Entwicklung von Whispering Gallery-Modus polymeren Mikro-optische Electric Field Sensoren

Summary

Eine hochempfindliche photonischen Mikrosensor wurde für elektrische Feld Detektion entwickelt. Der Sensor nutzt die optischen Moden eines dielektrischen Kugel. Änderungen in der externen elektrischen Feld stören die Kugel Morphologie, die zu Verschiebungen in seiner optischen Modi. Die elektrische Feldstärke wird durch die Überwachung dieser optischen Verschiebungen gemessen.

Abstract

Optischen Moden der dielektrischen Mikrohohlräume haben erhebliche Aufmerksamkeit in den letzten Jahren auf ihr Potential in einem breiten Bereich von Anwendungen. Die optischen Moden werden häufig als "whispering gallery modes" (WGM) oder "Morphologie Resonanzen" (MDR) und eine hohe optische Qualität genannten Faktoren. Einige vorgeschlagene Anwendungen von Mikro-Hohlraum optische Resonatoren sind in der Spektroskopie ^ein, Mikro-Cavity-Laser-Technologie ^2, optische Kommunikation ^3-6 sowie Sensor-Technologie. Die WGM-basierten Sensor-Anwendungen schließen diejenigen ein, in der Biologie ^7, Spurengaserkennung ^8, und Unreinheit Grenzstanderfassung in Flüssigkeiten ^9. Mechanische Sensoren auf Basis von Mikrokügelchen Resonatoren sind ebenfalls vorgeschlagen worden, einschließlich solcher für Kraft ^10,11, Druck ^{12, 13} und Beschleunigung Wandschubspannung ^14. In der vorliegenden demonstrieren wir einen WGM-basierte elektrische Feld-Sensor, der auf unseren früheren studi bautes ^15,16. Ein Kandidat Anwendung dieses Sensors ist bei der Detektion von neuronalen Aktionspotentials.

Der elektrische Feldsensor ist an polymeren mehrschichtigen dielektrischen Mikrosphären berechnet. Das äußere elektrische Feld induziert Oberfläche und Körper Kräfte auf den Kugeln (Elektrostriktionseffekt) führenden elastische Verformung. Diese Veränderung in der Morphologie der Kugeln, führt zu Veränderungen in der WGM. Das elektrische Feld induzierte WGM Verschiebungen werden durch Anregen der optischen Moden der Kugeln durch Laserlicht abgefragt. Licht von einer Distributed Feedback (DFB)-Laser (nominalen Wellenlänge von ~ 1,3 um) ist in die Mikrokügelchen mit einem verjüngten Abschnitt einer optischen Einmodenfaser nebeneinander gekoppelt. Das Grundmaterial der Kugeln ist Polydimethylsiloxan (PDMS). Drei Mikrokugel Geometrien verwendet werden: (1) PDMS Kugel mit einem Volumenverhältnis von 60:1 Basis-Härtermischung, (2) Mehrschicht Kugel mit 60:1 PDMS Kern, um die Dielektrizitätskonstante zu erhöhen the Kugel, einer mittleren Schicht von 60:1 PDMS, die mit unterschiedlichen Mengen (2% bis 10% nach Volumen) aus Bariumtitanat und einer äußeren Schicht von 60:1 PDMS und (3) feste Silica Kugel mit einer dünnen Schicht beschichtet gemischt wird von ungehärtetem PDMS Basis. In jeder Art von Sensor wird Laserlicht von dem verjüngten Faser in der äußersten Schicht, die eine hohe optische Qualität Faktor WGM (Q ~ 10 ⁶⁾ bietet gekoppelt. Die Mikrokugeln werden mehrere Stunden bei elektrischen Feldern von ~ 1 MV / m gepolt ihrer Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldes zu erhöhen.

