ייצור ובדיקה של מתנדים optomechanical Microfluidic

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
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

חלל optomechanics ניסויים שפרמטרית כמה מצבי פונון ומצבי פוטון נחקרו במערכות אופטיות שונות, כולל microresonators. ניסויי optomechanical עם זאת, בשל הפסדי קרינה אקוסטית המוגבר במהלך טבילה נוזלית ישירה של מכשירי optomechanical, כמעט כל שפורסמו בוצעו בשלב מוצק. מאמר זה דן במהוד optomechanical microfluidic הציג לאחרונה חלול. המתודולוגיה מפורטת מסופקת לפברק תהודה microfluidic אלה גבוהים במיוחד-Q, לבצע בדיקות optomechanical, ולמדוד את מצב קרינת לחץ מונע נשימה ורעידות פרמטרית מצב גלריית לחישות מונעות-SBS. ידי כליאת נוזלים בתוך מהוד הנימים, גורמים מכאנית ואופטית באיכות גבוהה נשמרים בו זמנית.

Introduction

optomechanics החלל חוקר את הצימוד פרמטרית בין מצבי פונון ומצבי פוטון בmicroresonators באמצעות לחץ קרינה (RP) 1-3 ומגורה פיזור ברילואן (SBS) 4-6. SBS ומנגנוני RP הוכחו במערכות רבות ושונות אופטיות, כגון סיבים 7, זעירים מ4,6,8, כעכים 1,9, ותהודת גבישי 5,10. באמצעות צימוד הפוטון-פונון זה, שני קירור 11 והעירור 6,10 של מצבים מכאניים הוכח. עם זאת, כמעט כולם דיווחו על optomechanics ניסויים עם שלבים מוצקים של חומר. סיבה לכך הוא טבילה נוזלית ישירה של תוצאות מכשירי optomechanical באובדן אקוסטי קרינה גדל מאוד בגלל העכבה גבוהה יותר של נוזלים לעומת נגד אוויר. בנוסף, במצבים מסוימים מנגנוני אובדן מפזר בנוזלים עלולים לעלות על הפסדי אקוסטי קרינה.

Recently, סוג חדש של מתנד optomechanical החלול עם גיאומטריה microcapillary הוצג 12-15, ושבו על ידי עיצוב מצויד לניסויי microfluidic. הקוטר של נימים זה הוא מווסת על אורכו כדי ליצור "תהודה בקבוק 'מרובה בו זמנית להגביל תהודות אופטיות לחישת גלריה 16 כמו גם מצבי תהודה מכאניים 17. משפחות מרובות של מצבי תהודה מכאניים להשתתף, כוללים מצבי נשימה, מצבי יין זכוכית, ומצבים אקוסטיים לוחשת גלריה. יין הזכוכית (עומד גל) ואקוסטי הלוחש גלריה (נסיעה גל) תהודות נוצרות כאשר רטט עם מספר השלם של אורכי גל אקוסטי מתרחש סביב היקף המכשיר. האור הוא מצמידים evanescently למצבים לוחש גלריה האופטית של 'בקבוקים' אלה באמצעות סיב אופטי מחודד 18. כליאה של הנוזל בתוך 19,20 מהוד הנימים, כמובניגוד למחוץ לו, מאפשר לגורמים גבוהים מכאנית ואופטית באיכות בו זמנית, המאפשר עירור האופטי של מצבים מכאניים באמצעות שני RP וSBS. כפי שהראה, העירורים מכאניים האלה מסוגלים לחדור לתוך הנוזל בתוך המכשיר 12,13, ויצר מצב תהודה מוצק לנוזל משותף, ובכך לאפשר ממשק אופטו מכאני לסביבת fluidic מבפנים.

