Terahertz détection microfluidique en utilisant un capteur de guide d'ondes à plaques parallèles

Ce protocole utilise un guide d’ondes à plaque parallèle rainurée pour mesurer l’indice de réfraction d’un échantillon microfluidique à des fréquences térahertz. Ensuite, à l’aide d’un système de spectroscopie dans le domaine temporel térahertz, mesurez la fréquence de résonance du guide d’ondes. Ensuite, remplissez le guide d’ondes avec un volume soigneusement mesuré du liquide de l’échantillon.

La dernière étape consiste à mesurer la fréquence de résonance du guide d’ondes rempli. En fin de compte, la différence entre les fréquences de résonance des guides d’ondes vides et remplis peut être utilisée pour déterminer l’indice de réfraction de l’échantillon dans la gamme de fréquences térahertz. En général, les personnes qui ne connaissent pas cette méthode auront du mal à obtenir des résultats reproductibles.

Kim Reel, une autre étudiante diplômée du laboratoire de Daniel Middleman, et moi-même allons maintenant faire une démonstration de la procédure. Concevez un guide d’ondes à plaques parallèles avec une ou plusieurs cavités ou rainures intégrées. Basez la géométrie sur les paramètres détaillés dans le manuscrit ci-joint et reportez-vous également à nos publications précédentes.

Il s’agit de quelques principes directeurs généraux. Commencez avec une plaque suffisamment large pour qu’elle puisse être considérée comme infinie par rapport au faisceau d’entrée pour permettre un accès facile à la rainure. Faites en sorte que la plaque de guidage d’ondes inférieure soit nettement plus large que la plaque supérieure afin que la rainure s’étende sur presque toute la largeur de la plaque.

Faites en sorte que la longueur de propagation du guide d’ondes dans son ensemble soit au moins trois fois plus longue que l’étendue de la rainure et que les trous de la plaque inférieure soient filetés alors que ceux du haut ne le sont pas. La conception de la rainure dépendra de la fréquence de résonance souhaitée, de la largeur de ligne souhaitée et de l’espacement des plaques choisi, entre autres facteurs. Il est important de tenir compte des limites de vos techniques de fabrication pour des rainures très étroites ou très peu profondes à utiliser comme référence.

Fabriquez également un design identique sans rainure. Maintenez l’espacement des plaques à l’aide d’espaceurs diélectriques tels que des éclats de microscope brisé. La machine à glissière fabrique le guide d’ondes.

Il est important de ne pas émousser les bords des plaques, en particulier sur la face d’entrée. Les bords arrondis sont une pratique courante dans de nombreux ateliers d’usinage pour des raisons de sécurité, mais un bord arrondi sur la face d’entrée déformera le signal. Commencez l’assemblage avec une structure avec deux surfaces planes perpendiculaires l’une à l’autre.

Placez la plaque inférieure sur la surface horizontale et appuyez dessus. Affleurer contre la surface verticale. Insérez les entretoises diélectriques aussi près que possible des trous de vis.

Deux par vis, une de chaque côté. Vérifiez que les vis n’obstruent pas la rainure ou ne dépassent pas la face d’entrée. Soigneusement. Placez la plaque supérieure au ras de la surface verticale et faites-la glisser vers le bas pour qu’elle repose sur la plaque inférieure et les entretoises.

Tenez maintenant les deux plaques au ras de la surface verticale. Insérez les vis, vissez-les progressivement en alternance. Examinez le guide d’ondes final pour une face d’entrée parfaitement plate et un espacement uniforme des plaques.

Commencez par configurer l’appareil. Si ce n’est pas déjà fait, introduisez quatre lentilles dans le trajet du faisceau en hertz rah dans une orientation confocale. Afin de fournir une mise au point serrée au milieu de la trajectoire, placez une ouverture de 12 millimètres au point focal.

L’ouverture doit être suffisamment grande pour empêcher tout rayonnement de se propager, sauf à travers le guide d’ondes. La taille de l’ouverture déterminera la taille du faisceau se propageant dans le guide d’ondes. Utilisez un support sécurisé pour assurer un placement reproductible du guide d’ondes.

