Summary
이 프로토콜 설계 및 제조 물 다리와 물 광으로 정품 인증에 설명합니다. 실험 물 섬유의 모 세관 공명 광학 전송 조절 하는 방법을 보여 줍니다.
Abstract
이 보고서에는 광섬유 코어가 이루어집니다 물의 전적으로 피복은 공기, 설계 및 제조 하는 동안. 단단한 피복 장치와 모 세관 진동 제한, 이동 하 고 진동 섬유 벽을 허용 되지 않습니다. 섬유는 몇 천 볼트 (kV)의 높은 직류 (DC) 전압 두 물이 저수지 물 다리 라고 떠 있는 물 스레드를 만드는 사이 구성 됩니다. Micropipettes의 선택을 통해 최대 지름과 섬유의 길이 제어 가능 하다. 다리의 양쪽에서 광섬유 커플러는 광학도 파 관, 연구원 전송 변조를 통해 물 섬유 모 세관 몸 파도 모니터링 하 고, 따라서 표면 장력의 변화를 추론으로 그것을 활성화 합니다.
공동 수감 두 가지 중요 한 파 유형, 모 세관 및 전자기, 빛과 액체 벽 장치 간의 상호 작용에 연구의 새로운 경로 엽니다. 물 벽 렌 백만 번 따라 분 세력에 대 한 응답을 향상 시키는 고체 들 보다 부드럽고 있다.
Introduction
20091, 노벨상이 수 여 하는 통신에서 광섬유의 획기적인 이후 섬유 기반 응용 프로그램의 시리즈와 함께 성장 했다. 요즘, 섬유 레이저 수술2, 뿐만 아니라 일관 된 x 선 세대3,4, 가이드 소리5 및 supercontinuum6필요성이 있습니다. 당연히, 섬유 광학에 대 한 연구 어디 액체 가득 microchannels 및 층 류 결합 한 액체의 수송 속성 광학의 장점을 광 파 지도, 유체를 악용으로 솔리드를 활용 하 여에서 확장 심문7,,89. 그러나,이 소자 클램프 액체 고체 사이 고, 따라서, 모 세관 파로 알려진, 그것의 자신의 파 문자를 표현 하는 그것을 금지 하는 것.
모 세관 파 때, 연못에 돌을 던지고 그와 비슷한 자연에서 중요 한 파도가 있습니다. 그러나, 채널 또는 고체 표면 감쇄 없이 액체를 제어의 장애물 때문에 그들은 거의 탐지 또는 응용 프로그램에 대 한 활용 됩니다. 반면,이 프로토콜에 표시 하는 장치는 단단한 경계; 로 둘러싸여 고 흐름 수 있도록, 따라서 개발, 모 세관 파 공기 전파, 빛 상호 작용.
조작 물 섬유, 그것은 부동 물 다리 라고 하는 기술을 다시 갈 필요가 189310에서 처음 보고, 가득 두 비 커에 증류수 하 고 높은 전압 소스에 연결 됩니다 형성 유체, 물 스레드-처럼 그들 사이 연결11. 물 교량 3 cm12 의 길이까지 도달 하거나 20 nm13얇은 수 있습니다. 물리적 기원에 관해서는 그것은 보였다 유 전체 세력으로 표면 긴장 둘 다 들고 다리의 무게14,,1516에 대 한 책임. 활성화 물 섬유로 물 다리, 우리 부부는 adiabatically 테이퍼 실리 카 섬유17,18 로 빛 하 고 밖으로 실리 카 섬유 렌즈19. 이러한 장치는 음향, 모 세관, 및 광학 멀티 파 탐지기와 랩 온 칩20,,2122 응용 프로그램에 대 한 유리한 만드는 파도 호스팅할 수 있습니다.
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Protocol
주의:이 실험은 높은 전압을 작업이 포함 됩니다. 그것은 그들의 실험에 높은 전압을 켜기 전에 규정 다음과 같이 안전 당국 확인 리더의 책임입니다.
참고: 극 지 액체의 어떤 종류는 에탄올, 메탄올, 아세톤, 또는 물과 같은 액체 섬유를 생산 하기 위해 활용할 수 있습니다. 액체의 극성 안정성과 만든된 섬유23,24의 직경을 지시 한다. 최상의 결과 얻으려면 18 m ω 저항 이온된 수를 사용 합니다. 광섬유 등 광원, 광학 구성 요소를 선택 하기 전에 원하는 광학 파장에 물/액체 섬유에 낮은 흡수 되도록 문학을 참조 하십시오. 프로토콜 물 저수지 (4.5 단계)를 작성 하기 전에 어떤 주어진된 순간에 일시 중지 될 수 있습니다.
