Automatic Translation

This translation into Dutch was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages

 JoVE Engineering

Fabricage en testen van Microfluidic Optomechanische oscillators

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

Article
    Downloads Comments Metrics Publish with JoVE

    You must be subscribed to JoVE to access this content.

    Enter your email to receive a free trial:

    Welcome!

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


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

    Admit it, you like to watch.

     

    Summary

    Cite this Article

    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

    Holte optomechanica experimenten die parametrisch paar de fonon modes en fotonmodes zijn onderzocht in diverse optische systemen, waaronder microresonators. Vanwege de verhoogde akoestische radiatieve verliezen in directe vloeistofomhulling van opto apparaten, bijna alle gepubliceerde opto experimenten zijn uitgevoerd in vaste fase. Dit artikel bespreekt een recent geïntroduceerde holle microfluïdische optomechanische resonator. Gedetailleerde methodologie wordt verstrekt aan deze ultra-high-Q microfluïdische resonatoren fabriceren, voeren optomechanische testen en meten van straling drukgedreven ademmode en SBS-driven fluistergalerij modus parametrische trillingen. Door het beperken van vloeistoffen in de capillaire resonator, worden hoge mechanische-en optische kwaliteit factoren tegelijk onderhouden.

    Introduction

    Cavity opto bestudeert de parametrische koppeling tussen fonon modes en fotonmodes in microresonators door straling druk (RP) 1-3 en gestimuleerde Brillouin-verstrooiing (SBS) 4-6. SBS en RP mechanismen aangetoond in verschillende optische systemen, zoals vezels 7, microsferen 4,6,8, ringkernen 1,9 en kristallijne resonatoren 5,10. Door deze foton-phononkoppeling, zowel koeling 11 en excitatie 6,10 mechanische functies aangetoond. Echter, bijna alle gemelde optomechanica experimenten met vaste fasen van de materie. Dit komt omdat directe vloeistofomhulling van de opto inrichtingen resultaten sterk toegenomen radiatieve akoestische verlies vanwege de hogere impedantie van vloeistoffen vergeleken met lucht. Daarnaast is in sommige situaties dissipatieve verlies mechanismen in vloeistoffen mag bedragen dan de stralingsbalans akoestische verliezen.

    Recently, een nieuw soort holle optomechanische oscillator met een microcapillaire geometrie werd geïntroduceerd 12-15, en die door het ontwerp is uitgerust voor microfluïdische experimenten. De diameter van deze capillaire gemoduleerd wordt over de lengte van meerdere 'fles resonatoren' die tegelijkertijd beperken optische fluisteren-gallery resonanties 16 evenals de mechanische resonantiemodussen 17 vormen. Meerdere families van mechanische resonantiemodi deelneming, inclusief de ademhaling modi, wijnglas modes, en fluisterend-gallery akoestische modi. De wijn-glas (staande-golf) en gefluister-gallery akoestische (lopende golf) resonanties worden gevormd wanneer een trilling met een geheel veelvoud van akoestische golflengtes optreedt rondom het apparaat omtrek. Licht evanescently gekoppeld in de optische fluisteren-gallery vormen van deze "flessen" door middel van een tapse optische vezel 18. Opsluiting van de vloeistof in 19,20 de capillaire resonator, zoalstegen daarbuiten, maakt hoge mechanische en optische kwaliteit factoren tegelijk, dat de optische excitatie van mechanische modi kan dit zowel RP en SBS. Zoals is getoond, deze mechanische excitaties kunnen dringen in de vloeistof in de inrichting 12,13, tot een gedeeld vast-vloeibaar resonante modus, waardoor een opto-mechanische interface om de vloeibare omgeving binnen.

    In dit artikel beschrijven we de fabricage, RP en SBS bediening, en representatieve meetresultaten voor deze roman optomechanische systeem. Specifieke materialen en gereedschap lijsten zijn ook aanwezig.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Protocol

    1. Fabricage van Ultra-high-Q Microfluidic resonatoren

    1. Bereiding van capillaire productie opstart
      1. Fabriceren de microfluïdische optomechanische resonator op de volgende manier -. Verhit een glazen capillair voorvorm met ongeveer 10 W van de CO 2-laser straling op 10.6 micron golflengte, en trekken uit de verwarmde capillair lineair gebruik van gemotoriseerde vertaling fasen Figuur 1 toont de opstelling van de lineaire vertaling fasen, de lasers en de locatie van de capillaire voorvorm voor het trekken proces.
      2. Programma geschikt automatisering software om tegelijkertijd de twee CO 2 lasers (voor verwarming) en de twee lineaire fasen. De twee lineaire fasen uit te voeren de tekening proces voor de laser verhit capillair.
      3. Een van de lineaire motoren moeten snel (bijvoorbeeld 5 mm / sec) voor de lineaire trekproces. Feed in meer materiaal om de kookzone met de tweede, langzamer lineaire fase(Bijv. 0,5 mm / s) vanaf het capillair materiaal voorvorm wordt uitgeput tijdens het trekproces.
      4. Lijn de steekproef houders aan de lineaire podia langs zowel verticale als horizontale assen.
      5. Zorgvuldig uitlijnen zowel CO 2 laserstralen zodanig dat ze gericht zijn op dezelfde plek in de ruimte (tussen het monster houders). Een stuk van de kaart papier of warmtegevoelig papier nuttig is voor dit proces. Vergeet niet om oogbescherming te gebruiken voor laser veiligheid. Ogen niet verlagen tot tafel niveau. Gebruik geschikte balksloffen, rook uitlaat, en brandbeveiliging.
      6. Selecteer redelijke parameters voor het tekenen. Bijvoorbeeld, de volgende parameters betrouwbaar produceren goede capillaire afmeting - 10 mm / sec treksnelheid 0,5 mm / sec voeding-snelheid, 3 seconden opwarmtijd, 4,5 W voorverwarmen krachten voor zowel lasers en 5 W verwarmingsvermogens zowel lasers .
      7. Modulatie van het laservermogen bij trekkende kan worden gebruikt om de capillaire straal lengterichting controle tijdens de tekening progang tot de 'fles' resonatoren vormen. Een voorbeeld wordt getoond in figuur 2d. Selecteer de juiste modulatie parameters: 3 Hz frequentie, 6 W en 3 W voor laser bevoegdheden, en 50% inschakelduur.
    2. Fabricage van microfluïdische optomechanische resonatoren
      1. Snijd een voldoende lange segment (ongeveer 2-4 cm) van gesmolten silica capillaire zodanig dat de beide houders aan de lineaire translatie stadia bereikt.
      2. Monteer de capillaire monsterbuis op de monsterhouders zodat de laser doelzone ongeveer in het midden van het capillair. Bijstellen CO 2 laser uitlijning indien nodig.
      3. Trek het capillair met de parameters zoals vermeld in 1.1.6. Verwarm eerst de capillaire gedurende enkele seconden (Figuur 2a), en trek met of zonder laser modulatie (parameters in 1.1.7) als nodig is.
      4. Verwijder de getrokken capillaire (Figuur 2b) van de monsterhouder. Behandel het monster met handschoenen op de tweedikke eindigt pas, om de schone resonator oppervlak niet te verontreinigen.
      5. Varieer de trekken parameters om capillairen met verschillende diameters fabriceren. Typisch buitendiameter varieert van 30 urn tot 200 urn, afhankelijk trekken omstandigheden.
    3. Montage van de gefabriceerde apparaat voor het testen
      1. Bereid een E vorm glazen houder (figuur 2c). Snijd drie 1 cm x 0,5 cm en een 3 cm x 0,5 cm stukjes glas van glas dia's. Monteer ze in een E vorm met behulp van glas lijm of secondenlijm.
      2. Knip een lengte van microfluïdische capillair uit de getrokken steekproef. Deze lengte moet langer zijn dan de afstand tussen twee aangrenzende glazen takken op de houder E vorm hebben.
      3. Lijm de microcapillaire apparaat op de houder met behulp van optische lijm terwijl ervoor te zorgen om een ​​gedeelte opknoping onbesmette tussen twee takken van de houder E vorm te houden. Cure de optische lijm met een LED-UV-uithardende lichtbron voor 10 sec. Figuren 2cen 2d het eindproduct te laten zien.
      4. Steek beide uiteinden van de gemonteerde resonator in twee iets grotere plastic buisjes (bijv. 200 um binnendiameter). Lijm en uv beide uiteinden van de plastic buizen met optische lijm.
      5. Klem de E vorm structuur van de derde (gratis) glas aftakking naar een geklemd montage-apparaat voor het testen. De optische kwaliteit factor van de uiteindelijke microfluïdische resonator is afhankelijk van hoe goed de fabricage lasers waren afgestemd en hoe stabiel hun macht niveaus waren.

    2. Experimentele opstelling voor Optomechanische Testing

    1. Fabricage van tapse optische vezel
      1. Bereid een single mode telecom-band optische vezel van gewenste lengte (bijvoorbeeld een paar meter). Vezelsegment moet lang genoeg zijn om zowel gemonteerd in het convergerende stippellijn aangesloten op de installatie (figuur 4). De taps toelopende methode uitgelegd hier is vergelijkbaar met wat is suggested en gedemonstreerd in 22.
      2. Sluit de bereide vezel segment de rest van de experimentele opstelling met elke geschikte vezel-splicing methode.
      3. Monteer de gesplitste vezels segment op twee lineaire trekkers die tegenover elkaar staan.
      4. Strip de vezel jas in het centrum van de gemonteerde fiber fragment bekleding gebied bloot. Dit is waar de versmalling zal worden gefabriceerd. Reinig de gestripte ruimte met methanol.
      5. Zet de afstembare laser om real-time transmissie zien op een oscilloscoop. Zorg ervoor dat dempers instellen zodat fotodetectors niet beschadigd.
      6. Plaats een smal mondstuk waterstofgas brander direct onder het unjacketed gedeelte van de vezel. Volg alle aanbevolen veiligheidsprocedures bij het werken met druk brandbare gassen zoals waterstof. Andere "schone verbranding" bronnen van vuur of keramische kachels kunnen ook worden gebruikt.
      7. Voor het aansteken van de gas-, controleer het debiet zodat de vlam niet te zullengroot (een 1-2 cm hoog vlam is voldoende). Merk op dat de vlam grotendeels onzichtbaar maar kan worden beschouwd als een zwakke oranje gloed in een donkere kamer. De waterstof debiet worden ingesteld op een punt waar brandende vlam behoren de glasvezel zal verzachten.
      8. Licht op de vlam. Zodra de vlam brandt, beginnen te trekken van de vezel met gemotoriseerde fasen. Geschikte treksnelheid afhankelijk stroomsnelheid van waterstofgas en omgeving van de vlam. OPMERKING: Transmissie door de vezel zal beginnen om temporele oscillatie gedrag te vertonen als het trekken blijft. Dit geeft multimode bewerking.
      9. Wanneer oscillerend gedrag stopt en toont een onveranderlijke signaal in de tijd, niet langer trekken en afslag de vlam onmiddellijk. Dit is bij enkelvoudige modus tapsheid wordt verkregen. Controleer de transmissie. Als de transmissie te laag is, herhaal dan de procedure vanaf 2.1.1. met gemodificeerde gasstroom, grootte van de vlam en vlam locatie. Bij gelegenheid kan lage transmissie te wijten zijn aan slechte uitlijning in stap 2.1.3. of als gevolg van gecontamineerdion van de blootgestelde bekleding.
      10. Als resulterende overdracht Door de versmalling bevredigend is, wacht een paar minuten afkoelen de conus.
      11. Inspecteer de taper onder een microscoop. Voor 1550 nm operationele golflengte typisch diameter van de enkelvoudige-modus tapsheid in de orde van 1-2 urn.
    2. Taps-koppeling aan WGR en het zoeken naar elektronische signalen aangeven trillingen
      1. Stel het experiment in de in figuur 3 opstelling. Mechanische trillingen worden gegenereerd door middel van zowel SBS en RP door dezelfde experimentele configuratie. Om duidelijk aan te sporen terug-verstrooide signalen zoals in het geval van de achtergebleven-SBS 4,21, gebruik dan een circulatiepomp tussen conus en afstembare laser.
      2. Voordat u de instelbare IR laser, zorg ervoor om attenuators opgezet zodat fotodetectors niet beschadigd.
      3. Schakel en stabiliseren de afstembare IR laser. Een functie generator wordt gebruikt om de frequentie van het ingangssignaal IR vegenlaser.
      4. Monteer de houder op een resonator nanopositioning podium. Breng voorzichtig de resonator dicht bij de taps toelopende vezels om vluchtig koppeling te verkrijgen. Als de laser frequentie wordt geveegd, wordt optische resonanties verschijnen kuilen in transmissie in de oscilloscoop, zoals in figuur 2b 22.
      5. Sluit de fotodetector uitgang om een elektrische spectrum analyzer (ESA), waar de tijdelijke storing (dwz tel noot) tussen de ingang laserlicht en het verstrooide licht kan worden waargenomen. Deze tijdelijke storing optreedt bij de mechanische trillingsfrequentie. De functie "peak hold" op de spectrum analyser is vaak nuttig bij het initiële onderzoek voor mechanische trillingen.
      6. Gebruik hogere ingangsvermogen tijdens het uitvoeren van de eerste zoektocht naar mechanische trillingen, vooral wanneer vloeistoffen aanwezig in het apparaat zijn. OPMERKING: Typisch, ingangsvermogen in de orde van 100 μW om het apparaat voldoende is om mechanisch te wekkenical trillingen.
      7. Als mechanische trilling wordt waargenomen, proberen te vergrendelen aan de relevante optische modus door het uitschakelen van de laser frequentie scannen en controleren van de laser golflengte in de CW-modus. Hier zijn zowel oscilloscoop en spectrum analyzer zijn bruikbaar in tandem. Periodieke signalen op de oscilloscoop als een mechanische functie aanwezig is, zoals in figuur 5 en 1,6.

    3. Meten Optomechanische Vibrations

    1. Optische en elektronische handtekening van straling drukmodi (RP)
      1. Zoals beschreven in 2.2, zal mechanische trillingen worden waargenomen wanneer de conus en het apparaat correct zijn gekoppeld, het apparaat optische en mechanische modi voldoende Q-factoren, en voldoende ingang optisch vermogen wordt geleverd. Als oscillaties in het bereik van 10 MHz - 1 GHz niet waargenomen poging om polarisatie te veranderen om verschillende resonantiefrequenties te onderzoeken of verhogen ingangsvermogen van afstembare laser, omhet overwinnen van de minimumdrempel voor oscillatie. Bij het verhogen van de voedingsspanning moet u altijd voorzichtig de fotodetectors niet te verzadigen. Ook, zoals beschreven in 8, koppeling afstand is een belangrijke factor voor spannende verschillende RP modi.
      2. Als mechanische modi zijn nog niet waargenomen, probeer dan het meten van optische kwaliteit factor. Voor microfluïdische optomechanische resonatoren, resultaten laten zien dat de optische kwaliteit factor 10 6 is voldoende om parametrische oscillaties 13 prikkelen.
        OPMERKING: Meestal zal RP wijzen manifesteren als elektronische oscillaties op het spectrum analyzer vergezeld van hun harmonischen, zoals in figuur 5 Representatieve resultaten in hoofdstuk 4 besproken..
      3. Gebruik een scan Fabry-Perot interferometer of hoge-resolutie optische spectrumanalysator de optische zijbanden die worden gegenereerd door amplitude en fase modulatie, die op zijn beurt veroorzaakt door de periodieke holte vervorming te detecteren. Kan een voorbeeld meting s zijnEEN in figuur 3h van 1.
    2. Optische en elektronische handtekening van fluisteren-gallery akoestische modi
      1. De akoestische frequentie van backward-SBS voor kwartsglas is ongeveer 11 GHz wanneer een 1,5 micron pomp laser wordt gebruikt 4,23. Gebruik een circulatiepomp die de back-verstrooid licht bewaakt en enkele kleine hoeveelheid van Rayleigh-verstrooid pomp, om elektronische signalen te observeren voor deze vibratietoestanden. Gebruik een hoge-resolutie optische spectrum analyzer om het verstrooide licht op te lossen. Een voorbeeld meting wordt getoond in figuur 2 of 4.
      2. Gebruik de beat noot tussen voorwaarts verstrooid licht en de pomp laser om lagere frequentie (sub-1 GHz) Whispering-gallery akoestische modi observeren.
      3. Door de lagere mechanische stijfheid in de richting ademhaling, het signaal van SBS soms zwakker dan het signaal van de RP modi. Nogmaals, vegen de laser op een lage snelheid, en gebruik "peak hold" op de SPECTrum analyzer om te helpen bij het vinden van de SBS-signaal.
      4. Merk op dat in tegenstelling tot de RP-opgewonden ademhaling modi, SBS-opgewonden fluisterend-gallery akoestische modi niet harmonischen exposeren in de optische en elektronische spectra (tenzij cascade excitatie plaatsvindt 4,24). In plaats daarvan slechts een Stokes zijband verschijnt SBS modi.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    De door deze werkwijze capillairen dun (tussen 30 urn en 200 urn), heldere en zeer flexibel, maar voldoende robuust voor directe verwerking. Het is belangrijk om het buitenoppervlak van het capillaire apparaat tegen stof en water (vocht) om een ​​hoge optische kwaliteitsfactor (Q) handhaven beschermen. Door indopen een uiteinde van het capillair in water en blaast lucht door de capillair door middel van een spuit, kan worden nagegaan of de capillair door of dat werd afgesloten tijdens de fabricage door oververhitting.

    Een afstembare laser kan worden gebruikt om de optische modes van de vervaardigde inrichting sonde via tapse golfgeleider vezels koppeling. In deze test worden scherpe optische resonanties verwacht aangeeft hoge optische Q-factor. Een extra indicatie voor hoge Q-factor is de thermische verbreding van de optische modes 25.

    Wanneer-RP bediende parametrische oscillatie plaatsvindt, harmonisatie cs van de mechanische modus worden gezien in het optische spectrum verkregen op de uitgangspoort van de taps toelopende golfgeleider. Dit wordt veroorzaakt door de grote modulatiediepte van de amplitude en fase modulatie van het licht, veroorzaakt door de mechanische trillingen. Voorbeelden van typisch waargenomen elektrische spectrum zien in figuur 5a en ook 1. Een oscilloscoop spoor van het signaal vertoont periodieke gedrag (figuur 5b). Eindige elementen analyse kan worden aangevoerd naar model de mechanische functies van het systeem, om te bevestigen dat de waargenomen optische modulatie overeenkomt met een eigenmechanical frequentie. SBS aangedreven mechanische modi zijn gemakkelijk te herkennen door de afwezigheid van harmonischen van de fundamentele mechanische signaal, aangezien slechts een enkele Stokes zijband opgewekt 6. Deze modi typisch voor op hogere frequenties dan de RP modi, hoewel lage frequenties mogelijk.

    "> Figuur 1
    Figuur 1. Schematische voorstelling van het capillair trekken setup. De microfluïdische optomechanische resonatoren zijn afkomstig uit een grotere capillaire voorvorm bevestigd aan twee lineaire fasen, terwijl het glas wordt verwarmd door de CO 2-laser. Beide laserstralen zorgvuldig uitgelijnd op dezelfde plek van het capillair. Bewegen richting en relatieve snelheid van de lineaire fasen worden aangegeven door de pijlen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

    Figuur 2
    Figuur 2. Optomechanische fles resonator fabricage. (A) De capillaire voorvorm pul geleid met een constante snelheid, terwijl via CO 2 laserstraling wordt verwarmd. Let op de gloeiende regio is de laserdoel plek (waar de balken verwarm de silica). Wanneer de gewenste lengte en diameter worden bereikt, (b) stoppen met de lineaire fase beweging en zet de lasers uit. De getrokken capillaire is dun, helder en zeer flexibel. (C) gebruik van een glazen structuur E vorm aan de microcapillaire resonator toestel niet monteren zoals beschreven in paragraaf 1.3. De opto fles resonator kan nu worden genomen om de experimentele opstelling en verbonden met buizen die analyten zal. (D) Aftastelektronmicrofoto van de gefabriceerde optomechanische fles resonator. Resonator radius en wanddikte kan worden gevarieerd als nodig is. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

    s "> Figuur 3
    Figuur 3. Schematische voorstelling van de meetopstelling. Licht wordt evanescently gekoppeld in de resonator door een taps toelopende vezel. Een instelbare IR laser (1,520-1,570 nm) wordt gebruikt als lichtbron en is afgestemd op een gekozen optische modus van de resonator passen. Mechanische trillingen in werking gesteld door het licht in de resonator oorzaak modulatie van de ingang licht aan het mechanische trillingsfrequentie. De elektrische velden van de optische pomp en trillingen verstrooid licht in de voorwaartse richting interfereren tijdelijk op de fotodetector (PD) en het einde van de tapse vezel. Een ritme noot tussen de twee optische signalen wordt dus gegenereerd door middel van de optische-power-to-current transductie plaats in de fotodetector. Dit slaan kan worden waargenomen op een elektrische spectrum analyzer (ESA). Een scan Fabry-Perot holte (FPC) en optische spectrumanalysator (OSA) kan ook worden gebruikt to direct de optische kant bands die worden gegenereerd als gevolg van de modulatie te observeren. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

    Figuur 4
    Figuur 4. Koppeling licht van een vezel naar micro resonator. De E vorm structuur is gemonteerd net boven de taps toelopende vezel zodat het licht kan evanescently worden gekoppeld in de resonatoren. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

    Figuur 5
    Figuur 5. g> Representatieve resultaten. (a) Een ademend mechanische modus bij 24,94 MHz in de microcapillaire wordt geëxciteerd door centrifugale druk straling door licht circuleren in een optische modus. Modulatie van de ingang licht door deze mechanische trilling waarneembaar is op een elektrisch spectrum analyzer via tel-note generatie op een fotodetector geplaatst in de forward-verstrooiing richting (zie figuur 3). (B) Een oscilloscoop spoor van de fotodetector uitgangssignaal (dwz uitgezonden vermogen) geeft de periodieke tijdelijke storing van de ingang licht en verstrooid licht. (C) FEM simulatie voor de overeenkomstige ademmode bevestigt dat de waargenomen optische modulatie overeenkomt met een eigenmechanical frequentie. Kleuren staan ​​voor vervorming en de simulatie wordt gesneden in de capillaire halverwege voor de presentatie.s.jpg "target =" _blank "> Klik hier voor een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

    Figuur 6
    Figuur 6. De mechanische frequentie wordt gepresenteerd als een functie van de dichtheid vloeistof. Dezelfde mechanische modus wordt gemeten op hetzelfde apparaat met verschillende concentraties sucrose oplossingen aanwezig binnen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    We hebben verzonnen en een nieuw toestel dat een brug tussen holte optomechanica en microfluidics door het gebruik van hoge-Q optische resonanties op te wekken (en ondervragen) mechanische trillingen getest. Het is verrassend dat verschillende excitatie mechanismen zijn in dezelfde inrichting, die een verscheidenheid van mechanische trillingsmodes een snelheid spanning 2 MHz tot 11.300 MHz genereren. Centrifugale stralingsdruk ondersteunt zowel wijnglas modes en ademhaling modi in het 2-200 MHz overspanning, Forward gestimuleerd Brillouin verstrooiing maakt mechanische fluistergalerij modi in het 50-1,500 MHz, en ten slotte, achteruit gestimuleerd Brillouin verstrooiing prikkelt mechanische fluistergalerij modi in de buurt van 11.000 MHz .

    De werkwijzen die worden beschreven in de huidige werkzaamheden kan de fabricage van deze microfluïdische resonatoren met ultra-hoge optische kwaliteit factoren van ongeveer 10 8. Tegelijkertijd aangezien vloeistoffen nu opgesloten binnen de inrichting, acoustic verliezen onder controle gebracht en het apparaat kan een hoge mechanische kwaliteitsfactor behouden ook. Met dit platform, hebben we aangetoond dat de veranderingen dichtheid van een vloeistof die in de inrichting kan worden gemeten (figuur 6). Om volledig te begrijpen van de opto-mechanisch-vloeibare koppeling dat dit mogelijk maakt, zal de toekomstige werkzaamheden multiphysical modellering van het apparaat te betrekken.

    Er zijn enkele praktische problemen in verband met deze vervaardigingsmethode. Zo moet het capillair materiaal een goede absorber voor de 10,6 micron CO 2 laserstraling zijn, zodat het voldoende kan opwarmen voor het trekken van proces te laten plaatsvinden. In dit verband, de materialen die zijn getest capillaire fabricage zijn silica en kwarts. Verder wordt de cirkelvormige symmetrie van het capillair bepaald door de relatieve kracht evenwicht tussen de twee lasers die worden gebruikt tijdens het trekken stap en door de ligging van de capillary in de laser doelzone. Aangezien de cirkelvormige symmetrie van de inrichting is een belangrijke parameter voor het handhaven van hoge optische en mechanische kwaliteitsfactor, verkeerde uitlijning van de capillaire voorvorm in de CO2 laser doelzone voor het uittrekken of tijdens het trekken kan een probleem en zorg moet worden genomen om dit kader houden controle.

    Anderzijds deze fabricagemethode biedt veel flexibiliteit bij de fabricage van silica gebaseerde opto capillaire resonatoren. Door het moduleren van de CO 2 laservermogen, kan de capillaire diameter vrij gemakkelijk worden aangepast aan de toepassing. Op afstand de vraag tussen aangrenzende fles resonatoren is mogelijk dankzij de hoge mate van computerbesturing. Tenslotte controle van de snelheid van het trekken en het percentage "voer in" van de capillaire voorvorm biedt een eenvoudige draaiknop voor het regelen van de capillair diameter.

    Concluderend, de silicabasis microcapillaire platform beschreven iseen goedkope, krachtige optische en opto-systeem dat kan worden toegepast op een reeks studies met niet-vaste fase materiaal, zoals superfluids en biologische analyten zoals levende cellen. Deze apparaten kunnen bovendien gebruik maken van de zeer grote hoeveelheid literatuur over akoestische oppervlaktegolf detectie van gassen en vloeistoffen. Hierdoor is een activerende technologie voor optische detectie toepassingen.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    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

    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.

    Metrics

    Waiting
    simple hit counter