Nanodetection에 대한 참조 간섭계의 구현

요약

nanodetection 대​​한 바람직하지 않은 레이저 지터 노이즈를 제거하도록 설계 기준 간섭계 기술은, 매우 높은 품질 계수의 마이크로 공동 프로빙에 이용된다. 어셈블리, 설정 및 데이터 수집을위한 지침은 캐비티 품질 계수를 특정하기위한 측정 과정과 함께 제공된다.

초록

초고 품질 인자 마이크로 공동 검사에 적합한 열적 및 기계적으로 안정화 된 광섬유 간섭계는 구식된다. 그 자유 스펙트럼 범위 (FSR)를 평가 한 후에, 모듈은 광섬유 테이퍼 마이크로 공동 시스템과 병렬로 넣을 후 레이저의 주파수 (즉, 레이저 지터 노이즈)에 랜덤 시프트를 분리 및 제거를 통해 교정. 테이퍼 마이크로 공동 접합을 실현하고, 공진기에 전달되어 광 전력을 최대화하기 위해, 단일 모드 광섬유 도파로가 당겨진다. 폴리스티렌 나노 비드를 함유하는 용액을 제조하고이어서 마이크로 공동의 표면에 결합 감지하는 시스템의 능력을 입증하기 위해 마이크로 공동으로 유입된다. 데이터는 고해상도 품질 계수의 측정뿐만 아니라 공진 파장 분할 주파수 시프트와 같은 시간 의존적 파라미터의 플로팅을 허용 적응 커브 피팅을 통해 사후 처리된다. 정중하게시간 영역 응답 단계를 검사하고 주파수 - 도메인 응답하여 변속이 악기는 이산 바인딩 이벤트를 정량화 할 수있다.

서문

연구 분야는 nanodetection와 ^1-8 바이오 센서의 목적을 위해 속삭이는 갤러리 모드 (WGM) 마이크로 공동의 사용에 크게 상승했다. 이것은 매우 높은 품질 계수 (Q) 단일 단백질 ^수준이 아래로 조금만 생물학적 입자를 식별하는 능숙 광학 공동을 포함한다. 즉, 특별한 감도 전송 ^{9-11 작은} 모드 볼륨에서 빛 에너지의 공동의 제한으로 활성화 할 수 있습니다에 대한 공진 및 분할 주파수의 변화를 모니터링합니다. 공진기의 광학적 성질의 변화는 다시 개별 분자 또는 나노 입자의 결합에서 발생한 이러한 변화의 원인이다. 이러한 응용을위한 3 차원 구조의 WGM 덜 정교한 예는 단순히 CO ₂ 레이저를 사용하여 그려진 광파이버를 절제하여 원자 적으로 매끄러운 표면 근처로 제조 될 수있는 실리카 마이크로 스피어이다. 공지 된 바와 같이,10 ^(9)의 순서에 높은 Q-요인은 ^1을 획득 할 수있다.

마이크로 공동의 공진 주파수는 종래 동시에 오실로스코프 포착 광전송을 수광하면서 가변 레이저 광원의 광 주파수를 스​​캐닝함으로써 모니터링된다. 이 기술의 고유의 단점은 레이저 파장 레이저 지터 변동에서 발생하는 전송에서 방울의 위치와 관련된 불확실성이다. 이러한 복잡화를 극복하기 위해, 간섭계는 레이저 지터를 취소하고 관찰 ^{민감성이 증가하는} 기준 신호를 생성하는 마이크로 공동과 함께 사용될 수있다. (측정 중에 하나 지난 FSR 주파수 간격을 터링으로부터 레이저를 방지하기에 충분히 큰 자유 스펙트럼 범위 또는 FSR)와 간섭계 int는 검출 빔 통과 참조광 : 광 입력은 두 개의 광로로 분할WGM의 마이크로 공진기와 eracts. 이 기능은 분산 피드백 레이저 ​​(DFB)의 조합 주기적으로 분극 니오브 산 리튬 (PPLN) ¹² 더블을 수반 WGM 감지의 같은 고급 구성을 비교 실험을 간소화합니다. 이 책에서, 나노 물질의 매우 높은 품질 계수의 마이크로 공동 기반 모니터링을위한 간섭계 기술은 ^3을 설명한다. 이것을 달성하는 데 필요한 셋업 및 데이터 수집 절차는 캐비티 품질 계수는 참고 간섭 법을 통해 결정될 수있는 방법을 보여주는 나와있다.

