높은 감도 광자 마이크로 센서는 전기장 감지하기 위해 개발되었습니다. 센서는 유전체 영역의 광학 모드를 이용하는. 외부 전기장 교란의 광학 모드의 변화로 이어지는 영역의 형태의 변화. 전기장 강도는 이러한 광학 변화를 모니터링하여 측정됩니다.
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이 논문에서
요약
초록
유전체 마이크로 충치의 광학 모드는 응용 프로그램의 다양한에서 자신의 가능성에 대한 최근 몇 년 동안 상당한 관심을 받았습니다. 광학 모드는 자주 (WGM) 또는 "형태 의존 resonances"(MDR)과 높은 광학 품질 요소를 나타내는 "갤러리 모드를 속삭이면서"로 지칭합니다. 마이크로 캐비티 광 resonators의 일부 제안 된 응용 프로그램은 분광법 1 마이크로 캐비티 레이저 기술 2, 광 통신 3-6뿐만 아니라 센서 기술에 있습니다. WGM 기반의 센서 응용 프로그램은 생물학 7, 추적 가스 검출 8 그와 액체 9 불순물 검출이 포함되어 있습니다. microsphere의 resonators에 따라 기계적 센서는 힘 10,11, 압력 12, 가속 13 벽 전단 응력 14을 포함하여 제안되어왔다. 현재에는, 우리는 이전 studi을 토대로 WGM 기반의 전기장 센서를 검증에스 15,16. 이 센서의 후보 응용 프로그램은 neuronal 행동 잠재력의 검출에 있습니다.
전기장 센서는 고분자 다층 유전체 마이크로을 기반으로합니다. 외부 전기장은 탄성 변형에 이르는 영역 (electrostriction 효과)에 표면과 신체 힘을 유도한다. 분야의 형태의 변경은 WGM의 변화로 연결됩니다. 전기장 유도 WGM의 변화는 레이저 빛으로 분야의 흥미로운 광학 모드에 의해 심문을하고 있습니다. 배포 의견의 빛은 (DFB) 레이저 (~ 1.3 μm의 공칭 파장) 단일 모드 광섬유의 테이퍼 섹션을 사용하여 마이크로에 사이드 커플 링입니다. 분야의 기본 자료는 polydimethylsiloxane (PDMS)입니다. 세 microsphere의 형상이 사용됩니다 : 기본 - 투 - 경화 에이전트 혼합물의 60:1 용적 비율 (1) PDMS의 영역, 60:1 PDMS 핵심 (2) 멀티 레이어 영역을 일의 일정 유전체을 향상시키기 위해전자 분야, 바륨 titanate의 다양한 양의 (볼륨의 2 % 10 %) 및 60:1 PDMS의 외부 층과 얇은 층으로 코팅 (3) 고체 실리카 구체와 혼합 60:1 PDMS의 중간 층 uncured PDMS 기지. 센서의 각 유형에서 테이퍼 광섬유에서 레이저 광은 높은 광학 품질 요소 WGM (Q ~ 10 6) 제공하는 가장 바깥 층에 연결된다. 마이크로은 전기장에 대한 자신의 감도를 높이기 위해 ~ 1 MV / m의 전기장에 여러 시간 동안 poled 있습니다.
프로토콜
1. PDMS Microsphere 준비 (스피어 I)
- Polydimethylsiloxane (PDMS) 기반과 경화 에이전트는 60:1의 볼륨 비율로 혼합되어 있습니다.
- 실리카 광섬유의 가닥은 약 2cm 길이, 먼저 광 스트리퍼를 사용하여 플라스틱 cladding을 박탈합니다.
- 섬유의 한쪽 끝은 난방과 팁의 직경이 25-50 μm ~이 줄기 끝을 제공하기 위해 늘어납니다.
- 섬유의 신장 끝은 약 2~4mm의 길이에 의해 PDMS 혼합물로 침수 된 다음 꺼냈다 있습니다.
- PDMS 혼합물의 표면 장력 및 무게는 실리카 섬유의 끝에서 영역의 형성을 위해 수 있습니다. 영역의 크기는 찍어 길이와 추출 속도에 의해 제어됩니다. 범위에서이 두 매개 변수 영역의 직경을 변화시킴으로써 100 μm - 1,000 μm을 얻을 수 있습니다.
