开发了一种用于电场检测的高灵敏度光子微传感器。该传感器利用介质球的光学模式。外部电场的变化会扰动球体形貌，从而导致其光学模式发生偏移。通过监测这些光学偏移即可测量电场强度。
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摘要
摘要
近年来，介质微腔的光学模式因其在广泛应用中的潜力而受到广泛关注。这些光学模式通常被称为“回音壁模式”（WGM）或“形貌依赖共振”（MDR），具有很高的光学品质因子。微腔光学谐振器的一些潜在应用包括光谱学1、微腔激光技术2、光通信3-6以及传感器技术。基于回音壁模式的传感器应用涵盖生物学7、痕量气体检测8和液体杂质检测9等领域。此外，已有研究提出基于微球谐振器的机械传感器，可用于测量力10,11、压力12、加速度13和壁面剪切应力14。本文中，我们展示了一种基于回音壁模式的电场传感器，该工作建立在我们先前的研究基础之上15,16。该传感器的一个潜在应用是神经元动作电位的检测。
电场传感器基于聚合物多层介质微球。外部电场在微球上诱导出表面力和体体力（电致伸缩效应），导致弹性形变。这种微球形态的变化会引起回音壁模式（WGM）的偏移。通过激光激发微球的光学模式来检测电场引起的WGM偏移。来自分布式反馈（DFB）激光器（标称波长约为1.3 μm）的光通过单模光纤的锥形部分侧向耦合进入微球。微球的基体材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。采用三种微球几何结构：（1）PDMS微球，其基体与固化剂的体积比为60:1；（2）多层微球，具有60:1的PDMS核心，为了提高微球的介电常数，中间层为60:1 PDMS并掺入不同体积比例（2%至10%）的钛酸钡，外层为60:1 PDMS；（3）实心二氧化硅微球，表面涂覆一层未固化的PDMS基体。在每种类型的传感器中，来自锥形光纤的激光耦合进入最外层，从而实现高质量光学因子的回音壁模式（Q ~ 106）。微球在约1 MV/m的电场下极化数小时，以提高其对电场的灵敏度。
方案
1. PDMS 微球制备（微球 I）
- 聚二甲基硅氧烷（PDMS）基料与固化剂按60:1的体积比混合。
- 取一段长约2 cm的石英光纤，首先使用光纤剥线钳去除其塑料涂覆层。
- 将光纤的一端加热并拉伸，形成尖端直径约为25–50 μm的茎状结构。
- 将拉伸后的光纤端部浸入PDMS混合液中约2–4 mm深度，然后缓慢抽出。
- 由于表面张力和PDMS混合液的自重，可在石英光纤尖端形成微球结构。微球尺寸可通过浸入深度和提拉速度进行调控。通过调节这两个参数，可获得直径在100 μm至1,000 μm范围内的微球。
- 将微球/茎状结构组装体置于约90 °C的烘箱中加热4小时，以充分固化聚合物材料（形成交联结构）。图1a为微球I的示意图。
2. 基于PDMS的三层球体制备（球体II）
- 使用 60:1 的 PDMS 微球作为内核。此过程遵循上述 1) 中所述的相同步骤。
- 中间层采用钛酸钡（BaTiO3）纳米颗粒与 60:1 PDMS 的混合物。将以上 1.1) 中所述方法制备的 PDMS 混合物与钛酸钡纳米颗粒混合。
- 然后将上述 2.1) 中描述的 PDMS 微球核心浸入 PDMS-钛酸钡混合物中，以形成涂层（涂层名义厚度约为 ~10 μm）。
- 接下来，将双层微球置于约 90 °C 的烘箱中加热 4 小时，使第二层充分固化。
- 双层微球固化后，再次将其浸入 60:1 PDMS 混合物中，形成外层包覆（第三层）。该最外层作为球形光学导波层（厚度约 10 μm）。图 1b 为 Sphere II 的示意图。
3. 二氧化硅/PDMS 微球制备（微球 III）
- 首先，取一段长约 3 cm 的石英单模光纤，去除其缓冲层（塑料）涂层，然后使用微型喷灯将其端部熔化（包括包层和纤芯）。在表面张力和重力的共同作用下，熔化的端部形成球形结构。通过此方法可制备出直径在 200 至 500 μm 范围内的微球。
- 随后，将石英微球浸入聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体（不含固化剂）中，使其表面覆盖一层约 50 μm 厚的涂层。该外层保持为高黏度的宾厄姆（屈服应力）流体。图 1c 为 Sphere III 的示意图。
4. 光纤制备
- 使用光纤剥线钳将一段单模光纤的塑料涂覆层剥离。使用微型火炬加热剥离后的光纤部分，直至其熔化（包括涂覆层和光纤纤芯）。
