Summary
Bir yivli paralel plaka dalga geometrisine göre Terahertz frekansları için bir kırılma endeksi algılayıcı uygulanması için işlem burada tarif edilmektedir. Yöntem dalga yapısının rezonans frekansındaki kaymalar izlenmesi yoluyla sıvı küçük bir hacim kırılma indeksi ölçümü verir
Abstract
Kırılma indeksi (RI) algılama gibi interferometreler ve rezonatörler 1,2 mümkün sensör tasarımları geniş bir yelpazesi ile mikroakışkan örneklerin belirlenmesi, tespiti ve izlenmesi için güçlü bir noninvaziv ve etiket ücretsiz algılama tekniğidir. Mevcut UR çoğu algılama uygulamaları, DNA hibridizasyon ve genom dizileme gibi görünür ve IR frekansları, sulu çözeltilerde biyolojik maddeler odaklanmak. Terahertz frekanslarda, uygulamalar apolar maddeler içeren endüstriyel süreçler ve algılama ve algılama uygulamaları izleme, kalite kontrol içerir.
Terahertz rejimin kırılma endeksi sensörler için birçok potansiyel tasarımlar paralel plakalı dalgakılavuzları 5 entegre fotonik kristal dalga kılavuzları 3, asimetrik bölünmüş halka rezonatörler 4 ve fotonik band aralığı yapıları da dahil olmak üzere, mevcut. Bu tasarımların çoğu bu tür yüzük gibi optik rezonatörler dayanmaktadırveya boşluklar. Bu yapıların rezonans frekansları rezonatör olarak veya çevresinde malzemenin kırılma endeksi bağlıdır. Rezonans frekansındaki değişimler izlenerek bir numunenin kırılma indeksi ölçülebilir ve bu da vb, kirlenme veya seyreltme izlemek, bir malzeme tanımlamak için kullanılır
Burada kullandığımız sensör tasarımı basit bir paralel plakalı dalga 6,7 dayanmaktadır. Dikdörtgen şeklinde bir oluk rezonant kavite (Şekil 1 ve 2) gibi bir yüzeyi hareket işlenmiştir. Terahertz radyasyonu en düşük seviyeli çapraz-elektrik (TE 1) modunda dalga kılavuzu içine yayılır ve birleştiğinde, sonuç oluk 6,8 geometrisine bağlı olan bir ayarlanabilir rezonans frekansı ile tek bir kuvvetli rezonant bir özelliktir. Bu oluk sıvı miktarına bağlıdır gözlenen rezonans frekansında bir değişikliğe neden apolar sıvı mikroakışkan örnekleri ile dolu olabiliroluk ve kırılma indisi 9 uid.
Prosedürü bir temiz oda ya da herhangi bir özel fabrikasyon veya deneysel teknikler için gerek kalmadan standart laboratuar ekipmanları ile gerçekleştirilebilir yana Bizim tekniği, sadeliği, hem imalat ve uygulanmasında diğer Terahertz teknikleri üzerinde bir avantaja sahip. Ayrıca kolayca 10 çoklu kanallar ile birleşmesiyle tarafından kanallı operasyon genişletilebilir. Bu videoda sensör tasarımı, veri analizi ve numune kırılma indisi tayini için, bizim tam deneysel prosedür anlatacağız.
Protocol
1. Sensör Tasarımı ve Üretimi
- Bir ya da daha çok entegre edilmiş boşlukları (ya da "kanallar") ile bir paralel plaka dalga kılavuzu tasarlar. Şekil 1 ve 2'ye bakınız. Geometri önceki yayınlarda 8,9 verilen dayalı veya özel belirli bir uygulama için tasarlanmış olabilir. Aşağıdaki genel yol gösterici ilkeler önerilmektedir:
- Levha Aralığı: Bu deneyde, 1 mm bir levha aralık özel optik gerek kalmadan TE1 moduna etkili bir akuplaj için kullanılır. Ayrıca ilgi frekanslarda tek modlu yayılım sağlar. Diğer plaka mesafeleri kullanırken, çok modlu yayılım, dağılım ve kaplin verimliliği dikkate alınmalıdır.