Protocol

Ein. PDMS Microsphere Vorbereitung (Sphere I)

1. Polydimethylsiloxan (PDMS)-Basis und der Härter werden mit einem Volumenverhältnis von 60:1 vermischt.
2. Ein Strang der Kieselsäure optische Faser, etwa 2 cm lang, wird zunächst der Kunststoffverkleidung unter Verwendung eines optischen Stripper gestrippt.
3. Ein Ende der Faser erhitzt und gestreckt, um ein Schaftende, das ~ 25-50 um Durchmesser an der Spitze bereitzustellen.
4. Die gestreckte Ende der Faser wird in die PDMS-Gemisch durch eine Länge von ungefähr 2-4 mm eingetaucht und dann herausgezogen wird.
5. Oberflächenspannung und Gewicht des PDMS-Gemisch ermöglichen zur Bildung einer Kugel an der Spitze des Silica Faser. Die Größe der Kugel wird durch das Eintauchen Länge und Extraktion Geschwindigkeit gesteuert. Durch Variation dieser beiden Parameter, Kugeldurchmesser im Bereich 100 um - 1000 um erhalten werden.
6. Mikrokugel / Stengel Anordnung wird dann in einem Ofen bei ~ 90 ° C gelegt 4 h für richtiges Heilen des Poly erlaubenmer Material (zum vernetzten Ketten zu bilden). 1a ist eine schematische Darstellung Sphere I.

2. PDMS-basierte Triple Layer Sphere Vorbereitung (Sphere II)

1. Ein 60:1 PDMS Mikrokugel ist als der innere Kern verwendet. Die gleichen Schritte in 1) oben beschrieben ist für dieses Verfahren gefolgt.
2. Eine Mischung aus Bariumtitanat (BaTiO ₃₎ Nanopartikeln und 60:1 PDMS ist als die mittlere Schicht verwendet. Die PDMS-Gemisch, in der gleichen Weise in 1.1 beschrieben) oben hergestellt, wird mit Bariumtitanat Nanopartikeln vermischt.
3. Das PDMS Mikrokugel Kern in 2.1 beschrieben) wird dann in der PDMS-Bariumtitanat Mischung zu beschichten (mit einer Schicht Nenndicke von ~ 10 um) getaucht.
4. Als nächstes wird der zweischichtige Bereich in einem Ofen bei ~ 90 ° C für 4 Stunden, um eine ordnungsgemäße Aushärten der zweiten Schicht zu ermöglichen platziert.
5. Sobald der zweischichtige Bereich gehärtet wird, wird er wieder in einem Gemisch aus 60:1 PDMS, um eine äußere Beschichtung (dritte Schicht) bereitzustellen eingetaucht. Diese äußersteSchicht dient als sphärische optische Führung (~ 10 um Dicke). 1b ist eine schematische Darstellung Sphere II.

3. Silica / PDMS Microsphere Vorbereitung (Sphere III)

1. Ein ~ 3 cm langer Abschnitt einer Kieselsäure Einmodenlichtleitfaser ist ersten seiner Puffer (Kunststoff)-Beschichtung abgestreift und dann seine Spitze wird geschmolzen unter Verwendung eines Mikro-Fackel (zusammen mit dem Mantel und Kern). Oberflächenspannung und Schwerkraft arbeiten zusammen, um das geschmolzene Spitze in einer Kugel formen. Kugeln mit Durchmessern im Bereich von 200 bis 500 um mit diesem Verfahren erhalten werden.
2. Das Siliciumdioxid Mikrokugel wird dann in ein Bad aus PDMS Basis eingetaucht (ohne Härtemittel), um es mit einem Mantel von ~ 50 um bedecken. Diese äußere Schicht bleibt als hochviskose Bingham (Yield-Stress) Flüssigkeit. Abbildung 1c ist eine schematische Darstellung Sphere III.

