Implementierung eines Referenz-Interferometer für Nanodetection

Summary

Eine Referenz-Interferometer-Technik, die ausgelegt ist, um unerwünschte Laser Jitterrauschen für nanodetection entfernen, wird für die Sondierung eine ultra-hohe Güte Microcavity genutzt. Anleitungen für die Montage, Einrichtung und Datenerfassung vorgesehen, neben der Messung für die Angabe der Hohlraum Qualitätsfaktor.

Abstract

Ein thermisch und mechanisch stabilisiert Faser-Interferometer zur Untersuchung ultra-hohen Qualitätsfaktor Mikrohohlräume geeignet ist, ausgebildet. Nach Prüfung ihrer freien Spektralbereich (FSR) ist das Modul parallel zu einer Fasertaper-Mikroresonator-System gesetzt und dann durch Isolierung und Beseitigung von zufälligen Verschiebungen der Laserfrequenz (dh Laser-Jitter-Rauschen) kalibriert. Um den Kegel Mikrokavität Übergang zu realisieren und um die optische Leistung, die an den Resonator übertragen wird, zu maximieren, ist eine Single-Mode-Lichtwellenleiterfaser gezogen wird. Lösungen, enthaltend Polystyrol Nanokügelchen werden dann hergestellt und der Mikrokavität um die Fähigkeit des Systems die Bindung an die Oberfläche der Mikrohohlraum zu erfassen zeigen geflogen. Die Daten sind über adaptive Kurvenanpassung, die für hochauflösende Messungen der Qualitätsfaktor sowie die Aufzeichnung der zeitabhängigen Parameter wie Resonanzwellenlänge und Split-Frequenzverschiebungen können nachbearbeitet werden. Durch die sorgfältigeInspektionsschritte in der Zeitbereichsantwort und Verschieben in dem Frequenzbereichsantwort kann dieses Instrument diskreten Bindungsereignisse zu quantifizieren.

Introduction

Forschungsinteresse hat sich auf den Einsatz von Whispering-Gallery-Mode (WGM) Mikrohohlräume zum Zweck der nanodetection und Biosensorik ^08.01 gestiegen. Dies beinhaltet ultra-hohen Qualitätsfaktor (Q) optische Hohlräume, die kompetent bei der Identifizierung winzige biologische Partikel, bis auf die Single-Protein-Ebene ² sind. Das heißt, die Überwachung Verschiebungen in Resonanz und Split-Frequenz für die Übertragung mit außergewöhnlichen Empfindlichkeit ^9-11 können durch den Hohlraum der Entbindung von Lichtenergie in einer kleinen Modenvolumen aktiviert sein. Variationen in den optischen Eigenschaften des Resonators sind die Ursache dieser Verschiebungen, die ihrerseits stammen von der Bindungs ​​diskreter Moleküle oder Nanopartikel. Eine weniger ausgeklügelte Beispiel einer dreidimensionalen Struktur WGM für solche Anwendungen ist ein Siliciumdioxid Mikrokugel, die mit einer nahezu atomar glatte Oberfläche durch einfaches Abtragen einer gezogenen optischen Faser unter Verwendung eines CO _2-Lasers hergestellt werden kann. Wie bekannt ist,hohe Q-Faktoren in der Größenordnung von 10 ^{9 1} erreicht werden.

