Summary
De zeer gevoelige fotonische micro sensor is ontwikkeld voor elektrisch veld detectie. De sensor maakt gebruik van de optische modi van een diëlektrische bol. Veranderingen in het externe elektrische veld verstoren het gebied morfologie leiden tot verschuivingen van de optische modes. De elektrische veldsterkte wordt gemeten door deze optische verschuivingen.
Abstract
Optische vormen van diëlektrische micro-holtes zijn in aanzienlijke mate aandacht in de afgelopen jaren voor hun potentieel in een breed scala van toepassingen. De optische modi worden vaak aangeduid als "Whispering Gallery modes" (WGM) of "morfologie afhankelijke resonanties" (MDR) en vertonen een hoge optische kwaliteit factoren. Sommige voorgestelde toepassingen van micro-cavity optische resonatoren zijn in spectroscopie 1, micro-cavity laser technologie 2, optische communicatie drie-zes en sensortechnologie. De WGM-gebaseerde sensor toepassingen omvatten die in de biologie 7, spoor gasdetectie 8 en onzuiverheid detectie in vloeistoffen 9. Mechanische sensoren gebaseerd op microsferen resonators zijn ook voorgesteld, waaronder die voor werking 10,11, druk 12, versnelling 13 en afschuifspanning 14. In de huidige, demonstreren we een WGM-based elektrische veld sensor, die voortbouwt op onze vorige studies 15,16. Een kandidaat toepassing van deze sensor is bij de detectie van neuronale actiepotentiaal.
Het elektrische veld sensor is gebaseerd op polymere meerlagige dielektrische microsferen. Het externe elektrische veld induceert oppervlak en volume krachten op de parels (elektrostrictie effect) leidt tot elastische vervorming. Deze verandering in de morfologie van de sferen, leidt tot verschuivingen in de WGM. Het elektrische veld-geïnduceerde WGM verschuivingen worden ondervraagd door spannende de optische modi van de sferen door middel van laserlicht. Licht van een verdeelde terugkoppeling (DFB) laser (nominale golflengte van ~ 1,3 pm) is zijdelings gekoppeld in de microsferen met een taps gedeelte van een single mode optische vezel. Het basismateriaal van de sferen is polydimethylsiloxaan (PDMS). Drie microsfeer geometrieën worden gebruikt: (1) PDMS bol met een 60:1 volumeverhouding van base-to-harder-mengsel, (2) meerlaagse gebied met 60:1 PDMS kern om de diëlektrische constante van th verhogene bol, een middenlaag van 60:1 PDMS die wordt gemengd met verschillende hoeveelheden (2% tot 10% in volume) van bariumtitanaat en een buitenlaag van 60:1 PDMS en (3) vast silica bol bedekt met een dunne laag van niet uitgeharde PDMS basis. In elk type sensor wordt laserlicht uit de tapse vezel gekoppeld in de buitenste laag die een hoge optische kwaliteitsfactor WGM (Q ~ 10 6) bepaalt. De microsferen worden gepoold gedurende verscheidene uren bij elektrische velden ~ 1 MV / m hun gevoeligheid voor elektrische veld verhogen.
Protocol
1. PDMS Microsphere Voorbereiding (Sphere I)
- Polydimethylsiloxaan (PDMS) base en het hardingsmiddel worden gemengd met een volumeverhouding van 60:1.
- Een bundel van silica optische vezel, ongeveer 2 cm lang, wordt eerst ontdaan van de plastic bekleding met een optische stripper.
- Een uiteinde van de vezel wordt verwarmd en gestrekt om een steeltje die ~ 25-50 urn in diameter aan het uiteinde voorzien.
- De gestrekte uiteinde van de vezel wordt ondergedompeld in het PDMS mengsel door een lengte van ongeveer 2-4 mm en vervolgens uitgetrokken.
- Oppervlaktespanning en gewicht van het PDMS mengsel zorgen voor de vorming van een bol op het uiteinde van de silica vezels. De grootte van de bol wordt bepaald door de lengte dompelen en extractie snelheid. Door het variëren van deze twee parameters, bol diameters tussen 100 urn - 1000 um worden verkregen.
