluções em um exsicador, evacuar-lo, e bombardeiam as soluções com ondas de ultra-sons durante 30 min.
- Retire as soluções e colocá-las de lado perto da configuração da experiência.
- Construa um suporte para um sistema de entrega de fluido de pequeno porte.
- Após a limpeza duas virolas, inserir dicas de seringas em ambas as extremidades de um segmento de microtúbulos e enroscar os fios para as pontas de seringas. Individualmente conectar uma das virolas para uma terceira ponta da seringa e o outro para o conector Luer Lock de um conjunto de cilindro-êmbolo.
- Prenda a ponta da seringa exposta ao estande e sustentá-lo por trás da amostra. Os líquidos deve ser capaz de fluir para a amostra sem derramamento significativo.
- Em termos do Artigo 5 º do Protocolo, coloque o barril com uma solução adequada e injetá-lo manualmente através do sistema de microfluídica durante a experiência.
4. Configuração e interligações do sistema
- Conecte os lase sonda r para um acoplador direccional de 10 dB. A porta acoplado é ligado à porta de entrada do interferómetro de referência, enquanto o porta transmitida está ligado a um controlador de polarização seguido pela fibra cónica.
- Reorientar os objetivos do microscópio para adquirir duas imagens nítidas de cone de fibra.
- Ligue a saída da fibra afunilada para um PD. A saída deste DP deve ser ligado a um canal de entrada diferente do osciloscópio.
- Montagem da amostra sobre o nanopositioner e fazer ajustes grosseiros para deslocá-lo de modo que é próximo do centro do cone de fibra.
- Injectar DPBS para a amostra. Faça ajustes grosseiros de tal forma que o cone de fibra vem na vista das duas câmeras CCD. Ajustar o nanopositioner para estabelecer o acoplamento do cone da fibra para o microcavidade.
- Digitalizar o comprimento de onda do laser como obter um mergulho ressonância apropriada no osciloscópio.
5. Detecção de Nanopartículas
ONTEÚDO "> Para obter os dados: Configurar as definições de disparo do osciloscópio e, usando software caseiro, recolher vestígios osciloscópio para posterior processamento.- Registam-se os dados para a solução tampão como referência.
- Registam-se os dados para as soluções de nanopartículas de menor a concentração mais elevada.
- Observe as mudanças de freqüência que ocorrem devido a nanopartículas de ligação na microcavidade.
6. Pós-Processamento de Dados
Os dados coletados podem ser processados por um programa MATLAB auto-escrito. O programa deve:
- Leia os traços de referência do interferômetro e realizar um ajuste de mínimos quadrados para as curvas senoidais. As fases da sinusoidal equipada são utilizados para estimar o jitter de laser em tempo real.
- Leia os traços de transmissão da cavidade e realizar um ajuste de mínimos quadrados para a função dupla de Lorentz. Freqüências ópticas correspondentes aos mergulhos de ressonância (ν 1,ν 2) e as suas larguras totais a meia altura (FWHM do, representado por δν 1, δν 2) são determinadas por comparação do sinal de transmissão para o sinal interferômetro.
- Obter o fator de cada mergulho indivíduo qualidade de Q i = ν i / δν i, onde i pode ser de 1 (ressonância esquerda) ou 2 (ressonância direita).
- Calcular, como é convencional, as freqüências ópticas dos mergulhos de ressonância através da digitalização tensão laser, onde os rendimentos de jitter a laser maior ruído de medição.
- Recolha a frequência de ressonância média média ν = (1 + ν ν 2) / 2 e a frequência de divisão Δν = ν 2 - ν uma para cada medição, pondo-os como uma função do tempo. Quando uma nanopartícula se liga na superfície da microcavidade, mudanças repentinas de ambos freqüência de ressonância média e sho freqüência splitULD ser observados.
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Representative Results
Depois, seguindo o protocolo, os traços podem ser compilados e montado. Figura 3a mostra a estrutura típica de ressonância das microesferas, tal como apresentado no vídeo, para que a divisão de frequência é observada em um meio de DPBS. Um ajuste de mínimos quadrados para a função dupla de Lorentz indica que o factor das depressões de ressonância esquerdo e direito são de qualidade respectivamente 2,1 x 10 8 a 3,8 x 10 8 num ambiente aquoso. As frequências ópticas do FWHM são obtidos através da comparação do espectro com o sinal de cavidade interferômetro na Figura 3b, o que produz uma medição de alta resolução para o Q. Note-se que o espectro de ressonância é obtida, quando o comprimento de onda do laser é deslocada azul, enquanto um vermelho deslocar os rendimentos de medição valores Q semelhantes. Figura 4 mostra os espectrogramas de ressonância que podem ser produzidos, em que um ajuste de duplo Lorentziana das curvas de transmissão foi computado. Em termos de calibração, the ruído de laser tremulação é extraído do interferómetro de referência original e, subsequentemente, removidos de ambos os sinais de microesferas e interferômetro. Na ausência de laser de jitter cancelamento, Figura 4a mostra simplesmente um espectrograma gerado pelo desencadeamento de vales de ressonância. Desvio térmico emerge após calibração, como visto na Figura 4c. Ao contrário de libertar espaço interferometria, a abordagem de medição elucidado diminuiu as perdas e pode concebivelmente ser integrado em uma plataforma system-on-chip. Quantitativamente, as medições FSR para os sistemas de interferometria de espaço livre pode chegar a um erro RMS de 180 kHz para uma cavidade Q = 1,5 x 10 8, traduzindo-se uma precisão relativa de 5,5 x 10 -6 por um FSR = 32,9382 GHz 14.