במאמר זה אנו מתארים ייצור, RP וactuation SBS, ותוצאות מדידת נציג למערכת optomechanical הרומן הזה. רשימות חומר וכלי ספציפיות ניתנות גם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. המצאה של מהודי Microfluidic Ultra-High-Q

  1. הכנת תוכנית ההתקנה של ייצור נימים
    1. לפברק מהוד optomechanical microfluidic באופן הבא -. מחממים preform נימי זכוכית עם כ 10 W של קרינת לייזר CO 2 באורך גל 10.6 מיקרון, ולצייר את הנימים מחוממות באופן ליניארי שימוש בשלבי תרגום ממונעים איור 1 מציג את הסידור של התרגום ליניארי שלבים, הלייזרים, ואת המיקום של preform הנימים לפני התהליך מושך.
    2. תוכנה מתאימה אוטומציה לשלוט בו זמנית שני 2 הלייזרים CO (לחימום) ושני השלבים ליניארי. שני השלבים ליניארי לבצע את תהליך הרישום לנימים-מחומם לייזר.
    3. אחד השלבים ליניארי חייב להיות מהיר (לדוגמא: 5 מ"מ / שנייה) עבור תהליך הרישום ליניארי. להאכיל בחומר נוסף לאזור החימום עם השני, שלב ליניארי איטי יותר(0.5 מ"מ / השני לדוגמא) שכן חומר preform הנימים מקבל מדולדל במהלך התהליך מושך.
    4. יישר את מחזיקי מדגם בשלבים ליניארי לאורך שני צירים אנכיים ואופקיים.
    5. זהירות ליישר שני 2 קרני לייזר CO כזה שהם ימקדו אותה הנקודה במרחב (בין בעלים לדוגמא). פיסת נייר קלף או נייר רגיש לחום היא שימושית עבור תהליך זה. אל תשכחו להשתמש בהגנה על העין לבטיחות לייזר. אל תורידו את העיניים לרמת טבלה. השתמש בלוקים מתאימים קורה, פליטת עשן, וכיבוי אש.
    6. בחר פרמטרים סבירים לתהליך הציור. לדוגמא, את הפרמטרים הבאים אמין לייצר גודל נימים טוב - מהירות מושכת 10 מ"מ / שנייה, 0.5 מ"מ / שנייה feed-במהירות, 3 שניות זמן חימום מוקדם, 4.5 W חימום מוקדם סמכויות לשני הלייזרים, ו -5 מעצמות חימום W עבור שני הלייזרים .
    7. אפנון של לייזר הכוח במשייכת ניתן להשתמש בם כדי לשלוט ברדיוס הנימים לאורכו בפרו הציורסס כדי ליצור תהודה 'הבקבוק'. למשל מוצג באיור 2. בחר את הפרמטרים אפנון הנכונים: 3 בתדר Hz, 6 W ו3 W לסמכויות לייזר, ו50% מחזור עבודה.
  2. המצאה של תהודה optomechanical microfluidic
    1. לחתוך קטע ארוך מספיק (כ 2-4 סנטימטר) של נימי סיליקה התמזגו כך שהוא יכול להגיע לשני בעלים שצורפו לשלבי התרגום ליניארי.
    2. הר מדגם הנימים על מחזיקי המדגם כזה שאזור מטרת הלייזר הוא בערך באמצע של הנימים. להתאים מחדש יישור 2 CO לייזר במידת הצורך.
    3. משוך את הנימים באמצעות הפרמטרים כאמור ב1.1.6. ראשון מחממים את הנימים לכמה שניות (איור 2 א), ולאחר מכן למשוך אותו עם או בלי אפנון לייזר (פרמטרים ב1.1.7) לפי צורך.
    4. הסר את הנימים נמשכות (איור 2b) מבעל המדגם. להתמודד לדוגמא עם כפפות בשניעבה מסתיים בלבד, על מנת שלא לזהם את פני השטח המהוד הנקי.
    5. להשתנות פרמטרים מושכים לפברק נימים בקטרים ​​שונים. קוטר חיצוני בדרך כלל משתנה מ30 מיקרומטר 200 מיקרומטר בהתאם למשייכת תנאים.
  3. הרכבה המכשיר המפוברק לבדיקה
    1. הכן את בעל זכוכית צורת E (איור 2 ג). חותכים שלוש 1 סנטימטר x 0.5 סנטימטר ואחד 3 סנטימטר חתיכות זכוכית x 0.5 סנטימטר משקופיות זכוכית. להרכיב אותם לצורת E באמצעות דבק זכוכית או דבק מגע.
    2. לחתוך באורך של נימי microfluidic מתוך התוצאות המדגמות. אורך זה צריך להיות ארוך יותר מהמרחק בין שני סניפי זכוכית צמודים על בעל צורת E.
    3. מדביקים את מכשיר microcapillary על בעל באמצעות דבק אופטי תוך הקפדה לשמור על חלק התלוי מזוהם בין שני ענפים של בעל צורת E. לרפא את הדבק האופטי עם מקור LED UV ריפוי אור ל10 שניות. 2c דמויותו2D להראות את המוצר המוגמר.
    4. בזהירות להכניס את שני הקצוות של המהוד רכוב לשני צינורות פלסטיק גדולים במעט (למשל 200 מיקרומטר בקוטר פנימי). דבק וריפוי UV שני קצוות לצינורות פלסטיק עם דבק אופטי.
    5. הצמד את מבנה צורת E מהסניף הכוס השלישי (חינם) להדק מכשיר גובר לבדיקה. גורם האיכות האופטית של מהוד microfluidic הסופי תלוי גם לייזרי הייצור היו מיושרים וכיצד יציב רמות הכוח שלהם היו.

