Summary
このプロトコルでは、デザインと水道橋とその活性化水繊維の製造について説明します。実験は、水繊維の毛細管の共鳴がその光伝送を調節することを示します。
Abstract
本報告では、うち光ファイバー コアでのみ水、クラッド空気は、ために設計し、製造されます。固体クラッド デバイスとは対照的キャピラリー振動は制限、移動し、振動に繊維壁を許可されません。繊維、水道橋として知られている浮遊水スレッドを作成する 2 つの貯水池間に数千ボルト (kV) の高い直流 (DC) 電圧によって構築します。マイクロ ピペットの選択によって最大径とファイバーの長さを制御することが可能です。光ファイバカプラー、橋の両側には、光導波路、水繊維キャピラリー体伝送の変調波を監視する研究者を許可して、したがって、表面張力の変化を推測としてそれをアクティブにします。
共同拘束 2 つ重要な波型、毛細血管と電磁波、光と液体壁デバイス間の相互作用の研究の新しいパスを開きます。水壁材は 100万回それに応じて微細な力への応答を向上させる固体相手よりも柔らかいです。
Introduction
光ファイバー通信、2009 年1ノーベル賞受賞の画期的なので繊維ベースのアプリケーションのシリーズがと一緒になった今日では、繊維がレーザー手術2、同様にコヒーレント x 線生成3,4、誘導音5とスーパーコンティ ニューム光6必要です。自然、光ファイバーに関する研究に液体を満たしたマイクロ流路と流が光の利点と、液体の輸送特性を組み合わせる光波誘導、液体を悪用に固体を利用してから拡大されます。尋問7,8,9。ただし、これらのデバイスは固体と液体をクランプし、したがって、毛管波として知られている独自の波の特性を表現することを禁じる。
毛管波、池に石を投げるときに見られるような自然の中の重要な波です。ただし、チャンネル、固体表面を減衰することがなく液体を制御する障害物、彼らはほとんど検出またはアプリケーションの利用します。対照的に、このプロトコルの表示デバイスに固体の境界がないです。囲まれています化と伝達できるように、したがって、開発、表面張力波空気の流れの光との対話
水光ファイバーを作製する浮動の水路橋として知られている技術に戻ってする必要がある最初の 189310で報告、満ちている 2 つのビーカーが水を蒸留し、高電圧源に接続されているとなる流体、水糸のようなそれらの間の接続11。水橋は長 3 cm12までに到達したり、20 nm13として薄くあります。物理的な起源はそれが示されている誘電力と同様に、表面張力の両方がある橋の重量14,15,16を運ぶための責任。水繊維として水の橋をアクティブに私たちカップル熱するテーパー シリカ繊維17,18と光とをシリカ繊維レンズ19。このようなデバイスは、音響、毛細血管、および光学波、多波長検出器およびラボ ・ オン ・ チップ20,21,22アプリケーションに有利であることをホストできます。
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Protocol
注意: この実験には、高電圧が含まれます。それは読者の責任安全当局との彼らの実験高電圧の電源を入れる前に規則に続くことを確認します。
注: 極性液体の任意の種類は、エタノール、メタノール、アセトン、水などの液体の繊維生産を利用できます。液体の極性は、安定性と作成されたファイバー23,24の直径を決定します。最高の結果を得るには、18 MΩ 耐脱イオン水を使用します。光学部品、光ファイバー、光源などを選択する前に必要な光の波長で水/液繊維低吸収できるように文献を参照してください。プロトコルは、水の貯留 (ステップ 4.5) を充填する前に任意の時点で一時停止できます。
1. 水の貯水池と試験場の準備
- 図 1によるとピペット ・高電圧用磁気コネクタと 2 つの poly(methyl methacrylate) タンクを製造します。
- サイズ 60 × 50 × 10 mm に 2 つのアクリル板をカット、8 mm の深さで、プレートの裏側に直径 7 mm の空洞をドリルです。空洞内部コネクタ磁石を接着します。
- キャピラリーのクランプの PMMA のストライプを 45 × 10 × 2 mm にカット、それの上にある 2 つの磁石を接着します。
- 電気コネクタの金属箔の小片で磁石をラップ、高電圧 (HV) ソースにワニのクランプで電気的接続します。貯水池は、約 100-300 μ L の水を保持します。貯水池の水と流体の接触にラップされた磁石を配置します。
