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Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

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DOI:

10.3791/51497

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29. Mai 2014

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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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Parametrische optomechanische Anregungen wurden kürzlich in mikrofluidischen optomechanischen Resonatoren mittels optischem Strahlungsdruck und stimulierter Brillouin-Streuung experimentell nachgewiesen. In diesem Artikel wird die Herstellung dieser mikrofluidischen Resonatoren zusammen mit Methoden zur Erzeugung und Verifizierung optomechanischer Schwingungen beschrieben.

Zusammenfassung

Cavity Optomechanik Experimente, die parametrisch koppeln die Phononenmoden und Photonenarten wurden in verschiedenen optischen Systemen einschließlich Mikroresonatoren untersucht. Da jedoch der erhöhte Schallstrahlungsverluste beim direkten Eintauchen in Flüssigkeit von optomechanische Geräte, die fast alle veröffentlicht optomechanischen Experimente haben in der festen Phase durchgeführt. Dieses Papier beschreibt eine kürzlich eingeführte Hohl mikrofluidischen optomechanischen Resonator. Detaillierte Methodik ist vorgesehen, um diese Ultra-High-Q-Resonatoren herzustellen Mikrofluidik, führen optomechanische Tests, und messen Strahlungsdruck-Atemmodus gefahren und SBS-driven Whispering-Gallery-Modus para Vibrationen. Durch die Beschränkung von Flüssigkeiten in der Kapillare Resonator, werden hohe mechanische und optische Qualitätsfaktoren gleichzeitig gepflegt.

Einleitung

Cavity Optomechanik studiert die parametrische Kopplung zwischen Phononenmoden und Photonenmoden in Mikroresonatoren mittels Strahlungsdruck (RP) 1-3 und stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) 6.4. SBS-und RP-Mechanismen in verschiedenen optischen Systemen, wie beispielsweise Fasern 7, 4,6,8-Mikrokugeln, 1,9 Toroide und kristalline Resona 5,10 nachgewiesen. Durch dieses Photon-Phonon-Kopplung, sowohl Kühl 11 und 6,10 Anregung von mechanischen Arten nachgewiesen worden. Doch fast alle gemeldeten Optomechanik Experimente sind mit festen Phasen der Materie. Dies liegt daran, direkten Flüssigkeitseintauchen der optomechanischen Vorrichtungen ergibt stark erhöhte Strahlungs akustischen Verlust aufgrund der höheren Impedanz der Flüssigkeiten verglichen Luft. Darüber hinaus in einigen Situationen dissipative Verlustmechanismen in Flüssigkeiten können die Strahlungs akustische Verluste übersteigen.

Ror kurzem, eine neue Art von Hohloptomechanischen Oszillator mit einer Mikrokapillar Geometrie wurde eingeführt, 12-15, und die durch Design ist für mikrofluidische Experimente ausgestattet. Der Durchmesser dieser Kapillare entlang seiner Länge moduliert, um mehrere "Flaschenresonatoren", die gleichzeitig beschränken optischen Whispering-Gallery-Resonanzen 16 sowie mechanische Resonanzmoden 17 zu bilden. Mehrere Familien der mechanischen Resonanz Modi teilnehmen, einschließlich Atemarten, Wein-Glas-Modi und Whispering-Gallery-akustischen Moden. Das Weinglas (Stehwelle) und Whispering-Gallery-akustisch (Wanderwellen) Resonanzen entstehen, wenn eine Schwingung mit ganzzahligen Vielfachen der Schallwellenlängen um das Gerät Umfang auftritt. Licht evaneszent in die optische Whispering-Gallery-Moden dieser "Flaschen" mittels einer verjüngten optischen Faser 18 gekoppelt. Confinement der Flüssigkeit im Inneren der Kapillare 19,20 Resonator, wiesie außerhalb gegenüberliegen, ermöglicht eine hohe mechanische und optische Qualitätsfaktoren gleichzeitig, was die optische Anregung von mechanischen Moden mittels sowohl RP und SBS ermöglicht. Wie sich gezeigt hat, sind diese mechanischen Erregungen können innerhalb der Vorrichtung 12,13 in das Fluid zu durchdringen, bilden ein gemeinsames Fest-Flüssig-Resonanzmodus, wodurch eine optomechanische Schnittstelle zur Fluidumgebung innerhalb.

