La mise en œuvre d'un interféromètre de référence pour Nanodetection

Summary

Une technique de l'interféromètre de référence, qui est conçu pour éliminer le bruit de gigue laser indésirable pour nanodetection, est utilisé pour sonder un facteur microcavité ultra-haute qualité. Instructions pour l'assemblage, l'installation et l'acquisition de données sont fournies, parallèlement au processus de mesure pour spécifier le facteur de qualité de la cavité.

Abstract

Un interféromètre de fibre thermiquement et mécaniquement stabilisé adapté pour l'examen des facteurs micro-cavités ultra-haute qualité est façonné. Après une évaluation de la gamme spectrale libre (FSR), le module est mis en parallèle avec un système cône-microcavité fibre et ensuite calibré par l'intermédiaire d'isoler et d'éliminer les variations aléatoires de la fréquence de laser (c.-à-bruit de gigue du laser). Pour réaliser la jonction cône-microcavité et à maximiser la puissance optique qui est transférée au résonateur, un guide d'ondes monomode de la fibre optique est tirée. Les solutions contenant des nanobilles de polystyrène sont ensuite préparés et transportés à la microcavité afin de démontrer la capacité du système à détecter la liaison à la surface de la microcavité. Données est post-traitée par la courbe d'adaptation approprié, qui permet des mesures à haute résolution du facteur de qualité ainsi que le tracé des paramètres dépendant du temps, telles que la longueur d'onde de résonance et la fréquence des changements scission. Par précautioninspecter étapes de la réponse dans le domaine temporel et le décalage de la réponse dans le domaine fréquentiel, cet instrument peut quantifier événements de liaison discrètes.

Introduction

intérêt de la recherche a augmenté de manière significative sur l'utilisation du mode de chuchotement galerie (WGM) microcavités dans le but de nanodetection et biodétection ^1-8. Il s'agit du facteur de qualité ultra-haute (Q) cavités optiques qui sont compétents dans l'identification des particules biologiques minuscules, en baisse au niveau d'une seule protéine ^2. C'est, changements de résonance et la fréquence scission surveillance pour la transmission avec une sensibilité extraordinaire ^9-11 peut être activé par le confinement de la cavité de l'énergie lumineuse dans un petit volume de mode. Les variations dans les propriétés optiques d'un résonateur sont la cause de ces changements, qui à son tour proviennent de la liaison de molécules ou de nanoparticules discrètes. Un exemple moins sophistiquée d'une structure WGM en trois dimensions pour des applications est une microsphère de silice, qui peut être fabriqué avec une surface lisse près atomique par ablation simplement une fibre optique étirée en utilisant un laser à CO _2. Comme cela est connu,Q élevé des facteurs de l'ordre de 10 ⁹ peuvent être atteints ^1.

La fréquence de résonance d'une microcavité est classiquement suivi par balayage de la fréquence optique d'une source laser accordable en même temps tandis que photo-détection de la transmission optique qui est capturée sur un oscilloscope. Un inconvénient inhérent à cette technique est l'incertitude associée à la localisation des gouttes dans la transmission qui résulte de la fluctuation de longueur d'onde laser ou laser gigue. Pour surmonter cette complication, un interféromètre peut être utilisé conjointement avec un micro-cavité pour produire un signal de référence pour annuler la gigue de laser et d'accroître la sensibilité observée ^2. Entrée de lumière est divisée en deux chemins optiques: le faisceau de référence qui passe à travers l'interféromètre (avec un intervalle spectral libre FSR ou suffisamment grande pour empêcher le laser à partir de l'espacement jittering une fréquence FSR passé lors de la mesure) et le faisceau de détection qui interacts avec le microrésonateur WGM. Cette caractéristique simplifie la comparaison avec des expériences dans des configurations plus avancées, telles que celle de WGM détection impliquant la combinaison d'un laser à rétroaction répartie (DFB) et le niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN) doubleur ^12. Dans cette publication, une technique d'interférométrie pour la surveillance de la matière à l'échelle nanométrique à base de facteur microcavité ultra-haute qualité est décrit ^3. Les procédures d'installation et d'acquisition de données qui sont nécessaires pour accomplir ce sont décrites, illustrant la façon dont le facteur de qualité de la cavité peut être déterminée par interférométrie de référence.

