Summary
Questo protocollo descrive la progettazione e la realizzazione di un ponte di acqua e la sua attivazione come una fibra di acqua. L'esperimento dimostra che risonanze capillare della fibra acqua modulano la trasmissione ottica.
Abstract
In questo rapporto, una fibra ottica di cui il nucleo è fatto esclusivamente di acqua, mentre il rivestimento è aria, è stato progettato e fabbricato. In contrasto con dispositivi solido-rivestimento, capillare oscillazioni non sono limitate, permettendo le pareti di fibra per muoversi e vibrare. La fibra è costruita da una tensione alta corrente continua (DC) di alcune centinaia di volt (kV) tra due serbatoi di acqua che crea un thread di acqua galleggiante, conosciuto come un ponte di acqua. Attraverso la scelta delle micropipette, è possibile controllare il diametro massimo e la lunghezza della fibra. Accoppiatori di fibra ottica, su entrambi i lati del ponte, attivano come una guida d'onda ottica, consentendo ai ricercatori di monitorare le onde di corpo capillare acqua fibra attraverso la modulazione della trasmissione e, pertanto, dedurre cambiamenti nella tensione superficiale.
Co-confinare due tipi di onde importanti, capillari ed elettromagnetici, apre un nuovo percorso di ricerca nelle interazioni tra luce e dispositivi di liquido-parete. Microdispositivi con pareti d'acqua sono un milione di volte più morbide rispetto alle loro controparti solidi, migliorando di conseguenza la risposta alle forze minute.
Introduction
Poiché la svolta delle fibre ottiche nella comunicazione, premiato con un premio Nobel nel 20091, una serie di applicazioni basate su fibra è cresciuto a fianco. Al giorno d'oggi, le fibre sono una necessità in laser chirurgia2, così come in coerente raggi x generazione3,4, guidato-sound5 e supercontinuum6. Naturalmente, la ricerca sulla fibra ottica estesa dall'utilizzazione di solidi in liquidi per la guida d'onda ottica, dove microcanali ripiena di liquido e flusso laminare si combinano le proprietà di trasporto di un liquido con i vantaggi di ottica di sfruttamento interrogatorio7,8,9. Tuttavia, questi dispositivi morsetto il liquido fra i solidi e, pertanto, lo proibisco di esprimere il proprio carattere di onda, conosciuto come onda capillare.
Onde capillari, simili a quelli osservati quando gettare un sasso in uno stagno, sono un'onda importante in natura. Tuttavia, a causa degli ostacoli di controllare un liquido senza smorzamento sua superficie attraverso canali o solidi, difficilmente vengono utilizzati per il rilevamento o applicazione. Al contrario, il dispositivo ha presentato in questo protocollo non ha solidi confini; è circondato da e flussi di aria, permettendo, quindi, onde capillari sviluppare, propagano e interagiscono con la luce.
Per fabbricare una fibra di acqua, è necessario tornare a una tecnica conosciuta come il ponte galleggiante di acqua, in primo luogo segnalato in 189310, dove due bicchieri pieni di acqua distillata e collegato ad una sorgente di alta tensione si formerà un fluidico, acqua filiformi connessione tra loro11. Ponticelli dell'acqua possono raggiungere fino a una lunghezza di 3 cm12 o essere sottile come 20 nm13. Per quanto riguarda l'origine fisica, risulta che le tensioni di superficie, come pure le forze dielettriche, sono entrambi responsabili per la realizzazione peso14,15,16 del ponte. Per attivare il ponte di acqua come una fibra di acqua, abbiamo coppia luce con un silice adiabaticamente conici fibra17,18 e fuori con una silice fibre lente19. Tale dispositivo può ospitare onde acustiche, capillare e ottiche, rendendolo vantaggioso per rivelatori di multi- onde e lab-on-chip20,21,22 applicazioni.
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Protocol
Attenzione: Questo esperimento coinvolge ad alta tensione. È compito del lettore per verificare con le autorità di sicurezza che il loro esperimento segue regolamenti prima di accendere l'alta tensione.
Nota: Qualsiasi tipo di liquido polare può essere utilizzata per produrre fibre liquide, quali etanolo, metanolo, acetone o acqua. La polarità del liquido determina la stabilità e il diametro della fibra creato23,24. Per risultati ottimali, utilizzare acqua deionizzata con 18 resistenza MΩ. Prima di scegliere componenti ottici, quali fibre ottiche e sorgenti luminose, consultare la letteratura per garantire un basso assorbimento della fibra di acqua/liquido alla lunghezza d'onda ottica desiderata. Il protocollo può essere messo in pausa in qualsiasi momento prima di riempire il serbatoio dell'acqua (punto 4.5).