4. Optical Fiber Vorbereitung

1. Ein Abschnitt einer optischen Einmodenfaser ist der Kunststoff cla gestripptdding Verwendung eines optischen Stripper. Verwendung einer Mikro-Fackel die gestreifte Abschnitt der Faser erhitzt, bis sie geschmolzen ist (sowohl die Verkleidung und Faserkern).
2. Während der mittlere Abschnitt geschmolzen ist, wird ein Ende der optischen Faser entlang ihrer Achse gezogen, um einen verjüngten Abschnitt der Faser, der etwa 1 cm lang ist auszubilden. Die Dauer des Erhitzens, bestimmen die Ziehgeschwindigkeit und Abstand den Durchmesser des sich verjüngenden Abschnitt, der zwischen 10 und 20 um liegt. Das Licht von dem DFB-Laser in die Kugel durch den verjüngten Abschnitt der Faser gekoppelt. Abbildung 2 zeigt die Kugel-Faserkopplung.

5. Optoelektronische Setup-

1. Der Ausgang eines durchstimmbaren DFB-Laser in eine optische Monomodefaser an einem Ende gekoppelt ist und terminiert mit einer schnellen Photodiode am anderen Ende, wie in Abbildung 3 dargestellt.
2. Die Photodiode ausgegeben wird digitalisiert mittels eines Analog-Digital-Wandler (A / D) und auf einem Personal Computer (PC).
3. Verwenden eines Mikro-Translationsbühne das Mikrokügelchen (Typ I, II oder III) ist in Kontakt mit dem sich verjüngenden Abschnitt der optischen Faser (2 und 3) gebracht, um eine optische Kopplung zwischen den beiden Elementen bereitstellen.
4. Der DFB-Laser wird durch einen Laser-Controller abgestimmt. Der Laser-Controller, der seinerseits durch einen Funktionsgenerator, der eine Sägezahnspannung angetrieben Eingang liefert.

6. Electric Field-Generation

1. Zwei quadratische Messingplatten (2 x 2 cm) mit einer Dicke von 1 mm verwendet werden, um die gleichmäßige elektrische Feld zu erzeugen. Die Platten werden mit einer Spannungsversorgung verbunden ist und die Kugel-Sensoren werden in den Spalt zwischen den beiden Platten (Abbildung 4) gelegt.
2. Um die Messempfindlichkeit zu erhöhen, werden die Kugeln zuerst in einem elektrischen Feld von 1 MV / m 2 h gepolt.

Results

Optisches Modus (WGM) der Kugel wird durch das Laserlicht angeregt wenn optische Weglänge durch das Licht Paar ist ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Lasers. Für die Anordnung in Fig. 3 gezeigt, ist die optische Weglänge 2πrn, wobei n und r sind der Brechungsindex und der Radius der Kugel sind. Verwendung geometrischen Optik Näherung ein WGM erfüllt ist, wenn 2πrn = lλ wobei l eine ganze Zahl ist und λ ist der Laser-Wellenlänge....

Discussion

Die Kugeln sind anfänglich durch Verbinden der Elektroden mit einer Gleichstromquelle Hochspannungsversorgung gepolt. Am Ende der Dauer der Polung sind die Elektrodenzuleitungen von der DC-Spannungsversorgung getrennt und mit einem Funktionsgenerator, wie in 4 angedeutet. Die Ergebnisse in den Figuren 5 bis 8 zeigen, dass positive und negative elektrische Felder (relativ zur Richtung der Polung) zu Sphäre Dehnung und Kompression führen, jeweils dargestellt. Sphere I, di...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
	Firma	Katalog-Nummer	Kommentare (optional)
PDMS	Dow Corning	Sylgard 184
Quarzglasfaser	Fiber Instrument Vertrieb	E-37AP15-FIS
Barium-Titanat (BaTiO 3) Nanopartikel	Sigma Aldrich	467.634-100G
Laser Controller	ILX Lightwave	LDC-3724B
DFB Laser	Agere	Agere 2300	1,310 um zentrale Wellenlänge
Photodiode	Thorlabs	PDA10CS
A / D-Karte	National Instruments	PXI 6115