Articolo metodologico

Fabbricazione e la sperimentazione di microfluidici optomechanical Oscillatori

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DOI:

10.3791/51497

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29 maggio 2014

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1Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, 3Biomedical Engineering, University of Michigan

In questo articolo

Sommario

Le eccitazioni optomeccaniche parametriche sono state recentemente dimostrate sperimentalmente in risonatori optomeccanici microfluidici per mezzo della pressione di radiazione ottica e dello scattering di Brillouin stimolato. Questo articolo descrive la fabbricazione di questi risonatori microfluidici insieme alle metodologie per la generazione e la verifica delle oscillazioni optomeccaniche.

Abstract

Cavità OptoMeccanica esperimenti che parametrico coppia i modi fononi e le modalità di fotoni sono state studiate in diversi sistemi ottici, tra cui Microrisonatori. Esperimenti optomechanical Tuttavia, a causa delle maggiori perdite radiative acustici durante immersione in liquido diretto di dispositivi optomechanical, quasi tutti pubblicati sono stati eseguiti in fase solida. Questo articolo discute una cavità microfluidica optomechanical risonatore recentemente introdotto. Metodologia dettagliata è fornita per fabbricare questi risonatori microfluidica ultra-high-Q, eseguire test optomeccanico, e misurare la radiazione modalità di respirazione guidata pressione e SBS-driven modalità Whispering Gallery vibrazioni parametrici. Limitando i liquidi all'interno del risonatore capillare, elevati fattori di meccanica e ottica di qualità sono contemporaneamente mantenute.

Introduzione

OptoMeccanica cavità studia l'accoppiamento parametrico tra i modi fononi e modalità di fotoni in Microrisonatori mediante pressione di radiazione (RP) 1-3 e stimolate scattering di Brillouin (SBS) 4-6. SBS e meccanismi RP sono state dimostrate in molti sistemi ottici differenti, come fibre 7, microsfere 4,6,8, toroidi 1,9, e risonatori cristallini 5,10. Attraverso questo accoppiamento fotone-fonone, sia per il raffreddamento 11 e l'eccitazione 6,10 di modalità di meccanici sono stati dimostrati. Tuttavia, quasi tutti segnalati OptoMeccanica esperimenti con fasi solide della materia. Questo perché liquido di immersione diretta dei dispositivi optomechanical risultati in notevolmente aumentata perdita acustica radiativo causa della maggiore impedenza dei liquidi confrontata aria. Inoltre, in alcune situazioni meccanismi di perdita dissipativi nei liquidi possono superare le perdite acustiche radiativo.

Recently, un nuovo tipo di cavo optomechanical oscillatore con una geometria microcapillare stato introdotto 12-15, con caratteristiche di concezione è attrezzata per esperimenti microfluidici. Il diametro di questo capillare viene modulata lungo la sua lunghezza a formare più "risonatori di bottiglia 'che confinano contemporaneamente ottici sussurro-gallery risonanze 16 così come modi di risonanza meccaniche 17. Diverse famiglie di modi di risonanza meccaniche partecipano, incluse le modalità di respirazione, modalità vino-vetro e modi acustici sussurri-gallery. Il bicchiere di vino (standing-wave) e sussurra-gallery acustico (itinerante onda) risonanze si formano quando una vibrazione con multiplo intero di lunghezze d'onda acustica si verifica intorno alla circonferenza del dispositivo. La luce è evanescently accoppiata nelle ottiche modalità sussurro-gallery di queste "bottiglie" per mezzo di una fibra ottica rastremata 18. Confinamento del liquido all'interno 19,20 risonatore capillare, comecontrario di fuori di essa, consente elevati fattori-meccaniche e ottiche di qualità simultaneamente, il che consente l'eccitazione ottica di modalità meccaniche sia attraverso RP e SBS. Come è stato mostrato, queste eccitazioni meccaniche sono in grado di penetrare nel liquido all'interno del dispositivo 12,13, formando un modo di risonanza solido-liquido in comune, permettendo così una interfaccia opto-meccanica per l'ambiente fluidico all'interno.