In diesem Beitrag beschreiben wir die Herstellung, RP und SBS Betätigung und repräsentative Messergebnisse für diese neuartige optomechanischen Systems. Spezifische Material-und Werkzeuglisten sind ebenfalls vorhanden.

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Protokoll

1. Herstellung von Ultra-high-Q Mikrofluidik-Resonatoren

  1. Vorbereitung der Kapillare Fertigungseinstellung
    1. Herstellung der mikrofluidischen optomechanischen Resonator in der folgenden Weise -. Erhitzen Sie eine Glaskapillare Vorform mit ca. 10 W von CO 2-Laserstrahlung bei 10,6 Mikrometer Wellenlänge, und ziehen Sie den beheizten Kapillare linear mit motorisierten Positionierer Abbildung 1 zeigt die Anordnung der linearen Übersetzung Stufen, die Laser und die Position der Kapillare Vorform vor dem Ziehvorgang.
    2. Programm geeignet Automatisierungssoftware, um gleichzeitig die zwei CO 2-Laser (zum Erwärmen) und die beiden linearen Stufen. Die beiden Lineartischen führen die Ziehverfahren für den Laser-Kapillare erhitzt.
    3. Einer der linearen Stufen müssen für den linearen Ziehvorgang schnell (z. B. 5 mm / s) sein. Einspeisen mehr Material in die Erwärmungszone mit der zweiten, langsameren linearen Stufe(Z. B. 0,5 mm / sec), da die Kapillar-Vorformmaterial wird während des Ziehvorgangs aufgebraucht.
    4. Richten Sie die Probenhalter auf den linearen Stufen entlang der horizontalen und vertikalen Achsen.
    5. Richten Sie beide CO 2-Laserstrahlung, so dass sie die gleiche Stelle im Raum (zwischen den Probenhalter) Ziel. Ein Stück Karton Papier oder wärmeempfindliche Papier ist nützlich, für diesen Prozess. Vergessen Sie nicht, eine Schutzbrille für Lasersicherheit zu verwenden. Augen auf Tabellenebene nicht absenken. Verwenden Sie geeignete Strahl Blöcke, Dunstabzugs, und Brandschutz.
    6. Wählen vernünftigen Parameter für den Ziehprozess. Zum Beispiel sind die folgenden Parameter zuverlässig produzieren eine gute Kapillarwirkung Größe - 10 mm / s Ziehgeschwindigkeit von 0,5 mm / s Vorschubgeschwindigkeit in 3 Sek. Vorheizzeit, 4,5 W Vorwärmen Kräfte für beide Laser und 5 W Heizleistung für beide Laser .
    7. Modulation der Laserleistung während des Ziehens kann der Kapillarradius während des Zieh pro Längs steuernZugriff auf die 'Flasche' Resonatoren bilden. Ein Beispiel ist in Fig. 2d gezeigt. Wählen Sie die richtige Modulationsparameter: 3 Hz, 6 W und 3 W für Laserleistungen und 50% Einschaltdauer.
  2. Herstellung von mikrofluidischen optomechanischen Resonatoren
    1. Schneiden einen ausreichend langen Abschnitt (etwa 2-4 cm) aus Quarzglas-Kapillarsäule, so dass sie die beiden Halter an die Lineartranslationsstufen angebracht erreichen.
    2. Montieren der Kapillare Probe auf dem Probenhalter, so daß die Laserzielzone ist etwa in der Mitte der Kapillare. Nachstellen CO 2-Laser-Ausrichtung, wenn nötig.
    3. Ziehen Sie die Kapillare mit den Parametern wie in 1.1.6 angegeben. Zunächst heizen Sie den Kapillare für ein paar Sekunden (Abbildung 2a), und ziehen Sie sie dann mit oder ohne Lasermodulation (Parameter 1.1.7) nach Bedarf.
    4. Entfernen Sie die Kapillare gezogen (Fig. 2b) von dem Probenhalter. Behandeln Sie die Probe mit Handschuhen an den beidendick endet erst, um nicht die saubere Oberfläche Resonator verunreinigen.
    5. Variieren Sie die Parameter ziehen Kapillaren mit unterschiedlichen Durchmessern herzustellen. Typischerweise Außendurchmesser variiert von 30 um bis 200 um in Abhängigkeit von Ziehbedingungen.
  3. Montage des Geräts für die Tests hergestellt
    1. Bereiten Sie eine E-Form Glashalter (Abbildung 2c). Cut drei 1 cm x 0,5 cm und einem 3 cm x 0,5 cm Glasstücke von Glasobjektträger. Montieren Sie sie in eine E-Form mit Glaskleber oder Sekundenkleber.
    2. Schneiden Sie eine Länge von mikrofluidischen Kapillare aus der gezogenen Probe. Diese Länge sollte länger als der Abstand zwischen zwei benachbarten Glas Niederlassungen auf der E-Form Inhaber.
    3. Kleben Sie die Mikrokapillar Gerät auf den Halter mit optischen Kleber gleichzeitig dafür, einen Teil unberührten Hängen zwischen beiden Zweigen der E-Form Halter zu halten. Cure die optische Klebstoff mit einer LED-UV-härtenden Lichtquelle für 10 Sekunden. Figuren 2cund 2d zeigen das fertige Produkt.
    4. Beide Enden des Resonators montiert vorsichtig in zwei etwas größeren Kunststoffrohre (zB 200 um Innendurchmesser). Klebstoff und UV-Härtung beiden Enden der Kunststoffrohre mit optischen Klebstoff.
    5. Klemmen Sie die E-Form-Struktur aus der dritten (kostenlos) Glas-Zweig zu einem Montagevorrichtung eingespannt zum Testen. Die optische Güte des endgültigen mikrofluidischen Resonator hängt davon ab, wie gut die Herstellung Laser wurden ausgerichtet und wie stabil ihre Leistungsstufen waren.

