निर्माण और microfluidic optomechanical oscillators के परीक्षण

1Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, 3Biomedical Engineering, University of Michigan
Published 5/29/2014
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Han, K., Kim, K. H., Kim, J., Lee, W., Liu, J., Fan, X., et al. Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators. J. Vis. Exp. (87), e51497, doi:10.3791/51497 (2014).

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Abstract

Phonon मोड और फोटोन मोड parametrically जोड़ी microresonators सहित विभिन्न ऑप्टिकल सिस्टम में जांच की गई है कि प्रयोगों optomechanics गुहा. हालांकि, क्योंकि optomechanical उपकरणों की प्रत्यक्ष तरल विसर्जन के दौरान वृद्धि हुई ध्वनिक विकिरण नुकसान का, लगभग सभी प्रकाशित optomechanical प्रयोगों ठोस चरण में प्रदर्शन किया गया है. यह पत्र एक हाल ही में शुरू खोखला microfluidic optomechanical गुंजयमान यंत्र की चर्चा. विस्तृत कार्यप्रणाली, इन अति उच्च क्यू microfluidic resonators बनाना optomechanical परीक्षण करते हैं, और विकिरण दबाव संचालित श्वास मोड और एसबीएस संचालित फुसफुसा गैलरी मोड पैरामीट्रिक कंपन को मापने के लिए प्रदान की जाती है. केशिका गुंजयमान यंत्र के अंदर तरल पदार्थ सीमित करके, उच्च यांत्रिक और ऑप्टिकल गुणवत्ता वाले कारकों को एक साथ रखा जाता है.

Introduction

गुहा optomechanics विकिरण दबाव (आरपी) 1-3 के माध्यम से microresonators में phonon मोड और फोटोन मोड के बीच पैरामीट्रिक युग्मन पढ़ाई और Brillouin बिखरने (एसबीएस) 4-6 प्रेरित किया. एसबीएस और आरपी तंत्र इस तरह के फाइबर 7, microspheres 4,6,8, toroids 1,9, और क्रिस्टलीय resonators 5,10 के रूप में कई अलग अलग ऑप्टिकल सिस्टम, में प्रदर्शन किया गया है. इस फोटोन phonon युग्मन के माध्यम से, दोनों 11 और यांत्रिक साधनों की उत्तेजना 6,10 ठंडा प्रदर्शन किया गया है. हालांकि, लगभग सभी प्रयोगों बात के ठोस चरणों के साथ कर रहे हैं optomechanics की सूचना दी. क्योंकि तरल पदार्थ के उच्च प्रतिबाधा की बहुत बढ़ विकिरणवाला ध्वनिक नुकसान में optomechanical उपकरणों परिणामों के प्रत्यक्ष तरल विसर्जन हवा के खिलाफ तुलना में इसका कारण यह है. इसके अलावा, कुछ स्थितियों में तरल पदार्थ में क्षणिक हानि तंत्र विकिरणवाला ध्वनिक नुकसान अधिक हो सकता है.

आरecently, एक microcapillary ज्यामिति के साथ खोखला optomechanical थरथरानवाला के एक नए प्रकार 12-15 पेश किया गया था, और डिजाइन द्वारा microfluidic प्रयोगों के लिए सुसज्जित है. इस केशिका का व्यास एक साथ ऑप्टिकल फुसफुसा गैलरी अनुनादों 16 के साथ ही यांत्रिक गुंजयमान मोड 17 तक ही सीमित है कि कई 'बोतल resonators' फार्म की लंबाई के साथ संग्राहक है. यांत्रिक गुंजयमान मोड के कई परिवारों मोड श्वास, शराब गिलास मोड, और फुसफुसा गैलरी ध्वनिक मोड सहित, भाग लेते हैं. ध्वनिक तरंग दैर्ध्य के पूर्णांक कई के साथ एक कंपन डिवाइस परिधि के आसपास होता है जब शराब गिलास (खड़े लहर) और फुसफुसा गैलरी ध्वनिक (यात्रा लहर) अनुनादों गठन कर रहे हैं. लाइट अस्थायी रूप में एक पतला ऑप्टिकल फाइबर 18 के माध्यम से इन 'बोतलों' की ऑप्टिकल फुसफुसा गैलरी मोड में युग्मित है. 19,20 केशिका गुंजयमान यंत्र के अंदर तरल के लिए प्रसूति के रूप मेंयह बाहर करने का विरोध किया, आरपी और एसबीएस दोनों के माध्यम से यांत्रिक साधनों की ऑप्टिकल उत्तेजना की अनुमति देता है जो एक साथ उच्च यांत्रिक और ऑप्टिकल गुणवत्ता वाले कारकों, सक्षम बनाता है. दिखाया गया है, इन मैकेनिकल excitations इस प्रकार के भीतर fluidic पर्यावरण के लिए एक ऑप्टो यांत्रिक इंटरफ़ेस को सक्षम करने, एक साझा ठोस तरल गुंजयमान मोड के गठन, डिवाइस 12,13 भीतर तरल पदार्थ में घुसना करने में सक्षम हैं.