2. ניסיוני התקנה לoptomechanical בדיקה

  1. ייצור של סיבים אופטיים מחודדים
    1. הכן את סיב בודד מצב הטלקום להקה אופטי של אורך רצוי (למשל כמה מטרים). קטע סיבים צריך להיות ארוך מספיק כדי להיות גם רכובים באזור הולך והצר ומחובר להתקנה (איור 4). השיטה מתחדדת הסבירה כאן דומה למה הוא יםuggested והפגין ב22.
    2. חבר את קטע סיבים מוכן לשאר ההתקנה הניסיונית באמצעות כל שיטת סיבי שחבור נוחה.
    3. הר מגזר הסיבים איחה על גבי שני המושכים ליניארי שאחד מול שני.
    4. לפשוט את מעיל הסיבים במרכז שבר הסיבים רכוב לחשוף שטח חיפוי. זה מקום בו להתחדד יהיה מפוברק. נקה את האזור חשוף עם מתנול.
    5. הפעל את הלייזר מתכונן לראות שידור בזמן אמת על אוסצילוסקופ. הקפד להגדיר מנחתים כך שphotodetectors אינם פגומים.
    6. הנח מבער גז צר פיית מימן באופן מיידי מתחת לחלק unjacketed של הסיבים. עקוב אחר כל נהלי הבטיחות המומלץ בעת עבודה עם גזים דליקים דחוסים כגון מימן. מקורות אחרים "שריפה נקייה" של להבה או תנורי חימום קרמיים יכולים לשמש גם.
    7. לפני מאיר את הגז, בדוק את קצב הזרימה כך שהלהבה לא תהיה יותר מדיגדול (להבת 1-2 סנטימטר היא נאותה). שים לב שהלהבה היא בעיקר בלתי נראית אך ניתן לראות באור כתום קלוש בחדר חשוך. קצב זרימת המימן צריך להיות מוגדר נקודה שבה להבה דולקת תהיה מספקת לרכך את סיבי הזכוכית.
    8. להאיר את הלהבה. ברגע שהלהבה דולקת, מתחיל למשוך את הסיבים באמצעות שלבים ממונעים. מהירות מושכת מתאימה תלויה בקצב זרימה של גז מימן ובסביבה של הלהבה. הערה: שידור דרך הסיבים יתחיל להראות זמני התנהגות תנודה כמשייכת ממשיכה. זה מצביע על פעולה מרובה.
    9. כאשר התנהגות oscillatory עוצרת ומראה אות משתנות לאורך זמן, פסק למשוך וכיבוי האש באופן מיידי. זה כאשר להתחדד במצב יחיד מתקבל. בדוק את השידור. אם השידור הוא נמוך מדי, לחזור על התהליך מ2.1.1. עם גז קצב זרימה שונה, גודל להבה, ומיקום להבה. בהזדמנות, הולכה נמוכה יכולה להיות בגלל יישור רע בכל צעד של 2.1.3. או עקב contaminatיון של חיפוי החשוף.
