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制造和微流控光机振荡器测试

1, 2, 1, 2,3, 3, 3, 2, 1

1Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, 3Biomedical Engineering, University of Michigan

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    Summary

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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).

    Abstract

    腔光学​​机械的参夫妇的声子模式和光子方式已在各种光学系统包括微谐振器的实验研究。因为在光机械设备的直接液浸的增加声辐射损失然而,几乎所有出版的光学机械实验在固相被执行。本文讨论了一种新近推出的空心微流控光学机械谐振器。详细方法是提供给制造这些超高Q值微谐振器,光学机械进行测试,并测量辐射压驱动的呼吸模式和SBS驱动的回音壁模式的参数振动。通过限制毛细管谐振器内的液体,高的机械和光学质量的因素,同时维持。

    Introduction

    腔光学机械研究声子模式和光子模式之间的微谐振器的辐射压力(RP)1-3手段的参数耦合和受激布里渊散射(SBS)4-6。 SBS和RP的机制已被证实在许多不同的光学系统中,如纤维7,微球4,6,8,磁环1,9和结晶谐振器5,10。通过这个光子-声子耦合,既冷却11和机械模的激发6,10已被证实。然而,几乎所有报告的光学机械实验与物质的固相。这是因为,光机械设备的结果大大增加了辐射声损耗,因为液体的高阻抗的直接液浸比较针对气。另外,在某些情况下,在液体中的耗散损失的机制可能会超出辐射声损耗。

    Řecently,具有微细几何形状的新型中空光机械振荡器被引入12-15,并且其由设计配备用于微流体实验。该毛细管的直径沿其长度的调制,以形成多个“瓶谐振器”,能同时局限于光学回音壁共振16以及机械谐振模式17。机械共振模式的多个家庭参加,包括呼吸模式,酒杯模式和回音壁声学模式。酒玻璃(驻波)和回音壁声学(行波)时,与声波长的整数倍时的振动发生装置圆周共振形成的。光渐逝耦合到这些'瓶子'由锥形光纤18的方式的光学回音壁模式。禁闭里面19,20毛细管谐振器中的液体,如相对于外面,使高机械和光学质量的因素同时,它允许机械模式的光​​激发双方的RP和SBS的手段。如已经显示出,这些机械激励能够渗透入流体的装置12,13内,形成了一个共享固液共振模式,从而使光电机械接口内的流体环境。

    在本文中,我们描述了制造,RP和SBS的驱动,和有代表性的测量结果这种新颖的光学机械系统。还提供特定的材料和工具清单。

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    Protocol

    1,制作超高Q值微流控谐振器的

    1. 毛细血管制造安装准备
      1. 制造微流体光学机械谐振器以如下方式-加热的玻璃毛细管预制棒具有约10的CO 2激光辐射W在10.6微米波长,并抽出加热的毛细管使用线性电动平移台图1示出的线性平移的布置阶段,激光器,以及毛细管预制棒拉过程之前的位置。
      2. 方案适合自动化软件同时控制2个CO 2激光器(加热)和两个线性阶段。两个线性阶段进行冲压工艺,激光加热毛细管。
      3. 一个线性阶段必须为线性拉拔过程要快( 例如 5毫米/秒)。在更多的材料喂到加热区与第二,慢线性阶段( 例如,达到0.5mm /秒)由于毛细管预制件材料被在提拉过程耗尽。
      4. 对齐上沿垂直和水平轴的直线运动平台的样品架。
      5. 小心地将两者的CO 2激光束,使得他们的目标(之间的样本持有人)的相同点空间。一块卡片纸或热敏纸是这个过程是有用的。不要忘了使用保护眼睛的激光安全。不要降低眼表的水平。使用合适的光模块,排烟和防火。
      6. 选择用于拉丝工艺参数合理。例如,下面的参数可靠地产生良好的毛细管尺寸 - 10毫米/秒的拉伸速度为0.5mm /秒的进给速度,3秒的预热时间,4.5 W预热两个激光器功率和5瓦的加热功率为激光器。
      7. 激光功率的过程中拉动调制可用于在绘图过程中亲纵向控制毛细管半径塞斯,形成了“瓶”谐振器。一个例子示于图2d中 。选择合适的调制参数:3赫兹频率,6周和3周对激光功率,并且占空比为50%。
    2. 微流控光学机械谐振器的​​制造
      1. 切有足够长的石英毛细管,使得它可以达到附着到线性平移阶段的两个夹持器的段(大约2-4厘米)。
      2. 装入毛细管样品上的样品架,使得激光目标区大约是在毛细管的中间。如果需要调整的CO 2激光准直。
      3. 使用该参数在1.1.6所列拉毛细管。第一预热毛细管几秒钟( 图2a),然后根据需要有或没有激光调制(在1.1.7参数)拉出。
      4. 从样品架取下吸入毛细管( 图2b)。带手套处理样品在两个仅厚结束后,为了不污染干净的谐振器表面。
      5. 改变拉动参数制作与毛细血管直径不同。通常外径变化从30到200微米取决于牵引条件。
    3. 安装制造设备进行测试
      1. 准备一个E形玻璃夹( 图2c)。切三组1厘米×0.5厘米至1台3厘米×0.5厘米玻璃碎片从载玻片上。将它们组装成用玻璃胶或强力胶一个E形。
      2. 微流体切毛细管的长度出来的样本绘制的。这个长度应该比在E形支架两个相邻的玻璃分支机构之间的距离更长。
      3. 胶微细管设备上使用光学胶,同时确保保持部分对E形支架的两个分支之间挂未被污染的持有人。固化光学胶采用了LED UV固化光源,持续10秒。 图2c2d示出成品。
      4. 小心地插入安装谐振器的两端为两个略大的塑 ​​料管( 例如 200微米的内径)。胶和紫外线固化两端的塑料管与光学粘合剂。
      5. 从第三(免费)玻璃枝钳在E形结构,以用于测试的夹紧固定装置。最后的微谐振器的光学质量的因素取决于其功率水平如何以及制造激光器进行比对,以及如何稳定者。

