Summary
该协议描述了水桥的设计和制造及其作为水纤维的活化。实验表明, 水纤维的毛细管共振调节了其光传输。
Abstract
在本报告中, 设计和制造了一种光纤, 其核心完全是水, 而包层是空气。与固体包覆装置相比, 毛细管振荡不受限制, 使纤维壁能够移动和振动。该纤维是由两个水库之间几千伏特 (kv) 的高直流电 (dc) 电压构成的, 它产生了一条浮水线, 称为水桥。通过选择微管, 可以控制纤维的最大直径和长度。在桥的两侧, 光纤耦合器将其激活为光波导, 使研究人员能够通过传输调制来监测水纤维毛细管体波, 从而推断表面张力的变化。
共同限制毛细管和电磁两种重要的波类型, 为光与液壁器件相互作用的研究开辟了新的路径。水墙微设备比固体微设备柔软一百万倍, 从而提高了对微小力的反应。
Introduction
自2009年获得诺贝尔奖以来, 光纤在通信领域取得了突破, 一系列基于光纤的应用也随之增长。如今, 纤维是激光手术2以及相干 x 射线代3,4, 导声5和超连续体 6的必需品。当然, 对光纤的研究从利用固体转化为用于光波导引的液体扩大到液体中, 在这种情况下, 充满液体的微通道和层流将液体的传输特性与光学的优势结合在一起。审讯7,8,9。然而, 这些装置夹住固体之间的液体, 因此, 禁止它表达自己的波特性, 被称为毛细管波。
毛细管波, 类似于那些看到扔石头到池塘时, 是一个重要的波在自然界中。然而, 由于在不通过通道或固体抑制液体表面的情况下控制液体的障碍, 它们几乎无法用于检测或应用。相反, 该协议中提供的设备没有坚实的边界;它被空气包围并流动, 因此允许毛细管波发展、传播和与光相互作用。
要制造水纤维, 必须回到 1893年首次报道的浮水桥技术, 在这种技术中, 两个充满蒸馏水并连接到高压源的烧杯将形成流体状的水线状他们之间的连接11。水桥的长度可以达到3厘米12或薄到20纳米13。至于物理来源, 已经证明, 表面张力以及介电力都是承载大桥重量14、15、16 的原因。为了激活水桥作为水纤维, 我们将光线与一个绝热锥形的硅纤维17,18和一个硅纤维纤维 19.这种器件可以承载声波、毛细管和光波, 有利于多波探测器和芯片上的实验室 20、21、22的应用。
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Protocol
注意: 此实验涉及高电压。在打开高压之前, 读者有责任与安全部门核实他们的实验是否符合规定。
注: 任何一种极性液体都可以用来生产液体纤维, 如乙醇、甲醇、丙酮或水。液体的极性决定了所创造的纤维23,24的稳定性和直径。为获得最佳效果, 请使用电阻为 18 mω的去离子水。在选择光纤和光源等光学元件之前, 请查阅文献, 以确保在所需的光学波长下, 水液光纤的吸收率较低。在加满水库之前, 可以在任何特定时刻暂停该协议 (步骤 4.5)。
1. 水库和试验站的准备
- 根据图 1, 生产两个带有用于移液器和高压的磁性连接器的聚 (甲基丙烯酸甲酯) (pmma) 储层。
- 将两个 pmma 板切割成 60 x 50 x 10 毫米的尺寸, 在板材背面切割深度为8毫米、直径为7毫米的钻腔。在空腔内的胶连接器磁体。
- 对于毛细管夹具, 将 pmma 的条纹切割成 45 x 10 x 2 毫米, 并在其顶部粘上两个磁铁。
- 对于电气连接器, 将磁铁包裹在一小块金属箔中, 并将其与鳄鱼夹具电连接到高压 (hv) 源。水库约有100-300μl 的水。将包裹的磁铁与水库中的水接触。
注: 最好使用磁性连接器进行夹具和高压。如有可能, 请不要使用任何类型的胶水连接夹具或连接器, 因为许多类型的胶水在高压的影响下或在电弧的存在下溶解, 降低了水纤维的稳定性或光学质量。
- 在5自由度 (dof) 微定位阶段安装一个 pmma 储集层。
