Методическая статья

Изготовление и испытание микрофлюидных оптико-механические осцилляторы

11.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/51497

⸱

29 мая 2014 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, 3Biomedical Engineering, University of Michigan

В этой статье

Краткое содержание

Параметрические оптомеханические возбуждения недавно были экспериментально продемонстрированы в микрофлюидных оптомеханических резонаторах с помощью давления оптического излучения и вынужденного рассеяния Бриллюэна. В данной статье описывается изготовление этих микрофлюидных резонаторов, а также методики генерации и верификации оптомеханических колебаний.

Аннотация

Полость optomechanics экспериментов, которые параметрически пара фононные моды и режимы фотонов были исследованы в различных оптических систем, включая микрорезонаторов. Тем не менее, из-за увеличения потерь акустических радиационных во время прямого жидкого погружения оптико устройств, практически все публичные оптико-механические эксперименты были проведены в твердой фазе. В настоящем документе рассматривается недавно представила полый микрофлюидных оптико-механический резонатор. Подробное методология обеспечивается для изготовления этих сверхвысокой Q микрофлюидных резонаторы, выполнять оптико-механический тестирования и измерения давления приводом режим дыхания излучения и СБС-приводом шепотом Режим галерея параметрические колебания. Ограничивая жидкости внутри капилляра резонатора, высокие факторы механического и оптико-качество одновременно поддерживается.

Введение

Пустотные optomechanics изучает параметрической связи между фононных мод и режимов фотонов в микрорезонаторов с помощью светового давления (RP) 1-3 и ВРМБ (SBS) 4-6. SBS и механизмы RP были продемонстрированы в различных оптических системах, таких как волокна 7, микросферы, 4,6,8 торами 1,9 и кристаллических резонаторов 5,10. Благодаря этому фотон-фононной связи, как охлаждение 11 и возбуждение 6,10 механических режимов были продемонстрированы. Тем не менее, почти все сообщили optomechanics эксперименты с твердой фаз материи. Это потому, что прямой жидкость погружение оптико-механические устройства приводит к значительно повышенным радиационным акустической потери из-за более высокой импеданса жидкостей по сравнению с воздухом. Кроме того, в некоторых ситуациях диссипативные механизмы потерь в жидкостях может превышать радиационные акустические потери.

Recently, новый тип полого оптико-механического осциллятора с геометрией микрокапиллярной был введен 12-15, и который по своей конструкции оборудован для микрофлюидных экспериментов. Диаметр этого капилляра модулируется вдоль его длины, чтобы сформировать несколько «бутылочных резонаторов», которые одновременно ограничиться оптические резонансы шепчущей галереи 16, а также механических резонансные моды 17. Несколько семей из механических резонансных мод участие, в том числе режимов дыхания, режимов рюмка и шепчущей галереи акустических. Рюмка (стоячей волны) и шепчущей галереи акустические (бегущей волны) резонансы образуются при вибрации с целого кратного акустических длин волн происходит по окружности устройства. Свет evanescently сочетании в оптических мод шепчущей галереи этих «бутылок» посредством конической оптического волокна 18. Удержание жидкости внутри 19,20 капиллярной резонатора, какпротивоположность вне ее, дает высокие показатели механической и оптической качества одновременно, что позволяет оптическое возбуждение механических режимов с помощью как РП и SBS. Как было показано, эти механические возбуждения способны проникать в жидкость в устройстве 12,13, образуя совместно твердой и жидкой резонансный режим, тем самым позволяя интерфейс оптико-механические для текучей среды внутри.