    2,对于光机检测实验装置

    1. 锥形光纤的制造
      1. 准备所需长度( 例如几英尺)的单模电信波段光纤。纤维段应足够长,既安装在所述锥形区域和连接到所述装置( 图4)。逐渐变细的方法,这里介绍的是类似什么是Suggested并展示了在22。
      2. 所制备的纤维片段连接到实验装置使用任何方便的光纤接续方法的其余部分。
      3. 安装拼接光纤段上彼此面对的两个线性车夫。
      4. 剥离光纤护套中所安装的光纤片段的中心以露出包层区域。这是锥度将制成。清洁用甲醇汽提区。
      5. 打开的可调谐激光器,看看在示波器上的实时传输。请一定要设置衰减器,使探测器不被损坏。
      6. 将一个窄喷嘴氢气燃烧器立即下方纤维的unjacketed部。加压易燃气体,如氢气时,请遵守所有建议的安全程序。火焰或陶瓷加热器其他“清洁燃烧”的来源也可以使用。
      7. 之前,照亮了气,检查流速,使火焰不会太大(1-2厘米高的火焰是足够的)。需要注意的是火焰大多是无形的,但可能会被看作是一个微弱的橙色光芒在黑暗的房间。氢气流速应设置为一个点,点燃火焰,会充分软化的玻璃纤维。
      8. 点燃了火焰。一旦火焰上,开始使用机动阶段拉纤。合适的拉伸速度取决于氢气的流量和火焰的附近。注:通过光纤传输将开始显示时间的振荡行为,拉动还在继续。这表明多模式操作。
      9. 当振荡行为停止,并显示一个不变的信号,随着时间的推移,停止拉动和关断的火焰立刻。这是获得单模锥度时。检查变速器。如果传输是太低了,从2.1.1重复该过程。与改性气体流量,火焰的大小,和火焰的位置。有时,低传输可能是由于在步骤2.1.3不良对齐。或由于铅污染离子暴露的包层。
      10. 如果通过锥度产生的发送是令人满意的,等待几分钟以冷却锥度。
      11. 检查在显微镜下的锥形。对于1550纳米的操作波长,单模锥形的典型直径在1-2微米的顺序。
    2. 锥耦合到改革工作组和搜索电子信号指示的振动
      1. 设置实验中, 如图3所示的结构。机械振动可以通过两者的SBS和RP通过相同的实验配置来生成。为了清楚地探测背散射信号,在向后SBS 4,21的情况下,使用锥形和可调谐激光器之间的循环。
      2. 在打开的可调谐红外激光,请务必使光电探测器不被损坏的地方设置衰减器。
      3. 打开和稳定的可调谐红外激光。函数发生器是用来扫红外输入的频率激光。
      4. 安装谐振器支架上的纳米定位阶段。小心地使谐振器靠近锥形光纤,以获得倏逝波耦合。作为激光频率扫描,光学谐振会出现骤降在传输中的示波器,如在22图2b。
      5. 光电检测器的输出连接到电源频谱分析仪(ESA),其中输入激光光和散射光之间的时间干扰( 差拍)可以观察到。发生在机械振荡频率这个时间的干扰。频谱分析仪上的“峰值保持”功能是非常有用的机械振动的初始搜索。
      6. 使用更高的输入功率,而执行对机械振动的初始搜索,尤其是当液体存在设备内部。注意:通常情况下,在100μW的给设备的命令的输入功率是足以激发mechaniCal的震动。
      7. 如果机械振荡观察,试图通过关闭激光频率扫描和控制在CW模式中的激光的波长锁定到相关的光学模式。在这里,无论示波器和频谱分析仪是在串联有用。周期信号在示波器上显示时的机械模式存在时,如在图51,6所示。

