Fabrikasyon ve mikroakışkan optomechanical Osilatörler Testi

Özet

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Özet

Fonon modları ve foton modları parametrik etti microresonators dahil olmak üzere çeşitli optik sistemlerde incelenmiştir deneyler Optomekanik Boşluk. Ancak,-mekanik cihazlar, doğrudan sıvı daldırma sırasında artan akustik kayıpların ışıma, hemen hemen tüm yayınlanan-mekanik deneyler, bir katı faz içinde gerçekleştirilmiştir. Bu kağıt bir süre önce tanıtılan boş microfluidic optomekanik rezonatörüne anlatılır. Ayrıntılı metodolojisi, bu ultra-yüksek-Q microfluidic resonatöre imal-mekanik test gerçekleştirmek ve radyasyon basıncı odaklı solunum modu ve SBS odaklı fısıldayan galeri modu parametrik titreşimleri ölçmek için sağlanır. Kılcal rezonatör içindeki sıvıları hapsederek, yüksek mekanik ve optik kalite faktörleri aynı anda tutulur.

Giriş

Boşluk Optomekanik radyasyon basıncı (RP) ^1-3 vasıtasıyla microresonators yılında fonon modları ve foton modları arasında parametrik kaplin çalışmaları ve Brillouin saçılması (SBS) ^4-6 uyarılır. SBS ve RP mekanizmalar bu tür elyaf ^{7, mikro-4,6,8, 1,9} toroids ve kristal rezonatörler ^5,10 gibi birçok farklı optik sistemlerinde gösterilmiştir. Bu foton-fonon bağlanması sayesinde, her iki ¹¹ ve mekanik modlarının uyarılmasını ^6,10 soğutma gösterilmiştir. Ancak, hemen hemen tüm deneyler maddenin katı fazlar ile vardır Optomekanik bildirdi. Çünkü sıvıların yüksek empedansı büyük ölçüde artmıştır radyatif akustik kaybına-mekanik cihazlar sonuçların doğrudan sıvı daldırma hava ile karşılaştırılır olmasıdır. Buna ek olarak, bazı durumlarda, sıvılar içinde enerji tüketen kaybetme mekanizmaları ışıma akustik kayıpları aşabilir.

Recently, microcapillary geometri ile içi boş optomekanik osilatör yeni bir tür ^12-15 tanıtıldı ve tasarım mikrosıvı deneyler için donatılmış olan. Bu kılcal çapı eşzamanlı optik fısıldıyorlar-galeri rezonanslarını ¹⁶ yanı sıra mekanik rezonans modları ¹⁷ sınırlandırmak birden çok 'şişe resonatöre' oluşturmak için uzunluğu boyunca modüle edilir. Mekanik rezonans modları Çoklu aileleri solunum modları, şarap cam modları, ve fısıldayan-galeri akustik modları dahil, katılmak. Akustik dalga boylarında tam katları ile bir titreşim cihazı çevresi oluşur şarap cam (duran dalga) ve fısıldayan-galeri akustik (-dalga) rezonans oluşur. Işık evanescently konik bir fiber optik ¹⁸ vasıtası ile, bu "şişe" optik Fısıldama-galeri modları ile birleştirilir. ^19,20 kılcal rezonatör içindeki sıvı hapsi olarakbunun dışında karşı, RP ve SBS iki vasıtasıyla mekanik modları optik uyarılmasını sağlar: aynı anda yüksek mekanik ve optik kalite faktörleri, sağlar. Görüldüğü gibi, bu mekanik uyarımlar böylece, içindeki akışkan ortamına bir opto-mekanik bir arabirim sağlayan ortak bir katı-sıvı rezonans modu oluşturan, cihazın ^12,13 içindeki sıvı içine nüfuz edebiliyoruz.

Bu yazıda bu yeni optomekanik sistem için imalat, RP ve SBS harekete ve temsili ölçüm sonuçlarını açıklar. Spesifik malzeme ve araç listeleri de sağlanmaktadır.

