Projeto e fabricação de uma fibra óptica feito de água
Summary
Este protocolo descreve a concepção e o fabrico de uma ponte de água e sua ativação como uma fibra de água. A experiência demonstra que as ressonâncias capilares da fibra água modulam sua transmissão óptica.
Abstract
Neste relatório, uma fibra óptica de que o núcleo é feito exclusivamente de água, enquanto que o revestimento é ar, é projetado e fabricado. Em contraste com o revestimento sólido dispositivos, oscilações capilares não são restritas, permitindo que as paredes de fibra mover e vibrar. A fibra é construída por uma tensão de alta corrente contínua (CC) de vários milhares de volts (kV) entre dois reservatórios de água cria um thread de água flutuante, conhecido como uma ponte de água. Através da escolha de micropipetas, é possível controlar o diâmetro máximo e comprimento da fibra. Acopladores de fibra óptica, em ambos os lados da ponte, ativá-lo como um waveguide ótico, permitindo que os pesquisadores monitorar as ondas de corpo capilar de fibra de água através da modulação da transmissão e, portanto, deduzir mudanças na tensão superficial.
Confinar co dois tipos importantes de onda, capilares e eletromagnéticos, abre um novo caminho de pesquisa nas interações entre a luz e dispositivos de líquido-parede. Microdevices paredes de água são um milhão de vezes mais macios do que suas contrapartes sólidos, consequentemente, melhorando a resposta ao minutos forças.
Introduction
Desde a descoberta de fibras ópticas em comunicação, premiado com um Nobel de 20091, uma série de aplicativos baseados em fibra cresceu ao lado. Hoje em dia, as fibras são uma necessidade em cirurgias com laser2, além de coerente raio x geração3,4, guiado-som5 e supercontinuum6. Naturalmente, a pesquisa sobre fibra óptica expandida de utilizando sólidos em líquidos para guiar de onda óptica, onde microcanais cheio de líquido e fluxo laminar combinam as propriedades de transporte de um líquido com as vantagens da óptica a explorar interrogatório de8,7,9. No entanto, esses dispositivos fixar o líquido entre sólidos e, portanto, proíbem-lo de expressar seu próprio caráter de onda, conhecido como onda capilar.
Ondas capilares, semelhantes aos observados quando jogar uma pedra num lago, são uma importante onda na natureza. No entanto, devido os obstáculos de controlar um líquido sem exorcizar sua superfície através de canais ou sólidos, eles quase não são utilizados para detecção ou aplicativo. Em contraste, o dispositivo apresentado neste protocolo não tem sólidas limites; é cercada por e fluxos de ar, permitindo, portanto, ondas capilares desenvolver, propagam e interagirem com a luz.
Para fabricar uma fibra de água, é necessário voltar a uma técnica conhecida como a ponte de água flutuante, relatada pela primeira vez em 189310, onde dois copos cheios de água destilada e conectem a uma fonte de alta tensão irá formar uma água fluídico, como fio conexão entre os11. Pontes de água podem chegar até um comprimento de 3 cm12 ou ser tão finas quanto 20 nm13. Quanto à origem física, ficou demonstrado que as tensões de superfície, bem como forças dielétricas, são ambos responsáveis pela execução peso14,15,16 da ponte. Para ativar a ponte de água como uma fibra de água, nós casal luz com uma fibra de sílica adiabaticamente cônico17,18 e sair com uma sílica fibra lente19. Tal dispositivo pode hospedar ondas ópticas, acústicas e capilares, tornando-se vantajoso para detectores de multi-ondas e lab-on-chip20,21,22 aplicações.
Protocol
Representative Results
Discussion
Para concluir, a grande vantagem e a singularidade desta técnica é criar uma fibra que abriga três diferentes tipos de ondas: capilar, acústico e óptico. Todas as três ondas oscilam em diferentes regimes, abrindo a possibilidade para detectores de multi-ondas. Como exemplo, nanopartículas no ar afetam a tensão superficial dos líquidos. Já na fase atual, é possível monitorar alterações na tensão de superfície através de variações no eigenfrequency capilar. Além disso, dispositivos de paredes de água s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi apoiada pelo Ministério israelense da ciência, tecnologia e espaço; ICore: o centro de excelência israelense ‘Círculo de luz’ conceder n º 1802/12 e pela Fundação de ciência israelense conceder n º 2013/15. Os autores graças a Karen Adie Tankus (KAT) para a edição útil.
Materials
| 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 | |
| 3Degree 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
- For Groundbreaking Achievements Concerning the Transmission of Light in Fibers for Optical Communication. The Nobel Prize in Physics Available from: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/press.html (2009)
- Temelkuran, B., Hart, S. D., Benoit, G., Joannopoulos, J. D., Fink, Y. Wavelength-scalable hollow optical fibres with large photonic bandgaps for CO2 laser transmission. Nature. 420, 650-653 (2002).
- Rundquist, A. Phase-Matched Generation of Coherent Soft X-rays. Science. 280, 1412-1415 (1998).
- Durfee, C. G., et al. Phase Matching of High-Order Harmonics in Hollow Waveguides. Physical Review Letters. 83, 2187-2190 (1999).
- Dainese, P., et al. Stimulated Brillouin scattering from multi-GHz-guided acoustic phonons in nanostructured photonic crystal fibres. Nature Physics. 2, 388-392 (2006).
- Dudley, J. M. J., Genty, G., Coen, S. Supercontinuum generation in photonic crystal fiber. Reviews of Modern Physics. 78, 1135-1184 (2006).
- Wolfe, D. B., et al. Dynamic control of liquid-core/Liquid-cladding optical waveguides. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , 12434-12438 (2004).
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442, 368-373 (2006).
- Ward, J. M., Yang, Y., Chormaic, S. N. Highly Sensitive Temperature Measurements With Liquid-Core Microbubble Resonators. IEEE Photonics Technology Letters. 25, 2350-2353 (2013).
- Fuchs, E. E. C., et al. The floating water bridge. Journal of Physics D: Applied Physics. 40, 6112-6114 (2007).
- Fuchs, E. C., et al. The Armstrong experiment revisited. The European Physics Journal Special Topics. 223, 959-977 (2013).
- Sirghi, L., Szoszkiewicz, R., Riedo, E. Volume of a nanoscale water bridge. Langmuir. 22, 1093-1098 (2006).
- Woisetschläger, J., Gatterer, K., Fuchs, E. C. Experiments in a floating water bridge. Experiments in Fluids. 48, 121-131 (2009).
- Widom, A., Swain, J., Silverberg, J., Sivasubramanian, S., Srivastava, Y. N. Theory of the Maxwell pressure tensor and the tension in a water bridge. Physical Review E: Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 80, 16301 (2009).
- Aerov, A. A. Why the water bridge does not collapse. Physical Review E. Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 84, 36314 (2011).
- Knight, J. C., Cheung, G., Jacques, F., Birks, T. A. Phase-matched excitation of whispering-gallery-mode resonances by a fiber taper. Optics Letters. 22, 1129 (1997).
- Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Painter, O. J., Vahala, K. J. Ideality in a Fiber-Taper-Coupled Microresonator System for Application to Cavity Quantum Electrodynamics. Physical Review Letters. 91, 43902 (2003).
- Cohen, L. G., Schneider, M. V. Microlenses for coupling junction lasers to optical fibers. Applied Optics. 13, 89-94 (1974).
- Vollmer, F., et al. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules. Nature Methods. 5, 591-596 (2008).
- Fainman, Y., Lee, L. P., Psaltis, D., Yang, C. . Optofluidics: Fundamentals, Devices, and Applications. , (2010).
- He, L., Ozdemir, S. K., Zhu, J., Kim, W., Yang, L. Detecting single viruses and nanoparticles using whispering gallery microlasers. Nature Nanotechnology. 6, 428-432 (2011).
- Woisetschläger, J., et al. Horizontal bridges in polar dielectric liquids. Experiments in Fluids. 52, 193-205 (2011).
- Fuchs, E. C., Wexler, A. D., Agostinho, L. L. F., Ramek, M., Woisetschläger, J. Methanol, Ethanol and Propanol in EHD liquid bridging. Journal of Physics: Conference Series. 329, 12003 (2011).
- Douvidzon, M. L., Maayani, S., Martin, L. L., Carmon, T. Light and Capillary Waves Propagation in Water Fibers. Science Reports. 7, 16633 (2017).
- . Water Fibers Available from: https://arxiv.org/abs/1609.03362 (2016)
