병렬 판 도파관 센서를 사용하여 Terahertz 마이크로 감지

요약

홈 붙이 병렬 판 도파관의 형상에 따라 terahertz 주파수에 대한 굴절률 센서를 구현하기위한 절차는 여기에 설명되어 있습니다. 방법은 도파관 구조의 공진 주파수의 변화의 모니터링을 통해 액체의 작은 볼륨의 굴절률의 측정을 산출

초록

굴절률 (RI) 감지는 interferometers 및 resonators ^1,2 가능한 센서 디자인의 다양한 범위의 마이크로 유체 샘플 식별, 감지 및 모니터링을위한 강력한 비 침투 및 레이블 - 무료 감지 기술입니다. 기존의 RI 대부분의 감지 응용 분야는 DNA의 하이브리드 및 게놈 시퀀싱 등의 표시 및 IR 주파수에서 수성 솔루션에 생물 재료에 초점을 맞 춥니 다. terahertz 주파수에서 응용 프로그램은 무극성 물질을 포함하는 산업 공정 및 감지 및 감지 응용 프로그램의 모니터링, 품질 관리 등이 있습니다.

terahertz 정권의 굴절률 센서에 대한 몇 가지 잠재적 인 디자인은 병렬 플레이트 waveguides ^5에 통합 된 광자 크리스탈 waveguides ^3, 비대칭 분할 링 resonators ⁴ 및 광자 밴드 갭 구조를 포함하여 존재합니다. 이러한 설계의 대부분은 이러한 고리와 같은 광학 resonators에 근거또는 충치. 이러한 구조의 공진 주파수는 공진기 또는 주변 재료의 굴절률에 따라 달라집니다. 공진 주파수의 변화를 모니터링하여 시료의 굴절률을 정확하게 측정 할 수 있으며,이 결과적으로는 등, 오염 또는 희석을 감시, 자료를 식별하는 데 사용할 수 있습니다

우리가 사용하는 센서 디자인은 간단한 병렬 판 도파관 ^6,7에 기반을두고 있습니다. 직사각형 홈이 공진 캐비티 (그림 1과 2)와 같은 하나의 얼굴 행위로 가공. terahertz 방사선이 낮은 순서 횡 방향 - 전기 (TE ₁₎ 모드에서 도파관과 전파에 결합 될 때, 그 결과는 그루브 ^6,8의 형상에 따라 달라집니다 조정할 공진 주파수와 하나의 강력한 공진 기능입니다. 이 홈은 liq의 양에 따라 달라 관찰 공진 주파수의 변화를 일으킬 무극성 액체 마이크로 유체 샘플로 가득 할 수 있습니다그루브와 굴절률 ⁹ UID.

프로 시저가 클린 룸 또는 특수 제조 또는 실험 기술을 필요없이 표준 실험실 장비를 수행 할 수 있기 때문에 우리의 기술은, 그 단순함에 모두 제조 및 구현의 다른 terahertz 기술에 비해 장점이 있습니다. 또한 쉽게 ^​​열 여러 그루브의 결합에 의해 멀티 채널 작동으로 확장 할 수 있습니다. 이 비디오에서 우리는 센서의 설계에서 데이터 분석 및 샘플 굴절률 결정까지 우리 전체 실험 절차를 설명합니다.