- 当光纤中间部分处于熔融状态时，沿轴向拉伸光纤的一端，形成约1 cm长的锥形区域。加热时间、拉伸速度和拉伸距离决定了锥形区域的直径，范围在10至20 μm之间。DFB激光器发出的光通过光纤的锥形部分耦合进入微球。 图2 展示了微球与光纤的耦合结构。
5. 光电装置
- 可调谐 DFB 激光器的输出端在一端耦合到单模光纤，并在另一端连接至快速光电二极管，如图3所示。
- 光电二极管的输出信号通过模数转换器（A/D）进行数字化，并存储在个人计算机（PC）中。
- 使用微位移平台将微球（I型、II型或III型）与光纤的锥形部分接触（图2和图3），以实现两个元件之间的光学耦合。
- DFB 激光器由激光控制器进行调谐。该激光控制器由函数发生器驱动，提供锯齿波电压输入。
6. 电场生成
- 使用两块尺寸为 2 × 2 cm、厚度为 1 mm 的方形黄铜板产生均匀电场。将这两块板连接至电压源，并将球形传感器置于两板之间的间隙中（图 4）。
- 为了提高测量灵敏度，首先在 1 MV/m 的电场中对球体进行 2 小时的极化处理。
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结果
当光的传播路径长度为激光波长的整数倍时，球体的光学模式（WGM）会被激光激发。对于图中所示的装置， 图3，光程长度为 2πrn，其中 n 和 r 分别为球体的折射率和半径。利用几何光学近似，当满足回音壁模式（WGM）条件时 2πrn = lλ 其中l 是一个整数且 λ 激光的波长. 当DFB激光器在较小波长范围内调谐时，介质微球的光学模式（WGM）会通过光纤在光谱中表现为尖锐的下降峰。当微球在外加电场作用下发生弹性形变时，透射光谱中下降峰的位置会发生偏移。 图5 显示典型透射光谱以及60:1 PDMS微球在外加电场作用下的回音壁模式（WGM）偏移 900 μm 直径。当施加50 kV/m的电场时，表现为透射谱中一个凹陷的回音壁模式光学谐振峰发生蓝移 Δλ 约1.9 pm，表明球体沿电场方向被拉长。注意，球体内部的光程位于垂直于电场方向的赤道平面上。图4）。图中WGM凹陷的光学品质因数约为~5x1...
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讨论
首先，通过将电极连接到直流高压电源对微球进行极化。在极化过程结束后，将电极引线从直流电压源断开，并按照图4所示连接至函数发生器。在图5至图8中展示的结果表明，相对于极化方向的正、负电场分别导致微球伸长和压缩。微球I为单层60:1 PDMS结构，其电场灵敏度为1.7 pm/(kV/m)。采用多层结构的微球可显著提高灵敏度。微球II的电场灵敏度达到2.5 pm/(kV/m)。而由于具有柔软的、具屈服应力的液态外层，微球III实现了更高的灵敏度（约0.2 pm/(V/m)）。在保守假设最小可测得的回音壁模式（WGM）波长偏移为δλ = λ/ Q的情况下，典型的WGM传感器分辨率可表示为
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披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
本研究由美国国防高级研究计划局（DARPA）的集成光子工程研究中心（CIPhER）项目资助，项目负责人为 J. Scott Rodgers 博士。本报告中提供的信息不一定反映美国政府的立场或政策，不应推断其官方认可。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚二甲基硅氧烷（PDMS） | 道康宁（Dow Corning） | Sylgard 184 | |
| 石英纤维 | Fiber Instrument Sales | E-37AP15-FIS | |
| 钛酸钡（BaTiO3）纳米颗粒 | 西格玛奥德里奇（Sigma Aldrich） | 467634-100G | |
| 激光控制器 | ILX Lightwave | LDC-3724B | |
| DFB激光器 | Agere | Agere 2300 | 中心波长1.310 μm |
| 光电二极管 | Thorlabs | PDA10CS | |
| A/D采集卡 | 国家仪器公司（National Instruments） | PXI 6115 |
参考文献
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