Design and fabrikasjon av en optisk Fiber laget av vann
Summary
Denne protokollen beskriver design og produksjon av vann bro og dens aktivisering som en vann fiber. Eksperimentet demonstrerer at kapillær resonanser av vann fiber modulerer sin optisk overføring.
Abstract
I denne rapporten en optisk fiber som kjernen er laget utelukkende av vann, mens kledningen er luft, er designet og produsert. Kontrast solid-kledning enheter er kapillære svingninger ikke begrenset, slik at fiber veggene flytte og vibrerer. Fiber er konstruert av en høy likespenning (DC) spenning på flere tusen volt (kV) mellom to vannmagasinene som skaper en flytende vann tråd, kjent som et vann bridge. Gjennom valg av Mikropipetter er det mulig å styre maksimal diameter og lengde på fiber. Optisk fiber koblinger, på begge sider av bridge, aktivere det som en optisk waveguide, slik at forskere til å overvåke vann fiber kapillær kroppen bølgene gjennom overføring modulering og, derfor deducing endringer i overflatespenningen.
Co confining to viktige typer bølger, kapillære og elektromagnetisk, åpnes en ny bane forskning i samspillet mellom lys og væske-veggen enheter. Vann vegger Micro Devices er en million ganger mykere enn sine solide motparter, derfor å forbedre responsen til minutt styrker.
Introduction
Siden gjennombruddet av optiske fibre i kommunikasjon, tildelt Nobelprisen i 20091, vokste en rekke fiber-baserte programmer sammen. Nowadays, er fiber en nødvendighet i laser kirurgi2og sammenhengende X-ray generasjon3,4, guidet-lyd5 og supercontinuum6. Naturligvis, forskning på fiberoptikk utvidet ved faste stoffer i utnytte væske for optisk bølge guiding, der væskefylte microchannels og laminær strømning kombinerer egenskapene transport av en væske med fordelene med optisk avhør7,8,9. Men disse enhetene klemme væsken mellom faste stoffer, og derfor forby å uttrykke sin egen bølge karakter kjent som kapillær bølge.
Kapillær bølger, like de sett når kaste en stein i en dam, er en viktig bølge i naturen. Men på grunn av hindringer for å kontrollere en væske uten dempe overflaten gjennom kanaler eller faste stoffer, er de neppe utnyttet for gjenkjenning eller program. Derimot har enheten i denne protokollen ingen solid grenser; Det er omgitt av og flyter i luften, tillater, derfor kapillær bølger å utvikle, overføre, og samhandle med lys.
For å utvikle en vann fiber, er det nødvendig å gå tilbake til en teknikk kjent som flytende vann, først rapportert i 189310, hvor kanner fylt med destillert vann og koblet til en høy spenning kilde vil danne en fluidic, vann tråd-lignende forbindelsen mellom dem11. Vann broer kan nå opp til en lengde på 3 cm12 eller være så tynne som 20 nm13. Som for det fysiske opprinnelsen, har det vist at overflaten spenninger, samt dielektrisk styrker, er begge ansvarlig for gjennomføring broens vekt14,15,16. For å aktivere vann broen som en vann fiber, vi par lys med en adiabatically konisk silica fiber17,18 og ut med en silica fiber linse19. Slik enhet kan være vert akustisk, kapillære og optiske bølger, gjør det fordelaktig for flere bølge detektorer og lab-on-chip20,21,22 programmer.
Protocol
Representative Results
Discussion
For å konkludere, stor fordel og entydighet av denne teknikken er å skape en fiber som tilbyr tre forskjellige typer bølger: kapillær, akustisk og optisk. Alle tre bølger oscillerer i forskjellige regimer, åpne muligheten for flere bølge detektorer. Som et eksempel påvirker luftbårne nanopartikler overflatespenning av væsker. Allerede på nåværende stadium er det mulig å overvåke endringer i overflatespenningen gjennom variasjoner i kapillært eigenfrequency. I tillegg er vann vegger enheter en million gang…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av den israelske Ministry of Science, Technology & mellomrom; ICore: israelske Excellence center “Circle of Light” gi nr 1802/12, og av israelske Science Foundation gi nr 2013/15. Forfatterne takker Karen adø Tankus (KAT) for nyttig redigering.
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)
