Conception et Fabrication d’une fibre optique fait d’eau
Summary
Ce protocole décrit la conception et la fabrication d’un pont de l’eau et son activation comme une fibre de l’eau. L’expérience montre que les résonances capillaires de la fibre de l’eau modulent la transmission optique.
Abstract
Dans ce rapport, une fibre optique dont le noyau est fait uniquement de l’eau, tandis que le revêtement est l’air, est conçu et fabriqué. Contrairement aux dispositifs solide-bardage, capillaires oscillations ne sont pas limitées, permettant les murs de fibre de circuler et de vibrer. La fibre est construite par une tension élevée courant continu (DC) de plusieurs milliers de volts (kV) entre deux réservoirs d’eau qui crée un thread d’eau flottant, connu comme un pont d’eau. Par le choix des micropipettes, il est possible de contrôler le diamètre maximal et la longueur de la fibre. Connecteurs de fibre optique, aux deux côtés du pont, l’activer comme un guide d’onde optique, permettant aux chercheurs de suivre les vagues fibre capillaire corps par la modulation de la transmission et, par conséquent, déduire les changements de tension superficielle.
Confinement conjointement deux types d’onde importante, capillaires et électromagnétiques, ouvre une nouvelle voie de recherche dans les interactions entre la lumière et de dispositifs de liquide-mur. Microdevices eau sont un million de fois plus douces que leurs homologues solides, par conséquent améliorer la réponse aux forces minutes.
Introduction
Depuis la percée des fibres optiques en communication, récompensé par un prix Nobel en 20091, une série d’applications fibre a grandi aux côtés. De nos jours, les fibres sont une nécessité de chirurgies laser2, ainsi que cohérente des rayons x génération3,4, guidé-sound5 et supercontinuum6. Naturellement, la recherche sur la fibre optique étendu d’utiliser des matières solides en exploitant les liquides pour guider les ondes optiques, où microcanaux remplis de liquide et flux laminaire combinent les propriétés de transport d’un liquide avec les avantages de l’optique interrogatoire7,8,9. Cependant, ces dispositifs pince liquide entre solides et interdisent donc d’exprimer son propre caractère vague, appelée onde capillaire.
Les vagues capillaires, similaires à ceux observés lors du lancer une pierre dans un étang, sont une importante vague dans la nature. Toutefois, en raison des obstacles de contrôler un liquide sans amortissement de sa surface par le biais de canaux ou de solides, ceux-ci sont guère utilisés pour la détection ou l’application. En revanche, le dispositif présenté dans le présent protocole a aucune frontière solide ; Il est entouré et flux dans l’air, ce qui permet, par conséquent, ondes capillaires à se développer, se propagent et interagissent avec la lumière.
Pour fabriquer une fibre de l’eau, il est nécessaire de revenir à une technique appelée le pont flottant de l’eau, pour la première fois en 189310, où les deux béchers remplis d’eau distillée et connecté à une source de haute tension formeront une eau fluidique, filiformes connexion entre eux11. Ponts de l’eau peuvent atteindre jusqu’à une longueur de 3 cm12 ou être aussi mince que 20 nm13. En ce qui concerne l’origine physique, il a été démontré que les tensions de surface, ainsi que des forces diélectriques, sont à la fois responsable de la réalisation poids14,15,16 du pont. Pour activer le pont de l’eau comme une fibre de l’eau, nous couple de lumière avec une silice adiabatiquement conique fibre17,18 et dehors avec une silice fibre lentille19. Un tel dispositif peut accueillir des ondes acoustiques, capillaires et optiques, rendant avantageuse pour les détecteurs d’ondes multiples et lab-on-chip20,21,22 demandes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pour conclure, l’atout et l’originalité de cette technique crée une fibre qui abrite trois différents types d’ondes : capillaire, acoustique et optique. Tous les trois vagues oscillent sous différents régimes, ouvrant la possibilité pour les détecteurs d’ondes multiples. À titre d’exemple, les nanoparticules atmosphériques affectent la tension superficielle des liquides. Déjà à ce stade, il est possible de surveiller les modifications de la tension de surface par le biais de variations dans la fré…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été financée par le ministère israélien de la Science, de technologie et de l’espace ; ICore : le centre d’Excellence israélien « Cercle de feu » concession n° 1802/12 et par la Fondation scientifique israélien accorder no 2013/15. Les auteurs remercient Karen Adie Tankus (KAT) pour le montage utile.
