방법 논문

제작 및 미세 유체 광​​ 기계 발진기의 테스트

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DOI:

10.3791/51497

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2014년 5월 29일

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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

이 논문에서

요약

파라메트릭 광기계 여기(parametric optomechanical excitations)는 최근 광학 방사선 압력과 자극된 브릴루인 산란(Brillouin scattering)을 통해 미세유체 광기계 공진기에서 실험적으로 입증되었습니다. 이 논문은 이러한 미세유체 공진기의 제작과 함께 광기계적 진동을 생성하고 검증하는 방법론에 대해 설명합니다.

초록

포논 모드와 광자 모드 파라 메트릭 커플 microresonators 등 다양한 광학 시스템에서 조사 된 실험 optomechanics로 구멍. 그러나, 광 기계 장치를 직접 액침 동안 증가 음향 방사 손실의 거의 모든 출판 광 기계 실험은 고체 상태에서 수행되었다. 본 논문은 최근에 도입 된 중공 미세 광 기계 공진기에 대해 설명합니다. 자세한 방법은, 이러한 초고 Q 미세 공진기를 제작 광 기계 테스트를 수행하고, 방사선 압력 중심의 호흡 모드와 SBS 기반 속삭이는 갤러리 모드 파라 메트릭 진동을 측정하기 위해 제공됩니다. 모세관 공진기 내부에 액체를 구속함으로써, 높은 기계 및 광학 품질 요소를 동시에 유지됩니다.

서론

공동 optomechanics로 방사선 압력 (RP) 1-3에 의해 microresonators에서 포논 모드와 광자 모드 사이의 파라 메트릭 커플 링을 연구하고 브릴 루앙 산란 (SBS) 4-6 자극. SBS와 RP 메커니즘은 섬유 7, 마이크로 4,6,8, 토 로이드 1.9 및 결정 공진기 5,10 등 다양한 광학 시스템에서 입증되었습니다. 이 광자 - 포논 결합을 통해 모두 11 및 기계 모드의 여기 6,10 냉각이 입증되었다. 그러나, 거의 모든 실험은 물질의 고체 단계에 있습니다 optomechanics로 보도했다. 때문에 액체의 높은 임피던스를 크게 증가 복사 청각 손실의 광 기계 장치의 결과를 직접 액침 공기와 비교하기 때문입니다. 또한, 일부 상황에서 액체의 소산 손실 메커니즘은 음향 방사 손실을 초과 할 수있다.

Recently, 마이크로 모세관 형상 중공 광 기계 발진기의 새로운 유형은 12 ~ 15을 소개하고, 디자인에 의해 미세 유체 실험에 장착되어있다. 이것은 모세관의 직경은 동시에 광 위스퍼 갤러리 공명 (16)뿐만 아니라 기계적 공진 모드 (17)를 한정 체류 '병 공진기'를 형성하기 위해 그 길이를 따라 변조된다. 기계 공진 모드의 여러 가족 호흡 모드, 와인 글라스 모드, 속삭이는 갤러리 음향 모드를 포함, 참여. 음향 파장의 정수 배와 진동 장치 둘레 발생하면 와인 - 유리 (서 파)와 속삭이는 화랑 음향 (진행파)는 공명이 형성된다. 빛은 순간적 테이퍼 광섬유 (18)에 의해이 '병'의 광학 속삭이는 갤러리 모드로 연결된다. 19,20 모세관 공진기 내부의 액체의 한정 등그 외측에 대향, RP와 SBS 모두에 의해 기계적 형태의 광 여진을 허용 동시에 높은 기계적 및 광학적 품질 요인을 가능하게한다. 도시 한 바와 같이, 이러한 기계적 음원 정보 따라서 내의 유체 환경 광 - 기계적 인터페이스를 가능하게하는 공유 고액 공진 모드를 형성하는 장치 (12, 13) 내에 유체에 침투 할 수있다.

본 논문에서 우리는이 소설 광 기계 시스템에 대한 제조, RP와 SBS의 작동, 대표 측정 결과를 설명합니다. 특정 재료와 도구 목록도 제공됩니다.

