Summary
Ce protocole décrit la conception et la fabrication d’un pont de l’eau et son activation comme une fibre de l’eau. L’expérience montre que les résonances capillaires de la fibre de l’eau modulent la transmission optique.
Abstract
Dans ce rapport, une fibre optique dont le noyau est fait uniquement de l’eau, tandis que le revêtement est l’air, est conçu et fabriqué. Contrairement aux dispositifs solide-bardage, capillaires oscillations ne sont pas limitées, permettant les murs de fibre de circuler et de vibrer. La fibre est construite par une tension élevée courant continu (DC) de plusieurs milliers de volts (kV) entre deux réservoirs d’eau qui crée un thread d’eau flottant, connu comme un pont d’eau. Par le choix des micropipettes, il est possible de contrôler le diamètre maximal et la longueur de la fibre. Connecteurs de fibre optique, aux deux côtés du pont, l’activer comme un guide d’onde optique, permettant aux chercheurs de suivre les vagues fibre capillaire corps par la modulation de la transmission et, par conséquent, déduire les changements de tension superficielle.
Confinement conjointement deux types d’onde importante, capillaires et électromagnétiques, ouvre une nouvelle voie de recherche dans les interactions entre la lumière et de dispositifs de liquide-mur. Microdevices eau sont un million de fois plus douces que leurs homologues solides, par conséquent améliorer la réponse aux forces minutes.
Introduction
Depuis la percée des fibres optiques en communication, récompensé par un prix Nobel en 20091, une série d’applications fibre a grandi aux côtés. De nos jours, les fibres sont une nécessité de chirurgies laser2, ainsi que cohérente des rayons x génération3,4, guidé-sound5 et supercontinuum6. Naturellement, la recherche sur la fibre optique étendu d’utiliser des matières solides en exploitant les liquides pour guider les ondes optiques, où microcanaux remplis de liquide et flux laminaire combinent les propriétés de transport d’un liquide avec les avantages de l’optique interrogatoire7,8,9. Cependant, ces dispositifs pince liquide entre solides et interdisent donc d’exprimer son propre caractère vague, appelée onde capillaire.
Les vagues capillaires, similaires à ceux observés lors du lancer une pierre dans un étang, sont une importante vague dans la nature. Toutefois, en raison des obstacles de contrôler un liquide sans amortissement de sa surface par le biais de canaux ou de solides, ceux-ci sont guère utilisés pour la détection ou l’application. En revanche, le dispositif présenté dans le présent protocole a aucune frontière solide ; Il est entouré et flux dans l’air, ce qui permet, par conséquent, ondes capillaires à se développer, se propagent et interagissent avec la lumière.
Pour fabriquer une fibre de l’eau, il est nécessaire de revenir à une technique appelée le pont flottant de l’eau, pour la première fois en 189310, où les deux béchers remplis d’eau distillée et connecté à une source de haute tension formeront une eau fluidique, filiformes connexion entre eux11. Ponts de l’eau peuvent atteindre jusqu'à une longueur de 3 cm12 ou être aussi mince que 20 nm13. En ce qui concerne l’origine physique, il a été démontré que les tensions de surface, ainsi que des forces diélectriques, sont à la fois responsable de la réalisation poids14,15,16 du pont. Pour activer le pont de l’eau comme une fibre de l’eau, nous couple de lumière avec une silice adiabatiquement conique fibre17,18 et dehors avec une silice fibre lentille19. Un tel dispositif peut accueillir des ondes acoustiques, capillaires et optiques, rendant avantageuse pour les détecteurs d’ondes multiples et lab-on-chip20,21,22 demandes.
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Protocol
ATTENTION : Cette expérience consiste à haute tension. C’est la responsabilité du lecteur de vérifier auprès des autorités de sécurité que leur expérience suit les règlements avant d’allumer la haute tension.
Remarque : N’importe quel genre de liquide polaire peut être utilisé pour produire des fibres de liquides, tels que l’éthanol, méthanol, acétone ou l’eau. La polarité du liquide dicte la stabilité et le diamètre de la fibre créé23,24. Pour de meilleurs résultats, utilisez l’eau déminéralisée avec résistance de MΩ 18. Avant de choisir des composants optiques, tels que les fibres optiques et sources lumineuses, consulter les publications afin d’assurer une absorption faible dans la fibre de l’eau/liquide à la longueur d’onde optique désirée. Le protocole peut être suspendu à tout moment avant de remplir le réservoir d’eau (étape 4.5).
