Summary
Este protocolo descreve a concepção e o fabrico de uma ponte de água e sua ativação como uma fibra de água. A experiência demonstra que as ressonâncias capilares da fibra água modulam sua transmissão óptica.
Abstract
Neste relatório, uma fibra óptica de que o núcleo é feito exclusivamente de água, enquanto que o revestimento é ar, é projetado e fabricado. Em contraste com o revestimento sólido dispositivos, oscilações capilares não são restritas, permitindo que as paredes de fibra mover e vibrar. A fibra é construída por uma tensão de alta corrente contínua (CC) de vários milhares de volts (kV) entre dois reservatórios de água cria um thread de água flutuante, conhecido como uma ponte de água. Através da escolha de micropipetas, é possível controlar o diâmetro máximo e comprimento da fibra. Acopladores de fibra óptica, em ambos os lados da ponte, ativá-lo como um waveguide ótico, permitindo que os pesquisadores monitorar as ondas de corpo capilar de fibra de água através da modulação da transmissão e, portanto, deduzir mudanças na tensão superficial.
Confinar co dois tipos importantes de onda, capilares e eletromagnéticos, abre um novo caminho de pesquisa nas interações entre a luz e dispositivos de líquido-parede. Microdevices paredes de água são um milhão de vezes mais macios do que suas contrapartes sólidos, consequentemente, melhorando a resposta ao minutos forças.
Introduction
Desde a descoberta de fibras ópticas em comunicação, premiado com um Nobel de 20091, uma série de aplicativos baseados em fibra cresceu ao lado. Hoje em dia, as fibras são uma necessidade em cirurgias com laser2, além de coerente raio x geração3,4, guiado-som5 e supercontinuum6. Naturalmente, a pesquisa sobre fibra óptica expandida de utilizando sólidos em líquidos para guiar de onda óptica, onde microcanais cheio de líquido e fluxo laminar combinam as propriedades de transporte de um líquido com as vantagens da óptica a explorar interrogatório de8,7,9. No entanto, esses dispositivos fixar o líquido entre sólidos e, portanto, proíbem-lo de expressar seu próprio caráter de onda, conhecido como onda capilar.
Ondas capilares, semelhantes aos observados quando jogar uma pedra num lago, são uma importante onda na natureza. No entanto, devido os obstáculos de controlar um líquido sem exorcizar sua superfície através de canais ou sólidos, eles quase não são utilizados para detecção ou aplicativo. Em contraste, o dispositivo apresentado neste protocolo não tem sólidas limites; é cercada por e fluxos de ar, permitindo, portanto, ondas capilares desenvolver, propagam e interagirem com a luz.
Para fabricar uma fibra de água, é necessário voltar a uma técnica conhecida como a ponte de água flutuante, relatada pela primeira vez em 189310, onde dois copos cheios de água destilada e conectem a uma fonte de alta tensão irá formar uma água fluídico, como fio conexão entre os11. Pontes de água podem chegar até um comprimento de 3 cm12 ou ser tão finas quanto 20 nm13. Quanto à origem física, ficou demonstrado que as tensões de superfície, bem como forças dielétricas, são ambos responsáveis pela execução peso14,15,16 da ponte. Para ativar a ponte de água como uma fibra de água, nós casal luz com uma fibra de sílica adiabaticamente cônico17,18 e sair com uma sílica fibra lente19. Tal dispositivo pode hospedar ondas ópticas, acústicas e capilares, tornando-se vantajoso para detectores de multi-ondas e lab-on-chip20,21,22 aplicações.
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Protocol
Atenção: Este experimento envolve alta tensão. É responsabilidade do leitor para verificar com as autoridades de segurança que o experimento segue regulamentos antes de ligar a alta tensão.