इस पत्र में हम इस उपन्यास optomechanical प्रणाली के लिए निर्माण, आरपी और एसबीएस प्रवर्तन, और प्रतिनिधि माप परिणामों का वर्णन. विशिष्ट सामग्री और उपकरण सूची भी उपलब्ध कराई गई हैं.

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Protocol

अति उच्च क्यू Microfluidic resonators की 1. निर्माण

  1. केशिका निर्माण सेटअप की तैयारी
    1. निम्नलिखित तरीके से microfluidic optomechanical गुंजयमान यंत्र बनाना -. 10.6 माइक्रोन तरंग दैर्ध्य में लगभग 10 सीओ 2 लेजर विकिरण के डब्ल्यू के साथ एक गिलास केशिका पहिले गर्मी, और मोटर चालित अनुवाद चरणों का उपयोग रैखिक गर्म केशिका बाहर निकालना चित्रा 1 रैखिक अनुवाद की व्यवस्था से पता चलता है चरणों, लेज़रों, और खींच प्रक्रिया से पहले केशिका पहिले का स्थान.
    2. एक साथ (हीटिंग के लिए), दो सीओ 2 लेजर और दो ​​रैखिक चरणों को नियंत्रित करने के लिए कार्यक्रम उपयुक्त स्वचालन सॉफ्टवेयर. दो रैखिक चरणों लेजर गरम केशिका के लिए ड्राइंग प्रक्रिया प्रदर्शन करते हैं.
    3. रैखिक चरणों में से एक रेखीय ड्राइंग प्रक्रिया के लिए (उदाहरण के लिए 5 मिमी / सेक) तेजी से किया जाना चाहिए. धीमी रैखिक चरण, दूसरे के साथ हीटिंग क्षेत्र के लिए और अधिक सामग्री में फ़ीडकेशिका पहिले सामग्री खींच प्रक्रिया के दौरान समाप्त हो जाता है के बाद से (जैसे 0.5 मिमी / सेक).
    4. ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज कुल्हाड़ियों दोनों साथ रैखिक चरणों पर नमूना धारकों संरेखित करें.
    5. ध्यान से वे (नमूना धारकों के बीच) अंतरिक्ष में एक ही स्थान को लक्ष्य ऐसी है कि दोनों सीओ 2 लेजर बीम संरेखित. कार्ड कागज या गर्मी संवेदनशील कागज का एक टुकड़ा इस प्रक्रिया के लिए उपयोगी है. लेजर सुरक्षा के लिए नेत्र सुरक्षा का उपयोग करने के लिए मत भूलना. तालिका स्तर तक आंखों को कम मत करो. उपयुक्त किरण ब्लॉक, धूआं निकास, और अग्नि सुरक्षा का प्रयोग करें.
    6. ड्राइंग प्रक्रिया के लिए उचित मापदंडों का चयन करें. उदाहरण के लिए, निम्नलिखित मानकों मज़बूती से एक अच्छा केशिका आकार का उत्पादन - 10 मिमी / सेक खींच गति, 0.5 मिमी / सेक फीड में गति, 3 सेकंड पूर्वतापन समय, 4.5 दोनों लेज़रों के लिए शक्तियों, और दोनों लेज़रों के लिए 5 डब्ल्यू ताप शक्तियों पूर्वतापन डब्ल्यू .
    7. खींच के दौरान लेजर बिजली की मॉड्यूलेशन ड्राइंग समर्थक दौरान लंबाई केशिका त्रिज्या को नियंत्रित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है'बोतल' resonators के लिए फार्म उपकर. एक उदाहरण चित्रा 2 डी में दिखाया गया है. 3 हर्ट्ज आवृत्ति, 6 डब्ल्यू और लेजर शक्तियों के लिए 3 डब्ल्यू, और 50% शुल्क साइकिल: उचित मॉडुलन मापदंडों का चयन करें.
  2. Microfluidic optomechanical resonators का निर्माण
    1. यह रेखीय अनुवाद चरणों से जुड़ी दो धारकों तक पहुँच सकते हैं कि इस तरह जुड़े सिलिका केशिका की एक पर्याप्त लंबा खंड (लगभग 2-4 सेमी) में कटौती.
    2. लेजर लक्ष्य क्षेत्र मोटे तौर पर केशिका के बीच में है कि इस तरह नमूना धारकों पर केशिका नमूना माउंट. यदि आवश्यक हो तो सीओ 2 लेजर संरेखण मरम्मत करना.
    3. 1.1.6 में कहा गया है मापदंडों का उपयोग केशिका खींचो. पहले कुछ ही सेकंड (चित्रा 2A) के लिए केशिका पहले से गरम है, और फिर जरूरत के रूप में (1.1.7 में पैरामीटर) के साथ या लेजर मॉडुलन के बिना यह पुल.
    4. नमूना धारक से तैयार केशिका (चित्रा 2B) निकालें. दो पर दस्ताने के साथ नमूना हैंडलमोटी साफ गुंजयमान यंत्र सतह को दूषित करने के क्रम में नहीं, केवल समाप्त हो जाती है.
    5. विभिन्न व्यास के साथ केशिकाओं को बनाना खींच अलग अलग मानकों. आमतौर पर बाहरी व्यास शर्तों खींच के आधार पर 30 माइक्रोन से 200 माइक्रोन तक की हो सकती.
  3. परीक्षण के लिए गढ़े डिवाइस को माउंट
    1. एक ई आकार गिलास धारक (चित्रा 2C) तैयार करें. तीन 1 सेमी x 0.5 सेमी और गिलास स्लाइड से एक 3 सेमी x 0.5 सेमी कांच के टुकड़े काटें. कांच चिपकने वाला या superglue का उपयोग कर एक ई आकार में उन्हें इकट्ठा.
    2. तैयार नमूना से बाहर microfluidic केशिका की लंबाई में कटौती. इस लंबाई ई आकार धारक पर दो आसन्न कांच शाखाओं के बीच की दूरी से अधिक समय होना चाहिए.
    3. ई आकार धारक की दो शाखाओं के बीच पवित्र फांसी एक हिस्से को रखने के लिए सुनिश्चित कर रही है जबकि ऑप्टिकल चिपकने का उपयोग धारक पर microcapillary डिवाइस गोंद. 10 सेकंड के लिए एक एलईडी यूवी इलाज लाइट स्रोत. आंकड़े -2 सी के साथ ऑप्टिकल चिपकने वाला इलाजऔर तैयार उत्पाद दिखाने 2D.
    4. ध्यान से दो थोड़ा बड़ा प्लास्टिक ट्यूब (भीतरी व्यास में जैसे 200 मीटर) में घुड़सवार गुंजयमान यंत्र के दोनों सिरों डालें. गोंद और यूवी इलाज ऑप्टिकल चिपकने के साथ प्लास्टिक की ट्यूब को समाप्त होता है दोनों.
    5. परीक्षण के लिए एक clamped बढ़ते डिवाइस के लिए तृतीय (मुक्त) गिलास शाखा से ई आकार संरचना दबाना. अंतिम microfluidic गुंजयमान यंत्र के ऑप्टिकल गुणवत्ता कारक उनके सत्ता के स्तर थे कितनी अच्छी तरह निर्माण लेज़रों गठबंधन किया गया है और कैसे स्थिर पर निर्भर करता है.