- De microsfeer / steel wordt daarna in een oven bij ~ 90 ° C gedurende 4 uur op voldoende uitharden van de polymer materiaal (kruislings gekoppelde ketens vormen). Figuur 1a is een schema van Sphere I.
2. PDMS-based Triple Layer Sphere Voorbereiding (Sphere II)
- Een 60:1 PDMS microsferen wordt gebruikt als kern. Dezelfde stappen beschreven in 1) hierboven wordt gedurende dit proces.
- Een mengsel van bariumtitanaat (Batio 3) nano-deeltjes en 60:1 PDMS wordt gebruikt als de middelste laag. De PDMS mengsel, bereid op dezelfde wijze als beschreven in 1.1) hierboven, wordt gemengd met bariumtitanaat nanodeeltjes.
- De PDMS microsfeer kern beschreven in 2.1) wordt vervolgens ondergedompeld in het PDMS-bariumtitanaat mengsel vacht (met een laag nominale dikte van ~ 10 urn).
- Vervolgens wordt de tweelagige bol geplaatst in een oven bij ~ 90 ° C gedurende 4 uur op voldoende uitharding van de tweede laag.
- Wanneer de twee lagen bol uitgehard wordt nogmaals ondergedompeld in een mengsel van 60:1 PDMS een buitenbekleding (derde laag) te verschaffen. Deze buitenstelaag dient als sferische optische geleider (~ 10 urn dikte). Figuur 1b is een schematische weergave van Sphere II.
3. Silica / PDMS Microsphere Voorbereiding (Sphere III)
- A ~ 3 cm langsdoorsnede van een silica single mode optische vezel wordt eerst ontdaan van de buffer (kunststof) coating en de tip wordt gesmolten met behulp van een micro-toorts (samen met de mantel en kern). Oppervlaktespanning en zwaartekracht samen te werken om de gesmolten tip te vormen tot een bol. Gebieden met diameters variërend van 200 tot 500 urn kan worden verkregen met deze werkwijze.
- De silica microsferen wordt vervolgens ondergedompeld in een bad van PDMS base (zonder harder) te bedekken met een laag ~ 50 pm. Deze buitenlaag blijft als hoogviskeuze Bingham (yield stress) vloeistof. Figuur 1c is een schema van Sphere III.
4. Optical Fiber Voorbereiding
- Een sectie van een single mode optische vezel wordt ontdaan van zijn plastic cladding een optische stripper. Met een micro-toorts het gestreepte deel van de vezel wordt verhit totdat het gesmolten (zowel de mantel en vezelkern).
- Terwijl de middensectie wordt gesmolten, is een uiteinde van de optische vezel getrokken langs zijn as een trechtervormig gedeelte van de vezel die ongeveer 1 cm lange vorm. De duur van de verwarming, de treksnelheid en de afstand bepalen de diameter van het tapse gedeelte dat tussen 10 en 20 urn varieert. Het licht van de DFB laser wordt gekoppeld in het gebied door het tapse gedeelte van de vezel. Figuur 2 toont de bol-vezel koppeling.
5. Opto-elektronische Setup
- De uitgang van een afstembare DFB laser wordt gekoppeld in een single mode optische vezel aan een uiteinde en eindigde bij een snelle fotodiode aan de andere kant, zoals getoond in figuur 3.
- De fotodiode uitgang wordt gedigitaliseerd met behulp van een analoog-digitaal omzetter (A / D) en opgeslagen op een personal computer (PC).
- De DFB laser wordt afgestemd door een laser controller. De laserbesturing zijn beurt wordt aangedreven door een functiegenerator, die een zaagtandspanning input levert.
6. Elektrische Veld Generation
- Twee vierkante koperen platen (2 x 2 cm) met een dikte van 1 mm worden gebruikt om het uniform elektrisch veld genereren. De platen zijn verbonden met een spanningsbron en de bol sensoren zijn geplaatst in de ruimte tussen de twee platen (figuur 4).
