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微流控光机械振荡器的制备与测试

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DOI：

10.3791/51497

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2014年5月29日

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1Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, 3Biomedical Engineering, University of Michigan

本文内容

摘要

最近，通过光辐射压力和受激布里渊散射，已在微流控光力学谐振器中实验验证了参量型光力学激发。本文描述了这些微流控谐振器的制备方法，以及产生和验证光力学振荡的技术方案。

摘要

参数耦合声子模式与光子模式的腔光力学实验已在包括微谐振器在内的多种光学系统中得到研究。然而，由于光力学器件直接浸入液体时声学辐射损耗增加，几乎所有已发表的光力学实验均在固相环境中进行。本文介绍了一种 recently introduced 中空微流体光力学谐振器，提供了详细的制备方法，用于制造这些超高光学Q值的微流体谐振器，开展光力学测试，并测量由辐射压力驱动的呼吸模式以及由受激布里渊散射（SBS）驱动的回音壁模式参量振动。通过在毛细管谐振器内部封闭液体，可同时保持高的力学和光学品质因数。

引言

腔光力学研究通过辐射压力（RP）1-3 和受激布里渊散射（SBS）4-6 在微谐振腔中声子模式与光子模式之间的参量耦合。SBS 和 RP 机制已在多种不同的光学系统中得到验证，例如光纤7、微球4,6,8、环形谐振腔1,9 以及晶体谐振器5,10。通过这种光子-声子耦合，已实现了机械模式的冷却11 和激发6,10。然而，几乎所有已报道的光力学实验均基于固相物质。这是因为光力学器件直接浸入液体中时，由于液体的声阻抗远高于空气，会导致辐射性声学损耗显著增加。此外，在某些情况下，液体中的耗散损耗机制可能超过辐射性声学损耗。

最近，一种具有微毛细管几何结构的新型中空光机械振荡器被引入12-15，其设计专为微流控实验而配备。该毛细管的直径沿其长度方向被调制，形成多个“瓶形谐振器”，可同时限制光学回音壁谐振模式16以及机械谐振模式17。多种类型的机械谐振模式参与其中，包括呼吸模式、酒杯模式和回音壁声学模式。当振动在器件圆周方向上达到声波波长的整数倍时，便形成酒杯型（驻波）和回音壁声学型（行波）谐振。通过锥形光纤，光以消逝波耦合方式进入这些“瓶形”结构的光学回音壁模式18。将液体限制在毛细管谐振器内部19,20而非外部，可同时实现高的机械和光学品质因数，从而允许通过受激拉曼散射（RP）和布里渊散射（SBS）两种机制实现机械模式的光学激发。研究表明，这些机械激发能够穿透进入器件内的流体12,13，形成固-液共有的谐振模式，从而实现对内部流体环境的光机械界面调控。