В этой статье мы описываем изготовление, РП и SBS срабатывание и репрезентативные результаты измерений для этого новой системы оптико-механического. Также предоставляются Конкретные материальные и инструментальные списки.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Изготовление Ультра-добротных микрофлюидных резонаторов

  1. Подготовка установки производства капиллярной
    1. Изготовление микрожидкостных оптико-механический резонатор следующим образом -. Нагрейте стеклянного капиллярного заготовки с примерно 10 Вт СО 2 лазерного излучения на 10,6 мкм длиной волны, и вытянуть с подогревом капилляр линейно использованием моторизованных этапов перевода Рисунок 1 показывает расположение линейного перевода этапов, лазеры, и расположение капиллярной заготовки перед процессом вытягивания.
    2. Программа подходит программное обеспечение для автоматизации одновременно контролировать два СО 2-лазеров (для отопления) и два линейных этапов. Два линейных этапы выполнения процесса рисования для лазерной нагревается капилляра.
    3. Одним из линейных этапах должен быть быстрым (например, 5 мм / сек) для линейного процессе рисования. Поток более материала в зону нагрева со вторым, более медленных линейной стадии(Например, 0,5 мм / сек), так как капиллярный заготовку материала истощается в процессе вытягивания.
    4. Совместите держателей образцов на линейных туров по вертикальной и горизонтальной осям.
    5. Тщательно выровняйте обе СО 2 лазерные лучи таким образом, что они ориентированы на то же самое место в пространстве (между держателей образцов). Кусок бумаги или карточки тепла чувствительной бумаги полезно для этого процесса. Не забывайте использовать защитные очки для лазерной безопасности. Не опускайте глаза на уровне таблицы. Используйте подходящие блоки балки, дыма выхлопных газов, а также противопожарную защиту.
    6. Выберите разумные параметры для процесса вытяжки. Например, следующие параметры надежно производить хороший размер капилляров - 10 мм / сек Скорость вытягивания, 0,5 мм / сек льготных скорости, 3 сек время предварительного нагрева, 4,5 Вт подогрева полномочия для обоих лазеров и 5 Вт отопления полномочия для обоих лазеров .
    7. Модуляция мощности лазера во время вытягивания может быть использован для управления радиус капилляров в продольном направлении во время рисования проналог с образованием "бутылки" резонаторы. Пример показан на рисунке 2d. Выберите правильные параметры модуляции: 3 Частота Гц, 6 Вт и 3 Вт для лазерных полномочий, а 50% рабочего цикла.
  2. Изготовление микрофлюидных оптико резонаторов
    1. Вырежьте достаточно длинный сегмент (около 2-4 см) кварцевого капилляра такой, что она может достигать два держателя, прикрепленные к стадиях линейных переводов.
    2. Установите образец капиллярной на держатель образцов так, чтобы целевая зона лазер примерно в середине капилляра. Отрегулируйте СО 2-лазера выравнивание в случае необходимости.
    3. Потяните капилляр, используя параметры, как указано в 1.1.6. Впервые подогрева капилляр в течение нескольких секунд (рис. 2а), а затем вытяните его с или без модуляции мощности лазера (параметров в 1.1.7) по мере необходимости.
    4. Снимите нарисованный капилляр (рис. 2б) из держателя образца. Ручка образца с перчатками на дватолщиной заканчивается только, чтобы не загрязнить чистую поверхность резонатора.
    5. Вары тянущего параметры для изготовления капилляры с разными диаметрами. Обычно наружный диаметр варьирует от 30 до 200 мкм в зависимости от условий вытягивания.
  3. Монтаж изготовленный прибор для тестирования
    1. Подготовить стеклянный держатель Е формы (рис. 2в). Нарезать три 1 см х 0,5 см и один 3 см х 0,5 см кусочки стекла из стеклах. Соберите их в форме E с использованием стекла клей или суперклей.
    2. Сокращение длины микрофлюидных капилляра из нарисованной образца. Эта длина должна быть больше, чем расстояние между двумя соседними стеклянных ветвей на держателе E формы.
    3. Приклейте микрокапиллярных устройство на держатель с помощью оптического клея, удостоверившись, держать часть висит незагрязненных между двумя ветвями держателя E формы. Лечение оптический клей с LED УФ отверждения источника света в течение 10 сек. Цифры 2си 2d показывают готовый продукт.
    4. Осторожно вставить оба конца установленного резонатора на две слегка более крупных пластиковых трубок (например, 200 мкм внутренний диаметр). Клей и УФ отверждения обоих концах пластиковых труб с оптическим клеем.
    5. Зажмите структуру E форму с третьего (бесплатно) стекольной отрасли в зажатом монтажного устройства для тестирования. Коэффициент оптического качество конечного микрофлюидный резонатора зависит от того, насколько хорошо были выровнены при изготовлении лазеров и как стабильный их уровни мощности были.

