Artigo de método

Fabricação e Teste de microfluídicos optomechanical osciladores

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DOI:

10.3791/51497

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29 de maio de 2014

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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

Neste artigo

Resumo

Excitações optomecânicas paramétricas foram recentemente demonstradas experimentalmente em ressonadores optomecânicos microfluídicos por meio de pressão de radiação óptica e espalhamento de Brillouin estimulado. Este artigo descreve a fabricação desses ressonadores microfluídicos juntamente com metodologias para gerar e verificar oscilações optomecânicas.

Resumo

Cavidade optomechanics experimentos que parametricamente casal modos fônons e modos de fótons têm sido investigados em vários sistemas ópticos incluindo microresonators. Experimentos optomechanical No entanto, por causa do aumento as perdas por radiação acústica durante a imersão líquido directo de dispositivos optomechanical, quase todos publicados foram realizados na fase sólida. Este artigo discute um ressonador optomechanical microfluídicos oco introduzido recentemente. Metodologia detalhada é fornecida para fabricar esses ultra-alta Q ressonadores microfluídicos, realizar testes optomechanical e medir modo respiratório orientado a pressão de radiação e as vibrações paramétricas modo galeria sussurrante SBS-driven. Ao limitar os líquidos dentro do ressonador capilar, os fatores de alta qualidade óptica mecânica e são simultaneamente mantida.

Introdução

Optomechanics cavidade estuda o acoplamento paramétrica entre os modos de fônons e modos de fótons em microresonators por meio de pressão de radiação (RP) 1-3 e estimulado espalhamento de Brillouin (SBS) 4-6. SBS e mecanismos RP foram demonstrados em muitos sistemas ópticos diferentes, tais como fibras de 7, microesferas de 4,6,8, 1,9, e os toros ressonadores cristalinos 5,10. Através deste acoplamento fóton-fônon, tanto de refrigeração 11 e excitação de 6,10 modos mecânicos têm sido demonstrados. No entanto, quase todos relataram optomechanics experimentos são com fases sólidas da matéria. Isto é porque a imersão líquido directo dos dispositivos optomechanical resulta em muito maior perda radiativa acústico, devido à maior impedância de líquidos em relação em relação ao ar. Além disso, em algumas situações de perda de mecanismos de dissipação de líquidos pode exceder as perdas acústicas radiativas.

Recentemente, um novo tipo de oscilador optomechanical oco com uma geometria microcapilar foi introduzido 12-15, e que por design é equipado para experimentos microfluídicos. O diâmetro do capilar é modulada ao longo de seu comprimento para formar vários ressonadores 'garrafa' que confinam simultaneamente ópticos sussurrando-gallery ressonâncias 16, bem como os modos de ressonância mecânicas 17. Várias famílias de modos ressonantes mecânicos participar, incluindo os modos de respiração, modos de vinho de vidro, e os modos acústicos sussurrando-galeria. O copo de vinho (em pé de onda) e sussurrando-gallery acústico (-onda viajante) ressonâncias são formadas quando uma vibração com múltiplo inteiro de comprimentos de onda acústica ocorre em torno da circunferência do dispositivo. A luz é evanescently acoplada nos sussurrando-gallery ópticos modos de desses frascos "por meio de uma fibra óptica cônica 18. Confinamento do líquido no interior do ressonador 19,20 capilar, quantocontrário de fora dele, ativa fatores de alta qualidade óptica e mecânica-em simultâneo, o que permite a excitação óptica de modos mecânicos por meio de ambos RP e SBS. Tal como foi mostrado, estas excitações mecânicas são capazes de penetrar o fluido no interior do dispositivo de 12,13, formando um modo ressonante sólido-líquido comum, permitindo assim uma interface óptico-mecânico para o ambiente de fluidos dentro.

Neste artigo descrevemos fabricação, RP e SBS atuação e resultados de medição representativas para este sistema optomechanical romance. Listas de materiais e ferramentas específicas também são fornecidos.

