Терагерцового Микрофлюидных зондирования с помощью плоского волновода датчика

В данном протоколе используется рифленый параллельный пластинчатый волновод для измерения показателя преломления микрофлюидного образца на терагерцовых частотах. Сначала спроектируйте и изготовьте рифленый волновод таким образом, чтобы он проявлял резонанс в терагерцовом диапазоне. Затем с помощью системы терагерцовой спектроскопии с временным разрешением измерьте резонансную частоту волновода. После этого заполните волновод точно отмеренным объемом исследуемой жидкости.

Заключительным этапом является измерение резонансной частоты заполненного волновода. В конечном итоге разность между резонансными частотами пустого и заполненного волноводов может быть использована для определения показателя преломления образца в терагерцовом диапазоне частот. Как правило, исследователям, которые только начинают осваивать данный метод, бывает трудно добиться повторяемых результатов из-за необходимости обеспечения очень высокой точности измерений.

Ким Рил, еще один аспирант из лаборатории Дэниела Миддлмана, и я сейчас продемонстрируем эту процедуру. Спроектируйте параллельный пластинчатый волновод с одним или несколькими интегрированными полостями или пазами. Основывайте геометрию на параметрах, подробно описанных в сопроводительной рукописи, а также руководствуйтесь нашими предыдущими публикациями.

Ниже приведены несколько общих руководящих принципов. Начните с выбора размера пластины, достаточно большого, чтобы ее можно было считать бесконечной по сравнению с входным пучком; это обеспечит легкий доступ к канавке. Сделайте нижнюю пластину волновода значительно шире верхней, чтобы канавка простиралась почти на всю ширину пластины.

Установите длину распространения таким образом, чтобы волновод в целом был как минимум в три раза длиннее области паза; при этом отверстия в нижней пластине должны быть с резьбой, а в верхней — без нее. Конструкция паза будет зависеть от требуемой резонансной частоты, желаемой ширины линии и выбранного расстояния между пластинами, помимо других факторов. Важно учитывать ограничения ваших методов изготовления при создании очень узких или очень мелких пазов. Используется в качестве эталона.

Также изготовьте идентичный образец без желобка. Поддерживайте расстояние между пластинами с помощью диэлектрических проставок, например, осколков разбитого предметного стекла микроскопа. Изготовьте волновод на фрезерном станке.

Важно не закруглять края пластин, особенно на входной стороне. Закругление краев является стандартной практикой во многих мастерских в целях безопасности, однако закругленный край на входной стороне приведет к искажению сигнала. Начинайте сборку с конструкции, имеющей две плоские поверхности, расположенные перпендикулярно друг другу.

Поместите нижнюю пластину на горизонтальную поверхность и прижмите ее. Плотно прижмите к вертикальной поверхности. Вставьте диэлектрические проставки как можно ближе к отверстиям для винтов.

По два винта на каждый стяжной элемент, по одному с каждой стороны. Убедитесь, что винты не перекрывают паз и не выступают за пределы входной грани. Осторожно приложите верхнюю пластину вплотную к вертикальной поверхности и сдвиньте её вниз до упора на нижнюю пластину и проставки.

Теперь, плотно прижимая обе пластины к вертикальной поверхности, вставьте винты и постепенно закручивайте их, чередуя стороны. Убедитесь, что входная грань готового волновода идеально плоская, а расстояние между пластинами равномерно.

Начните с настройки аппаратуры. Если они еще не установлены, введите четыре линзы в путь луча Rah Hertz в конфокальной ориентации. Чтобы обеспечить узкую фокусировку в средней точке пути, поместите апертуру 12 мм в фокальную точку.

Апертура должна быть достаточно большой, чтобы блокировать распространение всего излучения, кроме того, которое проходит через волновод. Размер апертуры определяет размер луча, распространяющегося в волноводе. Используйте надежный держатель, чтобы обеспечить повторяемость установки волновода.

Затем расположите волновод непосредственно за апертурой так, чтобы его входная грань касалась апертуры, а ось распространения в волноводе была максимально точно совмещена с оптической осью. Данная юстировка является критически важной, так как неправильное расположение волновода может привести к возникновению отражений, дисперсии, отклонениям частоты среза, резонансных частот и другим проблемам. Теперь установите держатель шприца так, чтобы кончик шприца был совмещен с пазом.

Для достижения наилучших результатов используйте отдельный шприц для каждого материала, чтобы предотвратить перекрестное загрязнение. Заполните шприц исследуемой жидкостью и удалите все пузырьки воздуха. Также делайте это между сериями измерений.

Выполните процедуру очистки, которая требует предварительной разборки волновода. Затем тщательно промойте обе пластины в подходящем растворителе, чтобы удалить все остатки веществ после эксперимента. Просушите сжатым воздухом и соберите волновод заново, как показано ранее.

Начните с получения эталонной формы волны волновода grod. Получение эталонной формы волны требуется лишь раз в несколько часов в течение каждой экспериментальной сессии, в зависимости от долгосрочной стабильности сигнала спектрометра временных областей.

Извлеките негруппированный волновод. Затем поместите чистый рифленый волновод в аппарат. Снимите форму сигнала для пустого сгруппированного волновода.

Процесс извлечения и разборки может привести к очень малым отклонениям в геометрии волновода. Эти отклонения повлияют на абсолютную резонансную частоту пустых и заполненных пазов, но не на наблюдаемый сдвиг. Таким образом, для каждого полного измерения требуется отдельный пустой эталон.

Чтобы рассчитать сдвиг, не перемещая волновод, установите заполненный шприц в держатель. Медленно заполните паз. Следите за тем, чтобы заполнение прошло качественно, без образования пузырьков и перелива.

Снимите еще одну форму волны. Если система имеет более одного желоба, продолжайте заполнять желоба и снимать показания по мере необходимости. Извлеките волновод и очистите его перед сбором следующего набора данных.

На данном примере качественно изготовленного волновода обратите внимание, что паз не проходит по всей длине или ширине волновода. После сборки параллельных пластин геометрия волновода становится пригодной для реализации датчика показателя преломления для терагерцовых частот. Для измерения показателя преломления требуется небольшой объем жидкости.

Эти данные демонстрируют типичные частотные спектры, полученные в результате анализа тетрадекана. Спектр, полученный с помощью эталонного волновода без желобков, показан черным цветом; измерения волновода с желобками без заполнения жидкостью отмечены синим, а волновода с желобками с образцом тетрадекана — красным. Затем амплитудные спектры пустого и заполненного волноводов с желобками возводятся в квадрат и делятся на спектр эталонного волновода для получения спектров коэффициента передачи мощности.

Разница в частоте между резонансными характеристиками пустого и заполненного волноводов представляет собой резонансный сдвиг, который связан с показателем преломления. При выполнении данной процедуры важно соблюдать максимальную последовательность действий и проявлять осторожность, чтобы свести к минимуму перекрестное загрязнение в волноводе. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как измерить показатель преломления микрофлюидного образца путем измерения резонансной частоты волновода с параллельными пластинами и бороздами с использованием терагерцовой спектроскопии с временным разрешением.