프로토콜

1. 센서 설계 및 제작

1. 하나 이상의 통합 충치 (또는 "홈")과 병렬 판 도파관을 디자인합니다. 도 1 및도 2를 참조하십시오. 기하학은 우리의 이전 출판물 ^8,9에 주어진 그에 따라 또는 특수 특정 응용 프로그램에 대한 설계 될 수있다. 다음과 같은 일반적인 원칙이 제안됩니다 :
   1. 판 간격 :이 실험에서 1mm의 판 간격이 특별한 광학 필요없이 TE1 모드로 효과적인 커플 링에 사용됩니다. 또한 관심의 주파수에서 단일 모드 전파를 보장합니다. 다른 판 spacings를 사용하는 경우, 다중 전파, 분산 및 커플 링 효율이 고려되어야한다.
   2. 스페이서 :이 플레이트 간격이 유전체 스페이서를 사용하여 유지됩니다. 매우 균일 한 두께가있는 유리 조각이 우수 스페이서를 - 우리의 경우, 우리는 파괴 현미경 슬라이드에서 파편을 사용하여 1mm + /의 두께가로 - 3 μm합니다.
   3. 판 크기 : 플레이트 자체가 입력 빔에 비해들은 무한으로 간주 될 수 있다는 충분한 폭해야합니다. (우리의 경우에는 1.2 cm 빔을위한 4.75 cm.) 각 판의 두께는 피부 깊이보다 훨씬 두꺼운이어야하며, 두꺼운 판 (> 1cm)은 도파관 위 또는 아래 통과 에너지의 가능성을 줄이기 위해 권장합니다 와 검출기에 도달. 전파 길이는 그루브가 적어도 두 번 거리 입력과 출력면에서 자신의 폭이지만, 분산을 줄이기 위해 최소화 충분히해야합니다.
   4. 하단 플레이트 기하학 : 홈 거의 확장하면서 (하지만 매우) 판의 전체 너비를 홈으로의 쉬운 접근을 허용하려면, 아래 도파관 판은 상단 플레이트보다 훨씬 넓은이어야합니다. (그림 1 참조)이 훨씬 쉽게 홈을 액세스하고 충전 수준을 모니터링 할 수 있습니다.
   5. 나사 : 상단 및 하단 플레이트는 모두 나사가 파도를 잡아 삽입 할 수 있도록 확장이그루브 또는 전파 경로 중 하나를 방해하지 않고 함께 안내. 위가없는 반면 (그림 1 참조) 하단 판의 구멍 스레드입니다.
   6. 캐비티 기하학 : 홈 설계는 다른 요인들, 원하는 공진 주파수, 원하는 라인 폭, 그리고 선택한 플레이트 간격에 따라 달라집니다. 매우 좁은거나 매우 얕은 홈에 대한 제조 기술의 한계를 고려하는 것이 중요합니다. 채널 감지를위한 다중 홈이 추가 요구 사항 ¹⁰ 있습니다.
   7. Ungrooved 버전 : 홈없이 모든면에서 동일 디자인도 참조로 사용하기 위해 제조 될 것입니다.
2. 도파관의 제조는 가공에 의해 수행 할 수 있습니다. 중요 : 특히 입력 얼굴에, 플레이트의 가장자리를 둔기하지 않습니다. 둥근 모서리는 안전을 이유로 많은 기계 상점에서 표준 연습이지만 입력 얼굴에 둥근 모서리가 신호를 왜곡합니다.
3. 조립절차. 두 개의 플레이트가 조작 된 후에, 그들은 도파관에 조립해야합니다.
   1. 2 개의 평평한 표면이 서로 수직으로 구조를 만들 L-브래킷 또는 다른 평면 객체를 사용합니다. 수평 표면에 바닥 판을 배치하고 수직 표면에 대한 플러시 키를 누릅니다. 가능한 한 나사 구멍 (나사 당, 각 측면에 하나) 가까이에 홈을 방해하거나 입력 얼굴 이상 연장하지 않도록주의하다고 유전체 스페이서를 배치합니다.
   2. 조심스럽게 수직 표면에 대해 상단 플레이트에 찬 물을 넣고 바닥 플레이트와 스페이서에 앉아 내려 밀어 넣습니다. 두 판은 수직 표면에 대한 플러시 나사를 삽입 있죠. 번갈아 패턴에 점차적으로 아래로 고정합니다. 이 절차를 완벽하게 평면 입력 얼굴과 균일 한 판 간격으로 도파관로 연결됩니다.

2. 실험 장치

이 프로토콜은 사용자 헥타르를 가정전송 - 기하학 terahertz 시간 도메인 분석기 (우리의 경우, Picometrix T-레이 4000 년)와 S 인터넷은 주파수 도메인으로 변환 시간 도메인 파형 및 푸리에를 취득 익숙합니다.