Optomechanical परीक्षण के लिए 2. प्रयोगात्मक सेटअप

  1. पतला ऑप्टिकल फाइबर का निर्माण
    1. इच्छित लंबाई (जैसे कुछ फुट) की एक एकल मोड दूरसंचार बैंड ऑप्टिकल फाइबर तैयार करें. फाइबर खंड दोनों गावदुम क्षेत्र में घुड़सवार और सेटअप (चित्रा 4) से जुड़े होने की काफी लंबे समय के लिए किया जाना चाहिए. गावदुम विधि है है के समान है जो यहाँ समझाया22 में uggested और प्रदर्शन किया.
    2. किसी भी सुविधाजनक फाइबर splicing पद्धति का उपयोग करके प्रयोगात्मक स्थापना के आराम करने के लिए तैयार फाइबर खंड कनेक्ट करें.
    3. एक दूसरे का सामना करने वाले दो रैखिक खींचने पर spliced ​​फाइबर खंड माउंट.
    4. आवरण क्षेत्र का पर्दाफाश करने के लिए मुहिम शुरू की फाइबर टुकड़ा के केंद्र में फाइबर जैकेट बंद पट्टी. घटना निर्मित किया जाएगा, जहां यह है. मेथनॉल के साथ छीन क्षेत्र को साफ.
    5. एक आस्टसीलस्कप पर वास्तविक समय प्रसारण देखने के लिए tunable लेजर पर मुड़ें. Photodetectors क्षतिग्रस्त नहीं कर रहे हैं कि इतने attenuators सेट करने के लिए सुनिश्चित करें.
    6. तुरंत फाइबर की unjacketed भाग के नीचे एक संकीर्ण नोक हाइड्रोजन गैस बर्नर रखें. जैसे हाइड्रोजन दबाव ज्वलनशील गैसों के साथ कार्य करते समय सभी की सिफारिश की सुरक्षा प्रक्रियाओं का पालन करें. लौ या सिरेमिक हीटर की अन्य "स्वच्छ जल" स्रोतों का भी इस्तेमाल किया जा सकता है.
    7. लौ भी नहीं होगा कि इतनी गैस को प्रकाश से पहले, प्रवाह दर की जांचबड़े (1-2 सेमी लंबा लौ पर्याप्त है). लौ ज्यादातर अदृश्य है लेकिन एक अंधेरे कमरे में एक बेहोश नारंगी चमक के रूप में देखा जा सकता है कि नोट. हाइड्रोजन प्रवाह की दर रोशन लौ पर्याप्त रूप से ग्लास फाइबर नरम होगी जहां एक बात करने के लिए सेट किया जाना चाहिए.
    8. लौ प्रकाश. जैसे ही आग पर है, के रूप में मोटर चालित चरणों का उपयोग फाइबर खींच शुरू. उचित खींच गति प्रवाह हाइड्रोजन गैस की दर और लौ के आसपास के क्षेत्र पर निर्भर करता है. नोट: फाइबर के माध्यम से प्रसारण जारी है खींच के रूप में अस्थायी दोलन व्यवहार दिखाने के लिए शुरू हो जाएगा. इस बहुपद्वति ऑपरेशन इंगित करता है.
    9. Oscillatory व्यवहार समय के साथ एक अपरिवर्तनीय संकेत बंद हो जाता है और पता चलता है, खींच रोकने और बारी बंद लौ तुरंत. एकल मोड घटना प्राप्त किया जाता है जब यह है. संचरण की जाँच करें. ट्रांसमिशन बहुत कम है, 2.1.1 से प्रक्रिया को दोहराने. संशोधित गैस प्रवाह दर, लौ आकार, और लौ स्थान के साथ. इस अवसर पर, कम संचरण कदम 2.1.3 पर बुरा संरेखण के कारण हो सकता है. या कारण contaminat कोउजागर आवरण के आयन.