- 用异丙醇 (光谱级) 和去离子水彻底清洁所有连接器和区域。用氮气吹干。用聚四氟乙烯 (ptfe) 胶带覆盖 pmma 蓄水池和所有夹具, 以避免任何漏水或滴水。
- 将设置放置在光学显微镜下进行成像。使用远场目标 (5x、0.14 na 和 34 mm wd 用于长水纤维和20x、0.14 na 和 20 mm wd 透镜用于短水纤维), 以避免水纤维的 hv 区域与导电显微镜设置之间不必要的接地。
- 根据图 1, 在线性过渡阶段设置两个光纤夹具, 每个水库后面一个。每个光纤耦合器应该能够在其微移液器内前后移动 (在下一节中讨论)。
2. 选择微管和电压
- 微移液器的内径确保了所制备的水纤维的最大半径。要创建半径为5μm 的水纤维, 请使用150微米内径移液器, 并与125微米直径的光纤配对。对于较厚 (20-90 微米) 和更长 (800-1, 000μm) 的水纤维, 请使用内径为850μm 的微移液器。
注: 根据经验, 水纤维的最大长度是通过将最大半径乘以25来估计的。有关详细信息, 请参阅表 1。- 用手将微型移液器在边缘上的长度打破到3厘米的长度。
- 要创建直径高达110μm 的水纤维, 请在两个水库之间施加 1.5 kv 至 3 kv 之间的电压。对于长度高达毫米的水纤维, 最多适用8千伏。与图 1相比, 提供了电气布线建议。
3. 光耦合器的制备
注: 为获得最佳传输效果, 请使用单模锥形光纤将激光发射到水纤维中, 并使用高度多模反射光纤透镜作为输出耦合器 (核心 & gt; 100 微米)。但是, 为了便于操作, 请使用低多模光纤作为输出耦合器 (例如, 用于 780 nm 波长的1550纳米单模光纤)。
-
锥形光纤耦合器的研制
注: 请参见图 2。- 将780纳米单模光纤从其塑料包层中剥离, 以暴露 10-15 mm 的裸纤维面积。用精致的任务湿巾与丙酮混合清洁暴露的区域。将纤维通过所需的微型移液器, 然后将其变细。将光纤锥形到单模标准以下, 坡度小于1.5。
- 使用氢火焰将纤维变细, 流量为 140 ml千万, 同时以 0.06 m/的速度从两侧拉起锥形。
注: 锥形部分的总比例在6至9毫米之间。如果纤维在达到单模标准之前断裂, 请将氢气流量调整到更高的速率, 或将纤维放置在火炬较热的区域。如果该区域较长, 请调整氢流量以降低速度, 或将纤维放置在火炬较冷的区域。 - 关闭火焰, 小心地增加纤维中的张力, 直到它在最薄的地方破裂。使用这种锥形光纤作为输入耦合器。
注意: 锥形纤维是易碎的。
-
光纤透镜耦合器的制造
- 用纤维剥离器剥去1550纳米单模光纤尖端, 并与丙酮结合, 用精致的任务湿巾清洁暴露区域。选择并准备一个移液器, 如上所述, 并通过它的纤维。
- 用电融合拼接器或 co2 激光以 15 w 功率加热尖端, 通过200毫米镜头聚焦, 直到玻璃纤维端变成液体并形成稍微圆润的形状, 称为光纤透镜。
4. 组装
- 如果尚未完成, 请将光纤耦合器插入所需的微移液器中。
- 用预制的磁性 pmma 夹具将微型移液器夹紧, 将光纤耦合器与 pmma 储层固定在一起。微移液器的非锥形侧应该到达水库。在线性定位阶段夹紧每个光纤耦合器。
- 将锥形光纤耦合器连接到780纳米、连续波、光纤耦合 10 mw 激光源和光纤透镜耦合器到功率计。在水库中灌满水, 并确保微移液器中不会有气泡。如有必要, 使用光纤耦合器 (从步骤3.1 或相应地从步骤 3.2) 推拉它们。
注: 在这一阶段, 沿着光路, 站是: 激光光源, 光纤, (和这种光纤通过) 光纤夹具在线性阶段, 水在水库与电气连接, 微移液器充满水,光学锥形光纤耦合器, 自由空间 (后: 水纤维), 光纤透镜耦合器 (现在的第二纤维), 微管充满水, 水水库与电连接, 光纤夹具在线性阶段, 最后, 功率计。 - 通过调整 pmma 水库的5自由度安装, 连接安装的微型移液器的两端, 以建立微移液器之间的流体接触。打开光源和电能表。调整纤维耦合器有一个传输的帮助下, 5 自由度 pmma 水库安装。
