Dieses Projekt wurde zum Teil von der National Science Foundation und von der Air Force Research Laboratory über die KONTAKT-Programm unterstützt.

Ein. Sensor-Design und Fertigung <ol><li> Entwerfen Sie eine Parallelplatten-Wellenleiter mit einem oder mehreren integrierten Hohlräume (oder &quot;Grooves&quot;). Siehe Abbildungen 1 und 2. Geometrie kann auf die in unserer früheren Veröffentlichungen 8,9 gegeben basieren oder speziell für die bestimmte Anwendung gestalten. Die folgenden allgemeinen Grundsätze vorgeschlagen: <ol><li> Platte-Abstand: In diesem Experiment wird ein Plattenabstand von 1mm ist für eine effektive Ankopplung an die TE1 Modus ohne die Notwendigkeit für spezielle Optik verwendet. Es stellt auch sicher Einmoden-Ausbreitung bei den Frequenzen von Interesse. Bei Verwendung anderer Plattenabstände sollte Mehrmodenausbreitung, Dispersion und Kopplungseffizienz berücksichtigt werden. </li><li> Abstandhalter: Diese Platte Abstand gehalten mit dielektrischen Abstandshalter. Kleine Stücke von Glas mit sehr gleichmäßiger Dicke bilden ausgezeichnete Abstandshalter - in unserem Fall verwenden wir Scherben aus einer zerrütteten Objektträger mit eine Dicke von 1 mm + / - 3 um. </li&gt; <li> Plattengröße: Die Platten selbst sollte breit genug sein, dass sie als unendliche werden im Vergleich zum einfallenden Strahl. (In unserem Fall 4,75 cm für eine 1,2 cm Breite.) Muss die Dicke jeder Platte viel dicker sein als die Eindringtiefe und dickere Platten (&gt; 1 cm) wird empfohlen, die Möglichkeit der Energie, die oberhalb oder unterhalb der Wellenleiter zu reduzieren und den Detektor erreicht. Ausbreitungslänge sollte ausreichen, dass die Nut wenigstens doppelt so groß ist seiner eigenen Breite vom Eingangs-und Ausgangsfläche, sondern minimiert werden, um Dispersion zu reduzieren. </li><li> Bodenplattenreinigung Geometrie: Um einen einfachen Zugang zu der Nut zu ermöglichen, wobei der Boden Wellenleiterplatte sollte deutlich breiter ist als die Oberplatte, während die Nut erstreckt sich fast (aber nicht ganz) die gesamte Breite der Platte. (Siehe Abbildung 1) Dies macht es viel einfacher, die Nut zugreifen und überwachen den Füllstand. </li><li> Schrauben: Obere und untere Platte haben eine Erweiterung, so dass Schrauben eingesetzt werden, um die Welle zu haltenFührung zusammen ohne Behinderung entweder die Vertiefungen oder die Ausbreitungspfad. (Siehe Abbildung 1) Die Löcher in der Bodenplatte sind mit Gewinde versehen, während top nicht. </li><li> Hohlraums Geometrie: Design für die Nut wird von der gewünschten Resonanzfrequenz, die gewünschte Linienbreite und der gewählten Plattenabstand hängt unter anderen Faktoren. Es ist wichtig, die Grenzen des Herstellungstechniken für sehr schmale oder sehr flache Nuten betrachten. Mehrere Nuten für Mehrkanal-sensing zusätzliche Anforderungen 10. </li><li> Ungenuteten Version: ein Design identisch in jeder Hinsicht ohne Nut sollte auch hergestellt werden, um sie als Referenz verwendet werden. </li></ol></li><li> Herstellung des Wellenleiters kann spanabhebend erfolgen. WICHTIG: nicht stumpf die Ränder der Platten, insbesondere auf den Eingang ins Gesicht. Abgerundete Kanten sind gängige Praxis in vielen Werkstätten aus Gründen der Sicherheit, sondern eine abgerundete Kante am Eingang Gesicht wird das Signal zu verzerren. </li><li> MontageVorgehensweise. Nachdem die beiden Platten haben hergestellt worden sind, sollten sie in den Wellenleiter montiert werden. <ol><li> Verwende eine L-Halterung oder anderen flachen Gegenständen, um eine Struktur mit zwei flachen Oberflächen senkrecht zueinander zu erstellen. Legen Sie die Bodenplatte auf der horizontalen Fläche und drücken Sie sie gegen die vertikale Fläche spülen. Zeigen die dielektrischen Abstandshalter als in der Nähe der Schraubenlöcher als möglich (zwei pro Schraube, eine auf jeder Seite), darauf achten, daß die Nut zu beeinträchtigen oder jenseits der Eingangsfläche