    10. घटना के माध्यम से परिणामी प्रसारण संतोषजनक है, शंकु नीचे शांत करने के लिए कुछ मिनट इंतज़ार करो.
    11. एक खुर्दबीन के नीचे दबे निरीक्षण किया. 1,550 एनएम परिचालन तरंगदैर्ध्य के लिए, एकल मोड घटना के विशिष्ट व्यास 1-2 माइक्रोन के क्रम में है.
  2. WGR को घटना युग्मन और इलेक्ट्रॉनिक संकेतों के लिए खोज का संकेत कंपन
    1. 3 चित्र में दिखाया विन्यास में प्रयोग सेट. यांत्रिक कंपन ही प्रयोगात्मक विन्यास से एसबीएस और आरपी दोनों के माध्यम से उत्पन्न किया जा सकता है. जाहिर है, पिछड़े एसबीएस 4,21 के मामले में के रूप में वापस बिखरे संकेतों का पता लगाने शंकु और tunable लेजर के बीच एक फैलानेवाला उपयोग करने के लिए.
    2. Tunable आईआर लेजर चालू करने से पहले, photodetectors क्षतिग्रस्त नहीं कर रहे हैं कि इतनी जगह में attenuators सेट करने के लिए सुनिश्चित करें.
    3. चालू करें और tunable आईआर लेजर स्थिर. एक समारोह जनरेटर इनपुट आईआर की आवृत्ति स्वीप करने के लिए प्रयोग किया जाता हैलेजर.
    4. एक nanopositioning मंच पर गुंजयमान यंत्र धारक माउंट. ध्यान क्षणभंगुर युग्मन प्राप्त करने के लिए पतली फाइबर के करीब गुंजयमान यंत्र लाने. लेजर आवृत्ति बह रहा है, ऑप्टिकल अनुनादों 22 की चित्रा 2B में के रूप में, आस्टसीलस्कप में संचरण में गिरावट के रूप में दिखाई देगा.
    5. इनपुट लेजर प्रकाश और बिखरे हुए प्रकाश के बीच अस्थायी हस्तक्षेप (यानी हरा नोट) मनाया जा सकता है, जहां एक बिजली स्पेक्ट्रम विश्लेषक (ईएसए), के लिए photodetector उत्पादन में कनेक्ट. यह अस्थायी हस्तक्षेप यांत्रिक कंपन आवृत्ति पर होता है. स्पेक्ट्रम विश्लेषक पर "चोटी पकड़" समारोह यांत्रिक कंपन के लिए प्रारंभिक खोज में अक्सर उपयोगी है.
    6. तरल पदार्थ डिवाइस के अंदर मौजूद हैं, खासकर जब यांत्रिक कंपन के लिए प्रारंभिक खोज प्रदर्शन करते हुए उच्च इनपुट शक्ति का प्रयोग करें. नोट: आमतौर पर, उपकरण के लिए 100 μW के क्रम में इनपुट शक्ति mechan उत्तेजित करने के लिए पर्याप्त हैराजनैतिक कंपन.
    7. यांत्रिक कंपन मनाया जाता है, लेजर आवृत्ति स्कैन बंद करने और CW मोड में लेजर तरंगदैर्ध्य को नियंत्रित करने से प्रासंगिक ऑप्टिकल मोड को बंद करने का प्रयास. इधर, आस्टसीलस्कप और स्पेक्ट्रम विश्लेषक दोनों मिलकर में उपयोगी होते हैं. चित्रा 5 और 1,6 के रूप में देखा एक यांत्रिक मोड, मौजूद है जब आवधिक संकेतों आस्टसीलस्कप पर दिखाई देते हैं.

