Realizzazione di un interferometro di riferimento per Nanodetection

Summary

Una tecnica interferometro di riferimento, che è progettato per rimuovere rumore indesiderabile jitter laser per nanodetection, è utilizzata per sondare un fattore microcavità ultra-alta qualità. Istruzioni per l'assemblaggio, l'installazione e l'acquisizione dei dati sono forniti, accanto al processo di misurazione per specificare il fattore di qualità della cavità.

Abstract

Un interferometro in fibra termicamente e meccanicamente stabilizzato adatto per l'esame di microcavità fattore di altissima qualità è modellato. Dopo aver valutato la sua gamma spettrale libera (FSR), il modulo viene messa in parallelo con un sistema di cono-microcavità fibra e quindi calibrato attraverso isolando ed eliminando spostamenti casuali nella frequenza del laser (cioè laser rumore jitter). Per realizzare la giunzione cono-microcavità e per massimizzare la potenza ottica che viene trasferito al risonatore, un fibra ottica monomodale guida d'onda è tirato. Soluzioni contenenti nanobeads polistirene vengono poi preparati e pilotati alla microcavità per dimostrare la capacità del sistema di percepire legame alla superficie della microcavità. I dati sono post-trasformati tramite curva adattiva montaggio, che consente misurazioni ad alta risoluzione del fattore di qualità, nonché il tracciato di parametri dipendenti dal tempo, come lunghezza d'onda di risonanza e frequenza divisa turni. Con attenzioneispezionare passaggi della risposta nel dominio del tempo e spostando nella risposta nel dominio della frequenza, questo strumento può quantificare eventi di legame discreti.

Introduction

Interesse di ricerca è aumentato in modo significativo l'utilizzo della modalità sussurro-gallery (WGM) microcavità a scopo di nanodetection e biosensori ^1-8. Ciò comporta fattore di altissima qualità (Q) cavità ottiche, che sia in grado di identificare le particelle biologiche minuscole, fino al livello di proteine ​​singolo ^2. Cioè, il monitoraggio cambiamenti di risonanza e frequenza split per la trasmissione con straordinaria sensibilità ^9-11 può essere abilitato mediante confinamento del cavo di energia luminosa all'interno di un piccolo volume modalità. Le variazioni delle proprietà ottiche di un risonatore sono la causa di questi spostamenti, che a sua volta provengono dal legame di molecole discrete o nanoparticelle. A meno sofisticato esempio di struttura WGM tridimensionale per tali applicazioni è un microsfere di silice, che può essere fabbricato con una superficie liscia atomicamente vicino semplicemente ablazione una fibra ottica disegnata utilizzando un laser CO _2. Come è noto,alti Q-fattori dell'ordine di 10 ⁹ possono essere raggiunti ^1.

La frequenza di risonanza di una microcavità è convenzionalmente monitorato attraverso la scansione della frequenza ottica di una sorgente laser sintonizzabile contemporaneamente foto-rilevamento della trasmissione ottica che viene catturata su un oscilloscopio. Un inconveniente intrinseco di questa tecnica è l'incertezza associata alla posizione di gocce nella trasmissione che nasce dalle fluttuazioni lunghezza d'onda laser o jitter laser. Per superare questa complicazione, un interferometro può essere utilizzato insieme a una microcavità per produrre un segnale di riferimento per annullare il jitter laser e aumentare la sensibilità osservata ^2. Ingresso luce è diviso in due percorsi ottici: il fascio di riferimento che passa attraverso l'interferometro (con una gamma spettrale libera FSR o abbastanza grande da impedire il laser dal jittering spaziatura una frequenza FSR passato durante la misura) e il fascio di rilevamento che interacts con il microrisonatore WGM. Questa caratteristica semplifica esperimenti in confronto alle configurazioni più avanzate, come quella di rilevamento WGM che prevede la combinazione di un laser a retroazione distribuita (DFB) e niobato di litio periodicamente polarizzato (PPLN) Doubler ^12. In questa pubblicazione, una tecnica interferometro per monitoraggio basato fattore altissima qualità microcavità della materia nanoscala è descritto ^3. Le procedure di installazione e di acquisizione dati che sono necessari per raggiungere questo obiettivo sono delineate, illustrando come fattore di qualità cavità può essere determinato con riferimento interferometria.