1. préparation des réservoirs d’eau et de la Station expérimentale
- Fabriquer deux réservoirs de poly(methyl methacrylate) (PMMA) avec des connecteurs magnétiques pour la pipette et la haute tension, selon Figure 1.
- Couper les deux plaques PMMA de 60 x 50 x 10 mm en taille, percer des cavités de 8 mm de profondeur et de 7 mm de diamètre sur la face arrière des plaques. Colle les aimants de connecteur à l’intérieur des cavités.
- Pour la pince capillaire, couper une bande de PMMA 45 x 10 x 2 mm et coller deux aimants sur le dessus de celui-ci.
- Pour le connecteur électrique, enveloppez les aimants dans un petit morceau de feuille métallique et raccorder électriquement avec pinces crocodile à la source de haute tension (HV). Les réservoirs détiennent environ 100 à 300 µL d’eau. Placer les aimants enveloppés fluidique en contact avec l’eau dans le réservoir.
Remarque : Utilisez de préférence, connecteurs magnétiques pour pinces et haute tension. Si possible, n’utilisez pas n’importe quel type de colle pour fixer les pinces ou les connecteurs, comme beaucoup de types de colles dissoudre sous l’influence de haute tension ou en présence d’arcs électriques et diminue la stabilité des fibres l’eau ou la qualité optique.
- Monter un réservoir PMMA sur une scène de micro-positionnement 5-degré de liberté (DDL).
- Bien nettoyer tous les connecteurs et les zones avec de l’isopropanol (classe spectrale) suivies de l’eau désionisée. Séchez avec de l’azote. Couvrir le PMMA réservoir d’eau et toutes les bornes avec du ruban de polytétrafluoroéthylène (PTFE) pour éviter toute fuite ou gouttes d’eau.
- Positionner la mise en place sous un microscope optique pour l’imagerie. Utiliser des objectifs éloignés (5 X, 0,14 NA et DEO 34 mm pour les fibres longues eau et 20 X, NA 0.42 et objectif 20 mm WD pour les fibres courtes de l’eau) pour éviter l’échouement indésirable entre la zone HV de la fibre de l’eau et la mise en place de microscope électriquement conductrice.
- Mis en place deux pinces de fibre optique sur les stades de transition linéaires, un derrière chaque réservoir d’eau, conformément à la Figure 1. Chaque coupleur fibre devrait pouvoir revenir en arrière et vers l’avant dans sa une micropipette (discutée dans la section suivante).
2. choix des Micropipettes et la tension
- Le diamètre intérieur de la micropipette assure un rayon maximum de la fibre d’eau fabriqué. Pour créer une fibre d’eau rayon 5 µm, utilisez 150 µm-interne-diamètre pipettes, jumelés avec fibres optiques 125-µm de diamètre. Pour plus épais (20-90 µm) et les fibres de l’eau plus longtemps (800-1 000 µm), utilisez les micropipettes avec 850 µm de diamètre intérieur.
Remarque : comme une règle de base, la fibre d’eau longueur maximale est estimée en multipliant le rayon maximal de 25. Pour plus de détails, se reporter au tableau 1.- Briser la micropipette à la main sur un bord d’une longueur de 3 cm.
- Pour créer l’eau des fibres d’un diamètre de jusqu'à 110 µm, appliquer une tension entre les deux réservoirs d’eau entre 1,5 kV et 3 kV. Pour les fibres de l’eau atteignant jusqu'à un millimètre de longueur, s’appliquent jusqu'à 8 kV. Comparer avec la Figure 1 pour des suggestions de câblage électrique.
3. préparation des dispositifs optiques
Remarque : Pour le meilleur résultat de la transmission, utilisez un monomode conique pour lancer lumière laser dans la fibre de l’eau et un objectif hautement multimode fibre dessoudés comme le coupleur sortie (noyau > 100 µm). Toutefois, pour une utilisation facile, utiliser une fibre multimode faible comme le coupleur de sortie (par exemple, une fibre de monomode 1550 nm pour une longueur d’onde 780 nm).