erstrecken. </li><li> Vorsichtig die obere Platte bündig an der vertikalen Oberfläche und schieben es auf die auf der Bodenplatte und Abstandhalter sitzen. Halten beide Platten gegen den vertikalen bündig, legen Sie die Schrauben fest. Schrauben Sie sie schrittweise in einem abwechselnden Muster. Dieses Verfahren führt zu einem Wellenleiter mit einer perfekt ebenen Eintrittsfläche und einheitliche Plattenabstand. </li></ol></li></ol> 2. Versuchsaufbau Dieses Protokoll übernimmt den Benutzer has Zugang zu einem Übertragungs-Geometrie Terahertz Zeitbereichs-Spektrometer (in unserem Fall die Picometrix T-Ray 4.000) und kennt Erhalten Zeitbereichs-Wellenformen und zum Fourier-Transformieren der Frequenzbereichskoeffizienten. <ol><li> Konfokale Konfiguration. Sofern nicht bereits vorhanden, sollte vier Linsen in den Strahlengang bei einem konfokalen Ausrichtung eingeführt werden, um einen engen Fokus in der Mitte der Bahn bereitzustellen. </li><li> Zeigen eine Öffnung im Brennpunkt. Die Öffnung sollte groß genug sein, um alle Strahlung von Vermehrungsmaterial außer durch den Wellenleiter zu blockieren. Die Größe der Öffnung bestimmt die Strahlgröße in dem Wellenleiter ausbreitet (in unserem Fall 12 mm). </li><li> Wellenleiter Ort unmittelbar hinter der Öffnung, wobei der Eingang Fläche in Kontakt mit der Öffnung und mit dem Wellenleiter Ausbreitungsachse so eng wie möglich mit der optischen Achse ausgerichtet. Die Ausrichtung ist hier entscheidend - Reflexionen, Dispersion, Variation in den cut-off und Resonanzfrequenzen und anderen issues kann entstehen durch falsche Ausrichtung des Wellenleiters. Verwenden Sie ein sicheres Inhaber REPEATABLE PLACEMENT gewährleisten. </li><li> Spritzenhalter: Es ist nützlich, eine Struktur, die die Spritze in Position hält, so dass die Spitze mit der Nut ausgerichtet ist aufweisen. Auf diese Weise reduzieren Sie die Möglichkeit von Fehlern bei der Besetzung durch die Bewegung der Spritze in der Hand. </li></ol> 3. Probenvorbereitung <ol><li> Verfahren zur Reinigung: Zerlegen Sie den Wellenleiter. Waschen beide Platten des Wellenleiters gründlich in einem geeigneten Lösungsmittel, um Rückstände aus dem Experiment zu entfernen. Schlag mit Druckluft trocken. Wieder einbauen, wie in 1.3. </li><li> Spritze Vorbereitung. Für beste Ergebnisse empfehlen wir die Verwendung einer anderen Spritze für jedes Material, um eine Kreuzkontamination zu verhindern. Wenn dies nicht möglich ist, sollte die Spritze auch mit dem gleichen Lösungsmittel gereinigt werden. </li><li> Füllen Spritze geeigneten Füllvolumen mit der Flüssigkeit geprüft werden. Versuchen Sie, alle Luftblasen zu beseitigen. </li></ol><ol><li> Platzieren Sie die ungenuteten Bezugnahme Wellenleiter in der Apparatur wie in (2.3) beschrieben. Werfen Sie einen Referenzwellenform der ungenuteten Wellenleiter, dann entfernen. Dies ist nur dann notwendig, einmal alle paar Stunden während jeder experimentellen Sitzung in Abhängigkeit von der Langzeitstabilität des Spektrometers Zeitbereichs-Signal. </li><li> Platzieren sauberen Wellenleiter in genutet Vorrichtung, wie in (2.3) beschrieben </li><li> Nehmen Sie eine Wellenform für die leere gerillten Wellenleiter. Hinweis: Dies muss jedes Mal der Wellenleiter entfernt und gereinigt wird getan werden. Verfahren für die Entfernung und Demontage kann auf sehr kleine Schwankungen in der Geometrie des Wellenleiters führen. Diese Schwankungen wirken sich die absolute Resonanzfrequenz der leeren und gefüllten Nuten aber nicht die beobachtete Verschiebung; somit jeweils &quot;voll&quot; Messung erfordert eine eigene &quot;leer&quot; Bezug auf die Verschiebung zu berechnen. </li><li> Ohne Verschieben der WAVEGUIDE, legen Sie die gefüllte Spritze an Ort und Stelle in der Halterung. Langsam füllt die Nut haltenaufpassen, dass die Füllung gut ist, ohne Blasen oder Überlauf. (Wie wird die richtige Füllmenge bestimmen in der Diskussion Abschnitt beschrieben.) Nehmen wir ein anderes