Nota: Qualquer tipo de líquido polar pode ser utilizado para produzir fibras de líquidos, tais como etanol, metanol, acetona ou água. A polaridade do líquido dita a estabilidade e o diâmetro do fibra criado23,24. Para melhores resultados, use água deionizada com resistência de MΩ 18. Antes de escolher os componentes ópticos, tais como as fibras ópticas e fontes de luz, consulte a literatura para garantir uma baixa absorção na fibra água/líquido no comprimento de onda de óptica desejada. O protocolo pode ser pausado a qualquer momento antes de encher o reservatório de água (etapa 4.5).
1. preparação de reservatórios de água e Estação Experimental
- Fabricamos dois reservatórios de poly(methyl methacrylate) (PMMA) com conectores magnéticos para a pipeta e a alta tensão, de acordo com a Figura 1.
- Corte duas placas PMMA para 60 x 50 x 10 mm de tamanho, cavidades de 8 mm em profundidade e 7 mm de diâmetro na parte de trás das placas de broca. Ímãs de conector de cola dentro das cavidades.
- Para a pinça capilar, cortar uma faixa de PMMA para 45 x 10 x 2 mm e colar dois ímãs no lado superior do mesmo.
- Para o conector elétrico, embrulhe os ímãs em um pequeno pedaço de folha metálica e conectá-lo eletricamente com pinças crocodilo à fonte de alta tensão (HV). Os reservatórios segurar aproximadamente 100-300 µ l de água. Coloque os ímãs embrulhados em contato fluídico com a água no reservatório.
Nota: De preferência, use conectores magnéticos para grampos e alta tensão. Se possível, fazer para não usar qualquer tipo de cola para fixar os grampos ou os conectores, como muitos tipos de colas dissolvem sob a influência de alta tensão ou na presença de arcos eléctricos e diminuem a estabilidade de fibras de água ou a qualidade óptica.
- Monte um reservatório PMMA em um palco de microposicionamento 5-grau de liberdade (DOF).
- Limpe todos os conectores e áreas com isopropanol (classe espectral), seguidas de água desionizada. Secar com nitrogênio. Cobrir o PMMA todos os grampos com fita de politetrafluoretileno (PTFE) para evitar qualquer vazamento ou gotejamento de água e reservatório de água.
- Posição a afinação sob microscópio óptico para a imagem latente. Use consideravelmente-campo objectivos (5 X, 0,14 ND e WD 34mm para fibras de água longa e 20 X, at 0,42 e lente 20mm WD para fibras curtas de água) para evitar indesejado aterramento entre a área de alta tensão da fibra água e a afinação de microscópio eletricamente condutor.
- Configure duas pinças de fibra óptica em fases de transição lineares, um atrás de cada reservatório de água, de acordo com a Figura 1. Cada acoplador de fibra deve ser capaz de voltar e avançar dentro de seu micropipeta (discutida na seção a seguir).
2. escolhendo as micropipetas e tensão
- O diâmetro interno da micropipeta garante um raio máximo da fibra água fabricada. Para criar uma fibra de água de raio de 5 µm, use pipetas 150-µm-diâmetro interno, emparelhadas com fibras ópticas de 125-µm de diâmetro. Para mais grosso (20-90 µm) e mais fibras de água (800-1.000 µm), use Micropipetas de 850 µm de diâmetro interno.
Nota: como regra geral, a fibra de água comprimento máximo é estimado multiplicando-se o raio máximo de 25. Para obter detalhes, consulte a tabela 1.- Quebre a micropipeta à mão sobre uma borda a um comprimento de 3 cm.
- Para criar água fibras com um diâmetro de até 110 µm, aplique uma tensão entre os dois reservatórios de água entre 1,5 kV e 3 kV. Para fibras de água atingindo até um milímetro de comprimento, aplicar-se até 8 kV. Compare com a Figura 1 para obter sugestões de fiação elétrica.
3. preparação dos acopladores ópticos
Nota: Para o melhor resultado de transmissão, utilize uma fibra de modo único cônica para lançar luz laser para a fibra de água e uma lente altamente multimodo refluídos fibra como o acoplador da saída (núcleo > 100 µm). No entanto, para facilitar a operação, use uma fibra multimoda baixa como o acoplador de saída (por exemplo, um 1550 nm fibra de modo único para um comprimento de onda de 780 nm).
