Implementación de un interferómetro de referencia para Nanodetection

Summary

Una técnica de interferómetro de referencia, que está diseñado para eliminar el ruido de fluctuación de fase láser indeseable para nanodetection, se utiliza para sondear un factor microcavidad de ultra-alta calidad. Instrucciones para el ensamblaje, la instalación y adquisición de datos se proporcionan, junto con el proceso de medida para especificar el factor de calidad de la cavidad.

Abstract

Un interferómetro de fibra térmica y mecánicamente estabilizado adecuado para examinar microcavidades factor de ultra alta calidad está de moda. Después de la evaluación de su rango espectral libre (FSR), el módulo se pone en paralelo con un sistema de cono-microcavidad fibra y a continuación se calibró a través de aislamiento y la eliminación de los cambios aleatorios en la frecuencia del láser (es decir, el ruido de fluctuación de fase láser). Para darse cuenta de la unión cónica-microcavidad y para maximizar la potencia óptica que se transfiere al resonador, un solo modo de guía de ondas de fibra óptica se tira. Las soluciones que contienen nanobeads de poliestireno se preparan entonces y trasladados a la microcavidad con el fin de demostrar la capacidad del sistema para detectar la unión a la superficie de la microcavidad. Los datos son post-procesada a través de la curva de ajuste adaptativo, que permite mediciones de alta resolución de el factor de calidad, así como el trazado de parámetros dependientes del tiempo, como los cambios de longitud de onda de resonancia y frecuencia dividida. Por cuidadoinspección de pasos en la respuesta en el dominio y el cambio en la respuesta de frecuencia de dominio, este instrumento puede cuantificar eventos de unión discretos.

Introduction

Intereses de investigación ha aumentado de manera significativa en el uso del modo de susurro-galería (WGM) microcavidades con el propósito de nanodetection y biosensor ^1-8. Esto implica el factor de calidad ultra alta (Q) cavidades ópticas que son competentes en la identificación de partículas biológicas minúsculas, hasta el nivel de la proteína sola ^2. Es decir, el seguimiento de los cambios en la resonancia y la frecuencia de división para la transmisión con una sensibilidad extraordinaria ^9-11 se puede activar por el confinamiento de la cavidad de la energía de la luz dentro de un volumen pequeño modo. Las variaciones en las propiedades ópticas de un resonador son la causa de estos cambios, que a su vez se originan a partir de la unión de moléculas o nanopartículas discretas. Un ejemplo menos sofisticada de una estructura WGM tridimensional para tales aplicaciones es una microesfera de sílice, que puede ser fabricado con una superficie atómicamente lisa cerca simplemente la ablación de una fibra óptica dibujada usando un láser de CO _2. Como es sabido,factores Q elevados en el orden de 10 ⁹ pueden ser alcanzados ^1.

La frecuencia de resonancia de un microcavidad se controla convencionalmente mediante el escaneo de la frecuencia óptica de una fuente de láser sintonizable, mientras que simultáneamente la foto-detección de la transmisión óptica que se captura en un osciloscopio. Un inconveniente inherente de esta técnica es la incertidumbre asociada con la ubicación de las gotas en la transmisión que surge de las fluctuaciones de longitud de onda de láser o de fluctuación de fase láser. Para superar esta complicación, un interferómetro se puede utilizar junto a un microcavidad para producir una señal de referencia para cancelar la fluctuación de fase láser y aumentar la sensibilidad observada ^2. De entrada de luz se divide en dos trayectorias ópticas: El haz de referencia que pasa a través del interferómetro (con un rango espectral libre FSR o lo suficientemente grande como para impedir que el láser jittering pasado espaciado una frecuencia FSR durante la medición) y el haz de detección que interacts con el microrresonador WGM. Esta característica optimiza experimentos en comparación con configuraciones más avanzadas, como la de detección de WGM implique la combinación de un láser de realimentación distribuida (DFB) y niobato de litio periódicamente polarizado (PPLN) doblador ^12. En esta publicación, una técnica interferómetro para la supervisión basada factor de microcavidad ultra-alta calidad de la materia a escala nanométrica se describe ^3. Los procedimientos de configuración y de adquisición de datos que se requieren para lograr esto se describen, que ilustra cómo el factor de calidad de la cavidad se puede determinar a través de la interferometría de referencia.