1. preparazione di serbatoi d'acqua e stazione sperimentale
- Produciamo due serbatoi poly(methyl methacrylate) (PMMA) con connettori magnetici per la pipetta e l'alta tensione, secondo la Figura 1.
- Tagliare i due piatti di PMMA a dimensioni di 60 x 50 x 10 mm, trapano cavità di 8 mm in profondità e 7 mm di diametro sul retro delle piastre. Magneti di connettore di colla all'interno delle cavità.
- Per il morsetto capillare, tagliare una striscia di PMMA a 45 x 10 x 2 mm e colla due magneti sulla parte superiore di esso.
- Per il connettore elettrico, avvolgere magneti in un piccolo pezzo di lamina metallica e collegarlo elettricamente con pinze coccodrillo alla fonte ad alta tensione (HV). I serbatoi tenere circa 100-300 µ l di acqua. Posizionare i magneti avvolti in fluidico contatto con l'acqua nel serbatoio.
Nota: Utilizzare preferibilmente, connettori magnetici per Morse e alta tensione. Se possibile, non per utilizzare alcun tipo di colla per fissare i morsetti o i connettori, come molti tipi di Colle sciogliere sotto l'influenza di alta tensione o in presenza di archi elettrici e diminuiscono la stabilità dell'acqua della fibra o qualità ottica.
- Montare un serbatoio PMMA su un palco di micro-posizionamento di 5 gradi di libertà (DOF).
- Pulire accuratamente tutti i connettori e aree con isopropanolo (classe spettrale) seguite da acqua deionizzata. Piega con azoto. Coprire il PMMA serbatoio d'acqua e tutti i morsetti con nastro di politetrafluoroetilene (PTFE) per evitare eventuali perdite o gocciolamenti.
- Posizione il set-up sotto un microscopio ottico per l'imaging. Utilizzare obiettivi di campo lontano (5 X, 0,14 NA e WD 34 mm per fibre lunghe acqua e 20 X, NA 0,42 e lente 20mm WD per fibre acqua breve) per evitare indesiderato messa a terra fra la zona di alta tensione della fibra dell'acqua e l'assetto di microscopio elettricamente conduttivo.
- Impostare due morsetti di fibra ottica su fasi di transizione lineare, uno dietro ciascun serbatoio di acqua, secondo la Figura 1. Ogni accoppiatore di fibra dovrebbe essere in grado di spostare indietro e in avanti all'interno del sua micropipetta (discussa nella sezione seguente).
2. scelta della Micropipette e tensione
- Il diametro interno della micropipetta assicura un raggio massimo della fibra fabbricato acqua. Per creare una fibra di acqua raggio 5-µm, utilizzo di pipette 150-µm-diametro interno, abbinati a fibre ottiche 125-µm di diametro. Per più spessa (20-90 µm) e fibre lunghe di acqua (800-1.000 µm), è possibile utilizzare Micropipette con un diametro interno di 850 µm.
Nota: come regola generale, la fibra di acqua lunghezza massima è stimata moltiplicando il raggio massimo di 25. Per informazioni dettagliate, fare riferimento alla tabella 1.- Rompere la micropipetta a mano sopra un bordo per una lunghezza di 3 cm.
- Per creare acqua fibre con un diametro di fino a 110 µm, applicare una tensione tra i due serbatoi di acqua tra 1,5 kV e 3 kV. Per fibre acqua raggiungendo fino a un millimetro di lunghezza, si applicano fino a 8 kV. Confronta con Figura 1 per suggerimenti di cablaggio elettrico.
3. preparazione degli accoppiatori ottici
Nota: Per il miglior risultato di trasmissione, utilizzare una modalità singola fibra conico per lanciare luce laser in fibra di acqua e una lente di fibra altamente multimodale ripropagato come l'accoppiatore di uscita (core > 100 µm). Per il funzionamento facile, è tuttavia possibile utilizzare una fibra multimodale basso come l'accoppiatore di uscita (ad esempio, una fibra monomodale 1550 nanometro per una lunghezza d'onda di 780 nm).