注: 使用适当的激光安全设备。 - 将包裹在金属箔中的磁性连接器放在 pmma 水库中的磁性对应机构上, 并将鳄鱼夹连接到金属箔上, 从而将高压与水库电连接。通过电缆将鳄鱼夹具连接到高压源 (图 2a)。
5. 运行实验
- 将电压增加到所需的值。一个非常短和狭窄的桥梁的起点是 1.5 kv。2.5-3千伏可实现长度在100μm 以上的稳定桥梁。
- 根据微移液器的选择, 慢慢地将微移液器之间的距离增加到所需的长度 (图 2b和2b)。使用5自由度级和1自由度级调整耦合器和移液器, 优化光传输。
- 通过对电能表进行测量, 并采用耦合器与耦合激光功率的比率来测量耦合效率。
- 断开电源仪表的连接, 并将光电机连接到输出光纤耦合器。将光刻机连接到示波器。记录透射光的时间轨迹测量, 代表毛细管水纤维振荡。
- 通过快速傅立叶变换将时间跟踪测量转换为频域。以半最大的中心频率超过全宽接受毛细管质量因子。
注: 创建一个频谱图, 以检查频率抖动。 - 使用顶部视图显微镜设置来表征水纤维的几何结构。纤维半径是在水纤维最薄的部分得到的。
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Representative Results
水纤维与高多模光纤的耦合效率可高达 54%25,26.单模光纤的耦合效率高达 12%25,26.水纤维的直径可以像1.6 微米一样薄, 长度可以是 46μm (图 3)25, 26, 也可以长度达1.064 毫米, 直径为 41μm (图 3)25, 26。透射光谱显示水纤维的毛细管振荡, 类似于吉他弦 (图 4)25,26。长纤维 25, 26 的毛细管质量因子估计高达 14.考虑到水桥理论, 可以估计表面张力与介电力的比例为 25、2 6.
图 1: 设置的原理图.(a) 下图显示了水纤维的实验设置。(b) 本草图显示了水库、电气连接器和移液器夹具。(c) 该面板显示了与普通固体相比的水路波导柔软性。这一数字转载于 douvidzon等人的部分资料.25,26.请点击此处查看此图的较大版本.
图 2: 设置照片.(a) 该面板显示5自由度安装上的 pmma-水蓄水池。使用 pmma-移液器夹具、微移液器、光纤和电气连接器。(b) 该面板显示, 微移液器之间产生了流体接触。(c) 该面板显示, 微移液器之间的距离增加, 以建立水纤维。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 水纤维特性.(a) 该面板显示水纤维长度超过1毫米。接下来的两个面板显示 (b) 微米级的薄水纤维, (c) 由于水纤维液相边界处的毛细管波造成的表面散射。(d) 该面板显示通过荧光染料测量确认的水纤维体积进行光传播。这一数字转载于 douvidzon等人的资料.25,26.请点击此处查看此图的较大版本.
图 4: 实验测量水纤维 "吉他弦" 模式.(a) 此面板显示时间痕迹测量。(b) 波动谱显示了一个基本模式, 在整数乘法时, 它的三个言外之意 (虚线)。(c) 该面板显示的是具有电压变化的0.94 毫米长光纤的波动谱图, 相应地, 改变光纤直径, 电压先保持不变, 然后增加, 最后减少。颜色代码描述传输。(d) 该面板显示光纤的基本频率作为光纤直径 (圆) 的函数, 以及理论预测 (虚线)。水平和垂直误差条代表了连续8次测量中心频率及其相应光纤直径 250 ms-ms-分开的不确定性。对于所有面板, 光纤长度为 0.94 mm, 振荡是光学上询问与光电探测器。直径是通过显微镜测量的。这一数字转载于 douvidzon等人的资料.25,26.请点击此处查看此图的较大版本.