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프로토콜

매우 높은 Q 미세 유체 공진기의 1. 제작

  1. 모세관 제조 설치 준비
    1. 다음과 같은 방법으로 미세 유체 광 기계 공진기를 제작 -. 10.6 미크론 파장에서 약 10 CO 2 레이저 방사선의 W와 유리 모세관 프리폼을 열, 동력 변환 단계를 이용하여 선형으로 가열 된 모세관을 끌어도 1을 선형 변환의 구성을 나타낸다 단, 레이저, 그리고 당기는 과정 전에 모세관 프리폼의 위치.
    2. 동시에 (난방) 두 CO 2 레이저와 2 개의 선형 단계를 제어하는 프로그램에 적합한 자동화 소프트웨어. 이 선형 스테이지는 레이저 가열 모세관 연신 공정을 수행한다.
    3. 선형 단계 중 하나는 선형 그리기 프로세스 (예 : 5mm / 초) 빨리해야합니다. 느린 선형 스테이지보기, 둘째로 가열 존 자세히 소재로 피드모세관 프리폼 재료를 당기는 공정 동안 고갈되는시기 (예를 들면 0.5 mm / 초).
    4. 수직 및 수평 축 모두를 따라 선형 단계에서 샘플 홀더에 맞 춥니 다.
    5. 주의 깊게 (샘플 홀더 사이) 공간에서 같은 지점을 대상으로 같은 것을 모두 CO 2 레이저 빔을 맞 춥니 다. 카드 용지 또는 열에 민감한 종이 조각이 처리하는데 유용하게 사용할 수 있습니다. 레이저 안전 보호 안경을 사용하는 것을 잊지 마십시오. 테이블 수준에 눈을 내려하지 마십시오. 적절한 빔 블록, 연기 배출 및 소방를 사용합니다.
    6. 도면 프로세스에 대한 적절한 매개 변수를 선택합니다. 예를 들어, 다음과 같은 매개 변수를 안정적으로 좋은 모세관 크기를 생성 - 10mm / 초 인상 속도, 0.5 ㎜ / 초 피드의 속도, 3 초 예열 시간, 4.5 모두 레이저에 대한 권한, 두 레이저를위한 5 W 난방 능력을 예열 W .
    7. 잡아 당기는 동안, 레이저 파워의 조절은 도면 프로 중에 종장 모세관 반경을 제어하기 위해 사용될 수있다'병'공진기를 형성하는 운. 예를 그림의 차원에 표시됩니다. 3 Hz가, 6 W와 레이저 파워 3 W, 50 %의 듀티 사이클 : 적절한 변조 파라미터를 선택한다.
  2. 미세 광 기계 공진기의 제작
    1. 는 리니어 이동 스테이지에 부착 된 두 개의 홀더에 도달 할 수 있도록 용융 실리카 모세관의 충분히 긴 세그먼트 (2-4 센티미터) 컷.
    2. 레이저 대상 영역이 대략 모세관의 중간이되도록 시료 홀더에 모세관 샘플 마운트. 필요한 경우 CO 2 레이저 정렬을 다시 조정합니다.
    3. 1.1.6에 명시된대로 매개 변수를 사용하여 모세관을 당깁니다. 먼저 몇 초 (그림 2a)의 모세관을 예열 한 다음 필요에 따라 (1.1.7의 매개 변수) 또는 레이저 변조하지 않고 당깁니다.
    4. 샘플 홀더에서 그린 모세관 (그림 2b)를 제거합니다. 두에 장갑 샘플 처리두께는 깨끗한 공진 표면을 오염하지 않기 위해, 만 끝납니다.
    5. 직경이 다른 모세 혈관을 제작하는 당기는 매개 변수를 다릅니다. 일반적으로 외경은 조건을 당기에 따라 30 μm의에서 200 ㎛로 변화한다.
  3. 테스트에 대한 제조 장치를 실장
    1. E 모양의 글래스 홀더 (그림 2C)를 준비합니다. 세 1cm × 0.5 ㎝, 유리 슬라이드에서 한 3cm × 0.5 cm 유리 조각을 잘라. 유리 접착제 나 순간 접착제를 사용하여 E 모양으로 그들을 조립합니다.
    2. 그린 샘플 중 미세 모세관의 길이를 잘라. 이 길이는 E 모양의 홀더에 인접한 두 개의 유리 가지 사이의 거리보다 더 길어야한다.
    3. E 모양 홀더의 두 가지 사이에 오염되지 않은 거는 부분을 유지해야하는 동안 광학 접착제를 사용하여 홀더에 마이크로 캐 필러 장치를 붙입니다. 10 초 동안 LED UV 경화 광원.도 2C와 광학 접착제를 치료및 완성품을 보여주는도 2d.
    4. 조심스럽게 두 약간 큰 플라스틱 튜브 (내경 예를 들어, 200 ㎛)에 장착 된 공진기의 양쪽 끝을 삽입합니다. 접착제 및 UV 경화 광학 접착제로 플라스틱 튜브에 끝을 모두.
    5. 테스트를위한 고정 장착 장치에 세 번째 (무료) 유리 지점에서 E 형상 구조를 클램프. 최종 미세 공진기의 광학적 품질 계수는 전력 레벨이 얼마나 잘 제조 레이저가 정렬 된 방법과 안정에 의존한다.

