Изготовление и испытание микрофлюидных оптико-механические осцилляторы
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
Полость optomechanics экспериментов, которые параметрически пара фононные моды и режимы фотонов были исследованы в различных оптических систем, включая микрорезонаторов. Тем не менее, из-за увеличения потерь акустических радиационных во время прямого жидкого погружения оптико устройств, практически все публичные оптико-механические эксперименты были проведены в твердой фазе. В настоящем документе рассматривается недавно представила полый микрофлюидных оптико-механический резонатор. Подробное методология обеспечивается для изготовления этих сверхвысокой Q микрофлюидных резонаторы, выполнять оптико-механический тестирования и измерения давления приводом режим дыхания излучения и СБС-приводом шепотом Режим галерея параметрические колебания. Ограничивая жидкости внутри капилляра резонатора, высокие факторы механического и оптико-качество одновременно поддерживается.
Introduction
Пустотные optomechanics изучает параметрической связи между фононных мод и режимов фотонов в микрорезонаторов с помощью светового давления (RP) 1-3 и ВРМБ (SBS) 4-6. SBS и механизмы RP были продемонстрированы в различных оптических системах, таких как волокна 7, микросферы, 4,6,8 торами 1,9 и кристаллических резонаторов 5,10. Благодаря этому фотон-фононной связи, как охлаждение 11 и возбуждение 6,10 механических режимов были продемонстрированы. Тем не менее, почти все сообщили optomechanics эксперименты с твердой фаз материи. Это потому, что прямой жидкость погружение оптико-механические устройства приводит к значительно повышенным радиационным акустической потери из-за более высокой импеданса жидкостей по сравнению с воздухом. Кроме того, в некоторых ситуациях диссипативные механизмы потерь в жидкостях может превышать радиационные акустические потери.
Recently, новый тип полого оптико-механического осциллятора с геометрией микрокапиллярной был введен 12-15, и который по своей конструкции оборудован для микрофлюидных экспериментов. Диаметр этого капилляра модулируется вдоль его длины, чтобы сформировать несколько «бутылочных резонаторов», которые одновременно ограничиться оптические резонансы шепчущей галереи 16, а также механических резонансные моды 17. Несколько семей из механических резонансных мод участие, в том числе режимов дыхания, режимов рюмка и шепчущей галереи акустических. Рюмка (стоячей волны) и шепчущей галереи акустические (бегущей волны) резонансы образуются при вибрации с целого кратного акустических длин волн происходит по окружности устройства. Свет evanescently сочетании в оптических мод шепчущей галереи этих «бутылок» посредством конической оптического волокна 18. Удержание жидкости внутри 19,20 капиллярной резонатора, какпротивоположность вне ее, дает высокие показатели механической и оптической качества одновременно, что позволяет оптическое возбуждение механических режимов с помощью как РП и SBS. Как было показано, эти механические возбуждения способны проникать в жидкость в устройстве 12,13, образуя совместно твердой и жидкой резонансный режим, тем самым позволяя интерфейс оптико-механические для текучей среды внутри.
В этой статье мы описываем изготовление, РП и SBS срабатывание и репрезентативные результаты измерений для этого новой системы оптико-механического. Также предоставляются Конкретные материальные и инструментальные списки.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы изготовлены и испытаны новое устройство, которое мосты между полости optomechanics и микрофлюидики, используя высокого Q оптические резонансы для возбуждения (и допросить) механической вибрации. Удивительно, что несколько механизмов возбуждения доступны в том же самом устройстве, которы?…
Divulgations
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).