In questo articolo descriviamo la fabbricazione, RP e SBS attuazione e risultati di misura rappresentativi per questo sistema opto-romanzo. Sono inoltre disponibili gli elenchi dei materiali e degli strumenti specifici.

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Protocollo

1. Fabbricazione di ultra-high-Q microfluidici Resonators

  1. Preparazione del capillare installazione di fabbricazione
    1. Realizzare la optomechanical risonatore microfluidica nel seguente modo -. Scaldare una preforma capillare di vetro con circa 10 W di radiazione laser CO 2 a 10.6 micron di lunghezza d'onda, ed estrarre il capillare riscaldata linearmente utilizzando fasi di traduzione motorizzati Figura 1 mostra la disposizione della traslazione lineare stadi, i laser, e la posizione della preforma capillare prima del processo tirare.
    2. Programma di software di automazione adatto per controllare simultaneamente le due laser CO 2 (per il riscaldamento) e le due fasi lineari. Le due fasi lineari eseguono il processo di disegno per il capillare riscaldato laser.
    3. Una delle fasi lineare deve essere veloce (per esempio 5 mm / sec) per il processo di disegno lineare. Alimentare in più materiale per la zona di riscaldamento con il secondo, più lento fase lineare(Ad esempio 0,5 millimetri / sec) poiché il materiale capillare preforma viene impoverito durante il processo di trazione.
    4. Allineare i titolari del campione sui palchi lineari lungo due assi verticali e orizzontali.
    5. Allineare con cura entrambi i due raggi laser CO tale che si rivolgono allo stesso punto nello spazio (tra i titolari del campione). Un pezzo di carta carta o carta termosensibile è utile per questo processo. Non dimenticare di utilizzare la protezione degli occhi per la sicurezza del laser. Non abbassare gli occhi a livello di tabella. Usare idonei blocchi fascio, scarico fumi e protezione antincendio.
    6. Selezionare i parametri ragionevoli per il processo di disegno. Ad esempio, i seguenti parametri producono affidabile di buone dimensioni capillare - 10 mm / sec di velocità di trazione, 0.5 mm / sec feed-in velocità, 3 sec tempo di preriscaldamento, 4,5 W preriscaldamento poteri per entrambi i laser, e 5 potenze W riscaldamento per entrambi i laser .
    7. Modulazione della potenza del laser durante trazione può essere utilizzato per controllare il raggio capillare longitudinalmente durante il pro disegnocesso per formare i risonatori 'bottiglia. Un esempio è mostrato in Figura 2d. Selezionare i parametri di modulazione corretti: 3 Hz, 6 W e 3 W per potenze laser, e il 50% duty cycle.
  2. Fabbricazione di risonatori optomechanical microfluidica
    1. Tagliare un segmento sufficientemente lungo (circa 2-4 cm) del capillare di silice fusa tale che può raggiungere i due supporti collegati alle fasi di traslazione lineare.
    2. Montare il campione capillare sul portacampioni tali che la zona bersaglio laser è approssimativamente il centro del capillare. Regolare di CO 2 di allineamento laser, se necessario.
    3. Tirare il capillare utilizzando i parametri come indicato in 1.1.6. Prima preriscaldare il capillare per alcuni secondi (Figura 2a), e poi tirare con o senza modulazione laser (parametri 1.1.7), se necessario.
    4. Rimuovere il capillare disegnata (Figura 2b) dal supporto del campione. Gestire il campione con guanti al duespessa termina solo, per non contaminare la superficie pulita risonatore.
    5. Variare i parametri di trazione per fabbricare capillari con diametri diversi. Diametro esterno varia tipicamente da 30 micron a 200 micron a seconda delle condizioni di trazione.
  3. Montaggio del dispositivo fabbricato per le prove
    1. Preparare un supporto di vetro di forma E (Figura 2c). Tagliare tre 1 cm x 0,5 cm e uno 3 centimetri pezzi di vetro x 0,5 centimetri di vetrini. Assemblarli in una forma e con adesivo o colla di vetro.
    2. Tagliare una lunghezza del capillare microfluidica dal campione prelevato. Questa lunghezza deve essere maggiore della distanza tra due rami di vetro adiacente al titolare forma E.
    3. Incollare il dispositivo microcapillare sul supporto con adesivo ottico mentre facendo attenzione a mantenere una parte incontaminata appeso tra due rami del titolare forma E. Polimerizzare l'adesivo ottico con una sorgente di luce LED UV per 10 sec. Figure 2ce 2D mostrare il prodotto finito.
    4. Inserire con cautela le due estremità del risonatore montato in due tubi di plastica leggermente più grandi (ad esempio 200 micron di diametro interno). Colla e cura UV entrambe le estremità ai tubi di plastica con adesivo ottico.
    5. Fissare la struttura di forma e dal terzo (gratuito) filiale di vetro per un dispositivo di montaggio bloccato per il test. Il fattore di qualità ottica del risonatore microfluidica finale dipende da come i laser di fabbricazione sono stati allineati e come stabili i loro livelli di potenza erano.

