Реализация Reference интерферометр для Nanodetection

Summary

Методика интерферометр ссылка, которая предназначена для удаления нежелательного шума лазера джиттера для nanodetection, используется для зондирования фактор микрополость ультра-высокого качества. Инструкции по сборке, настройке и сбора данных предоставляются, наряду процесса измерения для определения добротности резонатора.

Abstract

Термически и механически стабилизированного волокна интерферометр подходит для изучения микрорезонаторов фактора ультра-высокого качества вырабатывается. После оценки его бесплатно спектральный диапазон (FSR), модуль ставится параллельно с волоконно системы Конус-микрорезонатора а затем калибруется через изоляцию и устранение случайных сдвигов в частоте лазера (то есть лазера шума джиттера). Для реализации Конус-микрорезонаторе переход и максимизировать оптической мощности, которая передается в резонатор, одномодового оптического волокна волновода тянут. Растворы, содержащие полистирольные nanobeads затем получают и доставлен в микрорезонатора того, чтобы продемонстрировать способность системы ощущать привязки к поверхности микрорезонатора. Данные после обработки с помощью адаптивной аппроксимации кривой, что позволяет для измерений с высокой разрешающей способностью добротности, а также заговор зависящих от времени параметров, таких как резонансная длина волны и раскол сдвигов частоты. Тщательнопроверки шаги в ответ временной области и переход в ответ частотной области, этот инструмент может количественно дискретные обязательные мероприятия.

Introduction

Научные интересы значительно возросла по использованию шепчущей галереи режиме (WGM) микрорезонаторах с целью nanodetection и биодатчиков ^1-8. Это включает в себя ультра-высокой добротности (Q) оптических резонаторов, которые владеют в выявлении незначительный биологические частицы, вплоть до уровня одного белка ^2. То есть, мониторинг изменений в резонансе и сплит частоты для передачи с необычайной чувствительности ^9-11 можно включить заключения резонатора световой энергии в малом объеме режима. Вариации оптических свойств резонатора являются причиной этих сдвигов, которые в свою очередь происходят из связывание дискретных молекул или наночастиц. Менее сложный пример трехмерной структуры WGM для таких приложений является кремнезем микросфер, которые могут быть изготовлены с почти атомарно гладкой поверхности, просто абляции обнаженным оптического волокна с помощью СО _{2-лазера.} Как известно,высокие добротности на порядка 10 ⁹ может быть достигнута ^1.

Резонансная частота микрополости традиционно контролировать путем сканирования оптической частоты перестраиваемого лазерного источника одновременно фото-детектирования оптической передачи, снятое на осциллографе. Неотъемлемой недостатком этого метода является неопределенность, связанная с расположением капель в передаче, которая возникает от колебания длины волны лазерного излучения или лазерный дрожание. Чтобы преодолеть это осложнение, интерферометр можно использовать наряду с микрорезонаторе для получения опорного сигнала для отмены лазерный дрожание и увеличить наблюдаемую чувствительность ^2. Свет ввод разделяется на два оптических путей: опорный пучок, который проходит через интерферометр (со свободной области спектра или достаточно большой, чтобы предотвратить дрожание лазера от расстояния мимо одной частоте во время измерения FSR FSR) и луча обнаружения, что Interacts с микрорезонатора WGM. Эта функция упрощает эксперименты в сравнении с более продвинутых конфигураций, таких как, что из WGM зондирования, влекущие за собой сочетание лазера с распределенной обратной связью (DFB) и регулярной доменной ниобата лития (PPLN) дублер ^12. В этой публикации, техника интерферометр для ультра-высокого качества фактором микрорезонатор основе мониторинга наноразмерных вопросу описывается ^3. Процедуры установки и сбора данных, которые необходимы для достижения этой цели изложены, иллюстрирующий, как добротность резонатора можно определить через отсчета интерферометрии.