    10. אם שידור כתוצאה דרך להתחדד הוא משביעת רצון, לחכות כמה דקות כדי לצנן את להתחדד.
    11. בדוק את להתחדד תחת מיקרוסקופ. לגל מבצעי ננומטר 1,550, קוטר טיפוסי של להתחדד במצב היחיד הוא בסדר הגודל של 1-2 מיקרומטר.
  2. רטט להתחדד צימוד לWGR ומחפש אותות אלקטרוניים המצביע
    1. יכולות להיות שנוצרו תנודות מכניות להגדיר את הניסוי בתצורה שמוצגת באיור 3. דרך שני SBS וRP על ידי אותה התצורה ניסיונית. על מנת לזהות באופן ברור אותות גב מפוזרים כמו במקרה של אחורה-SBS 4,21, השתמש סירקולטור בין להתחדד ולייזר מתכונן.
    2. לפני הפעלת לייזר IR מתכונן, הקפד להגדיר מנחתים במקום כך שphotodetectors אינם פגומים.
    3. הפעל ולייצב את לייזר IR מתכונן. גנרטור פונקציה משמש לטאטא את התדירות של IR הקלטלייזר.
    4. הר את בעל המהוד בשלב nanopositioning. להביא בזהירות את המהוד הקרוב לסיבים מחודדים על מנת לקבל צימוד חלוף. כתדר הלייזר הוא נסחף, תהודות אופטיות יופיעו כמטבלים בשידור באוסצילוסקופ, כמו באיור 2b של 22.
    5. חברו את יציאת גלאי האור למנתח חשמל ספקטרום (ESA), שבו להפרעה הזמנית (הערה פעימה כלומר) בין אור לייזר הקלט והאור המפוזר ניתן לצפות. הפרעות זמניות זו מתרחשת בתדירות התנודה מכאנית. הפונקציה "אחיזת שיא" על מנתח הספקטרום היא לעתים קרובות שימושית בחיפוש הראשוני לתנודות מכאניות.
    6. השתמש בכוח הקלט גבוה יותר בעת ביצוע החיפוש הראשוני לרעידות מכאניות, במיוחד כאשר נוזלים נמצאים בתוך המכשיר. הערה: בדרך כלל, כוח הקלט לפי סדר 100 μW למכשיר מספיק כדי לרגש mechanרטט iCal.
    7. אם תנודה מכאנית הוא ציין, תנסה לנעול למצב האופטי הרלוונטי על ידי כיבוי סריקת תדר לייזר והשליטה הלייזר באורך הגל במצב CW. הנה, שני אוסצילוסקופ ומנתח ספקטרום שימושי במקביל. אותות מחזוריים יופיעו באוסצילוסקופ כאשר מצב מכאני קיים, כפי שניתן לראות באיור 5 ו 1,6.