Protokol

Ultra-yüksek-Q mikroakışkan Resonators 1. Fabrikasyon

1. Kılcal imalat kurulum hazırlama
   1. Şu şekilde mikroakışkan-mekanik rezonatörün imal -. 10.6 mikron dalga boyunda yaklaşık 10 _CO2 lazer radyasyonunun B ile bir cam kılcal preform ısıtın ve motorlu için aşamaları kullanılarak doğrusal olarak ısıtılmış kılcal çekmek Şekil 1, doğrusal Çevirinin bir düzenlemeyi göstermektedir aşamaları, lazerler, ve çekme işleminden önce kılcal ön-konumu.
   2. Aynı anda (ısıtma için) iki CO ₂ lazer ve iki doğrusal aşamalarını kontrol etmek için programı uygun otomasyon yazılımı. İki linear aşamaları lazer ısıtıldı kapiler için çizim işlemini gerçekleştirin.
   3. Doğrusal aşamalardan biri doğrusal çekme işlemi için (örneğin, 5 mm / saniye) hızlı olmalıdır. Yavaş doğrusal evre, ikinci ile ısıtma bölgeye daha fazla malzeme beslemekKılcal preform malzemesi çekme işlemi sırasında tükenmiş alır beri (örneğin 0.5 mm / sn).
   4. Dikey ve yatay eksenlerde lineer aşamalarında örnek tutucuları hizalayın.
   5. Dikkatle onlar (örnek sahipleri arasındaki) uzayda aynı noktayı hedef şekilde hem CO ₂ lazer ışınlarını hizalayın. Kart kağıt ya da ısıya karşı hassas bir kağıt parçası bu işlem için de yararlıdır. Lazer güvenliği için göz koruması kullanmak unutmayın. Masa seviyesine gözleri düşürmek etmeyin. Uygun kiriş bloklar, duman egzoz ve yangın koruması kullanın.
   6. Çekme işlemi için makul parametrelerini seçin. Örneğin, aşağıdaki parametrelerin güvenilir iyi bir kılcal boyutunu üretmek - 10 mm / sn çekme hızı, 0,5 mm / sn Besleme hızı, 3 sn ön ısıtma süresi, 4.5 hem lazer için güçler, hem lazer için 5 W ısıtma güçleri ısıtma W .
   7. Çekme sırasında lazer gücünün modülasyonu çizim pro boyunca uzunlamasına kılcal yarıçapı kontrol etmek için kullanılabilir'şişe' resonatöre oluşturmak için cess. Bir örnek, Şekil 2d 'de gösterilmiştir. 3 Hz frekans, 6 W ve lazer güçler için 3 W, ve% 50 görev döngüsü: Uygun modülasyon parametreleri seçin.
2. Mikroakışkan optomekanik rezonatörlerin Fabrikasyon
   1. Bu doğrusal için aşamalarına bağlı iki tutma düzeni ulaşabileceği şekilde erimiş silis kılcal yeterince uzun bir bölümü (yaklaşık 2-4 cm) kesin.
   2. Lazer hedef bölge kabaca kılcal ortasında olacak şekilde numune tutucu üzerinde kılcal örnek monte edin. Gerekirse CO ₂ lazer hizalama yeniden ayarlayın.
   3. 1.1.6 de belirtildiği gibi parametreleri kullanarak kılcal çekin. İlk bir kaç saniye (Şekil 2a) için kılcal önceden ısıtın, ve sonra gerektiği şekilde (1.1.7 parametreler) ile veya lazer modülasyon olmadan çekin.
   4. Numune tutucudan çekilmiş kılcal (Şekil 2b) çıkarın. Ikide eldiven ile örnek KoluKalın temiz rezonatör yüzeyini kontamine etmemek için, sadece biter.
   5. Farklı çaplarda kılcal damarlar imal çekerek parametreleri değişir. Tipik olarak dış çapı çekme koşulları ile ilgili olarak 30 um ila 200 um arasında değişir.
3. Test için fabrikasyon cihazı montajı
   1. E şekil cam tutucu (Şekil 2c) hazırlayın. Üç 1 cm x 0.5 cm ve cam slaytlardan biri 3 cm x 0.5 cm cam parçaları kesti. Cam yapıştırıcı veya superglue kullanarak bir E şekil onları birleştirin.
   2. Çizilmiş örnek üzerinden microfluidic kılcal bir uzunlukta kesin. Bu uzunluk E şekil tutucu üzerindeki iki bitişik cam dalları arasındaki mesafeden daha uzun olmalıdır.
   3. E şekil sahibinin iki kolu arasında kirlenmemiş asılı bir kısmını tutmak için emin yaparken optik yapıştırıcı kullanılarak sahibinin üzerine microcapillary cihazı Tutkal. 10 saniye için bir LED UV ışık kaynağı. Şekil 2c ile optik yapıştırıcı Cureve bitmiş ürün 2d göstermektedir.
   4. Dikkatle iki biraz daha büyük plastik tüplere (iç çapı örneğin 200 mm) içine monte edilmiş rezonatörün iki ucunu yerleştirin. Tutkal ve UV kür optik yapıştırıcı ile plastik tüplere her iki alın.
   5. Test için kenetlenmiş montaj cihazına üçüncü (ücretsiz) cam şubesinden E şekil yapısını kelepçe. Nihai mikroakışkan rezonatör optik kalite faktörü onların gücü seviyeleri ne kadar iyi imalat lazerler uyumlu ve ne kadar kararlı bağlıdır.

