Name: 制造和微流控光机振荡器测试 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-05-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: 学习利用二氧化碳激光加热拉制熔融石英毛细管预制棒，制造微流控光机谐振器，并通过二极管激光泵浦与电子频谱分析验证流体介质中的光机振荡。该方法为流体相材料的光机实验提供了全新能力。

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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。

1. 超高Q值微流控谐振器的制备
<ol>
	<li>毛细管制造装置的准备
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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%。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>微流控光机谐振器的制备
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将制备好的器件安装用于测试
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 光机械测试的实验装置
<ol>
	<li>锥形光纤的制备
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>若锥形区域的最终透射率令人满意，等待数分钟使其冷却。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>锥形光纤与微腔的耦合及振动电信号的探测
	<ol>
		<li>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）。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 测量光机械振动
<ol>
	<li>辐射压力（RP）模式的光学与电子特征
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>回音壁型声学模式的光学与电子特征
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Carmon, T., Rokhsari, H., Yang, L., Kippenberg, T., Vahala, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temporal+Behavior+of+Radiation-Pressure-Induced+Vibrations+of+an+Optical+Microcavity+Phonon+Mode%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Temporal Behavior of Radiation-Pressure-Induced Vibrations of an Optical Microcavity Phonon Mode.</a> Physical Review Letters. 94 (22), (2005).</li>
<li>Rokhsari, H., Kippenberg, T., Carmon, T., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Radiation-pressure-driven+micro-mechanical+oscillator%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Radiation-pressure-driven micro-mechanical oscillator.</a> Optics Express. 13 (14), 5293-5301 (2005).</li>
<li>Kippenberg, T. J., Rokhsari, H., Carmon, T., Scherer, A., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+Radiation-Pressure+Induced+Mechanical+Oscillation+of+an+Optical+Microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Analysis of Radiation-Pressure Induced Mechanical Oscillation of an Optical Microcavity.</a> Physical Review Letters. 95 (3), 033901(2005).</li>
<li>Tomes, M., Carmon, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photonic+Micro-Electromechanical+Systems+Vibrating+at+X-band+%2811-GHz%29+Rates%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Photonic Micro-Electromechanical Systems Vibrating at X-band (11-GHz) Rates.</a> Physical Review Letters. 102 (11), (2009).</li>
<li>Grudinin, I. S., Matsko, A. B., Maleki, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brillouin+lasing+with+a+CaF2+whispering+gallery+mode+resonator%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Brillouin lasing with a CaF2 whispering gallery mode resonator.</a> Physical Review Letters. 102 (4), 043902(2009).</li>
<li>Bahl, G., Zehnpfennig, J., Tomes, M., Carmon, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulated+optomechanical+excitation+of+surface+acoustic+waves+in+a+microdevice%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Stimulated optomechanical excitation of surface acoustic waves in a microdevice.</a> Nature Communications. 2 (403), (2011).</li>
<li>Dainese, P., Russell, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulated+Brillouin+scattering+from+multi-GHz-guided+acoustic+phonons+in+nanostructured+photonic+crystal+fibres%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Physics%22%5BJournal%5D)">Stimulated Brillouin scattering from multi-GHz-guided acoustic phonons in nanostructured photonic crystal fibres.</a> Nature Physics. 2 (6), 388-392 (2006).</li>
<li>Carmon, T., Cross, M. C., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chaotic+Quivering+of+Micron-Scaled+On-Chip+Resonators+Excited+by+Centrifugal+Optical+Pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Chaotic Quivering of Micron-Scaled On-Chip Resonators Excited by Centrifugal Optical Pressure.</a> Physical Review Letters. 98 (16), 167-203 (2007).</li>
<li>Armani, D., Min, B., Martin, A., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+thermo-optic+tuning+of+ultrahigh-Q+microtoroid+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Electrical thermo-optic tuning of ultrahigh-Q microtoroid resonators.</a> Applied Physics Letters. 85 (22), 5439-5441 (2004).</li>
<li>Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Seidel, D., Maleki, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+acoustic+wave+opto-mechanical+oscillator+and+frequency+comb+generator%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Surface acoustic wave opto-mechanical oscillator and frequency comb generator.</a> Optics Letters. 36 (17), 3338-3340 (2011).</li>
<li>Bahl, G., Tomes, M., Marquardt, F., Carmon, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+spontaneous+Brillouin+cooling%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Physics%22%5BJournal%5D)">Observation of spontaneous Brillouin cooling.</a> Nature Physics. 8 (3), 203-207 (2012).</li>
<li>Bahl, G., Kim, K. H., Lee, W., Liu, J., Fan, X., Carmon, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brillouin+cavity+optomechanics+with+microfluidic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Brillouin cavity optomechanics with microfluidic devices.</a> Nature Communications. 4 (1994), (1994).</li>
<li>Kim, K. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cavity+optomechanics+on+a+microfluidic+resonator+with+water+and+viscous+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Light%3A+Science+and+Applications%22%5BJournal%5D)">Cavity optomechanics on a microfluidic resonator with water and viscous liquids.</a> Light: Science and Applications. , available: 
 