    3,测量光机械振动

    1. 辐射压力(RP)模式的光学和电子签名
      1. 如2.2所述,机械振荡将观察时的锥度和设备已正确耦合,该装置的光学和机械模式具有足够的Q-因子和足够的输入光功率被设置。如果在10 MHz范围内振荡 - 1 GHz的不遵守,试图改变极化,研究了不同共振,或从可调谐激光器提高输入功率以克服了最小阈值振荡。当增加输入功率,时时小心不饱和的光电探测器。此外,如在8描述的,耦合距离是用于激励不同的反相模式的一个关键因素。
      2. 如果机械模式仍然没有观察到,尝试测量光学质量的因素。用于微流控光学机械谐振器,结果表明,10 6的光学质量的因素是足以激发参数振荡13。
        注意:通常,反相模式将表现为电子的振荡频谱分析仪上伴随着它们的谐波, 如图5所示代表性的结果将在第4节中讨论。
      3. 使用扫描法布里 - 珀罗干涉仪或高分辨率光学频谱分析仪来检测所产生由于幅度和相位调制,而这又是诱导空腔周期性形变的光学侧带。一个例子测量可能是SEEN中的1 图3小时
    2. 的回音壁声学模式的光学和电子签名
      1. 向后的SBS对石英玻璃中的声波频率约为11千兆赫时,1.5微米的泵浦激光器用于4,23。使用一个环行器,它监视的背散射光与一些少量的瑞利散射泵,观察电子信号,这些振动模式。使用高分辨率光学频谱分析仪来解决的散射光。一个例子的测量中示出的4 如图2所示
      2. 用跳动的音符前向散射光与泵浦激光之间的观察频率较低(低于1 GHz)回音壁声学模式。
      3. 由于较低的机械刚性的呼吸方向,从SBS的信号有时比从RP模式的信号弱。再次,扫激光慢速,并使用“峰值保持”上的SPECT朗姆酒分析仪在寻找SBS的信号帮助。
      4. 请注意,与RP-兴奋呼吸模式,SBS激回音壁声学模式不具有在光学和电子光谱的谐波(除非级联激发发生4,24)。而不是只有一个斯托克斯边带出现的SBS模式。

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    Representative Results

    用这种方法生产的毛细管是薄(30微米和200微米之间),清楚,并且非常灵活,但足够坚固,可直接处理。它以防止灰尘和水(湿气)的毛细管装置的外表面,以保持高光学品质因数(Q)是重要的。通过浸渍在水中的毛细管的一端,并通过毛细管由注射器装置吹入空气,它可以验证所述毛细管是否通过或在制造过程中是否被封锁了由于过热。

    可调谐激光器可用于通过锥形光纤波导耦合的装置,以探测制造装置的光学模式。在该试验中,锋利的光学共振预期表示高光学品质因数。的额外指示为高Q因子是光模25的热变宽。

    当RP-驱动参量振荡发生,HARMONI机械方式的CS可以看出得到的锥形波导的输出端口上的光学频谱中。这种情况发生时,由于大的调制深度的光的振幅和相位调制的,引起的机械振动。在通常观察到的电频谱的例子看出,在图5a中 ,同时在1。该信号的示波器迹呈现周期性的行为( 图5b)。有限元分析可以被调用来模拟系统的机械模式,以确认所观察到的光调制对应于eigenmechanical频率。 SBS驱动机械模式很容易被缺席的基本机械信号的谐波的识别,因为只有一个单一的斯托克斯边带生成6。这些模式通常发生在更高的频率比RP模式,尽管低的频率是可能的。

    “> 图1
    图1原理图毛细管拉动设置的。的微流控光学机械谐振器是由一个较大的预成型体的毛细管连接到两个线性阶段拉伸而玻璃是由CO 2激光加热。两个激光束,仔细对准,以毛细管的相同点。移动方向和线性阶段的相对速度是由箭头指示。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图2
    图2。光机械瓶子的共振器构造(一 )毛细管预制棒是普勒导致在一个恒定的速度,同时通过CO 2激光辐射装置被加热。注意发光的区域是激光靶点(如梁热二氧化硅)。当所需要的长度和直径均达到,(二)停止线性阶段运动并转动激光器关闭。该毛细管拉薄,清晰,而且非常灵活。 ( 三)聘用一个E形玻璃结构,在1.3节中所述安装微细管谐振器装置。光学机械谐振器瓶现在已准备好将要采取的实验装置,并连接到管道,将提供分析物。所制造的光学机械瓶谐振器(D)的扫描电子显微镜照片。谐振器的半径和壁厚可根据需要改变。 请点击这里查看这个数字的放大版本。