2. Экспериментальная установка для оптико-механического тестирования

  1. Изготовление конической оптического волокна
    1. Подготовьте одномодового телекоммуникационного диапазона оптического волокна нужной длины (например, несколько футов). Сегмент волоконно должен быть достаточно длинным, чтобы быть как установлен в сужающейся области и подключены к установке (рис. 4). Метод сужающийся объясняется здесь похож на то, что сuggested и продемонстрировали в 22.
    2. Подключение подготовленный участок волокна с остальной частью экспериментальной установки, используя любой удобный способ волоконно-сплайсинга.
    3. Установите сращивания сегмент волокна на двух линейных гребцы, которые стоят друг друга.
    4. Сдирать куртку волокна в центре смонтированном фрагмента волокна, чтобы разоблачить оболочки области. Это где конус будут изготовлены. Очистите раздели зона с метанолом.
    5. Включите перестраиваемого лазера, чтобы увидеть передачу в режиме реального времени на экране осциллографа. Убедитесь в том, чтобы установить аттенюаторы, чтобы фотоприемники не повреждены.
    6. Поместите узкое сопло водорода газовую горелку непосредственно под участком без оболочки волокна. Соблюдайте все рекомендуемые меры безопасности при работе с давлением горючих газов, таких как водород. Также могут быть использованы и другие «чистое горение" источники огня или керамическими нагревателями.
    7. Перед освещая газа, проверьте расход так, чтобы пламя не будет слишкомбольшой (1-2 см высотой пламени адекватна). Следует отметить, что пламя в основном невидимым, но может рассматриваться как слабый оранжевым светом в темной комнате. Скорость потока водорода должна быть установлена ​​в точке, где зажгли пламя будет адекватно смягчить стекловолокно.
    8. Зажгите пламя. Как только пламя на, начать тянуть волокно с использованием моторизованных этапов. Соответствующее скорость вытягивания зависит от скорости потока газообразного водорода и вблизи пламени. ПРИМЕЧАНИЕ: Коробка передач через волокно начнет показывать временное поведение колебаний как потянув продолжается. Это указывает на операцию многомодового.
    9. Когда колебательный поведение останавливается и показывает неизменный сигнал в течение долгого времени с трудом, сразу выключения пламя. Это когда получается одномодового конус. Проверьте передачу. Если передача является слишком низкой, повторите процедуру с 2.1.1. с модифицированным расхода газа, пламя размером и местоположением пламени. В отдельных случаях, низкий передачи может быть связано с плохой выравнивания на этапе 2.1.3. или из-за contaminatион открытой оболочки.
    10. Если результирующая передача через конус удовлетворительное, подождите несколько минут, чтобы охладить конус.
    11. Проверьте конус под микроскопом. Для 1550 нм рабочей длине волны, типичный диаметр одномодового конуса составляет порядка 1-2 мкм.
  2. Конус-связь с РГР и поиск электронных сигналов с указанием вибрации
    1. Настройка эксперимента в конфигурации, показанной на рисунке 3. Механические вибрации могут быть получены посредством как СБС и RP на той же экспериментальной конфигурации. Для того, чтобы четко выявить обратно рассеянных сигналов как в случае обратной-SBS 4,21, использовать циркулятор между конусом и перестраиваемого лазера.
    2. Перед включением перестраиваемый ИК-лазера, не забудьте установить аттенюаторы на месте, так что фотоприемники не повреждены.
    3. Включите и стабилизировать перестраиваемый ИК лазер. Генератор функция используется для подметать частоту входного ИКлазер.
    4. Установите держатель резонатора на сцене Nanopositioning. Осторожно довести резонатор, близкий к конической волокна для получения мимолетную связь. Как частота лазера прокатилась, оптические резонансы появится как провалы в передаче в осциллограф, как показано на рисунке 2b 22 лет.
    5. Подключите выход фотодетектор к электрической анализатора спектра (ЕКА), где можно наблюдать временное вмешательство (т.е. биений) между входным лазерного света и рассеянного света. Этот временной интерференция происходит на механической частоты колебаний. Функция "удержание пика" на анализаторе спектра часто полезен в начальной поиске механических колебаний.
    6. Использование более высокой входной мощности при выполнении начального поиска механической вибрации, особенно когда присутствуют жидкости внутри устройства. ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, потребляемая мощность в порядка 100 мкВт на устройство достаточна для возбуждения механикических вибрации.
    7. Если наблюдается механическое колебание, попытаться заблокировать на соответствующий оптической моды, выключив частоты лазера сканирование и контроль длины волны лазерного излучения в непрерывном режиме. Здесь, как осциллограф и анализатор спектра могут быть использованы в тандеме. Периодические сигналы появляются на осциллографе, когда механический режим присутствует, как показано на рисунке 5 и 1,6.

