Name: Implementierung eines Referenz-Interferometer für Nanodetection (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-04-26T14:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 11 s
Description: Erfahren Sie die Implementierung eines Referenz-Interferometers für Nanodetektion mit Whispering-Gallery-Mode-Sensing. Diese Methode minimiert Laser-Jitter-Rauschen und ermöglicht präzise Messungen von Mikrohöhlern mit ultrahohem Gütefaktor.

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Die Autoren möchten Xuan Du für den Bau der Konzeptdarstellung der 1 danken. Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse aus dem Natural Science and Engineering Research Council (NSERC) von Kanada finanziert.

1. Referenz Interferometer Bau-und FSR Mess <ol><li> Bau <ol><li> Neues Open-Top-Acryl-Box. Diese Struktur sollte groß genug, um bequem in einem 16 x 16 in x 16 in Styropor-Box passen. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 </li></ol></li><li> FSR Mess <ol><li> 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. </li><li> Futtermittel die Laserausgabe als Eingang in die 1. 3-dB-Richtungskopplers. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Abstimmung der Polarisationssteuerung, um die Spitze-zu-Spitze-Spannung des Sinuswellenform zu maximieren. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 2. Fiber Ziehen 13 </sup&gt; 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. <ol><li> Befestigen Sie die Halterung an der Faser motorisierten Translations Bühne. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Aufzeichnung der Anfangswert des PD-Ausgangsspannung und weiter zu überwachen, bis der Schritt 2.9. </li><li> Klemmen die Faser mit dem Faserhalter und Bild die Faser mit einem optischen Mikroskop. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Lassen Sie die Faserhalter aus der Umrechnung der Bühne und sichern Sie sie in der Nähe des piezoelektrischen Bühne. </li></ol> 3. Vorbereitung und Lieferung von Lösungen <ol><li> 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. </li><li> Legen Sie die Lösungen in einer Zentrifuge, schwanken ihre Positionen innerhalb es für die Balance Zwecken und initiieren eine 30 min Schleudergang. </li><li> Nach completion, sicher stellen die Lösungen in einem Exsikkator, evakuieren und bombardieren die Lösungen mit Ultraschallwellen für 30 Minuten. </li><li> Entfernen Sie die Lösungen und legen Sie sie beiseite in der Nähe des Versuchsaufbaus. </li><li> Bauen einen Stand für eine kleine Fluidfördersystem. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Im Sinne des § 5 des Protokolls, laden Sie das Fass mit einer geeigneten Lösung und manuell injizieren sie durch den mikrofluidischen System während Experiment. </li></ol> 4. Systemkonfiguration und Verschaltungen <ol><li> Schließen Sie die Sonde lase<html> 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. </li><li> Neuausrichtung der Mikroskop-Objektive, zwei scharfe Bilder aus dem Fasertaper zu erwerben. </li><li> Den Ausgang des verjüngten Faser auf eine PD. Die Ausgabe dieses PD sollte auf einen anderen Kanal-Eingang des Oszilloskops verbunden werden. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Scannen Sie die Laserwellenlänge, um eine geeignete Resonanz-Dip auf dem Oszilloskop zu erhalten. </li></ol> 5. Nanopartikel-Erkennung NHALT &quot;&gt; Zur Erfassung der Daten: Konfigurieren Trigger-Einstellungen des Oszilloskops und mit hausgemachten Software, sammeln Oszilloskopspuren zur weiteren Verarbeitung. <ol><li> Aufzeichnen der Daten für den Puffer-Lösung als Referenz. </li><li> Aufzeichnen der Daten für die Nanopartikellösungen von der niedrigsten zur höchsten Konzentration. </li><li> Beachten Sie die Frequenzverschiebungen, die statt durch Nanopartikel nehmen Bindung auf dem Mikrohohlraum. </li></ol> 6. Post-Verarbeitung von Daten Die gesammelten Daten können von einem selbst geschriebenen MATLAB-Programm verarbeitet werden. Das Programm sollte: <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> Zu berechnen, wie es üblich ist, sind die optischen Frequenzen der Resonanzeinbrüche mittels der Laser-Scan-Spannung, wobei die Laser Jitter Ausbeuten größeren Messrauschen. </li><li> 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. </li></ol>

