Implementatie van een Reference Interferometer voor NanoDetection

Summary

Een verwijzing interferometer techniek, die is ontworpen om ongewenste laser jitterruis voor NanoDetection verwijderen, wordt gebruikt voor het sonderen van een ultra-hoge kwaliteit factor microcavity. Aanwijzingen voor de montage, installatie, en data-acquisitie worden verstrekt, naast het meetproces voor het opgeven van de holte kwaliteitsfactor.

Abstract

Een thermisch en mechanisch gestabiliseerde fiber interferometer geschikt voor de behandeling van ultra-hoge kwaliteit factor microcavities wordt gevormd. Na de beoordeling van de vrije spectrale bereik (FSR), wordt de module gezet parallel met een fiber conus-microcavity systeem en vervolgens gekalibreerd door middel van isoleren en elimineren willekeurige verschuivingen in de laser frequentie (dwz laser jitterruis). De taps microcavity junctie te realiseren en optische vermogen dat wordt overgedragen aan de resonator te maximaliseren, is een single-mode optische vezel golfgeleider getrokken. Oplossingen bevattende polystyreen nanobeads worden vervolgens bereid en gevlogen de microcavity om de capaciteit van het systeem te voelen binding aan het oppervlak van de microholte tonen. Data is naverwerkt via aanpassende curve fitting, waardoor voor hoge resolutie metingen van de kwaliteitsfactor en het plotten van tijdafhankelijke parameters, zoals resonante golflengte en split frequentieverschuivingen. Door het zorgvuldiginspectie stappen in het tijdsdomein respons en verschuiven in de frequentiedomein response kan dit instrument kwantificeren discrete bindingsgebeurtenissen.

Introduction

Onderzoek rente is aanzienlijk gestegen op het gebruik van fluisterende-gallery mode (WGM) microcavities voor het doel van NanoDetection en biosensoren ^1-8. Dit houdt in ultra-hoge kwaliteit (Q) optische holtes die bedreven zijn in het identificeren van minuscule biologische deeltjes, tot de single-eiwit niveau ² zijn. Dat wil zeggen, het toezicht op verschuivingen in resonantie en split frequentie voor transmissie met buitengewone gevoeligheid ^9-11 kan worden geactiveerd door opsluiting van licht-energie de holte binnen een kleine modus volume. Variaties in de optische eigenschappen van een resonator zijn de oorzaak van deze verschuivingen, die op zijn beurt afkomstig uit de binding van afzonderlijke moleculen of nanodeeltjes. Een minder verfijnde voorbeeld van een driedimensionale structuur WGM voor dergelijke toepassingen een silica microsfeer, die kan worden vervaardigd met een nabij atomair glad oppervlak door simpelweg een ablatie getrokken optische vezel met een _CO2 laser. Zoals bekend,hoge Q-factoren in de orde van 10 ⁹ kan worden bereikt ^1.

De resonantiefrequentie van een microholte wordt gewoonlijk gevolgd door het scannen van de optische frequentie van een afstembare laser bron tegelijkertijd foto-detectie van de optische transmissie die is vastgelegd op een oscilloscoop. Een inherent nadeel van deze techniek is de onzekerheid in verband met de locatie van druppels in de transmissie die voortkomt uit fluctuerende lasergolflengte of laser jitter. Om deze complicatie te overwinnen, kan een interferometer gebruikt worden naast een microcavity een referentiesignaal aan de laser jitter annuleren en verhoging van de gevoeligheid waargenomen ² produceren. Lichtinvoeroppervlak bestaat uit twee optische banen: de referentiebundel dat door de interferometer (met een vrij spectraal bereik of FSR groot genoeg om te voorkomen dat de laser vanaf jittering langs een FSR frequentie-afstand tijdens de meting) en de detectie balk int passeerteracts met de WGM microresonator. Deze functie stroomlijnt experimenten in vergelijking met meer geavanceerde configuraties, zoals die van WGM sensing meebrengt de combinatie van een laser met verdeelde terugkoppeling (DFB) periodiek gepoolde lithiumniobaat (PPLN) verdubbelaar ^12. In deze publicatie wordt een interferometer techniek voor ultra-hoge kwaliteit factor microcavity gebaseerde controle van nanoschaal materie beschreven ^3. De setup en data-acquisitie procedures die nodig zijn om dit te bereiken worden beschreven, illustreren hoe holte kwaliteit factor kan worden bepaald door middel van verwijzing interferometrie.

