יישום של אינטרפרומטר הפניה לNanodetection

Summary

טכניקת התייחסות אינטרפרומטר, שנועד להסיר רעש להתעצבן לייזר רצוי לnanodetection, הוא מנוצל לחיטוט microcavity גורם איכות גבוהה במיוחד. הוראות להרכבה, התקנה, ורכישת נתונים מסופקות, לצד תהליך המדידה לציון גורם איכות החלל.

Abstract

אינטרפרומטר סיבים התייצב תרמית ומכאנית המתאימים לבחינת microcavities גורם איכות גבוהה במיוחד מעוצב. לאחר הערכת טווח הספקטרום שלה בחינם (FSR), מודול הוא לשים במקביל למערכת להתחדד-microcavity סיבים ולאחר מכן מכויל באמצעות בידוד וביטול משמרות אקראיות בתדר הלייזר (כלומר רעש להתעצבן לייזר). על מנת לממש את הצומת להתחדד-microcavity ועל מנת למקסם את הכוח האופטי שמועבר למהוד, מוליך גל סיבים אופטיים במצב יחיד הוא משך. פתרונות המכילים nanobeads קלקר לאחר מכן הכינו והוטסו לmicrocavity כדי להפגין את יכולתה של המערכת לחוש מחייב את פני השטח של microcavity. הנתונים הוא שלאחר עיבוד באמצעות עקומת הסתגלות מתאימה, המאפשרת למדידות ברזולוציה גבוהה של גורם האיכות, כמו גם ההתוויה של פרמטרים תלויי זמן, כגון משמרות גל תהודה ותדר מפוצל. על ידי זהירותבדיקת צעדים בתגובת תחום בזמן ומשתנה בתדירות תגובת תחום, מכשיר זה יכול לכמת אירועים המחייבים בדידים.

Introduction

עניין למחקר עלה באופן משמעותי בשימוש במצב microcavities (WGM) לחישות גלריה לצורך nanodetection וbiosensing ^1-8. זה כרוך בגורם גבוה במיוחד איכות (Q) חללים אופטיים שהם בקיאים בזיהוי חלקיקים ביולוגיים זעירים, עד לרמה חד חלבון ^2. כלומר, ניטור שינויים בתהודה ותדר פיצול לשידור עם רגישות יוצאת דופן ^9-11 יכול להיות מופעל על ידי כליאתו של החלל של אנרגיית אור בתוך מצב נפח קטן. שינויים בתכונות אופטיות של מהוד הם הסיבה למשמרות אלה, אשר בתורו מקורן המחייבים של מולקולות או חלקיקים בדידים. דוגמא פחות מתוחכמת של מבנה WGM תלת ממדי עבור יישומים כגון היא microsphere סיליקה, שיכול להיות מפוברק עם משטח אטומי חלק ליד פשוט על ידי ablating סיבים אופטיים נמשכים באמצעות לייזר CO _2. כידוע,ניתן להשיג Q-גורמים גבוהים על סדר 10 ^{9 1.}

תדר התהודה של microcavity מנוטר באופן קונבנציונלי על ידי סריקת התדרים אופטיים של מקור לייזר מתכונן ובמקביל תמונה לזיהוי השידור האופטי, כי הוא נתפס על אוסצילוסקופ. חסרון מהותי של שיטה זו הוא חוסר הוודאות כרוך במיקום של טיפות בשידור שנובע מתנודות באורך גל לייזר או להתעצבן לייזר. כדי להתגבר על סיבוך זה, אינטרפרומטר יכול לשמש לצד microcavity לייצר אות התייחסות לביטול ריצוד הלייזר ולהגדיל את הרגישות שנצפתה ^2. קלט אור מחולק לשני נתיבים אופטיים: אלומת ההתייחסות שעוברת דרך אינטרפרומטר (עם מגוון חופשי רפאים או FSR גדול מספיק כדי למנוע את הלייזר ממנו רועד במרווח אחד תדירות FSR עבר בזמן מדידה) וקרן הגילוי כי interacts עם microresonator WGM. תכונה זו מייעלת את ניסויים בהשוואה לתצורות מתקדמות יותר, כגון זה של חישת WGM הכרוך שילוב של לייזר מופץ משוב (DFB) וniobate נדחף במוט מעת לעת ליתיום (PPLN) מכפיל ^12. בפרסום זה, טכניקת אינטרפרומטר לניטור של חומר ננו מבוסס microcavity גורם איכות גבוהה במיוחד מתוארת ^3. ההתקנה ורכישת נתונים הנהלים הנדרשים כדי להשיג את זה מפורטים, המדגימים כיצד ניתן לקבוע גורם איכות החלל באמצעות אינטרפרומטריה התייחסות.