| 水纤维 | 移液器的内径 | ||||
| 长度 [微米] | 半径 [微米] | 潜力 [v] | 锥形侧 [μm] | 镜头侧 [μm] | |
| 图1b | 830 | 51 | 6000 | 857 | 857 |
| 图2a | 1064 | 20。5 | 6000 | 857 | 857 |
| 图2b | 46 | 1.6-0。8 | 1500元 | 150人 | 857 |
| 图2c | 820 | 32。5 | 5000元 | 857 | 857 |
| 图2d | 1110 | 4.75 | 3000元 | 150人 | 150人 |
| 图3 | 940 | 20-90 | 3000-8000 | 857 | 857 |
| 图4 | 24-73 | 2.7-3 | 2500 | 150人 | 857 |
表 1: 水纤维长度和半径.此表显示了水纤维的长度和半径相对于电势和移液器直径。此表转载于 douvidzon 等人.25岁
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Discussion
总之, 这种技术的主要优点和独特性是创建了一种光纤, 它承载着三种不同的波: 毛细管、声学和光学。这三个波在不同的状态下都振荡, 为多波探测器打开了可能性。例如, 空气中的纳米粒子会影响液体的表面张力。在目前阶段, 已经有可能通过毛细管特征频率的变化来监测表面张力的变化。此外, 水墙设备的柔软度是固体设备的百万倍, 从而提高了传感器的灵敏度。
根据这种设置的经验, 我们注意到对信噪比和光学耦合器质量的高度依赖。因此, 建议对光学耦合器的制造给予密切关注。考虑使用水族馆设置, 以确保为锥形站和水纤维设置提供无尘环境。此外, 实验的实施还涉及到机械或通过电弧破坏或损坏锥形光纤耦合器的风险。在这种情况下, 光传输会下降并变得嘈杂到如此程度, 以至于光纤的毛细管模式在光谱中不再可见。
如果在传输测量中看不到毛细管波, 请重新制造耦合器。此外, 水纤维和光纤耦合器不会相互吸引。为优化传输而调整设置可能需要将水纤维稍微倾斜一点, 以机械地按压水纤维内部的锥形光纤耦合器。
在这一设置中需要注意的另一个障碍是水的关键电阻率。即使液体中的少量离子也会导致大桥坍塌。如果水纤维比预期的更短、更不稳定, 可能是水的污染造成的。将水更换为 18 mω洁净室水。此外, 高压会吸引水纤维周围带电的空气颗粒, 从而溶解并导致不稳定。在这种情况下, 密闭室将有助于提高水纤维的寿命。
这种设置的一个突出方面是, 任何极性液体都可以用来创建液体纤维, 尽管去离子水是众所周知的创造最长的, 以及时间上最稳定的水纤维。对于不同的应用, 考虑其他液体是很有趣的。将水转换为液体或具有合适粘度、表面张力或光学特性的极性液体混合物, 使研究人员能够完全按照自己的要求修剪光纤。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项研究得到了以色列科学、技术和空间部的支持;icore: 以色列卓越中心 "光圈" 赠款第1802/12号, 由以色列科学基金会赠款2012号。作者感谢卡伦·阿迪·坦库斯 (kat) 的有益编辑。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Deioniyzed Water | 18MOhm resistance | ||
| Micropipettes, Borosilicate Glass, round, inner diameter 850 micron | Produstrial.com | #133260 | |
| Micropipettes, Borosilicate Glass, round, inner diameter 150 micron | Produstrial.com | #133258 | |
| High voltage, low current source, 3kV with 5 mA. | Bertan | Model 215 | |
| High voltage, low current source, 8 kV with 0.25 mA. | Home build | ||
| Optical fiber | Corning | HI 780 C | 5 meter |
| Optical fiber | Thorlabs | FTO 30 | 5 meter |
| Optical fiber | Thorlabs | FTO 30 | 5 meter |
| Fiber coupled laser | FIS | SMF 28E | |
| Photoreceiver | New Port/ New Focus | 1801-FS | with fiber connection |
| Oscilloscope | Agilent Technologies | DSO-X 3034A | |
| 2 Degree of freedom tilt stagestage | New Port/ New Focus | M-562F-TILT | |
| 3 Degree of freedom linear micro translation stage | New Port/ New Focus | M-562F-XYZ | |
| A set of magnets | |||
| Objective 5X | Mitutoyo | MY5X-802 | |
| Objective 20 x | Mitutoyo | MY20X-804 | |
| Zoom | Navitar | 12x Zoom | |
| Microscope tube | Navitar | 1-6015 standard tube | |
| Isopropanol | Sigma Aldrich | 67-63-0 | Spec Grad |
| 2 x Bare Fiber holder | Thorlabs | T711-250 | |
| 2 x Translational Stage | Thorlabs | DT12 | |
| Block of PMMA for fabricating the water reservoir and pipette holder | 150 x 60 x 10 mm | ||
| PTFE-Tape | Gufero | 240453 | |
| Fiber coupled, cw Laser Light Source | New Port/ New Focus | TLB-6712 | 765-781 nm |
References
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