-
Fabrication d’un coupleur de fibres coniques
Remarque : Voir la Figure 2.- Dénuder la fibre monomode 780 nm avec une strip-teaseuse de fibre de son revêtement en plastique à exposer une zone de 10 à 15 mm de fibre nue. Nettoyer la surface exposée à la tâche délicate de lingettes en combinaison avec de l’acétone. Passer la fibre grâce à une micropipette souhaitée avant effilé il. Effilez la fibre ci-dessous les critères de mode simple avec une pente inférieure à 1/20.
- Utiliser une flamme d’hydrogène pour effiler la fibre avec un débit de 140 mL/min, tout en tirant simultanément sur le cône des deux côtés à 0,06 mm/s.
Remarque : La partie conique est au total entre 6 à 9 mm. Si la fibre casse avant d’atteindre les critères de mode unique, régler le débit d’hydrogène à des taux plus élevés ou placer la fibre dans un endroit plus chaud de la torche. Si la zone est plus longue, régler le débit d’hydrogène pour abaisser les taux ou installer la fibre dans une zone plus froide de la torche. - Éteignez la flamme et soigneusement augmenter la tension dans la fibre jusqu'à la rupture à son endroit plus mince. Utiliser cette fibre conique comme le coupleur d’entrée.
ATTENTION : La fibre conique est fragile.
-
Fabrication d’un coupleur de lentille fibre
- Dénudez l’extrémité de la fibre monomode 1550 nm avec une strip-teaseuse de fibre et nettoyez la zone exposée avec la tâche délicate de lingettes en combinaison avec de l’acétone. Choisir et préparer une pipette comme décrit ci-dessus et passez la fibre à travers elle.
- Chauffer le tuyau avec une soudeuse électrique ou laser de CO2 à la puissance de 15 W, porté par un objectif de 200 mm, jusqu'à ce que l’extrémité de fibre de verre se liquéfie et constitue une forme légèrement arrondie, connue comme une lentille de fibre.
4. montage
- Si n’est déjà fait, insérez les coupleurs de fibres dans les micropipettes désirées.
- Fixez la micropipette, à l’aide de la pince PMMA préfabriquée, magnétique, avec les coupleurs de fibres sur les réservoirs PMMA. Le côté non conique des micropipettes devrait atteindre le réservoir d’eau. Pince à chacun des coupleurs de fibres sur une scène de positionnement linéaire.
- Raccordez le coupleur fibre conique à une source de 780 nm, onde entretenue, couplage fibre laser de 10 mW et le coupleur de lentille de fibre d’un wattmètre. Remplir le réservoir avec de l’eau et veiller à ce qu’aucune bulle d’air n’est coincés dans une micropipette. Si nécessaire, pousser ou tirer avec le coupleur de la fibre optique (à l’étape 3.1 ou, par conséquent, de l’étape 3.2).
Remarque : À ce stade, en suivant le chemin optique, les stations sont : la source de lumière laser, la fibre optique, (et cette fibre passe par) la pince de fibre sur une platine, de l’eau dans le réservoir, avec raccordement électrique, la micropipette remplie d’eau, le coupleur optique fibre conique, espace libre (plus tard : fibre de l’eau), le coupleur de lentille fibre (maintenant la deuxième fibre), la micropipette rempli d’eau, le réservoir d’eau avec branchement électrique, la pince de fibre sur une platine d’et, enfin, le wattmètre. - Raccordez les extrémités des micropipettes montés en ajustant la monture de 5 degre-de liberté du réservoir PMMA d’établir un contact fluidique entre les micropipettes. Allumez la source lumineuse et le wattmètre. Ajuster les coupleurs de fibres pour avoir une transmission à l’aide du support réservoir eau 5-DOF PMMA.
Remarque : Utilisez les équipements de sécurité laser approprié. - Connecter la haute tension électrique avec le réservoir d’eau en plaçant les connecteurs magnétiques enveloppés dans du papier métallisé sur les homologues magnétiques dans le PMMA d’eau réservoir et fixer les pinces crocodile à la feuille métallique. Connecter les pinces crocodile via des câbles électriques à la source HT (Figure 2 a).
5. exécution de l’expérience
- Augmenter la tension à la valeur désirée. Un point de départ pour un pont très court et étroit est de 1,5 kV. Les ponts stables avec 100 µm et plus de longueur peuvent être réalisés avec 2,5 à 3 kV.