本文介绍了这种新型光机械系统的制备、RP和SBS驱动，以及具有代表性的测量结果。同时提供了具体的材料和工具清单。

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方案

1. 超高Q值微流控谐振器的制备

  1. 毛细管制造装置的准备
    1. 以如下方式制备微流控光机谐振器——使用波长为10.6微米、功率约为10 W的CO2激光辐射加热玻璃毛细管预制棒，并利用电机驱动的线性平移台将加热后的毛细管线性拉伸。图1展示了线性平移台、激光器以及拉伸过程前毛细管预制棒的位置布置。
    2. 编程合适的自动化软件，以同时控制两个CO2激光器（用于加热）和两个线性平移台。这两个线性平移台用于对激光加热的毛细管执行拉伸过程。
    3. 其中一个线性平移台必须具有较快的速度（例如 5 mm/sec），以实现线性拉伸过程；而第二个较慢的线性平移台（例如 0.5 mm/sec）则需持续向加热区域输送更多材料，因为在拉伸过程中毛细管预制棒的材料会逐渐耗尽。
    4. 沿垂直和水平轴方向仔细调整线性平移台上的样品夹具位置。
    5. 仔细对准两个CO2激光束，使其聚焦于空间中的同一点（位于两个样品夹具之间）。可使用卡纸或热敏纸辅助完成此对准过程。务必佩戴护目镜以确保激光安全，切勿将视线降至实验台高度。使用适当的光束阻挡装置、排烟设备和防火措施。
    6. 选择合理的拉伸参数。例如，以下参数可稳定地制备出良好尺寸的毛细管——拉伸速度10 mm/sec，进料速度0.5 mm/sec，预热时间3秒，两台激光器的预热功率均为4.5 W，加热功率均为5 W。
    7. 在拉伸过程中调制激光功率，可用于控制毛细管沿长度方向的半径变化，从而形成“瓶形”谐振器。示例见图2d。选择适当的调制参数：频率3 Hz，激光功率分别为6 W和3 W，占空比50%。
  2. 微流控光机谐振器的制备
    1. 截取一段足够长的熔融石英毛细管（约2–4 cm），使其能够连接至安装在线性平移台上的两个夹具。
    2. 将毛细管样品安装在样品夹具上，确保激光作用区域大致位于毛细管中部。如有需要，重新调整CO2激光器的对准。
    3. 使用1.1.6节所述参数拉伸毛细管。首先将毛细管预热数秒（图2a），然后根据需要以恒定激光功率或调制激光功率（参数见1.1.7节）进行拉伸。
    4. 将拉制完成的毛细管（图2b）从样品夹具上取下。仅在样品两端较粗的部分佩戴手套操作，避免污染谐振器洁净表面。
    5. 调整拉伸参数以制备不同直径的毛细管。通常，外径可根据拉伸条件在30 µm至200 µm之间变化。
  3. 将制备好的器件安装用于测试
    1. 准备一个E形玻璃支架（图2c）。从载玻片上切割出三块1 cm × 0.5 cm和一块3 cm × 0.5 cm的玻璃片，使用玻璃胶或瞬干胶将其组装成E形结构。
    2. 从拉制好的样品中截取一段适当长度的微流控毛细管，其长度应大于E形支架上两个相邻玻璃支臂之间的距离。
    3. 使用光学胶将微毛细管器件粘接在支架上，同时确保有部分毛细管悬空且未被污染地置于E形支架的两个支臂之间。使用LED紫外光源对光学胶进行10秒固化。图2c和图2d展示了最终成品。
    4. 小心地将安装好的谐振器两端分别插入两根略大的塑料管（例如 内径200 µm）中，并使用光学胶将两端与塑料管粘接，再进行紫外固化。
    5. 利用第三个（自由端）玻璃支臂将E形结构夹紧固定在测试用的安装装置上。最终微流控谐振器的光学品质因数取决于制造过程中激光对准的精度以及激光功率的稳定性。