- ° C 4 시간 동안 폴리의 적절한 경화 수 있도록 microsphere / 줄기 조립 그런 다음 ~ 90시 오븐에 배치됩니다메르 소재 (교차 연결된 체인을 형성하기 위해). 그림 1a는 스피어의 I.의 개략도이다
2. PDMS 기반의 트리플 레이어 스피어 준비 (스피어 II....
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결과
빛에 의해 여행 광학 경로 길이는 레이저 파장의 여러 정수 때 영역의 광학 모드 (WGM)은 레이저 빛 예정입니다. 그림 3에 표시된 배열은 광학 경로 길이는 각각 N과 R이 영역의 굴절률과 반경 아르 2πrn,입니다. 기하학적 광학 근사치를 사용 WGM 조건이 만족 될 때 2πrn = lλ 내가 정수이며, λ는 레이저의 파장입니다. DFB 레이저는 작은 파장 범위에 걸쳐 조정되기 때문에, 유전체 영역의 광학 모드 (WGM)는 날카로 보는 광섬유를 통해 스펙트럼 딥. 영역은 외부 전기장에 의한 탄성 변형을 겪 때, 전송 스펙트럼 변화에서 수영의 위치. 그림 5는 전형적인 전송 스펙트럼과에 의한 외부 전기장에 WGM 이동을 보여줍니다900 μm 직경의 60:1 PDMS의 영역. 50 KV / m의 전기 필드가 설정되어 있으면 전송 스펙트럼에서 수영으로 볼 WGM 광학 모드, 영역이 필드 방.......
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토론
분야는 처음에 DC 고전압 공급 장치에 전극을 연결하여 poled 있습니다. poling 기간의 끝에서 전극 리드는 DC 전압 공급 장치에서 연결이 끊어되며 그림 4에 표시된대로 함수 발생기에 연결되어 있습니다. 결과는 긍정적이고 부정적인 전기 필드 (poling의 방향에 대해) 각각 영역의 연신율 및 압축 될 것으로 8 쇼를 통해 그림 5에 제시했다. 단일 층 60:1 PDMS입니다 영역의 I는 1.7 PM / (KV / m)의 전기장 감도 있습니다. 감도에 상당한 개선이 다층 영역을 사용하여 얻어진다. 영역 II 2.5 PM / (KV / m)의 전기장 감도를 제공합니다. 그러나 훨씬 더 높은 감도 스피어 III (소프트, 이윤율 스트레스 액체 외부 층으로 인해 ~ 오후 12시 2분 / (V / m). 보수적 인 가정으로 최소 측정 WGM 이동이 δλ = λ / Q, 전형적인 것을 함께 얻을 수 있습니다 WGM 센서의.......
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공개 사항
우리는 공개 할 아무 것도 없습니다.
감사의 글
이 연구는 통합 포토닉스 공학 연구 (암호화) 프로젝트 매니저로 박사 J. 스콧 로저스와 프로그램의 센터에서 미국 국방 고급 연구 프로젝트 기관의 후원을받습니다. 이 보고서에서 제공하는 정보는 반드시 위치 또는 미국 정부와 공식적인 승인의 정책이 그렇게 유추해서도 안됩니다이 반영되지 않습니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 회사 | 카탈로그 번호 | 코멘트 (선택 사항) | |
| PDMS | 다우 코닝 | Sylgard 184 | |
| 실리카 섬유 | 섬유 악기 판매 | E-37AP15-FIS | |
| 바륨 Titanate (BaTiO 3) 나노 입자 | 시그마 알드리치 | 467634-100G | |
| 레이저 컨트롤러 | ILX Lightwave | LDC-3724B | |
| DFB 레이저 | 기어 | 기어 2300 | 1.310 μm 중심 파장 |
| 포토 다이오드 | Thorlabs | PDA10CS | |
| A / D 카드 | 내쇼날 인스트루먼트 | PXI 6115 |
참고문헌
- von Klitzing, W. Tunable whispering gallery modes for spectroscopy and CQED experiments. New journal of physics. 3, 14.1-14.14 (2001).
- Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J., Sercel, P. C. Fiber-coupled microsphere laser. Optics letters. 25 (19), 1430-1432 (2000).
- Tap....
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재인쇄 및 허가