A Figura 5 ilustra o acompanhamento permanente do comprimento de onda médio de ressonância do microcavidade por um período de tempo de dois terços de um minuto no caso deDPBS imersão. A curva mostra que a cinza, quando o comprimento de onda de ressonância é obtida pelo método de varrimento de laser convencional tensão e o jitter de laser não é calibrado para fora, existe uma variação do comprimento de onda medido na ordem das dezenas de femtometers. Usando um interferómetro de referência (linha verde), o ruído é reduzido para o regime subfemtometer. As melhorias trazidas pela estabilização térmica também são fornecidos na Figura 5a para avaliar as contribuições de ruído subfemtometer de um equivalente não-resfriado (curva vermelha). Enquanto isso, uma medida da frequência de divisão produz um ruído de fundo semelhante à da curva média de ressonância. As avaliações da taxa de varredura a laser de frequência servem como um subproduto do sistema de referência interferometria conferida. Como é mostrado na Figura 5c, as flutuações da taxa de varrimento de laser são da ordem de 10 GHz / seg. Este pode ainda ser atribuída ao ruído de medida associados com o processo convencional; no entanto, esta será suppressed pelo interferômetro de referência. Eventos que indicam a ligação de 50 esferas de poliestireno nm pode ser ainda mais captadas com uma microesfera, como catalogado no vídeo em anexo. Os passos para tanto ressonância média e desvios de freqüência split são claramente visíveis.
Em outra demonstração publicado 2, Figura 6 mostra a ligação de 12,5 nm, 25 nm e 50 nm esferas de poliestireno raio diluídas em DPBS em um microtoroid sílica. Como se pode ver, esta técnica proporciona melhorias de sensibilidade semelhantes. Outras medidas consistentes para a ressonância média e freqüências de divisão são observadas na Figura 6b para 12,5 nm raio de ligação em uma superfície microtoroid talão.
Figura 1. Diagra Conceitualm da configuração fibra interferômetro paralelo, composto em parte as imagens de microesfera de sílica, microtoroid e estruturas microdiscos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
. Figura 2 Whispering-gallery mecanismo modo de detecção: a) Os fótons estão circulando dentro da microcavidade na ausência de nanopartículas de ligação; b) Uma nanopartícula adsorve à superfície e é amostrado, posteriormente, pelos fótons, causando mudança perceptível nas propriedades ópticas, c) divisão de freqüência ocorre devido às condições retroespalhamento e perda cavidade satisfeitos, proporcionando uma dimensão adicional ao det nanopartícula metodologia exão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
. Figura 3 a) Um exemplo de um espectro de transmissão da cavidade, mostrando factores de 2,1 x 10 8 de qualidade para a ressonância para a esquerda e 3,8 x 10 8 para a ressonância para a direita; b) sinal Interferômetro usado para determinar a FWHM. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Figura 4. Matéria-antecipada e espectrogramas de sinal avançado de sensibilidade para a solução tampão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
. Figura 5 a) Lote de mudança de comprimento de onda de ressonância em função do tempo, bem como as discrepâncias entre excluindo (sinal vermelho) e inclusive (sinal verde) estabilização térmica; b) relacionadas freqüência split dependente do tempo, c) relacionadas taxa de varredura dependente do tempo. O primeiro subfigura retrata um traço cinza que corresponde aos dados para o método de varredura de tensão convencional, enquanto o traço verde é adquirido para a técnica de interferometria de referência. Seue, as curvas vermelhas e verdes localizadas acima foram gravadas em datas separadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
. Figura 6 a) Recolhidos passos média de deslocamento de ressonância para 50 nm (curva vermelha), 25 nm (curva azul), e 12,5 nm (curva verde) esferas de raio de ligação para microtoroids sílica; b) mudança consistente média de ressonância (inserção superior) e etapas de mudança de frequência de divisão (no detalhe abaixo), que são observadas para 12,5 nm esferas de poliestireno de ligação a uma superfície microtoroid. Este valor foi obtido a partir de Lu et al. 2 Por favor, cliqueaqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Esta configuração atual é capaz de sondar uma variedade de microcavidades WGM, como microdiscos, microesferas e microtoroids, sem necessidade de qualquer controle de feedback para a fonte de laser da sonda. Uma proporção considerável de sinal-para-ruído (SNR) para a detecção pode ser obtida, devido às melhorias deslocamento passo fornecidas por comprimento de percurso e de efeitos induzidos de retroespalhamento por partículas. Dada a simplicidade eo baixo custo do próprio interferômetro de referência, este método é uma técnica eficiente para estudar ou explorar as propriedades de cavidades WGM.
