Desarrollo de la Whispering Gallery Mode poliméricos micro-ópticos Sensores de campos eléctricos

El objetivo del siguiente experimento es medir ópticamente un campo eléctrico utilizando el modo de galería de susurros o fenómenos WGM. Esto se logra excitando los modos ópticos de la microesfera dieléctrica, utilizando una fibra óptica monomodo. Como segundo paso, se aplica un campo externo a la microesfera, lo que provoca un cambio en el WGM de la microesfera.

A continuación, los cambios de WGM y la magnitud del campo eléctrico aplicado se registran en una PC. Los resultados obtenidos muestran la relación entre los turnos WGM y el campo eléctrico aplicado. Las principales ventajas de esta técnica son que los sensores son mucho más pequeños, consumen mucha menos energía y hay una mejora significativa en la sensibilidad de medición.

Se inspiró en los desarrollos recientes en la tecnología de comunicaciones ópticas, este método que se puede utilizar en una gama más amplia de campos, incluidos oland, seguridad, defensa, predicción de relámpagos y neurociencia La demostración visual de este método es fundamental, ya que lograr un buen acoplamiento de luz entre la esfera y la fibra puede ser difícil de aprender debido a la necesidad de una posición precisa entre la esfera y la fibra. Aquí se estudian tres tipos de sensores de microesfera. Para preparar una esfera de tipo uno, comience con la base de polidimetil Sloane o PDMS y el agente de curado S guard 1 8 4 base de PSMS de mezcla de sílice y elastómero y el agente de curado con una relación de volumen de 60 a uno.

A continuación, use un decapante óptico para quitar una hebra de dos centímetros de fibra óptica de sílice de su cubierta de plástico. Caliente un extremo de la fibra con un soplete de butano y estírelo para proporcionar un extremo del tallo de aproximadamente 25 a 50 micrómetros de diámetro. En la punta para crear una esfera, sumerja el extremo estirado de la fibra en la mezcla de PDMS a una profundidad de dos a cuatro milímetros, y luego sáquela la profundidad final de la fibra en la mezcla y la velocidad a la que se extrae, controla el tamaño de la esfera, entierre estos dos parámetros para obtener diámetros de esfera en el rango de 100 a 1000 micrómetros.

Finalmente, coloque el conjunto de microesfera y tallo en un horno a unos 90 grados centígrados durante cuatro horas para permitir el curado adecuado del material polimérico para las esferas AO triples de tipo dos. Comience con la esfera de microesferas A-P-D-M-S, tipo uno debajo de una campana de flujo de lámina, y usando una máscara agregue entre alrededor del 2% y alrededor del 10% de volumen de nanopartículas de bario Titan ocho a la mezcla de PDMS y agente de curado de 60 a uno utilizada para crear la microesfera. Esta mezcla formará la capa intermedia.

La cantidad utilizada determinará las propiedades dieléctricas de la esfera. Sumerja la microesfera de PDMS en la mezcla de titanato de bario PDS para recubrirla con una capa con un espesor nominal de aproximadamente 10 micrómetros. A continuación, coloque la esfera de dos capas en un horno, a unos 90 grados centígrados durante cuatro horas para permitir el curado adecuado de la segunda capa.

Una vez que la esfera de dos capas esté curada y enfriada a temperatura ambiente, sumérjala nuevamente en la mezcla de PDMS de 60 a uno para proporcionar una tercera capa exterior de aproximadamente 10 micrómetros. Esta capa más externa servirá como una guía óptica esférica para la sílice de tipo tres. Microesferas PDMS.

Comience preparando un baño de espacio PDMS puro. Comience con una fibra óptica de sílice monomodo y use un separador óptico para quitar una sección de tres centímetros de largo de su recubrimiento tampón de plástico desde su extremo. Use un soplete para derretir el extremo de la fibra, incluido el revestimiento y el núcleo, usando la tensión superficial y la forma de la gravedad.

Las esferas de sílice de 200 a 500 micrómetros se pueden moldear desde la punta derretida después de la fabricación. La microesfera de sílice se sumerge en la base de PDMS para cubrirla con una capa de aproximadamente 50 micrómetros. Esta capa exterior permanece como un fluido de tensión de fluencia altamente viscoso para la preparación de la fibra óptica.

Nuevamente, comience con la longitud de la fibra óptica monomodo y use un pelador óptico para quitar de tres a cuatro centímetros de su tampón de plástico en algún lugar del medio. Use un micro soplete para calentar la sección de tira de la fibra hasta que el revestimiento y el núcleo de fibra se derritan. Cuando el núcleo esté fundido, tire de un extremo de la fibra óptica a lo largo de su eje para formar una sección cónica de aproximadamente uno o dos centímetros de largo.

El diámetro de la región cónica está determinado por la duración del calentamiento, la velocidad de tracción y la distancia de la tracción. El rango de diámetros está entre 10 y 20 micrómetros. Para probar el sistema, acople la salida del láser de retroalimentación distribuida sintonizable en el infrarrojo cercano con una longitud de onda nominal de 1,3 micras en un extremo de la fibra óptica monomodo preparada.

El otro extremo debe terminar en un fotodiodo rápido. La salida del fotodiod se digitaliza y se almacena en una computadora. Utilice una etapa de microtraducción para poner una de las microesferas de tipo uno, dos o tres en contacto con la sección cónica de la fibra óptica para proporcionar un acoplamiento óptico entre los dos elementos.

Con una salida de generador de función, un voltaje de diente de sierra de aproximadamente 600 milivoltios de amplitud y una frecuencia de kilohercios. Esta es la entrada al controlador láser DFB. Se crea un campo eléctrico aproximadamente uniforme utilizando dos placas de latón de dos centímetros por dos centímetros, cada una con un grosor de un milímetro.

Estos están dispuestos como un condensador de placa paralela y conectados a una fuente de voltaje. Los sensores de esfera se colocan en el espacio entre las placas. También se puede utilizar un campo eléctrico alto prolongado para aumentar la sensibilidad de medición de los sensores.

Para lograr este lugar, las esferas en un campo eléctrico de un mega voltio por metro durante dos horas antes de medir el cambio en la longitud de onda de la luz transmitida. En los datos que se muestran aquí hay evidencia de un cambio en la geometría de la esfera de tipo uno en presencia de un campo eléctrico. Este gráfico muestra el cambio de modo de la Galería de Susurros de una esfera de tipo uno bajo perturbación de campo armónico y el cambio de modo de la Galería de Susurros frente a la amplitud del campo eléctrico para la misma esfera.

Aquí se muestra el cambio de modo de la Galería de susurros de una esfera de tipo dos y una perturbación de campo armónico, y el cambio de modo de la galería de susurros frente a la amplitud del campo eléctrico para una esfera de tipo dos. Tenga en cuenta que hay un aumento en la sensibilidad en comparación con una esfera de tipo uno. Aquí se muestra el cambio de modo de la Galería de Susurros de una esfera de tipo tres y una perturbación de campo armónico.

Y, por último, el cambio de modo de la Galería de Susurros frente a la amplitud del campo eléctrico. Para los espectáculos de esfera de tipo tres, este tipo tiene la mayor sensibilidad. Un dominio de esta técnica se puede hacer en varias horas, incluida la preparación de la esfera y la fibra si se realiza correctamente.

Al realizar este procedimiento, es importante no contaminar la superficie de la esfera siguiendo este procedimiento. Se pueden desarrollar otras técnicas de medición basadas en desplazamientos WGM, como las de detección de campos magnéticos.