作製とマイクロ流体光力学発振器のテスト

この手順の総合的な目的は、流体相媒体で動作する光機械振動子を製作し、実証することです。まず、CO2レーザー照射下で溶融シリカガラスキャピラリープリフォームを加熱・延伸させることにより、マイクロフルイディクス光機械共振器を製作します。次に、製作したデバイスを試験用にマウントします。

次に、テーパー光ファイバーを用いてダイオードレーザーで作製したデバイスの光学的なウィスパリングギャラリーモードを励起します。最終的に、出力光信号の電子スペクトル解析を行い、流体中の機械的モードを介した光力学的相互作用およびセンシングを実証します。これらのデバイスは、流体相材料を用いた光力学実験という、これまで不可能であった能力を提供します。

一般的に、この手法を初めて行う方は、作製工程やプロセスの必要性、習熟、および作製パラメータの最適化が必要となるため、困難に直面します。アクチュエーションおよび光機械モードの特定を習得するのは難しいため、本手法の実演は極めて重要です。この最初の工程を達成するため、ガラスキャピラリプリフォームを加熱・延伸してマイクロ流体レゾネータを作製します。

ソフトウェア制御可能な2つのリニア translation stage を使用します。これにより、同一線上での移動が可能になります。キャピラリーを隙間にわたって伸長させることができるよう、ステージ間を数cmの間隔で離して配置してください。

ステージ上のサンプルホルダーは、キャピラリーを軸上に保持するように調整してください。ステージの移動線に沿って、次に進む前に2台のCO2レーザーで加熱を行います。高出力レーザーを取り扱う際は、適切な安全対策を講じてください。

次に、リニアステージ間のギャップにある同一の地点にレーザーが出力されるように調整します。この地点は、キャピラリーが懸垂される位置である必要があります。ビームブロックを使用して、ターゲット地点以降のビームを遮断してください。

2つのトランスレーションステージと2本のCO2レーザーの出力レベルを同時に制御するためのソフトウェアを使用します。このセットアップでは、一方のステージを約10 mm/sの高速で移動させ、もう一方を同じ方向に約0.5 mm/sの低速で移動させて加熱領域に材料をより多く供給することで、信頼性の高いキャピラリーが作製されます。

両方のレーザーは、3秒間の予熱期間中は4.5 Wに設定します。その後、描画プロセス中は5 W以上に設定します。共振器を作製するには、溶融石英キャピラリプリフォームを使用し、リニアステージ上の2つのサンプルホルダー間に届く約2〜4 cmの長さに切断します。

次に、キャピラリーをサンプルホルダーに取り付けます。このとき、レーザー照射領域がキャピラリーの長さのおよそ中央に位置するようにしてください。その後、制御ソフトウェアを起動します。

レーザーでキャピラリーを3秒間予熱します。その後、キャピラリーを約10秒間引き伸ばします。工程が完了したら、汚染を防ぐため、引き伸ばされていない太い端のみを持って、作成したキャピラリーを取り出してください。

クリーンな共振器の表面が空中に吊り下げられるように、キャピラリーを吊るします。引き出しパラメータを変更し、キャピラリーが開いていることを確認するために作製プロセスを繰り返すことで、異なる直径のキャピラリーを作成します。浅い水盤とシリンジを使用して作業してください。

完成したキャピラリーを慎重に持ち上げ、片方の端を水に浸します。シリンジを使用して、もう一方の端から空気を吹き込みます。気泡が出れば、キャピラリーが開通していることを示します。

キャピラリーをテストする前に、それらを固定するためのホルダーを作成する必要があります。まず、ガラススライドから1 cm × 0.5 cmのガラス片を3枚切り出します。さらに、同じくガラススライドから3 cm × 0.5 cmのガラス片を1枚切り出します。

次に、ガラス接合剤または瞬間接着剤を用いて、これらの部品をehaに組み立てます。続いて、引き出したキャピラリーから、U字型ホルダーの隣接する2つのブランチ間の距離をまたぎ、かつそれらを越えて伸びる長さにカットします。光学用接着剤を用いてキャピラリーを接着し、その両端がホルダーの2つのブランチより外側に伸び、中心部がその間に吊り下げられた状態にします。

その後、LED UV硬化ライトを用いて、光学接着剤を必要な時間硬化させます。約10秒後、キャピラリーの内径よりもわずかに大きい内径のプラスチックチューブを用意します。取り付けたキャピラリーの両端に、チューブを慎重に挿入します。

再度、光学用接着剤を用いてキャピラリーと接続部を密封し、UV光で硬化させます。硬化後、アセンブリは取り付け可能な状態になります。3番目の空いているガラス枝を使用して、構造物を固定します。

本実験では、ファンクションジェネレータに接続された波長可変ファイバー結合赤外線レーザーを使用します。これにより、レーザー波長を周期的にスイープさせます。レーザー出力は、まず偏光コントローラーを通過させます。

そこから、ナノポジショニングステージに近接した、通信帯域用のシングルモードテーパ光ファイバ導波路に結合させます。テーパファイバの後、光は後段のアナライザーを保護するためにアッテネーターを通過します。本実験では、アッテネーターの後、光は電気スペクトラムアナライザーおよびオシロスコープに接続されたフォトディテクタへと導かれます。

まず、レーザーを安定させ、レーザービームの波長掃引を開始して実験を始めてください。次に、取り付け済みのキャピラリー共振器を取り出し、テーパーファイバー近傍のナノポジショニングステージにキャピラリー共振器ホルダーを装着します。その後、ステージを慎重に移動させ、エバネッセント結合を得るために共振器をテーパーファイバーから約1 micronまで近づけます。

波長を掃引すると、オシロスコープで観察される時間関数としてのレーザー透過率にディップが現れ、これがエバネッセント結合と共鳴の存在を示します。スペクトラムアナライザを用いて、入射レーザー光と散乱光の間の時間的干渉を探索してください。このビート音は、機械的振動周波数で発生します。

この例では、放射圧によってキャピラリー内に24.94 megahertzの機械的モードを励起させます。レーザー周波数スキャンを停止し、レーザー波長を制御することで、機械的振動に対応する適切な光学モードへのロックを試みます。連続波モードでは、機械的モードが存在する場合、オシロスコープに周期的な信号が表示されます。習得すれば、適切に行った場合にデバイスの作製とテストは約45分で完了します。

この手順を行う際は、表面の清潔さを維持するため、レゾネーターおよびテーパーファイバーには、ピンセットであっても決して直接触れないようにすることが重要です。本技術の開発以来、共振器光力学分野の研究者が、流体やバイオアナライトとの新しい相互作用を探索するための道が開かれました。