3. מדידת תנודות optomechanical

  1. חתימה אופטית ואלקטרונית של לחץ קרינת מצבים (RP)
    1. כפי שתואר ב2.2, תנודות מכאניות יקויימו כאשר להתחדד והמכשיר הם מצמידים בצורה נכונה, יש מצבים אופטיים ומכאניים מכשיר Q-גורמים מספיקים, וכוח אופטי קלט מספיק מסופק. אם תנודות בטווח של 10 MHz - GHz 1 לא נצפו, ניסיון לשנות את הקיטוב לחקור תהודות שונות, או להגדיל את כוח הקלט מהליזר מתכונן כדילהתגבר על הסף המינימאלי לתנודה. כאשר מגדיל את כוח הקלט, תמיד להיזהר שלא להרוות את photodetectors. כמו כן, כפי שמתואר ב8, מרחק צימוד הוא גורם מפתח למצבי RP שונים מרגשים.
    2. אם מצבים מכאניים עדיין לא נצפו, לנסות מדידת גורם איכות אופטית. לתהודת optomechanical microfluidic, תוצאות מראות כי גורם איכות אופטית של 10 6 די בכך כדי לעורר תנודות פרמטרית 13.
      הערה: בדרך כלל, מצבי RP יגשימו תנודות אלקטרוניות כעל מנתח הספקטרום מלווה בהרמוניות שלהם, כפי שניתן לראות באיור 5 תוצאות נציג יידונו בסעיף 4..
    3. השתמש באינטרפרומטר פברי פרו-סריקה או מנתח ספקטרום אופטי ברזולוציה גבוהה כדי לזהות את צד להקות אופטיות שנוצרו בשל אפנון משרעת ושלב, שהוא בתורו הנגרם על ידי עיוות החלל התקופתית. מדידת דוגמא עשויה להיות יםeen ב3H איור של 1.
  2. חתימה אופטית ואלקטרונית של מצבים אקוסטיים לוחשת גלריה
    1. התדירות אקוסטיות של אחורה-SBS עבור זכוכית סיליקה היא כ 11 GHz כאשר לייזר משאבת 1.5 מיקרון משמש 4,23. השתמש סירקולטור המנטר את האור מפוזר בחזרה וחלק כמות קטנה של משאבה מפוזרת-ריילי, להתבונן אותות אלקטרוניים למצבי רטט אלה. השתמש במנתח ספקטרום אופטי ברזולוציה גבוהה כדי לפתור את האור המפוזר. מדידת דוגמא מוצגת באיור 2 מתוך 4.
    2. השתמש בפתק הפעימה בין אור מפוזר קדימה וליזר המשאבה להתבונן בתדירות נמוכה יותר (GHz משנה 1) מצבים אקוסטיים לוחשת גלריה.
    3. בשל הקשיחות מכאנית נמוכה יותר בכיוון הנשימה, האות מSBS היא לפעמים חלשה יותר מאשר האות ממצבי RP. שוב, לטאטא את הלייזר במהירות איטית, ולהשתמש "אחיזת שיא" על SPECTמנתח רום כדי לעזור במציאת אות SBS.
    4. שים לב כי בניגוד למצבי נשימת RP-נרגש, מצבים אקוסטיים לוחשת גלריה SBS-נרגשים אינם מציגים הרמוניות בספקטרום האופטי ואלקטרוני (אלא אם כן עירור מדורג מתקיים 4,24). במקום רק אחד סטוקס פס צד מופיע למצבי SBS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

נימי הדם המיוצרים על ידי שיטה זו הן דקות (בין 30 מיקרומטר ו200 מיקרומטר), ברורות, ומאוד גמישים, אבל הם מספיק חזקים לטיפול ישיר. זה חשוב כדי להגן על פני השטח החיצוניים של מכשיר הנימים נגד אבק ומים (לחות) על מנת לשמור על גורם איכות אופטית גבוה (Q). על ידי טבילת קצה אחד של הנימים במים ונשיפת אוויר בנימים באמצעות מזרק, זה יכול להיות מאומת אם הנימים היא באמצעות או אם נאטם במהלך הייצור בשל התחממות יתר.

לייזר מתכונן יכול לשמש כדי לחקור את המצבים אופטיים של המכשיר המפוברק באמצעות צימוד מוליך גל סיבים מחודד. בבדיקה זו, תהודות אופטיות חדות צפויות המציין ש-גורם אופטי גבוה. אינדיקציה נוספת לQ פקטור גבוה היא הרחבת התרמית של המצבים אופטיים 25.

כאשר התנודה פרמטרית ומונע RP מתרחשת, Harmoni cs של המצב המכני יהיה לראות בספקטרום האופטי המתקבל ביציאת הפלט של מוליך גל מחודד. זו מתרחשת בשל העומק הגדול האפנון של האפנון משרעת ושלב של האור, הנגרם על ידי התנודות מכאניות. דוגמאות של הקשת החשמלית שנצפתה בדרך כלל נראות בציור 5a וגם ב 1. עקבות אוסצילוסקופ של האות מפגינה התנהגות תקופתית (איור 5). ניתוח אלמנטים סופי יכול להיות מופעל למודל המצבים מכאניים של המערכת, כדי לוודא שהאפנון האופטי הנצפה מתאים לתדר eigenmechanical. מצבים מכאניים SBS מונעים מזוהים בקלות על ידי ההעדר של הרמוניות של האות מכאנית הבסיסית, שכן רק סטוקס פס צד יחיד שנוצר 6. מצבים אלה מתרחשים בדרך כלל בתדרים גבוהים יותר מאשר מצבי RP, למרות שתדרים נמוכים הם אפשריים גם כן.