-
Fabbricazione di un accoppiatore di fibra conico
Nota: Vedere la Figura 2.- Striscia la fibra single-mode di 780 nm con una spogliarellista di fibra dal suo rivestimento di plastica per esporre un'area di 10-15 mm di fibra nuda. Pulire l'area esposta con delicato compito salviettine in combinazione con l'acetone. Passare la fibra attraverso la micropipetta desiderata prima di esso si assottiglia. Cono la fibra sotto i criteri modalità singola con una pendenza inferiore a 1/20.
- Utilizzare una fiamma ossidrica per affusolare la fibra con una portata di 140 mL/min, mentre contemporaneamente tirando il cono da entrambi i lati a 0.06 mm/s.
Nota: La parte conica è in totale tra 6 e 9 mm. Se la fibra si rompe prima di raggiungere i criteri di modalità singola, regolare il flusso di idrogeno a tassi più elevati o posizionare la fibra in una zona più calda della torcia. Se l'area è più lungo, regolare il flusso di idrogeno per abbassare i tassi o posizionare la fibra in una zona più fredda della torcia. - Spegnete la fiamma e con attenzione per aumentare la tensione della fibra fino a quando non si rompe nel suo punto più sottile. Utilizzare questa fibra conica come l'ingresso accoppiatore.
Attenzione: La fibra conica è fragile.
-
Fabbricazione di fibre lente accoppiatore
- Striscia la punta fibra monomodale 1550 nanometro con una spogliarellista di fibra e pulire l'area esposta con delicato compito salviettine in combinazione con l'acetone. Scegliere e preparare una pipetta come descritto sopra e passare la fibra attraverso di essa.
- Calore la punta con una giuntatrice a fusione elettrica o laser CO2 15-W di potenza, messa a fuoco attraverso una lente di 200mm, fino alla fine di fibra di vetro diventa liquida e costituisce una forma leggermente arrotondata, nota come una lente di fibra.
4. montaggio
- Se non si è ancora fatto, inserire gli accoppiatori fibra le micropipette desiderate.
- Fissare la micropipetta, utilizzando la pinza di PMMA prefabbricata, magnetica, con gli accoppiatori di fibra sui serbatoi PMMA. Il lato non-conico delle micropipette dovrebbe raggiungere nel serbatoio dell'acqua. Ogni morsetto degli accoppiatori fibra su un palco di posizionamento lineare.
- Collegare l'accoppiatore di fibra conici ad una fonte di 780 nm, onda continua, accoppiati in fibra laser a 10 mW e l'accoppiatore di lente di fibre ottiche per un misuratore di potenza. Riempire il serbatoio con acqua e garantire che bolle d'aria non sono bloccati nella micropipetta. Se necessario, spingere o tirare con l'accoppiatore di fibra ottica (da passo 3.1 o, di conseguenza, dal punto 3.2).
Nota: In questa fase, seguendo il percorso ottico, le stazioni sono: la sorgente di luce laser, la fibra ottica, (e questa fibra passa attraverso) il morsetto di fibra su una fase lineare, l'acqua nel serbatoio con collegamento elettrico, la micropipetta riempita d'acqua, l'accoppiatore ottico della fibra conici, spazio libero (più successivamente: fibra di acqua), l'accoppiatore di lente di fibre ottiche (ora la seconda fibra), la micropipetta riempita d'acqua, il serbatoio dell'acqua con connessione elettrica, il morsetto di fibra su una fase lineare e, infine, il misuratore di potenza. - Collegare le estremità delle micropipette montate regolando il Monte 5-degre-di-libertà del serbatoio dell'acqua PMMA per stabilire un contatto fluidico tra le micropipette. Accendere la sorgente luminosa e il misuratore di potenza. Regolare gli accoppiatori di fibra per avere una trasmissione con l'aiuto del supporto del serbatoio di acqua PMMA 5-DOF.
Nota: Utilizzare attrezzature di sicurezza laser appropriato. - Collegare elettricamente l'alta tensione con il serbatoio dell'acqua inserendo i connettori magnetici avvolti in lamina metallica sopra le controparti magnetiche in PMMA acqua serbatoio e collegare le pinze coccodrillo per la lamina metallica. Collegare i morsetti coccodrillo tramite cavi elettrici all'origine HV (Figura 2a).
