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

Ziel des folgenden Experiments ist es, ein elektrisches Feld mit Hilfe des Whispering Gallery-Modus oder WGM-Phänomens optisch zu vermessen. Dies wird erreicht, indem die optischen Moden der dielektrischen Mikrosphäre mit Hilfe einer Singlemode-Glasfaser angeregt werden. In einem zweiten Schritt wird ein externes Feld an die Mikrosphäre angelegt, was eine Verschiebung des WGM der Mikrosphäre bewirkt.

Als nächstes werden die WGM-Verschiebungen und die Größe des angelegten elektrischen Feldes auf einem PC aufgezeichnet. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen den Zusammenhang zwischen den WGM-Verschiebungen und dem angelegten elektrischen Feld. Die Hauptvorteile dieser Technik bestehen darin, dass die Sensoren viel kleiner sind, viel weniger Strom verbraucht wird und die Messempfindlichkeit erheblich verbessert wird.

Es wurde von den jüngsten Entwicklungen in der optischen Kommunikationstechnologie inspiriert. Diese Methode, die in einem breiteren Bereich eingesetzt werden kann, einschließlich Öl, Sicherheit, Verteidigung, Blitzvorhersage und Neurowissenschaften. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da das Erreichen einer guten Lichtkopplung zwischen der Kugel und der Faser aufgrund der Notwendigkeit einer präzisen Position zwischen der Kugel und der Faser schwierig zu erlernen sein kann. Hier werden drei Arten von Mikrosphärensensoren untersucht. Zur Herstellung einer Kugel des ersten Typs wird mit Polydimethylsloane oder PDMS-Base und dem Härter S guard 1 8 4 Silica und Elastomer Mix PDMS-Base und dem Härter mit einem Volumenverhältnis von 60 zu eins begonnen.

Verwenden Sie als Nächstes einen optischen Abisolierer, um einen zwei Zentimeter langen Strang aus Siliziumdioxid-Glasfaser von seinem Plastikmantel zu entfernen. Erhitzen Sie ein Ende der Faser mit einem Butanbrenner und dehnen Sie es, um ein Stielende mit einem Durchmesser von etwa 25 bis 50 Mikrometern zu erhalten. Tauchen Sie an der Spitze, um eine Kugel zu erzeugen, das gedehnte Ende der Faser bis zu einer Tiefe von zwei bis vier Millimetern in das PDMS-Gemisch ein und ziehen Sie es dann heraus. Die endgültige Tiefe der Faser in der Mischung und die Geschwindigkeit, mit der sie extrahiert wird, steuert die Größe der Kugel, vergraben Sie diese beiden Parameter, um Kugeldurchmesser im Bereich von 100 bis 1000 Mikrometern zu erhalten.

Legen Sie schließlich die Mikrokugel und die Stielbaugruppe für vier Stunden in einen Ofen bei etwa 90 Grad Celsius, um eine ordnungsgemäße Aushärtung des Polymermaterials für die Dreifach-AO-Kugeln vom Typ zwei zu ermöglichen. Beginnen Sie mit der Mikrosphäre A-P-D-M-S, geben Sie eine unter einer Lamina-Flow-Haube ein und fügen Sie unter Verwendung einer Maske zwischen etwa 2 % und etwa 10 % Volumen Barium-Titan acht Nanopartikel zu der 60 zu einer PDMS- und Härter-Mischung hinzu, die zur Herstellung der Mikrosphäre verwendet wurde. Diese Mischung bildet die mittlere Schicht.

Die verwendete Menge bestimmt die dielektrischen Eigenschaften der Kugel. Tauchen Sie die PDMS-Mikrosphäre in das PDS-Bariumtitanat-Gemisch, um sie mit einer Schicht mit einer Nenndicke von ca. 10 Mikrometern zu überziehen. Legen Sie dann die zweischichtige Kugel vier Stunden lang bei etwa 90 Grad Celsius in einen Ofen, damit die zweite Schicht richtig aushärten kann.

Sobald die zweischichtige Kugel ausgehärtet und auf Raumtemperatur abgekühlt ist, tauchen Sie sie erneut in das PDMS-Gemisch von 60 zu eins, um eine dritte äußere Schicht von etwa 10 Mikrometern zu erhalten. Diese äußerste Schicht dient als kugelförmiger optischer Leitfaden für das Siliziumdioxid vom Typ drei. PDMS-Mikrosphären.

Beginnen Sie mit der Vorbereitung eines Bades aus reinem PDMS-Raum. Beginnen Sie mit einer Singlemode-Siliziumdioxid-Glasfaser und verwenden Sie einen optischen Abisolierer, um einen drei Zentimeter langen Abschnitt der Kunststoffpufferbeschichtung von seinem Ende zu entfernen. Verwenden Sie einen Brenner, um das Ende der Faser, einschließlich der Ummantelung und des Kerns, unter Verwendung der Oberflächenspannung und der Schwerkraftform zu schmelzen.

Die Kugel-Silica-Kugeln von 200 bis 500 Mikrometern können nach der Herstellung aus der geschmolzenen Spitze geformt werden. Die Siliziumdioxid-Mikrokugel wird in die PDMS-Basis eingetaucht, um sie mit einer Schicht von ca. 50 Mikrometern zu überziehen. Diese äußere Schicht bleibt als hochviskose Fließspannungsflüssigkeit für die Glasfaservorbereitung erhalten.

Beginnen Sie auch hier mit der Länge einer Singlemode-Glasfaser und verwenden Sie einen optischen Abisolierer, um drei bis vier Zentimeter ihres Kunststoffpuffers irgendwo in der Mitte zu entfernen. Verwenden Sie einen Mikrobrenner, um den Streifenabschnitt der Faser zu erhitzen, bis die Ummantelung und der Faserkern geschmolzen sind. Wenn der Kern geschmolzen ist, ziehen Sie ein Ende der optischen Faser entlang seiner Achse, um einen sich verjüngenden Abschnitt zu bilden, der etwa ein bis zwei Zentimeter lang ist.

Der Durchmesser des konischen Bereichs wird durch die Dauer der Erwärmung, die Zuggeschwindigkeit und den Abstand des Zuges bestimmt. Der Durchmesserbereich liegt zwischen 10 und 20 Mikrometern. Um das System zu untersuchen, koppeln Sie den Ausgang eines abstimmbaren Lasers mit verteilter Rückkopplung im nahen Infrarot mit einer Nennwellenlänge von 1,3 Mikrometern in ein Ende der vorbereiteten Singlemode-Glasfaser.

Das andere Ende sollte an einer schnellen Fotodiode abgeschlossen werden. Der Fotodiodenausgang wird digitalisiert und auf einem Computer gespeichert. Verwenden Sie einen Mikro-Translationstisch, um eine der Mikrokugeln vom Typ eins, zwei oder drei mit dem konischen Abschnitt der optischen Faser in Kontakt zu bringen, um eine optische Kopplung zwischen den beiden Elementen zu gewährleisten.

Bei einem Funktionsgeneratorausgang ergibt sich eine Sägezahnspannung von etwa 600 Millivolt Amplitude und einer Kilohertz-Frequenz. Diese wird in den DFB-Lasercontroller eingegeben. Ein annähernd gleichmäßiges elektrisches Feld wird aus zwei mal zwei Zentimeter großen Messingplatten mit einer Dicke von jeweils einem Millimeter erzeugt.

Diese sind als paralleler Plattenkondensator angeordnet und mit einer Spannungsversorgung verbunden. Die Kugelsensoren werden im Spalt zwischen den Platten platziert. Ein anhaltend hohes elektrisches Feld kann auch genutzt werden, um die Messempfindlichkeit der Sensoren zu erhöhen.

Um diesen Platz zu erreichen, werden die Kugeln zwei Stunden lang in ein elektrisches Feld von einem Megavolt pro Meter gehalten, bevor sie die Verschiebung der Wellenlänge des durchgelassenen Lichts messen. In den hier gezeigten Daten gibt es Hinweise auf eine Änderung der Kugelgeometrie vom Typ eins in Gegenwart eines elektrischen Feldes. Dieses Diagramm zeigt die Verschiebung des Modus "Whispering Gallery" einer Kugel vom Typ 1 unter harmonischer Feldstörung und die Verschiebung des Modus "Whispering Gallery" in Abhängigkeit von der Amplitude des elektrischen Feldes für dieselbe Kugel.

Hier ist die Verschiebung des Modus "Flüsternde Galerie" einer Kugel vom Typ zwei und einer harmonischen Feldstörung sowie die Verschiebung des Modus "Flüsternde Galerie" in Abhängigkeit von der Amplitude des elektrischen Feldes für eine Kugel vom Typ zwei dargestellt. Beachten Sie, dass die Empfindlichkeit im Vergleich zu einer Kugel vom Typ 1 zunimmt. Hier ist die Modusverschiebung der Flüstergalerie einer Kugel vom Typ drei und einer harmonischen Feldstörung dargestellt.

Und schließlich die Verschiebung des Whispering Gallery-Modus in Abhängigkeit von der Amplitude des elektrischen Feldes. Für den Typ drei Kugel zeigt sich, dass dieser Typ die größte Empfindlichkeit hat. Ein Master bei dieser Technik kann in mehreren Stunden durchgeführt werden, einschließlich Kugel- und Faservorbereitung, wenn sie richtig durchgeführt wird.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, dass die Kugeloberfläche nicht verunreinigt wird. Es können auch andere Messtechniken entwickelt werden, die auf WGM-Verschiebungen basieren, wie z.B. solche zur Magnetfelddetektion.