"> איור 1
איור 1. סכמטי של התקנת הנימים מושכות. תהודה optomechanical microfluidic נמשכות מpreform נימים גדול יותר מחובר לשני שלבים ליניארי ואילו הזכוכית מחוממת על ידי לייזר CO 2. שני קרני הלייזר מיושרות בזהירות לאותה הנקודה של הנימים. כיוון העברה ומהירויות היחסית של השלבים ליניארי מסומנים על ידי החצים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. ייצור מהוד בקבוק optomechanical. (א) preform הנימים הוא pul הוביל במהירות קבועה בזמן שמחומם על ידי אמצעים של CO 2 קרינת לייזר. שים לב לאזור הזוהר הוא כתם לייזר היעד (שבו הקורות לחמם סיליקה). כשהם הגיעו לאורכה והקוטר הנדרשים, (ב) לעצור את תנועת הבמה ליניארי ולכבות את הלייזרים. נימי משך דקה, ברורה, ומאוד גמיש. (ג) להעסיק מבנה זכוכית צורת E לעלות מכשיר מהוד microcapillary כפי שתואר בסעיף 1.3. מהוד הבקבוק optomechanical מוכן להילקח להגדרת הניסוי ומחובר לצינורות שיספק analytes עכשיו. (ד) מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של מהוד בקבוק optomechanical המפוברק. רדיוס מהוד ועובי קיר יכולים להיות מגוון בהתאם לצורך. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

s "> איור 3
איור 3. סכמטי של התקנת הבדיקה. האור הוא מצמידים evanescently לתוך המהוד דרך סיבים מחודדים. לייזר IR מתכונן (1,520-1,570 ננומטר) משמש כמקור אור והוא להתאים מצב אופטי נבחרת של המהוד מכויל. תנודות מכאניות ומונעת על ידי אור באפנון סיבת המהוד של אור הקלט בתדירות הרטט המכני. השדות חשמליים של המשאבה האופטית ואור מפוזר רטט בכיוון קדימה להפריע temporally על גלאי האור (PD) בסופו של הסיב מחודד. הערה פעימה בין שני האותות אופטיים שנוצר ובכך דרך התמרה אופטי כוח לנוכחי מתרחשת בגלאי האור. מכות זה יכול להיות שנצפו על מנתח ספקטרום חשמלי (ESA). גם חלל סריקת פברי פרו-(FPC) ומנתח ספקטרום אופטי (OSA) יכולים לשמש to ישירות להתבונן בצד להקות אופטיות הנוצרות כתוצאה מהאפנון. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. אור הצימוד מסיבים למהוד מיקרו. מבנה צורת E הוא רכוב בדיוק מעל הסיב מחודד, כך שהאור יכול להיות בשילוב evanescently לתהודה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. g> נציג תוצאות. (א) מצב מכאני נשימה ב24.94 MHz בmicrocapillary הוא נרגש על ידי לחץ קרינה הצנטריפוגלי על ידי אור במחזור במצב אופטי. אפנון של קלט האור על ידי רטט מכאני זה הנצפה על מנתח ספקטרום חשמלי דרך הדור הכה-פתק על גלאי אור ממוקמים בכיוון קדימה פיזור (ראה איור 3). (ב) עקבות אוסצילוסקופ של אות פלט גלאי אור (כוח מועבר כלומר) מראה את ההפרעה הזמנית התקופתית של אור הקלט ואור מפוזר. (ג) סימולציה אלמנטים סופית למצב הנשימה המקביל מאשרת כי האפנון האופטי הנצפה מתאימה לתדר eigenmechanical. צבעים מייצגים עיוות והסימולציה היא פרוסה בנקודת אמצע הנימים למצגת.s.jpg "target =" _blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. התדירות מכאנית מוצג כפונקציה של צפיפות הנוזל. אותו המצב מכאני נמדד באותו המכשיר עם ריכוזים שונים של פתרונות סוכרוז בתוך הווה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

יש לנו מפוברק ונבדקו מכשיר חדש שמגשר בין optomechanics החלל ומיקרופלואידיקה ידי העסקת תהודות אופטיות גבוה ש לרגש (ולחקור) רעידות מכאניות. אין זה מפתיע כי מנגנוני עירור מרובים זמינים באותו המכשיר, אשר יוצרים מגוון רחב של מצבי רטט מכאניים בשיעורים פורש 2 MHz ל11,300 MHz. לחץ קרינת צנטריפוגלי תומך בשני מצבי כוס יין ומצבי נשימה בתוחלת 2-200 MHz, קדימה מגורה פיזור ברילואן מאפשר מצבי גלריית לחישות מכאניות בטווח MHz 50-1,500, ולבסוף, פיזור ברילואן מגורה אחורה מרגש את מצבי גלריית לחישות מכאניים ליד 11,000 MHz .