Protocol

1. הפניה אינטרפרומטר בנייה ומדידה FSR

1. בנייה
   1. צור תיבת אקריליק גג פתוח. מבנה זה צריך להיות גדול מספיק כדי להתאים בנוחות לתוך 16 בx 16 בx 16 בתיבת קלקר.
   2. לפברק יחידה מדפים 3 שלבים לבית רכיבים אופטיים, שישבו בתיבת אקריליק הגג הפתוח ויהיה מוקפים לחלוטין על ידי תיבת הקלקר לבידוד תרמי. שני חורים מוגבהים על קופסא הקלקר חייבים להיות נוכחים כדי לאפשר לסיבים להיכנס ולצאת כל המתחם.
   3. על הבמה 3 ^rd: סיבי פלט אחת מהמצמד כיווני 3 dB צריכים להיות מהודקים לבקר קיטוב אשר בתורו מוביל ליציאת קלט של מצמד כיווני dB נפרד 3.
   4. על הבמה 2 ^nd: יוצר לולאה עם בערך 16 מטר של הסיב האופטי שמקורו ביציאת פלט האחר של המצמד כיווני הראשון 3 dB. לכוון את סיבים זה ליציאת קלט הנותרת של יםecond 3 מצמד כיווני dB על הבמה 3 ^rd.
   5. מלא את תיבת אקריליק עם 50% קרח מגולח מעורבב עם 50% מים נוזליים, כמו האופנה אמבט קרח וכתוצאה מכך לשמור על הטמפרטורה של הרכיבים אופטיים ליד 0 ° C.
2. מדידת FSR
   1. הגדר את חללית הלייזר באורך הגל הרצוי. מעסיק גנרטור פונקציה כזו שהתפוקה שלה מחוברת למפצל חשמל 3 dB. אחת היציאות ממפצל 3 dB חייב להיות מחובר לאוסצילוסקופ למטרות ניטור והפלט האחר הוא לשמש לישירות לכוון את התדר של הלייזר.
   2. להאכיל את פלט הלייזר כקלט למצמד כיווני 1 ^st 3 dB.
   3. שתי יציאות של המצמד כיווני dB 2 ^nd 3 הן לשאת אותות photomixed לגלאי האור מאוזנים (BPD). לבסוף, חבר את כבל הפלט של BPD לערוץ קלט של אוסצילוסקופ.
   4. באופן ליניארי לסרוק את תדר הלייזר על ידי supplיינג מודול הלייזר עם אות רמפה שנוצרה ממחולל צורת הגל (עם מתח שיא לשיא של 1 V ותדירות סריקה של 100 הרץ). אות הפלט מBPD תהפוך סינוסי על אוסצילוסקופ.
   5. כוון את בקר הקיטוב כדי למקסם את מתח שיא לשיא של גל סינוסי.
   6. כדי למדוד את FSR, להגדיר הלייזר לפלט גל מתמשך על ידי הגדרת מחולל צורת הגל למצב DC. כוון את מחולל מתח צורת הגל כזה שהאות המשודר מהפרעת האישיות הגבולית נע סביב 0 V (כלומר. נקודת נצב). בדוק את אות הפלט באמצעות מנתח ספקטרום חשמלי. אות פיקוח אמורה להופיע כפונקציה sinc מרובע, שבו מיקומו של האפס הראשון הקרוב ביותר למקסימום הגלובלי (באפס תדר) תואם את FSR. כדי למזער את רעש המדידה, להגדיר את מנתח הספקטרום החשמלי למצב מיצוע.