Signal. </li><li> Wenn das System mehr als eine Nut, weiterhin Füllnuten und unter Wellenformen wie gewünscht. </li><li> Entfernen Wellenleiter und reinigen (wie in Schritt 3). </li><li> Wiederholen so oft wie erforderlich. Für beste Ergebnisse werden mehrere Datensätze für jede Probe empfohlen, den Fehler zu verringern. </li></ol> 5. Repräsentative Ergebnisse Datenanalyse dieser Wellenformen ist unkompliziert und kann des Experimentators üblichen Techniken zur Transformation in den Frequenzbereich zu folgen. Frequenzspektren wie die in Abbildung 3 angegebenen resultieren sollte. Diese können quadriert und durch die Referenzsignal an die Macht Transmissionsspektren wie in Abbildung 4 zu erhalten aufgeteilt werden. Die Linienbreite und zentralen Frequenz der Signale für die leeren und vollen Wellenleiter m betrageneasured aus diesen Spektren oder Lorentz Passungen können durchgeführt werden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Resonanzstromwandler Verschiebung von der Flüssigkeit verursacht wird nur die Differenz zwischen den beobachteten mittleren Frequenzen der Signale für die leeren und vollen Wellenleitern. Um dies zu einem Brechungsindex-Messung umzuwandeln, muss die Beziehung zwischen der Verschiebung und der RI ermittelt werden. Dies kann experimentell, indem Sie diesen Vorgang mit Proben bekannter Index oder rechnerisch durch die Durchführung Simulationen der Nut mit Proben bekannter Index 9 oder analytisch mit gefüllten mode-Matching-Techniken 8 durchgeführt. Sobald eine Verschiebung vs RI-Kurve aufgebaut ist, kann RI Messungen unbekannter Proben genau durchgeführt werden. Es gibt ein paar bestimmte Fehler, die während dieser Prozedur auftreten können. Blasen oder Fehler in der Füllung der Nut kann in einer lauten oder falsche Daten führen, weshalb wir mehrere Datensätze für jeden sa empfehlenmPLE Material. Eine weitere häufige Fehlerquelle ist bei der Platzierung der Wellenleiter. Wenn die Referenz-und Sensor-Wellenleiter in genau der gleichen Ausrichtung angeordnet sind, werden alle Reflexionen oder andere Artefakte für beide gleich sein und unterteilen aus dem Transmissionsspektrum. Wenn die Ausrichtung leicht falsch ist, werden die Reflexionen nicht teilen heraus und wird in dem Klingeln Transmissionsspektren beobachtet werden (einige geringfügige Klingeln in 4 zu sehen). Wenn es nicht wünschenswert ist, um die Daten zurückzugewinnen, ist es möglich, das Klingeln durch Trimmen der Zeitbereichs-Wellenform vor der Reflexion erscheint eliminieren, aber dies verringert die spektrale Auflösung und damit der Brechungsindex Auflösung sowie begrenzt. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/4304/4304fig1.jpg" /> Abbildung 1. Photograph des Wellenleiters mit relevanten Teile markiert. Beachten Sie, dass die Nut verlängert nicht die entire Länge oder Breite des Wellenleiters und die Struktur ist so ausgelegt, dass die Befestigungsteile nicht behindern die Nut oder den Weg der Strahlungsausbreitung. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/4304/4304fig2.jpg" /> Abbildung 2. Schematische Darstellung des gerillten Wellenleiter. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/4304/4304fig3.jpg" /> Abbildung 3. (A) Proben Frequenzspektren für die Referenz-Wellenleiter (schwarz), die gerillte Wellenleiter ohne flüssige Füllung (blau), und der gerillte Wellenleiter mit Flüssigkeit, in diesem Fall Tetradecan (rot). Die Grenzfrequenzen für die TE 1, TE <samp>3</samp> Ausbreitungsmoden dargestellt sind, ebenso wie die Wasserdampf Absorptionslinien. (B) Nahaufnahme der Resonanzen für die leeren und vollen genuteten Wellenleitern. <img alt="Abbildung 4" src=&quot;/ Files/ftp_upload/4304/4304fig4.jpg&quot; /&gt; Abbildung 4. Kraftübertragung Spektren für die leere und volle gerillten Wellenleiter. Der Unterschied in der Frequenz zwischen den beiden Resonanz-Eigenschaften ist die Resonanzfrequenz-Verschiebung (Af), die auf den Brechungsindex betrifft.