注: は、好ましくは、クランプと高電圧のため磁気コネクタを使用します。可能であれば、使用しないでくださいあらゆる種類の接着剤の接着剤の多くの種類または電気アークの存在下で高圧の影響の下で溶解し、水繊維の安定性や光学的品質を低下させるクランプまたは、コネクタを接続します。
- 5 自由度 (DOF) の微小位置決めステージ上の 1 つの PMMA 貯水池をマウントします。
- すべてのコネクタとイソプロパノール (スペクトル グレード) 脱イオン水が続く地域を徹底的に掃除します。窒素でブロードライします。PMMA をカバー漏出を避けるためにポリテトラフルオロ エチレン (PTFE) テープや水の滴下ですべてのクランプと水の貯水池。
- 光学顕微鏡イメージング用セットアップの位置。遠方の目的を使用して (5 X、0.14 短い水繊維の WD 20 mm レンズ 0.42 NA と水の長い繊維と 20 X 34 mm WD NA、) 水繊維の HV と導電性顕微鏡設定の不要な接地を避けるために。
- 線形の過渡的段階は、図 1によると、それぞれの水の貯水池の背後にある 1 つに 2 つの光ファイバーのクランプを設定します。各繊維のカプラーは (次のセクションで説明します)、マイクロ ピペット内を前後に移動することができるはず。
2. マイクロ ピペットと電圧の選択
- マイクロ ピペット内径により作製した水繊維の最大半径になります。5 μ m の半径水繊維を作成するには、150 μ m の内径ピペット、125 μ m 径のファイバーとペアを使用します。厚い (20-90 μ m) と (800-1,000 μ m) 水繊維、850 μ m の内径マイクロ ピペットを使用します。
注: 親指のルールとして、最大長は 25 の最大半径を乗じて推定される水繊維。詳細については、表 1を参照してください。- 3 cm の長さに手でエッジの上のマイクロ ピペットを破る。
- 適用 1.5 間 2 つの水の貯水池の間に電圧を最大 110 μ m の直径を持つ水繊維を作成する、kV と 3 kV。水繊維の長さは、1 ミリに達する適用最大 8 kV。図 1電気配線の提案を比較します。
3. 光ファイバカプラーの作製
注: 最高の伝送結果出力カプラー (コア > 100 μ m) として水繊維と折り返しマルチモードファイバー高いレンズにレーザー光を起動するのにテーパ光ファイバーを使用します。ただし、操作しやすい出力カプラー (たとえば、780 nm 波長 1550 nm シングル モード ファイバー) として低マルチモード光ファイバーを使用します。
-
テーパー ファイバカプラーの作製
注: は、図 2を参照してください。- むき出しの光ファイバーの 10-15 mm の領域を公開するそのプラスチックのクラッドから繊維のストリッパーと、780 nm シングル モード ・ ファイバーをストリップします。清潔度アセトンとの組み合わせで繊細な作業をおしりふきで公開されている地域。それに先を細く前に必要なマイクロ ピペットで繊維を渡します。1/20 より小さい斜面と単一モード条件の下の繊維を細きます。
- 0.06 mm/s で両側からテーパーを引きながら 140 mL/min の流量で繊維を細く水素火炎を使用します。
注: テーパー部分は、6 に 9 mm 間の合計です。繊維が単一モード条件を到達する前に破損した場合より高い金利に水素の流れを調整するまたはトーチの熱いエリアに光ファイバーを配置します。領域が長い場合、料金を下げるか、トーチの寒い地域で光ファイバーを配置する水素の流れを調整します。 - 炎の電源を切り、その薄スポットで破損するまで慎重に繊維の緊張を高めます。入力カプラーとしてこのテーパ光ファイバーを使用します。
注意: テーパー光ファイバーは壊れやすいです。
-
レンズ ファイバカプラーの作製
- 繊維ストリッパーで 1550 nm シングル モード ・ ファイバー先端を除去し、アセトンとの組み合わせで繊細な作業をおしりふきで露出している部分をきれいにします。前述のようにピペットを準備ししてそれで繊維を渡します。
- 熱電気融やガラス繊維の端は液体になるし、繊維レンズとして知られている、少し丸みを帯びた形状を形成するまで 200 mm レンズを通して焦点を当てて、15 W の電源で CO2レーザ先端。
4. 組み立てください。
- まだ行われていない場合は、目的のマイクロ ピペットに光ファイバカプラーを挿入します。
- マイクロ ピペット、premanufactured、磁気 PMMA クランプを用いた PMMA 貯水池に光ファイバカプラーをクランプします。マイクロ ピペットの非テーパー面に水の貯留に到達する必要があります。リニア位置決めステージでそれぞれ光ファイバカプラーの締め金で止めます。