Protocol

1. Référence Interféromètre Construction et FSR mesure

1. Construction
   1. Créer une boîte en acrylique à toit ouvert. Cette structure doit être suffisamment grand pour s'adapter parfaitement dans un 16 x 16 x 16 en boîte en polystyrène.
   2. Fabriquer une étagère à 3 étages pour loger les composants optiques, qui siégeront dans la boîte acrylique à toit ouvert et sera entièrement clos par la boîte en polystyrène pour l'isolation thermique. Deux trous élevées sur la boîte en polystyrène doivent être présents pour permettre aux fibres d'entrer et de sortir de la totalité de l'enceinte.
   3. Sur la ^{3 ème} étape: Une fibre de sortie du coupleur directionnel 3 dB doit être serré à un contrôleur de polarisation qui conduit à son tour à un port d'un coupleur directionnel à 3 dB d'entrée séparée.
   4. Sur la ^{2 ème} étape: Former une boucle avec environ 16 pieds de la fibre optique provenant de l'autre orifice de sortie du premier coupleur directionnel à 3 dB. Diriger cette fibre à l'orifice d'entrée restante de la second 3 dB coupleur directionnel sur la ^{3 e} étape.
   5. Remplir la zone de l'acrylique avec 50% de la glace pilée mélangée avec de l'eau liquide à 50%, comme pour façonner un bain de glace et maintenir par conséquent la température des composants optiques au voisinage de 0 ° C.
2. FSR mesure
   1. Mettre en place le laser de la sonde à la longueur d'onde désirée. Utiliser un générateur de fonction de telle sorte que sa sortie est reliée à un diviseur de puissance de 3 dB. L'une des sorties du diviseur de 3 dB doit être relié à l'oscilloscope à des fins de surveillance et l'autre sortie est à être utilisé directement pour régler la fréquence du laser.
   2. Alimenter la sortie laser en tant qu'entrée pour le coupleur directionnel 3 dB ^re 1.
   3. Les deux sorties de la 2 ^e 3 dB coupleur directionnel sont pour transporter des signaux photomixed au photodétecteur équilibré (BPD). Enfin, branchez le câble de sortie du BPD à une entrée du canal de l'oscilloscope.
   4. Balayer linéairement la fréquence laser par supplying le module laser avec un signal de rampe générée par le générateur de forme d'onde (avec une tension de 1 V et la fréquence de balayage de 100 Hz crête-à-crête). Le signal de sortie provenant du BPD deviendra sinusoïdale sur l'oscilloscope.
   5. Tune le contrôleur de polarisation à maximiser la tension de la forme d'onde sinusoïdale crête-à-crête.
   6. Pour mesurer la FSR, configurer le laser pour la sortie à onde continue en réglant le générateur de forme d'onde en mode DC. Tune la tension du générateur de forme d'onde de telle sorte que le signal transmis à partir de la BPD oscille autour de 0 V (c.-à-. Point de quadrature). Inspecter le signal de sortie en utilisant un analyseur de spectre électrique. Le signal contrôlé doit apparaître comme une fonction sinc-carré, où l'emplacement de la première zéro le plus proche du maximum global (à la fréquence zéro) correspond à la FSR. Afin de minimiser le bruit de mesure, régler l'analyseur de spectre électrique au mode de calcul de moyenne.

2. Fibre tirant ¹³

Préambule: L'objectif de cette procédure est de faire correspondre approximativement à la phase de photons circulant dans le cône à celles de la micro-cavité de telle sorte que le couplage efficace peut se produire. Comme la fibre est tirée, la partie centrale qui se trouve entre les deux pinces passera de supporter un mode unique à l'intérieur d'une fibre ordinaire, à modes multiples au sein d'un guide d'ondes formées par le revêtement de silice d'origine devenir l'âme et de l'air de devenir la gaine, et ensuite à un seul mode. Le noyau de silice de la fibre sera pratiquement disparaître dans la section centrale, dans lequel temporairement les conditions de propagation multimode satisfaisants seront neutralisés par la diminution continuelle du diamètre des fibres.