광 기계 테스트를위한 2. 실험 장치

  1. 테이퍼 광섬유의 제작
    1. 원하는 길이 (예를 들어, 몇 피트)의 단일 모드 통신 대역 광섬유를 준비합니다. 섬유 부문은 모두 끝이 가늘어 진 곳에 설치하고 설정 (그림 4)에 연결되어있을만큼 길어야한다. 테이퍼 방법의 무엇과 유사하다 여기에서 설명22 uggested와 보여 주었다.
    2. 어떤 편리한 섬유 접합 방법을 사용하여 실험 장치의 나머지 부분에 제조 된 섬유 세그먼트를 연결합니다.
    3. 서로 마주 2 개의 선형 끌어 당기는에 접합 된 섬유 세그먼트를 장착합니다.
    4. 클래드 영역을 노출 탑재 섬유 조각의 중심에 섬유 쟈켓 벗겨. 테이퍼가 제작 될 곳이다. 메탄올 제거 영역을 청소합니다.
    5. 오실로스코프의 실시간 전송을 확인하기 위해 가변 레이저의 전원을 켭니다. 광 검출기가 손상되지 않도록 감쇠기를 설정해야합니다.
    6. 바로 섬유의 비 재킷 형 부분 아래에 좁은 노즐 수소 가스 버너를 배치합니다. 수소와 같은 가연성 가스 압축 작업을 할 때 권장되는 모든 안전 절차를 따르십시오. 화염 또는 세라믹 히터의 다른 "깨끗한 연소"소스도 사용할 수 있습니다.
    7. 화염이 너무되지 않도록 가스를 점화하기 전에, 유량을 확인할대형 (1 ~ 2 ㎝ 높이 불길이 적절하다). 불꽃은 대부분 눈에 보이지 않는하지만 어두운 방에 희미한 오렌지 빛으로 볼 수 수도 있습니다. 수소 유량은 점화 불꽃 적절히 유리 섬유를 연화 할 점으로 설정되어야한다.
    8. 불꽃을 점등됩니다. 마자 화염의 상태로, 동력 스테이지를 사용하여 섬유를 당기는 시작. 적절한 인상 속도는 유량의 수소 가스의 속도와 화염의 인근 지역에 의존한다. 참고 : 광섬유를 통해 전송이 계속 당겨로 시간 발진 동작을 보여주기 시작합니다. 이 멀티 모드 동작을 나타냅니다.
    9. 진동 문제는 시간이 지남에 따라 변하지 않는 신호를 중지하고 표시되면 당기는 중지 및 턴 - 오프 불꽃을 즉시. 단일 모드 테이퍼가 획득 될 때이다. 전송을 확인합니다. 전송이 너무 낮 으면, 2.1.1의 절차를 반복한다. 개질 가스 유량, 불꽃의 크기 및 위치와 화염. 경우에 따라, 낮은 전송 단계 2.1.3에서 잘못된 정렬로 인해 수 있습니다. 또는 인해 오 염에노출 된 클래딩의 이온.
    10. 테이퍼를 통해 결과 전송이 만족하는 경우, 테이퍼를 냉각하는 데 몇 분 정도 기다립니다.
    11. 현미경으로 테이퍼를 검사합니다. 1,550 nm의 작동 파장, 단일 모드 테이퍼의 전형적인 직경은 1-2 μM의 순서이다.
  2. WGR에 테이퍼 커플 링과 전자 신호를 검색 나타내는 진동
    1. 도 3에 도시 된 구성에서 실험을 설정. 기계적 진동은 동일한 실험 구성으로 SBS와 RP 모두를 통해 생성 될 수있다. 명확하게, 후방 SBS 4,21의 경우와 같이 후방 산란 신호를 검출 테이퍼 및 가변 파장 레이저 사이의 서큘 레이터를 사용하기 위해.
    2. 조정 가능한 IR 레이저의 전원을 켜기 전에, 광 검출기가 손상되지 않도록 장소에 감쇠기를 설정해야합니다.
    3. 켜고 조정 가능한 IR 레이저를 안정. 함수 발생기는 입력 IR의 주파수를 스​​윕하는 데 사용레이저.
    4. 나노 포지셔닝 무대에서 공진기 홀더를 장착합니다. 정중 소멸 커플 링을 얻기 위해 테이퍼 섬유 부근에 공진을 가져온다. 레이저 주파수를 스윕으로, 광 공진은 22도 2b에서와 같이 오실로스코프에 전송에서 딥으로 표시됩니다.
    5. 입력 레이저 광과 산란광 사이의 시간적 간섭 (즉, 비트 주) 관찰 할 수있는 전기 스펙트럼 분석기 (ESA), 광 검출기의 출력을 연결합니다. 이것은 시간적 간섭은 기계적 진동 주파수에서 발생한다. 스펙트럼 분석기의 "피크 홀드"기능은 기계적 진동에 대한 초기 검색에 유용합니다.
    6. 액체가 장치 내부에 존재 특히, 기계적 진동에 대한 초기 검색을 수행하는 동안 높은 입력 전원을 사용합니다. NOTE : 일반적으로, 장치 (100) μW의 순서로 입력 전원 mechan을 자극하기에 충분iCal의 진동.
    7. 기계적 진동이 관측 될 경우, 레이저 주파수 스캔을 끄고 CW 모드에서 레이저 파장을 조절함으로써 중요한 광학 모드 잠그지. 여기에, 오실로스코프와 스펙트럼 분석기 모두 직렬에 유용하다. 그림 5와 1,6에서와 같이 기계적 모드가 존재하는 경우,주기 신호 오실로스코프에 나타납니다.