 <a target="_blank" href="http://arxiv.org/abs/1205.5477">http://arxiv.org/abs/1205.5477</a> (2013).</li>
<li>Sumetsky, M., Dulashko, Y., Windeler, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+microbubble+resonator%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Optical microbubble resonator.</a> Optics Letters. 35 (7), 898-900 (2010).</li>
<li>Lee, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quasi-droplet+optofluidic+ring+resonator+laser+using+a+micro-bubble%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">A quasi-droplet optofluidic ring resonator laser using a micro-bubble.</a> Applied Physics Letters. 99 (9), 091102-091103 (2011).</li>
<li>Junge, C., Nickel, S., O’Shea, D., Rauschenbeutel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bottle+microresonator+with+actively+stabilized+evanescent+coupling%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Bottle microresonator with actively stabilized evanescent coupling.</a> Optics Letters. 36 (17), 3488-3490 (2011).</li>
<li>Bahl, G., Fan, X., Carmon, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustic+whispering-gallery+modes+in+optomechanical+shells%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Acoustic whispering-gallery modes in optomechanical shells.</a> New Journal of Physics. 14 (11), 115026(2012).</li>
<li>Cai, M., Painter, O., Vahala, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+Critical+Coupling+in+a+Fiber+Taper+to+a+Silica-Microsphere+Whispering-Gallery+Mode+System%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Observation of Critical Coupling in a Fiber Taper to a Silica-Microsphere Whispering-Gallery Mode System.</a> Physical Review Letters. 85 (1), 74-77 (2000).</li>
<li>Burg, T. P., Manalis, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Suspended+microchannel+resonators+for+biomolecular+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Suspended microchannel resonators for biomolecular detection.</a> Applied Physics Letters. 83 (13), 2698-2610 (2003).</li>
<li>Burg, T. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Weighing+of+biomolecules%2C+single+cells+and+single+nanoparticles+in+fluid%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid.</a> Nature. 446 (7139), 1066-1069 (2007).</li>
<li>Li, J., Lee, H., Chen, T., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+a+high+coherence%2C+Brillouin+microcavity+laser+on+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Characterization of a high coherence, Brillouin microcavity laser on silicon.</a> Optics Express. 20 (18), (2012).</li>
<li>Knight, J. C., Cheung, G., Jacques, F., Birks, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phase-matched+excitation+of+whispering-gallery-mode+resonances+by+a+fiber+taper%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Phase-matched excitation of whispering-gallery-mode resonances by a fiber taper.</a> Opt. Lett. 22 (15), 1129-1131 (1997).</li>
<li>Boyd, R. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBoyd%2C+RW+%22Nonlinear+Optics%22">Nonlinear Optics</a>. , Acad. Press. (2003).</li>
<li>Li, J., Lee, H., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+synthesizer+using+an+on-chip+Brillouin+oscillator%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Microwave synthesizer using an on-chip Brillouin oscillator.</a> Nature Communications. 4 (2097), (2013).</li>
<li>Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamical+thermal+behavior+and+thermal+self-stability+of+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities.</a> Optics Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).</li>
</ol>

我们无任何披露事项。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>可调谐红外激光器</td><td>Newfocus</td><td>TLB-6328</td><td></td></tr><tr><td>光电探测器</td><td>Newfocus</td><td>1811-FC（低速 125MHz）/ 1611-FC-AC（高速 1GHz）</td><td></td></tr><tr><td>光纤</td><td>Corning</td><td>SMF28</td><td></td></tr><tr><td>石英毛细管</td><td>PolyMicro</td><td>TSP700850</td><td></td></tr><tr><td>10.6 μm 波长 CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 激光器</td><td>Synrad</td><td>48-1KWM 和 48-2KWM</td><td></td></tr><tr><td>紫外固化光学胶</td><td>Thorlabs</td><td>NOA81</td><td></td></tr><tr><td>软管</td><td>Tygon</td><td>EW-06418-01</td><td></td></tr><tr><td>注射器</td><td>B-D</td><td>YO-07940-12</td><td></td></tr><tr><td>针头</td><td>Weller</td><td>KDS201P</td><td></td></tr><tr><td>电学频谱分析仪</td><td>Agilent Technologies</td><td>N9010A（EXA 信号分析仪）</td><td></td></tr><tr><td>电学频谱分析仪</td><td>Tektronix</td><td>6114A（RSA，实时频谱分析仪）</td><td></td></tr><tr><td>光谱分析仪</td><td>Advantest</td><td>Q8384</td><td></td></tr><tr><td>示波器</td><td>Tektronix</td><td>DPO 4104B-L</td><td></td></tr><tr><td>金镜</td><td>II-VI Infrared</td><td>836627</td><td></td></tr><tr><td>线性位移台（慢速）</td><td>DryLin</td><td>H1W1150</td><td></td></tr><tr><td>线性位移台（快速）</td><td>PBC Linear</td><td>MTB055D-0902-14F12</td><td></td></tr><tr><td>法布里-珀罗光谱分析仪</td><td>Thorlabs</td><td>SA 200-14A（自由光谱范围：1.5 GHz）</td><td></td></tr></tbody></table>