1. 준비 물 저수지와 실험 역의
- 그림 1에 따르면 피펫으로 및 고전압, 마그네틱 커넥터와 2 개의 poly(methyl methacrylate) (PMMA) 저수지를 제조 한다.
- 60 x 50 x 10 m m 크기에서에 2 개의 PMMA 판, 8 m m 깊이에 및 플레이트의 뒷면에 직경에서 7 mm의 구멍을 드릴. 커넥터 자석 구멍 안에 접착제.
- 모 세관 클램프에 대 한 45 x 10 x 2 mm PMMA의 줄무늬를 잘라 그리고 그것의 상단 측면에 두 개의 자석 접착제.
- 전기 커넥터, 금속 호 일의 작은 부분에 자석 포장 하 고 높은 전압 (HV) 소스에 악어 클램프와 전기적으로 연결. 저수지의 물 약 100-300 µ L를 개최. 저수지에 물과 유체 접촉에 래핑된 자석 놓습니다.
참고: 클램프 및 높은 전압에 대 한 선호, 마그네틱 커넥터를 사용 합니다. 만약에 가능 하다 면, 하지 마십시오 어떤 종류의 접착제를 사용 하 여 접착제의 많은 종류의 높은 전압 또는 전기 아크의 영향 아래 분해 하 고 물 섬유 안정성 또는 광학 품질을 감소는 클램프 또는 커넥터를 연결.
- 5도 자유 (DOF) 마이크로-포지셔닝 단계에 한 PMMA 저수지를 탑재 합니다.
- 철저 하 게 모든 커넥터 및 이온된 수 뒤 소 프로 파 놀 (스펙트럼 등급)와 영역을 청소. 질소와 함께 타격 건조. 커버는 PMMA 물 저수지와 어떤 누수를 방지 하려면 소계 (PTFE) 테이프 또는 물 떨어지는 모든 클램프.
- 위치는 광학 현미경 이미징에 대 한 설정입니다. 먼 필드 목표를 사용 하 여 (5 X, 0.14 나, 그리고 긴 물 섬유 및 20 X 34 mm WD, 0.42 나, 짧은 물 섬유에 대 한 20 mm WD 렌즈) 물 섬유의 HV 영역과 전기 전도성 현미경 설정 사이 원치 않는 접지를 피하기 위해.
- 그림 1에 따라 각 물 저수지 뒤에 선형 과도 적인 단계에 2 개의 광섬유 클램프를 설정 합니다. 각 섬유 커플러 다시 이동 하 여 (다음 섹션에서 설명)는 micropipette 내 앞으로 수 있어야 합니다.
2. Micropipettes 및 전압 선택
- micropipette의 내경 가공된 물 섬유의 최대 반지름을 보장합니다. 5 µ m 반경 물 섬유를 만들려면 150 µ m 내부 직경 펫, 125 µ m 직경 광섬유와 결합 하 여 사용 합니다. 두꺼운 (20-90 µ m) 및 더 이상 (800-1000 µ m) 물 섬유, 850 µ m의 내부 직경을 가진 micropipettes를 사용 합니다.
참고:으로 있는 규칙의 thumb, 최대 길이 최대 반경 25를 곱하여 추정 된다 물 섬유입니다. 자세한 내용은 표 1을 참조 하십시오.- 3 cm의 길이에 가장자리에 손으로 micropipette 휴식.
- 최대 110 µ m의 직경을 가진 물 섬유를 만들려고 적용 1.5 사이 2 개의 물 저수지 사이의 전압 kV 및 3 kV. 물 섬유 길이, 밀리미터까지 도달 적용 최대 8 kV. 그림 1 전기 배선 제안을 비교 합니다.
3입니다. 광 커플러의 준비
참고: 최고의 전송 결과 대 한 출력 커플러 (코어 > 100 µ m)으로 물 섬유와 높은 다중 모드 리플로우된 섬유 렌즈에 레이저 빛을 발사 하는 단일 모드 테이퍼 섬유를 사용 합니다. 그러나, 쉬운 가동을 위한 출력 커플러 (예를 들어 한 1550 nm 싱글 모드 섬유에 대 한 780 nm 파장)으로 낮은 다중 모드 광섬유를 사용 합니다.