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	<li>Kuswandi, B., Nuriman, ., Huskens, J., Verboom, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+sensing+systems+for+microfluidic+devices:+A+review.">Optical sensing systems for microfluidic devices: A review.</a> Ana. Chim. Acta. 601, 141-155 (2007).</li><li>Zhu, H., White, I. M., Suter, J. D., Zourob, M., Fan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrated+refractive+index+optical+ring+resonator+detector+for+capillary+electrophoresis.">Integrated refractive index optical ring resonator detector for capillary electrophoresis.</a> Anal. Chem. 79, 930-937 (2007).</li><li>Kurt, H., Citrin, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coupled-resonator+optical+waveguides+for+biochemical+sensing+of+nanoliter+volumes+of+analyte+in+the+terahertz+region.">Coupled-resonator optical waveguides for biochemical sensing of nanoliter volumes of analyte in the terahertz region.</a> Appl. Phys. Lett. 87, 241119 (2005).</li><li>Debus, C., Bolivar, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency+selective+surfaces+for+high+sensitivity+terahertz+sensing.">Frequency selective surfaces for high sensitivity terahertz sensing.</a> Appl. Phys. Lett. 91, 184102 (2007).</li><li>Harsha, S. S., Laman, N., Grischkowsky, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Q+terahertz+Bragg+rsonances+within+a+metal+parallel+plate+waveguide.">High-Q terahertz Bragg rsonances within a metal parallel plate waveguide.</a> Appl. Phys. Lett. 94, 091118 (2009).</li><li>Mendis, R., Mittleman, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+the+lowest-order+transverse-electric+(TE1)+and+transverse-magnetic+(TEM)+modes+of+the+parallel-plate+waveguide+for+terahertz+pulse+applications.">Comparison of the lowest-order transverse-electric (TE1) and transverse-magnetic (TEM) modes of the parallel-plate waveguide for terahertz pulse applications.</a> Optics Express. 17, 14839-14850 (2009).</li><li>Mendis, R., Mittleman, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+investigation+of+the+lowest-order+transverse-electric+(TE1)+mode+of+the+parallel-plate+waveguide+for+THz+pulse+propagation.">An investigation of the lowest-order transverse-electric (TE1) mode of the parallel-plate waveguide for THz pulse propagation.</a> JOSA B. 26, A6-A13 (2009).</li><li>Astley, V., McCracken, B., Mendis, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+rectangular+resonant+cavities+in+terahertz+parallel-plate+waveguides.">Analysis of rectangular resonant cavities in terahertz parallel-plate waveguides.</a> Opt. Lett. 36, 1452 (2011).</li><li>Mendis, R., Astley, V., Liu, J., Mittleman, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Terahertz+microfluidic+sensor+based+on+a+parallel-plate-waveguide+resonant+cavity.">Terahertz microfluidic sensor based on a parallel-plate-waveguide resonant cavity.</a> Appl. Phys. Lett. 95, 171113 (2009).</li><li>Astley, V., Reichel, K., Jones, J., Mendis, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Terahertz+multichannel+microfluidic+sensor+based+on+parallel-plate+waveguide+resonant+cavities.">Terahertz multichannel microfluidic sensor based on parallel-plate waveguide resonant cavities.</a> Appl. Phys. Lett. , (2012).</li></ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Brechungsindex der Flüssigkeit unter Test nur mit der Frequenz der Hohlraumresonanz bestimmt wird, nicht über eine große Bandbreite werden. Dies hat einige deutliche Vorteile. Erstens: Obwohl unsere Messungen Verwendung eines Breitband Terahertz-Quelle für die Charakterisierung Zwecke haben, könnte man auch einen entsprechenden Aufbau Erfassungssystem mit einer einzigen Frequenz THz-Quelle mit nur einem begrenzten Grad an Frequenzabstimmbarkeit, ein Ansatz, der wesentlich weniger...