3. 광 기계 진동 측정

  1. 방사선 압력 (RP) 모드의 광학 및 전자 서명
    1. 2.2에 기재된 바와 같이 테이퍼 및 장치가 올바르게 결합 할 때, 기계적 진동이 관측되고, 광 소자 및 기계류 모드는 충분한 Q-인자가 있고, 충분한 입력 광 전력이 제공된다. 10 MHz의 주파수 범위에서 진동하는 경우 - 1 GHz 이상은 관찰되지 않고, 서로 다른 공진을 조사하는 편광을 변경하거나 위해 가변 파장 레이저에서 입력 전력을 증가시키는 시도진동의 최소 임계 값을 극복. 입력 전력을 증가 할 때는 항상 광 검출기를 포화하지 않도록주의하십시오. 8에 기재된 바와 또, 결합 거리는 흥미로운 다른 RP 모드에 대한 중요한 인자이다.
    2. 기계적 모드가 여전히 발견되지 않는 경우, 광학 품질 계수를 측정하려고. 미세 광 기계 공진기의 경우, 결과는 106의 광학 품질 계수가 파라 메트릭 진동 (13)를 자극하기에 충분한 것으로 나타났다.
      참고 : 보통, RP 모드는 그림 5에서 볼 수있는 것처럼, 자신의 고조파 함께 스펙트럼 분석기와 같은 전자 진동을 나타낼 것입니다 대표 결과는 4 장에서 논의 될 것이다..
    3. 인해 주기적 캐비티 변형에 의해 유도되는 회전에 진폭 및 위상 변조에 생성되는 광학적 측 대역을 검출하도록 주사 파브리 - 페로 간섭계 또는 고해상도 광 스펙트럼 분석기를 사용한다. 예 측정의 수 있습니다1의 그림 3H의 EEN.
  2. 속삭이는 화랑 음향 모드의 광학 및 전자 서명
    1. 석영 유리에 대한 이전 버전과 SBS의 음향 주파수는 1.5 미크론 펌프 레이저는 4,23를 사용하는 경우 약 11 GHz의입니다. 이러한 진동 모드에 대해 전자 신호를 관찰하기 위해, 후방 산란 빛을 모니터링하는 큐레이터와 레일리 산란 펌프의 일부 소량을 사용합니다. 산란광을 해결하기 위해 고해상도 광 스펙트럼 분석기를 사용한다. 예 측정은 4 그림 2와 같다.
    2. 낮은 주파수 (1GHz 이하) 속삭이는 화랑 음향 모드를 관찰하기 위해 앞으로 흩어져 빛과 펌프 레이저 사이의 비트 노트를 사용합니다.
    3. 인해 호흡 방향 낮은 기계적 강성, SBS로부터의 신호는 RP 모드에서의 신호보다 종종 더 약하다. 다시 느린 속도로 레이저를 청소하고, SPECT의 "피크 홀드"를 사용SBS 신호를 찾는 데 도움 럼 분석기.
    4. (계단식 여기가 4,24 일어난다 제외) RP-흥분 호흡 모드와 달리, SBS-흥분 속삭이는 화랑 음향 모드를 광학 및 전자 스펙트럼의 고조파가 발생하지 않도록합니다. 대신 하나의 스톡스 측 파대는 SBS 모드에 나타납니다.