- 780 nm、連続波、ファイバー結合型の 10 mW レーザー ソースと電源メーターにファイバカプラー レンズにテーパー光ファイバーのカプラーを接続します。水でタンクを埋めるし、ピペットで立ち往生している気泡がないことを確認します。必要に応じて、プッシュまたは光ファイバー結合器 (ステップ 3.1 からまたは、したがって、3.2) とそれらを引っ張る。
注: 次の光路は、この段階で駅は、: レーザー光源、光ファイバー (と、この繊維を通過) リニア ステージ、電気接続、水でいっぱいにピペットで貯水池の水に繊維クランプテーパ光カプラー、空き領域 (後で: 水の繊維)、繊維レンズ カプラー (今 2 番目の繊維)、水、電気接続、ファイバー クランプ リニア ステージと、最後に、パワー メーターで水の貯水池で満たされたマイクロ ピペット。 - マイクロ ピペットの間の流体の接触を確立する PMMA 貯水槽の 5 自由 degre マウントを調整することによってマウントされたマイクロ ピペットの端を接続します。光源とパワーメータを入れます。5 自由度 PMMA 水タンク マウントの助けを借りて、伝送する光ファイバカプラーを調整します。
注: 適切なレーザーの安全装置を使用します。 - 上金属箔に包まれた磁気コネクタを配置して水の貯留と高電圧を電気的接続、PMMA の磁気対応水貯留層と金属箔にワニのクランプを取り付けます。電気ケーブル経由でワニのクランプを HV ソース (図 2 a) に接続します。
5. 実験を実行しています。
- 目的の値に電圧を高めます。非常に短く、狭い橋の出発点は 1.5 kV。100 μ m と長さでより安定した橋は、2.5-3 kV で実現できます。
- 徐々 にマイクロ ピペット (図 2 bおよび2 c) マイクロ ピペットの選択に従って必要な長さの間の距離を増やします。カプラーと 5 自由度ステージと光伝送を最適化する 1 自由度段階ピペットを調整します。
- 電力計で測定を行う結合出力レーザパワーを結合の比を取ることによってカップリングの効率を測定します。
- 電源メーターを外し、出力ファイバカプラーに受光器を接続します。-受光をオシロ スコープに接続します。毛管水光ファイバー振動を表す、透過光の時間トレース測定値を記録します。
- 周波数領域、時間トレース測定を介して高速フーリエ変換に変換します。中心周波数をキャピラリー品質係数を受信する半値幅に引き継ぐ。
注: は、周波数ジッタリングをチェックするスペクトロ グラムを作成します。 - 水繊維の幾何学的構造を特徴付けるトップ ビュー顕微鏡のセットアップを使用します。水繊維の最も薄い部分で繊維の半径が得られました。
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Representative Results
水繊維から高いマルチモード光ファイバーへの結合効率は 5425,26の高することができます。シングル モード ・ ファイバーへの結合効率は 1225,26です。水繊維直径 1.6 μ m と薄くすることができますや 1.064 mm まで 41 μ m (図 3)25,26の直径と長さをすることができます (図 3) 46 μ m25,26, の長さを持つことができます。伝送スペクトロ グラムでは、ギターの文字列 (図 4)25,26のような水繊維のキャピラリー振動を明らかにします。キャピラリーの品質要因は長い繊維25,26の 14 の高推定されました。水橋の理論を考慮した表面張力、誘電体力25,26間の比率を推定することが可能です。
図 1: セットアップの概略図。(、) この図水繊維の実験の設定です。(b) このスケッチでは、水の貯留、電気コネクタ、およびピペット クランプを示しています。(c) このパネルは、一般的なソリッドと比較して水壁導波管の柔らかさを示しています。この図は、Douvidzonらからパーツで再現します。25,26.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: セットアップ写真。(、) このパネルは、PMMA 貯水 5 自由度マウントです。PMMA ピペット クランプ、マイクロ ピペット、光ファイバーと電気コネクタ。(b) このパネルは、流体、マイクロ ピペット接点が作成されることを示しています。