- Om de meetgevoeligheid verhogen worden de bollen eerste gepoold in een elektrisch veld van 1 MV / m gedurende 2 uur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Optische mode (WGM) van de bol wordt opgewekt door het laserlicht wanneer de optische weglengte bezocht door het licht een veelvoud integer van de lasergolflengte. Voor de inrichting volgens figuur 3 is de optische weglengte 2πrn, waarbij n en r de brekingsindex en de straal van de bol, respectievelijk. Met geometrische optica benadering een WGM voorwaarde is vervuld wanneer 2πrn = lλ waarbij L een geheel getal en λ de laser golflengte. Aangezien de DFB laser wordt afgestemd over een kleine golflengte wordt de diëlektrische bol optische modi (WGM) scherpe scheiding dips in het spectrum door de optische vezel. Wanneer de bol een elastische vervorming door het externe elektrische veld ondergaat, de positie van een dip in het transmissiespectrum verschuivingen. Figuur 5 toont typische transmissie spectra en WGM verschuiving ten gevolge van extern elektrisch veld voor een60:1 PDMS gebied van 900 urn diameter. Wanneer het elektrische veld van 50 kV / m is ingeschakeld, de WGM optische mode, als een dip in het transmissiespectrum, ervaart een blauw-verschuiving van Δλ ≈ 13:09 aangeeft dat de bol wordt uitgerekt langs de veldrichting. Merk op dat de optische weglengte binnen de bol op het equatoriale vlak loodrecht op het elektrisch veld richting (figuur 4). De optische kwaliteitsfactor voor de WGM dip in de figuur ~ 5x10 5.
Figuur 6a toont de WGM verschuiving Δλ van Sphere I tot 1 Hz harmonische elektrisch veld met amplitude van 200 V / m. De bol diameter 700 pm en wordt gepoold gedurende 2 uur in een statisch elektrisch veld van 1 MV / m. De overeenkomstige verschuiving WGM vs elektrisch veld amplitude plot is weergegeven in figuur 6b. Gebied I geeft een gevoeligheid van 1,7 pm / (kV / m). De resultaten Sphere II en III zijn weergegeven in Figuren 7 en 8 respectievelijk. Figuur 7 toont de resultaten van Sphere II met buitendiameter ~ 700 urn en figuur 8 de meting weer met bol III bestond uit 300 urn silica kern en 150 pm dikte van PDMS base bekleed over. In deze metingen, de Q-factoren varieerde van 5 x 10 mei-10 juni. De bol morfologie en de bijbehorende WGM zijn gevoelig voor andere externe omstandigheden. Aldus wordt elke meting voltooid in een korte tijd (~ 1 min), zodat de milieueffecten (zoals temperatuur, vochtigheid etc.) op WGM verschuivingen verwaarloosbaar.
Figuur 1. Schema van drie bol sensor configuraties.
ig2.jpg "/>
Figuur 2. Plaatje gekoppelde bol-conische vezel.
Figuur 3. Schematische van opto-elektronische setup.
Schematische figuur 4 (a). Foto (b) van de opstelling.
Figuur 5. Transmissiespectra door de bol gekoppelde vezels.
keep-together.within-page = "always"> 
Figuur 6 WGM verschuiving van Sphere I onder harmonische veld verstoring (a);.. WGM verschuiving vs elektrisch veld amplitude (b) Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 7 WGM verschuiving van Sphere II onder harmonische veld verstoring (a);.. WGM verschuiving vs elektrisch veld amplitude (b) Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
guur 8 "fo: inhoud-width =" 6in "fo: src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8.jpg "/>
Figuur 8 WGM verschuiving van Sphere III onder harmonische veld verstoring (a);.. WGM verschuiving vs elektrisch veld amplitude (b) Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De kogels zijn aanvankelijk gepoold door verbinden van de elektroden met een DC hoogspanningsvoeding. Aan het einde van de poling duur worden de elektrodedraden losgekoppeld van de DC spanning en verbonden met een functiegenerator zoals aangegeven in figuur 4. De resultaten in Figuren 5 tot 8 tonen dat positieve en negatieve elektrische velden (opzichte richting polariteit) tot bol rek en compressie respectievelijk. Gebied I, een enkele laag 60:1 PDMS heeft een elektrisch veld gevoeligheid van 1,7 pm / (kV / m). Aanzienlijke verbetering van de gevoeligheid wordt verkregen door multi-layer bollen. Sphere II biedt elektrisch veld gevoeligheid van 2,5 pm / (kV / m). Nog een veel hogere gevoeligheid verkregen met bol III (~ 0,2 pm / (V / m) als gevolg van de zachte, vloeispanning-vloeistof buitenlaag. Met een conservatieve veronderstelling dat de minimum te meten WGM verschuiving δλ = λ / Q, typisch WGM sensor resolutie kan worden uitgedrukt
waarbij E o is het aangelegde elektrische veld. Sensorresolutie van bovenstaande vergelijking kan worden verbeterd door gebruik betere signaal verwerkingsmethoden. Bijvoorbeeld de signaalverwerking methode van onze recente studie 17 verschaft een verschuiving detectieresolutie van ~ 12:13. Voor onze studies, komt dit overeen met een sensor met Q-factor van 10 7 in de bovenstaande vergelijking voor sensor resolutie.