Protocol

1. Reference Interferometer Bouw en FSR Measurement

1. Bouw
   1. Maak een open-top acryl box. Deze structuur moet groot genoeg zijn om goed passen in een 16 cm x 16 cm x 16 in piepschuim doos zijn.
   2. Fabriceren van een 3-traps wandrek voor optische componenten, die in de open-top acryl box zal zitten en zal volledig afgesloten zijn met het piepschuim doos voor thermische isolatie te huisvesten. Twee verhoogde gaten op de doos piepschuim moet aanwezig zijn om te zorgen voor vezels om de hele behuizing in en uit.
   3. Op de ^3e fase: een uitgangsvezel van 3 dB directionele koppelaar worden vastgeklemd een polarisatie regelaar die op zijn beurt leidt tot een ingangspoort van een afzonderlijke 3 dB directionele koppelaar.
   4. Op de ^2e fase: Vorm een lus met ongeveer 16 meter van de optische vezel afkomstig van de andere uitgangspoort van de eerste 3 dB directionele koppelaar. Direct deze vezel de resterende ingangspoort van de second 3 dB directionele koppeling op de 3 ^e fase.
   5. Vul het acryl doos met 50% geschoren ijs gemengd met 50% vloeibaar water, als een ijsbad mode en bijgevolg de temperatuur van de optische componenten dichtbij 0 ° C te houden
2. FSR Meting
   1. Stel de sonde laser op de gewenste golflengte. Gebruik een functiegenerator zodanig dat de uitgang is verbonden met een 3 dB power splitter. Een van de uitgangen van de 3 dB splitter moet worden aangesloten op de oscilloscoop voor het toezicht en de andere uitgang wordt gebruikt om direct afstemmen van de frequentie van de laser.
   2. Voer de laser uitgevoerd als de input voor de 1 ^ste 3 dB richtkoppelaar.
   3. De twee uitgangen van de 2 ^e 3 dB richtkoppelaar zijn om photomixed signalen te dragen aan een evenwichtige fotodetector (BPD). Tenslotte sluit de output kabel van de BPS om een ​​kanaal ingang van de oscilloscoop.
   4. Lineair scannen van de laser frequentie door supplying de lasermodule een helling signaal gegenereerd door de golfvormgenerator (met een piek-tot-piek spanning van 1 V en scanfrequentie 100 Hz). Het uitgangssignaal van BPD zal sinusoïdale worden op de oscilloscoop.
   5. Stem de polarisatie controller met de piek-tot-piek spanning van de sinusvormige golfvorm maximaliseren.
   6. Om de FSR te meten, het configureren van de laser voor continue wave output door de golfvorm generator aan DC-modus. Stem de golfvorm generator spanning zodanig dat het uitgezonden signaal van de BPD schommelt rond de 0 V (dwz. De kwadratuur punt). Inspecteer het uitgangssignaal via een elektrische spectrum analyzer. De bewaakte signaal verschijnt als een sinc-functie vierkant, waarbij de locatie van de eerste nul dichtst bij de globale maximum (bij frequentie nul) overeenkomt met de FSR. Om de meting te minimaliseren, zet de elektrische spectrum analyzer om middeling modus.

2. Fiber trekken ¹³

Inleiding: Het doel van deze procedure is ongeveer overeenkomt met de fase van fotonen reizen in de conus die de microholte zodat efficiënte koppeling kan optreden. Als de vezel wordt getrokken, wordt het centrale deel dat ligt tussen de twee klemmen overgang van ondersteuning van een enkele modus op geregelde vezel, meerdere modi binnen een golfgeleider gevormd door de oorspronkelijke silica bekleding worden de kern en lucht steeds de bekleding, en een enkele modus. De silica kern van de vezel vrijwel verdwijnen in het centrale gedeelte, waarbij tijdelijk tevreden multimode propagatiecondities worden tegengegaan door de voortdurende inkrimping van de vezeldiameter.