2. Setup sperimentale per Optomechanical Testing

  1. Fabbricazione di fibra ottica rastremata
    1. Preparare un unico modo di telecomunicazioni a banda in fibra ottica della lunghezza desiderata (ad esempio, un paio di metri). Segmento fibra deve essere sufficientemente lungo per essere sia montato nella zona rastremata e collegato alla configurazione (figura 4). Il metodo si assottiglia spiegato qui è simile a ciò che è suggested e dimostrata in 22.
    2. Collegare il segmento fibra preparata al resto del setup sperimentale utilizzando qualsiasi metodo conveniente fibra-splicing.
    3. Montare il segmento a fibre impiombato su due estrattori lineari che si fronteggiano.
    4. Spellare la guaina della fibra al centro del frammento fibra montato per esporre zona rivestimento. Questo è dove verrà fabbricato conicità. Pulire l'area spogliato con metanolo.
    5. Accendere il laser sintonizzabile per vedere la trasmissione in tempo reale su un oscilloscopio. Assicurarsi di impostare attenuatori in modo che fotorilevatori non siano danneggiati.
    6. Posizionare una stretta bruciatore a gas idrogeno ugello immediatamente al di sotto della porzione unjacketed della fibra. Seguire tutte le procedure di sicurezza raccomandate quando si lavora con gas infiammabili sotto pressione come l'idrogeno. Potrebbero essere utilizzate anche altre fonti "combustione pulita" di fiamme o stufe in ceramica.
    7. Prima di accendere il gas, controllare la portata in modo che la fiamma non sarà troppogrande (una fiamma 1-2 cm di altezza è adeguata). Si noti che la fiamma è principalmente invisibile ma può essere visto come un bagliore arancione debole in una stanza buia. La portata di idrogeno dovrebbe essere impostato ad un punto in cui la fiamma accesa sarà adeguatamente ammorbidire la fibra di vetro.
    8. Accendete la fiamma. Non appena la fiamma è accesa, inizia a tirare la fibra utilizzando fasi motorizzate. Appropriata velocità tirando dipende portata di gas idrogeno e vicinanze della fiamma. NOTA: La trasmissione attraverso la fibra inizierà a mostrare un comportamento di oscillazione temporale come tirare continua. Questo indica il funzionamento multimodale.
    9. Quando il comportamento oscillatorio si ferma e mostra un segnale immutabile nel tempo, smettere di tirare e di spegnere il fuoco immediatamente. Questo è quando si ottiene monomodale conicità. Verificare la trasmissione. Se la trasmissione è troppo bassa, ripetere la procedura dal punto 2.1.1. con il tasso modificato flusso del gas, formato della fiamma, e la posizione di fiamma. In occasione, bassa trasmissione potrebbe essere dovuta al cattivo allineamento nella fase 2.1.3. o per contaminareione del rivestimento esposto.
    10. Se la trasmissione risultante attraverso il cono è soddisfacente, attendere alcuni minuti per raffreddare il cono.
    11. Controllare il cono sotto un microscopio. Per 1.550 nm di lunghezza d'onda operativa, diametro tipico del cono monomodale è dell'ordine di 1-2 micron.
  2. Cono-accoppiamento con WGR e la ricerca di segnali elettronici indicare vibrazioni
    1. Impostare l'esperimento nella configurazione mostrata in Figura 3. Vibrazioni meccaniche possono essere generati sia attraverso SBS e RP dalla stessa configurazione sperimentale. Per rilevare chiaramente segnali retrodiffusa come nel caso di backward-SBS 4,21, utilizzare un circolatore tra cono e laser sintonizzabile.
    2. Prima di accendere il laser sintonizzabile IR, assicurarsi di impostare attenuatori in atto in modo che fotorilevatori non siano danneggiati.
    3. Accendere e stabilizzare il laser sintonizzabile IR. Un generatore di funzione viene usata per spazzare la frequenza di ingresso IRlaser.
    4. Montare il supporto risonatore su un palco nanopositioning. Portare cautela il risonatore vicino alla fibra rastremata per ottenere l'accoppiamento evanescente. Come viene spazzato la frequenza del laser, risonanze ottiche appariranno come avvallamenti nella trasmissione del oscilloscopio, come nella Figura 2b del 22.
    5. Collegare l'uscita fotorivelatore ad un analizzatore di spettro elettrico (ESA), dove si può osservare l'interferenza temporale (cioè nota di battimento) tra la luce laser ingresso e la luce diffusa. Questa interferenza temporale si verifica alla frequenza di oscillazione meccanica. La funzione "peak hold" sul analizzatore di spettro è spesso utile nella ricerca iniziale per vibrazioni meccaniche.
    6. Utilizzare potenza in ingresso maggiore durante l'esecuzione della ricerca iniziale di vibrazioni meccaniche, soprattutto quando sono presenti all'interno del dispositivo liquidi. NOTA: Tipicamente, potenza di ingresso dell'ordine di 100 μW al dispositivo è sufficiente per eccitare meccavibrazioni iCal.
    7. Se oscillazione meccanica si osserva, tentare di agganciare il modo ottico pertinente spegnendo la frequenza di scansione laser e controllare la lunghezza d'onda del laser in modo CW. Qui, sia oscilloscopio e analizzatore di spettro sono utili in tandem. Segnali periodici visualizzati sull'oscilloscopio quando una modalità meccanica è presente, come illustrato nella Figura 5 e 1,6.

