Ontwerp en fabricage van een optische vezel gemaakt van Water
Summary
Dit protocol beschrijft het ontwerp en de vervaardiging van een water-brug en de activering als een water-vezel. Het experiment toont aan dat capillaire resonanties van de water-vezel zijn optische transmissie moduleren.
Abstract
In dit verslag, een optische vezel waarvan de kern bestaat uitsluitend uit water, terwijl de bekleding lucht is, is ontworpen en geproduceerd. In tegenstelling tot solid-bekleding apparaten zijn capillaire trillingen niet beperkt, waardoor de vezel muren te verplaatsen en te trillen. De vezel is opgebouwd door een hoge gelijkspanning (DC) spanning van enkele duizenden volt (kV) tussen twee waterreservoirs waarmee een zwevende water draad, bekend als een water-brug. Door de keuze van micropipetten is het mogelijk om te bepalen van de maximale diameter en de lengte van de vezel. Optische vezel couplers, aan beide zijden van de brug, activeren als een optische waveguide, waardoor onderzoekers om te controleren de water vezel capillaire lichaam golven door transmissie modulatie en, dus, veranderingen in de oppervlaktespanning afleiden.
Twee belangrijke golf types, capillaire en elektromagnetische, mede te beperken, wordt een nieuw pad van onderzoek in de interacties tussen licht en vloeistof-muur apparaten geopend. Water-ommuurde microdevices zijn een miljoen keer zachter dan hun stevige tegenhangers, dienovereenkomstig verbetering van de respons op minuut krachten.
Introduction
Sinds de doorbraak van optische vezels in communicatie, bekroond met een prijs van Nobel in 20091, groeide een reeks van vezel gebaseerde toepassingen naast. Vezels zijn tegenwoordig een noodzaak in laser chirurgie2, alsmede in coherente X-ray generatie3,4, begeleide-geluid5 en supercontinuum6. Natuurlijk, het onderzoek naar glasvezel uitgebreid met behulp van solids in exploitatie van vloeistoffen voor de begeleiding van de optische Golf, waar vloeistof gevulde microchannels en laminaire flow de eigenschappen van het vervoer van een vloeistof met de voordelen van de optische combineren ondervraging7,8,9. Echter, deze apparaten klem van de vloeistof tussen lichamen, en daarom verbieden te verkondigen zijn eigen karakter van de Golf, bekend als capillaire Golf.
Capillaire golven, vergelijkbaar zijn met die gezien wanneer het gooien van een steen in een vijver, zijn een belangrijke Golf in de natuur. Echter, als gevolg van de hindernissen voor het beheren van een vloeistof zonder demping van het oppervlak door middel van kanalen of vaste stoffen, worden ze nauwelijks gebruikt voor het opsporen of toepassing. In tegenstelling, heeft het apparaat gepresenteerd in dit protocol geen vaste grenzen; het wordt omringd door en stromen in de lucht, waardoor, bijgevolg, capillaire golven te ontwikkelen, uitdragen, en interactie met licht.
Om een water-vezel, is het noodzakelijk om terug te gaan naar een techniek die bekend staat als de brug zwevende water eerst gemeld in 189310, waar twee bekers gevuld met gedestilleerd water en verbonden met een hoogspanningsstation bron zullen vormen een fluidic, water draad-achtige verbinding tussen deze11. Water bruggen kunnen oplopen tot een lengte van 3 cm12 of worden zo dun als 20 nm13. Wat betreft de fysieke oorsprong, heeft het aangetoond dat oppervlak spanningen, evenals diëlektrische krachten, zijn beide verantwoordelijk voor de uitvoering van de brug gewicht14,15,16. U activeert de brug van water als een water-vezel, we paar licht met een adiabatically taps toelopende silica vezel17,18 en uit met een siliciumdioxide vezel lens19. Een dergelijk apparaat kunt optische, akoestische en capillaire golven, waardoor dit voordelige voor multi-wave detectoren en lab-on-chip20,21,22 toepassingen hosten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tot slot, het grote voordeel en de uniciteit van deze techniek is het creëren van een vezel die gastheer van drie verschillende soorten golven: capillaire, akoestische en optische. Alle drie golven oscilleren in verschillende regelingen, opent de mogelijkheid voor multi-wave detectoren. Als voorbeeld, invloed airborne nanodeeltjes op de oppervlaktespanning van vloeistoffen. Al in het huidige stadium is het mogelijk om te controleren van wijzigingen in de oppervlaktespanning door variaties in de capillaire eigenfrequenti…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door het Israëlische ministerie van wetenschap, technologie & ruimte; ICore: het Israëlische Excellence center ‘Cirkel van licht’ verlenen nr. 1802/12, en door de Israëlische Science Foundation verleent nr. 2013/15. De auteurs bedanken Karen Adie Tankus (KAT) voor het bewerken van het nuttig.
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 |
References
- 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)