2. 光机械测试的实验装置

  1. 锥形光纤的制备
    1. 准备一段所需长度的单模通信波段光纤（例如 几英尺）。光纤段应足够长，以便既能安装在拉锥区域，又能连接到实验装置（图4）。此处所说明的拉锥方法与文献22中建议和演示的方法类似。
    2. 使用任意合适的光纤熔接方法，将准备好的光纤段连接至其余实验装置。
    3. 将熔接后的光纤段固定在两个相对放置的线性拉伸装置上。
    4. 在已固定的光纤段中心位置剥除光纤护套，以暴露包层区域。该区域即为将要制备锥形的部位。使用甲醇清洁裸露区域。
    5. 开启可调谐激光器，通过示波器实时观察透射信号。务必设置衰减器，以防止光电探测器受损。
    6. 在光纤裸露部分正下方放置一个窄喷嘴的氢气燃烧器。操作氢气等加压易燃气体时，须遵守所有推荐的安全规程。也可使用其他“清洁燃烧”火焰源或陶瓷加热器。
    7. 点火前，检查气体流速，确保火焰不会过大（1–2 cm高的火焰即可）。注意火焰大部分不可见，但在暗室中可能呈现微弱的橙色辉光。氢气流速应调节至点燃后火焰能充分软化玻璃光纤的程度。
    8. 点燃火焰。火焰点燃后，立即使用电机驱动平台开始拉伸光纤。合适的拉伸速度取决于氢气流速及火焰位置。注意：随着拉伸进行，光纤中的透射信号将开始出现时间上的振荡行为，这表明已进入多模工作状态。
    9. 当振荡行为停止且信号随时间保持稳定时，立即停止拉伸并关闭火焰。此时已获得单模锥形光纤。检查透射率。若透射率过低，应从步骤2.1.1开始重复操作，并调整气体流速、火焰大小和火焰位置。有时透射率低可能是由于步骤2.1.3中对准不良或暴露的包层受到污染所致。
    10. 若锥形区域的最终透射率令人满意，等待数分钟使其冷却。
    11. 在显微镜下检查锥形区域。对于工作波长为1,550 nm的情况，单模锥形光纤的典型直径约为1–2 µm。
  2. 锥形光纤与微腔的耦合及振动电信号的探测
    1. 按照图3所示的配置搭建实验装置。通过同一实验配置，可利用受激布里渊散射（SBS）和回音壁模式（RP）产生机械振动。为了像反向SBS4,21那样清晰检测后向散射信号，需在锥形光纤与可调谐激光器之间使用一个光隔离器（环形器）。
    2. 在开启可调谐红外激光器之前，务必设置好衰减器，以防止光电探测器受损。
    3. 开启可调谐红外激光器并使其稳定。使用函数发生器对输入红外激光的频率进行扫描。
    4. 将谐振腔支架安装在纳米定位平台上。小心地将谐振腔靠近锥形光纤，以实现倏逝场耦合。当激光频率被扫描时，光学谐振将以透射信号中的下降峰形式出现在示波器上，如文献22中的图2b所示。
    5. 将光电探测器输出端连接至电学频谱分析仪（ESA），以观察输入激光与散射光之间的时间干涉信号（即 拍频信号）。该时间干涉信号的频率对应于机械振荡频率。在初步搜索机械振动时，频谱分析仪上的“峰值保持”功能通常非常有用。
    6. 在初步搜索机械振动时，可使用较高的输入功率，尤其是在器件内部存在液体的情况下。注意：通常输入至器件的光功率在100 µW量级即足以激发机械振动。
    7. 若观察到机械振荡，尝试通过关闭激光频率扫描并在连续波（CW）模式下控制激光波长，锁定至相关光学模式。此时，示波器和频谱分析仪可协同使用。当存在机械模式时，示波器上会出现周期性信号，如图5和文献1,6中所示。

3. 测量光机械振动

  1. 辐射压力（RP）模式的光学与电子特征
    1. 如2.2节所述，当锥形光纤与器件实现正确耦合、器件的光学和机械模式具有足够的品质因数（Q值），并提供足够的输入光功率时，将观察到机械振荡。如果在10 MHz - 1 GHz范围内未观察到振荡，可尝试改变偏振态以研究不同的共振模式，或增加可调谐激光器的输入功率，以克服振荡所需的最低阈值。在增加输入功率时，务必注意避免光电探测器饱和。此外，如文献8所述，耦合距离是激发不同RP模式的关键因素。
    2. 若仍无法观察到机械模式，可尝试测量光学品质因数。对于微流控光力学谐振器，研究结果表明，当光学品质因数达到106时，足以激发参量振荡13。
      注：通常，RP模式会在频谱分析仪上表现为伴随其谐波的电子振荡，如图5所示。代表性结果将在第4节中讨论。
    3. 使用扫描式法布里-珀罗干涉仪或高分辨率光学频谱分析仪，检测由于腔体周期性形变引起的幅度和相位调制所产生的光学边带。相关测量示例见文献1中的图3h。
  2. 回音壁型声学模式的光学与电子特征
    1. 当使用波长为1.5微米的泵浦激光时，二氧化硅玻璃中反向布里渊散射（SBS）的声学频率约为11 GHz4,23。利用环形器监测背向散射光以及少量瑞利散射的泵浦光，以观察这些振动模式的电子信号。使用高分辨率光学频谱分析仪分辨散射光。相关测量示例如文献4中的图2所示。
    2. 利用前向散射光与泵浦激光之间的拍频信号，可观察较低频率（低于1 GHz）的回音壁型声学模式。
    3. 由于在呼吸模方向上的机械刚度较低，SBS信号有时弱于RP模式的信号。此时，应缓慢扫描激光频率，并在频谱分析仪上使用“峰值保持”功能，以帮助识别SBS信号。
    4. 需要注意的是，与RP激发的呼吸模不同，SBS激发的回音壁型声学模式在光学和电子频谱中不会出现谐波（除非发生级联激发4,24），SBS模式仅表现为一个斯托克斯边带。