1. Fixez le support de la fibre à l'étape de translation motorisé.
2. Connectorize deux tronçons de fibres optiques avec des connecteurs FC / APC sur une extrémité de chaque section. Retirez le revêtement de tampon à partir des extrémités sans rapport avec une strip-teaseuse de fibres, nettoyez-les avec de l'acétone première et een l'isopropanol, cliver les facettes d'extrémité, et une épissure de fusion ensemble.
3. Pour surveiller la perte dans le cône, connecter un laser de sonde en mode de puissance constante à une extrémité de la fibre tandis que l'autre extrémité de la fibre est reliée à un photodétecteur (PD). La sortie de la PD doit être connectée à un oscilloscope. Ajuster les paramètres de l'oscilloscope pour mesurer la tension de sortie de PD, qui est proportionnelle à la puissance du laser émise.
4. Notez la valeur initiale de la tension de sortie de PD et de continuer à le surveiller jusqu'à l'étape 2.9.
5. Serrer la fibre à la retenue de la fibre et de l'image de la fibre avec un microscope optique.
6. Libérer de l'hydrogène de telle sorte qu'il commence à s'écouler près de la conicité, en attendant que l'air de sortir du tube et de la pression du canal de stabiliser. Une fois que le taux d'écoulement pour le gaz d'hydrogène atteint 110 ml / min, il s'enflamme à proximité de la sortie avec un briquet à la chaleur de la fibre.
7. Utilisation d'un programme LabVIEW personnalisé, tirer linéairement la fibre. Notez que lors de l'unité centraleProcédé de lling, le coeur de la fibre s'annule progressivement tandis que de multiples modes de gaine deviennent dominantes dans l'orientation de la lumière à travers la partie de fibre conique. L'intensité transmise par la fibre optique doit osciller en raison de l'interférence multimode.
8. Continuer à tirer la fibre pour réduire la largeur de fuseau de fibres jusqu'à ce qu'il ne supporte qu'un seul mode de gaine. Une fois l'intensité transmise cesse de varier, arrêtez de tirer la fibre.
9. Relâchez le support de fibre de l'étape de la traduction et le fixer près de la scène piézoélectrique.

3. Préparation et livraison de solutions

1. Préparer 22:00, 13:00, et 100 solutions FM composé de 50 NM de rayon monodisperses microsphères de polystyrène dans une solution saline tamponnée de phosphate de Dulbecco (DPBS). En outre, de créer une solution de DPBS pure.
2. Placez les solutions dans une centrifugeuse, échelonner leurs positions au sein des fins d'équilibre, et de lancer un cycle d'essorage de 30 min.
3. Lors des achèvementsn, placer en toute sécurité les solutions dans un dessiccateur, évacuer, et bombarder les solutions des ondes ultrasonores pendant 30 min.
4. Retirez les solutions et les mettre de côté près de la configuration du test.
5. Construire un stand pour un petit système de distribution de fluide.
   1. Après le nettoyage de deux embouts, insérer les embouts de seringue sur les deux extrémités d'un segment de microtubules et visser les embouts à la pointe de la seringue. Connecter individuellement l'un des embouts à une troisième extrémité de la seringue et l'autre à la ferrure de verrouillage de type Luer d'un ensemble cylindre-piston.
   2. Fixer le bout de la seringue exposée sur le stand et le soutenir derrière l'échantillon. Les fluides doivent pouvoir circuler sur l'échantillon sans déversement important.
6. En termes de l'article 5 du Protocole, charger le canon avec une solution appropriée et manuellement injecter dans le système microfluidique cours de l'expérience.

Configuration et interconnexions du système 4.

1. Connectez les lase de sonde r à un coupleur directionnel à 10 dB. Le port couplé est raccordé à l'orifice de l'interféromètre de référence d'entrée et le port transmise est connecté à un contrôleur de polarisation suivie de la fibre effilée.
2. Recentrer les objectifs de microscope à l'acquisition de deux images nettes de la conicité de la fibre.
3. Connectez la sortie de la fibre effilée à un PD. La sortie de ce PD doit être jointe à une entrée de l'oscilloscope de canal différent.
4. Monter l'échantillon sur la nanopositioner et faire des ajustements grossiers pour le déplacer afin qu'il soit à proximité du centre du fuseau de fibres.
5. Injecter du DPBS à l'échantillon. Faire des ajustements grossiers tels que le fuseau de fibres est en vue des deux caméras CCD. Réglez le nanopositioner d'établir un couplage du fuseau de fibres à la microcavité.
6. Balayez la longueur d'onde du laser pour obtenir un creux de résonance appropriée sur l'oscilloscope.

