[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种水墙微流控平台，通过使用纳米水桥维持水-空气界面微腔，实现了超过1,000,000的光学精细度，且持续时间超过16小时。该装置利用表面张力实现自稳定，使98%的腔壁由可调谐的水-空气界面构成，从而实现高Q值光学共振，展示了新型任意形状光流控谐振器的潜力。

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.

研究动机与目标

• 为克服光流控谐振器中水微滴的快速蒸发问题，从而限制其实际应用。
• 通过最小化材料损耗和辐射泄漏，实现在微腔中极高的光学精细度。
• 开发一种利用水-空气界面作为结构壁面的自稳定、可调形状微流控平台。
• 通过纳米水桥实现持续蒸发补偿，证明水基光学腔的长期稳定性。
• 仅使用水-空气界面实现任意腔体几何形状（凹形、凸形、马鞍形），以实现可调光学特性。

提出的方法

• 该装置利用纳米水桥将悬浮水滴与远处储液池连接，持续补充蒸发的水分。
• 表面张力提供自稳定，使液滴形状在长时间内保持最小形变。
• 微腔完全由水-空气界面构成，98%的壁面面积为这种界面。
• 通过倏逝耦合激发光学模式，由于形状稳定性，系统实现临界耦合。
• 该腔体支持超过1,000,000次光往返传输，表明具有超高的精细度。
• 理论与实验分析证实系统能够分辨分裂模式，表明具有高Q因子和稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 水基微腔是否可通过补偿蒸发实现长期光学共振？
• RQ2 表面张力在多大程度上可稳定水-空气界面，以维持高光学品质因数？
• RQ3 能否构建一种微流控装置，其几乎全部壁面均由水-空气界面构成，并具有任意几何形状？
• RQ4 水墙微腔中可实现的最大光学精细度是多少？
• RQ5 由于高稳定性和Q因子，此类系统是否能够分辨精细光谱特征（如分裂模式）？

主要发现

• 该装置通过纳米水桥补偿蒸发，成功将水基光学腔维持超过16小时，克服了快速蒸发问题。
• 光学精细度超过1,000,000，表明光在腔内往返传输超过100万次。
• 表面张力提供自稳定，使形状稳定至足以维持临界耦合并分辨分裂模式。
• 98%的腔体壁面由水-空气界面构成，其几何形状可调控，包括凹形、凸形和马鞍形。
• 由于材料吸收和辐射损耗极小，系统表现出高Q因子，接近由水吸收设定的理论极限。
• 该装置仅使用水-空气界面即可实现任意形状微流控腔体，开创了一类新型可调谐光流控谐振器。