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结果

通过该方法制备的毛细管很薄（介于 30 µm 和 200 µm 之间）、透明且非常柔韧，但其机械强度足以直接操作。为保持较高的光学品质因数（Q），必须保护毛细管器件的外表面免受灰尘和水（湿气）的影响。将毛细管一端浸入水中，并通过注射器向毛细管内吹气，可检测毛细管是否贯通，或在制备过程中是否因过热而被封住。

可调谐激光器可用于通过锥形光纤波导耦合探测所制备器件的光学模式。在此测试中，预期会出现尖锐的光学共振峰，表明具有高的光学Q值。光学模式的热展宽是高Q值的另一个指示特征25。

当由辐射压力（RP）驱动的参量振荡发生时，机械模式的谐波将出现在锥形波导输出端口所获得的光谱中。这是由于机械振动引起光的幅度和相位调制深度较大所致。通常观察到的电谱示例如图5a所示，也可参见文献1。信号的示波器波形表现出周期性行为（图5b）。可通过有限元分析对系统的机械模式进行建模，以确认所观察到的光调制对应于某一特征机械频率。受激布里渊散射（...

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讨论

我们设计并测试了一种新型器件，该器件通过利用高Q值光学共振来激发（并探测）机械振动，实现了腔光力学与微流控技术的结合。令人惊讶的是，同一器件中存在多种激发机制，可在2 MHz至11,300 MHz范围内产生多种机械振动模式。其中，离心辐射压力在2–200 MHz频段内支持酒杯模式和呼吸模式；前向受激布里渊散射可在50–1,500 MHz范围内激发机械回音壁模式；最后，反向受激布里渊散射则在约11,000 MHz处激发机械回音壁模式。

本研究中描述的方法能够制备出具有约108超高光学品质因数的微流体谐振器。同时，由于液体被限制在器件内部，声学损耗得以有效控制，从而使器件也能保持较高的机械品质因数。基于该平台，我们已证实可以测量器件内所含流体的密度变化（图6）。为了深入理解实现这一功能的光-机-流体耦合机制，未来的工作将涉及对该器件进行多物理场建模。

该制备方法存在一些实际挑战。例如，毛细管材料必须对10.6微米的CO2激光辐射具有良好的吸收能力，以便在...

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披露

我们无任何披露事项。

致谢

本工作由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的启动资金、美国空军科学研究办公室（AFOSR）资助的DARPA ORCHID项目、美国国家科学基金会通过资助号CMMI-1265164提供的资助以及美国国家科学基金会研究生研究奖学金项目资助。我们感谢与Jack Harris教授、Pierre Meystre教授、Matt Eichenfield博士、Taher Saif教授和Rashid Bashir教授的有益讨论。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
可调谐红外激光器NewfocusTLB-6328
光电探测器Newfocus1811-FC（低速 125MHz）/ 1611-FC-AC（高速 1GHz）
光纤CorningSMF28
石英毛细管PolyMicroTSP700850
10.6 μm 波长 CO2 激光器Synrad48-1KWM 和 48-2KWM
紫外固化光学胶ThorlabsNOA81
软管TygonEW-06418-01
注射器B-DYO-07940-12
针头WellerKDS201P
电学频谱分析仪Agilent TechnologiesN9010A（EXA 信号分析仪）
电学频谱分析仪Tektronix6114A（RSA，实时频谱分析仪）
光谱分析仪AdvantestQ8384
示波器TektronixDPO 4104B-L
金镜II-VI Infrared836627
线性位移台（慢速）DryLinH1W1150
线性位移台（快速）PBC LinearMTB055D-0902-14F12
法布里-珀罗光谱分析仪ThorlabsSA 200-14A（自由光谱范围：1.5 GHz）

参考文献

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