微流控光机械振荡器的制备与测试

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

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。

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（...

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。

已对包括……在内的各种光学系统中的腔光力学实验进行了研究，这些实验实现了声子模式与光子模式之间的参量耦合。

本实验的总体目标是制备并演示在流体相介质中工作的光机械振荡器。首先，在二氧化碳激光照射下，通过加热和拉伸熔融石英玻璃毛细管预制件来制备微流控光机械谐振器；第二步是将制备好的器件安装固定，以进行测试。接下来，使用二极管激光器通过锥形光纤对所制备器件的光学回音壁模式进行泵浦。最终，通过对输出光信号进行电子谱分析，展示流体中通过机械模式实现的光机械相互作用与传感。这些器件提供了此前无法实现的能力，即可利用液相材料开展光机械实验。通常，初次接触该方法的研究人员会面临困难，因为器件制备、工艺流程、所需条件、操作练习以及制备参数均需优化。该方法的演示至关重要，因为驱动微流控谐振器并识别其光机械模式较难掌握。微流控谐振器的制备将通过加热并拉伸玻璃毛细管预制件来完成，以实现第一步的对准。 两个可通过软件控制的线性平移台，使其沿同一直线移动。两者应相隔几厘米，以便毛细管能够跨越其间隙。应调整载物台上的样品架，使其能够沿轴线固定毛细管。沿载物台运动方向，在开始前将使用两束CO2激光器进行加热。操作高功率激光器时应采取适当的安全防护措施。然后调整激光器的输出方向，使它们对准线性平台间隙中的同一位置，该位置应为将要悬挂毛细管的点。在目标点之后使用光束阻挡块以阻断激光束。使用软件同时控制两个平移台以及两台 CO2 激光器的输出功率。在此装置中，当一个平移台快速移动（约 10 毫米/秒），另一个平移台以较慢速度（约 0.5 毫米/秒）同向移动，从而向加热区域持续供给更多材料时，可稳定制备出毛细管。两台激光器均设置为4.5瓦，进行三秒的预热。随后在绘制过程中使用五瓦或更高功率。为制备谐振器，使用熔融石英毛细管预制棒，截取一段长度，使其能够在直线平移台的两个样品夹具之间连接，长度约为两到四厘米。接下来，将毛细管连接到样品架上，使激光照射区域大致位于毛细管长度的中间位置。然后启动控制软件开始操作。激光对毛细管进行三秒钟的预热。然后拉制毛细管约10秒钟。当过程结束后，仅通过操作未拉伸的粗端来取下已拉制的毛细管，以防止污染。将毛细管悬挂，使洁净的共振器表面悬于空气中。通过调整拉制参数并重复制备过程，制备不同直径的毛细管，确保毛细管通畅。准备一个浅盘盛水，并备好注射器。小心拿起一根制备好的毛细管，将一端浸入水中。用注射器从另一端吹入空气。若有气泡产生，表明毛细管是通畅的。在测试毛细管之前，必须制作一个用于固定毛细管的支架。为此，从载玻片上切割出三块尺寸为1厘米×0.5厘米的玻璃片。此外，再从载玻片上切割出一块尺寸为3厘米×0.5厘米的玻璃片。然后使用玻璃粘合剂或万能胶将这些部件组装成一个 eha。接着，从拉制好的毛细管上截取一段，使其长度足以跨越 U 形支架上两个相邻分支之间的距离，并能延伸超出这两个分支。使用光学粘合剂将毛细管固定，使毛细管的两端分别延伸超出支架的两个分支，而其中部则悬空于两者之间。然后使用LED紫外固化灯照射光学胶，直至完全固化，所需时间约为10秒。接着，准备一段内径略大于毛细管的塑料管，小心地将塑料管套在已安装的毛细管两端。再次使用光学胶将毛细管与连接处密封，并用紫外光固化。固化后，即可准备安装组装件。利用第三个未使用的玻璃支管来夹紧结构以固定位置。本实验使用了一台波长可调的光纤耦合红外激光器，并将其连接至函数发生器，用于周期性扫描激光波长。激光输出首先通过一个偏振控制器。随后，光被耦合至一根单模通信波段锥形光纤波导，该波导靠近一个纳米定位平台。经过锥形光纤后，光通过衰减器，以保护下游的分析设备。在本实验中，经过衰减器后，光被引导至连接到电学频谱分析仪和示波器的光电探测器。开始实验时，先稳定激光器并启动激光束波长的扫描。接着取出已安装的毛细管谐振器，将其安装在靠近锥形光纤的纳米定位平台上的毛细管谐振器支架中。然后小心移动该平台，使谐振器与锥形光纤相距约一微米，以实现倏逝波耦合。当在示波器上观察激光透射随时间变化的波长扫描时，透射信号中的下陷表明存在倏逝耦合和共振现象。使用频谱分析仪搜索输入激光与散射光之间的时间干涉。该拍频信号出现在机械振荡频率处。在此示例中，通过辐射压力在毛细管中激发一个频率为 24.94 兆赫的机械模式，并通过关闭激光频率扫描并控制激光波长，尝试将其锁定到相应的光学模式以实现机械振荡。在连续波模式下，当存在机械模式时，示波器上将出现周期性信号。一旦掌握相关技术，若操作得当，器件的制备和测试可在约 45 分钟内完成。在进行该操作时，必须注意切勿用手动方式接触谐振器和锥形光纤，即使使用镊子也不允许，以保持表面的清洁。自该技术发展以来，已为腔光力学领域的研究人员探索流体和生物分析物的新相互作用开辟了道路。