<ol><li>Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Optical microcavities.</a> Nature. 424 (6950), 839-846 (2003).</li>
<li>Lu, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+sensitivity+nanoparticle+detection+using+optical+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities.</a> PNAS. 108 (15), 5976-5979 (2011).</li>
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<li>Knittel, J., Chow, J. H., Gray, M. B., Taylor, M. A., Bowen, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasensitive+real-time+measurement+of+dissipation+and+dispersion+in+a+whispering-gallery+mode+microresonator%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Ultrasensitive real-time measurement of dissipation and dispersion in a whispering-gallery mode microresonator.</a> Opt. Lett. 38 (11), 1915-1917 (2013).</li>
<li>Shopova, S. I., Rajmangal, R., Holler, S., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonic+enhancement+of+a+whispering-gallery-mode+biosensor+for+single+nanoparticle+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Plasmonic enhancement of a whispering-gallery-mode biosensor for single nanoparticle detection.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (24), (2011).</li>
<li>Santiago-Cordoba, M. A., Boriskina, S. V., Vollmer, F., Demirel, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle-based+protein+detection+by+optical+shift+of+a+resonant+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity.</a> Appl. Phys. Lett. 99 (7), (2011).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

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...

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.

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

implementierung eines referenz-interferometer für nanodetection

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

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.

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...

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.