- Augmentez progressivement la distance entre les micropipettes à la longueur désirée en fonction du choix des micropipettes (Figure 2 b et 2C). Ajuster les coupleurs et pipettes avec l’étape 5-DOF et les étapes 1-DOF pour optimiser la transmission optique.
- Mesurer l’efficacité de couplage en prenant une mesure sur le wattmètre et en le ratio de la couplé à la puissance du laser couplé-out.
- Débrancher le compteur d’électricité et un photorécepteur au coupleur sortie fibre. Connectez le photorécepteur à un oscilloscope. Consigner les mesures de suivi du temps de la lumière transmise, ce qui représente les oscillations de fibre capillaire de l’eau.
- Convertir le temps trace Mensurations via Fast Fourier Transformation en domaine fréquentiel. Prenez la fréquence centrale pleine largeur à mi-hauteur pour recevoir le facteur qualité capillaire.
Remarque : Créer un spectrogramme pour vérifier la gigue de la fréquence. - La configuration de microscope vue de dessus permet de caractériser la structure géométrique de la fibre de l’eau. Le rayon de la fibre est obtenu à la partie la plus mince de la fibre de l’eau.
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Representative Results
L’efficacité de couplage d’une fibre de l’eau à une fibre multimode hautement peut être aussi élevée que 54 %25,26. L’efficacité de couplage d’une fibre monomode est à 12 %25,26. Les fibres de l’eau peuvent être aussi minces que 1,6 µm de diamètre et peuvent avoir une longueur de 46 µm (Figure 3)25,26, ou ils peuvent être jusqu'à 1,064 mm de long avec un diamètre de 41 µm (Figure 3)25,26. Le spectrogramme de transmission révèle une oscillation capillaire de la fibre de l’eau, semblable à celui d’une guitare corde (Figure 4)25,26. Les facteurs de qualité capillaire s’élevaient à s’élever à 14 pour les fibres longues25,26. Compte tenu de la théorie sur les ponts de l’eau, il est possible d’estimer le rapport entre la tension superficielle et la force diélectrique25,26.
Figure 1 : schéma de l’installation. (a) cette illustration montre le montage expérimental de fibre de l’eau. (b) ce croquis montre le réservoir d’eau, le connecteur électrique et le collier de la pipette. (c) ce panneau montre la douceur de l’eau de guide d’ondes par rapport aux solides usuels. Cette figure est reproduite en partie de Douvidzon et al. 25 , 26. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : photos de Set-up. (a) ce panneau montre le réservoir d’eau PMMA sur une monture 5-DOF. avec la pince de PMMA-pipette, la micropipette, la fibre optique et le connecteur électrique. (b) ce panneau indique qu’un contact fluidique entre les micropipettes est créé. (c) ce panneau montre que la distance entre les micropipettes est augmentée afin d’établir une fibre de l’eau. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : caractérisation de la fibre de l’eau. (a) ce panneau montre une fibre d’eau supérieure à 1 mm. Les deux panneaux montrent (b) une fibre micron-échelle-mince de l’eau, (c), la dispersion des surfaces en raison des ondes capillaires à la frontière de phase liquide eau fibre. (d) ce panneau montre la propagation lumineuse dans le volume d’eau fibre confirmé par une mesure de colorant fluorescent. Cette figure est reproduite de Douvidzon et al. 25 , 26. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : mesurer expérimentalement les modes de fibre « corde de guitare » eau. (un) ce panneau indique une mesure de trace du temps. (b), un spectre de fluctuations révèle un mode fondamental et multiplications entières, ses trois connotations (lignes de tableau de bord). (c) ce panneau indique un spectrogramme de fluctuation d’une fibre de 0,94 mm-long avec changement de tension et, corrélativement, de changer le diamètre de la fibre, avec la première constante de tension, puis augmente et enfin, diminue. Le code de couleur décrit la transmission. (d) ce panneau montre la fréquence fondamentale de la fibre en fonction du diamètre de la fibre (cercles) ainsi qu’une prédiction théorique (ligne pointillée). Barres d’erreur horizontales et verticales représentent l’incertitude des huit mesures consécutives, 250-ms-apart de la fréquence centrale et son diamètre de fibre correspondant. Pour tous les panneaux, la longueur de la fibre est de 0,94 mm et l’oscillation est interrogée optiquement avec un photodétecteur. Le diamètre est mesuré par l’intermédiaire de microscope. Cette figure est reproduite de Douvidzon et al. 25 , 26. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
| L’eau fibre | Diamètre intérieur de pipette | ||||
| Longueur [µm] | Rayon [µm] | Potentiel [V] | Côté conique [µm] | Côté de l’objectif [µm] | |
| Fig. 1 b | 830 | 51 | 6000 | 850 | 850 |
| Fig. 2 a | 1064 | 20.5 | 6000 | 850 | 850 |
| Fig. 2 b | 46 | 1.6 - 0,8 | 1500 | 150 | 850 |
| Fig. 2c | 820 | 32,5 | 5000 | 850 | 850 |
| Fig. 2d | 110 | 4.75 | 3000 | 150 | 150 |
| Fig. 3 | 940 | 20 - 90 | 3000 - 8000 | 850 | 850 |
| Fig. 4 | 24 - 73 | 2.7-3 | 2500 | 150 | 850 |
Tableau 1 : longueur de la fibre et le rayon de l’eau. Ce tableau indique la longueur des fibres de l’eau et le rayon en ce qui concerne le potentiel électrique et le diamètre de la pipette. Ce tableau est tiré de Douvidzon, et al. 25.
