Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, optomechanische Oszillatoren herzustellen und zu demonstrieren, die mit Medien in flüssiger Phase arbeiten. Dies wird erreicht, indem zunächst mikrofluidische optomechanische Resonatoren durch Erhitzen und Ziehen von Quarzglaskapillar-Preformen unter CO2-Laserbestrahlung hergestellt werden. Der zweite Schritt besteht darin, die hergestellten Bauelemente zur Prüfung zu montieren.

Anschließend wird ein Diodenlaser verwendet, um mithilfe einer abgeschrägten optischen Faser die optischen Whispering-Gallery-Moden des hergestellten Bauelements zu pumpen. Schließlich dient die elektronische Spektralanalyse der ausgegebenen optischen Signale dazu, die optomechanische Wechselwirkung und Sensorik über mechanische Moden in Fluiden nachzuweisen. Diese Bauelemente bieten eine zuvor nicht verfügbare Möglichkeit, Optomechanik-Experimente mit Materialien in flüssiger Phase durchzuführen.

Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da Herstellung, Verfahren, Bedarf, Übung und Herstellungsparameter optimiert werden müssen. Die Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die Anregung und die Identifizierung des optomechanischen Modus schwer zu beherrschen sind. Die mikrofluidischen Resonatoren werden durch Erhitzen und Ziehen von Glas-Kapillar-Preforms hergestellt, um diese erste Ausrichtung zu erreichen.

Zwei softwaregesteuerte lineare Translationsstufen, die sich entlang derselben Linie bewegen. Sie sollten um einige Zentimeter voneinander getrennt sein, sodass die Kapillare über den Spalt hinweg ausgedehnt werden kann.

Die Probenträger auf den Stufen sollten so ausgerichtet werden, dass sie eine Kapillare auf der Achse halten. Entlang der Bewegungsrichtung der Stufen erfolgt die Erhitzung durch zwei CO2-Laser. Tragen Sie beim Arbeiten mit Hochleistungslasern die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen.

Leiten Sie dann die Ausgabe der Laser so, dass sie denselben Punkt im Spalt zwischen den Linearverfahrstufen treffen. Dieser Punkt sollte dort liegen, wo eine Kapillare aufgehängt wird. Verwenden Sie Strahlblenden, um die Strahlen nach dem Zielort zu stoppen.

Verwenden Sie eine Software zur gleichzeitigen Steuerung der beiden Translationsstufen und der Leistungsstufen der beiden CO2-Laser. Für diesen Aufbau. Zuverlässige Kapillaren entstehen, wenn sich eine Stufe schnell, etwa 10 Millimeter pro Sekunde, und die andere langsam, etwa 0,5 Millimeter pro Sekunde, in dieselbe Richtung bewegt, um der Heizzone zusätzliches Material zuzuführen.

Beide Laser werden für einen dreisekündigen Vorheizvorgang auf 4,5 Watt eingestellt. Anschließend fünf Watt oder höher während des Zeichnungsprozesses. Zum Herstellen des Resonators Fused Silica verwenden, kapillare Preform schneiden, eine Länge, die zwischen den beiden Probenhaltern auf der linearen Translationsstufe etwa zwei bis vier Zentimeter erreichen kann.

Befestigen Sie als Nächstes das Kapillarröhrchen an den Probenhaltern, sodass die Laserzielzone ungefähr in der Mitte der Kapillarlänge liegt. Starten Sie anschließend die Steuerungssoftware.

Der Laser vorgewärmt die Kapillare drei Sekunden lang. Anschließend wird die Kapillare etwa 10 Sekunden gezogen. Wenn der Vorgang abgeschlossen ist, entfernen Sie die gezogene Kapillare, wobei Sie nur das dicke, ungefaltete Ende anfassen, um Kontaminationen zu vermeiden.

Hängen Sie die Kapillare so auf, dass die saubere Oberfläche des Resonators in der Luft hängt. Erstellen Sie Kapillaren mit unterschiedlichen Durchmessern, indem Sie die Ziehparameter variieren und den Herstellungsprozess wiederholen, um sicherzustellen, dass die Kapillaren offen sind. Arbeiten Sie mit einer flachen Wanne mit Wasser und einer Spritze.

Nehmen Sie eine fertige Kapillare vorsichtig auf und tauchen Sie ein Ende in das Wasser. Blasen Sie mit der Spritze Luft durch das andere Ende. Luftblasen zeigen an, dass die Kapillare offen ist.