השיטות המתוארות בעבודה הנוכחית מאפשרות ייצור של תהודה microfluidic אלה עם גורמי איכות אופטית גבוהה במיוחד של כ -10 8. במקביל, מאז נוזלים כעת מוגבלים בתוך המכשיר, acהפסדי oustic מובאים תחת שליטה והמכשיר הוא מסוגל לשמור על גורם איכות מכאנית גבוה גם כן. עם פלטפורמה זו, יש לנו הראינו כי השינויים בצפיפות של נוזל שנמצא בתוך המכשיר ניתן למדוד (איור 6). על מנת להבין את צימוד Opto-מיכני fluidic שמאפשר את זה באופן מלא, עבודה בעתיד תהיה כרוכה דוגמנות multiphysical של המכשיר.

ישנם כמה אתגרים מעשיים הקשורים לשיטת ייצור זו. לדוגמא, חומר הנימים חייב להיות בולם טוב לקרינת לייזר CO 2 10.6 מיקרון, כך שניתן לחמם במידה מספקת לתהליך משיכת להתקיים. בהקשר זה, חומרים שנבדקו עבור ייצור נימים הם סיליקה וקוורץ. יתר על כן, הסימטריה המעגלית של הנימים מוכתבת על ידי כוח האיזון היחסי בין שני הלייזרים המועסקים במהלך השלב מושך, ועל ידי מיקומו של Capillaר"י באזור היעד בלייזר. מאז הסימטריה המעגלית של המכשיר היא פרמטר מרכזי לשמירה על גורם גבוה אופטי ומכאני איכותי, חוסר תיאום של preform הנימים באזור יעד הלייזר CO 2 לפני משיכת או במהלך מושך יכולה להיות דאגה וטיפול יש לנקוט כדי לשמור תחת זה שליטה.

מצד השני, שיטת ייצור זו מספקת גמישות רבה בייצור של תהודה נימי optomechanical מבוססת סיליקה. על ידי ויסות כוח לייזר CO 2, בקוטר הנימים יכול להיות מגוון די בקלות כדי להתאים את היישום. במרווח שבין ביקוש תהודה בקבוק הסמוך מתאפשר הודות לרמה הגבוהה של שליטה במחשב. לבסוף, שליטה בשיעור של משיכת והשיעור של "להאכיל ב" של preform הנימים מספקת ידית קלה לשליטה בקוטר הנימים.