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Protocolo

1. Fabricação de ultra-alta Q microfluídicos Ressonadores

  1. Preparação da instalação de fabricação capilar
    1. Fabricar o ressonador optomechanical microfluídicos da seguinte maneira -. Aqueça uma pré-forma capilar de vidro, com cerca de 10 W de CO 2 da radiação laser em 10,6 mícrons de comprimento de onda, e tirar o capilar aquecido linearmente usando estágios motorizados tradução A Figura 1 mostra a disposição da tradução linear fases, os lasers, e a localização do pré-molde capilar, antes do processo de puxar.
    2. Programa de software de automação adequado para controlar simultaneamente os dois lasers de CO 2 (para aquecimento) e as duas fases lineares. As duas fases lineares executar o processo de desenho para o capilar aquecido a laser.
    3. Uma das etapas lineares deve ser rápido (por exemplo, 5 mm / seg) para o processo de desenho linear. Alimentar em mais material para a zona de aquecimento, com o segundo, fase linear lento(Por exemplo, 0,5 mm / seg) uma vez que o material de pré-molde capilar se esgota durante o processo de puxar.
    4. Alinhe os suportes de amostra sobre as fases lineares ao longo de ambos os eixos vertical e horizontal.
    5. Alinhe cuidadosamente os dois feixes de laser de CO 2 de tal forma que eles têm como alvo o mesmo ponto no espaço (entre os titulares da amostra). Um pedaço de papel cartão ou papel sensível ao calor é útil para este processo. Não se esqueça de usar proteção para os olhos para a segurança do laser. Não abaixe os olhos a nível de tabela. Use blocos adequados feixe, exaustão de fumos, e proteção contra incêndio.
    6. Selecione parâmetros razoáveis ​​para o processo de desenho. Por exemplo, os seguintes parâmetros de produzir de forma confiável um bom tamanho capilar - 10 mm / seg Velocidade puxando, 0,5 mm / seg feed-in velocidade, 3 seg tempo de pré-aquecimento, 4,5 W de pré-aquecimento poderes para ambos os lasers, e 5 poderes W aquecimento para ambos os lasers .
    7. A modulação da potência do laser durante o puxar pode ser utilizada para controlar o raio capilar longitudinalmente durante o desenho prócesso para formar os ressonadores 'garrafa'. Um exemplo é mostrado na figura 2d. Selecione os parâmetros de modulação adequada: 3 de freqüência Hz, 6 W e 3 W para potências de laser, e 50% do ciclo de trabalho.
  2. Fabricação de ressonadores optomechanical microfluídicos
    1. Cortar um segmento de tempo suficientemente longo (cerca de 2-4 cm) de capilar de sílica fundida de tal modo que ele possa atingir os dois suportes ligados aos estágios de translação linear.
    2. Montar a amostra capilar sobre os suportes de amostras de tal forma que a zona alvo do laser é aproximadamente no meio do capilar. Reajuste CO 2 alinhamento a laser, se necessário.
    3. Puxar o tubo capilar, utilizando os parâmetros como indicado em 1.1.6. Primeira pré-aquecer o capilar por alguns segundos (Figura 2A), e, em seguida, puxe-o com ou sem modulação do laser (parâmetros em 1.1.7), conforme necessário.
    4. Retirar o capilar desenhado (Figura 2b) do suporte da amostra. Lidar com a amostra com as luvas para os doisgrossa só termina, a fim de não contaminar a superfície ressonador limpo.
    5. Variar os parâmetros que puxam para fabricar capilares com diferentes diâmetros. Tipicamente o diâmetro exterior varia de 30 um a 200 um, dependendo puxando condições.
  3. Montagem do dispositivo fabricado para testes
    1. Prepara-se uma forma de suporte de vidro E (Figura 2c). Corte três de 1 cm x 0,5 cm e um 3 centímetros x 0,5 centímetros peças de vidro de lâminas de vidro. Montá-las em um formato E usando adesivo de vidro ou supercola.
    2. Corte um pedaço de capilar microfluídicos para fora da amostra retirada. Este comprimento deverá ser maior do que a distância entre os dois ramos adjacentes de vidro no suporte de forma a L.
    3. Cole o dispositivo microcapilar para o titular com adesivo óptico enquanto certificando-se de manter uma parte pendurado não contaminada entre dois ramos do titular da forma E. Cure o adesivo óptico com uma fonte de luz LED UV cura por 10 seg. Figuras 2ce 2d mostram o produto acabado.
    4. Inserir cuidadosamente ambas as extremidades do ressonador montado em dois tubos de plástico ligeiramente maiores (por exemplo, 200 um de diâmetro interno). Cola e cura UV ambas as extremidades dos tubos de plástico com adesivo óptico.
    5. Prenda a estrutura forma E a partir do terceiro (free) ramo de vidro para um dispositivo de montagem apertado para o teste. O fator do ressonador óptico microfluídicos de qualidade final depende de quão bem os lasers de fabricação foram alinhados e quão estável seus níveis de energia eram.