3. Misura opto Vibrazioni

  1. Firma ottico ed elettronico di pressione di radiazione (RP) le modalità
    1. Come descritto in 2.2, saranno osservate oscillazioni meccaniche quando il cono e il dispositivo sono accoppiati correttamente, i modi ottici e meccanici di dispositivi dispongono di sufficienti Q-fattori, e della potenza ottica in ingresso sia sufficiente. Se oscillazioni nell'intervallo 10 MHz - non si osservano 1 GHz, tentativo di cambiare la polarizzazione di approfondire differenti risonanze, o aumentare la potenza assorbita dal laser sintonizzabile persuperare la soglia minima di oscillazione. Quando si aumenta la potenza in ingresso, sempre attenti a non saturare i fotorivelatori. Inoltre, come descritto in 8, la distanza di accoppiamento è un fattore chiave per giochi diversi modi RP.
    2. Se non sono ancora osservati modalità meccaniche, provare a misurare il fattore qualità ottica. Per risonatori optomechanical microfluidica, i risultati mostrano che il fattore di qualità ottica 10 6 è sufficiente per eccitare oscillazioni parametriche 13.
      NOTA: Solitamente, le modalità RP si manifesteranno oscillazioni come elettronici su l'analizzatore di spettro accompagnati dai loro armoniche, come si vede nella figura 5 Rappresentante dei risultati saranno discussi nella sezione 4..
    3. Utilizzare una scansione Fabry-Perot o ad alta risoluzione analizzatore di spettro ottico per rilevare le bande laterali ottici generati a causa di ampiezza e fase di modulazione, che è a sua volta indotta dalla deformazione della cavità periodica. Una misurazione esempio può essere seen nella figura 3h di 1.
  2. Firma ottica ed elettronica dei modi acustici sussurro-gallery
    1. La frequenza acustica di backward-SBS per il vetro di silice è di circa 11 GHz quando un laser di pompa da 1,5 micron viene utilizzato 4,23. Utilizzare un circolatore che controlla la luce di back-sparsi e qualche piccola quantità di pompa di Rayleigh-dispersi, di osservare i segnali elettronici per questi modi vibrazionali. Utilizzare un analizzatore di spettro ottico ad alta risoluzione per risolvere la luce diffusa. Una misura esempio è mostrato in Figura 2 di 4.
    2. Utilizzare la nota di battimento tra luce diffusa in avanti e il laser di pompa di osservare frequenza inferiore (sub-1 GHz) modi acustici sussurro-gallery.
    3. A causa della rigidità meccanica inferiore nella direzione respirazione, il segnale da SBS è a volte più debole del segnale dalle modalità RP. Anche in questo caso, spazzare il laser a bassa velocità, e usare "peak hold" sul SPECTanalizzatore di rum per aiutare a trovare il segnale di SBS.
    4. Si noti che a differenza di modi di respirazione RP-eccitati, sussurrando-gallery modi acustici SBS-eccitati non presentano armoniche negli spettri ottici ed elettronici (meno eccitazione cascata si è svolto 4,24). Invece appare solo una banda laterale Stokes per le modalità SBS.

