Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Herstellung und Demonstration optomechanischer Oszillatoren, die mit Fluidphasenmedien arbeiten. Dies wird erreicht, indem zunächst mikrofluidische optomechanische Resonatoren durch Erhitzen und Ziehen von Quarzglas-Kapillar-Preforms unter CO2-Laserbeleuchtung hergestellt werden. Der zweite Schritt besteht darin, die gefertigten Geräte zum Testen zu montieren.

Als nächstes wird ein Diodenlaser verwendet, um optische Flüstergaleriemoden des hergestellten Geräts mittels einer konischen optischen Faser zu pumpen. Letztendlich wird die elektronische Spektralanalyse der optischen Ausgangssignale verwendet, um die optomechanische Wechselwirkung und Abtastung durch mechanische Moden in Flüssigkeiten zu zeigen. Diese Geräte bieten eine bisher nicht verfügbare Möglichkeit, opt-mechanische Experimente mit Fluidphasenmaterialien durchzuführen.

Im Allgemeinen werden Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da die Herstellungs-, Prozess-, Bedarfs-, Praxis- und Fertigungsparameter optimiert werden müssen. Die Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Betätigung und die Identifizierung des optomechanischen Modus schwer zu beherrschen ist. Die mikrofluidischen Resonatoren werden durch Erhitzen und Ziehen von Glaskapillar-Preforms hergestellt, um diese erste Ausrichtung zu erreichen.

Zwei per Software steuerbare lineare Übersetzungsstufen. Sie bewegen sich also auf der gleichen Linie. Sie sollten einige Zentimeter voneinander entfernt sein, damit die Kapillare über den Spalt verlängert werden kann.

Die Probenhalter auf den Tischen sollten so ausgerichtet sein, dass sie eine Kapillare auf der Achse halten. Entlang der Bewegungslinie der Tische erfolgt die Erwärmung durch zwei CO2-Laser, bevor es weitergeht. Treffen Sie angemessene Sicherheitsvorkehrungen für die Arbeit mit Hochleistungslasern.

Richten Sie dann die Leistung der Laser so aus, dass sie auf die gleiche Stelle im Spalt zwischen den Lineartischen abzielen. Diese Stelle sollte an einer Stelle sein, an der eine Kapillare aufgehängt wird. Verwenden Sie Balkenblöcke, um die Strahlen nach dem Zielpunkt zu stoppen.

Nutzen Sie eine Software zur gleichzeitigen Steuerung der beiden Translationsstufen und der Leistungsstufen der beiden CO2-Laser. Für dieses Setup. Zuverlässige Kapillaren werden hergestellt, wenn sich eine Stufe schnell (etwa 10 Millimeter pro Sekunde) und die andere langsam (etwa 0,5 Millimeter pro Sekunde) in die gleiche Richtung bewegt, um mehr Material in die Heizzone zu bringen.

Beide Laser sind auf 4,5 Watt für eine Vorheizzeit von drei Sekunden eingestellt. Dann fünf Watt oder mehr während des Ziehvorgangs. Zur Herstellung des Resonators verwenden Sie Quarzglas, Kapillar-Preform, und schneiden Sie eine Länge, die zwischen den beiden Probenhaltern auf dem linearen Translationstisch etwa zwei bis vier Zentimeter reichen kann.

Befestigen Sie anschließend die Kapillare an den Probenhaltern. Die Laserzielzone befindet sich also ungefähr in der Mitte der Kapillarlänge. Fahren Sie fort, indem Sie die Steuerungssoftware starten.

Der Laser heizt die Kapillare drei Sekunden lang vor. Dann wird die Kapillare für ca. 10 Sekunden gezogen. Wenn der Prozess beendet ist, entfernen Sie die gezogene Kapillare, indem Sie nur das dicke, ungefaltete Ende anfassen, um eine Kontamination zu vermeiden.

Hängen Sie die Kapillare so auf, dass die Oberfläche des sauberen Resonators in der Luft schwebt. Erstellen Sie Kapillaren mit unterschiedlichen Durchmessern, indem Sie die Zugparameter variieren und den Herstellungsprozess wiederholen, um sicherzustellen, dass die Kapillaren offen sind. Arbeite mit einem flachen Topf mit Wasser und einer Spritze.