- Paspayı: Bu plaka aralıklı dielektrik ayırıcılar kullanılarak korunur. Çok düzgün kalınlığında küçük cam parçaları mükemmel spacers yapmak - bizim durumumuzda, biz paramparça mikroskop lamı gelen çömlek kullanmak, 1 mm + / bir kalınlığa sahip olan - 3 mikron. Levha boyutu: plakaları kendileri girişi kirişe kıyasla sonsuz olarak kabul edilebilecek kadar geniş olmalıdır. (Bizim durumumuzda, bir 1.2 cm kiriş için 4.75 cm.) Her plaka kalınlığı cildin derinlemesine daha kalın olması gerekir ve kalın levhalar (> 1 cm) dalga üstünde veya altında geçen enerji olasılığını azaltmak için tavsiye edilir ve dedektör ulaştı. Yayılma uzunluk oluk en az iki uzak giriş ve çıkış yüzleri kendi genişliği, ancak dispersiyon en aza düşürmek için yeterli olmalıdır.
- Alt plaka geometrisi: oluk hemen hemen uzanır (fakat tam olarak değil) plakanın tüm genişliği yiv kolay erişim sağlamak için, alt dalga plakası, üst plaka önemli ölçüde daha geniş olmalıdır. (Bakınız Şekil 1) Bu, çok daha kolay erişim ve oluk doldurma düzeyinin izlenmesi için yapar.
- Vidalar: üst ve alt plaka Hem vida dalga tutmak için takılmış olabilir, böylece bir uzantısı varoluklar veya yayılma yolu da engellemekle olmadan birlikte rehberlik. Iyi değil ise (Bakınız Şekil 1) alt plakası delikleri diziliyor.
- Boşluk Geometri: oluk için tasarım diğer faktörlerin yanı sıra, istenen rezonans frekansı, istenen çizgi kalınlığı ve seçilen plaka aralığı bağlıdır. Bu çok dar ya da çok sığ oluklar için fabrikasyon teknikleri sınırlamaları dikkate almak önemlidir. Kanallı algılama için Çoklu oluklar ek gereksinimler 10 var.
- Oluksuz Versiyon: bir oluk olmadan, her bakımdan özdeş bir tasarım, aynı zamanda, bir referans olarak kullanılmak üzere, imal edilmiş olmalıdır.
- Dalga Fabrikasyon işleme yapılabilir. Önemli: Özellikle giriş yüzünde, levhaların kenarlarını künt yoktur. Yuvarlatılmış kenarlar, güvenlik nedenlerinden dolayı bir çok atölyenin standart uygulama vardır ama giriş yüzünde yuvarlak kenar sinyali deforme olacak.
- MontajProsedür. İki levha imal edildikten sonra, bu dalga kılavuzu içine monte edilmelidir.
- İki düz yüzeyler birbirine dik olan bir yapı oluşturmak için bir L-braket veya diğer düz nesneleri kullanın. Yatay yüzeye alt plakası yerleştirin ve dikey yüzeye karşı floş basın. , Mümkün olduğunca vida deliklerini (vida başına iki, her tarafta bir tane) yakın oluk engellemeye veya giriş yüzü ötesine için dikkatli olarak dielektrik pulu yerleştirin.
- Dikkatlice dikey yüzeye karşı üst plaka floş yerleştirin ve alt plaka ve pullar üzerinde oturmak için aşağı doğru kaydırın. Iki tabak, dikey yüzey hizada vidaları yerleştirin Holding. Alternatif desen aşamalı onları vidalayın. Bu işlem bir mükemmel düz giriş yüz ve düzgün plaka aralığı ile bir dalga kılavuzu yol açar.
2. Deneysel Aparatı
Bu protokol kullanıcı ha varsayarBir iletim-geometri Terahertz zaman domeni spektrometre (bizim durumumuzda, Picometrix T-Ray 4000 yılında) ve s erişim frekans etki alanına dönüştürüyor time-domain dalga ve Fourier elde aşinadır.
- Konfokal Yapılandırma. Zaten mevcut değil ise, dört lens yolunun orta noktasında dar bir odak noktası vermek üzere bir konfokal yönde ışın yolu içine dahil edilmelidirler.
- Odak noktasında bir açıklık yerleştirin. Diyafram dalga kılavuzu vasıtasıyla dışında yayılmasını tüm radyasyonu engellemek için yeterince büyük olmalıdır. Diyafram boyutu (bizim durumumuzda, 12 mm) dalga yayılan ışın boyutunu belirleyecektir.
