[論文レビュー] Water-Walled Microfluidics Makes an Ultimate Optical Finesse

Shai Maayani, Leopoldo L. Martín+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、ナノ水ブリッジを用いて水-空気界面マイクロキャビティを16時間以上にわたり維持することで、光学フィネスが1,000,000を超える水壁型マイクロフルイディクスプラットフォームを提案する。このデバイスは表面張力による自己安定化を活用し、98%が調整可能な水-空気界面からなる壁を持つ高Q光学共鳴を実現し、任意形状の最適化可能なオプトフルイディクス共鳴子の新分野を示している。

ABSTRACT

Liquids serve microcavity research ever since Ashkins studies on optical resonances in levitating droplets to recent optofluidic resonators. Droplets can provide optical quality factor (Q) in proximity to the limit restricted by water absorption and radiation loss. However, water micro-drops vaporize quickly due to their large area to volume ratio. Here we fabricate a water-air interface that almost entirely surrounds our device, allowing for more than 1,000,000 recirculations of light (finesse). We sustain the droplets for longer than 16 hours using a nano-water-bridge that extends from the droplet to a practically-unlimited distant-reservoir that compensates for evaporation. Our device exhibits surface tension 8000-times stronger than gravity that self-stabilizes its shape to a degree sufficient to maintain critical coupling as well as to resolve split modes. Our device has 98 percents of their surrounding walls made strictly of water-air interfaces with concave, convex or saddle geometries, suggesting an arbitrary-shape microfluidic technology with water-walls almost all-over.

研究の動機と目的

• オプトフルイディクス共鳴子における水マイクロドロップレットの急速な蒸発を克服し、実用的利用を可能にすること。
• 材料損失と放射漏れを最小限に抑えることで、マイクロキャビティで超高い光学フィネスを達成すること。
• 水-空気界面を構造的壁として用いる自己安定化で形状を変更可能なマイクロフルイディクスプラットフォームを開発すること。
• ナノ水ブリッジによる連続的蒸発補償を通じて、水ベースの光学キャビティの長期安定性を実証すること。
• 任意形状（凹型、凸型、サドル型）のキャビティを、調整可能な水-空気界面のみで実現し、可変光学特性を実現すること。

提案手法

• ナノ水ブリッジを用いて、浮遊した水滴と遠く離れた貯水タンクを接続し、蒸発した水を連続補充する。
• 表面張力が自己安定化を提供し、時間経過に伴う変形を最小限に抑えながら水滴の形状を維持する。
• マイクロキャビティは完全に水-空気界面によって形成され、壁面の98%がこのような界面で構成される。
• 光学モードはエヴァネッセント結合で励起され、形状安定性のおかげで臨界結合を達成する。
• キャビティは1回の光の往復を1,000,000回以上繰り返すことができ、超高いフィネスを示している。
• 理論的および実験的分析により、分裂モードの解像が可能であることが確認され、高いQファクターと安定性を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 蒸発補償により、水ベースのマイクロキャビティが長期間にわたり光学共鳴を維持できるか。
• RQ2 表面張力が水-空気界面をどれほど安定化させ、高い光学品質因子を維持できるか。
• RQ3 任意の形状のマイクロフルイディクスデバイスを、ほぼすべての壁を水-空気界面で構成できるか。
• RQ4 水壁型マイクロキャビティで達成可能な最大の光学フィネスはどの程度か。
• RQ5 高い安定性とQファクターのおかげで、このようなシステムが分裂モードのような微細なスペクトル特徴を解像できるか。

主な発見

• ナノ水ブリッジにより、蒸発補償を実現し、水ベースの光学キャビティを16時間以上にわたり維持した。
• 光学フィネスが1,000,000を超えており、100万回を超える光の往復を示している。
• 表面張力による自己安定化のおかげで、形状安定性が確保され、臨界結合を維持し、分裂モードを解像可能となった。
• キャビティの壁面の98%が水-空気界面で構成され、凹型、凸型、サドル型など制御可能な形状を実現した。
• 材料吸収と放射損失が最小限に抑えられ、水の吸収が定める理論的限界に近い高いQファクターを達成した。
• 水-空気界面のみを用いて任意形状のマイクロフルイディクスキャビティを実現し、可変光学特性を有する新種のオプトフルイディクス共鳴子の開発に貢献した。