2. סיבי משיכת ¹³

מבוא: המטרה של הליך זה היא להתאים את השלב של פוטונים שנסעו בלהתחדד לאלה של microcavity כך שצימוד יעיל יכול להתרחש כ. כסיבים הוא משך, הקטע המרכזי שבין שני מלחציים יהיה המעבר מתמיכה במצב יחיד בתוך סיבים רגילים, למצבים מרובים בתוך מוליך גל שהוקמו על ידי חיפוי סיליקה המקורי הופך את הליבה והאוויר הופך לחיפוי, ולאחר מכן למצב אחד. ליבת סיליקה של הסיבים כמעט תיעלם בקטע המרכזי, שבו באופן זמני תנאי התפשטות multimode מרוצים יהיו נוטרלו על ידי ההתכווצות המתמדת של קוטר הסיב.

1. תקן את בעל סיבים לבמה translational הממונע.
2. Connectorize שני חלקים של סיבים אופטיים עם מחברים FC / APC בקצה אחד של כל קטע. הסר את ציפוי החיץ מהקצוות שאינם קשורים עם חשפנית סיבים, לנקות אותם עם אצטון הראשון והen isopropanol, לדבוק היבטי הסוף, והיתוך אחוי אותם יחד.
3. כדי לפקח על ההפסד בלהתחדד, להתחבר לייזר בדיקה במצב חשמל באופן קבוע לקצה אחד של הסיב ואילו הקצה השני של הסיב מחובר לגלאי אור (PD). הפלט של PD חייב להיות מחובר לאוסצילוסקופ. התאם את הגדרות אוסצילוסקופ כלמדוד את מתח יציאת PD, שהיא פרופורציונלית לכוח הלייזר המשודר.
4. רשום את הערך הראשוני של המתח המוצא פ"ד וממשיך לעקוב אחריו עד לשלב 2.9.
5. הצמד את הסיבים לבעל סיבים ותמונת הסיבים עם מיקרוסקופ אופטי.
6. לשחרר מימן כזאת שזה מתחיל לזרום ליד להתחדד, מחכה לאוויר כדי לצאת מהצינור וללחץ של הערוץ להתייצב. ברגע שקצב הזרימה של גז המימן מגיע 110 מיליליטר / דקה, להצית אותו ליד השקע עם מצית כדי לחמם את הסיבים.
7. באמצעות תכנית LabVIEW המותאם אישית, באופן ליניארי למשוך את הסיבים. שים לב כי במהלך puתהליך lling, ליבת הסיבים נעלם בהדרגה תוך מצבי חיפוי מרובים להיות דומיננטיים המנחה את האור דרך סיבי הסעיף מחודד. עוצמת מועברת באמצעות הסיב האופטי צריכה להתנדנד עקב הפרעה מרובה.
8. המשך משיכת הסיבים כדי לצמצם את הרוחב להתחדד סיבים עד שהוא רק תומך במצב של חיפוי אחד. ברגע שהעוצמת מועברת מפסיקה להשתנות, פסק למשוך הסיבים.
9. שחרר את בעל סיבים מהשלב התרגום ולאבטח אותו ליד הבמה פיזואלקטריים.