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Discussion
Pour conclure, l’atout et l’originalité de cette technique crée une fibre qui abrite trois différents types d’ondes : capillaire, acoustique et optique. Tous les trois vagues oscillent sous différents régimes, ouvrant la possibilité pour les détecteurs d’ondes multiples. À titre d’exemple, les nanoparticules atmosphériques affectent la tension superficielle des liquides. Déjà à ce stade, il est possible de surveiller les modifications de la tension de surface par le biais de variations dans la fréquence capillaire. En outre, les dispositifs eau paroi sont un million de fois plus douces que leurs homologues solides, amélioration de la sensibilité des capteurs en conséquence.
Basé sur l’expérience avec cette configuration, nous avons remarqué une forte dépendance sur le ratio signal-bruit et la qualité des dispositifs optiques. Par conséquent, il est recommandé de porter une attention particulière à la fabrication des dispositifs optiques. Envisager une installation d’aquarium pour assurer un environnement sans poussière pour la station effilée et le montage de fibre de l’eau. En outre, l’exécution de l’expérience comporte un risque de casser ou d’endommager le coupleur de fibres coniques mécaniquement ou par un arc électrique. Dans ce cas, la transmission optique peut tomber et devenir bruyante à tel point que les modes capillaires de la fibre ne sont plus visibles dans le spectrogramme.
Si les ondes capillaires ne sont pas visibles dans les mesures de transmission, refabriquer les attelages. En outre, la fibre de l’eau et les attelages de la fibre optique n’attirent pas l’autre. Réglage de la mise en place pour une transmission optimale, il faudra mettre la fibre de l’eau un peu de travers, sertissage mécanique le coupleur fibre conique à l’intérieur de la fibre de l’eau.
Un autre obstacle dans ce set-up à connaître est la résistivité électrique cruciale de l’eau. Même de petites quantités d’ions dans le liquide provoque le pont s’effondrer. Si la fibre de l’eau est plus courte et moins stable que prévu, une contamination de l’eau pourrait être la cause. Remplacer l’eau avec de l’eau de salle blanche 18 MΩ. En outre, la haute tension attire les particules d’air chargées dans les environs de la fibre de l’eau, qui se dissolvent et contribuent à l’instabilité. Dans ce cas, une chambre fermée contribuera à améliorer la longévité de fibre de l’eau.
Un aspect remarquable de cette configuration est que n’importe quel liquide polaire peut être utilisée pour créer une fibre liquide, bien que l’eau désionisée est connu pour créer la plus longue, de même aussi, LeRiz, les fibres plus stables de l’eau. Il est intéressant de considérer les autres liquides pour différentes applications. Passer l’eau à un liquide ou un mélange de liquides polaires avec raccord de viscosité, tension superficielle ou propriétés optiques permet aux chercheurs de couper la fibre exactement à leurs demandes.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Cette recherche a été financée par le ministère israélien de la Science, de technologie et de l’espace ; ICore : le centre d’Excellence israélien « Cercle de feu » concession n° 1802/12 et par la Fondation scientifique israélien accorder no 2013/15. Les auteurs remercient Karen Adie Tankus (KAT) pour le montage utile.
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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