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테이퍼 섬유 커플러의 제조
참고: 그림 2를 참조 하십시오.- 벌 거 벗은 섬유의 10-15 m m의 영역을 노출 하는 플라스틱 클 래 딩에서 섬유 스 트리 퍼와 780 nm 싱글 모드 섬유를 제거 합니다. 깨끗 하 고 섬세 한 작업으로 노출된 영역 아세톤과 함께에서 정리합니다. 그것은 가늘게 하기 전에 원하는 micropipette 통해 섬유를 전달 합니다. 테이퍼 1/20 보다 작은 기울기와 단일 모드 기준 아래 섬유.
- 동시에 양쪽에서 테이퍼를 당기면 0.06 m m/s에서 140 mL/min의 유량과 섬유를 가늘게 수소 화 염을 사용 합니다.
참고: 6 ~ 9 mm 사이 총 테이퍼 부분이입니다. 경우 섬유 단일 모드 기준에 도달 하기 전에 휴식, 수소 흐름 더 높은 요금을 조정 하거나 섬유 성화의 섹시 한 영역에 배치 합니다. 지역이 더 긴 경우 수소 흐름 속도 낮추거나 성화의 추운 지역에 섬유를 배치를 조정 합니다. - 불꽃을 끄고을 신중 하 게 그것의 얇은 자리에서 중단 될 때까지 섬유에 긴장을 증가. 이 테이퍼 섬유를 사용 하 여 입력된 커플러로.
주의: 테이퍼 섬유는 깨지기 쉬운 이다.
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섬유 렌즈 커플러의 제조
- 섬유 스 트리 퍼와 1550 nm 단일 모드 광섬유 팁을 제거 하 고 아세톤과 함께에서 섬세 한 작업 잎사귀와 노출된 영역을 청소. 선택 하 고 위에서 설명한 대로 피 펫을 준비 하 고 그것을 통해 섬유를 통과.
- 열 전기 융해 접착 구 또는 15 W 전력, 유리 섬유 끝 액체 되 고 섬유 렌즈 라고 약간 둥근된 모양을 형성 될 때까지 200 m m 렌즈를 통해 초점을 맞춘에서 CO2 레이저 팁.
4. 조립
- 아직 수행 하지, 원하는 micropipettes에 섬유 커플러를 삽입 합니다.
- 클램프는 micropipette, PMMA 저수지에 섬유 커플러와 함께 premanufactured, 자석 PMMA 클램프를 사용 하 여. micropipettes의 테이퍼 비 사이드 물이 저수지에 도달 해야. 선형 위치 단계에 섬유 커플러의 각을 클램프.
- 780 nm, 연속파, 섬유 결합 10 mW 레이저 소스와 섬유 렌즈 커플러 전력 측정기를 테이퍼 섬유 커플러를 연결 합니다. 물으로 저수지와 아무 기포는 micropipette에 붙어있는 것을 확인. 필요한 경우, 밀거나 광섬유 커플러 (3.1 단계에서 또는, 그에 따라, 3.2 단계에서)와 그들을 끌어.
참고:이 단계에서 광학 경로 다음 역은: 레이저 광원, 광섬유, (그리고이 섬유 통과) 선형 단계, 전기 연결, 물으로 채워진 micropipette 저수지에서 물에 섬유 클램프 광학 테이퍼 섬유 커플러, 여유 공간 (나중: 물 섬유), 섬유 렌즈 커플러 (지금 두 번째 섬유), 물, 전기 연결, 선형 단계, 그리고 마지막으로, 파워 미터에 섬유 클램프 물 저수지로 채워진 micropipette. - 설정에서 micropipettes 사이의 유체 접촉 하는 PMMA 물이 저수지의 자유의 5 degre 마운트를 조정 하 여 탑재 된 micropipettes의 끝을 연결 합니다. 광원, 파워 미터를 켭니다. 5-DOF PMMA 물 저수지 산의 도움으로 전송 해야 섬유 커플러를 조정 합니다.
참고: 적절 한 레이저 안전 장비를 사용 합니다. - 이상의 금속 호 일에 싸여 마그네틱 커넥터를 배치 하 여 물이 저수지와 높은 전압 전기 연결는 PMMA에 자석 대응 물 저수지와 금속 호 일을 악어 클램프를 연결. 전기 케이블 통해 악어 클램프 HV 소스 (그림 2a)에 연결 합니다.
5. 실험 실행
- 원하는 값을 전압을 증가. 매우 짧고 좁은 다리를 위한 출발점은 1.5 kV. 안정적인 다리 길이 더 100 µ m와 2.5-3 kV를 얻을 수 있습니다.