3. Измерение оптико-механические Вибрации

  1. Оптические и электронная подпись светового давления (RP) режимах
    1. Как описано в п. 2.2, механические колебания будут наблюдаться, когда конус и устройство правильно сочетании, оптические и механические режимы устройства имеют достаточных добротность, и достаточно входная оптическая мощность обеспечивается. Если колебания в диапазоне 10 МГц - 1 ГГц не наблюдается, попытка изменить поляризацию исследовать различные резонансы, или увеличить входную мощность от перестраиваемого лазера для того, чтобыпреодолеть минимальный порог для колебаний. При увеличении входной мощности, всегда быть осторожны, чтобы не насытить фотодетекторов. Кроме того, как описано в 8, расстояние связи является ключевым фактором для возбуждения различных режимах RP.
    2. Если механические способы по-прежнему не наблюдается, попробовать измерения коэффициента оптического качества. Для микрофлюидных оптико резонаторов, результаты показывают, что фактор оптическое качество 10 6 достаточна для возбуждения параметрических колебаний 13.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, режимы RP будет проявляться в виде электронных колебаний на анализаторе спектра в сопровождении их гармоник, как показано на рисунке 5 Представитель результаты будут обсуждаться в разделе 4..
    3. С помощью сканирующего интерферометр Фабри-Перо или с высоким разрешением анализатора оптического спектра для обнаружения оптических боковые полосы, которые генерируются в результате амплитудной и фазовой модуляции, который, в свою очередь, вызванного периодической полости деформации. Пример измерения может быть сееп на рисунке 3 ч 1.
  2. Оптические и электронная подпись шепчущей галереи акустических
    1. Акустический частота обратной-SBS для кварцевого стекла составляет около 11 ГГц, когда лазер 1.5 мкм насос используется 4,23. Используйте циркулятор, который контролирует заднюю рассеянного света и некоторое небольшое количество Рэлея-рассеянного насоса, наблюдать электронные сигналы для этих колебательных мод. Используйте в высоком разрешении анализатора оптического спектра для решения рассеянный свет. Пример измерения показан на рисунке 2 4.
    2. Используйте биений между вперед рассеянного света и лазера накачки для наблюдения более низкую частоту (суб-1 ГГц) шепчущей галереи акустические.
    3. Из-за более низкой механической жесткостью в направлении дыхания, сигнал с SBS иногда слабее, чем сигнал от режимов RP. Опять же, перемещайте лазерный луч на медленной скорости, а также использовать "PEAK HOLD" на ОФЭКТром анализатор, чтобы помочь в поиске сигнала SBS.
    4. Обратите внимание, что в отличие от режимов дыхания RP-возбужденный, СБС-возбужденные шепчущей галереи акустические не проявляют гармоники в оптическом и электронных спектров (если не происходит 4,24 каскадом возбуждения). Вместо только один Стокса боковой появляется режимах SBS.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Капилляры полученные этим способом тонкие (между 30 мкм и 200 мкм), открыто, и очень гибкий, но достаточно прочный для прямого обращения. Важно, чтобы защитить внешнюю поверхность капиллярного устройства от пыли и воды (влаги), чтобы поддерживать высокий коэффициент оптического качества (Q). По погружением один конец капилляра в воде и вдувания воздуха через капилляр с помощью шприца, можно проверить, является ли капилляр через или же был закрыт во время изготовления из-за перегрева.