1. Bevestig de vezelhouder om de gemotoriseerde translationeel podium.
2. Connectorize twee delen van optische vezel met FC / APC connectors aan een uiteinde van elke sectie. Verwijder de buffer coating van de niet-aangesloten uiteinden met een vezel stripper, maak ze schoon met aceton eerste en then isopropanol, klieven het einde facetten, en fusion splice ze samen.
3. Voor het bewaken van het verlies in de tapse sluit een probe laser constante stroom modus om een ​​uiteinde van de vezel terwijl het andere uiteinde van de vezel is verbonden met een fotodetector (PD). De uitgang van de PD moet worden aangesloten op een oscilloscoop. Pas de oscilloscoop instellingen op de PD uitgangsspanning, die evenredig is met de uitgezonden laservermogen meten.
4. Noteer de initiële waarde van de PD uitgangsspanning en blijven zij toe totdat punt 2.9.
5. Klem de fiber to the vezelhouder en het imago van de vezel met een optische microscoop.
6. Laat waterstof zodat het begint te stromen bij conus, wachtend op lucht de buis af te sluiten en de druk van het kanaal te stabiliseren. Zodra het debiet voor het waterstofgas 110 ml / min bereikt, steek het in brand in de buurt van de uitlaat met een aansteker om de vezel te verwarmen.
7. Met behulp van een aangepaste LabVIEW programma, lineair trek de vezel. Merk op dat tijdens de pulling proces, de vezel kern geleidelijk verdwijnt terwijl meerdere bekleding modi dominant worden in het licht te begeleiden door het trechtervormige deel vezel. De uitgezonden intensiteit door de optische vezel dient te oscilleren vanwege multimode interferentie.
8. Blijven trekken van de vezel om de vezel te taper breedte verminderen totdat het ondersteunt slechts een mantel modus. Zodra de uitgezonden intensiteit ophoudt te variëren, stoppen met het trekken van de vezel.
9. Laat de vezel houder van de vertaling podium en zet hem in de buurt van de piëzo-elektrische podium.

3. Voorbereiding en levering van oplossingen

1. Bereid 22:00, 13:00, en 100 FM oplossingen bestaande uit 50 nm straal monodisperse polystyreen microsferen in Dulbecco's fosfaat gebufferde zoutoplossing (DPBS). Daarnaast maken een pure DPBS oplossing.
2. Plaats de oplossingen in een centrifuge, spreiden hun posities binnen het voor evenwicht doeleinden, en start een 30 minuten spinnen cyclus.
3. Bij completion, veilig plaats de oplossingen in een exsiccator, evacueren, en bestoken de oplossingen met ultrasone golven gedurende 30 minuten.
4. Verwijder de oplossingen en leg ze opzij in de buurt van het experiment setup.
5. Bouw een tribune voor een kleine levering vloeistof systeem.
   1. Bij het schoonmaken van twee hulzen, steek spuit tips op beide uiteinden van een microtubuli segment en schroef de hulzen aan de spuit tips. Individueel sluit een van de hulzen aan een derde spuit tip en de andere aan de Luer lock montage van een vat-plunjersamenstel.
   2. Bevestig de blootgestelde spuit tip om de stand en prop het achter het monster. De vloeistoffen moeten kunnen stromen op het monster zonder significante morsen.
6. In termen van artikel 5 van het protocol, laadt het vat met een passende oplossing en handmatig injecteren via de microfluïdische systeem tijdens het experiment.

4. Systeemconfiguratie en Interconnecties

1. Sluit de sonde lase r een 10 dB directionele koppeling. De gekoppelde poort is aangesloten op de ingangspoort van de referentie interferometer terwijl de toegezonden poort verbonden met een polarisatie-regelaar gevolgd door de tapse vezel.
2. Heroriëntatie van de microscoop doelstellingen om twee scherpe beelden van de vezel conus verwerven.
3. Verbind de uitgang van de taps toelopende vezels om een ​​PD. De uitgang van deze PD moet een ander kanaal ingang van de oscilloscoop worden bevestigd.
4. Monteer het monster op de nanopositioner en maak grove aanpassingen te verplaatsen zodat het nabij het centrum van de vezel conus.
5. Injecteren DPBS aan het monster. Maak grove aanpassingen zodanig dat de vezel taper in zicht komt van de twee CCD-camera's. Pas de nanopositioner de koppeling tot stand vanaf de vezel conus aan de microcavity.
6. Scan de laser golflengte een geschikte resonantie dip op de oscilloscoop verkrijgen.

5. Nanodeeltjes Detectie

NHOUD "> Om gegevens te verkrijgen: trigger-instellingen van de oscilloscoop configureren en, met behulp van zelfgemaakte software, verzamel oscilloscoop sporen voor verdere verwerking.