3. Optomechanical कंपन मापने

  1. विकिरण दबाव (आरपी) मोड के ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक हस्ताक्षर
    1. 2.2 में वर्णित के रूप में घटना और डिवाइस सही ढंग से मिलकर कर रहे हैं जब, यांत्रिक दोलनों मनाया जाएगा, डिवाइस ऑप्टिकल और यांत्रिक साधनों पर्याप्त क्यू कारक है, और पर्याप्त इनपुट ऑप्टिकल शक्ति प्रदान की जाती है. 10 मेगाहर्ट्ज की सीमा में दोलनों हैं - 1 गीगा नहीं मनाया जाता है, विभिन्न अनुनादों जांच करने के ध्रुवीकरण को बदलने, या करने के क्रम में tunable लेजर से इनपुट शक्ति को बढ़ाने के लिए प्रयासदोलन के लिए न्यूनतम सीमा पार करते हैं. इनपुट शक्ति बढ़ती है, हमेशा photodetectors तर करने के लिए नहीं सावधान रहना होगा. 8 में वर्णित के रूप में भी, युग्मन दूरी रोमांचक अलग आरपी मोड के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है.
    2. यांत्रिक साधनों अभी भी नहीं मनाया जाता है, ऑप्टिकल गुणवत्ता कारक को मापने की कोशिश. Microfluidic optomechanical resonators के लिए, परिणाम 10 6 के ऑप्टिकल गुणवत्ता कारक पैरामीट्रिक दोलनों 13 उत्तेजित करने के लिए पर्याप्त है कि दिखा.
      नोट: आमतौर पर, आरपी मोड चित्रा 5 के रूप में देखा, उनके harmonics के साथ स्पेक्ट्रम विश्लेषक पर जैसे इलेक्ट्रॉनिक दोलनों प्रकट प्रतिनिधि परिणाम धारा 4 में चर्चा की जाएगी..
    3. कारण आवधिक गुहा विरूपण से प्रेरित बारी में है जो आयाम और चरण मॉडुलन, के लिए उत्पन्न कर रहे हैं कि ऑप्टिकल ओर बैंड का पता लगाने के लिए एक स्कैनिंग फेब्री पेरोट व्यकिकरणमीटर या उच्च संकल्प ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक का प्रयोग करें. एक उदाहरण माप है हो सकता है1 चित्रा 3 में een.
  2. फुसफुसा गैलरी ध्वनिक मोड के ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक हस्ताक्षर
    1. सिलिका ग्लास के लिए पिछड़े एसबीएस का ध्वनिक आवृत्ति 1.5 माइक्रोन पंप लेजर 4,23 प्रयोग किया जाता है जब लगभग 11 गीगा है. इन कंपन मोड के लिए इलेक्ट्रॉनिक संकेतों का पालन करने के लिए, वापस बिखरे प्रकाश पर नजर रखता है कि एक फैलानेवाला और रेले बिखरे पंप की कुछ छोटी राशि का उपयोग करें. बिखरे हुए प्रकाश को हल करने के लिए एक उच्च संकल्प ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक का प्रयोग करें. एक उदाहरण माप 4 के चित्रा 2 में दिखाया गया है.
    2. कम आवृत्ति (उप 1 गीगा) फुसफुसा गैलरी ध्वनिक मोड निरीक्षण करने के लिए आगे बिखरे हुए प्रकाश और लेजर पंप के बीच हरा नोट का प्रयोग करें.
    3. कारण सांस लेने दिशा में कम यांत्रिक कठोरता के लिए, एसबीएस से संकेत आरपी मोड से संकेत से कभी कभी कमजोर है. फिर, धीमी गति से लेजर झाडू, और SPECT पर "चोटी पकड़" का उपयोगएसबीएस संकेत खोजने में मदद करने के लिए रम विश्लेषक.
    4. (Cascaded उत्तेजना 4,24 जगह लेता है जब तक) आर.पी. उत्साहित मोड श्वास के विपरीत, एसबीएस उत्साहित फुसफुसा गैलरी ध्वनिक मोड ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रा में harmonics प्रदर्शन नहीं करती है. इसके बजाय केवल एक स्टोक्स साइडबैंड एसबीएस मोड के लिए प्रकट होता है.

