ייצור ובדיקה של מתנדים optomechanical Microfluidic
Summary
Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.
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.
Protocol
Representative Results
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 צ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded by Startup funding from the University of Illinois at Urbana-Champaign, DARPA ORCHID program through a grant from AFOSR, the National Science Foundation through grant CMMI-1265164, and the National Science Foundation Graduate Research Fellowship program. We acknowledge enlightening discussions with Prof. Jack Harris, Prof. Pierre Meystre, Dr. Matt Eichenfield, Prof. Taher Saif, and Prof. Rashid Bashir.
Materials
| 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) | |
| 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
- 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).
- Rokhsari, H., Kippenberg, T., Carmon, T., Vahala, K. J. Radiation-pressure-driven micro-mechanical oscillator. Optics Express. 13 (14), 5293-5301 (2005).
- 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).
- Tomes, M., Carmon, T. Photonic Micro-Electromechanical Systems Vibrating at X-band (11-GHz) Rates. Physical Review Letters. 102 (11), (2009).
- Grudinin, I. S., Matsko, A. B., Maleki, L. Brillouin lasing with a CaF2 whispering gallery mode resonator. Physical Review Letters. 102 (4), 043902 (2009).
- Bahl, G., Zehnpfennig, J., Tomes, M., Carmon, T. Stimulated optomechanical excitation of surface acoustic waves in a microdevice. Nature Communications. 2 (403), (2011).
- Dainese, P., Russell, Stimulated Brillouin scattering from multi-GHz-guided acoustic phonons in nanostructured photonic crystal fibres. Nature Physics. 2 (6), 388-392 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bahl, G., Tomes, M., Marquardt, F., Carmon, T. Observation of spontaneous Brillouin cooling. Nature Physics. 8 (3), 203-207 (2012).
- Bahl, G., Kim, K. H., Lee, W., Liu, J., Fan, X., Carmon, T. Brillouin cavity optomechanics with microfluidic devices. Nature Communications. 4 (1994), (1994).
- Kim, K. H., et al. Cavity optomechanics on a microfluidic resonator with water and viscous liquids. Light: Science and Applications. , (2013).
- Sumetsky, M., Dulashko, Y., Windeler, R. S. Optical microbubble resonator. Optics Letters. 35 (7), 898-900 (2010).
- Lee, W., et al. A quasi-droplet optofluidic ring resonator laser using a micro-bubble. Applied Physics Letters. 99 (9), 091102-091103 (2011).
- Junge, C., Nickel, S., O’Shea, D., Rauschenbeutel, A. Bottle microresonator with actively stabilized evanescent coupling. Optics Letters. 36 (17), 3488-3490 (2011).
- Bahl, G., Fan, X., Carmon, T. Acoustic whispering-gallery modes in optomechanical shells. New Journal of Physics. 14 (11), 115026 (2012).
- 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).
- Burg, T. P., Manalis, S. R. Suspended microchannel resonators for biomolecular detection. Applied Physics Letters. 83 (13), 2698-2610 (2003).
- Burg, T. P., et al. Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid. Nature. 446 (7139), 1066-1069 (2007).
- Li, J., Lee, H., Chen, T., Vahala, K. J. Characterization of a high coherence, Brillouin microcavity laser on silicon. Optics Express. 20 (18), (2012).
- 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).
- Boyd, R. W. . Nonlinear Optics. , (2003).
- Li, J., Lee, H., Vahala, K. J. Microwave synthesizer using an on-chip Brillouin oscillator. Nature Communications. 4 (2097), (2013).
- Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Optics Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).
