基于回音壁模式的聚合物微光学电场传感器的研制

以下实验的目的是利用耳语回廊模式（Whispering Gallery Mode，WGM）现象，通过光学方法测量电场。该方法首先使用单模光纤激发介质微球的光学模式；随后，对微球施加外部电场，导致微球的WGM发生偏移。

接下来，将回音壁模式（WGM）的偏移量和所施加电场的强度记录到计算机中。所得结果展示了回音壁模式（WGM）偏移量与施加电场之间的关系。该技术的主要优点在于传感器尺寸更小、功耗显著降低，且测量灵敏度有明显提升。

该方法受到近期光通信技术发展的启发，可应用于更广泛的领域，包括农业、安全、国防、闪电预测以及神经科学。由于需要精确控制微球与光纤之间的相对位置，实现良好的光耦合较难掌握，因此对该方法进行可视化演示至关重要。本文研究了三种类型的微球传感器。制备第一类微球时，需准备聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体和固化剂 Sylgard 184 二氧化硅弹性体，将 PDMS 基体与固化剂按 60:1 的体积比混合。

接下来，使用光纤剥线钳将一段两厘米长的石英光纤的塑料护套剥离。用丁烷喷灯加热光纤的一端，并将其拉伸，形成直径约为25至50微米的杆状末端。为在尖端形成球体，将拉伸后的光纤末端浸入PDMS混合液中2至4毫米深度，然后将其抽出；光纤在混合液中的最终浸入深度以及抽出速度决定了球体的大小，通过调节这两个参数，可获得直径在100至1000微米范围内的球体。

最后，将微球和茎组合体放入约90摄氏度的烘箱中加热四小时，以使2型三重AO球的聚合物材料充分固化。在层流罩内，从A-P-D-M-S微球（1型）开始，佩戴口罩后向用于制备微球的PDMS与固化剂（60:1）混合物中加入约2%至约10%体积的钛酸钡纳米颗粒。该混合物将形成中间层。

所用材料的量将决定球体的介电性能。将PDMS微球浸入PDS钛酸钡混合物中，使其表面包覆一层约10微米厚的涂层。随后将双层微球置于约90摄氏度的烘箱中加热四小时，以确保第二层充分固化。

当双层球体固化并冷却至室温后，再次将其浸入60:1的PDMS混合物中，以形成约10微米厚的第三外层。该最外层将作为三型二氧化硅PDMS微球的球形光学导波结构。

首先准备一个纯PDMS空间的浴槽。取一根单模石英光纤，使用光纤剥线器从其端部去除一段3厘米长的塑料涂覆层。使用火焰加热熔化光纤端部，利用表面张力和重力作用使包层和纤芯成形。

制备后，可通过熔融尖端形成直径在200至500微米范围内的二氧化硅微球。将二氧化硅微球浸入PDMS基体中，使其表面覆盖一层约50微米厚的包覆层。该外层在光纤制备过程中保持为一种高黏度的屈服应力流体。

再次，取一段单模光纤，使用光纤剥线钳在光纤中间位置去除三到四厘米的塑料涂覆层。使用微型火炬加热已剥除涂覆层的光纤部分，直至包层和纤芯熔化。当纤芯处于熔融状态时，沿光纤轴向拉伸光纤的一端，形成一段长约一到两厘米的锥形区域。

锥形区域的直径由加热时间、拉伸速度和拉伸距离决定。直径范围在10至20微米之间。为了探测系统，将波长标称值为1.3微米的近红外可调谐分布反馈激光器的输出端耦合到已制备的单模光纤的一端。

另一端应连接至一个快速光电二极管。光电二极管的输出信号经数字化后存储于计算机中。使用微型平移台将微球（类型一、二或三）中的任意一个与光纤的锥形部分接触，以实现两个元件之间的光耦合。

使用函数发生器输出一个幅度约为600毫伏、频率为1千赫兹的锯齿波电压。该电压输入至DFB激光器控制器。利用两块尺寸为2厘米×2厘米、厚度为1毫米的黄铜板，产生一个近似均匀的电场。

这些电极被布置成平行板电容器结构，并连接至电压电源。球形传感器置于两极板之间的间隙中。施加长时间的高电场也可用于提高传感器的测量灵敏度。

为实现此目的，将微球置于每米一兆伏的电场中两小时，然后测量透射光波长的变化。此处所示数据表明，在电场存在下，一类微球的几何结构发生了改变。该图显示了一类微球在谐变电场扰动下的回音壁模式偏移，以及同一微球的回音壁模式偏移随电场强度的变化关系。

此处展示的是二型微球的回音壁模式偏移与谐变场扰动，以及二型微球的回音壁模式偏移随电场强度的变化关系。请注意，与一型微球相比，其灵敏度有所提高。此处还展示了三型微球的回音壁模式偏移与谐变场扰动。

最后是回音壁模式位移与电场强度幅值的关系。对于第三类微球，显示出此类具有最高的灵敏度。如果操作得当，包括微球和光纤的制备在内，掌握该技术可在数小时内完成。

在执行此操作过程中，重要的是避免球体表面受到污染。基于回音壁模式（WGM）频移的其他测量技术可被开发，例如用于磁场检测的技术。