平行平板導波センサを用いたテラヘルツマイクロ流体センシング

このプロトコルでは、溝付き平行平板導波路を用いて、テラヘルツ周波数におけるマイクロ流体試料の屈折率を測定します。まず、テラヘルツ領域で共振を示すように溝付き導波路を設計し、作製します。次に、テラヘルツ時間領域分光システムを用いて、導波路の共振周波数を測定します。その後、正確に測定した量の試料液体を導波路に注入します。

最終ステップは、充填済み導波管の共振周波数を測定することです。最終的に、空の導波管と充填済み導波管の共振周波数の差を用いることで、テラヘルツ周波数領域におけるサンプルの屈折率を決定できます。一般的に、再現性のある結果を得るには非常に高い精度が要求されるため、この手法に不慣れな方は苦労することがあります。

Daniel Middlemanの研究室の大学院生であるKim reelと私が、これから手順を実演します。1つ以上の統合共振器または溝を備えた平行平板導波路を設計してください。ジオメトリは、付属の原稿に詳述されているパラメータに基づかせ、また我々の以前の出版物も参照してください。

以下にいくつかの一般的な指針を述べます。溝に容易にアクセスできるよう、入射ビームに対して十分に広く、無限大とみなせるサイズのプレートから始めてください。また、溝がプレートのほぼ全幅にわたって延びるように、底面の導波路プレートを上面のプレートよりも大幅に広く作成してください。

伝搬長は、導波管全体として、溝の範囲の少なくとも3倍の長さになるように設定し、底板の穴にはネジを切った状態で、上面の穴にはネジを切らないようにします。溝の設計は、目的の共振周波数やライン幅、選択したプレート間隔などの要因によって決まります。非常に狭い溝や浅い溝を製作する場合、使用する作製技術の限界を考慮することが重要です。これはリファレンスとして使用してください。

同様に、溝のない同一のデザインを作製します。砕いた顕微鏡の破片などの誘電体スペーサーを用いて、プレートの間隔を維持します。導波路はフライス盤で加工します。

重要な点として、プレートの端、特に導入面を面取りしないでください。多くの工作所では安全上の理由から端を丸めるのが一般的ですが、導入面を丸めると信号が歪みます。互いに垂直な2つの平面を持つ構造から組み立てを開始してください。

ボトムプレートを水平面に置き、押し付けます。垂直面にぴったりと合わせます。誘電スペーサーをネジ穴にできるだけ近づけて挿入します。

ネジあたり2個、各側に1個ずつ配置します。ネジが溝を塞いでいないか、または入力面に突き出していないかを確認してください。慎重にトッププレートを垂直面に密着させ、下側のプレートとスペーサーの上に載るように下にスライドさせます。

次に、両方のプレートを垂直面に密着させます。ネジを挿入し、交互に少しずつ締め付けてください。最終的な導波器の入力面が完全に平坦であり、プレートの間隔が均一であることを確認します。

まず、装置の構成を行います。まだ設置されていない場合は、共焦点配向で4枚のレンズをrah hertzビーム光路に導入してください。光路の中間でタイトなフォーカスを得るために、焦点位置に12 millimetersの絞りを配置します。

開口部は、導波管を通る以外のすべての放射線伝播を遮断できる十分な大きさである必要があります。開口部のサイズによって、導波管内を伝播するビームサイズが決まります。導波管の配置に再現性を持たせるため、固定ホルダーを使用してください。

次に、導波路を開口部の直後に配置し、入力面を開口部に接触させ、導波路の伝搬軸を光軸に可能な限り近づけて合わせます。ここでの調整は極めて重要であり、導波路の配置が不適切であると、反射、分散、遮断周波数の変動、共振周波数の変動などの問題が生じる可能性があります。その後、シリンジの先端が溝と一致するようにシリンジホルダーを配置します。

最良の結果を得るために、相互汚染を防ぐため各材料に異なるシリンジを使用してください。テストする液体をシリンジに満たし、気泡を取り除きます。また、測定の合間にも同様に行ってください。

まず導波路を分解し、洗浄手順に従ってください。次に、実験による残留物を除去するため、両方のプレートを適切な溶剤で十分に洗浄します。圧縮空気で乾燥させた後、前述の手順に従って導波路を再組み立てします。

grod導波路のリファレンス波形から開始します。リファレンス波形は、時間領域分光計信号の長期安定性に応じて、各実験セッション中に数時間につき一度だけ取得すれば十分です。

グループ化されていない導波路を取り除きます。次に、洗浄済みの溝付き導波路を装置にセットします。空のグループ化された導波路の波形を測定します。

取り外しおよび分解の工程により、導波路の形状に極めてわずかな変動が生じる可能性があります。これらの変動は、空の状態および充填状態の溝の絶対共鳴周波数に影響を与えますが、観測されるシフトには影響しません。したがって、各全測定において、個別の空リファレンスが必要です。

導波路を移動させずにシフトを算出するため、充填済みのシリンジをホルダーにセットします。溝をゆっくりと満たしてください。気泡や液漏れがなく、適切に充填されていることを確認します。

別の波形を測定します。システムに複数の溝がある場合は、必要に応じて溝の充填と測定を繰り返します。次のデータセットを収集する前に、導波路を取り外して洗浄してください。

適切に作製された導波路のこの例では、溝が導波路の全長または全幅にわたって及んでいないことに注意してください。組み立て後の平行平板導波路の形状は、テラヘルツ周波数帯の屈折率センサの実装に適しています。屈折率の測定には、少量の液体が必要です。

これらのデータは典型的な周波数スペクトルを示しており、テトラデカンの分析から得られたものである。参照用の溝なし導波管から得られたスペクトルを黒色で、液体を充填していない溝付き導波管の測定値を青色で、そしてテトラデカンの試料を入れた溝付き導波管を赤色で示している。次に、空および充填済みの溝付き導波管の振幅スペクトルを二乗し、参照導波管のスペクトルで除することで、電力透過スペクトルを算出している。

空の導波管と試料を満たした導波管の共鳴特性における周波数の差が共鳴シフトであり、これは屈折率に関連しています。この手順を行う際は、可能な限り一貫性を保ち、導波管内でのクロスコンタミネーションを最小限に抑えるよう注意することが重要です。このビデオを視聴することで、テラヘルツ時間領域分光法を用いて溝付き平行平板導波管の共鳴周波数を測定し、マイクロ流体サンプルの屈折率を算出する方法について十分に理解できるはずです。