Protocol

1. Referencia Interferómetro de construcción y medición FSR

1. Construcción
   1. Crear una caja de acrílico con techo abierto. Esta estructura debe ser lo suficientemente grande como para caber cómodamente en un 16 en x 16 en x 16 en caja de espuma de poliestireno.
   2. Fabrique una estantería de 3 etapas para albergar componentes ópticos, que se sentarán en la caja de acrílico con techo abierto y será completamente encerrado en la caja de espuma de poliestireno para aislamiento térmico. Dos agujeros elevados en la caja de espuma de poliestireno deben estar presentes para permitir fibras para entrar y salir todo el recinto.
   3. En la 3 ^ª etapa: Una fibra de salida del acoplador direccional de 3 dB debe ser sujetada a un controlador de polarización que a su vez conduce a un puerto de entrada de un acoplador direccional de 3 dB por separado.
   4. En la 2 ^ª etapa: formar un bucle con aproximadamente 16 pies de la fibra óptica procedente del otro puerto de salida de la primera acoplador direccional 3 dB. Dirigir esta fibra al puerto de entrada restante de las segundo 3 acoplador direccional dB en la 3 ^ª etapa.
   5. Llene la caja de acrílico con 50% de hielo raspado mezclado con agua líquida 50%, como a la moda un baño de hielo y por lo tanto mantener la temperatura de los componentes ópticos cerca de 0 ° C.
2. Medición FSR
   1. Configure la sonda láser en la longitud de onda deseada. Emplear un generador de funciones de tal manera que su salida está conectada a un divisor de potencia de 3 dB. Una de las salidas del divisor de 3 dB se debe conectar al osciloscopio para fines de seguimiento y la otra salida es que se utilizará para sintonizar directamente la frecuencia del láser.
   2. Alimentar a la salida del láser como la entrada al acoplador direccional 1 ^de 3 dB.
   3. Las dos salidas del acoplador direccional dB 2 ^º 3 son para transportar señales photomixed al fotodetector equilibrada (BPD). Por último, conecte el cable de salida del BPD a un canal de entrada del osciloscopio.
   4. Linealmente escanear la frecuencia del láser por suplying el módulo de láser con una señal de rampa generada por el generador de forma de onda (con un voltaje de pico a pico de 1 V y frecuencia de exploración de 100 Hz). La señal de salida de la DBP se convertirá sinusoidal en el osciloscopio.
   5. Ajustar el controlador de polarización como para maximizar el voltaje de pico a pico de la forma de onda sinusoidal.
   6. Para medir la FSR, configurar el láser para la salida de onda continua estableciendo el generador de forma de onda en el modo DC. Tune la tensión del generador de forma de onda tal que la señal transmitida desde el TLP fluctúa alrededor de 0 V (es decir. El punto de cuadratura). Inspeccione la señal de salida utilizando un analizador de espectro eléctrico. La señal monitorizada debe aparecer como una función sinc-cuadrado, donde la ubicación de la primera cero más próximo el máximo global (a frecuencia cero) corresponde a la FSR. Para minimizar el ruido de medición, ajuste el analizador de espectro eléctrico de modo promedio.

2. Fibra Tirando ¹³

Preámbulo: La meta de este procedimiento es para que coincida aproximadamente la fase de los fotones que viajan en la puesta a punto a los de la microcavidad de manera que puede ocurrir un acoplamiento eficiente. Como se tira de la fibra, la sección central que se encuentra entre las dos abrazaderas pasará de apoyo a un único modo dentro de una fibra regular, a varios modos dentro de una guía de ondas formadas por el revestimiento de sílice original de convertirse en el núcleo de aire y convirtiéndose en el revestimiento, y luego a un solo modo. El núcleo de sílice de la fibra será prácticamente desaparecer en la sección central, en el que temporalmente las condiciones de propagación multimodo satisfechos serán contrarrestados por la reducción continua del diámetro de la fibra.