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制造和微流控光机振荡器测试

我们介绍了使用二氧化碳激光回流技术制备二氧化硅谐振腔的方法，包括自支撑微球和片上微环腔。该回流工艺可消除表面缺陷，从而在两种器件中实现较长的光子寿命。所制得的器件具有极高的品质因数，可应用于从光通信到生物检测等多个领域。...

二氧化硅超高品质因子微谐振器的制备

在本视频中，我们首先介绍表面声波（SAW）声学对流装置的 fabrication 和操作流程。随后，我们展示了一种实验装置，该装置能够同时实现对 SAW...

利用表面声波驱动的声学逆流微流控器件的制备、操作与流场可视化

声流控器件利用微流控通道内的超声波来操控、富集和分离悬浮的微米及纳米级微粒。本方案描述了一种支持体声驻波的此类器件的制备与操作方法，可在无需鞘流液辅助的情况下将颗粒聚焦于中心流线。...

用于无鞘聚焦颗粒的体声驻波声流控器件的制备与操作

我们描述了光子温度计的制备与测试过程。...

光子温度计的制备与测试

本文介绍了由聚合物合成微球的方案、微球的操作方法以及微光致发光测量技术。...

用于光学谐振器与激光应用的聚合物微球制备

本方案描述了使用MY133-V2000制备微流控装置的方法，以消除由于微通道结构与水溶液之间折射率不匹配而常在微通道中产生的伪影。本方案采用丙烯酸支架压缩封装后的装置，从而在化学和机械层面增强粘附性。...

用于生物医学微流控的折射率匹配器件的制备

本文介绍了一种以最少的资金和时间投入设计和制备定制化微流控装置的实验方案。其目的是促进微流控技术在生物医学研究实验室及教育环境中的应用。...

用于科研与教学应用的定制微流控器件的快速制备

提供了一种在微流控芯片上培养和操作小鼠胚胎组织的方案。通过施加通路调节剂的脉冲，该系统可用于外部控制信号振荡，从而对小鼠体节发生进行功能研究。...

一种用于研究调控体节发生信号振荡功能的微流控方法

该方案展示了一种在微通道中产生10-1000...

用于在微通道中产生亚千赫兹振荡流的外置驱动器的组装与表征

本方案介绍了一种用于制造双层微流控芯片并在快速氧浓度波动条件下分析微生物生长的方法。通过在流体通道中进行氧气检测和微生物培养，验证了该装置的性能。...

使用微流控双层装置在微生物单细胞生长分析中实现快速氧气振荡

本文追踪了氮化硅薄膜谐振器的生命周期，从设计、制备到表征的全过程。...

高Q值氮化硅薄膜谐振器的制备与表征

学习利用二氧化碳激光加热拉制熔融石英毛细管预制棒，制造微流控光机谐振器，并通过二极管激光泵浦与电子频谱分析验证流体介质中的光机振荡。该方法为流体相材料的光机实验提供了全新能力。

微流控光机械振荡器的制备与测试

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