[논문 리뷰] Water-Walled Microfluidics Makes an Ultimate Optical Finesse

Shai Maayani, Leopoldo L. Martín외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 17.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 나노수브릿지를 사용하여 수중-공기 인터페이스 마이크로캐비티를 16시간 이상 유지를 통해 1,000,000 이상의 광학 미세도를 달성하는 수중 마이크로유체 플랫폼을 제시한다. 장치는 표면장력에 의해 자가안정화되며, 98%가 조절 가능한 수중-공기 인터페이스로 구성된 고-Q 광학 공진을 가능하게 하여, 임의의 형상의 옵티오유체 공진기를 위한 새로운 유형을 구현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 옵티오유체 공진기에서 수중 마이크로드롭의 급속한 증발을 극복하여 실용적 응용을 가능하게 하기 위해.
• 재료 손실과 복사 누설을 최소화하여 마이크로캐비티에서 초고미세도 광학을 달성하기 위해.
• 수중-공기 인터페이스를 구조 벽으로 사용하여 자가안정성과 형상 조절이 가능한 마이크로유체 플랫폼을 개발하기 위해.
• 나노수브릿지를 통한 지속적인 증발 보상으로 수중 기반 광학 캐비티의 장기적 안정성을 입증하기 위해.
• 조절 가능한 광학 특성을 가진 임의의 형상(오목, 볼록, 안장형)의 캐비티 기하구조를 수중-공기 인터페이스만으로 실현하기 위해.

제안 방법

• 장치는 떨어진 저장소와 연결된 나노수브릿지를 사용하여 증발한 수분을 지속적으로 보충한다.
• 표면장력이 자가안정화를 제공하여 시간이 지남에 따라 최소한의 변형으로 드롭의 형상을 유지한다.
• 마이크로캐비티는 수중-공기 인터페이스로 완전히 형성되며, 벽면 표면의 98%가 이러한 인터페이스로 구성된다.
• 광학 모드는 침습 결합을 통해 자극되며, 형상 안정성 덕분에 임계 결합 상태에 도달한다.
• 캐비티는 빛의 1,000,000회 이상의 왕복 반복을 지원하여 초고미세도를 나타낸다.
• 이론적 및 실험적 분석을 통해 분리된 모드를 해석할 수 있음을 확인하여 고 Q 인자와 안정성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 증발 보상을 통해 수중 기반 마이크로캐비티가 장기적인 광학 공진을 유지할 수 있는가?
• RQ2 표면장력이 수중-공기 인터페이스를 얼마나 잘 안정화하여 고광학 품질 인자(Q-factor)를 유지할 수 있는가?
• RQ3 임의의 형상에서 거의 모든 벽면이 수중-공기 인터페이스로 구성된 마이크로유체 장치를 구축할 수 있는가?
• RQ4 수중 벽을 가진 마이크로캐비티에서 도달 가능한 최대 광학 미세도는 얼마인가?
• RQ5 초고안정성과 고 Q 인자 덕분에 이러한 시스템이 분리된 모드와 같은 미세한 스펙트럼 특징을 해석할 수 있는가?

주요 결과

• 나노수브릿지를 통해 증발을 보상함으로써 장치는 16시간 이상 수중 기반 광학 캐비티를 유지한다.
• 광학 미세도가 1,000,000을 초과하여 빛의 100만 번 이상의 왕복 반복을 나타낸다.
• 표면장력이 자가안정화를 제공하여 형상 안정성이 임계 결합을 유지하고 분리된 모드를 해석할 수 있도록 한다.
• 캐비티 벽면 표면의 98%가 수중-공기 인터페이스로 구성되며, 오목, 볼록, 안장형과 같은 조절 가능한 기하구조를 가진다.
• 최소한의 재료 흡수와 복사 손실 덕분에 고 Q 인자를 나타내며, 수분 흡수로 인한 이론적 한계에 근접한다.
• 수중-공기 인터페이스만을 사용하여 임의의 형상 마이크로유체 캐비티를 실현함으로써, 조절 가능한 옵티오유체 공진기의 새로운 유형을 열었다.