<table border="1"><tbody><tr><td> Name des Reagenzes </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare (optional) </td></tr><tr><td> 10 &amp;mgr; l-Spritze </td><td> Hamilton </td><td> 80314 </td><td> Hohe Präzision Spritze </td></tr><tr><td> Flüssige Alkane </td><td> Acros Organics </td><td></td><td> Die Proben für die Kalibrierung und Prüfung </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Keine besondere Ausrüstung erforderlich. Geeignet Testmaterialien und Lösungsmittel sind dem Experimentator überlassen. Die Hochpräzisions-Spritzen in diesem Verfahren verwendet werden, in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt, aber der Experimentator möge Spritzen von einem anderen Volumen oder Designs, einschließlich digitaler Spritzen für verbesserte Genauigkeit nutzen. Die Test-Alkane in diesem Experiment verwendet werden ebenfalls aufgeführt. </td></tr></tbody></table>

terahertz microfluidic sensing using a parallel-plate waveguide sensor

Brechungsindex (RI) sensing ist ein leistungsstarkes nichtinvasive und Label-free-Sensing Technik für die Identifizierung, Erfassung und Überwachung von mikrofluidischen Proben mit einer breiten Palette von möglichen Sensor-Designs wie Interferometer und Resonatoren 1,2. Die meisten der vorhandenen RI Abfühlen Anwendungen auf biologischen Materialien fokussieren in wässrigen Lösungen im sichtbaren und IR-Frequenzen, wie DNA-Hybridisierung und Sequenzierung des Genoms. Bei Terahertz-Frequenzen gehören Anwendungen Qualitätskontrolle, Überwachung von industriellen Prozessen und Wahrnehmung und Erkennung Anwendungen mit unpolaren Materialien. Mehrere potenzielle Entwürfe für Brechungsindex Sensoren in der Terahertz-Regimes existieren, einschließlich photonischen Kristall Wellenleiter 3, asymmetrische Split-Ring-Resonatoren 4 und photonische Bandlücke Strukturen in Parallelplatten-Wellenleiter 5 integriert. Viele dieser Entwürfe basieren auf optischen Resonatoren wie Ringe basiertoder Hohlräumen. Die Resonanzfrequenzen dieser Strukturen sind abhängig vom Brechungsindex des Materials in oder um den Resonator. Durch die Überwachung der Verschiebungen der Resonanzfrequenz der Brechungsindex einer Probe genau gemessen werden kann und diese wiederum kann verwendet werden, um ein Material zu identifizieren, zu überwachen Kontamination oder Verdünnung, etc. werden Die Sensor-Design verwenden wir hier auf einem einfachen Parallel-Wellenleiter 6,7 basiert. Eine Rechtecknut maschinell in eine Fläche wirkt als Resonanzhohlraum (Abbildungen 1 und 2). Wenn Terahertz-Strahlung in den Wellenleiter und breitet sich in dem niedrigstwertigen transversalen-elektrischen (TE 1) Modus gekoppelt wird, ist das Ergebnis eine einzige starke Resonanzstruktur mit einem abstimmbaren Resonanzfrequenz aufweist, die abhängig von der Geometrie der Nut 6,8 ist. Diese Nut kann mit unpolaren Flüssigkeit mikrofluidischen Proben, die eine Verschiebung in der beobachteten Resonanzfrequenz, die von der Menge der liq hängt verursachen auszufüllenUID in der Nut und ihrem Brechungsindex 9. Unsere Technik hat einen Vorteil gegenüber anderen Techniken Terahertz in seiner Einfachheit sowohl in der Herstellung und Durchführung, da das Verfahren kann mit handelsüblichen Laborgeräten ohne die Notwendigkeit für einen Reinraum oder irgendeine spezielle Herstellungsverfahren oder experimentelle Techniken erreicht werden. Es kann auch einfach an Mehrkanalbetrieb werden durch den Einbau mehrerer Nuten 10 erweitert. In diesem Video werden wir beschreiben unsere komplette experimentelle Vorgehensweise, von der Konstruktion des Sensors an der Datenanalyse und Bestimmung der Probe Brechungsindex.

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Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Das Verfahren zur Durchführung einer Brechzahl Sensor zum Terahertzfrequenzen auf einem gerillten Parallelplatten-Wellenleiter-Geometrie basierend wird hier beschrieben. Das Verfahren ergibt eine Messung des Brechungsindex eines kleinen Volumens von Flüssigkeit durch Überwachung der Veränderung in der Resonanzfrequenz des Wellenleiterstruktur

Terahertz Microfluidic Sensing mit einem Parallel-Platte Waveguide Sensor

Refractive index (RI) sensing is a powerful noninvasive and label-free sensing technique for the identification, detection and monitoring of microfluidic ...

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10.7K Aufrufe.  Rice University. Das Verfahren zur Durchführung einer Brechzahl Sensor zum Terahertzfrequenzen auf einem gerillten Parallelplatten-Wellenleiter-Geometrie basierend wird hier beschrieben. Das Verfahren ergibt eine Messung des Brechungsindex eines kleinen Volumens von Flüssigkeit durch Überwachung der Veränderung in der Resonanzfrequenz des Wellenleiterstruktur

Serie: Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on photoconduction, which has been one of the most commonly used techniques for terahertz generation 1-8. Terahertz generation in a photoconductive emitter is achieved by pumping an ultrafast photoconductor with a pulsed or heterodyned laser illumination. The induced photocurrent, which follows the envelope of the pump laser, is routed to a terahertz radiating antenna connected to the photoconductor contact electrodes to generate terahertz radiation. Although the quantum efficiency of a photoconductive emitter can theoretically reach 100%, the relatively long transport path lengths of photo-generated carriers to the contact electrodes of conventional photoconductors have severely limited their quantum efficiency. Additionally, the carrier screening effect and thermal breakdown strictly limit the maximum output power of conventional photoconductive terahertz sources. To address the quantum efficiency limitations of conventional photoconductive terahertz emitters, we have developed a new photoconductive emitter concept which incorporates a plasmonic contact electrode configuration to offer high quantum-efficiency and ultrafast operation simultaneously. By using nano-scale plasmonic contact electrodes, we significantly reduce the average photo-generated carrier transport path to photoconductor contact electrodes compared to conventional photoconductors 9. Our method also allows increasing photoconductor active area without a considerable increase in the capacitive loading to the antenna, boosting the maximum terahertz radiation power by preventing the carrier screening effect and thermal breakdown at high optical pump powers. By incorporating plasmonic contact electrodes, we demonstrate enhancing the optical-to-terahertz power conversion efficiency of a conventional photoconductive terahertz emitter by a factor of 50 10.