2. Versuchsaufbau für Optomechanische Prüfung

  1. Herstellung der verjüngten optischen Faser
    1. Bereiten Sie eine Single-Mode-Telekom-Band-optische Faser gewünschte Länge (zB ein paar Meter). Fasersegment sollte lang genug sein, um sowohl in dem sich verjüngenden Bereich angebracht und mit dem Aufbau (4) verbunden ist. Der sich verjüngende hier erläuterten Verfahren ist ähnlich zu dem, was suggested und in 22 demonstriert.
    2. Verbinden der hergestellten Fasersegment, um den Rest der Versuchsanordnung unter Verwendung eines beliebigen zweckmäßigen Faserverbindungsverfahren.
    3. Montieren Sie die gespleißte Faser-Segment auf zwei Linearmagneten, die einander zugewandt.
    4. Isolieren Sie die Faser Jacke in der Mitte der Faser montiert Fragment Mantelbereich aus. Hier Verjüngung wird, hergestellt werden. Reinigen Sie den Bereich mit Methanol ausgezogen.
    5. Schalten Sie den abstimmbaren Laser, um Echtzeit-Übertragung auf einem Oszilloskop angezeigt. Achten Sie darauf, Dämpfungsglieder so eingestellt, dass Photodetektoren nicht beschädigt werden.
    6. Legen eine enge Düse Wasserstoffgasbrenner unmittelbar unterhalb der nicht ummantelte Teil der Faser. Befolgen Sie alle empfohlenen Sicherheitsvorkehrungen bei Arbeiten mit Druck brennbare Gase wie Wasserstoff. Andere "saubere Verbrennung" Quellen der Flamme oder Keramik-Heizelemente können ebenfalls verwendet werden.
    7. Bevor die Beleuchtung des Gas, überprüfen Sie die Fließgeschwindigkeit, so dass Flamme nicht zu seingroß (ein 1-2 cm hoher Flamme ausreichend ist). Beachten Sie, dass die Flamme ist meist unsichtbar, aber als eine schwache orange leuchten in einem dunklen Raum zu sehen. Die Wasserstoffdurchsatz sollte auf einen Punkt, an dem beleuchteten Flamme ausreichend erweichen die Glasfaser gesetzt werden.
    8. Beleuchten Sie die Flamme. Sobald Flamme eingeschaltet ist, starten Ziehen der Faser mit Motortische. Entsprechende Ziehgeschwindigkeit hängt von der Durchflußrate von Wasserstoffgas und Umgebung der Flamme. HINWEIS: Übertragung durch die Faser beginnt zu zeitlichen Schwingungsverhalten ziehen weiter zu zeigen. Dies zeigt, Multimode-Betrieb.
    9. Wenn Schwingungsverhalten stoppt und zeigt eine unveränderliche Signals über die Zeit läßt, ziehen und Ausschalten der Flamme sofort. Dies ist bei Single-Mode-Konus erhalten wird. Überprüfen Sie die Übertragung. Wenn die Übertragung zu niedrig ist, wiederholen Sie den Vorgang ab 2.1.1. mit geänderten Gasdurchsatz, Flammengröße und Flammen Lage. Gelegentlich könnte niedriger Übertragungs wegen schlechten Ausrichtung in Schritt 2.1.3 sein. oder durch kontamiIonen von dem freiliegenden Mantel.