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Representative Results

इस विधि द्वारा उत्पादित केशिकाओं, (30 माइक्रोन और 200 मीटर के बीच) में स्पष्ट है, और बहुत लचीला पतली हैं, लेकिन सीधे निपटने के लिए पर्याप्त रूप से मजबूत हैं. यह एक उच्च ऑप्टिकल गुणवत्ता कारक (क्यू) को बनाए रखने के क्रम में धूल और पानी (नमी) के खिलाफ केशिका डिवाइस की बाहरी सतह की रक्षा के लिए महत्वपूर्ण है. पानी में केशिका के एक छोर की सूई और एक सिरिंज के माध्यम से केशिका के माध्यम से हवा में उड़ा कर, यह केशिका overheating के कारण निर्माण के दौरान सील बंद किया गया था कि क्या माध्यम से होता है या चाहे सत्यापित किया जा सकता है.

एक tunable लेजर पतली फाइबर waveguide युग्मन के माध्यम से गढ़े डिवाइस के ऑप्टिकल मोड की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इस परीक्षण में, तेज ऑप्टिकल अनुनादों उच्च ऑप्टिकल क्यू कारक का संकेत उम्मीद कर रहे हैं. उच्च क्यू कारक के लिए एक अतिरिक्त संकेत ऑप्टिकल मोड 25 के थर्मल विस्तार है.

आर.पी. actuated पैरामीट्रिक दोलन जगह लेता है, harmoni यांत्रिक मोड के सीएस पतला waveguide के उत्पादन बंदरगाह पर प्राप्त ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम में देखा जाएगा. इस वजह से यांत्रिक कंपन की वजह से प्रकाश के आयाम और चरण मॉडुलन की बड़ी मॉडुलन गहराई, के लिए होता है. आम तौर पर मनाया बिजली स्पेक्ट्रम के उदाहरण चित्रा 5A में और भी 1 में देखा जाता है. संकेत के एक आस्टसीलस्कप ट्रेस आवधिक व्यवहार (चित्रा 5 ब) दर्शाती है. परिमित तत्व विश्लेषण मनाया ऑप्टिकल मॉडुलन एक eigenmechanical आवृत्ति से मेल खाती है कि पुष्टि करने के लिए, प्रणाली के यांत्रिक साधनों मॉडल पर लागू किया जा सकता है. केवल एक ही स्टोक्स साइडबैंड 6 उत्पन्न होता है के बाद से एसबीएस संचालित यांत्रिक साधनों को आसानी से मौलिक यांत्रिक संकेत के harmonics के अभाव से पहचाने जाते हैं. कम आवृत्तियों के रूप में अच्छी तरह से संभव हो रहे हैं, हालांकि ये मोड आमतौर पर, आरपी मोड से उच्च आवृत्तियों पर होते हैं.

"> चित्रा 1
चित्रा 1. केशिका खींच सेटअप के योजनाबद्ध. कांच सीओ 2 लेजर से गरम किया जाता है, जबकि microfluidic optomechanical resonators दो रैखिक चरणों से जुड़ी एक बड़ा केशिका पहिले से तैयार कर रहे हैं. दोनों लेजर बीम ध्यान से केशिका की एक ही जगह पर गठबंधन कर रहे हैं. चलती दिशा और रैखिक चरणों के सापेक्ष गति तीर द्वारा संकेत कर रहे हैं. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 2
चित्रा 2. Optomechanical बोतल गुंजयमान यंत्र निर्माण. (एक) केशिका पहिले पुल है सीओ 2 लेजर विकिरण के माध्यम से गर्म किया जा रहा है, जबकि एक स्थिर गति से नेतृत्व किया. चमक क्षेत्र (मुस्कराते हुए सिलिका गर्मी जहाँ) लेजर लक्ष्य बिंदु है ध्यान दें. आवश्यक लंबाई और व्यास पर पहुंच रहे हैं, (ख) रैखिक चरण गति रोकने और लेज़रों बंद कर देते हैं. खींच लिया केशिका, पतली स्पष्ट है, और बहुत लचीला है. (ग) धारा 1.3 में वर्णित के रूप में microcapillary गुंजयमान यंत्र युक्ति माउंट करने के लिए एक ई आकार कांच संरचना रोजगार. optomechanical बोतल गुंजयमान यंत्र अब प्रयोगात्मक सेटअप करने के लिए ले लिया है और analytes प्रदान करेगा कि ट्यूबिंग से जुड़े होने के लिए तैयार है. गढ़े optomechanical बोतल गुंजयमान यंत्र (डी) स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ. जरूरत के रूप में गुंजयमान यंत्र त्रिज्या और दीवार मोटाई अलग किया जा सकता है. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

