Summary
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.
Abstract
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.
Protocol
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)
- 60:1 PDMS의 microsphere는 내부 코어로 사용됩니다. 위 1)에 설명 된 동일한 단계이 과정에 따라 수 있습니다.
- 바륨 titanate의 혼합물은 (BaTiO 3) 나노 입자와 60:1 PDMS는 중간 레이어로 사용됩니다. 위의 1.1에 설명 된 동일한 방법)에 준비 PDMS 혼합물은, 바륨 titanate 나노 입자과 혼합되어 있습니다.
- 2.1에 설명 된 PDMS의 microsphere 코어)이 후 코트를 (~ 10 μm의 레이어 공칭 두께)에 PDMS-바륨 titanate 혼합물을 과감하게된다.
- 다음, 두 레이어 영역은 ~ 90시 ° C 두 번째 계층의 적절한 경화를 허용하는 4 시간에 오븐에 배치되어 있습니다.
- 두 레이어 영역이 완치되면, 다시 외부 코팅 (3 층)을 제공하는 60:1 PDMS의 혼합물에 몰두하고 있습니다. 이 바깥 쪽층은 구형 광학 가이드 (~ 10 μm의 두께)로 제공하고 있습니다. 그림 1b는 스피어 II의 개략도이다.
3. 실리카 / PDMS의 Microsphere 준비 (스피어 III)
- 실리카 단일 모드 광섬유의 ~ 3cm 길이 섹션은 우선 버퍼 (플라스틱) 코팅을 박탈되어 다음의 팁은 마이크로 횃불 (함께 cladding와 코어)를 사용하여 녹입니다. 표면 장력과 중력이 영역에 녹인 팁을 형성하기 위해 함께 작동합니다. 200-500 μm에 이르기까지 직경과 영역이 프로세스를 구할 수 있습니다.
- 실리카 microsphere 그런 다음 ~ 50 μm의 코트로 충당하기 위해 (경화 에이전트없이) PDMS 기반의 욕조에 몰두하고 있습니다. 이 외부 층은 높은 점성 빙햄 (항복 응력) 액체로 유지합니다. 그림 1C는 스피어 III의 개략도이다.
4. 광학 섬유 준비
- 단일 모드 광섬유의 부분은 그 플라스틱 CIA의 제거입니다광학 스트리퍼를 사용하여 딩. 이 (cladding와 섬유 코어 모두) 용융 될 때까지 섬유의 마이크로 횃불 줄무늬 섹션을 사용하면 가열합니다.
- 중간 섹션 용융이지만, 광섬유의 한쪽 끝이 약 1cm 긴 섬유의 테이퍼 부분을 형성하기 위해 축을 따라 당겨 있습니다. 난방의 기간은, 당기는 속도와 거리가 10 ~ 20 μm를 범위 테이퍼 부분의 직경을 결정합니다. DFB 레이저에서 빛이 섬유의 테이퍼 섹션을 통해 영역으로 연결된다. 그림 2는 구형 섬유 커플 링을 보여줍니다.
5. 광전자 설정
- 조정할 수 DFB 레이저의 출력은 한쪽 끝에서 단일 모드 광섬유로 연결되고 그림 3과 같이 다른 쪽 끝에서 빠르게 광 다이오드에 종료됩니다.
- 포토 다이오드의 출력은 아날로그 - 디지털 변환기를 (A / D)를 사용하여 디지털화 및 개인용 컴퓨터 (PC)에 저장됩니다.
- DFB 레이저는 레이저 컨트롤러에 의해 조정된다. 차례 레이저 컨트롤러는 톱니 전압 입력을 제공하는 함수 발생기에 의해 구동됩니다.
6. 전기 필드 생성
- 1mm의 두께로 두 사각형 황동 플레이트 (2 X 2cm) 균일 한 전기장을 생성하는 데 사용됩니다. 플레이트는 전압 공급 장치에 연결되어 구형 센서는 두 개의 플레이트 (그림 4) 사이의 간격에 배치됩니다.