2. Instalação Experimental para Testes optomechanical

  1. A fabricação de fibras ópticas afunilada
    1. Prepare um único modo de telecomunicações de banda da fibra óptica de comprimento desejado (por exemplo, a poucos metros). Segmento de fibra deve ser suficientemente longo para ser montado na zona afilada e ligado com a configuração (Figura 4). O método afinando explicado aqui é semelhante ao que é suggested e demonstrado em 22.
    2. Ligue o segmento de fibra preparada para o resto da configuração experimental usando qualquer método de fibra de splicing conveniente.
    3. Monte o segmento de fibra emendados em dois puxadores lineares que se enfrentam.
    4. Despir a camisa de fibras no centro do fragmento de fibra montado para expor a área de revestimento. Este é o lugar onde cone serão fabricados. Limpe a área despojado com metanol.
    5. Ligue o laser sintonizável para ver a transmissão em tempo real em um osciloscópio. Certifique-se de definir atenuadores para que fotodetectores não estão danificados.
    6. Coloque um injector queimador de gás hidrogénio estreito imediatamente por baixo da porção unjacketed da fibra. Siga todos os procedimentos de segurança recomendados quando se trabalha com gases inflamáveis ​​pressurizados, como o hidrogênio. Outras "queima limpa" fontes de chama ou aquecedores de cerâmica também pode ser usado.
    7. Antes de acender o gás, verifique a taxa de fluxo de modo a que chama não vai ser muitogrande (uma chama de 1-2 cm de altura é adequada). Note-se que a chama é quase invisível, mas pode ser visto como um brilho laranja ténue num quarto escuro. O caudal de hidrogénio deve ser definido como um ponto onde a chama acesa vai amolecer suficientemente a fibra de vidro.
    8. Acender a chama. Assim que chama está acesa, começar a puxar a fibra usando estágios motorizados. Apropriada velocidade de estiramento depende da taxa de fluxo de gás de hidrogénio e proximidade da chama. NOTA: Transmissão através da fibra vai começar a mostrar comportamento de oscilação temporal puxando continua. Isso indica operação multimodo.
    9. Quando o comportamento oscilatório pára e mostra um sinal imutável ao longo do tempo, pare de puxar e turn-off a chama imediatamente. Isto é, quando de modo único cone é obtido. Verifique a transmissão. Se a transmissão é muito baixo, repita o procedimento a partir de 2.1.1. com a taxa de modificação de fluxo de gás, tamanho chama, chama e localização. Na ocasião, baixa transmissão pode ser devido ao mau alinhamento no passo 2.1.3. ou devido a contaminadasião do revestimento exposto.
    10. Se a transmissão resultante através do cone é satisfatória, aguarde alguns minutos para esfriar a vela.
    11. Inspecione a vela sob um microscópio. Para 1550 comprimento de onda operacional nm, diâmetro típico do cone de modo único, é da ordem de 1-2 ^ m.
  2. Taper-acoplamento para WGR e em busca de sinais eletrônicos indicando vibração
    1. Defina-se a experiência na configuração mostrada na Figura 3. Vibrações mecânicas podem ser gerados através de SBS e RP pela mesma configuração experimental. A fim de detectar sinais claramente back-dispersos como no caso de backward-SBS 4,21, use um circulador entre cone e laser sintonizável.
    2. Antes de ligar o laser sintonizável IR, certifique-se de definir atenuadores no lugar para que fotodetectores não estão danificados.
    3. Ligue e estabilizar o laser sintonizável IR. Um gerador de função é usada para varrer a frequência do IR entradaa laser.
    4. Montar o suporte do ressonador numa fase nanoposicionamiento. Restabelecer cuidadosamente o ressonador perto da fibra cónica, a fim de obter o acoplamento evanescente. Como a frequência do laser é varrido, ressonâncias ópticas aparecerá como mergulhos na transmissão do osciloscópio, como na Figura 2-B de 22.
    5. Ligue a saída do fotodetector para um analisador de espectro eléctrico (ESA), em que a interferência temporal (isto é batida nota) entre a luz do laser de entrada e a luz dispersada pode ser observada. Esta interferência temporal, ocorre na freqüência de oscilação mecânica. A função "peak hold" no analisador de espectro é frequentemente útil na busca inicial por vibrações mecânicas.
    6. Use a alimentação de entrada superior durante a realização da pesquisa inicial para vibrações mecânicas, especialmente quando os líquidos estão presentes no interior do dispositivo. NOTA: Tipicamente, a potência de entrada na ordem de 100 μW para o dispositivo é suficiente para excitar mecavibração iCal.
    7. Se oscilação mecânica é observada, tentar bloquear o modo óptico relevante desligando a varredura de frequência laser e controlar o comprimento de onda do laser no modo CW. Aqui, tanto osciloscópio e analisador de espectro são úteis em tandem. Sinais periódicos aparecem no osciloscópio quando um modo mecânico está presente, como pode ser visto na Figura 5 e 1,6.