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결과

이 방법에 의해 제조 된 모세 혈관 (30 μm의 200 μm의 사이에) 명확하고, 매우 유연하고 얇은 있지만, 직접 처리를 위해 충분히 강력하다. 그것은 높은 광 품질 계수 (Q)를 유지하기 위하여 먼지와 물 (수분)에 대한 모세관 장치의 외부 표면을 보호하는 것이 중요하다. 물에서 모세관의 한쪽 끝을 침지하고 주사기에 의해 모세관을 통해 공기를 송풍함으로써, 모세관 발열로 인한 제조 중에 밀봉되었는지 여부를 통해 확인 될 수있다.

가변 파장 레이저는 테이퍼 광 도파로 결합 수단에 의해 제조 장치의 광 모드를 조사하는 데 사용될 수있다. 이 테스트에서, 날카로운 광 공진은 높은 광학 Q-인수를 나타내는 것으로 예상된다. 높은 Q-인자에 대한 추가 표시는 광 모드 (25)의 열 폭이 넓어입니다.

RP-작동 파라 메트릭 발진이 발생, harmoni 기계적 모드의 CS는 테이퍼 진 도파로의 출력 포...

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토론

우리는 제조 및 자극 (및 심문) 기계적 진동 높은-Q 광 공진을 이용하여 공동 optomechanics로와 미세 유체 사이에 다리를 새 장치를 테스트했습니다. 그것은 11,300 MHz로 2 메가 헤르츠에 걸쳐 가격을 기계적 진동 모드의 다양한 생성하는 여러 여기 메커니즘은 매우 동일한 장치에서 사용할 수있는 것은 놀라운 일이다. 원심 방사선 압력이 2-200 MHz의 범위에서 포도주 잔으로 한 잔 모드와 호흡 모드를 모두 지원, 앞으로 브릴 루앙 산란 50-1 MHz의 범위에서 기계 속삭이는 갤러리 모드를 허용하고, 마지막으로, 이전 버전과의 유도 브릴 루앙 산란 11,000 MHz의 근처에 기계 속삭이는 갤러리 모드를 흥분 자극 .

현재 작업에서 설명하는 방법은 약 10 8의 매우 높은 광학 품질 요소와 이러한 미세 공진기의 제조를 가능하게한다. 동시에, 액체는 이제 장치 내에 국한되어 있기 때문에, 교류oustic 손실 제어하에 가져온 것으로 디바이...

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공개 사항

우리는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

이 작업은 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 스타트업 펀딩, AFOSR의 보조금을 통한 DARPA ORCHID 프로그램, CMMI-1265164 보조금을 통한 국립과학재단, 국립과학재단 대학원 연구 펠로우십 프로그램의 지원을 받았습니다. Jack Harris 교수, Pierre Meystre 교수, Matt Eichenfield 박사, Taher Saif 교수, Rashid Bashir 교수와의 계몽적인 토론에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
조정 가능한 IR 레이저NewfocusTLB-6328
광검출기Newfocus1811-FC (저속 125MHz) / 1611-FC-AC (고속 1GHz)
광섬유CorningSMF28
실리카 모세관PolyMicroTSP700850
10.6 um 파장 CO2 레이저Synrad48-1KWM 및 48-2KWM
UV 경화 광학 접착제ThorlabsNOA81
TubingTygonEW-06418-01
주사기B-DYO-07940-12
NeedlesWellerKDS201P
Electrical Spectrum analyzerAgilent TechnologiesN9010A (EXA Signal Analyzer)
전기 스펙트럼 분석기텍트로닉스6114A (RSA, 실시간 스펙트럼 분석기)
광 스펙트럼 분석기AdvantestQ8384
오실로스코프텍트로닉스DPO 4104B-L
골드 미러II-VI 적외선836627
선형 스테이지(저속)DryLinH1W1150
선형 스테이지(고속)PBC 선형MTB055D-0902-14F12
Fabry Perot 광 스펙트럼 분석기ThorlabsSA 200-14A(FSR: 1.5GHz)

참고문헌

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  24. Li, J., Lee, H., Vahala, K. J. Microwave synthesizer using an on-chip Brillouin oscillator. Nature Communications. 4 (2097), (2013).
  25. Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Optics Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).

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