Optomechanical Test 2. Deney Düzeneği

1. Şevli fiber optik İmalatı
   1. İstenilen uzunlukta (örneğin birkaç metre) bir tek modlu telekom-bant optik fiber hazırlayın. Fiber kademeli hem de daralan bölgede monte edilmiş ve kurulum (Şekil 4) bağlı olması için yeterince uzun olmalıdır. Sivrilen bir yöntem s ne benzer burada açıkladı^22'de kilindeki ve gösterdi.
   2. Uygun herhangi bir fiber-yapıştırma yöntemi kullanılarak deney düzeneği kalanı için hazırlanmış elyaf segmenti bağlamak.
   3. Birbirine bakan iki doğrusal çekicinin üzerine eklenmiş elyaf segmenti monte edin.
   4. Kaplama alanı göstermek için monte edilen fiber parçasının merkezinde lif ceketi soyun. Konik imal edilecektir yerdir. Metanol ile elimden alanı temizleyin.
   5. Bir osiloskop üzerinde gerçek zamanlı iletim görmek için ayarlanabilir lazer açın. Fotodedektörler zarar görmeyecek şekilde susturucularla ayarlamak için emin olun.
   6. Hemen lifin unjacketed kısmının altında dar bir meme hidrojen gazı brülör yerleştirin. Hidrojen gibi basınçlı yanıcı gazlar ile çalışırken tüm önerilen güvenlik prosedürlerini izleyin. Alev veya seramik ısıtıcılar diğer "temiz yanan" kaynaklar da kullanılabilir.
   7. Alev çok olmayacak şekilde gaz aydınlatan önce, akış hızını kontrolbüyük (1-2 cm boyunda alev yeterli). Alev çoğunlukla görünmez ama karanlık bir odada bir soluk turuncu parıltı olarak görülebilir unutmayın. Hidrojen akış oranı ışıklı alev yeterli cam elyaf yumuşatır bir noktaya kadar ayarlanmalıdır.
   8. Alev yanar. En kısa sürede alev olduğu gibi, motorlu aşamalarını kullanarak fiber çekerek başlayabilirsiniz. Uygun çekme hızı akış oranında hidrojen gazının ve alev yakın bağlıdır. NOT: fiber üzerinden İletim devam çekerek olarak zamansal salınım davranışı göstermeye başlayacaktır. Bu modlu işlemini gösterir.
   9. Salınımlı davranış zamanla değişmeyen bir sinyal durur ve gösterdiğinde, çekerek durdurmak ve kapanma alevi hemen. Tek modlu konik elde edildiğinde bu. Iletim kontrol edin. Iletim çok düşükse, 2.1.1 prosedürü tekrarlayın. modifiye gaz akış hızı, alev boyutu ve alev konuma sahip. Vesileyle, düşük iletim adım 2.1.3 kötü uyum nedeniyle olabilir. veya bağlı contaminat içinmaruz kalan kaplama iyon.
   10. Konik üzerinden çıkan iletim tatmin edici ise, konik soğuması için birkaç dakika bekleyin.
   11. Mikroskop altında şev kontrol edin. 1550 nm dalga boyu için operasyonel olarak, tek modlu konik tipik çapı 1-2 mikron arasında sırayla yer almaktadır.
2. WGR için konik kavrama ve elektronik sinyalleri ararken belirten titreşim
   1. Şekil 3'te gösterilen yapılandırmada deneyi kurmak. Mekanik titreşimler aynı deneysel yapılandırması tarafından SBS ve RP hem aracılığıyla oluşturulabilir. Açıkça, geriye-SBS ^4,21 durumunda geri saçılan sinyalleri algılamak konik ve ayarlanabilir lazer arasında bir sirkülasyon kullanmak için.
   2. Ayarlanabilir IR lazer açmadan önce, fotoalıcılar zarar olmadığı yerde böylece susturucularla ayarlamak için emin olun.
   3. Açın ve ayarlanabilir IR lazer stabilize. Bir fonksiyon üreteci giriş IR frekansını süpürmek için kullanılırlazer.
   4. Bir nanopositioning sahnede rezonatör yuvasını monte edin. Dikkatle kaybolan kuplajı elde etmek için şevli fiber yakın rezonatörü getir. Lazer frekansı süpürülür gibi, optik rezonans ^22, Şekil 2b olarak, osiloskop iletim batırma olarak görünür.
   5. Giriş lazer ışık ve dağınık ışık arasındaki zamansal girişim (örn. yendi notu) görülebilir bir elektrik spektrum analizör (ESA), için fotodedektör çıkışını bağlayın. Bu zamansal parazit mekanik titreşim frekansı oluşur. Spektrum analizör üzerinde "peak hold" fonksiyonu mekanik titreşimleri için ilk arama genellikle yararlıdır.
   6. Sıvılar cihazın içinde mevcut, özellikle, mekanik titreşim için ilk arama yaparken yüksek giriş gücü kullanın. Not: Genellikle, cihaza 100 μW sırasına göre giriş gücü Mechan uyarmak için yeterlidirical titreşim.
   7. Mekanik titreşim görülürse, lazer frekans tarama kapatarak ve CW modunda lazer dalga boyunu kontrol ederek ilgili optik moduna kilitlemek için çalışırlar. Burada, osiloskop ve spektrum analizör hem tandem yararlıdır. Şekil 5 ve ^1,6 görüldüğü gibi mekanik bir şekli, mevcut olduğu zaman, periyodik sinyaller osiloskop görünür.