1. Fije el soporte de la fibra a la etapa de traslación motorizada.
2. Conectorice dos secciones de fibra óptica con conectores FC / APC en un extremo de cada sección. Retire el revestimiento protector de los extremos no conectados con una stripper de fibra, límpielos con acetona primero y then isopropanol, unirá las facetas finales, y la fusión empalmar juntos.
3. Para monitorear la pérdida en el cono, conectar una sonda de láser en el modo de potencia constante a un extremo de la fibra mientras que el otro extremo de la fibra está conectado a un fotodetector (PD). La salida de la DP debe estar conectado a un osciloscopio. Ajustar los parámetros del osciloscopio como para medir la tensión de salida PD, que es proporcional a la potencia del láser transmitida.
4. Registre el valor inicial de la tensión de salida PD y continuar su seguimiento hasta el paso 2.9.
5. Abrazadera de la fibra a la titular de la fibra y la imagen de la fibra con un microscopio óptico.
6. Liberar el hidrógeno de tal manera que comienza a fluir cerca de la conicidad, a la espera de que el aire salga del tubo y de la presión del canal para estabilizar. Una vez que la velocidad de flujo para el gas de hidrógeno llega a 110 ml / min, encenderlo cerca de la salida con un encendedor para calentar la fibra.
7. El uso de un programa de LabVIEW costumbre, tirar linealmente la fibra. Tenga en cuenta que durante la puproceso lling, el núcleo de la fibra se desvanece poco a poco, mientras que múltiples modos de revestimiento se vuelven dominantes en la orientación de la luz a través de la sección de fibra cónica. La intensidad transmitida a través de la fibra óptica debe oscilar debido a la interferencia multimodo.
8. Continúe tirando de la fibra para reducir el ancho de fibra cónica hasta que sólo admite un único modo de revestimiento. Una vez que la intensidad transmitida deja de variar, deje de tirar de la fibra.
9. Suelte el soporte de fibra a partir de la etapa de traducción y seguro que cerca del escenario piezoeléctrico.

3. Preparación y Entrega de Soluciones

1. Preparar 22:00, 13:00, y 100 soluciones FM compuestas de 50 NM de radio microesferas de poliestireno monodispersas en tampón fosfato salino de Dulbecco (DPBS). Además, crear una solución de DPBS pura.
2. Coloque las soluciones en una centrifugadora, escalonar sus posiciones dentro de ella para fines de equilibrio, e iniciar un ciclo de centrifugado 30 min.
3. Al completion, de forma segura colocar las soluciones en un desecador, evacuarlo, y bombardear las soluciones con ondas de ultrasonido durante 30 min.
4. Retire las soluciones y dejarlos a un lado, cerca de la configuración del experimento.
5. Construir una base para un sistema de suministro de fluido pequeño.
   1. Tras la limpieza de dos virolas, inserte puntas de jeringa en ambos extremos de un segmento de los microtúbulos y atornillar los casquillos a las puntas de las jeringas. Conectar individualmente uno de los casquillos a tercera punta de la jeringa y el otro para el adaptador de bloqueo luer de un conjunto de cilindro-émbolo.
   2. Fije la punta de la jeringa expuesta en el stand y mantenerla detrás de la muestra. Los fluidos deben ser capaces de fluir sobre la muestra sin derrame significativo.
6. En términos del artículo 5 del Protocolo, cargar el cañón con una solución adecuada y de forma manual lo inyecta a través del sistema de microfluidos durante el experimento.

4. Configuración del sistema y Interconexiones

1. Conecte las sondas de lase r para un acoplador direccional de 10 dB. El puerto acoplado está conectado al puerto de entrada del interferómetro de referencia mientras que el puerto de transmisión está conectado a un controlador de polarización, seguido de la fibra estrechada.
2. Reorientar los objetivos de microscopio de adquirir dos imágenes nítidas de la cinta por fibra.
3. Conecte la salida de la fibra cónica a un PD. La salida de este PD debe estar unido a una entrada de canal diferente del osciloscopio.
4. Montar la muestra en el nanopositioner y hacer los ajustes gruesos para desplazar de forma que está próximo al centro de la cinta por fibra.
5. Inyectar DPBS a la muestra. Hacer ajustes gruesos tales que la cinta por fibra está a la vista de las dos cámaras CCD. Ajuste el nanopositioner establecer acoplamiento de la cinta por fibra a la microcavidad.
6. Busque en la longitud de onda del láser para obtener una salsa de resonancia adecuada en el osciloscopio.

5. Detección de nanopartículas

ontenido "> Para adquirir datos: Configurar ajustes de disparo del osciloscopio y, usando software hecho en casa, recoger rastros del osciloscopio para su posterior procesamiento.