Protocol

1. Riferimento Interferometer Edilizia e FSR Misura

1. Costruzione
   1. Creare una scatola acrilica open-top. Tale struttura dovrebbe essere grande abbastanza da contenere comodamente in un 16 x 16 x 16 in scatola di polistirolo.
   2. Realizzare una scaffalatura a 3 stadi per ospitare componenti ottici, che siederanno nella casella acrilico open-top e sarà completamente recintato dalla scatola di polistirolo per l'isolamento termico. Due fori elevate sulla scatola di polistirolo devono essere presenti per consentire le fibre di entrare e uscire l'intero recinto.
   3. Nella fase 3 ^rd: Una fibra di uscita dal accoppiatore direzionale a 3 dB dovrebbe essere fissata ad un controllore di polarizzazione che a sua volta porta ad una porta di ingresso di un accoppiatore direzionale a 3 dB separata.
   4. Sul 2 ^° stadio: Formare un anello con circa 16 metri di fibra ottica proveniente dall'altra porta di uscita del primo accoppiatore direzionale a 3 dB. Dirigere questa fibra alla porta di ingresso residua dei seconda 3 dB accoppiatore direzionale sul palco 3 ^°.
   5. Riempire la scatola acrilica con il 50% ghiaccio tritato mescolato con acqua liquida 50%, come per adattare un bagno di ghiaccio e di conseguenza mantenere la temperatura dei componenti ottici vicino a 0 ° C.
2. FSR Misura
   1. Impostare il laser della sonda alla lunghezza d'onda desiderata. Impiegare un generatore di funzioni tale che la sua uscita è collegata ad un ripartitore di potenza 3 dB. Una delle uscite del divisore 3 dB deve essere collegato l'oscilloscopio per scopi di monitoraggio e l'altra uscita deve essere utilizzato direttamente per sintonizzare la frequenza del laser.
   2. Alimentare l'uscita laser come ingresso dell'accoppiatore direzionale 1 ^v 3 dB.
   3. Le due uscite del 2 ^° 3 dB accoppiatore direzionale sono per trasportare segnali photomixed al fotorivelatore bilanciato (BPD). Infine, collegare il cavo di uscita del BPD all'ingresso di un canale dell'oscilloscopio.
   4. Linearmente scansione della frequenza laser supplpia di modulo laser con un segnale a rampa generata dal generatore di forme d'onda (con una tensione picco-picco di 1 V e frequenza di scansione di 100 Hz). Il segnale di uscita dal BPD diventerà sinusoidale sull'oscilloscopio.
   5. Tune il controllore di polarizzazione da massimizzare la tensione picco-picco della forma d'onda sinusoidale.
   6. Per misurare la FSR, configurare il laser per l'uscita ad onda continua impostando il generatore di forme d'onda in modalità DC. Tune la tensione del generatore di forme d'onda tale che il segnale trasmesso dalla BPD oscilla circa 0 V (cioè. Punto quadratura). Controllare il segnale di uscita utilizzando un analizzatore di spettro elettrico. Il segnale monitorato dovrebbe apparire come una funzione sinc quadrati, in cui la posizione del primo zero vicina massimo globale (a frequenza zero) corrisponde al FSR. Per ridurre al minimo il rumore di misura, impostare l'analizzatore di spettro elettrico in modalità media.

2. Fiber Pulling ¹³

Preambolo: Lo scopo di questa procedura è quello di abbinare approssimativamente la fase di fotoni viaggiano nel cono a quelle della microcavità in modo che l'accoppiamento efficiente può verificarsi. Come la fibra viene tirata, la sezione centrale che si trova tra i due morsetti passerà dal sostenere una singola modalità all'interno di una fibra regolare, a molteplici modalità all'interno di una guida d'onda formate dal rivestimento di silice originale diventando il nucleo e aria diventando il rivestimento, e poi ad un singolo modo. Il nucleo di silice della fibra sarà praticamente svanire nella parte centrale, in cui temporaneamente condizioni di propagazione multimodale soddisfatti saranno contrastati dal continuo restringimento del diametro delle fibre.