프로토콜

1. 참조 간섭계 건설 및 FSR 측정

1. 공사
   1. 열린 정상 아크릴 상자를 만듭니다. 이 구조는 스티로폼 상자에 X 16 X 16 (16)에 꼭 맞게 할 수있을만큼 충분히 커야합니다.
   2. 열린 정상 아크릴 상자에 앉을 완전히 단열 용 스티로폼 상자로 묶어야합니다 광학 부품, 집에 3 단 선반 장치를 제작합니다. 스티로폼 상자에 두 개의 구멍이 높은 섬유는 전체 인클로저를 입력하고 종료 할 수 있도록 있어야합니다.
   3. 제 ^{3 단계에서} : 3dB 방향성 결합기에서 하나의 출력 섬유 차례로 별도의 3dB 방향성 결합기의 입력 포트로 연결 편광 제어기에 고정되어야한다.
   4. 2 ^{차 단계에서} : 첫 번째 3dB 방향성 커플러의 다른 출력 포트에서 발생하는 광섬유의 약 16피트와 루프를 형성합니다. 의 나머지 입력 포트에이 섬유를 직접제 ^{3 단계에} econd 3dB 방향성 커플러.
   5. 빙조를 멋지게로서, 50 %의 액체 물과 혼합 50 % 빙수로 아크릴 상자를 기입하고 따라서 0 ° C. 가까운 광학 부품의 온도를 유지
2. FSR 측정
   1. 원하는 파장에서 프로브 레이저를 설정합니다. 그 출력은 3dB 전력 스플리터에 연결되도록 함수 발생기를 이용한다. 3dB 스플리터로부터 출력 중 하나가 모니터링 목적을 위해 오실로스코프에 연결되어야하고, 다른 출력은 직접 튜닝 레이저의 주파수를 사용할 수있다.
   2. ¹ 차 3dB 방향성 결합기의 입력으로 레이저 출력을 공급.
   3. 2 ^차 3dB 방향성 결합기의 두 가지 출력은 밸런스 광 검출기 (BPD)에 photomixed 신호를 전달한다. 마지막으로, 오실로스코프의 채널 입력에 BPD의 출력 케이블을 연결합니다.
   4. 선형 Suppl에 의해, 레이저 주파수를 스​​캔(1 V, 100 Hz에서의 주사 주파수의 피크 - 피크 전압) 파형 발생기에서 생성 된 램프 신호와 레이저 모듈을 잉. BPD로부터의 출력 신호는 오실로스코프 정현파해질 것이다.
   5. 튜닝 편광 제어기를 정현파의 피크 - 피크 전압을 최대화 시키.
   6. , FSR을 측정 DC 모드로 파형 발생기를 설정하여 연속파 레이저 출력을 설정한다. 튜닝 파형 발생기 전압 BPD로부터 송신 된 신호는 주변 0 V (예. 직교 포인트) 변동되도록. 전기 스펙트럼 분석기를 사용하여 출력 신호를 검사한다. 모니터 신호는 글로벌 최대 (제로 주파수에서) 가장 가까운 첫 번째 제로의 위치가 FSR에 해당하는 SINC 제곱 함수로 나타납니다. 측정 잡음을 최소화하기 위해, 평균화 모드로 전기 스펙트럼 분석기를 설정한다.

2. 섬유 ^(13)를 당기면

프리앰블이 절차의 목적은 약 효율적인 결합이 발생할 수 있도록 마이크로 공동들에 테이퍼에 여행하는 광자의 위상과 일치하는 것이다. 섬유가 당겨질 때, 두 클램프 사이에 놓여 중앙부는 클래드되는 코어와 공기되는 일본어 실리카 클래딩에 의해 형성된 도파관 내에서 여러 형태로, 일반 섬유 안에서 하나의 모드를 지원으로부터 천이 한 것 단일 모드. 만족 다중 전파 상태가 섬유 직경의 지속적인 수축에 의해 상쇄 될 것이다 일시적 상기 섬유의 실리카 코어는 실질적으로, 중앙 섹션에 사라질 것이다.