Die Resonanzfrequenz einer Mikrokavität wird üblicherweise durch Abtasten der optischen Frequenz einer abstimmbaren Laserquelle, während gleichzeitig photo Erfassen der optischen Übertragung, die auf einem Oszilloskop erfasst wird überwacht. Ein inhärenter Nachteil dieser Technik ist die Unsicherheit, die mit der Lage der Tropfen in dem Getriebe, das von schwankenden Laserwellenlänge oder Laser-Jitter entsteht verbunden. Um diese Komplikation zu überwinden, kann ein Interferometer neben einem Mikroresonator verwendet werden, um ein Referenzsignal, um den Laser-Jitter abzubrechen und erhöhen die Empfindlichkeit beobachtet ² zu erzeugen. Der Referenzstrahl, der durch das Interferometer (mit einem freien Spektralbereich FSR oder groß genug, um den Laser aus jittering Vergangenheit ein FSR Frequenzabstand während der Messung zu verhindern) und der Erfassungsstrahl, int passiert: Hell Eingang ist in zwei optische Pfade aufgeteilteracts mit der WGM Mikroresonator. Diese Funktion optimiert die Experimente im Vergleich zu fortgeschrittenen Konfigurationen, wie die von WGM Erkundung BRINGT die Kombination einer Distributed-Feedback-Laser (DFB) und periodisch gepolten Lithiumniobat (PPLN) Doubler ^12. In dieser Veröffentlichung wird ein Interferometer Technik für ultra-hohen Qualitätsfaktor Microcavity basierte Überwachung von nanoskaligen Frage ³ beschrieben. Die Setup-und Datenerfassungsverfahren, die erforderlich sind, um dies zu erreichen, werden skizziert, die zeigt, wie Hohlraum Qualitätsfaktor kann durch Referenz Interferometrie ermittelt werden.

Protocol

1. Referenz Interferometer Bau-und FSR Mess

1. Bau
   1. Neues Open-Top-Acryl-Box. Diese Struktur sollte groß genug, um bequem in einem 16 x 16 in x 16 in Styropor-Box passen.
   2. Fertigen Sie ein 3-Stufen-Regal, um optische Komponenten, die in der Open-Top-Acryl-Box sitzen wird und wird vollständig von der Styropor-Box für die thermische Isolierung eingeschlossen werden beherbergen. Zwei erhöhte Löcher auf der Styropor-Box muss vorhanden sein, damit für Fasern zu betreten und das gesamte Gehäuse verlassen.
   3. Am ^3. Stufe: eine Ausgangsfaser vom 3-dB-Richtungskopplers sollte zu einer Polarisationssteuerung, die wiederum zu einem Eingangsanschluss eines separaten 3-dB-Richtungskopplers eingespannt werden.
   4. Am ^2. Stufe: eine Schleife mit etwa 16 Fuß von der optischen Faser von dem anderen Ausgangsanschluss des ersten 3dB-Richtkoppler Ursprung. Leiten diese Faser mit dem verbleibenden Eingangsanschluß des necond 3 dB-Richtkoppler am ^3. Stufe.
   5. Füllen Sie den Acryl-Box mit 50% rasiert Eis mit 50% flüssiges Wasser gemischt, um eine Eisbad gestalten und damit die Temperatur der optischen Komponenten in der Nähe von 0 ° C zu halten
2. FSR Mess
   1. Stellen Sie den Lasersonde bei der gewünschten Wellenlänge. Verwenden einen Funktionsgenerator, so daß sein Ausgang ist mit einem 3-dB-Leistungsteiler verbunden. Einer der Ausgänge von dem 3 dB-Splitter muss dem Oszilloskop zur Überwachung verbunden werden und verwendet werden, um direkt Abstimmung der Frequenz des Laser der andere Ausgang ist.
   2. Futtermittel die Laserausgabe als Eingang in die ^1. 3-dB-Richtungskopplers.
   3. Die beiden Ausgänge des ^2. 3 dB-Richtkoppler sind photomixed Signale an den symmetrischen Photodetektor (BPD) tragen. Schließlich die Ausgangskabel der BPD zu einem Kanal-Eingang des Oszilloskops.
   4. Linear Scan der Laserfrequenz von supplYing das Lasermodul mit einer von dem Wellenformgenerator (mit einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von 1 V und Scan-Frequenz von 100 Hz) Rampensignal. Das Ausgangssignal von dem BPD wird auf dem Oszilloskop werden sinusförmig.
   5. Abstimmung der Polarisationssteuerung, um die Spitze-zu-Spitze-Spannung des Sinuswellenform zu maximieren.
   6. Um die FSR messen, konfigurieren Sie den Laser für Dauerwellen-Ausgang, indem Sie die Wellenform-Generator, um DC-Modus. Tune der Wellenformgenerator Spannung, so dass das übertragene Signal von der BPD schwankt um 0 V (dh. Des Quadratur-Punkt). Überprüfen Sie das Ausgangssignal mit Hilfe eines elektrischen Spektrumanalysator. Das überwachte Signal sollte als sinc-Quadratfunktion, wo sich der Ort des ersten Null nächsten globalen Maximum (bei Nullfrequenz) der FSR angezeigt. Um das Messrauschen zu minimieren, stellen Sie die elektrischen Spektrumanalysator Mittelmodus.

