Изготовление и испытание микрофлюидных оптико-механические осцилляторы

Общая цель данной процедуры заключается в изготовлении и демонстрации оптомеханических осцилляторов, работающих с жидкими фазами среды. Это достигается путем первоначального изготовления микрофлюидных оптомеханических резонаторов посредством нагрева и вытяжки капиллярных преформ из плавленого кварцевого стекла под воздействием CO2 лазерного излучения. Вторым этапом является монтаж изготовленных устройств для проведения испытаний.

Затем с помощью сужающегося оптического волокна диодным лазером возбуждаются оптические моды шепчущей галереи изготовленного устройства. В конечном итоге электронный спектральный анализ выходных оптических сигналов используется для демонстрации оптомеханического взаимодействия и сенсорики через механические моды в жидкостях. Эти устройства обеспечивают ранее недоступную возможность проведения оптомеханических экспериментов с материалами в жидкой фазе.

Как правило, специалисты, впервые применяющие данный метод, сталкиваются с трудностями, поскольку требуют оптимизации процессы изготовления, технологические потребности, практика и параметры фабрикации. Демонстрация этого метода имеет решающее значение, так как освоение приведения в действие и идентификации оптомеханической моды представляет собой сложную задачу. Микрофлюидные резонаторы будут изготовлены путем нагрева и вытяжки стеклянных капиллярных преформ для выполнения этого первого этапа выравнивания.

Два линейных перемещающих столика с программным управлением. Они должны перемещаться вдоль одной линии. Между ними должен быть зазор в несколько сантиметров, чтобы капилляр мог быть протянут через это пространство.

Держатели образцов на предметных столиках должны быть выровнены так, чтобы капилляр располагался на оси. Вдоль линии перемещения столиков перед началом процедуры будет осуществляться нагрев с помощью двух CO2-лазеров. Соблюдайте необходимые меры предосторожности при работе с мощными лазерами.

Затем направьте лучи лазеров таким образом, чтобы они были сфокусированы в одной точке в зазоре между линейными стадиями. Эта точка должна находиться в месте, где будет подвешен капилляр. Используйте светоблоки для остановки лучей после целевой точки.

Используйте программное обеспечение для одновременного управления двумя стадиями перемещения и уровнями мощности двух CO2-лазеров. При данной конфигурации надежные капилляры получаются, когда одна стадия движется быстро, примерно 10 миллиметров в секунду, а другая медленно, около 0.5 миллиметров в секунду в том же направлении, чтобы подавать больше материала в зону нагрева.

Оба лазера устанавливаются на мощность 4,5 Вт для предварительного нагрева в течение трех секунд, затем на пять Вт или более в процессе вытягивания. Для изготовления резонатора используйте заготовку капилляра из кварцевого стекла; отрежьте фрагмент длиной примерно от двух до четырех сантиметров, чтобы он мог охватить расстояние между двумя держателями образцов на линейном перемещающем столике.

Затем закрепите капилляр в держателях для образцов так, чтобы зона воздействия лазера находилась примерно посередине длины капилляра. После этого запустите управляющее программное обеспечение.

Лазер предварительно нагревает капилляр в течение трех секунд. Затем капилляр вытягивают примерно в течение 10 секунд. По завершении процесса извлеките вытянутый капилляр, держа его только за толстый несвернутый конец, чтобы предотвратить загрязнение.

Подвесьте капилляр таким образом, чтобы чистая поверхность резонатора находилась в воздухе. Изготовьте капилляры разного диаметра, варьируя параметры вытягивания и повторяя процесс изготовления, чтобы убедиться, что капилляры открыты. Используйте шприц и неглубокий кювет с водой.

Осторожно возьмите готовый капилляр и погрузите один его конец в воду. С помощью шприца продуйте капилляр с другого конца. Появление пузырьков воздуха указывает на то, что капилляр открыт.

Перед тестированием капилляров необходимо изготовить держатель для их закрепления. Для этого вырежьте из предметных стекол три стеклянных фрагмента размером 1 см на 0,5 см. Кроме того, вырежьте из предметного стекла один фрагмент размером 3 см на 0,5 см.

Затем с помощью адгезива для склеивания стекла или суперклея соберите эти детали в еха. Далее отрежьте от вытянутого капилляра фрагмент такой длины, чтобы он перекрывал расстояние между двумя соседними ветвями U-образного держателя и выступал за их пределы. С помощью оптического клея закрепите капилляр так, чтобы его концы выходили за пределы двух ветвей держателя, а центральная часть была подвешена между ними.

Затем отвердите оптический адгезив с помощью светодиодного УФ-полимеризатора в течение необходимого времени. Примерно через 10 секунд возьмите пластиковые трубки с внутренним диаметром, который немного больше диаметра капилляра. Осторожно наденьте трубку на каждый конец закрепленного капилляра.

Снова используйте оптический адгезив, чтобы герметизировать соединение между капилляром и другим компонентом, и отвердите его УФ-светом. После отверждения сборка готова к монтажу. Используйте третью свободную стеклянную ветвь, чтобы зафиксировать конструкцию на месте.

В данном эксперименте используется инфракрасный лазер с перестраиваемой длиной волны, имеющий волоконный вывод и подключенный к генератору функций. Он применяется для периодического сканирования длин волн лазера. Выходное излучение лазера сначала проходит через контроллер поляризации.

Затем свет вводится в одномодовый сужающийся волоконный волновод телекоммуникационного диапазона, который расположен рядом со стадией нанопозиционирования. После сужающегося волокна свет проходит через аттенюаторы для защиты последующих анализаторов. В данном эксперименте после аттенюатора свет направляется на фотодетектор, подключенный к анализатору электрического спектра и осциллографу.

Начните эксперимент со стабилизации лазера и выполнения сканирований длины волны лазерного луча. Затем извлеките установленный капиллярный резонатор и закрепите держатель капиллярного резонатора на нанопозиционной платформе рядом с сужающимся волокном. После этого осторожно переместите платформу, чтобы привести резонатор на расстояние примерно один микрон от сужающегося волокна для обеспечения эванесцентной связи.

При сканировании длин волн провалы в пропускании лазерного излучения в зависимости от времени, наблюдаемые на осциллографе, указывают на наличие затухающей связи и резонансов. Используйте анализатор спектра для поиска временной интерференции между входным лазерным излучением и рассеянным светом. Эта биение возникает на частоте механических колебаний.

В данном примере в капилляре возбуждается механическая мода на частоте 24,94 мегагерца под действием давления излучения. Попытка привязки к соответствующей оптической моде для механического колебания осуществляется путем отключения сканирования частоты лазера и управления длиной волны лазера. В режиме непрерывного излучения при наличии механической моды на осциллографе будут появляться периодические сигналы. После освоения метода изготовление и тестирование устройства при правильном выполнении могут быть завершены примерно за 45 минут.

При выполнении данной процедуры важно помнить, что с резонатором и сужающимся волокном нельзя взаимодействовать вручную, даже с помощью пинцета. Это необходимо для поддержания чистоты поверхностей. С момента своей разработки эта методика открыла исследователям в области полостной оптомеханики путь к изучению новых взаимодействий с жидкостями и биоаналитами.