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。
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本文内容
摘要
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....
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方案
1. 超高Q值微流控谐振器的制备
- 毛细管制造装置的准备
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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....
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 可调谐红外激光器 | Newfocus | TLB-6328 | |
| 光电探测器 | Newfocus | 1811-FC（低速 125MHz）/ 1611-FC-AC（高速 1GHz） | |
| 光纤 | Corning | SMF28 | |
| 石英毛细管 | PolyMicro | TSP700850 | |
| 10.6 μm 波长 CO2 激光器 | Synrad | 48-1KWM 和 48-2KWM | |
| 紫外固化光学胶 | Thorlabs | NOA81 | |
| 软管 | Tygon | EW-06418-01 | |
| 注射器 | B-D | YO-07940-12 | |
| 针头 | Weller | KDS201P | |
| 电学频谱分析仪 | Agilent Technologies | N9010A（EXA 信号分析仪） | |
| 电学频谱分析仪 | Tektronix | 6114A（RSA，实时频谱分析仪） | |
| 光谱分析仪 | Advantest | Q8384 | |
| 示波器 | Tektronix | DPO 4104B-L | |
| 金镜 | II-VI Infrared | 836627 | |
| 线性位移台（慢速） | DryLin | H1W1150 | |
| 线性位移台（快速） | PBC Linear | MTB055D-0902-14F12 | |
| 法布里-珀罗光谱分析仪 | Thorlabs | SA 200-14A（自由光谱范围：1.5 GHz） |
参考文献
- Carmon, T., Rokhsari, H., Yang, L., Kippenberg, T., Vahala, K. Temporal Behavior of Radiation-Pressure-Induced Vibrations of an Optical Microcavity Phonon Mode. Physical Review Letters. 94 (22), (2005).
- Rokhsari, H., Kippenberg, T., Carmon, T., Vahala, K. J.
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