לסיכום, פלטפורמת microcapillary מבוסס סיליקה כפי שתוארו היאעלות נמוכה של מערכת, ביצועים גבוהים אופטית וoptomechanical שניתן ליישם במגוון רחב של מחקרים עם חומרים שאינם מוצקים שלב, כולל superfluids, וביו analytes כגון תאי חיים. מכשירים אלו יכולים בנוסף למנף את הגוף גדול מאוד של ספרות על חישת גל אקוסטי פני השטח של גזים ונוזלים. כתוצאה מכך, זו טכנולוגיה המאפשרת ליישומי חישה אופטיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Carmon, T., Rokhsari, H., Yang, L., Kippenberg, T., Vahala, K. Temporal Behavior of Radiation-Pressure-Induced Vibrations of an Optical Microcavity Phonon Mode. Physical Review Letters. 94, (22), (2005).
  2. Rokhsari, H., Kippenberg, T., Carmon, T., Vahala, K. J. Radiation-pressure-driven micro-mechanical oscillator. Optics Express. 13, (14), 5293-5301 (2005).
  3. Kippenberg, T. J., Rokhsari, H., Carmon, T., Scherer, A., Vahala, K. J. Analysis of Radiation-Pressure Induced Mechanical Oscillation of an Optical Microcavity. Physical Review Letters. 95, (3), 033901 (2005).
  4. Tomes, M., Carmon, T. Photonic Micro-Electromechanical Systems Vibrating at X-band (11-GHz) Rates. Physical Review Letters. 102, (11), (2009).
  5. Grudinin, I. S., Matsko, A. B., Maleki, L. Brillouin lasing with a CaF2 whispering gallery mode resonator. Physical Review Letters. 102, (4), 043902 (2009).
  6. Bahl, G., Zehnpfennig, J., Tomes, M., Carmon, T. Stimulated optomechanical excitation of surface acoustic waves in a microdevice. Nature Communications. 2, (403), (2011).
  7. Dainese, P., Russell, Stimulated Brillouin scattering from multi-GHz-guided acoustic phonons in nanostructured photonic crystal fibres. Nature Physics. 2, (6), 388-392 (2006).
  8. Carmon, T., Cross, M. C., Vahala, K. J. Chaotic Quivering of Micron-Scaled On-Chip Resonators Excited by Centrifugal Optical Pressure. Physical Review Letters. 98, (16), 167-203 (2007).
  9. Armani, D., Min, B., Martin, A., Vahala, K. J. Electrical thermo-optic tuning of ultrahigh-Q microtoroid resonators. Applied Physics Letters. 85, (22), 5439-5441 (2004).
  10. Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Seidel, D., Maleki, L. Surface acoustic wave opto-mechanical oscillator and frequency comb generator. Optics Letters. 36, (17), 3338-3340 (2011).
  11. Bahl, G., Tomes, M., Marquardt, F., Carmon, T. Observation of spontaneous Brillouin cooling. Nature Physics. 8, (3), 203-207 (2012).
  12. Bahl, G., Kim, K. H., Lee, W., Liu, J., Fan, X., Carmon, T. Brillouin cavity optomechanics with microfluidic devices. Nature Communications. 4, (1994), (1994).
  13. Kim, K. H., et al. Cavity optomechanics on a microfluidic resonator with water and viscous liquids. Light: Science and Applications. available: http://arxiv.org/abs/1205.5477 (2013).
  14. Sumetsky, M., Dulashko, Y., Windeler, R. S. Optical microbubble resonator. Optics Letters. 35, (7), 898-900 (2010).
  15. Lee, W., et al. A quasi-droplet optofluidic ring resonator laser using a micro-bubble. Applied Physics Letters. 99, (9), 091102-091103 (2011).
  16. Junge, C., Nickel, S., O’Shea, D., Rauschenbeutel, A. Bottle microresonator with actively stabilized evanescent coupling. Optics Letters. 36, (17), 3488-3490 (2011).
  17. Bahl, G., Fan, X., Carmon, T. Acoustic whispering-gallery modes in optomechanical shells. New Journal of Physics. 14, (11), 115026 (2012).
  18. Cai, M., Painter, O., Vahala, K. Observation of Critical Coupling in a Fiber Taper to a Silica-Microsphere Whispering-Gallery Mode System. Physical Review Letters. 85, (1), 74-77 (2000).
  19. Burg, T. P., Manalis, S. R. Suspended microchannel resonators for biomolecular detection. Applied Physics Letters. 83, (13), 2698-2610 (2003).
  20. Burg, T. P., et al. Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid. Nature. 446, (7139), 1066-1069 (2007).
  21. Li, J., Lee, H., Chen, T., Vahala, K. J. Characterization of a high coherence, Brillouin microcavity laser on silicon. Optics Express. 20, (18), (2012).
  22. Knight, J. C., Cheung, G., Jacques, F., Birks, T. A. Phase-matched excitation of whispering-gallery-mode resonances by a fiber taper. Opt. Lett. 22, (15), 1129-1131 (1997).
  23. Boyd, R. W. Nonlinear Optics. Acad. Press. (2003).
  24. Li, J., Lee, H., Vahala, K. J. Microwave synthesizer using an on-chip Brillouin oscillator. Nature Communications. 4, (2097), (2013).
  25. Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Optics Express. 12, (20), 4742-4750 (2004).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats