作製とマイクロ流体光力学発振器のテスト

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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Engineering

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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).

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Abstract

空洞パラメトリックに結合するフォノンモードとフォトンモードは微小共振器を含む様々な光学系において研究されてきた実験optomechanics。しかし、光学機械デバイスの直接液浸中に増加音響放射損失のため、ほとんどすべての公開光学機械の実験は固相で行われている。本論文では、最近導入された中空マイクロ流体光学機械共振器について説明します。詳細な方法論は、これらの超高Q共振器を作製するマイクロ流体光学機械テストを実行して放射圧駆動式呼吸モードとSBSドリブンささやきの回廊モードパラメトリック振動を測定するために設けられている。キャピラリー共振器内の液体を閉じ込めることによって、高い機械的および光学的品質の要因が同時に維持されている。

Introduction

空洞の研究optomechanics放射圧による微小共振器内フォノンモードとフォトンモード間のパラメトリックカップリング(RP)1-3とブリルアン散乱(SBS)4-6を刺激した。 SBSおよびRPメカニズムは、そのような繊維7、ミクロス4,6,8、トロイド1,9、および結晶共振器5,10のような多くの異なる光学系において実証されている。この光子フォノン結合を介して、両方の11および機械的モードの励起6,10を冷却するが実証されている。しかし、ほとんどすべての実験は、物質の固相であるoptomechanics報告した。これは、空気と比較液体の高いインピーダンスの大幅に増加し、放射音響損失の光学機械デバイスの結果を直接液浸ためです。加えて、いくつかの状況では、液体中の散逸損失メカニズムは、音響放射損失を超えることがある。

Recently、マイクロキャピラリージオメトリを備えた中空オプトメカニカル発振器の新しいタイプは、12月15日に導入し、設計によって、マイクロ流体実験のために装備されている。この毛細血管の直径は同時に光学ウィスパリングギャラリー共振が16だけでなく、機械的な共振モード17を閉じ込め、複数の「ボトル共振器'を形成するために、その長さに沿って変調される。機械的な共振モードの複数の家族が呼吸モード、ワイングラスモード、ウィスパリングギャラリー音響モードを含む、参加しています。音響波長の整数倍と振動装置周囲に発生したときにワイングラス(定在波)およびウィスパリングギャラリー弾性(進行波)の共鳴が形成されている。光はエバネッセントテーパ光ファイバ18を用いてこれらの「ボトル」の光学ウィスパリングギャラリーモードに結合される。 19,20キャピラリー共振器内の液体の閉じ込めなどその外に対向RPとSBSの両方によって機械的モードの光学的励起を可能にすると同時に、高い機械的及び光学的品質係数を、可能にする。示されているように、これらの機械的励起は、このように流体環境内に光学機械インタフェースを可能にする、共有固液共振モードを形成する、装置12,13内の流体に浸透することができる。

本論文では、この新しい光学機械システムの製造は、RPとSBS作動、代表測定結果を説明します。特定の材料と工具のリストも提供される。

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Protocol

超高Qマイクロ流体共振器の1。作製

  1. 毛細管の製造セットアップの調製
    1. 以下のようにして、マイクロ流体光学機械共振器を製作- 10.6ミクロンの波長でCO 2レーザ放射の約10 Wとガラスキャピラリーリフォームを加熱し、かつ直線的に電動並進ステージを使用して加熱された毛細管を引き出す図1は、線形変換の配置を示している。ステージ、レーザー、および延伸工程の前に、キャピラリーリフォームの場所。
    2. 同時に(加熱用)2、CO 2レーザや2リニアステージを制御するプログラムの適切な自動化ソフトウェア。 2リニアステージは、レーザー加熱キャピラリーのための描画処理を行う。
    3. リニアステージの一つは、線形描画処理のために( 例えば 5ミリメートル/秒)高速でなければならない。第二に、より低速リニアステージで加熱ゾーンへのより多くの材料にフィード毛管リフォーム材を引き上げプロセスの間に枯渇されますので( 例えば、0.5mm /秒)。
    4. 縦軸と横軸の両方に沿ってリニアステージ上のサンプルホルダーの位置を合わせます。
    5. 慎重に、彼らは(サンプルホルダの間)の空間内の同じ場所をターゲットにするように、両方のCO 2レーザ光 ​​を合わせます。カード紙や感熱紙には、このプロセスに便利です。レーザーの安全のために目の保護を使用することを忘れないでください。テーブルレベルに目を低下させない。適切なビームブロック、ヒューム排気し、防火を使用してください。
    6. 描画処理のための合理的なパラメータを選択します。たとえば、以下のパラメータが確実に良好な毛細管サイズを製造 - 10 100mm /秒の引き上げ速度、0.5mm /秒送り込み速度、3秒予熱時間、4.5両方のレーザのパワー、両レーザの5 Wの加熱電力を予熱W 。
    7. 引上げ時のレーザパワーの調節は、描画中にプロ長手毛細管半径を制御するために使用することができる「ボトル」の共振器を形成するために、CESS。一例が図2dに示されている。 3 Hzの周波数、W 6、レーザパワーW 3、および50%のデューティサイクル:適切な変調パラメータを選択する。
  2. マイクロ流体光学機械共振器の作製
    1. それは、線形変換ステージに取り付けられた2つのホルダーに達することができるように溶融シリカキャピラリーの十分に長いセグメント(約2〜4センチ)カット。
    2. レーザターゲットゾーンがほぼ毛細管の中央になるように試料ホルダー上にキャピラリ試料をマウント。必要に応じて、CO 2レーザーアライメントを再調整。
    3. 1.1.6で述べたようにパラメータを使用して、キャピラリーを引く。最初の数秒間( 図2a)のために毛細血管を予熱し、その後、必要に応じてレーザ変調(1.1.7のパラメータ)の有無にかかわらず、それを引き出します。
    4. 試料ホルダーから引き出さ毛細血管( 図2b)を取り外します。 2の手袋でサンプルを処理太いクリーン共振器表面を汚染しないようにするために、端部のみ。
    5. 異なる直径の毛管を製造するために引っ張ってパラメータを変更します。通常、外径が条件を引っ張っによっては30ミクロンから200ミクロンまで変化する。
  3. テスト用に製造されたデバイスをマウントする
    1. E形グラスホルダー( 図2c)を準備します。 3 1センチメートル×0.5センチ、ガラススライドから1 3センチメートル×0.5センチのガラス片をカット。ガラス接着剤や瞬間接着剤を使用して、Eの形にそれらを組み立てる。
    2. 描かれたサンプルからマイクロ流体キャピラリーの長さをカットします。この長さは、E形ホルダー上の2つの隣接するガラスの枝の間の距離よりも長くなければならない。
    3. E形ホルダーの2ブランチ間汚染されていないぶら下げ部分を維持することを確認しながら、光学接着剤を使用してホルダーにマイクロキャピラリーデバイスを接着します。 10秒間、LED、UV硬化光源と光学的に接着剤を硬化。 図2C完成品を示す2dは
    4. 慎重に2少し大きめのプラスチックチューブ(内径例えば 200程度)に実装した発振子の両端を挿入します。接着剤やUV硬化は、光学接着剤でプラスチック管に両端。
    5. テスト用クランプ取付装置に第三(無料)ガラスブランチからのE型構造をクランプ。最終的なマイクロ流体共振器の光学的品質係数は、製造レーザーを整列する方法と、その安定した電力レベルがあったどれだけに依存する。

光力学試験のための2。実験装置

  1. テーパ光ファイバの作製
    1. 希望の長さ( 例えば数フィート)のシングルモードテレコムバンド光ファイバを準備します。ファイバセグメントは、両方のテーパ領域に搭載され、セットアップ( 図4)に接続されるのに十分長くなければならない。テーパ方法はsであるものと類似して、ここで説明22でuggestedと明らかにした。
    2. 任意の便利なファイバ接続方法を使用した実験装置の残りの部分に準備されたファイバ·セグメントを接続します。
    3. 互いに向かい合う2線形引き手にスプライスされたファイバ·セグメントをマウントします。
    4. クラッド領域を露光するために取り付けられた繊維片の中心に繊維のジャケットを取り除く。テーパが製造される場所である。メタノールでストリップエリアを清掃してください。
    5. オシロスコープのリアルタイム伝送を見るために、波長可変レーザをオンにします。光検出器が損傷しないように減衰器を設定してください。
    6. 繊維のunjacketed部分直下の狭いノズル水素ガスバーナーを配置します。水素のような加圧された可燃性ガスを扱う場合に推奨されるすべての安全手順に従ってください。火炎又はセラミックヒータの他の「クリーンな燃焼」光源を使用することもできる。
    7. 炎があまりにもならないように気を点灯する前に、流量を確認してください大(1-2センチの炎が十分である)。炎はほとんど見えないが、暗い部屋でほのかなオレンジ色の輝きのように見られる場合があることに注意してください。水素流量が点灯火炎が適切にガラス繊維を軟化する点に設定されるべきである。
    8. 炎を点灯。とすぐに炎がオンになっているように、電動ステージを用いた繊維を引っ張って開始します。適切な引き上げ速度は、水素ガスと火炎の近傍の流速に依存する。注:ファイバを通して伝送が引っ張っが継続する時間的な振動挙動を示すために開始されます。これは、マルチモード動作を示している。
    9. 振動運動は時間の経過とともに変化しない信号を停止し、表示されたら、引っ張って停止し、ターンオフ炎をすぐに。単一モードテーパが得られたときである。送信を確認してください。トランスミッションが低すぎると、2.1.1からの手順を繰り返す。修飾されたガス流量、火炎の大きさ、および難場所に。機会に、低透過率はステップ2.1.3で悪いアライメントが原因である可能性があります。または起因する汚染するまで曝露クラッドのイオン。
    10. テーパーを通じてその結果得られる送信が良好であれば、テーパーを冷却するために数分待つ。
    11. 顕微鏡下でテーパを点検します。 1,550 nmの動作波長については、シングルモードテーパ典型的な直径は、1〜2ミクロンのオーダーである。
  2. テーパカップリングWGRにし、電気信号​​を探して振動を示す
    1. 図3に示す構成で実験を設定する。機械的振動は、同じ実験構成でSBSおよびRPの両方を介して発生させることができる。明らかに、後方SBS 4,21の場合と同様に後方散乱信号を検出し、テーパ波長可変レーザとの間のサーキュレータを使用するためである。
    2. 調整可能なIRレーザーをオンにする前に、光検出器が損傷されないような場所にアッテネータを設定してください。
    3. オンにして調整可能なIRレーザを安定させる。関数発生器は、入力IRの周波数を掃引するために使用されるレーザー。
    4. ナノ位置決めステージに共振器ホルダーを取り付けます。慎重にエバネッセント結合を得るために、テーパー状の繊維に近い共振器を持参。レーザ周波数を掃引されると、光共振が22図2Bのように、オシロスコープでの送信時のディップとして表示されます。
    5. 入力されたレーザ光 ​​と散乱光との時間的な干渉( すなわちビート注)観察することができる電気スペクトラムアナライザ(ESA)に光検出器出力を接続します。この時間的な干渉は、機械的な振動周波数で発生する。スペクトラム·アナライザの「ピークホールド」機能は、多くの場合、機械的振動の初期検索に便利です。
    6. 液体が装置の内部に存在している場合は特に、機械的な振動の初期検索を実行している間、より高い入力電力を使用してください。注:通常、デバイスに100μWオーダーの入力電力がmechanを励起するのに十分であるiCalの振動。
    7. 機械的振動が観察される場合には、レーザ周波数スキャンをオフにし、CWモードでレーザ波長を制御することにより、関連する光学モードにロックしようとする。ここでは、オシロスコープとスペクトラム·アナライザの両方は、タンデムで有用である。 図5および 1,6に示すように、機械的なモードが存在する場合に周期的な信号は、オシロスコープに表示される。

3。光力学振動を測定

  1. 放射圧の光学及び電子署名(RP)モード
    1. 2.2に記載のようにテーパし、デバイスが正しく接続されているときに、機械的振動が観察され、デバイスの光学的および機械的なモードは、十分なQ-因子を有する、十分な入力光パワーが提供される。 10MHzの範囲の振動場合 - 1GHzでは観察されず、異なる共振を調査するために、偏光を変更するかのために、波長可変レーザからの入力電力を増加させる試み発振の最小閾値を克服する。入力電力を増加させる場合は、必ず検出器を飽和しないように注意してください。 8で説明したように、また、結合距離は、励磁異なるRPモードのための重要な要因である。
    2. 機械的なモードはまだ観察されていない場合は、光学的品質係数を測定してみてください。マイクロ流体光学機械共振器の場合、結果は、10 6の光学的品質係数がパラメトリック発振13を励起するのに十分であることを示している。
      注記:通常は、RPモードは、図5に見られるように、その高調波を伴うスペクトルアナライザのような電子振動を明示する代表的な結果は第4章で説明する。
    3. 周期的な空洞変形によって誘発される順番に振幅および位相変調に生成された光側波帯を検出するためにスキャンファブリペロー干渉計または高解像度光学スペクトルアナライザを使用する。測定例は、Sである1図3HにEEN。
  2. ウィスパリングギャラリー音響モードの光と電子署名
    1. 1.5ミクロンのポンプレーザが4,23を使用する場合、シリカガラスのための後方、SBSの音響周波数は約11ギガヘルツである。これらの振動モードのために電気信号を観察するために、後方散乱光とレイリー散乱ポンプのいくつかの小さな量を監視するサーキュレーターを使用してください。散乱光を解決するために、高分解能光スペクトラムアナライザを使用してください。実施例4の測定は、図2に示されている。
    2. 低い周波数(サブ1 GHz)のウィスパリングギャラリー音響モードを観察するために前方散乱光と励起レーザー間のビートノートを使用しています。
    3. 呼吸による方向の低い機械的剛性、SBSからの信号は、RPモードからの信号より、時には弱い。繰り返しますが、低速でレーザーを掃引、SPECTの「ピークホールド」を使用SBSの信号を見つけるのに役立つラム·アナライザ。
    4. (カスケード接続された励起が行わ4,24を取る場合を除く)、RP励呼吸モードとは異なり、SBS励ウィスパリングギャラリー音響モードは、光学および電子スペクトルに高調波を示さないことに注意してください。だけではなく1ストークス側波帯は、SBSモードのために表示されます。

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Representative Results

この方法により製造された毛細血管は、(30ミクロンと200ミクロンの間)をクリアし、非常に柔軟に薄いですが、ダイレクトなハンドリングのために十分に強固である。これは、高い光学的品質係数(Q)を維持するために、ダスト及び水(湿気)に対する毛細管装置の外面を保護することが重要である。水中での毛細管の一端を浸漬し、シリンジを用いて、キャピラリーを通して空気を吹き込むことにより、キャピラリを介して、または過熱による製造中に密封されたかどうかであるか否かを検証することができる。

波長可変レーザは、テーパファイバ導波路結合により製造されたデバイスの光学モードをプローブするために使用することができる。この試験では、鋭い光学共鳴は高い光学Q-因子を示すと予想される。高Q値の効能追加は、光学モード25の熱の広がりである。

RP-作動パラメトリック発振が起こり、harmoni機械的なモードのcsがテーパ状導波路の出力ポートで得られた光スペクトル中に確認されるであろう。これは、機械的振動による光の振幅および位相変調の大きい変調深さ、発生する。典型的に観察された電気スペクトルの例を図5aに、また1に見られる。信号のオシロスコープトレースは、周期的な動作( 図5b)を示す。有限要素解析は、観察光学変調eigenmechanical周波数に対応することを確認するために、システムの機械的モードをモデル化するために呼び出すことができる。単一ストークス側波帯が発生するので6 SBS駆動される機械式のモードは容易に、基本的な機械的な信号の高調波が存在しないことによって同定される。低周波数も同様に可能であるが、これらのモードは、典型的には、RPモードよりも高い周波数で発生する。

"> 図1
図1。キャピラリー引っ張っセットアップの概略。ガラスは、CO 2レーザーで加熱しながら、マイクロ流体光学機械共振器を2リニアステージに付着し、より大きな毛管リフォームから描かれています。両方のレーザビームを慎重にキャピラリーの同じスポットに位置合わせされる。移動方向とリニアステージの相対速度は矢印で示されている。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図2
図2光力学ボトル共振器の製造は、(a)キャピラリーリフォームがプルある CO 2レーザ放射によって加熱されながら一定の速度でつながった。光る領域(ビームがシリカを熱)レーザー目標地点であることに注意してください。必要な長さと直径に達したときに、(b)は、リニアステージの動きを停止し、レーザーをオフにしてください。引っ張っキャピラリーは、薄く、透明で、非常に柔軟です。 (C)第1.3節で説明したようにマイクロキャピラリー共振器デバイスをマウントするために、Eの形のガラス構造を採用。光学機械ボトルの共振器は現在、実験に連れて行かれ、分析物を提供し、チューブに接続する準備ができました。作製した光学機械ボトル共振器の(d)の走査電子顕微鏡写真。必要に応じて共振器の半径と壁の厚さを変化させることができる。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

S "> 図3
図3の試験セットアップの概略図。光は、エバネセントテーパファイバを介して、共振器に結合される。調整可能なIRレーザ(1,520-1,570 nm)を光源として使用し、微調整され、共振器の選択された光学モードに一致するようになっている。機械的振動が機械的振動周波数の入力光の共振を引き起こす変調光によって作動。順方向の光ポンプと振動散乱光の電場は、テーパファイバの端部に光検出器(PD)に一時的に妨害する。 2光信号間のビートノートは、このように、光検出器で行われている光パワー - 電流伝達を介して生成される。この叩解電気スペクトラムアナライザ(ESA)で観察することができる。スキャニングファブリペローキャビティ(FPC)と光スペクトラムアナライザ(OSA)は、tは使用することができるO直接変調による生成された光サイドバンドを観察します。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図4
図4。マイクロ共振器に光ファイバからの光を結合する。光はエバネッセント共振器内に結合することができるように、Eの形の構造は単なるテーパファイバの上に搭載されている。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図5
図5。 G> 代表的な結果。(a)のマイクロキャピラリー内の24.94 MHzで呼吸機械式モードは光学モード内で循環する光によって遠心放射圧によって励起される。この機械的振動による入力光の変調は、前方散乱方向に配置された光検出器で泡立てる分音符の生成を介して電気的なスペクトラム·アナライザで観測可能である( 図3を参照してください)。 (b)は、光検出器出力信号( すなわち、送信された電力)のオシロスコープのトレースは、入力光と散乱光の時間的な周期的な干渉を示している。 (c)に対応する呼吸モードのための有限要素シミュレーションは、観察光学変調eigenmechanical周波数に対応することを確認する。色は、変形を表し、シミュレーションを提示のために毛細管中点にスライスされる。s.jpg「ターゲット= "_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図6
図6。メカニカル周波数は流体密度の関数として表される。同じ機械モードが内部に存在するショ糖液の異なる濃度の同じデバイス上で測定されている。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

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Discussion

我々は製造され、励起(及び尋問)する高Q光学共振を使用することによってoptomechanicsとマイクロ流体キャビティの間を埋める新しいデバイスの機械的な振動をテストしている。これは、複数の励起メカニズムが11,300 MHzに2 MHzのに及ぶレートで機械的な振動モードのさまざまなを生成する非常に同じデバイスで利用可能であることは驚くべきことである。遠心放射圧は2〜200 MHzスパンの両方のワイングラスモードと呼吸モードをサポートし、フォワード50-1,500 MHzの範囲内で機械的なウィスパリングギャラリーモードを可能にし、最後に、後方ブリルアン散乱が11,000 MHzの近くで機械的なウィスパリングギャラリーモードを励起する誘導ブリルアン散乱を刺激した。

現在の仕事に記載されている方法は、約10 8の超高光学的品質因子を有するこれらのマイクロ流体共振器の製造を可能にすると同時に、液体が今、デバイス内に閉じ込めているため、ACoustic損失は、制御下に置かれ、デバイスは、同様に高い機械的品質係数を維持することができる。このプラットフォームでは、我々は( 図6)装置内に含まれる流体の密度変化を測定することができることを実証した。完全にこれを可能オプトメカノ流体カップリングを理解するためには、今後の課題は、デバイスの多重物理(multiphysical)モデリングを伴う。

この製造方法に関連するいくつかの実用的な課題があります。それが起こるように引っ張っプロセスのために十分に加熱することができるように、たとえば、毛管材料は、10.6ミクロンのCO 2レーザ照射のための良い吸収である必要があります。この点に関して、キャピラリー製造のためにテストされた材料は、シリカおよび石英である。さらに、キャピラリーの円対称性を引っ張っステップの間に使用されている2レーザ間の相対的なパワーバランスであり、キャピの位置によって決定されるレーザーターゲットゾーン内RY。この下に保つように注意しなければならない引上げ前又は関心と世話することができ、引いている間、装置の円対称性は、CO 2レーザターゲットゾーン内の毛管リフォームの位置ずれを高い光学的および機械的品質係数を維持するための重要なパラメータであるので、コントロール。

一方、本製造方法は、シリカベースのオプトメカニカル共振器毛細管の製造に多くの柔軟性を提供する。 CO 2レーザパワーを変調することにより、毛細管直径が用途に適合するように非常に簡単に変えることができる。隣接ボトル共振器間の需要間隔にコンピュータ制御の高度のおかげで可能です。最後に、引張速度と毛細管リフォームの「内の供給」の速度の制御は、毛細管の直径を制御するための簡単​​なつまみが用意されています。

結論として、記載されたシリカ系マイクロキャピラリープラットフォームですこのような生体細胞などの超流動体を含む非固相材料を用いた研究、バイオ分析物の種々に適用することができる、低コストで高性能な光学系及び光学機械。これらのデバイスは、さらに、気体や液体の表面弾性波感知に関する文献は非常に大きな体を利用することができる。結果として、これは、光センシング用途のための実現技術である。

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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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