Ensuite, positionnez le guide d’ondes immédiatement derrière l’ouverture, avec la face d’entrée en contact avec l’ouverture et avec l’axe de propagation du guide d’ondes aligné aussi près que possible de l’axe optique. L’alignement ici est des réflexions critiques, des variations de dispersion dans la coupure, dans les fréquences de résonance, et d’autres problèmes peuvent survenir en raison d’un mauvais alignement du guide d’ondes. Maintenant, placez le porte-seringue de manière à ce que l’extrémité de la seringue soit alignée avec la rainure.

Pour de meilleurs résultats, utilisez une seringue différente pour chaque matériau afin d’éviter la contamination croisée. Remplissez la seringue avec le liquide à tester et éliminez les bulles. Aussi entre les courses.

Suivez une procédure de nettoyage qui nécessite d’abord de démonter le guide d’ondes. Ensuite, lavez soigneusement les deux plaques dans un solvant approprié pour éliminer tout résidu de l’expérience. Séchez au sèche-cheveux à l’air comprimé, remontez le guide d’ondes comme indiqué précédemment.

Commencez par une forme d’onde de référence du guide d’ondes grod. Une forme d’onde de référence n’est nécessaire qu’une fois toutes les quelques heures au cours de chaque session expérimentale, en fonction de la stabilité à long terme du temps. Signal du spectromètre de domaine.

Retirez le guide d’ondes non groupé. Placez ensuite le guide d’ondes rainuré propre dans l’appareil. Prenez une forme d’onde pour le guide d’ondes groupé vide.

Le processus de démontage et de démontage peut entraîner de très petites variations dans la géométrie du guide d’ondes. Ces variations affecteront la fréquence de résonance absolue des sillons vides et remplis, mais pas le décalage observé. Par conséquent, chaque mesure complète nécessite sa propre référence vide.

Pour calculer le décalage Sans déplacer le guide d’ondes, mettez la seringue remplie en place dans le support. Remplissez lentement le sillon en gardant le sillon. Veillez à ce que le remplissage soit bon, sans bulles ni débordements.

Prenez une autre forme d’onde. Si le système a plus d’une rainure, continuez à remplir les rainures et à les prendre comme vous le souhaitez. Retirez le guide d’ondes et nettoyez-le avant de collecter le prochain ensemble de données.

Dans cet exemple de guide d’ondes bien conçu, notez que le sillon ne s’étend pas sur toute la longueur ou la largeur du guide d’ondes. Une fois assemblé la plaque parallèle, la géométrie du guide d’ondes est adaptée à la mise en œuvre d’un capteur d’indice de réfraction pour les fréquences térahertz. Un petit volume de liquide est nécessaire pour la mesure de l’indice de réfraction.

Ces données présentent des spectres de fréquence typiques et sont obtenues à partir d’une analyse du tétradécane. Le spectre obtenu à partir du guide d’ondes non rainuré de référence est représenté en noir, les mesures du guide d’ondes rainuré sans remplissage de liquide sont indiquées en bleu et le guide d’ondes rainuré avec un échantillon de tétradécane est en rouge. Les spectres d’amplitude des guides d’ondes rainurés vides et pleins sont ensuite mis au carré et divisés par le spectre du guide d’ondes de référence pour obtenir des spectres de transmission de puissance.

La différence de fréquence entre les caractéristiques de résonance des guides d’ondes vides et pleins est le décalage de résonance qui se rapporte à l’indice de réfraction. Lors de cette procédure, il est important de se rappeler d’être aussi cohérent que possible et de faire attention à minimiser la contamination croisée dans le guide d’ondes. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’obtenir une mesure de l’indice de réfraction d’un échantillon microfluidique en mesurant la fréquence de résonance d’un guide d’ondes à plaque parallèle rainurée à l’aide de la spectroscopie dans le domaine temporel térahertz.