Em alternativa, a energia circulante no microcavidade pode ser optimizado e de ressonância pode ser mais eficazmente perpetuada através da adopção de modulação de fase (PM) Libra-Drevers-Hall (PDH) de bloqueio de frequência e de modulação de amplitude (AM), com base crítica realimentação de acoplamento 15 com base. Isso, no entanto, está no custo de introduzir complexidade e gastos consideráveis. Noise floors para a abordagem PDH também recentemente mentiu cerca de 7 fm 16, elevando a figura de ruído em pelo menos uma ordem de grandeza em comparação com o projeto detalhado neste protocolo. As secções transversais de espalhamento de nanopartículas poderia, como exibido em ensaios, ser aferida através da informação dissipação interferômetro dada pela cavidade reforçada espectroscopia de absorção a laser modulação de amplitude (CEAMLAS) 17.
É importante notar que as soluções de forma inadequada desgaseificados pode conter bolhas de ar com diâmetro comparável àquele das amostras de nanopartículas. Mais especificamente, a adsorção de tais bolhas à superfície da microcavidade irá dar origem a falsos positivos na forma de deslocamento de frequência. Tais artefatos são difíceis de distinguir a partir das respostas de sinais esperados decorrentes nanobead vinculativo. Outras considerações incluem o fluxo de líquidos estáveis perto do cone e evitar separação, bem como establishing cone de fibra repetível puxando condições para alcançar de forma confiável integridade razoável e perda de inserção (≈ 0,5 dB).
No passado, as capacidades de biosensing este sistema experimental foram testados por medição de ligação para os viriões A da gripe não marcados em DPBS. O SNR para este cenário específico foi relatado para ser 38:1. O potencial do sistema para detectar nanobeads poliestireno com raios tão pequena como 12,5 nm foi adicionalmente demonstrada 2. No geral, a principal vantagem da metodologia de detecção baseada referência interferômetro reside na sua capacidade de monitorar mudanças de comprimento de onda em tempo real, minimizando as contribuições de erro de jitter freqüência e controle de varredura tensão laser. Por exemplo, a remoção do ruído jitter sozinho aumentar a SNR por um factor de 10. A colocação de plasmônicos hot spots (nanopartículas plasmonic ie ligados, tais como nanoconchas ouro) no equador do WGM cavity na periferia do campo evanescente é outro meio para melhorar o sinal de detecção por pouco mais de uma ordem de grandeza, sem degradar fortemente o factor de qualidade 18,19.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Os autores gostariam de agradecer a Xuan Du para a construção do diagrama conceitual da Figura 1. Este trabalho foi financiado por subvenções do Conselho de Pesquisa de Ciências Naturais e Engenharia (NSERC) do Canadá.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Polystyrene Microspheres | PolyScience | ||
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (DPBS) | Life Technologies | 14190 | |
| Piezoelectric Nanopositioner System | Physik Instrumente | P-611.3S | |
| Balanced Photodetector | Thorlabs | PDB120A | |
| Photodetector | Newport | 1801-FC | |
| 3 dB Fiber Optical Directional Coupler | Thorlabs | FC632-50B | |
| 10 dB Fiber Optical Directional Coupler | Thorlabs | FC632-90B | |
| Drop-In Polarization Controller | General Photonics | PLC-003-S-25 | |
| Function Generator | Hewlett-Packard | 33120A | |
| Fusion Splicer | Ericsson | FSU-925 | |
| High-Speed Oscilloscope | Agilent | DS09404A | |
| Motorized Translation Stage with Controller | Thorlabs | MTS25-Z8E | |
| Single Mode Optical Fiber, 600-800 nm, Ø125 μm Cladding | Thorlabs | SM600 | |
| Real-Time Electrical Spectrum Analyzer | Tektronix | RSA3408B | |
| Optical Spectrum Analyzer | Agilent | 70951A | |
| 632.5 – 637 nm Tunable Laser | New Focus | TLB-6304 | |
| Filtration Pump | KNF | ||
| Ultrasonic Cleaner | Crest Ultrasonics | Powersonic 1100D | |
| Mini Vortexer | VWR | VM-3000 | |
| Centrifuge | Beckman Coulter | Microfuge 22R |
References
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