1. Fissare il supporto della fibra alla fase di traslazione motorizzato.
2. Connectorize due sezioni di fibra ottica con connettori FC / APC su un'estremità di ogni sezione. Rimuovere il rivestimento del buffer dalle estremità non collegate con una spogliarellista fibra, pulirli con acetone prima e THen isopropanolo, fendere le sfaccettature finali e fusion li impiombare insieme.
3. Per monitorare la perdita nel cono, collegare una sonda laser a potenza costante ad una estremità della fibra mentre l'altra estremità della fibra è collegato ad un fotorivelatore (PD). L'uscita del PD deve essere collegato a un oscilloscopio. Regolare le impostazioni dell'oscilloscopio da misurare la tensione di uscita PD, che è proporzionale alla potenza laser trasmesso.
4. Registrare il valore iniziale della tensione di uscita PD e continuare a monitorare fino passo 2.9.
5. Fissare la fibra al detentore delle fibre e l'immagine della fibra con un microscopio ottico.
6. Rilasciare idrogeno tale che comincia a scorrere in prossimità del cono, in attesa di aria per uscire dal tubo e per la pressione del canale da stabilizzare. Una volta che la portata del gas idrogeno raggiunge 110 ml / min, accenderla vicino alla presa con un accendino per riscaldare la fibra.
7. Usando un programma LabVIEW personalizzato, linearmente tirare la fibra. Si noti che durante la puprocesso lling, il nucleo della fibra svanisce gradualmente mentre modalità multiple di rivestimento diventano dominanti nel guidare la luce attraverso la sezione rastremata fibra. L'intensità trasmessa attraverso la fibra ottica dovrebbe oscillare a causa dell'interferenza multimodale.
8. Continuare a tirare la fibra per ridurre la larghezza fibra cono fino supporta solo una modalità rivestimento singolo. Una volta che l'intensità trasmessa cessa di variare, smettere di tirare la fibra.
9. Rilasciare il titolare fibra dalla fase di traduzione e fissarlo vicino al palco piezoelettrico.

3. Preparazione e fornitura di soluzioni

1. Preparare 22:00, 13:00, e 100 soluzioni FM composte da 50 nm raggio monodispersi microsfere di polistirene in tampone fosfato Dulbecco (DPBS). Inoltre, creare una soluzione DPBS puro.
2. Mettere le soluzioni in una centrifuga, scaglionare le loro posizioni all'interno di essa per scopi di equilibrio, e di avviare un ciclo di filatura 30 min.
3. Su completion, posizionare saldamente le soluzioni in un essiccatore, evacuare, e bombardare le soluzioni con ultrasuoni per 30 min.
4. Rimuovere le soluzioni e metterle da parte vicino alla configurazione dell'esperimento.
5. Costruire uno stand per un piccolo sistema di erogazione di fluido.
   1. Dopo la pulizia due ghiere, inserire puntali su entrambe le estremità di un segmento di microtubuli e avvitare le boccole alle punte delle siringhe. Collegare singolarmente una delle ghiere per una terza siringa e l'altra al raccordo Luer Lock di un gruppo cilindro-pistone.
   2. Fissare la punta della siringa esposta allo stand e prop dietro il campione. I fluidi devono poter circolare sul campione senza significative perdite.
6. In termini della Sezione 5 del protocollo, caricare la canna con una soluzione appropriata ed iniettare manualmente attraverso il sistema di microfluidica durante l'esperimento.

4. Configurazione e interconnessioni del sistema

1. Collegare i lase sonda r di un accoppiatore direzionale 10 dB. La porta accoppiata è collegato alla porta di ingresso dell'interferometro di riferimento mentre la porta trasmesso è collegato ad un controllore di polarizzazione seguita dalla fibra rastremata.
2. Riorientare gli obiettivi del microscopio per acquisire due immagini nitide del cono fibra.
3. Collegare l'uscita della fibra rastremata ad un PD. L'uscita di questo PD deve essere collegato ad un ingresso diverso canale dell'oscilloscopio.
4. Montare il campione sul nanopositioner e fare piccoli aggiustamenti per spostare in modo che esso è prossima al centro del cono fibra.
5. Iniettare DPBS al campione. Effettuare le regolazioni grossolane in modo che il cono in fibra entra in vista delle due telecamere CCD. Regolare il nanopositioner per stabilire l'accoppiamento dal cono in fibra ottica al microcavità.
6. Scansione la lunghezza d'onda del laser per ottenere un dip risonanza appropriato sull'oscilloscopio.

5. Nanoparticelle Detection

ONTENUTO "> Per acquisire i dati: Configurare le impostazioni di trigger dell'oscilloscopio e, utilizzando il software fatto in casa, raccogliere oscilloscopio tracce per ulteriori elaborazioni.