-
Fabricação de um acoplador fibra cônico
Nota: Consulte a Figura 2.- Tira a fibra de modo único de 780 nm com uma stripper de fibra de seu revestimento plástico para expor uma área de 10-15 mm de fibra desencapada. Limpe a área exposta com a delicada tarefa de lenços em combinação com acetona. Passe a fibra através da micropipeta desejada antes de afilar-se isso. Afilar a fibra abaixo os critérios de modo único, com uma inclinação menor do que 1/20.
- Utilize uma chama de hidrogênio para afilar a fibra com um caudal de 140 mL/min, enquanto simultaneamente puxa o cone de ambos os lados a 0,06 mm/s.
Nota: A parte afilada é total entre 6 a 9 mm. Se a fibra quebra antes de atingir os critérios de modo único, ajustar o fluxo de hidrogênio a taxas mais elevadas ou coloque a fibra em uma área mais quente da tocha. Se a área for maior, ajuste o fluxo de hidrogênio para taxas mais baixas ou coloque a fibra em uma área mais fria da tocha. - Desligue a chama e cuidadosamente, aumentar a tensão na fibra até quebra no seu ponto mais fino. Use esta fibra afilada como o acoplador de entrada.
Atenção: A fibra cônica é frágil.
-
Fabricação de um acoplador de lente de fibra
- Tira a ponta de fibra de modo único de 1550 nm, com uma stripper de fibra e limpe a área exposta com a delicada tarefa de lenços em combinação com acetona. Escolher e preparar uma pipeta como descrito acima e passar a fibra através dele.
- Calor a ponta com um Splicer da fusão elétrica ou laser de CO2 na alimentação de 15 W, focalizado através de uma lente de 200mm, até o fim de fibra de vidro torna-se líquido e forma uma forma ligeiramente arredondada, conhecida como uma lente de fibra.
4. montagem
- Se ainda não acabou, insira as micropipetas desejadas os acopladores de fibra.
- Braçadeira da micropipeta, usando a braçadeira PMMA pré-fabricados, magnética, com os acopladores de fibra para os reservatórios PMMA. O lado não-cônicos das micropipetas deve chegar no reservatório de água. Fixe cada um dos acopladores a fibra em um palco de posicionamento linear.
- Conecte o acoplador fibra cônico para uma fonte de laser de 10 mW 780 nm, ondas contínuas, fibra-acoplado e o acoplador de lente de fibra para um medidor de energia. Encher o reservatório com água e certifique-se de que não há bolhas de ar estão presos na micropipeta. Se necessário, empurre ou puxe-os com o acoplador da fibra óptica (passo 3.1 ou, por conseguinte, de passo 3.2).
Nota: Nesta fase, seguindo o caminho óptico, as estações são: a fonte de luz laser, a fibra óptica, (e esta fibra atravessa) a braçadeira de fibra em uma fase linear, a água no reservatório com conexão elétrica, a micropipeta cheia de água, o acoplador ótico da fibra cônico, espaço livre (mais tarde: fibra de água), o acoplador de lente de fibra (agora a segunda fibra), a micropipeta cheio de água, o reservatório de água com conexão elétrica, o grampo de fibra em uma fase linear e, por último, o medidor de energia. - Ligue as extremidades das micropipetas montadas ajustando a montagem de 5 graus de liberdade do reservatório de água PMMA para estabelecer um contato fluídico entre as micropipetas. Ligue a fonte de luz e o medidor de energia. Ajuste os acopladores de fibra para ter uma transmissão com a ajuda de montagem de reservatório de água PMMA da 5-DOF.
Nota: Use equipamento de segurança adequado do laser. - Conectar-se a alta tensão eletricamente com o reservatório de água, colocando os conectores magnéticos, envolvidos em folha metálica sobre as contrapartidas magnéticas na PMMA água reservatório e anexar pinças crocodilo para a folha metálica. Conecte os pinças crocodilo através de cabos elétricos para a fonte de alta tensão (Figura 2a).
