基于平行板波导传感器的太赫兹微流控检测

本方案采用带槽平行板波导在太赫兹频率下测量微流体样品的折射率。首先设计并加工带槽波导，使其在太赫兹波段呈现共振特性。然后利用太赫兹时域光谱系统测量波导的共振频率。接下来，将精确测量体积的样品液体注入波导中。

最后一步是测量填充波导的共振频率。最终，可通过空波导与填充波导的共振频率之差，确定样品在太赫兹频率范围内的折射率。通常，刚接触该方法的研究人员会面临困难，因为要获得可重复的结果，需要极高的测量精度。

Kim 是 Daniel Middleman 实验室的另一位研究生，我将与她一起演示该实验步骤。设计一个带有一个或多个集成谐振腔或沟槽的平行板波导。其几何结构应基于随附手稿中详述的参数，并可参考我们之前的发表文献。

以下是一些通用的指导原则。首先选择一块尺寸足够大的平板，使其相对于入射光束可视为无限宽，以便于方便地接近沟槽。底部波导平板应明显宽于顶部平板，使得沟槽几乎延伸至整个平板的宽度。

使传播长度确保整个波导的长度至少是底板上沟槽及孔洞延伸范围的三倍，且底板上的孔需攻丝，而顶板上的孔则不攻丝。沟槽的设计将取决于所需的谐振频率、期望的线宽以及所选的板间距等多种因素。在用作参考时，需特别考虑加工工艺对极窄或极浅沟槽的制造限制。

同时制作一个无沟槽的相同设计。使用显微镜碎片等介电垫片保持板间距。由Slide Machine加工制作波导。

重要的是，不要将板的边缘磨钝，特别是在输入面。许多机械车间出于安全考虑，通常会将边缘做成圆角，但输入面上的圆角会导致信号失真。组装时应使用具有两个相互垂直的平面的结构开始。

将底板放置在水平表面上并下压，使其紧贴垂直表面。将介电隔片尽可能靠近螺钉孔插入。

每颗螺丝两侧各一个。检查螺丝不得阻碍凹槽或超出输入面。小心地将顶板紧贴垂直面，并向下滑动，使其落在底板和垫片上。

现在将两块板紧密贴合于垂直表面。插入螺钉，并以交替模式逐步拧紧。检查最终的波导，确保输入面完全平整，且板间间距均匀。

首先配置仪器装置。若尚未安装，请将四个透镜以共焦方式引入 rah hertz 光路中。为了在光路中点实现紧密聚焦，需在焦点处放置一个直径为 12 毫米的光阑。

孔径应足够大，以阻挡除通过波导外的所有辐射传播。孔径的尺寸将决定在波导中传播的光束大小。使用稳固的固定装置，以确保波导位置的可重复性。

接下来，将波导紧靠孔径后方放置，使其输入面与孔径接触，并尽可能使波导的传播轴与光轴对齐。此处的对准至关重要，因为波导对准不当可能导致截止频率处的反射、色散变化、谐振频率偏移以及其他问题。现在，放置注射器支架，使注射器尖端与凹槽对齐。

为获得最佳结果，每种材料应使用不同的注射器，以防止交叉污染。将待测液体吸入注射器，并排除所有气泡。每次运行之间也需如此操作。

首先拆卸波导管，然后使用适当的溶剂彻底清洗两块板，以去除实验残留物。用压缩空气吹干，并按照之前所示方法重新组装波导管。

首先获取波导的参考波形。在每次实验过程中，每几小时需获取一次参考波形，具体频率取决于时域光谱信号的长期稳定性。

移除未分组的波导。然后将洁净的带槽波导放入装置中。对空的分组波导采集一个波形。

移除和拆卸过程可能导致波导几何结构产生微小变化。这些变化会影响空槽和填充槽的绝对共振频率，但不会影响观测到的频移。因此，每次完整的测量都需要各自独立的空槽参考。

为了在不移动波导的情况下计算偏移量，将装满的注射器放入支架中。缓慢填充凹槽并保持稳定。观察填充情况，确保无气泡或溢出。

取另一条波形。如果系统具有多个凹槽，则继续填充凹槽并按需采集。在采集下一组数据之前，移除波导并将其清洁。

在此制备良好的波导示例中，应注意沟槽并未延伸至波导的整个长度或宽度。组装完成后，这种平行板波导结构适用于实现太赫兹频率范围内的折射率传感器。测量折射率仅需少量液体样品。

这些数据展示了典型的频率谱，是通过对十四烷进行分析获得的。参考用的无刻槽波导测得的谱线以黑色表示，无液体填充的刻槽波导测量结果以蓝色表示，而含有十四烷样品的刻槽波导则以红色表示。随后，将空刻槽波导和充满液体的刻槽波导的幅度谱取平方，并除以参考波导的谱，从而获得功率传输谱。

空波导与充满样品的波导其共振特征之间的频率差异即为共振偏移，该偏移与折射率相关。在进行此操作时，重要的是要尽可能保持一致性，并注意尽量减少波导内的交叉污染。观看本视频后，您应能够充分理解如何通过太赫兹时域光谱法测量带槽平行板波导的共振频率，从而获得微流控样品折射率的测量值。