    10. Wenn resultierenden Übertragung durch die Verjüngung zufriedenstellend ist, warten Sie einige Minuten, um die Kegel abkühlen.
    11. Überprüfen Sie die Verjüngung unter dem Mikroskop. Für 1550 nm Betriebswellenlänge ist typisch Durchmesser der Einmoden-Konus in der Größenordnung von 1-2 &mgr; m.
  2. Taper-Kopplung an WGR und die Suche nach elektronischen Signale, die Vibrationen
    1. Das Experiment in der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration. Mechanische Schwingungen sowohl durch SBS und RP von der gleichen Versuchskonfiguration erzeugt werden. Um rückgestreuten Signale, wie im Fall von rückwärts SBS 4,21 deutlich erkennt, verwenden Sie einen Zirkulator zwischen Konus und abstimmbare Laser.
    2. Vor dem Einschalten des abstimmbaren IR-Laser, stellen Sie sicher, Dämpfungsglieder in Kraft gesetzt, so dass Photodetektoren nicht beschädigt werden.
    3. Einzuschalten und Stabilisierung des abstimmbaren IR-Laser. Ein Funktionsgenerator verwendet wird, um die Frequenz des Eingangs IR fegenLaser.
    4. Montieren Sie den Halter auf einem Resonator Nanopositioniertisch. Den Resonator in der Nähe des verjüngten Faser vorsichtig zu bringen, um abklingende Kopplung zu erhalten. Da die Laserfrequenz gewobbelt wird optischen Resonanzen taucht in der Übertragung des Oszilloskops angezeigt wird, wie in 2b von 22.
    5. Verbinden der Photodetektorausgangssignal an einen elektrischen Spektrumanalysator (ESA), wobei die zeitliche Interferenz (dh Schwebung) zwischen der Eingangslaserlicht und das gestreute Licht beobachtet werden kann. Diese zeitliche Interferenz tritt bei der mechanischen Schwingungsfrequenz. Die Funktion "Peak-Hold" auf der Spektrum-Analysator ist oft in der ersten Suche für mechanische Schwingungen nützlich.
    6. Verwenden Sie höhere Eingangsleistung während der Durchführung der ersten Suche für mechanische Vibrationen, vor allem, wenn Flüssigkeiten im Gerät vorhanden sind. HINWEIS: In der Regel ist Eingangsleistung in der Größenordnung von 100 uW auf das Gerät ausreichend mechanisch erregtschen Schwingung.
    7. Wenn mechanische Schwingung beobachtet wird, versuchen, auf die relevanten optischen Modus durch Ausschalten der Laserfrequenz-Scan und Steuerung der Laserwellenlänge im CW-Modus zu sperren. Hierbei ist sowohl Oszilloskop und Spektrumanalysator sind in Tandem. Periodische Signale werden auf dem Oszilloskop, wenn ein mechanischer Modus vorhanden ist, wie in Fig. 5 und 1,6 angesehen.