Перестр...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Мы изготовлены и испытаны новое устройство, которое мосты между полости optomechanics и микрофлюидики, используя высокого Q оптические резонансы для возбуждения (и допросить) механической вибрации. Удивительно, что несколько механизмов возбуждения доступны в том же самом устройстве, которые генерируют различные механические колебательных мод по ставкам, охватывающих 2 МГц до 11300 МГц. Центробежный давление излучения поддерживает оба режима рюмку и режимы дыхания в промежуток с 2-200 МГц, вперед ВРМБ позволяет механичес...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Нам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была профинансирована за счет финансирования стартапа от Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, программы DARPA ORCHID через грант от AFOSR, Национального научного фонда через грант CMMI-1265164 и программы стипендий для аспирантов Национального научного фонда. Мы выражаем признательность за поучительные беседы с профессором Джеком Харрисом, профессором Пьером Мейстром, доктором Мэттом Эйхенфилдом, профессором Тахером Саифом и профессором Рашидом Баширом.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Настраиваемый ИК-лазерNewfocusTLB-6328
ФотодетекторыNewfocus1811-FC (Низкая скорость 125 МГц) / 1611-FC-AC (Высокая скорость 1 ГГц)
Оптическое волокноCorningSMF28
Кремнеземный капиллярPolyMicroTSP700850
длиной волны 10,6 мкм CO2 лазерSynrad48-1KWM и 48-2KWM
УФ-отверждаемый оптический клейThorlabsNOA81
ТрубкаTygonEW-06418-01
ШприцыB-DYO-07940-12
ИглыWellerKDS201P
Анализатор электрического спектраAgilent TechnologiesN9010A (EXA Signal Analyzer)
Анализатор электрического спектраTektronix6114A (RSA, анализатор спектра реального времени)
Оптический анализатор спектраAdvantestQ8384
ОсциллографTektronixDPO 4104B-L
Золотые зеркалаII-VI Инфракрасный836627
Линейный столик (медленный)Линейный столикDryLinH1W1150
(быстрый)Линейный ПБК ЛинейныйMTB055D-0902-14F12
Анализатор оптического спектра Фабри ПероThorlabsSA 200-14A (FSR: 1,5 ГГц)