Materials
| Deioniyzed Water | 18MOhm resistance | ||
| Micropipettes, Borosilicate Glass, round, inner diameter 850 micron | Produstrial.com | #133260 | |
| Micropipettes, Borosilicate Glass, round, inner diameter 150 micron | Produstrial.com | #133258 | |
| High voltage, low current source, 3kV with 5 mA. | Bertan | Model 215 | |
| High voltage, low current source, 8 kV with 0.25 mA. | Home build | ||
| Optical fiber | Corning | HI 780 C | 5 meter |
| Optical fiber | Thorlabs | FTO 30 | 5 meter |
| Optical fiber | Thorlabs | FTO 30 | 5 meter |
| Fiber coupled laser | FIS | SMF 28E | |
| Photoreceiver | New Port/ New Focus | 1801-FS | with fiber connection |
| Oscilloscope | Agilent Technologies | DSO-X 3034A | |
| 2 Degree of freedom tilt stagestage | New Port/ New Focus | M-562F-TILT | |
| 3Degree of freedom linear micro translation stage | New Port/ New Focus | M-562F-XYZ | |
| A set of magnets | |||
| Objective 5X | Mitutoyo | MY5X-802 | |
| Objective 20 x | Mitutoyo | MY20X-804 | |
| Zoom | Navitar | 12x Zoom | |
| Microscope tube | Navitar | 1-6015 standard tube | |
| Isopropanol | Sigma Aldrich | 67-63-0 | Spec Grad |
| 2 x Bare Fiber holder | Thorlabs | T711-250 | |
| 2 x Translational Stage | Thorlabs | DT12 | |
| Block of PMMA for fabricating the water reservoir and pipette holder | 150 x 60 x 10 mm | ||
| PTFE-Tape | Gufero | 240453 | |
| Fiber coupled, cw Laser Light Source | New Port/ New Focus | TLB-6712 | 765-781 nm |
Referenzen
- For Groundbreaking Achievements Concerning the Transmission of Light in Fibers for Optical Communication. The Nobel Prize in Physics Available from: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/press.html (2009)
- Temelkuran, B., Hart, S. D., Benoit, G., Joannopoulos, J. D., Fink, Y. Wavelength-scalable hollow optical fibres with large photonic bandgaps for CO2 laser transmission. Nature. 420, 650-653 (2002).
- Rundquist, A. Phase-Matched Generation of Coherent Soft X-rays. Science. 280, 1412-1415 (1998).
- Durfee, C. G., et al. Phase Matching of High-Order Harmonics in Hollow Waveguides. Physical Review Letters. 83, 2187-2190 (1999).
- Dainese, P., et al. Stimulated Brillouin scattering from multi-GHz-guided acoustic phonons in nanostructured photonic crystal fibres. Nature Physics. 2, 388-392 (2006).
- Dudley, J. M. J., Genty, G., Coen, S. Supercontinuum generation in photonic crystal fiber. Reviews of Modern Physics. 78, 1135-1184 (2006).
- Wolfe, D. B., et al. Dynamic control of liquid-core/Liquid-cladding optical waveguides. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , 12434-12438 (2004).
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442, 368-373 (2006).
- Ward, J. M., Yang, Y., Chormaic, S. N. Highly Sensitive Temperature Measurements With Liquid-Core Microbubble Resonators. IEEE Photonics Technology Letters. 25, 2350-2353 (2013).
- Fuchs, E. E. C., et al. The floating water bridge. Journal of Physics D: Applied Physics. 40, 6112-6114 (2007).
- Fuchs, E. C., et al. The Armstrong experiment revisited. The European Physics Journal Special Topics. 223, 959-977 (2013).
- Sirghi, L., Szoszkiewicz, R., Riedo, E. Volume of a nanoscale water bridge. Langmuir. 22, 1093-1098 (2006).
- Woisetschläger, J., Gatterer, K., Fuchs, E. C. Experiments in a floating water bridge. Experiments in Fluids. 48, 121-131 (2009).
- Widom, A., Swain, J., Silverberg, J., Sivasubramanian, S., Srivastava, Y. N. Theory of the Maxwell pressure tensor and the tension in a water bridge. Physical Review E: Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 80, 16301 (2009).
- Aerov, A. A. Why the water bridge does not collapse. Physical Review E. Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 84, 36314 (2011).
- Knight, J. C., Cheung, G., Jacques, F., Birks, T. A. Phase-matched excitation of whispering-gallery-mode resonances by a fiber taper. Optics Letters. 22, 1129 (1997).
- Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Painter, O. J., Vahala, K. J. Ideality in a Fiber-Taper-Coupled Microresonator System for Application to Cavity Quantum Electrodynamics. Physical Review Letters. 91, 43902 (2003).
- Cohen, L. G., Schneider, M. V. Microlenses for coupling junction lasers to optical fibers. Applied Optics. 13, 89-94 (1974).
- Vollmer, F., et al. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules. Nature Methods. 5, 591-596 (2008).
- Fainman, Y., Lee, L. P., Psaltis, D., Yang, C. . Optofluidics: Fundamentals, Devices, and Applications. , (2010).
- He, L., Ozdemir, S. K., Zhu, J., Kim, W., Yang, L. Detecting single viruses and nanoparticles using whispering gallery microlasers. Nature Nanotechnology. 6, 428-432 (2011).
- Woisetschläger, J., et al. Horizontal bridges in polar dielectric liquids. Experiments in Fluids. 52, 193-205 (2011).
- Fuchs, E. C., Wexler, A. D., Agostinho, L. L. F., Ramek, M., Woisetschläger, J. Methanol, Ethanol and Propanol in EHD liquid bridging. Journal of Physics: Conference Series. 329, 12003 (2011).
- Douvidzon, M. L., Maayani, S., Martin, L. L., Carmon, T. Light and Capillary Waves Propagation in Water Fibers. Science Reports. 7, 16633 (2017).
- . Water Fibers Available from: https://arxiv.org/abs/1609.03362 (2016)
