제작 및 미세 유체 광​​ 기계 발진기의 테스트

이 절차의 전체적인 목표는 유체상 매체에서 작동하는 광기계적 발진기를 제작하고 입증하는 것입니다. 이는 먼저 CO2 레이저 조사 하에서 용융 실리카 유리 모세관 프리폼을 가열하고 인발하여 미세유체 광기계적 공진기를 제작함으로써 달성됩니다. 두 번째 단계는 제작된 장치를 테스트하기 위해 장착하는 것입니다.

다음으로, 테이퍼드 광섬유를 이용하여 제작된 소자의 광학 위스퍼링 갤러리 모드를 펌핑하기 위해 다이오드 레이저를 사용합니다. 최종적으로, 출력 광신호의 전자 스펙트럼 분석을 통해 유체 내 기계적 모드를 통한 광기계적 상호작용과 센싱을 보여줍니다. 이러한 소자들은 유체상 물질을 이용한 광기계학 실험을 수행할 수 있는, 이전에는 불가능했던 기능을 제공합니다.

일반적으로 이 방법을 처음 접하는 연구자는 제작, 공정, 요구 사항, 실습 및 제작 파라미터를 최적화해야 하므로 어려움을 겪을 수 있습니다. 구동 및 광기계적 모드의 식별을 숙달하기 어렵기 때문에 이 방법의 시연이 매우 중요합니다. 첫 번째 정렬을 수행하기 위해 유리 모세관 프리폼을 가열하고 인발하여 미세유체 공진기를 제작합니다.

소프트웨어로 제어 가능한 두 개의 선형 이동 스테이지가 있습니다. 이들은 동일한 선을 따라 이동합니다. 모세관이 간격 사이로 확장될 수 있도록 두 스테이지는 수 센티미터 거리로 떨어져 있어야 합니다.

스테이지의 샘플 홀더는 모세관이 축상에 놓이도록 정렬되어야 합니다. 스테이지의 이동 경로를 따라, 다음 단계로 진행하기 전 두 개의 CO2 레이저를 사용하여 가열을 수행합니다. 고출력 레이저 작업 시 적절한 안전 예방 조치를 취하십시오.

그런 다음 레이저 출력이 리니어 스테이지 사이의 간극 내 동일한 지점을 향하도록 조정하십시오. 이 지점은 모세관이 고정될 위치여야 합니다. 빔 블록을 사용하여 대상 지점을 통과한 빔을 차단하십시오.

두 개의 이송 스테이지와 두 개의 CO2 레이저 출력 수준을 동시에 제어하기 위해 소프트웨어를 사용하십시오. 이 설정에서 신뢰할 수 있는 모세관은 한 스테이지가 약 10 millimeters per second로 빠르게 이동하고, 다른 스테이지가 가열 구역에 더 많은 재료를 공급하기 위해 동일한 방향으로 약 0.5 millimeters per second로 느리게 이동할 때 제작됩니다.

두 레이저는 3초의 예열 기간 동안 4.5 W로 설정합니다. 그 후 드로잉 공정 중에는 5 W 이상으로 설정합니다. 공진기를 제작하려면 융융 실리카 모세관 프리폼을 사용하며, 선형 이동 스테이지의 두 샘플 홀더 사이에 닿을 수 있도록 약 2~4 cm 길이로 절단합니다.

다음으로, 모세관을 시료 홀더에 부착합니다. 이때 레이저 타겟 영역이 모세관 길이의 대략 중앙에 오도록 합니다. 이어서 제어 소프트웨어를 실행합니다.

레이저로 모세관을 3초 동안 예열합니다. 그런 다음 모세관을 약 10초 동안 당깁니다. 공정이 끝나면 오염을 방지하기 위해 펼쳐지지 않은 두꺼운 끝부분만 잡고 인발된 모세관을 제거하십시오.

깨끗한 공진기 표면이 공중에 매달리도록 모세관을 겁니다. 인발 파라미터를 변경하여 다양한 직경의 모세관을 제작하고, 모세관이 열려 있는지 확인하기 위해 제작 과정을 반복합니다. 얕은 물 팬과 주사기를 사용하여 작업하십시오.