1. 공 촛점 구성. 이미 존재하지 않을 경우, 네 렌즈는 경로의 중간 지점에 단단히 초점을 제공하기 위해 공 촛점 방향으로 빔 경로에 소개가되어야 할 것입니다.
2. 초점에서 공을 놓으십시오. 개구는 도파관을 통해 전파를 제외하고에서 모든 방사선을 차단 할 수있을만큼 충분히 주어져야합니다. 조리개의 크기는 (우리의 경우, 12 ㎜) 도파관에 전파 빔의 크기를 결정합니다.
3. 장소는 공에 접촉 입력 얼굴과 광학 축 최대한 정렬 도파관 전파 축으로, 공 뒤에 즉시 도파관. 여기 정렬 중요합니다 - 반사, 컷오프 및 공진 주파수의 분산, 대안, 그리고 기타ssues는 도파관의 부적절한 정렬로 인해 발생할 수 있습니다. 반복적 인 배치를 위해 보안 홀더를 사용하십시오.
4. 주사기 소유자는 끝이 홈에 맞게 정렬되도록 장소에서 주사기를 가지고 구조를 가지고 유용합니다. 이렇게하면 당신 손에 주사기의 움직임으로 인해 충전의 실수의 가능성을 줄일 수 있습니다.

3. 샘플 준비

1. 절차를 청소 : 도파관을 분해. 실험에서 모든 잔류 물을 제거 할 적절한 용매에 완전히 도파관의 두 접시를 씻으십시오. 압축 공기로 건조 불어. 1.3에서와 같이 조립.
2. 주사 준비합니다. 최상의 결과를 얻으려면, 우리는 교차 오염을 방지하기 위해 각 재료에 대해 다른 주사기를 사용하는 것이 좋습니다. 이렇게 할 수없는 경우, 주사기도 같은 용매로 세척해야합니다.
3. 테스트 할 수있는 액체와 적절한 채우기 볼륨에 주사기를 채우십시오. 모든 거품을 제거하려고합니다.

4. 실험 절차

1. (2.3)에 설명 된대로 장치에 ungrooved 참조 도파관를 놓습니다. ungrooved 도파관의 기준 파형을 다음 제거합니다. 지금은 시간이 도메인 분광계 신호의 장기 안정성에 따라 각 실험 세션 동안 만 매일 몇 시간 한 번 필요합니다.
2. 장치에 깨끗한 홈 붙이 도파관를 놓고, 등 (2.3)에 설명
3. 빈 홈 붙이 도파관의 파형을보십시오. 참고 :이 작업은 도파관을 제거하고 청소 때마다 수행해야합니다. 분해 제거 과정과는 도파관의 형상에 아주 작은 변화로 이어질 수 있습니다. 이러한 변화는 빈과 채워진 그루브 아니라 관찰 된 변화의 절대 공진 주파수에 영향을 미칠 것이다; 따라서 각 "전체"측정은 변화를 계산하기 위해 자신의 "빈"참조가 필요합니다.
4. 도파관을 이동하지 않고, 홀더의 위치에 가득 주사기를 넣어. 천천히 유지, 그루브를 작성더 거품이나 오버 플로우와 함께 채우기 좋은 것을 감상하세요. (정확한 채우기 양을 결정하는 방법은 토론 섹션에 설명되어 있습니다.)가 다른 파형을보십시오.
5. 시스템이 하나 이상의 홈이있는 경우, 홈을 입력하고 원하는대로 파형을 복용 계속 진행합니다.
6. (3 단계에서와 같이) 도파관을 제거하고 청소하십시오.
7. 필요에 따라 여러 번으로 반복합니다. 최상의 결과를 얻으려면, 각 샘플에 대한 몇 가지 데이터 세트는 오류를 줄이기 위해 권장합니다.

5. 대표 결과

이러한 파형 데이터 분석은 간단하고 주파수 도메인으로 변환하기위한 실험의 일반적인 기법을 수행 할 수 있습니다. 이러한 그림 3에 주어진 것과 같은 주파수 스펙트럼이 발생할 것입니다. 이러한 그림 4와 같은 동력 전달 스펙트럼을 얻을 수있는 참조 파형으로 제곱하여 나눌 수 있습니다. 빈과 전체 waveguides의 resonances의 라인 폭 및 중앙 주파수는 m 수이 스펙트럼에서 easured, 또는 Lorentzian에서 꼭 맞는는 정확도를 높이기 위해 수행 할 수 있습니다.