Bevor die Kapillaren getestet werden, muss ein Halter zum Befestigen derselben hergestellt werden. Schneiden Sie hierzu drei Glasscheiben mit einer Größe von einem Zentimeter mal 0,5 Zentimeter aus Objektträgern. Zusätzlich schneiden Sie ein weiteres Stück mit drei Zentimetern Länge und einem halben Zentimeter Breite aus einem Objektträger.

Verwenden Sie anschließend Glas-Bindungskleber oder Sekundenkleber, um diese Teile zu einer EHA zusammenzufügen. Schneiden Sie danach aus einer gezogenen Kapillare ein Stück zurecht, das die Distanz zwischen zwei benachbarten Ästen des U-förmigen Halters überbrückt und darüber hinausragt. Befestigen Sie die Kapillare mit optischem Kleber, sodass ihre Enden über die beiden Äste des Halters hinausragen und ihr Mittelteil zwischen ihnen frei hängt.

Danach den optischen Klebstoff mit einem LED-UV-Härtungslicht so lange aushärten lassen, wie erforderlich. Anschließend etwa 10 Sekunden warten und dann Plastikschläuche beschaffen, deren Innendurchmesser etwas größer ist als der der Kapillare. Vorsichtig einen Schlauch über jedes Ende der montierten Kapillare schieben.

Verwenden Sie erneut optischen Klebstoff, um die Verbindung zwischen Kapillare und [data-jove-entity] zu verschließen, und härten Sie diesen mit UV-Licht aus. Nach der Aushärtung ist die Montage bereit zur Befestigung. Verwenden Sie den dritten freien Glaszweig, um die Struktur an ihrem Platz zu fixieren.

Dieses Experiment nutzt einen wellenlängenabstimmbaren, fasergekoppelten Infrarotlaser, der mit einem Funktionsgenerator verbunden ist und zur periodischen Abtastung der Laserwellenlängen verwendet wird. Der Laserstrahl wird zunächst durch einen Polarisationsregler geleitet.

Von dort wird es mit einem einmodigen, auf den Telekommunikationsbereich ausgelegten, verjüngten Faseroptik-Wellenleiter gekoppelt, der sich in der Nähe einer Nano-Positionierstufe befindet. Nach dem verjüngten Faserende passiert das Licht Dämpfungsglieder, um die nachgeschalteten Analysatoren zu schützen. In diesem Experiment wird das Licht nach dem Dämpfungsglied zu einem Photodetektor geleitet, der an ein elektrisches Spektrumanalysatorgerät und ein Oszilloskop angeschlossen ist.

Beginnen Sie das Experiment, indem Sie den Laser stabilisieren und Abtastungen der Laserstrahlwellenlänge starten. Danach entnehmen Sie den montierten Kapillarresonator und befestigen den Halter des Kapillarresonators an der Nano-Positionierbühne in der Nähe der abgeschrägten Faser. Verschieben Sie dann vorsichtig die Bühne, um den Resonator etwa einen Mikrometer an die abgeschrägte Faser heranzuführen, um eine evaneszente Kopplung zu erzielen.

Während die Wellenlängen abgetastet werden, weisen Einbrüche in der Lasertransmission als Funktion der Zeit, die auf dem Oszilloskop sichtbar sind, auf das Vorhandensein evanescer koppelter Resonanzen hin. Nutzen Sie den Spektrumanalysator, um nach zeitlicher Interferenz zwischen dem eingehenden Laserlicht und dem gestreuten Licht zu suchen. Diese Schwebung tritt bei der mechanischen Oszillationsfrequenz auf.

In diesem Beispiel wird ein mechanischer Modus bei 24,94 Megahertz im Kapillar durch Strahlungsdruck angeregt, indem versucht wird, durch Abschalten des Laserscans und Steuerung der Laserwellenlänge auf den entsprechenden optischen Modus für eine mechanische Schwingung zu regeln. Im Dauerstrichmodus erscheinen periodische Signale auf einem Oszilloskop, wenn ein mechanischer Modus vorhanden ist. Sobald die Methode beherrscht ist, können Herstellung und Prüfung der Vorrichtung in etwa 45 Minuten abgeschlossen werden, sofern alles ordnungsgemäß durchgeführt wird.

Während des Durchführens dieses Verfahrens ist es wichtig zu beachten, dass Resonator und abgesetzte Faser niemals manuell, auch nicht mit Pinzette, berührt werden dürfen. Dies dient der Aufrechterhaltung der Sauberkeit der Oberflächen. Seit ihrer Entwicklung hat diese Technik Forschern auf dem Gebiet der Kavitäts-Optik-Mechanik den Weg geebnet, neuartige Wechselwirkungen mit Flüssigkeiten und bioanalytischen Substanzen zu erforschen.