Implementierung eines Referenz-Interferometer für Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ein Referenzinterferometer zu erstellen, das die Whispering-Gallery-Mode-Sensorik nutzt, um Partikel mit Durchmessern im Bereich von einigen zehn Nanometern bei einem extrem hohen Gütefaktor nachzuweisen. Im Whispering-Gallery-Mode zirkulieren Mikrokavität und Resonanzphoton hunderttausendfach innerhalb dieser. Dies führt dazu, dass sich die optischen Eigenschaften deutlich verändern, wenn ein Partikel auf der Mikrokavität landet. Wenn die Rückstreuung ausreichend stark ist und die Hohlraumverluste ausreichend gering sind, treten experimentell para-geteilte Moden auf. Dies führt zur Frequenzspaltung und es erfolgt Partikelabsorption. Anschließend tritt eine Frequenzverschiebung auf.Der Hauptvorteil dieser Referenz-Interferometrie-Methode gegenüber bestehenden Systemen, wie etwa solchen, die die Resonanzfrequenz eines Resonators durch Beobachtung der Scan-Spannung verfolgen, besteht darin, dass sie in der Lage ist, das Laserrauschen zu unterdrücken und somit das Signal um eine ganze Größenordnung zu verstärken. Da diese Methode außerdem einfach aufzubauen und kostengünstig ist, eignet sie sich besonders gut zur Untersuchung oder Nutzung der Eigenschaften einer breiten Palette von Flächenmotoren sowie zur empfindlichen Nachweisung einzelner Moleküle wie etwa des Influenza-Virus. Um den Referenzinterferometer zusammenzubauen, richten Sie zunächst eine einmodige optische Faser mit einer Wellenlänge von 600 bis 800 Nanometern auf den Eingang eines 3-dB-Richtkopplers aus.Eine der Ausgangsfasern dieses Kopplers sollte eine Serie von Schleifen mit einer Gesamtlänge von 16 Fuß bilden, um eine optische Verzögerung hinzuzufügen. Die verbleibende Ausgangsfaser sollte an einen Polarisationskontroller geklemmt werden, der später zur Abstimmung der optischen Transmission verwendet wird. Nachdem diese Fasern mit den Eingangsports eines zweiten 3-dB-Richtungskopplers verbunden wurden, dienen die photomisch ausgegebenen Signale als Eingänge für einen balancierten Photodetektor.Dieses Netzwerk aus optischen Komponenten kann auf einer dreistufigen Ablage untergebracht werden, die in einer aus Acryl gefertigten, geschlossenen Wanne steht, die mit einer Mischung aus 50 % Eis und 50 % flüssigem Wasser gefüllt wird. Geschnittenes Eis wird aus Stabilitätsgründen gegenüber Eiswürfeln bevorzugt. Beide müssen jedoch sorgfältig in das Gehäuse eingebracht werden, um optische Fasern nicht zu beschädigen. Anschließend kann diese Anordnung in eine bestehende Konfiguration integriert werden, die in der Lage ist, einen Mikroresonator mit Flüstergaleriemoden zu untersuchen.Zunächst sicherstellen, dass die Ausgabe des Proben-Blazers am ersten dreifachen DB-Richtungskoppler ankommt, um den Laser mit einem linearen 100-Hz-1-Volt-Spitze-zu-Spitze-Rampensignal zu versorgen. Die Ausgabe des balancierten Photodetektors sollte dann sinusförmig werden. Als nächster Schritt ist der Polarisationsregler entsprechend einzustellen, um die Spitzen-Spitze-Spannung der sinusförmigen Wellenform zu optimieren.Um den Laser für kontinuierliche Wellenausgabe einzustellen, schalten Sie den Funktionsgenerator in den DC-Modus und justieren Sie ihn so, dass das vorherige Signal um Null schwankt. Durch die Überwachung des Signals mit einem elektrischen Spektrumanalysator kann schließlich der freie Spektralbereich bestimmt werden. Dies lässt sich erreichen, indem der Frequenzabstand zwischen dem Maximum bei Nullfrequenz und der ersten Nullstelle ermittelt wird.Befestigen Sie den Fasergeber am motorisierten Translationsstadium. Nachdem Sie FC A PC-Stecker an einem Ende von zwei optischen Fasern angebracht haben, entfernen Sie die Pufferbeschichtung von den freiliegenden Enden mit einem Faserabmantler. Reinigen Sie diese mit Aceton, gefolgt von Isopropanol.Danach schleifen Sie die Endflächen. Stellen Sie sicher, dass Sie die überschüssige Faser sicher entsorgen. Der nächste Schritt ist die Diffusion.Verbinden Sie diese Fasern miteinander. Befestigen Sie nach dem Spleißen die rechten und linken Ränder des neuen Fasersegments an einem Faserhalter, sodass es in der Nähe einer Wasserstoffgasauslassöffnung liegt und durch ein Objektiv eines optischen Mikroskops sichtbar ist. Wenn Wasserstoffgas freigesetzt wird, stabilisiert sich der Kanaldruck und die Durchflussrate beträgt 110 Milliliter pro Minute.Zünden Sie den Wasserstoff, während Sie die optische Transmission überwachen, indem Sie das Signal des Fotodetektors linear auf einem Oszilloskop betrachten. Ziehen Sie die Faser mithilfe einer benutzerdefinierten Software für den Laborgebrauch. Sie sollten bemerken, dass der Faserdurchmesser allmählich abnimmt und die transmittierte Intensität aufgrund von Multimoden-Interferenz zu oszillieren beginnen sollte.Sobald die transmittierte Intensität nicht mehr variiert, stoppen Sie das Ziehen der Faser. Dies markiert den Punkt, an dem der Taper dünn genug ist, um einen einzelnen Mantelmodus zu unterstützen. Lösen Sie die Faserhalterung von der Translationsstufe und befestigen Sie sie in der Nähe der PAs und der elektrischen Stufe, die Ihren Mikroresonator tragen wird.Während dieses Teils des Verfahrens muss eine Reinraumkluft getragen werden, um die Proben vor Kontamination durch Fremdpartikel zu schützen. Dazu gehören