एस "> चित्रा 3
चित्रा 3. परीक्षण सेटअप के योजनाबद्ध. लाइट अस्थायी रूप में एक पतली फाइबर के माध्यम से गुंजयमान यंत्र में युग्मित है. एक tunable आईआर लेजर (1,520-1,570) एनएम प्रकाश स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया और ठीक tuned गुंजयमान यंत्र का एक चुना ऑप्टिकल मोड मिलान करने के लिए है. यांत्रिक कंपन यांत्रिक कंपन आवृत्ति में इनपुट प्रकाश की गुंजयमान यंत्र कारण मॉडुलन में प्रकाश द्वारा actuated. आगे की दिशा में ऑप्टिकल पंप और कंपन से बिखरे हुए प्रकाश की बिजली क्षेत्र पतला फाइबर के अंत में photodetector (पीडी) पर अस्थायी हस्तक्षेप. दो ऑप्टिकल संकेतों के बीच एक हरा नोट इस प्रकार photodetector में जगह लेने के लिए ऑप्टिकल बिजली को चालू पारगमन के माध्यम से उत्पन्न होता है. इस पिटाई में एक इलेक्ट्रिक स्पेक्ट्रम विश्लेषक (ईएसए) पर देखा जा सकता है. एक स्कैनिंग फेब्री Perot गुहा (पांचवें वेतन आयोग) और ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक (ओएसए) भी टी का इस्तेमाल किया जा सकता हैओ सीधे कारण मॉडुलन के लिए उत्पन्न कर रहे हैं कि ऑप्टिकल पक्ष बैंड निरीक्षण करते हैं. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 4
. प्रकाश अस्थायी रूप में resonators में मिलकर किया जा सकता है, ताकि सूक्ष्म गुंजयमान यंत्र के लिए एक फाइबर से चित्रा 4. युग्मन प्रकाश. ई आकार संरचना सिर्फ पतली फाइबर के ऊपर रखा जाता है यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 5
चित्रा 5. जी> प्रतिनिधि परिणाम है. (एक) microcapillary में 24.94 मेगाहर्ट्ज पर एक श्वास यांत्रिक मोड एक ऑप्टिकल मोड में घूम प्रकाश द्वारा केन्द्रापसारक विकिरण दबाव से उत्साहित है. इस यांत्रिक कंपन से इनपुट प्रकाश की मॉड्यूलेशन आगे बिखरने दिशा में रखा एक photodetector पर हरा नोट पीढ़ी के माध्यम से एक बिजली स्पेक्ट्रम विश्लेषक पर नमूदार है (चित्रा 3 देखें). (ख) photodetector उत्पादन संकेत (यानी प्रेषित शक्ति) के एक आस्टसीलस्कप ट्रेस इनपुट प्रकाश और बिखरे हुए प्रकाश की आवधिक अस्थायी हस्तक्षेप से पता चलता है. (ग) इसी श्वास मोड के लिए परिमित तत्व अनुकरण मनाया ऑप्टिकल मॉडुलन एक eigenmechanical आवृत्ति से मेल खाती है कि पुष्टि करता है. रंग विरूपण का प्रतिनिधित्व करते हैं और सिमुलेशन प्रस्तुति के लिए केशिका मध्य बिंदु पर कटा हुआ है.s.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 6
चित्रा 6. मैकेनिकल आवृत्ति तरल पदार्थ के घनत्व के एक समारोह के रूप में प्रस्तुत किया है. एक ही यांत्रिक मोड के अंदर मौजूद सुक्रोज समाधान के विभिन्न सांद्रता के साथ एक ही डिवाइस पर मापा जाता है. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

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Discussion

हम गढ़े और उत्तेजित (और पूछताछ) यांत्रिक कंपन करने के लिए उच्च क्यू ऑप्टिकल अनुनादों को रोजगार से गुहा optomechanics और microfluidics के बीच पुल है कि एक नई डिवाइस का परीक्षण किया है. यह 11,300 मेगाहर्ट्ज 2 मेगाहर्ट्ज फैले दरों पर यांत्रिक कंपन मोड की एक किस्म पैदा की, जो कई उत्तेजना तंत्र बहुत ही डिवाइस में उपलब्ध हैं कि आश्चर्य की बात है. केंद्रत्यागी विकिरण दबाव 2-200 मेगाहर्ट्ज अवधि में wineglass मोड और सांस लेने मोड दोनों का समर्थन करता है, फॉरवर्ड Brillouin बिखरने 50-1,500 मेगाहर्ट्ज रेंज में यांत्रिक फुसफुसा गैलरी मोड की अनुमति देता है, और अन्त में, पिछड़े प्रेरित Brillouin बिखरने 11,000 मेगाहर्ट्ज के पास मैकेनिकल फुसफुसा गैलरी मोड उत्तेजित उत्तेजित .