3. Messoptomechanische Schwingungen

  1. Optische und elektronische Signatur der Strahlungsdruck (RP)-Modi
    1. Wie in 2.2 beschrieben, werden mechanische Schwingungen beobachtet, wenn die Verjüngung und Gerät korrekt verbunden zu werden, haben das Gerät optische und mechanische Modi ausreichend Q-Faktoren und optische ausreichende Eingangsleistung vorgesehen ist. Wenn Schwingungen im Bereich von 10 MHz - 1 GHz nicht eingehalten, Versuch, Polarisation ändern, um unterschiedliche Resonanzen zu untersuchen, oder erhöhen Sie die Eingangsleistung von abstimmbaren Laser, umüberwinden die Mindestschwelle für Schwingung. Bei Erhöhung der Spannungsversorgung stets darauf achten, nicht die Photodetektoren zu sättigen. Auch, wie in 8 beschrieben, ist Kopplungsstrecke ein Schlüsselfaktor für die Anregung verschiedener RP-Modi.
    2. Wenn mechanische Modi werden noch nicht beobachtet, versuchen Messung der optischen Qualitätsfaktor. Für optomechanische Resonatoren mikrofluidischen zeigen die Ergebnisse, dass die optische Qualitätsfaktor von 10 6 ist ausreichend, um parametrische Schwingungen 13 begeistern.
      HINWEIS: In der Regel wird RP Modi elektronischen Schwingungen am Spektrumanalysator Begleitung ihrer Harmonischen manifestieren, wie in Fig. 5 gesehen Repräsentative Ergebnisse werden in Abschnitt 4 besprochen..
    3. Verwenden eines Scan Fabry-Perot-Interferometer oder hochauflösenden optischen Spektrumanalysators, um die optischen Seitenbänder, die durch Amplituden-und Phasenmodulation, die wiederum durch die periodische Hohlraum Verformung induzierte erzeugt werden zu erfassen. Ein Beispiel Messung kann s seineen in Abbildung 3h ein.
  2. Optische und elektronische Signatur der Whispering-Gallery-akustischen Moden
    1. Die akustische Frequenz von rückwärts SBS für Quarzglas ca. 11 GHz, wenn ein 1,5 Mikron-Pumplaser verwendet 4,23. Verwenden Sie einen Thermostat, der die zurückgestreute Licht überwacht und einige kleine Menge von Rayleigh-Streupumpe, elektronische Signale für diese Schwingungsmoden zu beobachten. Verwenden Sie einen hochauflösenden optischen Spektrum-Analysator, um das Streulicht zu lösen. Ein Beispiel Messung ist in Fig. 2 der 4 gezeigt.
    2. Verwenden Sie die Schwebung zwischen Vorwärts-Streulicht und dem Pumplaser niedriger Frequenz (Sub-1 GHz) Whispering-Gallery-akustischen Moden zu beobachten.
    3. Aufgrund der geringeren mechanischen Festigkeit im Atem Richtung, wird das Signal von SBS manchmal schwächer als das Signal von den RP-Modus. Auch hier führt die Laser bei langsamer Geschwindigkeit und mit "Peak-Hold" auf der spectRum-Analysator bei der Suche nach der SBS-Signal zu helfen.
    4. Beachten Sie, dass im Gegensatz zu RP-Modi aufgeregt Atmung, SBS-aufgeregt Whispering-Gallery-akustischen Moden nicht Harmonischen zeigen in der optischen und elektronischen Spektren (es sei denn, kaskadiert Anregung erfolgt 4,24). Anstatt nur ein Seitenband-Stokes erscheint für SBS-Modi.