- Sıra açıklık ile temas giriş yüzü ile ve optik ekseni ile olabildiğince yakın bir şekilde hizalanmış dalga kılavuzu yayma ekseni ile, diyafram hemen arkasında dalga kılavuzu. Burada uyum önemlidir - yansımaları, kesme ve rezonans frekansları dağılım, varyasyon, ve i diğerssues dalga yanlış hizalama nedeniyle ortaya çıkabilir. YİNELENEBİLİR YERLEŞTİRME sağlamak için güvenli bir tutucu kullanın.
- Şırınga sahibi: o ucu yivli hizalanacak şekilde yerine şırınga tutan bir yapıya sahip olmak yararlıdır. Bunu yaparak elinize şırınga hareketi nedeniyle dolgu hataları olasılığını azaltabilir.
3. Örnek Hazırlanması
- Prosedür Temizleme: dalga kılavuzu sökün. Denemeden artıkları temizlemek için uygun bir çözücü içinde iyice dalga iki tabak yıkayın. Basınçlı hava ile kurutun. 1.3 gibi monte edin.
- Şırınga hazırlanması. En iyi sonuçlar için, biz çapraz bulaşmayı önlemek için her malzeme için farklı bir şırınga kullanarak öneririz. Bu mümkün olmadığında, şırınga da aynı solvent ile temizlenir.
- Test edilecek olan sıvı ile uygun dolgu hacmi için şırınga doldurun. Herhangi bir kabarcıklarını yok etmek için çalışın.
- (2.3) 'deki gibi olan aparat içindeki oluksuz referans dalga kılavuzu yerleştirin. Oluksuz dalga bir referans dalga atın, sonra çıkarın. Bu time-domain spektrometre sinyalin uzun vadeli istikrar bağlı olarak, her deneysel oturumu sırasında yalnızca her birkaç saatte bir kez gereklidir.
- Aygıtı içinde temiz bir yivli dalga kılavuzu yer olarak (2.3) 'de açıklanan
- Boş yivli dalga için bir dalga atın. NOT: Bu dalga çıkarılıp temizlenir her zaman yapılmalıdır. Sökme çıkarma işlemi ve dalga geometrisi içinde çok küçük değişikliklere yol açabilir. Bu varyasyonlar boş ve dolu oluklar değil gözlenen değişimin mutlak rezonans frekansı etkileyecektir, bu nedenle her "tam" ölçüm vardiya hesaplamak için kendi "boş" başvuru gerektirir.
- DALGAKILAVUZU HAREKETLİ OLMADAN, tutucu içinde doldurulmuş şırınga koydu. Yavaşça tutarak, oluk doldurunhava kabarcığı veya taşma, dolgu iyi olduğunu izleyebilirsiniz. (Doğru dolgu miktarını belirlemek için nasıl tartışma kısmında tarif edilmektedir.) Başka bir dalga formu al.
- Sistem birden fazla kanal varsa, oluk doldurma ve istediğiniz gibi dalga almaya devam.
- (Adım 3 gibi) dalga çıkarın ve temizleyin.
- Gerektiği kadar tekrarlayın. En iyi sonuçlar için, her numune için birkaç veri setleri hatayı azaltmak için tavsiye edilir.
5. Temsilcisi Sonuçlar
Bu dalga Veri analizi basittir ve frekans etki alanına dönüştürmek için deneycinin zamanki teknikleri takip edebilirsiniz. Gibi Şekil 3'de verilmiştir gibi Frekans spektrumu sonuçlanmalıdır. Bunlar Şekil 4 gibi güç iletim spektrumu elde etmek için referans dalga ile karesi ayrılabilir. Boş ve dolu dalga kılavuzları için rezonanslarının çizgi kalınlığı ve merkez frekansı m olabilirBu spektrumları easured veya Lorentz uyar doğruluğunu artırmak için yapılabilir.
Sıvı neden rezonant kayma sadece boş ve dolu dalga kılavuzları için rezonanslarının gözlenen merkez frekansları arasındaki farktır. Bir kırılma indisi ölçüm için bu dönüştürmek için, vardiya ve UR arasındaki ilişki kurulmalıdır. Bu bilinen endeksi örnekleri ile bu prosedürü izleyerek veya hesaplama bilinen endeksi 9, veya analitik kullanarak örnekleri ile dolu oluk simülasyonları modu-eşleme teknikleriyle 8 yaparak deneysel olarak yapılır edebilirsiniz. RI eğri göre bir kayma kurulduktan sonra, bilinmeyen numunelerin RI doğru ölçümleri yapılabilir.