We describe methods for the design, fabrication, and experimental characterization of plasmonic photoconductive emitters, which offer two orders of magnitude higher terahertz power levels compared to conventional photoconductive emitters.

Konstruktion, Fertigung und experimentelle Charakterisierung Plasmonic Photoconductive Terahertz-Emitter

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on ...

Forschung

Ingenieurwesen

How to Build a Vacuum Spring-transport Package for Spinning Rotor Gauges

The spinning rotor gauge (SRG) is a high-vacuum gauge often used as a secondary or transfer standard for vacuum pressures in the range of 1.0 x 10-4 Pa to 1.0 Pa. In this application, the SRGs are frequently transported to laboratories for calibration. Events can occur during transportation that change the rotor surface conditions, thus changing the calibration factor. To assure calibration stability, a spring-transport mechanism is often used to immobilize the rotor and keep it under vacuum during transport. It is also important to transport the spring-transport mechanism using packaging designed to minimize the risk of damage during shipping. In this manuscript, a detailed description is given on how to build a robust spring-transport mechanism and shipping container. Together these form a spring-transport package. The spring-transport package design was tested using drop-tests and the performance was found to be excellent. The present spring-transport mechanism design keeps the rotor immobilized when experiencing shocks of several hundred g (g = 9.8 m/sec2 and is the acceleration due to gravity), while the shipping container assures that the mechanism will not experience shocks greater than about 100 g during common shipping mishaps (as defined by industry standards).

Here we describe how to build a robust spring-transport mechanism for a spinning rotor gauge. This device securely immobilizes the rotor and keeps it under vacuum during transportation. We also describe packaging that minimizes the risk of damage during transport. Tests show our design works for typical shocks during transport.

Wie baue ich eine Vakuum-Frühling-Transport Paket für Spinnrotor Gauges

The spinning rotor gauge (SRG) is a high-vacuum gauge often used as a secondary or transfer standard for vacuum pressures in the range of 1.0 x 10-4 Pa to ...

Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials

Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterials (MMs) has been studied for gas, chemical, and biomolecular sensing applications because the SRR is not affected by environmental characteristics such as the temperature and pressure surrounding the resonator. Electromagnetic radiation in THz frequencies is biocompatible, which is a critical condition especially for the application of the biomolecular sensing. However, the quality factor (Q-factor) and frequency responses of traditional thin-film based split ring resonator (SRR) MMs are very low, which limits their sensitivities and selectivity as sensors. In this work, novel nanopillar-based SRR MMs, utilizing displacement current, are designed to enhance the Q-factor up to 450, which is around 45 times higher than that of traditional thin-film-based MMs. In addition to the enhanced Q-factor, the nanopillar-based MMs induce a larger frequency shifts (17 times compared to the shift obtained by the traditional thin-film based MMs). Because of the significantly enhanced Q-factors and frequency shifts as well as the property of biocompatible radiation, the THz nanopillar-based SRR are ideal MMs for the development of biomolecular sensors with high sensitivity and selectivity without inducing damage or distortion to biomaterials. A novel fabrication process has been demonstrated to build the nanopillar-based SRRs for displacement current mediated THz MMs. A two-step gold (Au) electroplating process and an atomic layer deposition (ALD) process are used to create sub-10 nm scale gaps between Au nanopillars. Since the ALD process is a conformal coating process, a uniform aluminum oxide (Al2O3) layer with nanometer-scale thickness can be achieved. By sequentially electroplating another Au thin film to fill the spaces between Al2O3 and Au, a close-packed Au-Al2O3-Au structure with nano-scale Al2O3 gaps can be fabricated. The size of the nano-gaps can be well defined by precisely controlling the deposition cycles of the ALD process, which has an accuracy of 0.1 nm.

A protocol for the design and fabrication of a novel nanopillar-based split ring resonator (SRR) is presented.

Die Herstellung von Nanopillar-Based Split-Ring-Resonatoren für Verschiebungsstrom Mediated Resonances in Terahertz Metamaterialien

Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterials (MMs) has been studied for gas, chemical, and biomolecular sensing applications because the SRR ...

Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode scanners. In classical optics, the intensity that can be brought to bear on a remote target is limited by the spot size of the laser at the distance of the target. This spot size has a lower bound determined by the diffraction limit of classical optics. However, amplified femtosecond laser pulses generate intensity sufficient to modify the refractive index of the ambient air and undergo self-focusing. This self-focusing effect leads to the generation of highly intense laser filaments which maintain their intensity and small sub-millimeter diameter size at distances well beyond the classical Rayleigh length. Such intensity provides the capability of remote scanning, imaging, sensing, and spectroscopy with enhanced spatial resolution. We describe a technique for generating filaments with a femtosecond regenerative chirped-pulse amplifier, and for using the resulting filament to conduct imaging and spectroscopic measurements at remote distances of at least several meters.

High-intensity femtosecond pulses of laser light can undergo cycles of Kerr self-focusing and plasma defocusing, propagating an intense sub-millimeter-diameter beam over long distances. We describe a technique for generating and using these filaments to perform remote imaging and sensing beyond the classical diffraction limits of linear optics.

Femtosekunden-Laser-Filamente für den Einsatz in Sub-Diffraction-Limited Bildgebung und Fernerkundung

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This FOSP relies on a silicon Fabry-Perot interferometer (FPI) attached to the fiber end, referred to as Si-FOSP in this work. The Si-FOSP generates an interferogram determined by the optical path length (OPL) of the silicon cavity. Measurand alters the OPL and thus shifts the interferogram. Due to the unique optical and thermal properties of the silicon material, this Si-FOSP exhibits an advantageous performance in terms of sensitivity and speed. Furthermore, the mature silicon fabrication industry endows the Si-FOSP with excellent reproducibility and low cost toward practical applications. Depending on the specific applications, either a low-finesse or high-finesse version will be utilized, and two different data demodulation methods will be adopted accordingly. Detailed protocols for fabricating both versions of the Si-FOSP will be provided. Three representative applications and their according results will be shown. The first one is a prototype underwater thermometer for profiling the ocean thermoclines, the second one is a flow meter to measure flow speed in the ocean, and the last one is a bolometer used for monitoring exhaust radiation from magnetically confined high-temperature plasma.

This work reports an innovative silicon-tipped fiber-optic sensing platform (Si-FOSP) for high-resolution and fast-response measurement of a variety of physical parameters, such as temperature, flow, and radiation. Applications of this Si-FOSP span from oceanographic research, mechanical industry, to fusion energy research.

Eine Silizium-bestückte Glasfaser-Sensing-Plattform mit hoher Auflösung und schnelle Reaktion

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...

Terahertz Imaging and Characterization Protocol for Freshly Excised Breast Cancer Tumors

This manuscript presents a protocol to handle, characterize, and image freshly excised human breast tumors using pulsed terahertz imaging and spectroscopy techniques. The protocol involves terahertz transmission mode at normal incidence and terahertz reflection mode at an oblique angle of 30&#176;. The collected experimental data represent time domain pulses of the electric field. The terahertz electric field signal transmitted through a fixed point on the excised tissue is processed, through an analytical model, to extract the refractive index and absorption coefficient of the tissue. Utilizing a stepper motor scanner, the terahertz emitted pulse is reflected from each pixel on the tumor providing a planar image of different tissue regions. The image can be presented in time or frequency domain. Furthermore, the extracted data of the refractive index and absorption coefficient at each pixel are utilized to provide a tomographic terahertz image of the tumor. The protocol demonstrates clear differentiation between cancerous and healthy tissues. On the other hand, not adhering to the protocol can result in noisy or inaccurate images due to the presence of air bubbles and fluid remains on the tumor surface. The protocol provides a method for surgical margins assessment of breast tumors.

Freshly excised human breast cancer tumors are characterized with terahertz spectroscopy and imaging following fresh tissue handling protocols. Tissue positioning is taken into consideration to enable effective characterization while providing analysis in a timely manner for future intraoperative applications.

This manuscript presents a protocol to handle, characterize, and image freshly excised human breast tumors using pulsed terahertz imaging and spectroscopy ...

Measuring Sub-23 Nanometer Real Driving Particle Number Emissions Using the Portable DownToTen Sampling System

The current particle size threshold of the European Particle Number (PN) emission standards is 23 nm. This threshold could change because future combustion engine vehicle technology may emit large amounts of sub-23 nm particles. The Horizon 2020 funded project DownToTen (DTT) developed a sampling and measurement method to characterize particle emissions in this currently unregulated size range. A PN measurement system was developed based on an extensive review of the literature and laboratory experiments testing a variety of PN measurement and sampling approaches. The measurement system developed is characterized by high particle penetration and versatility, which enables the assessment of primary particles, delayed primary particles, and secondary aerosols, starting from a few nanometers in diameter. This paper provides instruction on how to install and operate this Portable Emission Measurement System (PEMS) for Real Drive Emissions (RDE) measurements and assess particle number emissions below the current legislative limit of 23 nm.

Presented here is the DownToTen (DTT) portable emission measurement system to assess real driving automotive emissions of sub-23 nm particles.