3. Medir optomechanical Vibrations

  1. Assinatura óptica e eletrônica de pressão de radiação (PR) modos
    1. Conforme descrito em 2.2, oscilações mecânicas serão observados quando o cone eo dispositivo estão correctamente acoplado, os modos ópticas e mecânicas de dispositivos tem suficientes Q-fatores, e de entrada suficiente de potência óptica é fornecida. Se oscilações na gama de 10 MHz - 1 GHz não são observados, tentativa de alterar a polarização para investigar diferentes ressonâncias, ou aumentar a potência de entrada do laser sintonizável, a fim desuperar o limite mínimo para a oscilação. Ao aumentar a potência de entrada, sempre ter cuidado para não saturar os fotodetectores. Além disso, conforme descrito no 8, distância de acoplamento é um fator chave para os modos emocionantes RP diferentes.
    2. Se modos mecânicos ainda não são observadas, tente medir fator de qualidade óptica. Para ressonadores optomechanical microfluídicos, os resultados mostram que o fator de 10 6 qualidade óptica é suficiente para excitar oscilações paramétricos 13.
      NOTA: Normalmente, os modos de RP irá manifestar oscilações como eletrônicos no analisador de espectro acompanhados de seus harmônicos, como visto na Figura 5 Resultados representativos serão discutidos na seção 4..
    3. Usar um varrimento de Fabry-Perot, ou alta-resolução analisador de espectro óptico para detectar as bandas laterais ópticos que são gerados devido a uma modulação de amplitude e fase, o que por sua vez é induzida por deformação da cavidade periódica. Um exemplo pode ser medida seen na Figura 3h de 1.
  2. Assinatura óptica e eletrônica de modos acústicos sussurrando-gallery
    1. A freqüência acústica de trás-SBS para o vidro de sílica é de aproximadamente 11 GHz quando um laser bomba 1,5 mícron é utilizada 4,23. Use um circulador que monitora a luz dispersa-costas e uma pequena quantidade de bomba de Rayleigh-dispersos, para observar sinais eletrônicos para estes modos de vibração. Use uma alta resolução de analisador de espectro óptico para resolver a luz difusa. Uma medição de exemplo é mostrado na Figura 2 de 4.
    2. Use a nota batida entre a luz para a frente espalhados eo laser da bomba para observar a freqüência inferior (sub-1 GHz) modos acústicos sussurrando-galeria.
    3. Devido à rigidez mecânica menor na direcção de respiração, o sinal de SBS é por vezes mais fraca do que a do sinal a partir dos meios de RP. Mais uma vez, varrer o laser em baixa velocidade, e usar o "peak hold" no SPECTrum analisador para ajudar a encontrar o sinal SBS.
    4. Note-se que, ao contrário modos respiratórios RP-animado, modos SBS-excitados acústicas sussurrando-gallery não apresentam harmônicos no espectro óptico e electrónico (a menos que a excitação em cascata ocorre 4,24). Em vez disso, apenas uma faixa lateral Stokes aparece para os modos de SBS.