Bu işlem sırasında oluşabilecek birkaç belirli hataları vardır. Kabarcıklar veya oluk doldurma hatalar her sa için birden fazla veri setleri tavsiye neden olan, gürültülü veya yanlış veriler oluşabilirmateryal mple. Başka bir hata sık kaynağının dalga kılavuzları yerleştirme bulunmaktadır. Ve algılayıcı referans dalga kılavuzları tam olarak aynı hizada yer alırsa, yansıma veya başka bir eşya için aynı olacak ve transmisyon spektrum bölgesinin dışında böler. Hizalama hafifçe kapalı ise, yansımalarını bölmek değildir ve zil (bazı küçük zil Şekil 4'te görülebilir) transmisyon spektrumları olarak görülecektir. Bu veri geri almak için arzu edilmez ise, yansıma ortaya çıkmadan önce, zaman alan düzeltme dalga formu ile bu zil bertaraf etmek mümkündür, ancak bu büyük spektral çözünürlük ve dolayısıyla kırılma indisi çözünürlük hem de sınırlıdır azaltır.
Şekil 1. Işaretlenmiş ilgili bölümleri ile dalga kılavuzunun Fotoğraf. Oluk e uzamaz unutmayınntire uzunluğu ya da dalga ve yapının genişliği montaj donanımını oluk veya radyasyon yayılma yolunu tıkayabilir olmayacak şekilde tasarlanmıştır.
Şekil 2. Oluklu dalga kılavuzu şematik.
Şekil 3,. Bu durumda (a) Örnekleme frekansı referans dalga kılavuzu için spektrumları (siyah), herhangi bir sıvı dolgu (mavi) ile yivli dalga kılavuzu, ve sıvı ile yivli dalga kılavuzu, tetradekan (kırmızı). TE 1 ve TE 3 propagasyon modları için kesim frekansları gösterilir gibi su buharı emme hatları vardır. Boş ve tam oluklu dalga kılavuzları için rezonanslarının (b) Closeup.
Boş ve dolu oluklu dalga kılavuzları için Şekil 4. Güç iletimi spektrumları. İki rezonans özellikleri arasındaki frekans farkı kırılma indisi ile ilgilidir rezonans shift (hızındaki) 'dir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu, test altındaki sıvının kırılma indisi geniş bir bant genişliği üzerinde, sadece kavite rezonans frekansında kararlı değildir edildiği hususu not edilmelidir. Bu birkaç farklı avantajları vardır. Bizim ölçümler karakterizasyon amaçlı genişbant Terahertz kaynak kullanımı yaptık rağmen ilk, bir de sadece sınırlı bir frekans tunability derecesi, daha az pahalı olabilir bir yaklaşım ve tek frekanslı THz kaynağı ile eşdeğer bir algılama sistemi inşa edebileceğini daha kompakt. İkinci olarak, algılama yaklaşım, tek bir dalga kılavuzu içine birden fazla oluk ile parallelized dahil edilebilir. 10. Her oluk algılanması için bu nedenle, farklı bir frekans biraz daha farklı bir geometriye sahiptir, ve olacaktır. Bir genişbant Terahertz darbe kullanarak, bir çok sıvı örnekler için ayrı ayrı ve eş zamanlı refraktif indeksleri (ve vardiya) belirleyebilir. Bu paralel algılama yeteneği kolayca konvansiyonel dahil olmazyalnızca tek bir seferde bir sıvı ölçüldüğü zaman-alan Terahertz ölçüm sistemi.
Bu deneysel tekniği ile en önemli husustur tutarlılık ve tekrarlanabilirlik olduğunu. Dalga kılavuzu ve dolum hacmi montaj ve yerleştirme büyük bir hata miktarda değilse tutarlı tanıtabilirsiniz. Tutarlı bir dolum hacmi bakımı birkaç yolla gerçekleştirilebilir. Bir, bu prosedür de gösterildiği gibi, kesin miktarlar ölçmek için yüksek hassasiyetli şırınga kullanmaktır. Başka bir yöntem ise oluk 9 asıl doldurma düzeyinin izlenmesi için bir lazer interferometrik sistem kullanmaktır. En şırınga hacim belirlemek ya da yükseklik doldurmak için, en iyi sonuçlar kademeli oluk doldurma ve rezonant özelliği, karşılık gelen kayma takip edilerek elde edilmiştir. Oluk dolu ve sıvı taşması başladığında, rezonans özelliği düşük frekansta olacaktır. Sadece bu taşma / doygunluk Ucu önce hacim veya dolgu yüksekliğit en iyi seçim olduğunu ve cihazın frekans kayması vs RI tepki bu değer kullanılarak kalibre edilmesi gerekir.