3.. Optomechanical Titreşimler Ölçme

1. Radyasyon basıncı (RP) modları optik ve elektronik imza
   1. 2.2 'de tarif edildiği gibi bir şev ve cihazın doğru bir şekilde bağlanmış olduğunda, mekanik titreşimler gözlemlenecektir cihaz, optik ve mekanik modları yeterli Q-faktörler, ve yeterli bir giriş optik güç sağlanmaktadır. 10 MHz aralığında salınımları ise - 1 GHz dikkat edilmezse, farklı rezonanslarını araştırmak için polarizasyon değiştirmek, ya da sipariş olarak ayarlanabilir lazerden giriş gücünü artırmak için bir girişimsalınım için asgari eşik üstesinden gelir. Giriş gücünü artırarak, her zaman foto detektörleri doyurmak için değil dikkatli olun. ⁸ de tarif edildiği gibi, ayrıca, birleştirme mesafe verici RP farklı modlar için önemli bir faktördür.
   2. Mekanik modlar hala uyulmadığı takdirde, optik kalite faktörünün ölçülmesi deneyin. Microfluidic optomekanik Rezonatörlerin, sonuçlar 10 ⁶ optik kalite faktörü parametrik salınımlarını ¹³ heyecanlandırmak için yeterli olduğunu gösteriyor.
      NOT: Genellikle, RP modları Şekil 5'te görüldüğü gibi, harmonikler eşliğinde spektrum analizör üzerinde elektronik salınımları tezahür edecektir Temsilcisi sonuçları 4. bölümde ele alınacaktır..
   3. Nedeniyle periyodik deformasyon kavite ile uyarılan sırayla bir genlik ve faz modülasyon için oluşturulan optik yan bantları tespit etmek için bir tarama Fabry-Perot interferometre veya yüksek çözünürlüklü optik spektrum analiz cihazı kullanarak. Bir örnek ölçüm s olabilir,¹ Şekil 3 saat een.
2. Fısıltılı-galeri akustik modları optik ve elektronik imza
   1. Silika camı için geriye-SBS akustik frekans 1.5 mikronluk lazer pompası ^4,23 kullanıldığında yaklaşık 11 GHz. Bu titreşim modları için elektronik sinyalleri gözlemlemek için, geri saçılan ışık izleyen bir sirkülasyon ve Rayleigh-dağınık pompa bazı küçük miktarda kullanın. Dağınık ışık çözmek için yüksek çözünürlüklü optik spektrum analizör kullanın. Bir örnek ölçme ^4, Şekil 2 'de gösterilmiştir.
   2. Düşük frekans (sub-1 GHz) fısıldıyorlar-galeri akustik modları gözlemlemek için ileri dağınık ışık ve lazer pompası arasındaki yendi notu kullanın.