3. הכנה ואספקה ​​של פתרונות

1. הכן 22:00, PM 1, ו100 פתרונות FM מורכבים מ50 זעירים מקלקר monodisperse רדיוס ננומטר בתמיסת מלח של Dulbecco פוספט (DPBS). בנוסף, ליצור פתרון DPBS טהור.
2. הנח את הפתרונות בצנטריפוגה, להתנודד עמדותיהם בתוכו למטרות איזון, וליזום מחזור ספינינג 30 דקות.
3. על completion, באופן מאובטח למקם את הפתרונות בתוך תא ייבוש, לפנותו, ולהפציץ את הפתרונות עם גלי אולטרסאונד ל30 דקות.
4. הסר את הפתרונות ולהגדיר אותם בצד ליד הגדרת הניסוי.
5. לבנות מעמד למערכת אספקת נוזלים קטנה.
   1. לאחר ניקוי שתי ferrules, הכנס טיפים מזרק על שני הקצוות של קטע microtubule ולדפוק על ferrules לטיפי המזרק. בנפרד להתחבר אחד ferrules לקצה מזרק שלישי והשנייה לLuer לנעול הולמת של הרכבה חבית בוכנה.
   2. להדק את קצה המזרק החשוף לדוכן ולהשעין אותו מאחורי המדגם. הנוזלים צריכים להיות מסוגלים לזרום על המדגם ללא דליפה משמעותית.
6. במונחים של סעיף 5 לפרוטוקול, טען את החבית עם פתרון הולם ולהזריק אותו באופן ידני באמצעות מערכת microfluidic במהלך ניסוי.

4. לקביעת תצורת מערכת וגומלין

1. חבר את lase הבדיקה r למצמד כיווני 10 dB. היציאה בשילוב מחוברת ליציאת הקלט של אינטרפרומטר ההתייחסות והנמל מועבר מחובר לבקר קיטוב ואחריו הסיבים מחודדים.
2. ולמקד את מטרות מיקרוסקופ כדי לרכוש שתי תמונות חדות של להתחדד הסיבים.
3. חברו את היציאה של הסיב מחודד לפ"ד. הפלט של PD זה צריך להיות מחובר לערוץ קלט שונה של אוסצילוסקופ.
4. הר את המדגם על nanopositioner ולבצע התאמות גסות כדי לעקור אותו כך שהוא קרוב למרכז להתחדד הסיבים.
5. הזרק DPBS למדגם. לבצע התאמות גסות כזה שלהתחדד הסיבים מגיע לשדה הראייה של שתי מצלמות CCD. התאם את nanopositioner להקים צימוד מלהתחדד הסיבים לmicrocavity.
6. סרוק את אורך גל הלייזר כדי להשיג לטבול תהודה מתאימה באוסצילוסקופ.

5. Nanoparticle איתור

ontent "> כדי לרכוש נתונים: קביעת תצורה של הגדרות ההדק של אוסצילוסקופ ו, תוך שימוש בתוכנה מתוצרת בית, לאסוף עקבות אוסצילוסקופ לעיבוד נוסף.

1. רשום את הנתונים לפתרון החיץ כנקודת התייחסות.
2. רשום את הנתונים לפתרוני nanoparticle מהנמוכים ביותר לריכוז הגבוה ביותר.
3. שים לב לשינויים בתדירות המתרחשים עקב nanoparticle מחייב את microcavity.

6. לאחר העיבוד של נתונים

הנתונים שנאספו יכולים להיות מעובד נוסף על ידי תכנית MATLAB נכתב עצמית. התכנית צריכה:

1. קראו את עקבות אינטרפרומטר ההתייחסות ולנהל לפחות מרובע לנכון עקומות סינוסי. השלבים של סינוסי המצויד משמשים לאמידה להתעצבן הלייזר על לטוס.
2. קראו את עקבות שידור החלל ולערוך בו לפחות מרובע לנכון הפונקציה הכפולה של לורנץ. תדרים אופטיים מתאימים למטבלים התהודה (ν _1,ν ₂₎ והרוחב המלא שלהם במחצית המרבית (FWHM של, המיוצג על ידי δν _1, δν ₂₎ נקבעים על ידי השוואת אותות שידור לאות אינטרפרומטר.
3. השג גורם האיכות של כל טבילה בודדת מQ _i = ν _i / δν _אני, איפה אני יכול להיות או 1 (תהודה שמאל) או 2 (תהודה מימין).
4. חישוב, כמקובל, את התדרים אופטיים של מטבלים התהודה באמצעות סריקת מתח הלייזר, שבו התשואות להתעצבן לייזר רעש מדידה גדול יותר.
5. לאסוף _ממוצע ν תדר תהודה הממוצע = (ν ₁ + ν ₂₎ / 2 ותדירות פיצול Δν = ν ₂ - ν ₁ לכל מדידה ואת עלילתם כפונקציה של זמן. כאשר nanoparticle נקשר על פני השטח של microcavity, שינויים פתאומיים של שני תדר תהודה ממוצע וsho תדר המפוצלULD להיות שנצפה.

Results

לאחר ביצוע הפרוטוקול, ניתן להדר את העקבות ומצוידות. איור 3 א מציג את מבנה התהודה הטיפוסי של microsphere כפי שהוצג בסרטון, שלפיצול תדר הוא ציין במדיום DPBS. כושר לפחות מרובע לפונקציה הכפולה הלורנצי מצביע על כך שהגורם לאיכות מטבלים תהודה שמאל וימין הוא בהתאמה 2.1 x 10 ⁸ ו3.8 x 10 ⁸ בסביבה מימית. התדרים אופטיים של FWHM מתקבלים על ידי השוואת ספקטרום החלל עם אות אינטרפרומטר ב3 ב איור, אשר מניב מדידה ברזולוציה גבוהה להערה ש כי ספקט...

Discussion

ההגדרה הנוכחית היא מסוגלת לחקור מגוון של microcavities WGM, כגון microdisks, זעירים, וmicrotoroids, ללא צורך בבקרת משוב למקור לייזר הבדיקה. יחס ניכר אות לרעש (SNR) לצורך זיהוי ניתן להשיג בשל שיפורי משמרת צעד הניתנים על ידי אורך דרך ואפקטי backscattering-Induced חלקיקים. בהתחשב בפשטות והעלות הנמוכה של אינטרפרומטר ההתייחסות עצמו, שיטה זו היא טכניקה יעילה ללימוד או ניצול התכונות של חללי WGM.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
פוליסטירן  Microspheres	PolyScience
Dulbecco' s פוספט חוצץ מלח (DPBS)	Life Technologies	14190
מערכת ננו-פוזיונר פיזואלקטרית	Physik Instrumente	P-611.3S
גלאי פוטו מאוזן	Thorlabs	PDB120A
Photodetector	Newport	1801-FC
3 dB סיבים אופטיים מצמד כיווני	Thorlabs	FC632-50B
10 dB סיבים אופטיים מצמד כיווני	Thorlabs	FC632-90B
בקר קיטוב טיפה כללי	פוטוניקה	PLC-003-S-25
מחולל פונקציות	Hewlett-Packard	33120A
היתוך שחבור	אריקסון	FSU-925
אוסילוסקופ במהירות גבוהה	Agilent	DS09404A
שלב תרגום ממונע עם בקר	Thorlabs	MTS25-Z8E
סיבים אופטיים במצב יחיד, 600-800 ננומטר ואוסלאש; 125 μ m חיפוי	Thorlabs	SM600
מנתח ספקטרום חשמלי בזמן אמת	Tektronix	RSA3408B
מנתח ספקטרום אופטי	Agilent	70951A
632.5 – 637 ננומטר לייזר מתכוונן	פוקוס חדש	TLB-6304
משאבת סינון	KNF
אולטרסאונד מנקה פסגה	אולטרסאונד	Powersonic 1100D
מיני וורטקסר	VWR	VM-3000
צנטריפוגה	בקמן קולטר	מיקרופוגה 22R