1. 전동 번역 단계로 섬유 홀더를 고정합니다.
2. 각 섹션의 한 쪽 끝에서 FC / APC 커넥터가있는 광섬유의 두 섹션을 Connectorize. 섬유 스트리퍼와 연결되지 않은 끝에서 버퍼 코팅 제거를 먼저 아세톤으로 청소하고 일이소프로판올 욕실, 최종면을 절단하고, 융합 철사를 이어라.
3. 테이퍼의 손실을 모니터링 섬유의 타단은 광 검출기 (PD)에 접속되어 광섬유의 일단에 정 전력 모드에서 레이저 프로브를 연결한다. PD의 출력은 오실로스코프에 연결되어 있어야합니다. 전송 된 레이저 출력에 비례하는 PD의 출력 전압을 측정하는대로 오실로스코프 설정을 조정합니다.
4. PD의 출력 전압의 초기 값을 기록하고, 단계 2.9까지 계속 모니터.
5. 광섬유 홀더 및 화상을 광학 현미경으로 섬유 파이버 클램프.
6. 그것은 공기가 튜브를 종료하고 안정 채널의 압력을 기다리고, 테이퍼 근처에 흐르기 시작하도록 수소를 방출. 수소 가스 유량은 110 ㎖ / 분에 도달하면, 광섬유를 가열 라이터 출구 근처에서 발화.
7. 사용자 정의 LabVIEW 프로그램을 사용하면, 선형 섬유를 잡아 당깁니다. PU 동안 그 주체류 클래딩 모드 광섬유 테이퍼 부 통해 광을 안내하기에 지배적 동안 lling 프로세스는, 광섬유 코어가 점차 사라진다. 광섬유를 통해 전송되는 강도는 다중 모드 간섭으로 인해 진동한다.
8. 그것은 오직 하나의 클래딩 모드를 지원까지 섬유 테이퍼 폭을 줄이기 위해 섬유를 당기는 계속. 전송 강도가 달라질 중단되면 섬유를 당기는 중지합니다.
9. 번역 단계에서 섬유 홀더를 해제하고 압전 무대 근처에 고정합니다.

3. 준비 및 솔루션 납품

1. 오후 10시 오후 1시, 그리고 둘 베코 인산염 완충 생리 식염수 (DPBS)에서 50 나노 미터 반경 단 분산 폴리스티렌 마이크로 구성된 100 FM 솔루션을 준비합니다. 또한, 순수 DPBS 솔루션을 만들 수 있습니다.
2. , 원심 분리기에 솔루션을 놓고 균형을 위해 그 안에서 자신의 위치를​​ 엇갈리게하고, 30 분 회전주기를 시작합니다.
3. completio시N, 안전하게, 데시 케이 터에 솔루션을 배치 해 대피하고, 30 분 동안 초음파와 솔루션을 도배.
4. 솔루션을 제거하고 실험 설정 가까이에 따로 설정합니다.
5. 작은 유체 전달 시스템에 대한 독립을 구축 할 수 있습니다.
   1. 두 개의 깃봉을 청소하면, 미세 소관 세그먼트의 양쪽에 주사기 팁을 삽입하고 주사기 팁에 페룰에 나사. 개별적으로 세 번째 주사기 팁에 페룰 중 하나를 연결하고 루어에, 다른 하나는 배럴 플런저 어셈블리의 피팅 잠급니다.
   2. 스탠드에 노출 된 주사기의 끝을 고정하고 샘플 뒤에 그것을 소품. 유체는 상당한 유출하지 않고 샘플에 흐를 수 있어야합니다.
6. 의정서의 제 5의 측면에서 적절한 솔루션 배럴을로드하고 직접 실험하는 동안 미세 유체 시스템을 통해 주입한다.

4. 시스템 구성 및 상호 연결

1. 프로브 LASE 연결 10dB 방향성 커플러에 대한 연구. 송신 포트는 테이퍼 섬유이어서 편광 제어기에 연결되어있는 동안 연결 포트는 참조 간섭계의 입력 포트에 접속된다.
2. 섬유 테이퍼의 두 선명한 이미지를 얻기 위해 현미경 목표를 집중할.
3. PD에 테이퍼 섬유의 출력을 연결합니다. 이 PD의 출력은 오실로스코프의 다른 채널의 입력에 연결해야합니다.
4. 나노 위치에 샘플을 장착하고 섬유 테이퍼의 중심에 근접되도록 그것을 변위 거친 조정을합니다.
5. 샘플 DPBS를 주입. 거친 조정 등의 섬유 테이퍼는 두 개의 CCD 카메라의 뷰에 제공 있는지 확인합니다. 마이크로 공동으로 섬유 테이퍼에서 커플 링을 설정하는 나노 위치를 조정합니다.
6. 오실로스코프의 적절한 공명 수영을 얻기 위해 레이저 파장을 스캔합니다.

5. 나노 입자 검출

ontent "> 데이터를 수집하려면, 집에서 만든 소프트웨어를 사용하여 오실로스코프의 트리거 설정을 구성하고 추가 처리를 위해 오실로스코프 트레이스를 수집합니다.