액체에 의한 공진 변화는 단지 빈과 전체 waveguides에 대한 resonances의 관찰 중심 주파수의 차이입니다. 굴절률 측정이을 변환하려면 Shift 키와 RI 사이의 관계를 설립해야합니다. 이것은 알려진 인덱스의 샘플이 절차를 수행하거나, 계산 알려진 지수 ⁹ 또는 analytically 사용하는 샘플로 가득 그루브의 시뮬레이션 모드를 일치 기술 ⁸ 수행하면됩니다 실험적으로 수행 할 수 있습니다. RI 곡선 대 이동이 이루어지면, 알 수없는 샘플 RI 측정은 정확하게 수행 할 수 있습니다.

이 절차를 수행하는 동안 발생할 수있는 몇 가지 특정 오류가 있습니다. 거품 또는 그루브의 충전에 실수는 우리가 각 SA에 대해 여러 데이터 세트를 추천 이유있는 시끄러운 또는 잘못된 데이터가 발생할 수 있습니다자료를 mple. 오류의 또 다른 자주 소스 waveguides의 위치에 있습니다. 참조 및 센서 waveguides은 정확히 같은 정렬에 배치하는 경우, 모든 반사 또는 기타 유물은 모두 동일하고 전송 스펙트럼에서 나눕니다. 정렬이 약간 꺼져있는 경우, 반사 아웃 분할되지 않으며 공명은 (일부 작은 공명은 그림 4에서 볼 수 있습니다) 전송 스펙트럼에서 관찰됩니다. 는 데이터를 응시하는 것이 바람직하지 않을 경우, 그것은 반사가 나타나기 전에 시간 도메인 파형을 트리밍하여이 공명을 제거 할 수 있습니다, 그러나 이것은 크게 스펙트럼 해상도와 따라서 굴절률 해상도도 제한을 낮 춥니 다.

그림 1. 표시 관련 부품 도파관의 사진. 홈이 전자를 확장하지 않습니다ntire의 길이 또는 도파관과 구조의 폭이 장착 하드웨어 홈이나 방사선 전파의 경로를 방해하지 않습니다 있도록 설계되어 있습니다.

그림 2. 홈 붙이 도파관의 도식.

그림 3. 이 경우는 (a) 샘플 주파수 참조 도파관을위한 스펙트럼 (검은 색), 아니 액체 충진 (파란색)과 홈 붙이 도파관, 그리고 액체와 홈 붙이 도파관, tetradecane (빨간색). TE ₁ TE 세 전파 모드에 대한 컷오프 주파수가 표시되며, 같은 수증기 흡수 선입니다. 빈과 전체 홈 붙이 waveguides에 대한 resonances의 (B) Closeup이 있습니다.

빈과 전체 홈 붙이 waveguides에 대한 그림 4. 전원 전송 스펙트럼. 두 공진 기능 사이의 주파수 차이는 굴절률에 관한 공진 이동 (Δf)입니다.

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토론

이 테스트중인 액체의 굴절률은 폭 넓은 대역폭 만 캐비티 공진의 주파수에 있지 결정됩니다 것을 알아야한다. 이 작업은 몇 뚜렷한 장점이 있습니다. 우리의 측정 특성화 목적으로 광대역 terahertz 소스의 사용을 만들었습니다하지만 먼저, 하나는 제한된 주파수 tunability의 정도, 훨씬 적은 비용이있을 수 접근 방법과 함께 단일 주파수 THz 소스와 동등한 감지 시스템을 구축 할 수 더 컴팩트. 둘째, ...

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자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
시약의 이름	회사	카탈로그 번호	코멘트 (선택 사항)
10 μl 주사기	해밀턴	80,314	높은 정밀 주사기
액체 alkanes	Acros의 유기물		교정과 테스트를 위해 샘플
			특별한 장비는 필요하지 않습니다. 적합 시험 자료 및 용제가 실험의 재량에 남아 있습니다. 이 절차에 사용되는 고정밀 주사기는 아래 표에 나열되어 있습니다,하지만 실험을 향상 정확성에 대해 디지털 주사기를 포함한 다른 볼륨 또는 디자인의 주사기를 사용하실 수 있습니다. 이 실험에 사용 된 테스트 alkanes도 나와 있습니다.