1. Registrare i dati per la soluzione tampone come riferimento.
2. Registrare i dati per le soluzioni di nanoparticelle dal più basso al più alto concentrazione.
3. Rispettare i turni di frequenza che avvengono a causa di nanoparticelle vincolante per la microcavità.

6. Post-trattamento dei dati

I dati raccolti possono essere ulteriormente trattati mediante un programma MATLAB auto-scritta. Il programma dovrebbe:

1. Leggere le tracce di riferimento interferometro e condurre una vestibilità minimi quadrati alle curve sinusoidali. Le fasi del sinusoidale montato sono utilizzati per stimare il jitter laser al volo.
2. Leggere le tracce di trasmissione cavità e condurre una vestibilità minimi quadrati alla funzione doppio Lorentziana. Frequenze ottiche corrispondenti alle salse risonanza (ν _1,ν ₂₎ e la loro piena larghezza a metà altezza (FWHM di, rappresentata dal δν _1, δν ₂₎ sono determinati confrontando il segnale di trasmissione al segnale interferometro.
3. Ottenere il fattore di qualità di ogni singolo tuffo da Q _i = ν _i / δν _i, dove posso essere sia 1 (risonanza sinistra) o 2 (risonanza a destra).
4. Calcolare, come è convenzionale, le frequenze ottiche dei tuffi risonanza attraverso la scansione laser tensione, dove le rese jitter laser grande rumore di misura.
5. Raccogliere il ν _{medio dei} media frequenza di risonanza = (ν ₁ + ν ₂₎ / 2 e frequenza split Δν = ν ₂ - ν ₁ per ogni misurazione e tracciare in funzione del tempo. Quando una nanoparticella lega sulla superficie della microcavità, bruschi cambiamenti sia di frequenza media di risonanza e sho frequenza splitULD essere osservati.

Results

Dopo aver seguito il protocollo, le tracce possono essere compilati e installati. Figura 3a mostra la tipica struttura di risonanza della microsfera come presentato nel video, per cui la divisione di frequenza si osserva in un mezzo DPBS. Un fit minimi quadrati alla funzione doppio Lorentzian indica che il fattore di qualità delle salse risonanza destra e sinistra sono rispettivamente 2,1 x 10 ⁸ e 3,8 x 10 ⁸ in un ambiente acquoso. Le frequenze ottiche del FWHM sono ottenuti confro...

Discussion

Questa configurazione attuale è capace di sondare una varietà di microcavità WGM, come pollici, microsfere, e microtoroids, senza richiedere alcun controllo di feedback per la sorgente laser sonda. Un notevole rapporto segnale-rumore (SNR) per il rilevamento può essere ottenuta a causa dei miglioramenti passo spostamento fornite da lunghezza del percorso ed effetti backscattering particelle indotta. Data la semplicità e il basso costo dell'interferometro riferimento stesso, questo metodo è una tecnica efficace per l...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polistirolo  Microsfere PolyScience
Dulbecco' s Soluzione salina tamponata con fosfato (DPBS)	Life Technologies	14190
Sistema di nanoposizionatore piezoelettrico	Physik Instrumente	P-611.3S
Fotorivelatore bilanciato	Thorlabs	PDB120A
	Newport	1801-FC
Accoppiatore direzionale in fibra ottica da 3 dB	Thorlabs	FC632-50B
10 Accoppiatore direzionale in fibra ottica dB	Thorlabs	FC632-90B
Controllore di polarizzazione drop-in	Fotonica generale	PLC-003-S-25
Generatore di funzioni	Hewlett-Packard	33120A
Giuntatrice a fusione	Ericsson	FSU-925
Oscilloscopio ad alta velocità	Agilent	DS09404A
Stadio di Traslazione Motorizzato con Controller	Thorlabs	MTS25-Z8E
Fibra Ottica Monomodale, 600-800 nm, Ø 125 μ m Cladding	Thorlabs	SM600
Analizzatore di spettro elettrico in tempo reale	Tektronix	RSA3408B
Analizzatore di spettro ottico	Agilent	70951A
632.5 - 637 nm Laser sintonizzabile	New Focus	TLB-6304
Pompa di filtrazione	KNF
Pulitore ad ultrasuoni	Crest Ultrasonics	Powersonic 1100D
Mini Vortexer	VWR	VM-3000
Centrifuga	Beckman Coulter	Microfuge 22R