완성된 모세관을 조심스럽게 집어 올려 한쪽 끝을 물에 담급니다. 주사기를 사용하여 반대쪽 끝으로 공기를 불어 넣습니다. 공기 방울이 생기면 모세관이 뚫려 있는 것입니다.

모세관을 테스트하기 전에, 모세관을 고정하기 위한 홀더를 제작해야 합니다. 이를 위해 유리 슬라이드에서 1 cm × 0.5 cm 크기의 유리 조각 3개를 자릅니다. 또한, 유리 슬라이드에서 3 cm × 0.5 cm 크기의 조각 1개를 추가로 자릅니다.

그 후 유리 접착제 또는 순간접착제를 사용하여 이 부품들을 eha로 조립합니다. 다음으로, U자형 홀더의 인접한 두 가지(branch) 사이의 거리를 가로지르고 양끝이 그 너머로 확장될 수 있는 길이로 모세관을 절단합니다. 광학 접착제를 사용하여 모세관의 양끝이 홀더의 두 가지 너머로 뻗어 있고 중심부가 그 사이에 매달려 있도록 접착합니다.

그런 다음 LED UV 경화등을 사용하여 광학 접착제를 필요한 시간 동안 경화시킵니다. 약 10초 후, 모세관보다 내경이 약간 더 큰 플라스틱 튜브를 준비합니다. 장착된 모세관의 각 끝부분에 튜브를 조심스럽게 끼웁니다.

다시 한번 광학 접착제를 사용하여 모세관과 연결 부위를 밀봉하고 UV 광선으로 경화시킵니다. 경화가 완료되면 조립체가 장착될 준비가 됩니다. 세 번째 여분 유리 분기를 사용하여 구조물을 제자리에 고정합니다.

본 실험에서는 함수 발생기에 연결되어 레이저 파장을 주기적으로 스윕(sweep)하는 파장 가변형 광섬유 결합 적외선 레이저를 사용합니다. 레이저 출력은 먼저 편광 컨트롤러를 통과합니다.

그 후, 빛은 나노 포지셔닝 스테이지 근처에 있는 단일 모드 통신 대역 테이퍼드 광섬유 도파로로 결합됩니다. 테이퍼드 광섬유를 통과한 빛은 하류 분석기를 보호하기 위해 감쇠기를 거칩니다. 본 실험에서는 감쇠기를 지난 빛이 전기 스펙트럼 분석기와 오실로스코프에 연결된 광검출기로 향하게 됩니다.

레이저를 안정화하고 레이저 빔 파장 스캔을 시작하여 실험을 개시합니다. 다음으로, 장착된 모세관 공진기를 회수하여 테이퍼드 파이버 인근의 나노 포지셔닝 스테이지에 모세관 공진기 홀더를 장착합니다. 그 후, 스테이지를 조심스럽게 이동시켜 공진기를 테이퍼드 파이버로부터 약 1 µm 거리까지 접근시켜 에반에센트 결합을 유도합니다.

파장을 스캔함에 따라 오실로스코프에서 시간의 함수로 관찰되는 레이저 투과율의 감소(dip)는 소멸 결합(evanescent coupling)과 공명(resonance)의 존재를 나타냅니다. 스펙트럼 분석기를 사용하여 입사 레이저 광과 산란광 사이의 시간적 간섭을 검색하십시오. 이 비트 노트(beat note)는 기계적 진동 주파수에서 발생합니다.

이 예시에서는 복사압을 통해 모세관 내에서 24.94 megahertz의 기계적 모드를 여기시키며, 레이저 주파수 스캔을 끄고 레이저 파장을 제어함으로써 기계적 진동에 해당하는 광학 모드에 고정(lock)을 시도합니다. 연속파(continuous wave) 모드에서는 기계적 모드가 존재할 때 오실로스코프에 주기적인 신호가 나타납니다. 숙달된 후 적절하게 수행한다면, 장치 제작 및 테스트는 약 45분 내에 완료될 수 있습니다.

이 절차를 수행할 때, 표면의 청결도를 유지하기 위해 레조네이터와 테이퍼드 파이버를 핀셋으로조차 절대 직접 취급해서는 안 된다는 점을 명심하는 것이 중요합니다. 개발 이후, 이 기술은 공동 광역학 분야의 연구자들이 유체 및 바이오 분석물과의 새로운 상호작용을 탐구할 수 있는 길을 열어주었습니다.