1. 참고로 버퍼 용액에 대한 데이터를 기록한다.
2. 낮은에서 높은 농도의 나노 입자 솔루션에 대한 데이터를 기록합니다.
3. 마이크로 공동의 결합에 의한 나노 입자에 일어나는 주파수의 변화를 관찰한다.

데이터의 6. 사후 처리

수집 된 데이터는 상기 자기 기록 MATLAB 프로그램에 의해 처리 될 수있다. 이 프로그램은해야한다 :

1. 기준 간섭계의 흔적을 읽고 사인 곡선에 최소 자승법을 실시하고 있습니다. 장착 정현파의 위상은 즉석에서 레이저 지터를 추정하는 데 사용됩니다.
2. 공동 전송 흔적을 읽고 두 번 로렌츠 함수에 최소 자승법을 실시하고 있습니다. 광 주파수는, ₁ ν (공진 딥에 해당하는ν ₂₎ 및 δν _1로 표시 반값 (FWHM의, 그들의 전체 폭, δν _2)가 간섭계 신호와 송신 신호를 비교함으로써 결정된다.
3. 내가 1 (왼쪽 공명) 또는 2 (오른쪽 공명)이 될 수 있습니다 Q _전 = ν _I / δν _전에서 각각의 딥의 품질 계수를 얻습니다.
4. 종래와 같이, 계산, 레이저 스캔 전압, 레이저 지터 수율 큰 측정 노이즈를 통해 공진 딥 광 주파수.
5. 평균 공진 주파수 ν _평균을 수집 = (ν ₁ + ν ₂₎ / 2 분할 주파수 Δν = ν ₂ - ν ₁ 각 측정과 시간의 함수로 플롯. 나노 입자는 미세 공, 평균 공진 주파수 분할 주파수 소 모두의 급격한 변화의 표면에 바인딩 할 때자민련이 관찰 될 수있다.

결과

프로토콜을 수행하고 나면, 트레이스는 컴파일 및 장착 될 수있다. 주파수 분할이 DPBS 매체에서 관찰되는 비디오에 제시된도 3a는 마이크로 스피어의 일반적인 공진 구조를 나타낸다. 이중 로렌츠 함수에 대한 최소 자승법은 왼쪽과 오른쪽 공명 딥의 품질 계수는 각각 X 10 ⁸ 2.1이며, 수성 환경에서 3.8 × 10 ^8을 나타냅니다. 적색 동안 FWHM의 광 주파수는, 레이저 파장이 ?...

토론

이것은 현재의 설정은 프로브 레이저 소스에 대한 피드백 제어를 필요로하지 않고, 예컨대 microdisks, 미소 한 microtoroids 같은 WGM의 마이크로 공동의 다양한 프로빙 할 수있다. 검출을위한 상당한 신호 대 잡음비 (SNR)를 인해 경로 길이 및 입자 - 유도 산란 효과에 의해 제공 단계 시프트 개선을 얻을 수있다. 단순 및 기준 간섭계 자체의 저렴한 비용을 감안할 때,이 방법은 WGM 충치의 특성을 연구하거?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polystyrene  Microspheres	PolyScience
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (DPBS)	Life Technologies	14190
Piezoelectric Nanopositioner System	Physik Instrumente	P-611.3S
Balanced Photodetector	Thorlabs	PDB120A
Photodetector	Newport	1801-FC
3 dB Fiber Optical Directional Coupler	Thorlabs	FC632-50B
10 dB Fiber Optical Directional Coupler	Thorlabs	FC632-90B
Drop-In Polarization Controller	General Photonics	PLC-003-S-25
Function Generator	Hewlett-Packard	33120A
Fusion Splicer	Ericsson	FSU-925
High-Speed Oscilloscope	Agilent	DS09404A
Motorized Translation Stage with Controller	Thorlabs	MTS25-Z8E
Single Mode Optical Fiber, 600-800 nm, Ø125 μm Cladding	Thorlabs	SM600
Real-Time Electrical Spectrum Analyzer	Tektronix	RSA3408B
Optical Spectrum Analyzer	Agilent	70951A
632.5 – 637 nm Tunable Laser	New Focus	TLB-6304
Filtration Pump	KNF
Ultrasonic Cleaner	Crest Ultrasonics	Powersonic 1100D
Mini Vortexer	VWR	VM-3000
Centrifuge	Beckman Coulter	Microfuge 22R