Schuhüberzüge, eine Gesichtsmaske, Schutzbrille, ein Haarnetz und ein Paar Latexhandschuhe. Nachdem Sie Ihren Arbeitsplatz eingerichtet haben, holen Sie die mikrosphärischen, monodispersen Holschlieren-Partikel mit einem Radius von 50 Nanometern, die bei Nichtgebrauch bei vier Grad Celsius gelagert worden sein sollten.Nachdem eine 10 Pikomolar-Lösung von Mikrokugeln in ECCOs phosphatgepufferter Kochsalzlösung oder DPBS hergestellt wurde, stellen Sie mit einer Mikropipette eine reine DPBS-Lösung in einem Ein-Milliliter-Zentrifugenröhrchen her. Füllen Sie anschließend 900 Mikroliter DPBS in zwei weitere Röhrchen. Beachten Sie, dass für unterschiedliche Mischungen separate Pipettenspitzen verwendet werden sollten.Um die verdünnten Lösungen mit einer Konzentration von einem Pikomolar und 100 Femtomolar an Mikrokugeln in DPBS herzustellen, entnehmen Sie 100 Mikroliter aus Ihrer ursprünglichen 10-Pikomolar-Lösung und geben diese in eines der Röhrchen, das 900 Mikroliter DPBS enthält. Vortexen Sie kurz und mischen Sie den Inhalt, entnehmen Sie anschließend 100 Mikroliter aus der ein-Pikomolar-Lösung und wiederholen Sie den vorherigen Schritt für die verbleibenden beiden Röhrchen. Danach öffnen Sie die Deckel der Zentrifuge.Stellen Sie die Lösungen darin so ein, dass die Positionen aus Gründen der Balance versetzt sind. Schließen Sie die Deckel und starten Sie einen 30-minütigen Schleudervorgang. Nach Beendigung öffnen Sie die Deckel und nehmen die Lösungen vorsichtig heraus. Sichern Sie die Röhrchen in einer Trockenkammer.Lösen Sie die Verschlüsse leicht und evakuieren Sie die Kammer, um die Gemische zu entgasen. Tauchen Sie das Exsikkator teilweise in das Bad eines Ultraschallgeräts ein und beschießen Sie die Lösungen 30 Minuten lang mit Ultraschallwellen. Danach entfernen Sie die Kammer aus dem Bad, öffnen Sie die Kammer, füllen Sie sie mit Luft auf und sammeln Sie die Lösungen ein.Denken Sie daran, die Verschlusskappen der Zentrifugenröhrchen fest zuzuschrauben. Die nächsten Schritte konzentrieren sich auf den Aufbau eines Flüssigkeitszufuhrsystems. Sobald ein Stativ gebaut wurde, schneiden Sie ein Segment eines mikrofluidischen Schlauchs ab, das etwas länger als ein Fuß ist.Befestigen Sie eine Spritzenkanüle an einem Ende und verbinden Sie sie mit dem Luer-Lock-Anschluss einer Kolbenpumpeneinheit. Schrauben Sie anschließend zwei Spritzenkanülen an beiden Enden eines Feral. Stecken Sie eine dieser Spritzenkanülen auf das freiliegende Ende des mikrofluidischen Schlauchs und befestigen Sie ihn an der Stativhalterung.Das mikrofluidische System direkt hinter der Probe muss Verschüttungen minimieren. Stellen Sie das vertikale Mikroskopobjektiv neu fokussieren, um ein scharfes Bild des Faserverjüngers zu erhalten. Wiederholen Sie dies für das horizontale Mikroskopobjektiv.Sie können Ihre Probe anschließend auf dem Nano-Positionierer befestigen und sie in Richtung des Zentrums des Fasertapers verschieben. In diesem Fall wird eine Silica-Mikrokugel verwendet. Danach scannen Sie die Laserwellenlänge, um eine geeignete Resonanzdip auf dem Oszilloskop zu erhalten.Nachdem Sie den Gütefaktor des Mikroresonators bewertet haben, bewegen Sie vorsichtig dessen Fasertaper von der Struktur weg. Wenn sich der Fasertaper nahe genug am Mikroresonator befindet, führen van-der-Waals-Kräfte zu einer Anziehung, sodass beide in Kontakt miteinander gelangen. Dies führt wahrscheinlich zu einer Überkopplung, die korrigiert werden kann, indem die Strukturen erneut voneinander getrennt werden. Befüllen Sie anschließend eine Pastettenpipette mit Wasser und geben Sie Tropfen hinter den Mikroresonator, sodass dessen umgebendes dielektrisches Medium aus dieser Flüssigkeit besteht.Sie können nun Lösungen zur Probe durchleiten. Nachdem das Referenz-Interferometriesystem eingerichtet ist, konfigurieren Sie die Trigger-Einstellungen des Oszilloskops und führen eine selbst entwickelte Software zum Erfassen von Signalverläufen aus. Anschließend können Sie Resonanzkurven für die Pufferlösung aufnehmen, die allenfalls eine Frequenzspaltung zeigen sollte. Nehmen Sie danach Resonanzkurven für die Nanopartikellösungen in aufsteigender Reihenfolge der Konzentration auf.Hier sollten durchschnittliche und aufgeteilte Frequenzverschiebungen zu beobachten sein, die Bindungsereignissen entsprechen. Die Spurdaten können mithilfe von MATLAB-Skripten verarbeitet werden, und in diesem speziellen Beispiel lässt sich der Gütefaktor ermitteln, indem die Resonanzstruktur im oberen Teil-Diagramm mit dem Interferometersignal verglichen wird. Im unteren Teil-Diagramm liegt der Gütefaktor dieses speziellen Durchlaufs bei etwa 200 Millionen für die Eintauchung in die Pufferlösung.Außerdem können Spektrogramme vor der Kalibrierung, Spektrogramme nach der Kalibrierung sowie Rauschboden-Wellenformen generiert werden, nachdem die Referenz-Informanten durch dieses Verfahren erstellt wurden. Inzwischen sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie diese Vielzahl an integrierter Unterstützung funktioniert und wie sie in Ihr eigenes System eingebunden werden kann. Außerdem sollten Sie gut verstehen, wie man Selbstreferenz-Nachweise mithilfe von Whispering-Gallery-Mode-Kavitäten durchführt.

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Forschung

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