5. executar o experimento
- Aumente a tensão para o valor desejado. Um ponto de partida para uma muito curta e estreita ponte é de 1,5 kV. Pontes estáveis com 100 µm e mais de comprimento podem ser conseguidos com 2,5-3 kV.
- Aumente lentamente a distância entre as micropipetas para o comprimento desejado, de acordo com a escolha das micropipetas (Figura 2b e 2C). Ajuste os acopladores e pipetas com a fase 5-DOF e os estágios 1-DOF para otimizar a transmissão óptica.
- Medir a eficiência de acoplamento por efectuar uma medição no medidor de energia e levando a relação de acoplado-a para a potência do laser acoplado-para fora.
- O medidor de energia e ligue um fotoreceptor para o acoplador de fibra de saída. Conecte o fotoreceptor para um osciloscópio. Medições de rastreamento de tempo recorde da luz transmitida, representando as oscilações da fibra capilar de água.
- Converta o tempo rastreamento medições através de transformação de Fourier rápido domínio da frequência. Assuma a frequência central largura total no máximo metade para receber o fator qualidade capilar.
Nota: Crie um espectrograma para verificar se há variação de frequência. - Use a configuração de microscópio de vista superior para caracterizar a estrutura geométrica da fibra água. O raio da fibra é obtido na parte mais fina da fibra água.
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Representative Results
A eficiência de acoplamento de uma fibra de água para uma fibra altamente multimoda pode ser tão elevada como 54%25,26. A eficiência de acoplamento para uma fibra de modo único é 12%25,26. Fibras de água podem ser tão finas quanto 1,6 µm de diâmetro e podem ter um comprimento de 46 µm (Figura 3)25,26, ou podem ser até 1,064 mm de comprimento com um diâmetro de 41 µm (Figura 3)25,26. O espectrograma de transmissão revela capilar oscilação da fibra água, semelhante de uma sequência de caracteres (Figura 4) de guitarra25,26. Os fatores de qualidade capilar foram estimados para ser tão alto quanto 14 por fibras longas25,26. Considerando a teoria sobre pontes de água, é possível estimar a relação entre a tensão superficial e a força dieléctrica25,26.
Figura 1: esquema de afinação. (um) esta ilustração mostra a montagem experimental de fibra de água. (b) este esboço mostra o reservatório de água, o conector elétrico e o grampo de pipeta. (c) este painel mostra a suavidade do waveguide paredes de água em comparação com sólidos comuns. Esta figura é reproduzida, em parte, de Douvidzon et al 25 , 26. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: fotos do set-up. (um) este painel mostra o reservatório de água de PMMA em uma montagem de 5-DOF. com a braçadeira de PMMA-pipeta, a micropipeta, fibra óptica e o conector elétrico. (b) este painel mostra que é criado um contato fluídico entre as micropipetas. (c) este painel mostra que a distância entre as micropipetas é aumentada para estabelecer uma fibra de água. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: caracterização da fibra de água. (um) este painel mostra uma fibra de água superior a 1 mm. Os próximos dois painéis mostram (b) uma fibra água mícron-escala-fina, (c) o espalhamento superficial devido a ondas capilares no limite líquido-fase de fibra do água. (d) este painel mostra luz propagação através do volume de água da fibra confirmado pela medição tintura fluorescente. Esta figura é reproduzida de Douvidzon et al . 25 , 26. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: experimentalmente, medindo os modos de fibra "corda de guitarra" água. (um) este painel mostra uma medição do tempo de rastreamento. (b) um espectro de flutuação revela um modo fundamental e, em multiplicações de número inteiro, seus três overtones (linhas de traço). (c) este painel mostra um espectrograma de flutuação de uma fibra de 0,94 mm-longo com tensão e, correspondentemente, mudança do diâmetro da fibra, com primeira constante de tensão, em seguida, aumentou e finalmente, diminuiu. O código de cor descreve a transmissão. (d) este painel mostra a frequência fundamental da fibra em função do diâmetro da fibra (círculos), juntamente com uma previsão teórica (linha tracejada). Barras de erro horizontais e verticais representam a incerteza de oito medições consecutivas, 250-ms-distante da frequência central e seu correspondente diâmetro da fibra. Para todos os painéis, o comprimento de fibra é 0,94 mm e a oscilação é opticamente interrogada com um fotodetector. O diâmetro é medido através de microscópio. Esta figura é reproduzida de Douvidzon et al . 25 , 26. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Fibra de água | Diâmetro interno da pipeta | ||||
| Comprimento [µm] | Raio [µm] | Potencial [V] | Lado do atarraxamento [µm] | Lado da lente [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 |
Tabela 1: comprimento da fibra e raio água. Esta tabela mostra o comprimento da fibra de água e raio em relação ao potencial elétrico e o diâmetro da pipeta. Esta tabela é reproduzida de Douvidzon, et al 25.