2. Fiber Ziehen ¹³

Einleitung: Das Ziel dieses Verfahrens ist es, etwa die Phase der Photonen, die in der Verjüngung zu denen der Mikrohohlraum so dass eine effiziente Kopplung auftreten können, entsprechen. Wenn die Faser gezogen wird, wird der Mittelabschnitt, der zwischen den beiden Klemmen von der Unterstützung liegt eine einzelne Mode innerhalb eines regulären Faserübergang, um mehrere Moden in einem Wellenleiter durch das ursprüngliche Kieselsäure Mantel zum Kern und Luft wird der Mantel gebildet wird, und dann auf einen einzigen Modus. Das Siliciumdioxid Kern der Faser praktisch verschwinden im zentralen Abschnitt, wobei vorübergehend erfüllt Modenausbreitung Bedingungen werden durch die kontinuierliche Schrumpfen der Faserdurchmesser entgegengewirkt werden.

1. Befestigen Sie die Halterung an der Faser motorisierten Translations Bühne.
2. Connectorize zwei Abschnitte der optischen Faser mit FC / APC-Stecker an einem Ende jedes Abschnitts. Entfernen Sie die Puffer Beschichtung von den verbundenen Enden mit einem Faser Stripper, reinigen Sie sie mit Aceton ersten und then Isopropanol, spalten die Ende Facetten und Fusion splice sie zusammen.
3. Um den Verlust in der Verjüngung zu überwachen, schließen eine Sonde Laser konstanter Leistung mit einem Ende der Faser, während das andere Ende der Faser ist mit einem Photodetektor (PD) verbunden ist. Die Ausgabe des PD ist an ein Oszilloskop angeschlossen. Anpassen der Einstellungen Oszilloskop, um die PD-Ausgangsspannung, die proportional zu der übertragenen Laserleistung zu messen.
4. Aufzeichnung der Anfangswert des PD-Ausgangsspannung und weiter zu überwachen, bis der Schritt 2.9.
5. Klemmen die Faser mit dem Faserhalter und Bild die Faser mit einem optischen Mikroskop.
6. Wasserstoff freisetzen, so dass es zum Fließen in der Nähe der Verjüngung, wartet die Luftröhre zu beenden und den Druck des Kanals zu stabilisieren beginnt. Sobald die Flussrate für das Wasserstoffgas erreicht 110 ml / min, entzünden sie in der Nähe der Steckdose mit einem Feuerzeug, um die Faser zu erhitzen.
7. Verwenden einer benutzerdefinierten LabVIEW-Programm, linear ziehen Sie die Faser. Beachten Sie, dass während der pulling Prozess, der Faserkern nach und nach verschwindet, während mehrere Mantelmoden dominant in die Führung des Lichts durch die Faser verjüngenden Abschnitt zu werden. Die übertragene Intensität durch die optische Faser sollte schwingen aufgrund Multimode-Interferenz.
8. Weiter zieht die Faser auf die Fasertaper Breite zu verringern, bis es nur eine einzige Mantelmodus. Sobald die übertragene Intensität nicht mehr variieren läßt, ziehen die Faser.
9. Lassen Sie die Faserhalter aus der Umrechnung der Bühne und sichern Sie sie in der Nähe des piezoelektrischen Bühne.