- (그림 2b 와 2c) micropipettes의 선택에 따라 원하는 길이 micropipettes 사이의 거리를 천천히 높입니다. 커플러 및 5-DOF 무대와 광학 전송 최적화 1 DOF 단계 펫을 조정 합니다.
- 전원 측정기에 측정을 복용 하 고 결합 아웃 레이저 파워에 결합에 비율을 복용 하 여 커플링 효율을 측정 합니다.
- 파워 미터 고 출력 광섬유 커플러에는 photoreceiver를 연결. 오실로스코프에는 photoreceiver를 연결 합니다. 전송 된 빛, 대표 하는 모 세관 물 섬유 진동의 시간 추적 측정 기록.
- 주파수 도메인에서 시간 추적 측정을 통해 빠른 푸리에 변환 변환 합니다. 모 세관 품질 계수를 받을 절반 최대에 가득 차 있는 폭에 중앙 주파수 인계.
참고: 주파수 지터에 대 한 확인을 스펙트로그램을 만듭니다. - 상위 뷰 현미경 설치를 사용 하 여 물 섬유의 기하학적 구조를 특징. 섬유 반경 물 섬유의 가장 얇은 부분에서 얻을 수 있습니다.
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Representative Results
높은 다중 상태 섬유에는 물 섬유에서 커플링 효율은 5425,26으로 높을 수 있다. 단일 모드 광섬유 커플링 효율 1225,26입니다. 물 섬유 직경에서 1.6 µ m로 얇은 수 46 µ m (그림 3)25,26의 길이 가질 수 또는 그들은 41 µ m (그림 3)25,26의 직경 길이 1.064 m m까지 될 수 있습니다. 전송 스펙트로그램 기타 문자열 (그림 4)25,26의 물 섬유의 모 세관 발진을 계시 한다. 모 세관 품질 요소는 긴 섬유25,2614로 높은 것으로 추산 했다. 물 교량에 이론, 고려 표면 장력 및 절연 성 힘25,26사이의 비율을 추정 가능 하다.
그림 1: 설정의 설계도. (한)이 그림 물 섬유 실험 설정입니다. (b)이이 스케치에는 물이 저수지, 전기 커넥터, 그리고 피 펫 클램프 보여 줍니다. (c)이이 패널 일반적인 고체에 비해 물 벽도 파 관 부드러움을 보여줍니다. 이 그림은 Douvidzon 그 외 여러분 에서 일부 재생 25 , 26. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 설정 사진. (한)이이 패널 PMMA 물이 저수지에 보여줍니다 5 DOF 마운트. PMMA 피펫은 클램프는 micropipette, 광섬유, 및 전기 커넥터 (b)이이 패널에서 micropipettes 사이의 유체 접촉 생성 됩니다 보여줍니다. (c)이이 패널에서 micropipettes 사이의 거리에 대 한 구축 물 섬유 증가 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 섬유 특성을 물. (한)이이 패널 표시 물 섬유 1 m m 보다 긴 합니다. 다음 두 개의 패널 미크론 규모 얇은 물 섬유, (c) 물 섬유 액체 단계 경계에 모 세관 파도 인해 표면 산란 (b)를 표시합니다. (d)이이 패널 빛 전파 물 섬유 볼륨 형광 염료 측정에 의해 확인을 통해 보여줍니다. 이 그림은 Douvidzon 그 외 여러분 에서 재현 25 , 26. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: 실험적으로 측정 물 섬유 "기타-문자열" 모드. (한)이이 패널 표시 시간 추적 측정 됩니다. (b)는 동요 스펙트럼 보여 기본 모드 고, 정수 곱셈, 그것의 3 개의 상 음 (대시 라인). (c)이이 패널 전압을 변경 하 고, 대응 하 게, 변화 하는 전압 첫 번째 상수와 섬유 직경으로 0.94 m m 긴 섬유의 변동 스펙트로그램을 보여줍니다 다음, 증가 하 고 마지막으로, 감소. 색상 코드 전송을 설명합니다. (d)이이 패널 이론적인 예측 (파선) 함께 섬유 직경 (원)의 기능으로는 섬유의 기본 주파수를 표시합니다. 수평 및 수직 오차 막대 중앙 주파수 및 그 해당 섬유 직경의 8 연속, 250-ms-떨어져 측정의 불확실성을 나타냅니다. 모든 패널에 대 한 섬유 길이 0.94 m m 하 고 진동 한 매칭으로 심문 광학은. 직경 측정 을 통해 현미경 이다입니다. 이 그림은 Douvidzon 그 외 여러분 에서 재현 25 , 26. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
| 물 섬유 | 피 펫의 내부 직경 | ||||
| 길이 [μ m] | Radius [μ m] | 잠재력 [V] | 테이퍼 측면 [μ m] | 렌즈 측면 [μ m] | |
| 그림 1b | 830 | 51 | 6000 | 850 | 850 |
| 그림 2a | 1064 | 20.5 | 6000 | 850 | 850 |
| 그림 2b | 46 | 1.6-0.8 | 1500 | 150 | 850 |
| 그림 2 c | 820 | 32.5 | 5000 | 850 | 850 |
| 그림 2d | 110 | 4.75 | 3000 | 150 | 150 |
| 그림 3 | 940 | 20-90 | 3000-8000 | 850 | 850 |
| 그림 4 | 24-73 | 2.7 월 3 | 2500 | 150 | 850 |
표 1: 섬유 길이 반지름 물. 이 표에서 물 섬유 길이 전기 잠재력 및 피 펫 직경 반지름을 보여 줍니다. 이 테이블은 Douvidzon, 외 에서 재현 25.