Protocol

1. Ссылка интерферометр Строительство и оценка FSR

1. Строительство
   1. Создание акриловую коробку с открытым верхом. Эта структура должна быть достаточно большой, чтобы плотно прилегать в 16 в х 16 в х 16 в холодильных боксах из пенопласта.
   2. Изготовьте стеллаж 3 этапа для размещения оптических компонентов, которые будут сидеть в акриловой коробке с открытым верхом и будет полностью закрыт в холодильных боксах из пенопласта для теплоизоляции. Два повышенные отверстия на коробке из пенопласта должен присутствовать, чтобы обеспечить волокна для входа и выхода весь корпус.
   3. На ^3-й стадии: Один выход волокна из направленного ответвителя 3 дБ должна быть прикреплена к контроллеру поляризации, которая в свою очередь приводит к входному порту отдельной 3 дБ направленный ответвитель.
   4. На ^2-й стадии: Сформируйте петлю с примерно 16 футов от оптического волокна, происходящих из другой выходной порт первого 3 дБ направленного ответвителя. Направьте этот слой к оставшемуся входного порта из сecond 3 дБ направленный ответвитель на ^3-го этапа.
   5. Заполните акриловую коробку с 50% бритой льда, смешанного с 50% жидкой воды, так как в моде на ледяной бане и, следовательно, поддерживать температуру оптических элементов около 0 ° С.
2. Измерение FSR
   1. Настройка пробного лазера в нужной длины волны. Применять функциональный генератор так, что ее выход соединен с делитель мощности 3 дБ. Один из выходов из разветвителя 3 дБ должен быть подключен к осциллографу для целей мониторинга, а другой вывод должен быть использован непосредственно настройка частоты лазера.
   2. Поток выход лазера в качестве вклада в направленный ответвитель ^1-й 3 дБ.
   3. Два выхода ^2-го на 3 дБ направленного ответвителя должны нести photomixed сигналы к сбалансированному фотодетектор (ППР). Наконец, вставьте выходной кабель от БЛД к входам осциллографа.
   4. Линейно сканирования частоты лазера по полняющемуин лазерный модуль с рампы сигнала, генерируемого генератором сигнала (с напряжением от пика до пика 1 В, частотой развертки 100 Гц). Выходной сигнал от BPD станет синусоидальный на осциллографе.
   5. Настройтесь контроллер поляризации, чтобы максимизировать напряжение от пика до пика синусоидальной формы.
   6. Для измерения FSR, настроить лазер для производства непрерывного излучения, установив генератор сигналов в режим постоянного тока. Настройте форма напряжения генератора, так что передаваемый сигнал от ПРЛ колеблется вокруг 0 V (то есть. Точку квадратурной). Проверьте выходной сигнал с помощью электрического анализатора спектра. Контролировать сигнал должен появиться в качестве Sinc-квадратичной функции, где положение первого нуля ближайший глобального максимума (на нулевой частоте) соответствует FSR. Чтобы свести к минимуму шум измерения, установить электрический анализатор спектра в режиме усреднения.

2. Волоконно Тяговая ¹³

Преамбула: Цель этой процедуры состоит примерно согласования фазы фотонов, путешествующих в конус, чтобы те из микрорезонатора так, чтобы эффективно муфта может произойти. Поскольку волокна вытягивается, центральная секция, которая находится между двумя зажимами перейдет от поддержки единого режима в обычный волокна, в нескольких режимах в волноводе, образованных первоначальной оболочкой из плавленого кварца становится основным и воздух становится облицовки, а затем в одиночном режиме. Кварцевой сердцевины волокна будут практически равны нулю в центральной части, где временно удовлетворены условия распространения многомодового будет противодействовать постоянного сужением диаметра волокна.

