Fabricage en testen van Microfluidic Optomechanische oscillators

Het algemene doel van deze procedure is het vervaardigen en demonstreren van optomechanische oscillatoren die werken met media in vloeibare fase. Dit wordt bereikt door eerst microfluïdische optomechanische resonatoren te vervaardigen via het verhitten en uitrekken van capillaire preforms van gesmolten silicaglas onder CO2-laserbestraling. De tweede stap is het monteren van de vervaardigde apparaten voor testen.

Vervolgens wordt een diodelaser gebruikt om optische whispering gallery-modi van het vervaardigde apparaat aan te sturen middels een taps toelopende optische vezel. Ten slotte wordt elektronische spectrumanalyse van de optische uitgangssignalen gebruikt om optomechanische interactie en detectie via mechanische modi in vloeistoffen aan te tonen. Deze apparaten bieden een voorheen niet beschikbare mogelijkheid om optomechanische experimenten uit te voeren met materialen in vloeibare fase.

Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode moeite hebben, omdat de fabricage, het proces, de behoeften en de fabricageparameters geoptimaliseerd moeten worden. Demonstratie van deze methode is essentieel, aangezien de activering en de identificatie van de optomechanische modus moeilijk te beheersen zijn. De microfluïdische resonatoren worden gefabriceerd door glazen capillaire preforms te verhitten en uit te trekken om deze eerste uitlijning te bereiken.

Twee softwarematig aanstuurbare lineaire translatietraverses. Deze bewegen langs dezelfde lijn. Ze moeten enkele centimeters uit elkaar geplaatst worden, zodat de capillair over de opening kan worden uitgestrekt.

De monsterhouders op de stages moeten worden uitgelijnd om een capillair op de as te houden. Langs de bewegingslijn van de stages zal de verhitting worden uitgevoerd door twee CO2-lasers voordat men verdergaat. Neem de juiste veiligheidsvoorzorgsmaatregelen voor het werken met lasers met een hoog vermogen.

Richt vervolgens de output van de lasers zodanig dat ze hetzelfde punt in de opening tussen de lineaire stadia raken. Dit punt moet zich bevinden op de plaats waar een capillair zal worden opgehangen. Gebruik straalblokken om de stralen na het richtpunt te stoppen.

Gebruik software voor de gelijktijdige aansturing van de twee translatietrappen en de vermogensniveaus van de twee CO2-lasers. Bij deze opstelling worden betrouwbare capillairen geproduceerd wanneer één trap snel beweegt, ongeveer 10 millimeters per seconde, en de andere traag, ongeveer 0,5 millimeters per seconde in dezelfde richting, om meer materiaal in de verhitingszone te voeden.

Beide lasers worden ingesteld op 4,5 watt voor een voorverwarmingsperiode van drie seconden. Vervolgens wordt er vijf watt of meer gebruikt tijdens het trekproces. Om de resonator te vervaardigen, gebruikt u gefuseerd silica, capillaire preform; snijd een lengte van ongeveer twee tot vier centimeter die het bereik tussen de twee monsterhouders op de lineaire translatiepodia kan overbruggen.

Bevestig vervolgens de capillair aan de monsterhouders, zodat de laserdoelzone zich ongeveer in het midden van de capillairlengte bevindt. Start daarna de aansturingssoftware.

De laser verwarmt de capillair gedurende drie seconden voor. Vervolgens wordt de capillair ongeveer 10 seconden uitgetrokken. Wanneer het proces is voltooid, verwijdert u de uitgetrokken capillair door alleen het dikke, niet-uitgevouwen uiteinde vast te houden om contaminatie te voorkomen.

Hang de capillair zodanig dat het oppervlak van de schone resonator in de lucht is gesuspendeerd. Maak capillairen met verschillende diameters door de trekparameters te variëren en herhaal het fabricageproces om te garanderen dat de capillairen open zijn. Werk met een ondiepe pan water en een spuit.

Pak een voltooide capillair voorzichtig op en dompel één uiteinde in het water. Gebruik de spuit om lucht door het andere uiteinde te blazen. Luchtbellen geven aan dat de capillair open is.