1. Registrar los datos para la solución tampón como referencia.
2. Registre los datos para las soluciones de nanopartículas de menor a mayor concentración.
3. Observar los cambios de frecuencia que se producen debido a la nanopartícula vinculante para el microcavidad.

6. Post-Procesamiento de Datos

Los datos recogidos pueden ser procesados ​​por un programa MATLAB auto-escrito. El programa debe:

1. Lea las huellas del interferómetro de referencia y llevar a cabo un ajuste de mínimos cuadrados a las curvas sinusoidales. Las fases de la sinusoidal equipada se utilizan para estimar la fluctuación de fase de láser sobre la marcha.
2. Lea las huellas de transmisión de la cavidad y llevar a cabo un ajuste de mínimos cuadrados a la función doble de Lorentz. Frecuencias ópticas correspondientes a los huecos de resonancia (ν _1,ν ₂₎ y sus anchuras total a la mitad del máximo (FWHM de, representado por δν _1, δν ₂₎ se determinan mediante la comparación de la señal de transmisión a la señal de interferómetro.
3. Obtenga el factor de calidad de cada inmersión individuo de Q _i = ν _i / δν _i, donde puedo ser o bien 1 (resonancia izquierda) o 2 (resonancia derecha).
4. Calcular, como es convencional, las frecuencias ópticas de las salsas de resonancia a través de la exploración de tensión láser, donde los rendimientos de fluctuación de fase láser más grande ruido de medición.
5. Recoger el promedio de frecuencia de resonancia ν _promedio = ₍₁ + ν ν ₂₎ / 2 y frecuencia dividida Δν = ν ₂ - ν ₁ para cada medición y la trama como una función del tiempo. Cuando una nanopartícula se une sobre la superficie de la microcavidad, cambios repentinos de tanto la frecuencia de resonancia promedio y Sho frecuencia divididauld ser observados.

Results

Después de seguir el protocolo, los rastros pueden ser compilados y equipados. Figura 3a muestra la estructura de resonancia típica de la microesfera como se presenta en el video, para el que se observa la división de frecuencia en un medio de DPBS. Un ajuste de mínimos cuadrados para la función de doble Lorentzian indica que el factor de calidad de las izquierdas y derechas dips de resonancia son, respectivamente, 2,1 x 10 ⁸ y 3,8 x 10 ⁸ en un medio acuoso. Las frecuencias ópticas...

Discussion

Esta configuración actual es capaz de sondear una variedad de microcavidades WGM, tales como microdiscos, microesferas, y microtoroids, sin necesidad de ningún control de realimentación para la fuente de láser sonda. Una considerable proporción de señal a ruido (SNR) para la detección se puede conseguir debido a las mejoras de cambio de paso proporcionados por longitud de la trayectoria y los efectos de retrodispersión partículas inducida. Dada la simplicidad y el bajo coste de la propia interferómetro de referencia, es...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Poliestireno  Microesferas	PolyScience
Dulbecco' s Solución salina tamponada de fosfato (DPBS)	Life Technologies	14190
Sistema de nanoposicionador piezoeléctrico	Physik Instrumente	P-611.3S
Fotodetector balanceado	Thorlabs	PDB120A
Fotodetector	Newport	1801-FC
3 dB Acoplador direccional de fibra óptica	Thorlabs	FC632-50B
10 Acoplador direccional de fibra óptica dB	Thorlabs	FC632-90B
Controlador de polarización drop-in	General Photonics	PLC-003-S-25
Generador de funciones	Hewlett-Packard	33120A
fusión	Ericsson	FSU-925
Osciloscopio de alta velocidad	Agilent	DS09404A
Etapa de traducción motorizada con controlador	Thorlabs	MTS25-Z8E
Fibra óptica monomodo, 600-800 nm, Ø 125 y mu; m Revestimiento	Thorlabs	SM600
Analizador de espectro eléctrico en tiempo real	Tektronix	RSA3408B
Analizador de espectro óptico	Agilent	70951A
632.5 – 637 nm Láser sintonizable	New Focus	TLB-6304
Bomba de filtración	KNF
Ultrasonic Cleaner	Crest Ultrasonics	Powersonic 1100D
Mini Vortexer	VWR	VM-3000
Centrífuga	Beckman Coulter	Microfuge 22R