3. Vorbereitung und Lieferung von Lösungen

1. Planen 22.00, 1 pM und 100 fM Lösungen von 50 nm Radius monodisperse Polystyrol-Mikrokügelchen in Dulbeccos phosphatgepufferter Salzlösung (DPBS) besteht. Zusätzlich erstellen Sie eine reine DPBS Lösung.
2. Legen Sie die Lösungen in einer Zentrifuge, schwanken ihre Positionen innerhalb es für die Balance Zwecken und initiieren eine 30 min Schleudergang.
3. Nach completion, sicher stellen die Lösungen in einem Exsikkator, evakuieren und bombardieren die Lösungen mit Ultraschallwellen für 30 Minuten.
4. Entfernen Sie die Lösungen und legen Sie sie beiseite in der Nähe des Versuchsaufbaus.
5. Bauen einen Stand für eine kleine Fluidfördersystem.
   1. Nach der Reinigung zwei Hülsen, legen Spritzenaufsätze an beiden Enden der Mikrotubuli-Segment und schrauben Sie die Aderendhülsen mit den Kanülen. Individuell verbinden eine der Ferrulen in eine dritte Spritzenspitze und der andere mit dem Luer-Lock-Anschluss für ein Barrel-Kolbenanordnung.
   2. Befestigen Sie den Spritzenspitze ausgesetzt, um den Stand und stützen sie hinter der Probe. Die Flüssigkeiten sollten auf die Probe fließen ohne nennens verschüttet wird.
6. Im Sinne des § 5 des Protokolls, laden Sie das Fass mit einer geeigneten Lösung und manuell injizieren sie durch den mikrofluidischen System während Experiment.

4. Systemkonfiguration und Verschaltungen

1. Schließen Sie die Sonde lase r auf einen 10 dB-Richtkoppler. Der gekoppelte Anschluss mit dem Eingang des Referenz-Interferometer angeschlossen ist, während das übertragene Port ist mit einem Polarisations-Controller, gefolgt von der sich verjüngenden Faser verbunden.
2. Neuausrichtung der Mikroskop-Objektive, zwei scharfe Bilder aus dem Fasertaper zu erwerben.
3. Den Ausgang des verjüngten Faser auf eine PD. Die Ausgabe dieses PD sollte auf einen anderen Kanal-Eingang des Oszilloskops verbunden werden.
4. Montieren Sie die Probe auf die Nanopositionierers und machen Grobeinstellungen, um es zu verdrängen, so dass es in der Nähe der Mitte der Faser Verjüngung.
5. Injizieren DPBS auf die Probe. Grobeinstellungen vornehmen, so daß die Fasertaper in Anbetracht der zwei CCD-Kameras kommt. Stellen Sie die Nanopositionierers, um die Kopplung von der Faser an die Kegel Microcavity etablieren.
6. Scannen Sie die Laserwellenlänge, um eine geeignete Resonanz-Dip auf dem Oszilloskop zu erhalten.

5. Nanopartikel-Erkennung

NHALT "> Zur Erfassung der Daten: Konfigurieren Trigger-Einstellungen des Oszilloskops und mit hausgemachten Software, sammeln Oszilloskopspuren zur weiteren Verarbeitung.

1. Aufzeichnen der Daten für den Puffer-Lösung als Referenz.
2. Aufzeichnen der Daten für die Nanopartikellösungen von der niedrigsten zur höchsten Konzentration.
3. Beachten Sie die Frequenzverschiebungen, die statt durch Nanopartikel nehmen Bindung auf dem Mikrohohlraum.