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Discussion
Para concluir, a grande vantagem e a singularidade desta técnica é criar uma fibra que abriga três diferentes tipos de ondas: capilar, acústico e óptico. Todas as três ondas oscilam em diferentes regimes, abrindo a possibilidade para detectores de multi-ondas. Como exemplo, nanopartículas no ar afetam a tensão superficial dos líquidos. Já na fase atual, é possível monitorar alterações na tensão de superfície através de variações no eigenfrequency capilar. Além disso, dispositivos de paredes de água são um milhão de vezes mais macios do que suas contrapartes sólidos, melhorando a sensibilidade dos sensores em conformidade.
Com base na experiência com esta instalação, notamos uma alta dependência na relação sinal-ruído e a qualidade dos acopladores ópticos. Portanto, é recomendável que preste atenção para a fabricação dos acopladores ópticos. Considere uma configuração de aquário para garantir um ambiente livre de poeira para a estação de afilamento e a afinação de fibra de água. Além disso, a execução do experimento envolve um risco de quebrar ou danificar o acoplador fibra cônico mecanicamente ou através de um arco elétrico. Nesse caso, a transmissão óptica pode cair e se tornar barulhenta a tal ponto que os modos capilares da fibra não são mais visíveis no espectrograma.
Se as ondas capilares não são visíveis nas medições transmissão, remanufatura os acopladores. Além disso, a fibra de água e os acopladores de fibra óptica não se atraem. Ajustando a configuração para transmissão ideal pode exigir colocando a fibra de água um pouco torto, mecanicamente, pressionar o acoplador fibra afilado dentro da fibra de água.
Outro obstáculo neste set-up para estar ciente de é a crucial resistividade elétrica da água. Mesmo pequenas quantidades de íons no líquido fará com que a ponte para o colapso. Se a fibra de água é menor e menos estável do que o esperado, uma contaminação da água pode ser a causa. Substitua a água com água de sala limpa MΩ 18. Além disso, a alta tensão atrai partículas de ar carregado na vizinhança da fibra água, dissolvem e contribuir para a instabilidade. Neste caso, uma câmara fechada vai ajudar a melhorar a longevidade de fibra de água.
Um aspecto notável esta afinação é que qualquer líquido polar pode ser utilizado para criar uma fibra líquida, embora a água desionizada é conhecida por criar a mais longa, assim como, relação, as fibras mais estáveis de água. É interessante considerar outros líquidos para aplicações diferentes. Mudar a água para um líquido ou uma mistura de líquidos polares com encaixe viscosidade, tensão superficial ou propriedades óticas permite que os pesquisadores aparar a fibra exatamente às suas demandas.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Esta pesquisa foi apoiada pelo Ministério israelense da ciência, tecnologia e espaço; ICore: o centro de excelência israelense 'Círculo de luz' conceder n º 1802/12 e pela Fundação de ciência israelense conceder n º 2013/15. Os autores graças a Karen Adie Tankus (KAT) para a edição útil.
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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