تصنيع واختبار ميكروفلويديك الميكانيكية المذبذبات
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
تجويف optomechanics التجارب التي parametrically زوجين وسائط الطاقة الصوتية وسائط الفوتون وقد تم التحقيق في مختلف النظم البصرية بما في ذلك microresonators. وقد أجريت التجارب الميكانيكية ولكن، بسبب زيادة الخسائر الإشعاعي الصوتية أثناء الغمر السائل مباشرة من الأجهزة الميكانيكية، نشرت كلها تقريبا في المرحلة الصلبة. تناقش هذه الورقة الميكانيكية ميكروفلويديك جوفاء مرنان أدخلت مؤخرا. يتم توفير منهجية مفصلة لافتعال هذه مرنانات ميكروفلويديك فائقة-Q، إجراء اختبار الميكانيكية، وقياس الإشعاع ضغط يحركها وضع التنفس وSBS يحركها يهمس وضع معرض الاهتزازات حدودي. بواسطة حصر السوائل داخل مرنان الشعرية، ويحتفظ في الوقت نفسه عوامل عالية الجودة البصرية الميكانيكية و.
Introduction
optomechanics تجويف يدرس اقتران حدودي بين أوضاع الطاقة الصوتية وسائط الفوتون في microresonators عن طريق ضغط الإشعاع (RP) 1-3 وحفز نثر بريلوين (SBS) و 4-6. وقد أثبتت SBS وآليات RP في كثير من النظم البصرية المختلفة، مثل الألياف 7، المجهرية 4،6،8، 1،9 ملفات حلقية، ومرنانات البلورية 5،10. من خلال هذا الفوتون الطاقة الصوتية اقتران، سواء التبريد 11 و الإثارة 6،10 من وسائط الميكانيكية أثبتت. ومع ذلك، ذكرت كلها تقريبا optomechanics التجارب هي مع مراحل الصلبة للمادة. وذلك لأن السائل الغمر المباشر للنتائج الأجهزة الميكانيكية في زيادة كبيرة في فقدان الصوتية الإشعاعي بسبب مقاومة أعلى من السوائل مقارنة ضد الهواء. بالإضافة إلى ذلك، في بعض الحالات فقدان آليات المبددة في السوائل قد تتجاوز الخسائر الصوتية الإشعاعي.
Recently، تم إدخال نوع جديد من مذبذب الميكانيكية جوفاء مع الهندسة microcapillary 12-15، والتي حسب التصميم مجهز لإجراء التجارب ميكروفلويديك. والتضمين قطر هذا شعري على طوله لتشكيل متعددة 'مرنانات زجاجة' التي تحصر في وقت واحد البصرية الأصداء يهمس-16 معرض وكذلك وسائط الرنانة الميكانيكية 17. أسر متعددة من وسائط الرنانة الميكانيكية المشاركة، بما في ذلك وسائط التنفس، وسائط النبيذ والزجاج، وسائط الصوتية يهمس الرواق. والزجاج والنبيذ (واقفا الموجة) ويهمس-معرض الصوتية (الموجة السفر) تتشكل الأصداء عند اهتزاز مع عدد صحيح متعددة من موجات الصوتية تحدث حول محيط الجهاز. ويقترن ضوء evanescently في وسائط يهمس-معرض البصرية من هذه 'زجاجات' عن طريق الألياف البصرية مدبب 18. الحبس من السائل داخل 19،20 مرنان الشعرية، وبدلا من خارجه، وتمكن العوامل ذات الجودة البصرية الميكانيكية وعالية في وقت واحد، والذي يسمح الإثارة البصرية من وسائط الميكانيكية عن طريق كل من RP وSBS. كما ثبت أن هذه الإثارات الميكانيكية قادرون على اختراق السائل داخل الجهاز 12،13، وتشكيل وضع الرنانة الصلبة والسائلة المشتركة، وبالتالي تمكين واجهة البصريات الميكانيكية للبيئة فلويديك داخل.
في هذه الورقة وصفنا تلفيق، RP ويشتغل SBS، ونتائج القياس ممثل لهذا النظام الميكانيكية الرواية. وتقدم أيضا قوائم المواد وأداة محددة.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد ملفقة واختبار الجهاز الجديد الذي يسد التجويف بين optomechanics وعلى microfluidics من خلال توظيف الأصداء البصرية عالية-Q لإثارة (واستجواب) الاهتزازات الميكانيكية. فمن المستغرب أن آليات الإثارة متعددة متوفرة في نفس الجهاز، والتي تولد مجموعة متنوعة من وسائط الذبذبات الميكانيك?…
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).