1. Закрепите держатель волокна к моторизованным стадии поступательного.
2. Connectorize две секции оптического волокна с разъемами FC / APC на одном конце каждого раздела. Снимите буферном покрытии из несвязанных концов с волоконно стриптизершей, очистить их ацетоном первый и йан изопропанола, расщеплять конечных граней, и слияние сращивания их вместе.
3. Чтобы контролировать потерю конуса, подключать лазер зонда в режиме постоянной мощности к одному концу волокна, а другой конец волокна соединен с фотодетектора (PD). Выходной сигнал PD должен быть подключен к осциллографу. Регулировка настроек осциллографа, чтобы измерить выходное напряжение PD, которое пропорционально передаваемой мощности лазера.
4. Запишите начальное значение выходного PD напряжения и продолжать следить за ним до шага 2.9.
5. Зажим волокна к держателю волокна и волокна изображение с помощью оптического микроскопа.
6. Выхода водорода таким образом, что она начинает течь около конуса, ожидая воздух, чтобы выйти из трубки и на давление в канале для стабилизации. После того, как скорость потока для газообразного водорода достигает 110 мл / мин, зажечь его вблизи выхода с зажигалкой, чтобы нагреть волокна.
7. Используя программу, пользовательские LabVIEW, линейно тянуть волокно. Обратите внимание, что во время пуПроцесс lling, сердцевины волокна постепенно исчезает в то время как несколько мод оболочки становятся доминирующими в руководстве свет через секцию конической волокна. Передаваемый интенсивность через оптическое волокно должно колебаться из-за многомодового помех.
8. Продолжайте передвигать волокна для уменьшения ширины волокна конус, пока она поддерживает только один режим оболочки. После того, как прошедшая интенсивность перестает изменяться, перестанешь тянуть волокно.
9. Освободите держатель волокна со сцены перевода и закрепите его рядом с пьезоэлектрическим этапе.

3. Подготовка и поставки решений

1. Подготовка 10 вечера, 1 вечера и 100 решения FM, состоящие из 50 радиуса нм монодисперсных полистирольных микросфер в фосфатным буферным солевым раствором Дульбекко (DPBS). Кроме того, создать чистый раствор DPBS.
2. Поместите решения в центрифуге, шатаются свои позиции в нем в целях баланса, и инициировать на 30 минут вращающийся цикл.
3. По completioN, надежно разместить решений в эксикаторе, эвакуировать его, и бомбардируют решения с ультразвуковых волн в течение 30 мин.
4. Удалите решения и отложите их вблизи установки эксперимента.
5. Построить стенд для небольшой системы доставки жидкости.
   1. По очистке два наконечники, вставить советы шприцев на обоих концах сегмента микротрубочек и винт на наконечников до кончиков шприцев. Индивидуально подключить один из наконечников третьему наконечника шприца, а другой к Luer фитинг барреля-плунжера.
   2. Закрепите подвергается кончик шприца к подставке, и поддержать его за образец. Жидкости должны быть в состоянии потока на образец без значительной утечки.
6. В терминах Раздела 5 Протокола, загрузите бочку с соответствующим раствором и вручную вводить его через микрофлюидных системы в ходе эксперимента.

Конфигурация и Взаимосвязи система 4.

1. Подключите датчик LĀSE г в направленный ответвитель 10 дБ. Сочетании порт подключен к входному порту опорной интерферометра, а передается порт подключен к контроллеру поляризации с последующей конической волокна.
2. Переориентация целей микроскопа приобрести два резкие изображения волокон конуса.
3. Соедините выход конической волокна к PD. Выход этого PD должен быть прикреплен к другому входу канала осциллографа.
4. Установите образец на nanopositioner и сделать грубую настройку, чтобы вытеснить его так, что он находится вблизи центра волокна конуса.
5. Введите DPBS к образцу. Сделать грубую регулировку таким образом, что волокна конус попадает в поле зрения двух ПЗС-камер. Отрегулируйте nanopositioner установить связь с волокна конуса к микрорезонаторе.
6. Сканирование длины волны лазерного излучения, чтобы получить соответствующую резонансную падение на осциллограф.

5. Наночастиц Обнаружение

ontent "> Для получения данных: Настройка параметров запуска осциллографа и, используя самодельный программное обеспечение, собрать осциллограммы для дальнейшей обработки.