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Ergebnisse

Die nach diesem Verfahren hergestellten Kapillaren sind dünn (zwischen 30 um und 200 um), klar und sehr flexibel, aber solide genug sind für die direkte Handling. Es ist wichtig, die äußere Oberfläche der Kapillare Vorrichtung gegen Staub und Wasser (Feuchtigkeit), um eine hohe optische Güte (Q) zu erhalten schützen. Durch Eintauchen eines Endes der Kapillare in Wasser und durch die Kapillare mittels einer Spritze Blasluft kann überprüft werden, ob die Kapillare durch oder ob wurde während der Herstellung durch Überhitz...

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Diskussion

Wir haben hergestellt und getestet ein neues Gerät, das zwischen Resonator-Optomechanik und Mikrofluidik überbrückt durch den Einsatz von High-Q optischen Resonanzen zu begeistern (und verhören) mechanische Schwingung. Es ist überraschend, dass mehrere Anregungsmechanismen sind in der gleichen Gerät zur Verfügung, die eine Vielzahl von mechanischen Schwingungsmoden bei Raten überspannt 2 MHz bis 11.300 MHz generieren. Kreiselstrahlungsdruck unterstützt beide Modi Weinglas und Atem Modi in der Spanne 2-200 MHz, Vorwärts ...

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Offenlegungen

Wir haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde durch Startup-Finanzierung von der University of Illinois in Urbana-Champaign, das DARPA ORCHID-Programm durch einen Zuschuss von AFOSR, die National Science Foundation durch das Stipendium CMMI-1265164 und das National Science Foundation Graduate Research Fellowship-Programm finanziert. Wir danken für die aufschlussreichen Diskussionen mit Prof. Jack Harris, Prof. Pierre Meystre, Dr. Matt Eichenfield, Prof. Taher Saif und Prof. Rashid Bashir.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Abstimmbarer IR-LaserNewfocusTLB-6328
PhotodetektorenNewfocus1811-FC (niedrige Geschwindigkeit 125 MHz) / 1611-FC-AC (hohe Geschwindigkeit 1 GHz)
GlasfaserCorningSMF28
Siliziumdioxid-KapillarePolyMicroTSP700850
10,6 μm Wellenlänge CO2 LaserSynrad48-1KWM und 48-2KWM
UV-härtender optischer KlebstoffThorlabsNOA81
SchlauchTygonEW-06418-01
SpritzenB-DYO-07940-12
NadelnWellerKDS201P
Elektrischer SpektrumanalysatorAgilent TechnologiesN9010A (EXA Signal Analyzer)
Elektrischer SpektrumanalysatorTektronix6114A (RSA, Echtzeit-Spektrumanalysator)
Optischer SpektrumanalysatorAdvantestQ8384
OszilloskopTektronixDPO 4104B-L
GoldspiegelII-VI Infrarot836627
Lineartisch (langsam)DryLinH1W1150
Lineartisch (schnell)PBC LinearMTB055D-0902-14F12
Fabry Perot Optischer SpektrumanalysatorThorlabsSA 200-14A (FSR: 1,5 GHz)

Referenzen

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Schlagwörter

Mikrofluidische optomechanische ResonatorenCO2 LaserziehenQuarzglaskapillareevaneszente KopplungStrahlungsdruckWhispering Gallery Modenoptische SpektrumanalyseEinkopplung ber konische FasernFluidphasen Optomechanikhohler mikrofluidischer Resonator

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