- 측정 감도를 높이기 위해, 분야가 먼저 2 시간 1 MV / m의 전기장에 poled 있습니다.
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Representative Results
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 방향을 따라 가늘고 긴 것을 나타내는 Δλ ≈ 오후 1시 9분의 푸른 변화를 경험한다. 영역 내부의 광학 경로 길이가 전기장 방향 (그림 4)에 일반 적도 비행기에 있습니다. 그림에서 WGM 수영에 대한 광학 품질 요소는 ~ 5x10 5.
그림 6A 200 V / m의 진폭 1 Hz에서 고조파 전기장에 따라 스피어 I의 WGM 변화, Δλ를 보여줍니다. 구체 직경 700 μm이며, 1 MV / m의 정적 전기 분야에서 2 시간에 poled 있습니다. 해당 WGM 이동 대 전기 필드 진폭 플롯은 그림 6B에 표시됩니다. 체가 나는 1.7 감도를 산출시 / (KV / m).에게 스피어 II 및 III에 대한 결과는 그림에 표시됩니다 각각 7, 8. 그림 7은 외경 ~ 700 μm 및 그림 8은 그 위에 코팅 PDMS 기반 300 μm 실리카 코어, 150 μm의 두께로 구성 스피어 III로 측정을 표시와 함께 스피어 II의 결과를 보여줍니다. 이 측정에서 Q-요인은 5 ~ X 10월 5일에서 10월 6일까지을 원거리. 영역의 형태와 관련을 WGM 다른 외부 조건에 민감합니다. 따라서, 각 측정 WGM의 변화에 환경에 미치는 영향 (예 : 온도, 습도 등) 무시할 아르 그럼, 시간 (~ 1 분)의 짧은 기간에 완료됩니다.
그림 1. 세 가지 영역 센서 구성의 도식.
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그림 2. 결합 영역 - 테이퍼 섬유의 사진.
그림 3. 광전자 설정의 도식.
그림 4 도식 ();. (b)는 실험 설정의 사진.
그림 5. 영역 - 결합 섬유를 통해 전송 스펙트럼.
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그림 6 조화 필드 섭동에 따라 스피어 I의 WGM 이동 ();.. WGM 변화 대 전기장 진폭 (b)는 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
그림 7 고조파 필드 섭동에 따라 스피어 II의 WGM 교대 ();.. WGM 변화 대 전기장 진폭 (b)는 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
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그림 8 고조파 필드 섭동에 따라 스피어 III의 WGM 교대 ();.. WGM 변화 대 전기장 진폭 (b)는 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
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Discussion
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 해상도는 다음과 같이 표현 될 수있다
위치 E O는 적용 전기장 수 있습니다. 위의 방정식에서 주어진 센서 해상도는 더 나은 신호 처리 방법을 활용하여 더욱 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 최근 연구 17에 설명되어있는 신호 처리 방법 ~ 오후 12시 13분의 변화 감지 해상도를 제공합니다. 우리의 연구를 들어,이 센서 확인을 위해 위의 방정식에서 10 7의 센서 Q-인자를 갖는 동일합니다.
이러한 결과는 WGM 기반 마이크로 광 센서의 미래 발전을 권장하고 있습니다. 특정 응용 프로그램이 모든 광학, 섬유 기반 neurophotonic 인터페이스입니다.
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Disclosures
우리는 공개 할 아무 것도 없습니다.
Acknowledgments
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.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| Silica fiber | Fiber Instrument Sales | E-37AP15-FIS | |
| Barium Titanate (BaTiO3) nanoparticles | Sigma Aldrich | 467634-100G | |
| Laser Controller | ILX Lightwave | LDC-3724B | |
| DFB Laser | Agere | Agere 2300 | 1.310 μm central wavelength |
| Photodiode | Thorlabs | PDA10CS | |
| A/D Card | National Instruments | PXI 6115 |
References
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