(c) このパネルは、水繊維を確立する、マイクロ ピペットの間の距離が増加することを示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 水の繊維特性。(、) これを表示水繊維 1 mm よりも長い。次の 2 つのパネルは、ミクロン スケール薄水繊維、水繊維の液相境界での表面張力波による表面散乱 (c) (b) を表示します。(d) このパネルは、光伝搬蛍光染料によって確認された水繊維量を示しています。この図は Douvidzonらから再現します。25,26.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 水繊維「ギターの弦」モードの実験的測定。(、) このパネル測定を示しています時間トレース。(b) A 変動スペクトルを明らかにする基本モードと整数の乗算、その 3 つの倍音 (線分)。(c) このパネル 0.94 mm 電圧を変更すると、それに応じて、電圧の最初の定数で、繊維の直径を変更するファイバーの変動のスペクトロ グラムを示していますし、上昇し、最後に、減少しました。色コードでは、送信について説明します。(d) このパネルは、理論的予測 (破線) と共に繊維の直径 (円) の関数として光ファイバーの基本周波数を示します。水平および垂直方向の誤差範囲は、中心周波数と対応する繊維直径の 8 年連続、250 ms 間隔測定の不確かさを表します。すべてのパネル、繊維の長さは 0.94 mm、振動、光検出器で尋問光学的。直径は、を介して測定顕微鏡です。この図は Douvidzonらから再現します。25,26.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
| 水繊維 | ピペットの内径 | ||||
| 長さ [μ m] | 半径 [μ m] | 潜在的な [V] | テーパ側 [μ m] | レンズ側 [μ m] | |
| 図 1 b | 830 | 51 | 6000 | 850 | 850 |
| 図 2a | 1064 | 20.5 | 6000 | 850 | 850 |
| 図 2b | 46 | 1.6 - 0.8 | 1500 | 150 | 850 |
| 図 2 c | 820 | 32.5 | 5000 | 850 | 850 |
| 図 2 d | 110 | 4.75 | 3000 | 150 | 150 |
| 図 3 | 940 | 20-90 | 3000-8000 | 850 | 850 |
| 図 4 | 24-73 | 2.7-3 | 2500 | 150 | 850 |
表 1: 水の光ファイバーの長さと半径。水光ファイバーの長さと電位及びピペット直径半径を示します。このテーブルは Douvidzonらから再現します。25。
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Discussion
最後に、主要な利点、このテクニックの独自性が波の 3 つの種類をホストする繊維の作成: キャピラリー ・音響・光。すべての 3 つの波は、多波長検出器の可能性を拓く、異なる体制で振動させてください。例としては、浮遊ナノ粒子は、液体の表面張力を影響します。既に現在の段階では、キャピラリーの固有振動数の変化を通じて表面張力の変更を監視することが可能です。また、デバイスの水壁がそれに応じてセンサーの感性を向上させる固体相手より 100万倍柔らかいです。
このセットアップでの経験に基づいて、我々 は信号対雑音比と光カプラーの品質の高い依存関係に気づいた。したがって、光カプラーの作製に細心の注意を払うことをお勧めします。先細りのステーションのダストフリー環境を確保する水槽のセットアップと水繊維のセットアップを検討してください。また、実験の実行は、電気アークを破壊または機械的にまたはテーパー光ファイバー結合器の損傷のリスクを伴います。その場合、光伝送することができますドロップし、繊維状の毛細血管がスペクトロ グラムの表示されなくことそのような程度に騒々しくなります。
毛管波が透過率測定で表示されていない場合は、カプラーをオーバホールします。さらに、水光ファイバーと光ファイバカプラー互いを集めるか。最適な伝送のためのセットアップを調整すると、水繊維を水繊維内部テーパー光ファイバー結合器を機械的に押して、少し斜めに置く必要があります。
別の障害を認識するこのセットアップには、水の重要な電気抵抗です。イオン液体の少量を崩壊への架け橋となります。水繊維が短い場合、以下の予想よりも安定した水の汚染原因である可能性があります。18 MΩ クリーン ルーム水で水を交換してください。また、高電圧帯電空気中の微粒子水繊維の周囲に溶解し不安定に貢献を集めています。この場合、密閉容器は水繊維の寿命を向上させるために役立ちます。