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

Vor dem Testen der Kapillaren muss eine Halterung zur Montage gebaut werden. Schneiden Sie dazu drei ein Zentimeter mal 0,5 Zentimeter große Glasstücke aus Glasobjektträgern aus. Schneiden Sie zusätzlich ein drei mal einen halben Zentimeter großes Stück ebenfalls aus einem Glasobjektträger aus.

Verwenden Sie dann Glaskleber oder Sekundenkleber, um diese Teile zu einem eha zusammenzusetzen. Schneiden Sie dann aus einer gezogenen Kapillare eine Länge, die den Abstand zwischen zwei benachbarten Ästen auf dem U-förmigen Halter überbrücken und über diese hinaus reichen kann. Verwenden Sie optischen Klebstoff, um die Kapillare so zu kleben, dass ihre Enden über die beiden Äste des Halters hinausragen und ihre Mitte zwischen ihnen aufgehängt ist.

Anschließend härten Sie den optischen Klebstoff mit einer LED-UV-Härtungslampe so lange wie nötig aus. Fahren Sie etwa 10 Sekunden fort, indem Sie einen Kunststoffschlauch mit einem Innendurchmesser erhalten, der etwas größer als die Kapillare ist. Führen Sie vorsichtig ein Rohr über jedes Ende der montierten Kapillare ein.

Auch hier ist die Verbindung zwischen Kapillare und Kapillare mit optischem Kleber abzudichten und mit UV-Licht auszuhärten. Nach dem Aushärten ist die Baugruppe bereit für die Montage. Mit dem dritten freien Glasast wird die Struktur festgeklemmt.

Bei diesem Experiment wird ein wellenlängenabstimmbarer, fasergekoppelter Infrarotlaser verwendet, der mit einem Funktionsgenerator verbunden ist. Wird verwendet, um die Laserwellenlängen periodisch zu sweepen. Die Laserleistung wird zunächst durch einen Polarisationsregler geleitet.

Von dort aus wird es mit einem Singlemode-Telekommunikationsband-konischen Faserwellenleiter gekoppelt, der sich in der Nähe eines Nano-Positionierungstisches befindet. Nach der konischen Faser durchläuft das Licht Dämpfungsglieder, um die nachgeschalteten Analysatoren zu schützen. Für dieses Experiment wird das Licht nach dem Abschwächer auf einen Photodetektor gerichtet, der an einem elektrischen Spektrumanalysator und einem Oszilloskop befestigt ist.

Beginnen Sie das Experiment, indem Sie den Laser stabilisieren und mit dem Sweepen der Wellenlänge des Laserstrahls beginnen. Holen Sie als Nächstes den montierten Kapillarresonator heraus und montieren Sie den Kapillarresonatorhalter auf dem Nanopositioniertisch in der Nähe der konischen Faser. Verschieben Sie dann vorsichtig den Tisch, um den Resonator etwa einen Mikrometer von der konischen Faser zu entfernen, um eine evaneszierende Kopplung zu erhalten.

Da die Wellenlängen gesweept werden, deuten Einbrüche in der Lasertransmission als Funktion der auf dem Oszilloskop betrachteten Zeit auf das Vorhandensein von evaneszenter Kopplung und Resonanzen hin. Verwenden Sie den Spektrumanalysator, um nach zeitlichen Interferenzen zwischen dem eingegebenen Laserlicht und dem Streulicht zu suchen. Dieser Schwebungston tritt bei der mechanischen Schwingungsfrequenz auf.

In diesem Beispiel wird ein mechanischer Modus bei 24,94 Megahertz in der Kapillare durch Strahlungsdruck angeregt, wobei versucht wird, sich auf den relevanten optischen Modus für eine mechanische Schwingung zu verschließen, indem der Laserfrequenzscan ausgeschaltet und die Laserwellenlänge gesteuert wird. Im Dauerstrichmodus erscheinen periodische Signale auf einem Oszilloskop, wenn ein mechanischer Modus vorhanden ist. Sobald das Gerät gemeistert ist, können die Herstellung des Geräts und die Tests in etwa 45 Minuten abgeschlossen werden, wenn es richtig gemacht wird.

Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, dass der Resonator und die konische Faser niemals manuell angefasst werden dürfen, auch nicht mit der Pinzette. Dies dient dazu, die Sauberkeit der Oberflächen zu erhalten. Seit ihrer Entwicklung hat diese Technik Forschern auf dem Gebiet der optischen Mechanik von Resonatoren den Weg geebnet, um neuartige Wechselwirkungen mit Flüssigkeiten und Bioanalyten zu erforschen.