5. Détection des nanoparticules

ontenu "> Pour acquérir des données: Configurez les paramètres de déclenchement de l'oscilloscope et, en utilisant un logiciel maison, collecter des traces de l'oscilloscope pour un traitement ultérieur.

1. Enregistrer les données pour la solution tampon de référence.
2. Enregistrer les données pour les solutions de nanoparticules de plus faible à plus forte concentration.
3. Respecter les décalages de fréquence qui ont lieu en raison de nanoparticules de liaison sur la microcavité.

6. Post-traitement des données

Les données recueillies peuvent être traitées par un programme MATLAB auto-écrite. Le programme devrait:

1. Lire les traces de l'interféromètre de référence et effectuer un ajustement des moindres carrés pour les courbes sinusoïdales. Les phases de la sinusoïdale équipée sont utilisées pour estimer la gigue de laser à la volée.
2. Lire les traces de transmission de la cavité et de mener un ajustement des moindres carrés de la fonction double-Lorentz. Des fréquences optiques correspondant aux creux de résonance (ν _1,ν ₂₎ et leurs pleines largeurs à mi-hauteur (FWHM de, représentée par _une δν, δν ₂₎ sont déterminées en comparant le signal de transmission pour le signal d'interféromètre.
3. Obtenir le facteur de qualité de chaque plongeon individuel de Q _i = ν _i / _i δν, où je peux être soit 1 (résonance gauche) ou 2 (résonance à droite).
4. Calculer, comme cela est classique, les fréquences optiques des creux de résonance via le balayage laser tension, où les rendements de gigue laser bruit de mesure plus large.
5. Recueillir la moyenne fréquence de résonance ν = _moyenne (ν ₁ + ν ₂₎ / 2 et la fréquence Δν = ν division ₂ - ν ₁ pour chaque mesure et les tracer en fonction du temps. Quand une nanoparticule se lie à la surface de la microcavité, des changements soudains de fois la fréquence de résonance et la fréquence moyenne divisée shoULD être observées.

Results

Après avoir suivi le protocole, les traces peuvent être compilés et installés. Figure 3a montre la structure de résonance typique de la microsphère telle que présentée dans la vidéo, la fréquence pour laquelle le fractionnement est observée dans un milieu DPBS. Un ajustement des moindres carrés de la fonction double-Lorentz indique que le facteur de qualité des creux de résonance gauche et droite sont respectivement de 2,1 x 10 ⁸ et 3,8 x 10 ⁸ dans un environnement aqueux. Les fréq...

Discussion

Cette configuration actuelle est capable de sonder une variété de micro-cavités WGM, tels que les micro-disques, des microsphères, et microtoroids, sans nécessiter de commande de rétroaction de la source de laser de la sonde. Une proportion considérable signal-sur-bruit (SNR) pour la détection peut être obtenue en raison des améliorations étape de changement de vitesse fournis par la longueur du trajet et les effets de rétrodiffusion provoqués par les particules. Etant donné la simplicité et le faible coût de l'inte...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polystyrène  ; Microsphères	PolyScience
Dulbecco' s Phosphate salin tamponné (DPBS)	Life Technologies	14190
Système de nanopositionnement piézoélectrique	Physik Instrumente	P-611.3S
Photodétecteur équilibré	Thorlabs	PDB120A
Photodétecteur	Newport	1801-FC
3 dB Coupleur directionnel à fibre optique	Thorlabs	FC632-50B
10 Coupleur directionnel à fibre optique dB	Thorlabs	FC632-90B
Contrôleur de polarisation encastré	General Photonics	PLC-003-S-25
Générateur de fonction	Hewlett-Packard	33120A
Fusion Splicer	Ericsson	FSU-925
Oscilloscope haute vitesse  ;	Agilent	DS09404A
Étage de traduction motorisé avec contrôleur	Thorlabs	MTS25-Z8E
Fibre optique monomode, 600-800 nm, & Oslash ; 125 &mu ; m Cladding	Thorlabs	SM600
Analyseur de spectre électrique en temps réel	Tektronix	RSA3408B
Analyseur de spectre optique	Agilent	70951A
632.5 &ndash ; 637 nm Laser accordable	New Focus	TLB-6304
Pompe de filtration	KNF
	Crest Ultrasons	Powersonic 1100D
Mini Vortexer	VWR	VM-3000
Centrifugeuse	Beckman Coulter	Microfuge 22R