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Resultados

Os capilares produzidos por este método são finos (entre 30 mm e 200 mm), claro e muito flexível, mas são suficientemente robustos para a manipulação direta. É importante proteger a superfície exterior do dispositivo capilar contra pó e água (humidade), a fim de manter um elevado factor de qualidade óptica (Q). Ao mergulhar uma extremidade do capilar em água e sopro de ar através do capilar por meio de uma seringa, pode ser verificado se o capilar é através de ou se foi selada durante a fabricação, devido ao sobreaqueci...

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Discussão

Temos fabricado e testado um novo dispositivo que faz a ponte entre optomechanics cavidade e microfluídica, empregando de alto Q ressonâncias ópticas para excitar (e interrogar) vibrações mecânicas. É surpreendente que vários mecanismos de excitação estão disponíveis no mesmo dispositivo, o que gera uma variedade de modos de vibração mecânicas a taxas que medem 2 MHz a 11,300 MHz. Pressão de radiação centrífuga suporta ambos os modos copo de vinho e modos respiratórios no período de 2-200 MHz, Forward espalhamento Brill...

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Divulgações

Não temos nada a divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pelo financiamento inicial da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, pelo programa DARPA ORCHID por meio de uma doação da AFOSR, pela National Science Foundation por meio da bolsa CMMI-1265164 e pelo programa National Science Foundation Graduate Research Fellowship. Reconhecemos discussões esclarecedoras com o Prof. Jack Harris, Prof. Pierre Meystre, Dr. Matt Eichenfield, Prof. Taher Saif e Prof. Rashid Bashir.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Laser IR sintonizávelNewfocusTLB-6328
FotodetectoresNewfocus1811-FC (Baixa velocidade 125MHz) / 1611-FC-AC (Alta velocidade 1GHz)
Fibra ópticaCorningSMF28
Sílica capilarPolyMicroTSP700850
10,6 um comprimento de onda CO><2 laserSynrad48-1KWM e 48-2KWM
Adesivo óptico de cura UVThorlabsNOA81
TubulaçãoTygonEW-06418-01
SeringasBDYO-07940-12
AgulhasWellerKDS201P
Analisador de espectro elétricoAgilent TechnologiesN9010A (EXA Signal Analyzer)
Analisador de espectro elétricoTektronix6114A (RSA, analisador de espectro em tempo real)
Analisador de espectro ópticoAdvantestQ8384
OsciloscópioTektronixDPO 4104B-L
Espelhos douradosII-VI 836627
Estágio linear (lento)DryLinH1W1150
Estágio linear (rápido)PBC LinearMTB055D-0902-14F12
Analisador de espectro óptico Fabry PerotThorlabsSA 200-14A (FSR: 1,5 GHz)
infravermelho

Referências

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