    的“> 图3
    图3原理图测试设置的。光渐逝耦合到谐振器通过锥形光纤。可调谐IR激光器(1,520-1,570 nm)的被用作光源,并且是微调匹配的谐振器的一个选择的光学模式。机械振动中的机械振动频率的输入光的谐振引起的调制驱动光。光泵和振动散射光在前进方向的电场干扰在时间上的光检测器(PD)在锥形光纤的末端。两个光信号之间的跳动的音符因而通过光功率 - 电流传导发生在光电探测器产生的。该打浆可以在电动频谱分析仪(ESA)进行观察。一种扫描法布里 - 珀罗腔(FPC)和光谱分析仪(OSA),也可用于吨Ø直接观察到产生由于调制的光边带。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图4
    图4。耦合光从光纤微谐振器,在E形结构安装只是锥形光纤的上方,使得光可以渐逝地耦合到谐振器, 请点击这里查看该图的放大版本。

    图5
    图5。 g>的代表性成果。(一 )呼吸的机械模式在24.94兆赫的微细的兴奋离心辐射压光循环在光学模式。通过这种机械振动的输入光的调制是观察通过节拍音符产生的电频谱分析仪上的光检测器放置在向前散射方向(参见图3)。二)光电探测器输出信号( 发射功率)的示波器跟踪显示输入光和散射光的周期时间干扰。 ( 三)有限元模拟相应的呼吸模式确认,所观察到的光调制对应于eigenmechanical频率。颜色表示变形和仿真切片在毛细管中点以供呈现。s.jpg“目标=”_blank“>请点击这里查看该图的放大版本。

    图6
    图6。相同的机械模式测量在同一台设备上以不同浓度的礼物里面蔗糖溶液的机械频率是作为流体密度的函数。 请点击此处查看该图的放大版本。

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    Discussion

    我们已经制作并测试通过采用高Q值的光学共振激发(和查询)机械振动腔光学机械和微流体之间的桥梁的新设备。令人惊讶的是多重激励机制,可在同样的设备,它有多种生成速率跨越2 MHz至11,300 MHz的机械振动模式。离心式辐射压力支持酒杯模式和呼吸模式在2-200 MHz跨度,正向受激布里渊散射允许在50-1,500 MHz范围内的机械回音壁模式,最后,落后的受激布里渊散射激发机械回音壁模式近11,000 MHz的。

    这在当前的工作中描述的方法使这些微谐振器具有大约10 8超高光学品质因素的制造,同时,由于液体在装置内立即密闭,交流oustic损失受到控制并且该装置能够保持高的机械品质因数为好。与此平台,我们已经证明,包含在设备内的流体的密度变化可以被测量( 图6)。为了充分了解光电机械 - 流体耦合,使这一点,未来的工作将涉及设备的multiphysical建模。

    有这种制造方法相关的一些实际挑战。例如,毛细管材料必须是一个很好的吸收剂为10.6微米的CO 2激光辐射,使得它可以加热足以使牵拉过程发生。在这方面,已经过测试,用于毛细管的制造材料是二氧化硅和石英。此外,毛细管的圆对称性是由在产生的拉步骤中使用两个激光器之间的相对功率平衡决定的,并且由毛细管的位置RY激光目标区。因为该装置的圆形对称性是维持高的光学和机械品质因数,毛细管预成型体中的CO 2激光器的目标区域的对准前或拉时的关键参数拉动可以是一个关注并必须小心,以保持此下控制。

    在另一方面,这种制造方法在硅为基础的光学机械谐振器的​​毛细管制造提供了很大的灵活性。通过调节CO 2激光功率,毛细管直径可以很容易地被改变,以满足不同应用。相邻瓶谐振器之间的间距要求是可能要归功于计算机控制程度高。最后,拉和速率毛细管预制件的“饲料中”的比率的控制提供了一种简便旋钮,用于控制毛细管直径。

    总之,所描述的基于二氧化硅的微细平台是可以应用到各种与非固相材料,包括超流体和生物分析物如活体细胞的研究一种低成本,高性能的光学和光系统。这些设备还可以利用文献的气体和液体的表面声波感测非常大的身体。因此,这是一个有利的技术,光学传感应用。

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    Disclosures

    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)

    References

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