Deze resultaten zijn bemoedigend voor de toekomstige ontwikkeling van de WGM-gebaseerde micro-optische sensoren. Een bijzondere toepassing is een geheel optische, vezel gebaseerde neurophotonic interface.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
We hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit onderzoek wordt gesponsord door het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency onder Centers in geïntegreerde fotonica Onderzoek (cipher) programma met Dr J. Scott Rodgers als projectmanager. De informatie in dit rapport niet noodzakelijk het standpunt of het beleid van de Amerikaanse regering en geen officiële goedkeuring dient te worden afgeleid.
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
- 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.
- Tapalian, H. C., Laine, J. P., Lane, P. A. Thermooptical switches using coated microsphere resonators. IEEE photonics technology letters. 14 (8), 1118-1120 (2002).
- Little, B. E., Chu, S. T., Haus, H. A. Microring resonator channel dropping filters. Journal of lightwave technology. 15, 998-1000 (1997).
- Offrein, B. J., Germann, R., Horst, F., Salemink, H. W. M., Beyerl, R., Bona, G. L. Resonant coupler-based tunable add-after-drop filter in silicon-oxynitride technology for WDM networks. IEEE journal of selected topics in quantum electronics. 5, 1400-1406 (1999).
- Ilchenko, V. S., Volikov, P. S., et al. Strain tunable high-Q optical microsphere resonator. Optics communications. 145, 86-90 (1998).
- Arnold, S., Khoshsima, M., Teraoka, I., Holler, S., Vollmer, F. Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption. Optics. 28 (4), 272-274 (2003).
- Rosenberger, A. T., Rezac, J. P. Whispering-gallery mode evanescent-wave microsensor for trace-gas detection. Proceedings of SPIE. 4265, 102-112 (2001).
- Ioppolo, T., Das, N., Ötügen, M. V. Whispering gallery modes of microspheres in the presence of a changing surrounding medium: A new ray-tracing analysis and sensor experiment. Journal of applied physics. 107, 103105 (2010).
- Ioppolo, T., Ayaz, U. K., Ötügen, M. V. High-resolution force sensor based on morphology dependent optical resonances of polymeric spheres. Journal of applied physics. 105 (1), 013535 (2009).
- Ioppolo, T., Kozhevnikov, M., Stepaniuk, V., Ötügen, M. V., Sheverev, V. Micro-optical force sensor concept based on whispering gallery mode resonances. Applied optics. 47 (16), 3009-3014 (2008).
- Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Pressure tuning of whispering gallery mode resonators. Journal of optical society of America B. 24 (10), 2721-2726 (2007).
- Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Effect of acceleration on the morphology dependent optical resonances of spherical resonators. Journal of optical society of America B. 28, 225-227 (2011).
- Ayaz, U. K., Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Wall shear stress sensor based on the optical resonances of dielectric microspheres. Measurement science and technology. 22, 075203 (2011).
- Ioppolo, T., Ayaz, U. K., Ötügen, M. V. Tuning of whispering gallery modes of spherical resonators using an external electric field. Optics express. 17 (19), 16465-16479 (2009).
- Ioppolo, T., Stubblefield, J., Ötügen, M. V. Electric field-induced deformation of polydimethylsiloxane polymers. Journal of applied physics. 112, 044906 (2012).
- Manzo, M., Ioppolo, T., Ayaz, U. K., LaPenna, V., Ötügen, M. V. A photonic wall pressure sensor for fluid mechanics applications. Review of scientific instrumentation. 83, 105003 (2012).