Ссылки

  1. Carmon, T., Rokhsari, H., Yang, L., Kippenberg, T., Vahala, K. Temporal Behavior of Radiation-Pressure-Induced Vibrations of an Optical Microcavity Phonon Mode. Physical Review Letters. 94 (22), (2005).
  2. Rokhsari, H., Kippenberg, T., Carmon, T., Vahala, K. J. Radiation-pressure-driven micro-mechanical oscillator. Optics Express. 13 (14), 5293-5301 (2005).
  3. Kippenberg, T. J., Rokhsari, H., Carmon, T., Scherer, A., Vahala, K. J. Analysis of Radiation-Pressure Induced Mechanical Oscillation of an Optical Microcavity. Physical Review Letters. 95 (3), 033901(2005).
  4. Tomes, M., Carmon, T. Photonic Micro-Electromechanical Systems Vibrating at X-band (11-GHz) Rates. Physical Review Letters. 102 (11), (2009).
  5. Grudinin, I. S., Matsko, A. B., Maleki, L. Brillouin lasing with a CaF2 whispering gallery mode resonator. Physical Review Letters. 102 (4), 043902(2009).
  6. Bahl, G., Zehnpfennig, J., Tomes, M., Carmon, T. Stimulated optomechanical excitation of surface acoustic waves in a microdevice. Nature Communications. 2 (403), (2011).
  7. Dainese, P., Russell, Stimulated Brillouin scattering from multi-GHz-guided acoustic phonons in nanostructured photonic crystal fibres. Nature Physics. 2 (6), 388-392 (2006).
  8. Carmon, T., Cross, M. C., Vahala, K. J. Chaotic Quivering of Micron-Scaled On-Chip Resonators Excited by Centrifugal Optical Pressure. Physical Review Letters. 98 (16), 167-203 (2007).
  9. Armani, D., Min, B., Martin, A., Vahala, K. J. Electrical thermo-optic tuning of ultrahigh-Q microtoroid resonators. Applied Physics Letters. 85 (22), 5439-5441 (2004).
  10. Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Seidel, D., Maleki, L. Surface acoustic wave opto-mechanical oscillator and frequency comb generator. Optics Letters. 36 (17), 3338-3340 (2011).
  11. Bahl, G., Tomes, M., Marquardt, F., Carmon, T. Observation of spontaneous Brillouin cooling. Nature Physics. 8 (3), 203-207 (2012).
  12. Bahl, G., Kim, K. H., Lee, W., Liu, J., Fan, X., Carmon, T. Brillouin cavity optomechanics with microfluidic devices. Nature Communications. 4 (1994), (1994).
  13. Kim, K. H., et al. Cavity optomechanics on a microfluidic resonator with water and viscous liquids. Light: Science and Applications. , available: http://arxiv.org/abs/1205.5477 (2013).
  14. Sumetsky, M., Dulashko, Y., Windeler, R. S. Optical microbubble resonator. Optics Letters. 35 (7), 898-900 (2010).
  15. Lee, W., et al. A quasi-droplet optofluidic ring resonator laser using a micro-bubble. Applied Physics Letters. 99 (9), 091102-091103 (2011).
  16. Junge, C., Nickel, S., O’Shea, D., Rauschenbeutel, A. Bottle microresonator with actively stabilized evanescent coupling. Optics Letters. 36 (17), 3488-3490 (2011).
  17. Bahl, G., Fan, X., Carmon, T. Acoustic whispering-gallery modes in optomechanical shells. New Journal of Physics. 14 (11), 115026(2012).
  18. Cai, M., Painter, O., Vahala, K. Observation of Critical Coupling in a Fiber Taper to a Silica-Microsphere Whispering-Gallery Mode System. Physical Review Letters. 85 (1), 74-77 (2000).
  19. Burg, T. P., Manalis, S. R. Suspended microchannel resonators for biomolecular detection. Applied Physics Letters. 83 (13), 2698-2610 (2003).
  20. Burg, T. P., et al. Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid. Nature. 446 (7139), 1066-1069 (2007).
  21. Li, J., Lee, H., Chen, T., Vahala, K. J. Characterization of a high coherence, Brillouin microcavity laser on silicon. Optics Express. 20 (18), (2012).
  22. Knight, J. C., Cheung, G., Jacques, F., Birks, T. A. Phase-matched excitation of whispering-gallery-mode resonances by a fiber taper. Opt. Lett. 22 (15), 1129-1131 (1997).
  23. Boyd, R. W. Nonlinear Optics. , Acad. Press. (2003).
  24. Li, J., Lee, H., Vahala, K. J. Microwave synthesizer using an on-chip Brillouin oscillator. Nature Communications. 4 (2097), (2013).
  25. Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Optics Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

CO2

Похожие статьи