1. Noteer de gegevens van de bufferoplossing als referentie.
2. Noteer de gegevens van de nanodeeltjes oplossingen van de laagste tot de hoogste concentratie.
3. Let op de frequentie verschuivingen die plaatsvinden als gevolg van nanodeeltjes binden de microcavity.

6. Naverwerking van gegevens

De verzamelde gegevens kunnen verder worden verwerkt door een zelfgeschreven MATLAB programma. Het programma moet:

1. Lees de referentie-interferometer sporen en voeren een kleinste-kwadraten om de sinusvormige curves. De fasen van de gemonteerde sinusvormige worden gebruikt om de laser jitter op de vlieg.
2. Lees de holte transmissie sporen en voeren een kleinste-kwadraten om de dubbele-Lorentz-functie. Optische frequenties die corresponderen met de resonantie kuilen (ν _1,ν ₂₎ en hun volledige breedte op halve hoogte (FWHM's, vertegenwoordigd door δν _1, δν ₂₎ worden bepaald door het transmissiesignaal naar de interferometer signaal.
3. Het verkrijgen van de kwaliteit factor van elke individuele dip van Q _i = ν _i / δν _i, waar ik kan ofwel 1 (links resonantie) of 2 (rechts resonantie).
4. Bereken, zoals gebruikelijk, de optische frequentie van de resonantie dips via laser scan-spanning, waarbij de laser jitter opbrengsten groter meetruis.
5. Verzamel de gemiddelde resonantiefrequentie ν _gem = (ν ν ₁ + ₂₎ / 2 en split Δν frequentie ν = ₂ - ν ₁ voor elke meting en plot ze als een functie van de tijd. Wanneer nanodeeltjes bindt op het oppervlak van de microholte, plotselinge verschuivingen van zowel de gemiddelde resonantiefrequentie en split frequentie should worden waargenomen.

Results

Na het volgen van het protocol, kan de sporen worden samengesteld en gemonteerd. Figuur 3a toont de typische resonantie structuur van het microbolletje zoals weergegeven in de video, waarvan de frequentie splitsing waargenomen in DPBS medium. Een kleinste kwadraten om een dubbele Lorentz-functie betekent dat de kwaliteitsfactor van de linker en rechter resonantie dips respectievelijk 2,1 x 10 ⁸ en 3,8 x 10 ⁸ in een waterige omgeving. De optische frequenties van de FWHM worden verkr...

Discussion

Dit huidige opstelling is in staat sonderen een verscheidenheid van WGM microcavities, zoals diskettes, microsferen, en microtoroids, zonder enige terugkoppeling voor de sonde laserbron. Een aanzienlijk signaal-ruisverhouding (SNR) voor detectie kan worden verkregen door de stappen plaatsvinden verbeteringen door weglengte en deeltjes geïnduceerde terugverstrooiing effecten. Gezien de eenvoud en lage kosten van de referentie interferometer zelf deze werkwijze een efficiënte techniek voor het bestuderen of winnen de eige...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polystyreen  Microsferen	PolyScience
Dulbecco’s Fosfaat Gebufferde Saline (DPBS)	Life Technologies	14190
Piëzo-elektrisch Nanopositioneringssysteem	Physik Instrumente	P-611.3S
Balanceerde Fotodetector	Thorlabs	PDB120A
Fotodetector	Newport	1801-FC
3 dB Vezel Optische Richtingskoppeler	Thorlabs	FC632-50B
10 dB Vezel Optische Richtingskoppeler	Thorlabs	FC632-90B
Drop-In Polarisatie Controller	General Photonics	PLC-003-S-25
Functiegenerator	Hewlett-Packard	33120A
Fusiesplicer	Ericsson	FSU-925
Hogesnelheids Oscilloscoop	Agilent	DS09404A
Gemotoriseerde Translatiebaan met Controller	Thorlabs	MTS25-Z8E
Single Mode Optische Vezel, 600-800 nm, Ø125 μm Mantel	Thorlabs	SM600
Real-Time Elektrisch Spectrum Analyzer	Tektronix	RSA3408B
Optische Spectrum Analyzer	Agilent	70951A
632,5 – 637 nm Afstembare Laser	New Focus	TLB-6304
Filtratiepomp	KNF
Ultrasoon Reiniger	Crest Ultrasonics	Powersonic 1100D
Mini Vortexer	VWR	VM-3000
Centrifuge	Beckman Coulter	Microfuge 22R