Dalga kılavuzu montaj ve dolum hacminin yanı sıra diğer bazı önemli hususlar vardır. Çapraz bulaşma dikkatli temizleme prosedürleri ile kaçınılmalıdır. Buharlaşma hafif moleküller için dikkate alınması gereken ve bu durumda çözünürlük sınırlayabilirsiniz. Genel olarak bu prosedür RI çözünürlüğü aynı malzemeden birden fazla veri seti arasındaki değişim ile sınırlıdır, ancak tekrarlanabilirlik yenilikleri aygıtının spektral çözünürlüğü tarafından belirlenen sınırı için çözünürlük azaltabilir.
Bu teknik için Gelecekteki iyileştirmeler dolum hataları ortadan kaldırmak ve sürekli akış izleme ve demontaj dalga kılavuzunun gerektirmeyen güvenilir bir temizlik tekniğinin geliştirilmesi sağlamak için kapalı bir kanal için sensör tasarımı adapte içerir. Bazı sınırlamalar vardır kiBöyle apolar sıvılara kısıtlama olarak, polar moleküller tarafından güçlü Terahertz emilimi nedeniyle - - tekniğin doğasında vardır, ancak böyle bir çözünürlük ve tekrarlanabilirlik gibi diğer önemli bir gelişme potansiyeline sahiptir. Haliyle, bu tekniğin özellikle endüstriyel uygulamalar için UR algılama ve izleme için basit ve maliyet-etkin teknik olarak kurulmuştur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Çıkar çatışması ilan etti.
Acknowledgments
Bu proje Ulusal Bilim Vakfı tarafından ve İLETİŞİM programı aracılığıyla Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı tarafından kısmen desteklenmiştir.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 10 μl syringe | Hamilton | 80314 | High precision syringe |
| Liquid alkanes | Acros Organics | Samples for calibration and testing | |
No specific equipment is required. Suitable test materials and solvents are left to the experimenter's discretion. The high-precision syringes used in this procedure are listed in the table below, but the experimenter may wish to use syringes of a different volume or design, including digital syringes for improved accuracy. The test alkanes used in this experiment are also listed. |
|||
References
- Kuswandi, B., Nuriman,, Huskens, J., Verboom, W. Optical sensing systems for microfluidic devices: A review. Ana. Chim. Acta. 601, 141-155 (2007).
- Zhu, H., White, I. M., Suter, J. D., Zourob, M., Fan, X. Integrated refractive index optical ring resonator detector for capillary electrophoresis. Anal. Chem. 79, 930-937 (2007).
- Kurt, H., Citrin, D. S. Coupled-resonator optical waveguides for biochemical sensing of nanoliter volumes of analyte in the terahertz region. Appl. Phys. Lett. 87, 241119 (2005).
- Debus, C., Bolivar, P. H. Frequency selective surfaces for high sensitivity terahertz sensing. Appl. Phys. Lett. 91, 184102 (2007).
- Harsha, S. S., Laman, N., Grischkowsky, D. High-Q terahertz Bragg rsonances within a metal parallel plate waveguide. Appl. Phys. Lett. 94, 091118 (2009).
- Mendis, R., Mittleman, D. M. Comparison of the lowest-order transverse-electric (TE1) and transverse-magnetic (TEM) modes of the parallel-plate waveguide for terahertz pulse applications. Optics Express. 17, 14839-14850 (2009).
- Mendis, R., Mittleman, D. M. An investigation of the lowest-order transverse-electric (TE1) mode of the parallel-plate waveguide for THz pulse propagation. JOSA B. 26, A6-A13 (2009).
- Astley, V., McCracken, B., Mendis, R. Analysis of rectangular resonant cavities in terahertz parallel-plate waveguides. Opt. Lett. 36, 1452 (2011).
- Mendis, R., Astley, V., Liu, J., Mittleman, D. M. Terahertz microfluidic sensor based on a parallel-plate-waveguide resonant cavity. Appl. Phys. Lett. 95, 171113 (2009).
- Astley, V., Reichel, K., Jones, J., Mendis, R. Terahertz multichannel microfluidic sensor based on parallel-plate waveguide resonant cavities. Appl. Phys. Lett. , Forthcoming (2012).