1. Запись данных для буферного раствора в качестве эталона.
2. Запишите данные для наночастиц решений от низшего к высшему концентрации.
3. Соблюдайте сдвиги частоты, которые имеют место в связи с наночастицы обязательными микрорезонатора.

6. Пост-обработки данных

Собранные данные могут быть обработаны с помощью самостоятельного написано программы MATLAB. Программа должна:

1. Прочитайте ссылка интерферометра следы и провести наименьших квадратов, чтобы синусоидальных кривых. Фазы оборудованная синусоидальной используются для оценки лазерный дрожание на лету.
2. Читать следы передачи полости и провести наименьших квадратов с функцией двойного лоренцевы. Оптические частоты, соответствующие резонансных провалов (ν _1,ν ₂₎ и их полные ширины на половине высоты (FWHM годов, в лице δν _1, δν ₂₎ определяются путем сравнения сигнал передачи на сигнал интерферометра.
3. Получить добротность каждого отдельного провала от Q _{г =} ν _{в /} δν _я, где я могу быть либо 1 (слева резонанс) или 2 (право резонанс).
4. Рассчитать, как обычно, оптические частоты резонансных провалов через лазерного сканирования напряжения, где выходы лазер дрожания больше шума измерения.
5. Сбор среднюю резонансной частоты ν _Ср = (ν ₁ + ν ₂₎ / ₂ и раскол частоты Δν = ν ₂ - ν ₁ для каждого измерения и построить их в зависимости от времени. Когда наночастицы связываются на поверхности микрорезонатора, внезапных сдвигов как средней частоты резонанса и сплит частоты шоULD быть соблюдены.

Results

После выполнения протокола, следы могут быть скомпилированы и установлены. 3а показывает типичную резонансную структуру микросферы, представленные в видео, для которых частота расщепления наблюдается в среде DPBS. Наименьших квадратов к функции двойного лоренцевы указывает, что добротность левого и правого резонансных провалов соответственно 2,1 х 10 ⁸ и 3,8 х 10 ⁸ в водной среде. Оптические частоты FWHM получают путем сравнения спектра полости с интерферометра сигнала на ф...

Discussion

Это в настоящее время установка способна зондирования разнообразные WGM микрорезонаторах, таких как microdisks, микросферы и microtoroids, не требуя никакого управления с обратной связью для зонда лазерного источника. Значительное отношение сигнал-шум (SNR) для обнаружения может быть получена за счет усовершенствования шаг сдвига, предусмотренных длины пути и эффекты обратного рассеяния частиц, вызванной. Учитывая простота и низкая стоимость самого эталонного интерферометра, этот метод является эффективным методом для и...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Полистирол  Микросферы	PolyScience
Dulbecco' s Фосфатно-солевой буфер (DPBS)	Life Technologies	14190
Пьезоэлектрическая система нанопозиционирования	Physik Instrumente	P-611.3S
Сбалансированный фотоприемник	Thorlabs	PDB120A
фотоприемник	Newport	1801-FC
3 дБ Волоконно-оптический направленный ответвитель	Thorlabs	FC632-50B
10 дБ Волоконно-оптический направленный ответвитель	Thorlabs	FC632-90B
Контроллер вставной поляризации	General Photonics	PLC-003-S-25
Генератор функций	Hewlett-Packard	33120A
оптоволокна	Ericsson	FSU-925
Высокоскоростной осциллограф	Agilent	DS09404A
Моторизованная сцена трансляции с контроллером	Thorlabs	MTS25-Z8E
Одномодовое оптическое волокно, 600-800 нм, и Oslash; 125 μ m Облицовка	Thorlabs	SM600
Анализатор электрического спектра в реальном времени	Tektronix	RSA3408B
Анализатор оптического спектра	Agilent	70951A
632.5 – 637 нм Настраиваемый лазер	New Focus	TLB-6304
Фильтрационный насос	KNF
Ультразвуковой очиститель	Crest Ultrasonics	Powersonic 1100D
Mini Vortexer	VWR	VM-3000
Центрифуга	Beckman Coulter	Microfuge 22R