Voordat de capillairen kunnen worden getest, moet er een houder worden gebouwd om ze te monteren. Snijd hiervoor drie glaspjes van 1 centimeter bij 0,5 centimeter uit objectglazen. Snijd daarnaast ook één stuk van drie centimeter bij een halve centimeter uit een objectglas.

Gebruik vervolgens glaslijm of secondelijm om deze onderdelen tot een eha te assembleren. Snijd daarna uit een getrokken capillair een lengte die de afstand tussen twee aangrenzende takken van de U-vormige houder kan overbruggen en daarvoorbij steekt. Gebruik optische lijm om de capillair zodanig vast te lijmen dat de uiteinden voorbij de twee takken van de houder steken en het midden ertussen is opgehangen.

Hard vervolgens de optische lijm uit met een LED-UV-uithardingslamp gedurende de benodigde tijd. Na ongeveer 10 seconden neemt u plastic buisjes met een binnendiameter die iets groter is dan die van de capillair. Schuif voorzichtig over elk uiteinde van de gemonteerde capillair een buisje.

Gebruik opnieuw optische lijm om de verbinding tussen de capillaire en de glazen tak af te dichten en hard het geheel uit met UV-licht. Na het uitharden is de assemblage klaar voor montage. Gebruik de derde vrije glazen tak om de structuur op zijn plaats te klemmen.

Voor dit experiment wordt gebruikgemaakt van een golflengte-instelbare, vezelgekoppelde infraroodlaser die is aangesloten op een functiegenerator. Deze wordt gebruikt om de golflengten van de laser periodiek te scannen. De laseroutput wordt eerst door een polarisatiecontroller geleid.

Vanaf daar wordt het gekoppeld aan een single-mode telecomband taps toelopende fiber waveguide die zich dicht bij een nanopositioneringstafel bevindt. Na de taps toelopende fiber gaat het licht door attenuatoren om de stroomafwaartse analyzers te beschermen. Voor dit experiment wordt het licht na de attenuator gericht op een fotodetector die is aangesloten op een elektrische spectrumanalyzer en een oscilloscoop.

Begin het experiment door de laser te stabiliseren en scans van de golflengte van de laserstraal te starten. Haal vervolgens de gemonteerde capillaire resonator op en plaats de houder van de capillaire resonator op de nanopositioneringstabel nabij de taps toelopende vezel. Verplaats daarna de tafel voorzichtig zodat de resonator zich op ongeveer één micron afstand van de taps toelopende vezel bevindt om evanescente koppeling te verkrijgen.

Terwijl de golflengten worden gescand, duiden dalingen in de lasertransmissie als functie van de tijd, waargenomen op de oscilloscoop, op de aanwezigheid van evanescente koppeling en resonanties. Gebruik de spectrumanalysator om te zoeken naar temporele interferentie tussen het ingevoerde laserlicht en het verstrooide licht. Deze beatnoot treedt op bij de mechanische oscillatiefrequentie.

In dit voorbeeld wordt een mechanische modus op 24,94 megahertz in de capillair opgewekt door stralingsdruk; men probeert te synchroniseren met de relevante optische modus voor een mechanische oscillatie door de laserscanfrequentie uit te schakelen en de golflengte van de laser te regelen. In continu-golfmodus verschijnen er periodieke signalen op een oscilloscoop wanneer een mechanische modus aanwezig is. Zodra de techniek onder de knie is, kunnen de fabricage van het apparaat en de testen in ongeveer 45 minuten worden voltooid, mits dit correct wordt uitgevoerd.

Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden dat de resonator en de taps toelopende vezel nooit handmatig mogen worden gehanteerd, zelfs niet met de pincet. Dit is noodzakelijk om de reinheid van de oppervlakken te waarborgen. Sinds de ontwikkeling heeft deze techniek de weg vrijgemaakt voor onderzoekers op het gebied van caviteitsoptische mechanica om nieuwe interacties met vloeistoffen en bioanalieten te verkennen.