Messung der realen Partikelzahlemissionen von Sub-23 Nanometern mit dem tragbaren DowntoTen-Probenahmesystem

The current particle size threshold of the European Particle Number (PN) emission standards is 23 nm. This threshold could change because future ...

Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation

In this study, methods for the mechanoluminescent (ML) visualization of crack propagation and mechanical behavior to evaluate adhesive joints are demonstrated and explained. The first step involved sample preparation; an air spray was used to apply ML paint to the surface of the adhesive joint specimens. The performance of the ML sensor was described to examine the measurement conditions. The results of ML sensing during a double cantilever beam (DCB) test and a lap-shear (LS) test are demonstrated as these are the most frequently and widely used methods for evaluating adhesives. Originally, it was difficult to directly quantify the crack tip and strain/stress distribution and concentration because the crack tip was too small, and the effects of the strain could not be observed. The mechanoluminescence, crack propagation, and mechanical behavior during mechanical testing can be visualized via the ML pattern during the adhesive evaluation. This allows for the recognition of the precise position of the crack tips and other mechanical behaviors related to structural failure.

In this study, a protocol is presented that describes the use of mechanoluminescent (ML) visualization for monitoring crack propagation and mechanical behavior during adhesive joint evaluation testing.

Mechanolumineszierende Visualisierung der Rissausbreitung zur gemeinsamen Bewertung

In this study, methods for the mechanoluminescent (ML) visualization of crack propagation and mechanical behavior to evaluate adhesive joints are ...

Fabrication of a Fabry-P&#233;rot Etalon for Application in Trace-Gas Spectroscopy

Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-P&#233;rot Etalon

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are used for their high sensitivity as well as their exceptional filtering capability. However, air-spaced etalons with high finesse are usually built by specialized facilities. Their production requires a clean room, special glass handling, and coating machinery, meaning commercially available FPEs are sold for a high price. In this article, a new and cost-effective method to fabricate fiber-coupled FPEs with standard photonic laboratory equipment is presented. The protocol should serve as a step-by-step guide for the construction and characterization of these FPEs. We hope this&#160;will enable researchers to conduct fast and cost-effective prototyping of FPEs for various fields of application. The FPE, as presented here, is used for spectroscopic applications. As shown in the representative results section via proof of principle measurements of water vapor in ambient air, this FPE has a finesse of 15, which is sufficient for the photothermal detection of trace concentrations of gases.

Author Spotlight: Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-P&#233;rot Etalon  

This protocol describes the construction of a low-cost, discrete, fiber-coupled, and air-spaced Fabry-Perot etalon with various applications, such as in trace-gas spectroscopy. The fabrication is possible in any facility with standard optical laboratory equipment available.

Herstellung eines kostengünstigen, fasergekoppelten Fabry-Pérot-Etalons mit Luftspalt

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are ...

Mikrofluidische kanalbasierte weiche Elektroden für die kapazitive Druckmessung

Microfluidic Channel-Based Soft Electrodes and Their Application in Capacitive Pressure Sensing

Flexible and stretchable electrodes are essential components in soft artificial sensory systems. Despite recent advances in flexible electronics, most electrodes are either restricted by the patterning resolution or the capability of inkjet printing with high-viscosity super-elastic materials. In this paper, we present a simple strategy to fabricate microchannel-based stretchable composite electrodes, which can be achieved by scraping elastic conductive polymer composites (ECPCs) into lithographically embossed microfluidic channels. The ECPCs were prepared by a volatile solvent evaporation method, which achieves a uniform dispersion of carbon nanotubes (CNTs) in a polydimethylsiloxane (PDMS) matrix. Compared to conventional fabrication methods, the proposed technique can facilitate the rapid fabrication of well-defined stretchable electrodes with high-viscosity slurry. Since the electrodes in this work were made up of all-elastomeric materials, strong interlinks can be formed between the ECPCs-based electrodes and the PDMS-based substrate at the interfaces of the microchannel walls, which allows the electrodes to exhibit mechanical robustness under high tensile strains. In addition, the mechanical-electric response of the electrodes was also systematically studied. Finally, a soft pressure sensor was developed by combining a dielectric silicone foam and an interdigitated electrodes (IDE) layer, and this demonstrated great potential for pressure sensors in soft robotic tactile sensing applications.

Autor im Fokus: Mikrofluidische kanalbasierte weiche Elektroden und ihre Anwendung in der kapazitiven Druckmessung  

Flexible electrodes have a wide range of applications in soft robotics and wearable electronics. The present protocol demonstrates a new strategy to fabricate highly stretchable electrodes with high resolution via lithographically defined microfluidic channels, which paves the way for future high-performance soft pressure sensors.

Mikrofluidische kanalbasierte Weichelektroden und ihre Anwendung in der kapazitiven Druckmessung

Flexible and stretchable electrodes are essential components in soft artificial sensory systems. Despite recent advances in flexible electronics, most ...