वर्तमान काम में बताए गए तरीकों के बारे में 10 8 के अति उच्च ऑप्टिकल गुणवत्ता कारकों के साथ इन microfluidic resonators के निर्माण के लिए सक्षम. इसके साथ ही, तरल पदार्थ अब डिवाइस के भीतर ही सीमित हैं के बाद से, एसीoustic घाटे को नियंत्रण में लाया जाता है और डिवाइस के रूप में अच्छी तरह से एक उच्च यांत्रिक गुणवत्ता कारक बनाए रखने में सक्षम है. इस मंच के साथ, हम इस उपकरण के भीतर निहित एक तरल पदार्थ के घनत्व में परिवर्तन (चित्रा 6) मापा जा सकता है कि प्रदर्शन किया है. पूरी तरह से इस के लिए सक्षम बनाता है कि ऑप्टो mechano-fluidic युग्मन समझने के क्रम में, भविष्य के काम डिवाइस के multiphysical मॉडलिंग शामिल होगी.

इस निर्माण विधि के साथ जुड़े कुछ व्यावहारिक चुनौतियां हैं. यह जगह लेने के लिए खींच प्रक्रिया के लिए पर्याप्त रूप से गर्म कर सकते हैं इतना है कि उदाहरण के लिए, केशिका सामग्री 10.6 माइक्रोन सीओ 2 लेजर विकिरण के लिए एक अच्छा अवशोषक होना चाहिए. इस संबंध में केशिका निर्माण के लिए परीक्षण किया गया है कि सामग्री सिलिका और क्वार्ट्ज हैं. इसके अलावा, केशिका के परिपत्र समरूपता खींच चरण के दौरान नियोजित कर रहे हैं कि दो लेज़रों के बीच सापेक्ष शक्ति संतुलन से तय है, और Capilla के स्थान के आधार पर किया जाता हैलेजर लक्ष्य क्षेत्र में RY. डिवाइस के परिपत्र समरूपता खींच से पहले या दौरान उच्च ऑप्टिकल और यांत्रिक गुणवत्ता कारक, सीओ 2 लेजर लक्ष्य क्षेत्र में केशिका पहिले के misalignment को बनाए रखने के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर के बाद से खींच इस के तहत रखने के लिए लिया जाना चाहिए एक चिंता का विषय है और देखभाल हो सकता है नियंत्रण.

दूसरी ओर, इस विधि निर्माण सिलिका आधारित optomechanical केशिका resonators के निर्माण में लचीलेपन का एक बहुत प्रदान करता है. सीओ 2 लेजर शक्ति modulating द्वारा, केशिका व्यास आवेदन के अनुरूप काफी आसानी से अलग किया जा सकता है. आसन्न बोतल resonators के बीच मांग में अंतर रखने पर कंप्यूटर नियंत्रण के उच्च स्तर के लिए संभव धन्यवाद है. अंत में, खींच की दर और केशिका पहिले की "में फीड" की दर के नियंत्रण केशिका व्यास को नियंत्रित करने के लिए एक आसान घुंडी प्रदान करता है.

अंत में, के रूप में वर्णित सिलिका आधारित microcapillary मंच हैगैर ठोस superfluids सहित चरण सामग्री,, और जीवित कोशिकाओं के रूप में जैव analytes साथ अध्ययन की एक किस्म के लिए लागू किया जा सकता है कि एक कम लागत, उच्च प्रदर्शन ऑप्टिकल और optomechanical प्रणाली. इन उपकरणों के साथ ही गैसों और तरल पदार्थ की सतह ध्वनिक लहर संवेदन पर साहित्य की बहुत बड़ी शरीर उत्तोलन कर सकते हैं. नतीजतन, इस ऑप्टिकल संवेदन अनुप्रयोगों के लिए एक समर्थकारी प्रौद्योगिकी है.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Tunable IR laser Newfocus TLB-6328
Photodetectors Newfocus 1811-FC (Low speed 125MHz) / 1611-FC-AC (High speed 1GHz)
Optical fiber Corning SMF28
Silica capillary PolyMicro TSP700850
10.6 um wavelength CO2 laser Synrad 48-1KWM and 48-2KWM
UV-curing optical adhesive Thorlabs NOA81
Tubing Tygon EW-06418-01
Syringes B-D YO-07940-12
Needles Weller KDS201P
Electrical spectrum analyzer Agilent Technologies N9010A (EXA Signal Analyzer)
Electrical spectrum analyzer Tektronix 6114A (RSA, Real-time spectrum analyzer)
Optical spectrum analyzer Advantest Q8384
Oscilloscope Tektronix DPO 4104B-L
Gold mirrors II-VI Infrared 836627
Linear stage (slow) DryLin H1W1150
Linear stage (fast) PBC Linear MTB055D-0902-14F12
Fabry Perot optical spectrum analyser Thorlabs SA 200-14A (FSR: 1.5 GHz)

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References

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