5. esecuzione dell'esperimento
- Aumentare la tensione al valore desiderato. Un punto di partenza per un ponte molto corto e stretto è di 1,5 kV. Ponti stabili con 100 µm e più di lunghezza possono essere realizzati con 2,5-3 kV.
- Lentamente aumentare la distanza tra le micropipette fino alla lunghezza desiderata in base alla scelta di micropipette (Figura 2b e 2C). Regolare gli accoppiatori e le pipette con la fase 5-DOF e le fasi 1-DOF per ottimizzare la trasmissione ottica.
- Misurare l'efficienza di accoppiamento effettuato una misurazione sul misuratore e prendendo il rapporto del componente accoppiato per la potenza del laser accoppiato-out.
- Il misuratore di potenza di scollegare e collegare un photoreceiver per l'accoppiatore di fibra di uscita. Collegare il photoreceiver ad un oscilloscopio. Tempo record traccia misurazioni della luce trasmessa, che rappresenta le oscillazioni della fibra capillare dell'acqua.
- Convertire il tempo traccia misurazioni tramite Fast Fourier Transformation in dominio di frequenza. Assumere la frequenza centrale completa larghezza a metà altezza per ricevere il fattore di qualità capillare.
Nota: Creare uno spettrogramma per verificare la variazione di frequenza. - Utilizzare il set-up di vista superiore microscopio per caratterizzare la struttura geometrica della fibra dell'acqua. Il raggio della fibra è ottenuto alla parte più sottile della fibra dell'acqua.
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Representative Results
L'efficienza di accoppiamento da una fibra di acqua ad una fibra altamente multimoda può essere alto come 54%25,26. L'efficienza di accoppiamento per una fibra single-mode è fino a 12%25,26. Fibre di acqua possono essere sottili come 1,6 µm di diametro e possono avere una lunghezza di 46 µm (Figura 3)25,26, o possono essere fino a 1,064 mm di lunghezza con un diametro di 41 µm (Figura 3)25,26. Spettrogramma trasmissione rivela oscillazione capillare della fibra acqua, simile a quello di una chitarra stringa (Figura 4)25,26. I fattori di qualità capillare sono stati stimati per essere alto come 14 per fibre lunghe25,26. Considerando la teoria sui ponti di acqua, è possibile stimare il rapporto tra la tensione superficiale e la forza dielettrica25,26.
Figura 1: schemi di set-up. (un) questa illustrazione viene mostrato il set-up sperimentale del fibra di acqua. (b) questo schizzo mostra il serbatoio dell'acqua, il connettore elettrico e il morsetto di pipetta. (c) questo pannello mostra la morbidezza di guida d'onda con pareti d'acqua rispetto ai solidi comuni. Questa figura è riprodotta in parte da Douvidzon et al. 25 , 26. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: foto di set-up. (un) questo pannello mostra il PMMA-serbatoio su un Monte di 5-DOF. con il morsetto di PMMA-pipetta, la micropipetta, la fibra ottica e il connettore elettrico. (b) questo pannello mostra che viene creato un contatto fluidico tra le micropipette. (c) questo pannello mostra che la distanza tra le micropipette è aumentata per stabilire una fibra di acqua. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: caratterizzazione della fibra di acqua. (un) questo pannello mostra una fibra di acqua più di 1 mm. I prossimi due pannelli Visualizza (b) una fibra acqua micron-scala-sottile, (c), la dispersione superficiale a causa di onde capillari al confine di fase liquida di acqua fibra. (d) questo pannello mostra la propagazione della luce attraverso il volume di acqua fibra confermato da una misurazione di tintura fluorescente. Questa figura è riprodotto da Douvidzon et al. 25 , 26. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: sperimentalmente misurando le modalità di fibra "corda di chitarra" acqua. (un) questo pannello mostra una misurazione di traccia del tempo. (b) una fluttuazione lo spettro rivela una modalità fondamentale e, alle moltiplicazioni di integer, sue tre tratti (linee di dash). (c) questo pannello mostra uno spettrogramma di fluttuazione di una fibra di 0,94-mm-lungo con cambiando la tensione e, corrispondentemente, il diametro della fibra, con tensione costante prima, poi aumentato e infine, è diminuito. Il codice di colore descrive la trasmissione. (d) questo pannello mostra la frequenza fondamentale della fibra in funzione del diametro della fibra (cerchi) insieme ad una previsione teorica (linea tratteggiata). Barre di errore orizzontali e verticali rappresentano l'incertezza di otto consecutivi, 250-ms-apart misurazioni della frequenza centrale e suo corrispondente diametro della fibra. Per tutti i pannelli, la lunghezza della fibra è 0,94 mm e l'oscillazione viene interrogato otticamente con una cellula fotoelettrica. Il diametro è misurato tramite microscopio. Questa figura è riprodotto da Douvidzon et al. 25 , 26. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Acqua in fibra | Diametro interno della pipetta | ||||
| Lunghezza [µm] | Raggio [µm] | Potenziale [V] | Cono laterale [µm] | Dal lato obiettivo [µm] | |
| Fig. 1b | 830 | 51 | 6000 | 850 | 850 |
| Fig. 2a | 1064 | 20.5 | 6000 | 850 | 850 |
| Fig. 2b | 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 |
Tabella 1: acqua fibra di lunghezza e raggio. Questa tabella mostra la lunghezza della fibra dell'acqua e il raggio per quanto riguarda il potenziale elettrico e il diametro di pipetta. Questa tabella viene riprodotto da Douvidzon, et al. 25.