   3. Nedeniyle nefes alma yönünde düşük bir mekanik sertlik, SBS gelen sinyal, RP modlarından sinyale göre bazen zayıftır. Yine, yavaş hızda lazeri, ve SPECT "pik tutun" kullanımıSBS sinyalini bulmada yardımcı rom analizörü.
   4. (Kademeli uyarma ^4,24 gerçekleşir sürece) RP-heyecanlı solunum modları aksine, SBS-heyecanlı fısıldıyorlar-galeri akustik modları, optik ve elektronik spektrumları dalgalanmaları sergilemek unutmayın. Bunun yerine sadece bir Stokes sideband SBS modları için görünür.

Sonuçlar

Bu yöntem ile üretilen kılcal damarlar, (30 um ve 200 um arasında) açık ve çok esnek ince, ancak doğrudan kullanım için yeterince sağlamdır. Bu, yüksek bir optik kalite faktörü (Q) muhafaza edilmesi amacıyla, toz ve su (nem) karşı kılcal cihazının dış yüzeyini korumak için önemlidir. Su içindeki kılcal bir ucunu batırma ve bir şırınga vasıtasıyla, kılcal hava üfleyerek, bu kılcal aşırı ısınma nedeniyle imalat sırasında kapatılmış olup olmadığını aracılığıyla olsun y...

Tartışmalar

Biz fabrikasyon ve heyecanlandırmak (ve sorguya) mekanik titreşim, yüksek-Q optik rezonanslarını kullanılarak kavite Optomekanik ve Mikroakiskan arasında köprü yeni bir cihaz test ettik. Bu 11.300 MHz 2 MHz kapsayan fiyatla mekanik titreşim modları çeşitli üretmek hangi çoklu uyarma mekanizmaları aynı cihazda mevcut olması şaşırtıcıdır. Santrifüj radyasyon basıncı 2-200 MHz sürede şişe modları ve solunum modlarını destekler, İleri Brillouin saçılması 50-1,500 MHz aralığında mekani...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Tunable IR laser	Newfocus	TLB-6328
Photodetectors	Newfocus	1811-FC (Low speed 125MHz) / 1611-FC-AC (High speed 1GHz)
Optical fiber	Corning	SMF28
Silica capillary	PolyMicro	TSP700850
10.6 um wavelength CO2 laser	Synrad	48-1KWM and 48-2KWM
UV-curing optical adhesive	Thorlabs	NOA81
Tubing	Tygon	EW-06418-01
Syringes	B-D	YO-07940-12
Needles	Weller	KDS201P
Electrical spectrum analyzer	Agilent Technologies	N9010A (EXA Signal Analyzer)
Electrical spectrum analyzer	Tektronix	6114A (RSA, Real-time spectrum analyzer)
Optical spectrum analyzer	Advantest	Q8384
Oscilloscope	Tektronix	DPO 4104B-L
Gold mirrors	II-VI Infrared	836627
Linear stage (slow)	DryLin	H1W1150
Linear stage (fast)	PBC Linear	MTB055D-0902-14F12
Fabry Perot optical spectrum analyser	Thorlabs	SA 200-14A (FSR: 1.5 GHz)