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Discussion
결론, 주요 장점과이 기술의 고유성 만드는 파도의 3 개의 다른 종류 있는 섬유: 모 세관, 음향, 및 광학. 모든 3 개의 파도 다른 정권에서 다 파 탐지기에 대 한 가능성을 열어 흔들 리 다. 예를 들어, 공 수 나노 입자는 액체의 표면 장력에 영향을. 이미 현재 단계에서 모 세관 eigenfrequency에서 변화를 통해 표면 장력의 변화를 모니터링이 가능 하다. 또한, 물-벽 장치는 백만 번 따라 센서의 감성 향상 고체 들 보다 부드럽고.
이 설정에 대 한 경험을 바탕으로, 우리 광 커플러의 품질과 신호 대 잡음 비율 높은 의존 것으로 나타났습니다. 따라서, 광 커플러의 제작에 세심 한 관심을 지불 하는 것이 좋습니다. 가늘게 역에 대 한 먼지 없는 환경을 보장 하기 위해 수족관 설치 및 물 섬유 설치를 고려 하십시오. 또한, 실험의 실행 파괴 또는 전기 아크를 통해 기계적으로 또는 테이퍼 섬유 커플러를 손상의 위험을 포함 한다. 이 경우, 광 전송 삭제 하 고 섬유의 모 세관 모드는 스펙트로그램에서 볼 수 없습니다 더 이상 같은 정도로 시끄러운 될 수 없습니다.
모 세관 파 전송 측정에 표시 되지 않는 경우는 커플러를 재생. 또한, 물 섬유와 광섬유 커플러 할 유치 하지 서로. 최적의 전송에 대 한 설정 조정 물 섬유를 기계적으로 눌러 물 섬유 내부 테이퍼 섬유 커플러를 약간 비스듬히 퍼 팅 하는 것을 요구할 수 있습니다.
알고 있어야이 설정의 또 다른 장애물은 물의 중요 한 전기 저항. 이온 액체에서의 작은 양의 다리 붕괴를 일으킬 것입니다. 물 섬유 짧은 경우와 안정 예상 보다 적게, 물의 오염 원인을 수 있습니다. 18 m ω 클린 룸 물에 물을 바꿉니다. 또한, 고전압 충전된 공기 입자를 물 섬유의 주변에 해산 하 고 불안정성을 끈다. 이 경우에, 닫힌된 챔버 물 섬유 장 수를 향상 도움이 됩니다.
이 설정의는 뛰어난 점은 이온된 수 생성 뿐만 아니라, 가장 긴, 가깝기, 가장 안정적인 물 섬유에 대 한 알려져 있지만 극 지 액체 액체 섬유를 만드는 데 이용 될 수 있다. 다른 응용 프로그램에 대 한 다른 액체를 고려 하는 것이 흥미롭습니다. 액체 또는 점성, 표면장력, 또는 광학 속성 피팅 극 지 액체의 혼합에 물을 전환 연구원은 그들의 요구에 정확 하 게 섬유를 트림 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
이 연구는 과학, 기술 및 공간;의 이스라엘 정부에 의해 지원 되었다 ICore: 이스라엘 우수 센터 ' 빛의 원형 ' 1802/12를 부여 하 고 이스라엘 과학 재단 부여 2013/15. 저자 카 렌 Adie Tankus (KAT) 감사 도움이 편집.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 | |
| 3 Degree 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
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