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Discussion
Per concludere, il grande vantaggio e l'unicità di questa tecnica è la creazione di una fibra che ospita tre diversi tipi di onde: capillare, acustico e ottico. Tutte le tre onde oscillano in regimi diversi, aprendo la possibilità per i rivelatori di multi-wave. Ad esempio, le nanoparticelle airborne influenzano la tensione superficiale dei liquidi. Già allo stato attuale, è possibile monitorare i cambiamenti nella tensione della superficie attraverso variazioni della frequenza propria capillare. Inoltre, i dispositivi con pareti d'acqua sono un milione di volte più morbidi rispetto alle loro controparti solidi, migliorando di conseguenza la sensibilità dei sensori.
Basato su esperienza con questo set-up, abbiamo notato una dipendenza alta il rapporto segnale-rumore e la qualità degli accoppiatori ottici. Pertanto, si raccomanda di prestare particolare attenzione alla fabbricazione degli accoppiatori ottici. Si consideri un set-up acquario per garantire un ambiente privo di polvere per la stazione si assottiglia e il set-up della fibra di acqua. Inoltre, l'esecuzione dell'esperimento comporta un rischio di rompere o danneggiare l'accoppiatore di fibra conici meccanicamente o attraverso un arco elettrico. In tal caso, la trasmissione ottica può cadere e diventare rumorosa a tal punto che le modalità capillare della fibra non sono visibili nello spettrogramma.
Se non sono visibili nelle misure di trasmissione onde capillari, manomettere o gli accoppiatori. Inoltre, la fibra di acqua e gli accoppiatori di fibra ottica non attraggono reciprocamente. Regolare il set-up per una trasmissione ottimale può richiedere a mettere la fibra dell'acqua un po' di traverso, premere meccanicamente l'accoppiatore di fibra conico all'interno della fibra di acqua.
Un altro ostacolo in questo set-up da tenere in mente è la resistività elettrica cruciale dell'acqua. Anche piccole quantità di ioni nel liquido causerà il ponte al collasso. Se la fibra di acqua è più breve e meno stabile rispetto al previsto, una contaminazione dell'acqua potrebbe essere la causa. Sostituire l'acqua con 18 MΩ camera pulita acqua. Inoltre, l'alta tensione attrae le particelle di carica aria nei dintorni della fibra acqua, sciogliere e che contribuiscono all'instabilità. In questo caso, una camera chiusa contribuirà a migliorare la longevità di fibra di acqua.
Un aspetto straordinario di questo set-up è che qualsiasi liquido polare può essere utilizzata per creare una fibra liquida, anche se l'acqua deionizzata è noto per la creazione di più a lungo, così come, comparate, le fibre di acqua più stabile. È interessante considerare altri liquidi per differenti applicazioni. L'acqua di commutazione di un liquido o un mix di liquidi polari con viscosità, tensione superficiale o proprietà ottiche di montaggio permette ai ricercatori di tagliare la fibra esattamente alle loro richieste.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questa ricerca è stata sostenuta dal Ministero israeliano di scienza, tecnologia e spazio; ICore: il centro di eccellenza israeliano 'Circle of Light' concedere n. 1802/12 e dal israeliano Science Foundation concedere n. 2013/15. Gli autori ringraziano Karen Adie Tankus (KAT) per l'editing 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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