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Risultati

I capillari prodotte con questo metodo sono sottili (tra 30 micron e 200 micron), chiaro e molto flessibile, ma sono sufficientemente robusto per manipolazione diretta. È importante proteggere la superficie esterna del dispositivo capillare da polvere e acqua (umidità) al fine di mantenere un alto fattore di qualità ottica (Q). Immergendo un'estremità del capillare in acqua e soffiando aria attraverso il capillare mediante una siringa, si può verificare se il capillare è attraverso o se è stata isolata durante la fa...

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Discussione

Abbiamo fabbricato e testato un nuovo dispositivo che fa da ponte tra OptoMeccanica cavità e microfluidica impiegando high-Q risonanze ottiche di emozionare (e interrogare) vibrazioni meccaniche. E 'sorprendente che molteplici meccanismi di eccitazione sono disponibili nella stessa periferica, che generano una varietà di modi vibrazionali meccaniche a tassi abbracciano 2 MHz a 11,300 MHz. Pressione di radiazione centrifuga supporta entrambe le modalità bicchiere di vino e le modalità di respirazione nella campata 2-...

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Dichiarazioni

Non abbiamo nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato finanziato da Startup funding dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, dal programma DARPA ORCHID attraverso una sovvenzione di AFOSR, dalla National Science Foundation attraverso la sovvenzione CMMI-1265164 e dal programma National Science Foundation Graduate Research Fellowship. Riconosciamo le discussioni illuminanti con il Prof. Jack Harris, il Prof. Pierre Meystre, il Dr. Matt Eichenfield, il Prof. Taher Saif e il Prof. Rashid Bashir.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Laser IR sintonizzabileNewfocusTLB-6328
FotorivelatoriNewfocus1811-FC (Bassa velocità 125MHz) / 1611-FC-AC (Alta velocità 1GHz)
Fibra otticaCorningSMF28
Capillare in silicePolyMicroTSP700850
lunghezza d'onda di 10,6 um CO2 laserSynrad48-1KWM e 48-2KWM
Adesivo ottico a polimerizzazione UVThorlabsNOA81
TubingTygonEW-06418-01
SiringheB-DYO-07940-12
AghiWellerKDS201P
Analizzatore di spettro elettricoAgilent TechnologiesN9010A (Analizzatore di segnale EXA)
Analizzatore di spettro elettricoTektronix6114A (RSA, Analizzatore di spettro in tempo reale)
Analizzatore di spettro otticoAdvantestQ8384
OscilloscopioTektronixDPO 4104B-L
Specchi d'oroII-VI Infrarossi836627
Stadio lineare (lento)DryLinH1W1150
Stadio lineare (veloce)PBC LineareMTB055D-0902-14F12
Analizzatore di spettro ottico Fabry PerotThorlabsSA 200-14A (FSR: 1,5 GHz)

Riferimenti

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