6. Post-Verarbeitung von Daten

Die gesammelten Daten können von einem selbst geschriebenen MATLAB-Programm verarbeitet werden. Das Programm sollte:

1. Lesen Sie die Referenz-Interferometers Spuren und führen eine der kleinsten Quadrate an die Sinuskurven. Die Phasen der angepassten Sinus werden verwendet, um den Laser Jitter on the fly zu schätzen.
2. Lesen Sie die Übertragung Hohlraum Spuren und führen eine der kleinsten Quadrate an die Doppel-Lorentz-Funktion. Optische Frequenzen, die den Resonanzeinbrüche (ν _1,ν ₂₎ und deren volle Breite bei halbem Maximum (FWHM, durch δν ₁ dargestellt, δν ₂₎ durch Vergleichen des Übertragungssignals an das Interferometer-Signals bestimmt.
3. Besorgen Sie sich die Güte der einzelnen Dip aus Q _i = ν _i / δν _i, wobei _i kann entweder 1 (links Resonanz) oder 2 (rechts Resonanz).
4. Zu berechnen, wie es üblich ist, sind die optischen Frequenzen der Resonanzeinbrüche mittels der Laser-Scan-Spannung, wobei die Laser Jitter Ausbeuten größeren Messrauschen.
5. Sammeln Sie die mittlere Resonanzfrequenz ν _avg = ₍₁ + ν ν ₂₎ / 2 und Split-Frequenz Δν = ν ₂ - ν ₁ für jede Messung und zeichnen sie als eine Funktion der Zeit. Wenn ein Nanopartikel bindet an die Oberfläche der Mikrohohlraum, plötzliche Verschiebungen sowohl durchschnittliche Resonanzfrequenz-und Zwischenfrequenz-should beobachtet werden.

Results

Nach dem folgenden Protokoll, können die Spuren zusammengestellt und montiert werden. 3a zeigt die typische Resonanzstruktur der Mikrokugel als im Video, für die Frequenzaufspaltung in einem DPBS Medium beobachtet dargestellt. Eine Methode der kleinsten Quadrate an die Doppel Lorentz-Funktion zeigt an, daß der Qualitätsfaktor der linken und rechten Resonanzeinbrüche jeweils 2,1 x 10 ⁸ bis 3,8 x 10 ⁸ in einer wässrigen Umgebung. Die optischen Frequenzen der FWHM werden durch Verglei...

Discussion

Das aktuelle Setup ist in der Lage eine Vielzahl von Sondierungs WGM Mikrohohlräume, wie Mikroplatten, Mikrosphären, und Mikrotoroide, ohne jede Regelung für die Sonde Laserquelle benötigen. Eine beträchtliche Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zur Erkennung kann durch den Schrittschalt Verbesserungen durch Weglänge und partikelinduzierte Rückstreuungseffekte vorgesehen erhalten werden. Angesichts der Einfachheit und der geringen Kosten des Referenz-Interferometers selbst, ist diese Methode eine effiziente Technik zum Studi...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polystyrol  Mikrosphären	PolyScience
Dulbecco' s Phosphatgepufferte Kochsalzlösung (DPBS)	Life Technologies	14190
Piezoelectric Nanopositioner System	Physik Instrumente	P-611.3S Symmetrischer
Photodetektor	Thorlabs	PDB120A
Photodetektor	Newport	1801-FC
3 dB Glasfaser-Richtkoppler	Thorlabs	FC632-50B
10 dB Glasfaser-Richtkoppler	Thorlabs	FC632-90B
Drop-In-Polarisationscontroller	General Photonics	PLC-003-S-25
Funktionsgenerator	Hewlett-Packard	33120A
Fusionsspleißer	Ericsson	FSU-925
Hochgeschwindigkeits-Oszilloskop	Agilent	DS09404A
motorisierter Translationstisch mit Controller	Thorlabs	MTS25-Z8E
Singlemode-Glasfaser, 600-800 nm, und Oslash; 125 μ m Cladding	Thorlabs	SM600
Elektrischer Echtzeit-Spektrumanalysator	Tektronix	RSA3408B
Optischer Spektrumanalysator	Agilent	70951A
632,5 – 637 nm Abstimmbarer Laser	Neuer Fokus	TLB-6304
Filtrationspumpe	KNF
Ultraschallreiniger	Crest Ultrasonics	Powersonic 1100D
Mini Vortexer	VWR	VM-3000
Zentrifuge	Beckman Coulter	Microfuge 22R