この設定の優れた点は、作成だけでなく、最長時間的のように、最も安定した水繊維の脱イオン水は知られている極液体が液体の繊維を作成する利用できることです。それはさまざまなアプリケーションの他の液体を検討する興味深いです。彼らの要求に正確繊維をトリムする液体や粘度、表面張力、または光学的性質を継ぎ手と極性液体のミックスに水を切り替えできます。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この研究は科学技術・領域のイスラエル省によって支えられました。官衙: イスラエル拠点「光の輪」第 1802/12、許可や、許可イスラエル科学財団によって号 2013/15。著者は、カレン エーディ Tankus (KAT) が有用な編集をありがちましょう。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Deioniyzed Water | 18MOhm resistance | ||
| Micropipettes, Borosilicate Glass, round, inner diameter 850 micron | Produstrial.com | #133260 | |
| Micropipettes, Borosilicate Glass, round, inner diameter 150 micron | Produstrial.com | #133258 | |
| High voltage, low current source, 3kV with 5 mA. | Bertan | Model 215 | |
| High voltage, low current source, 8 kV with 0.25 mA. | Home build | ||
| Optical fiber | Corning | HI 780 C | 5 meter |
| Optical fiber | Thorlabs | FTO 30 | 5 meter |
| Optical fiber | Thorlabs | FTO 30 | 5 meter |
| Fiber coupled laser | FIS | SMF 28E | |
| Photoreceiver | New Port/ New Focus | 1801-FS | with fiber connection |
| Oscilloscope | Agilent Technologies | DSO-X 3034A | |
| 2 Degree of freedom tilt stagestage | New Port/ New Focus | M-562F-TILT | |
| 3 Degree of freedom linear micro translation stage | New Port/ New Focus | M-562F-XYZ | |
| A set of magnets | |||
| Objective 5X | Mitutoyo | MY5X-802 | |
| Objective 20 x | Mitutoyo | MY20X-804 | |
| Zoom | Navitar | 12x Zoom | |
| Microscope tube | Navitar | 1-6015 standard tube | |
| Isopropanol | Sigma Aldrich | 67-63-0 | Spec Grad |
| 2 x Bare Fiber holder | Thorlabs | T711-250 | |
| 2 x Translational Stage | Thorlabs | DT12 | |
| Block of PMMA for fabricating the water reservoir and pipette holder | 150 x 60 x 10 mm | ||
| PTFE-Tape | Gufero | 240453 | |
| Fiber coupled, cw Laser Light Source | New Port/ New Focus | TLB-6712 | 765-781 nm |
References
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