Développement de Whispering Gallery mode polymères micro-capteurs de champ électrique

L’objectif de l’expérience suivante est de mesurer optiquement un champ électrique en utilisant le mode Whispering Gallery ou les phénomènes WGM. Ceci est réalisé en excitant les modes optiques de la microsphère diélectrique, à l’aide d’une fibre optique monomode. Dans un deuxième temps, un champ externe est appliqué à la microsphère, ce qui provoque un décalage dans le WGM de la microsphère.

Ensuite, les décalages WGM et l’amplitude du champ électrique appliqué sont enregistrés sur un PC. Les résultats obtenus montrent la relation entre les décalages WGM et le champ électrique appliqué. Les principaux avantages de cette technique sont que les capteurs sont beaucoup plus petits, qu’ils consomment beaucoup moins d’énergie et qu’il y a une amélioration significative de la sensibilité de mesure.

Il a été inspiré par les développements récents de la technologie des communications optiques, Cette méthode peut être utilisée dans un plus large éventail de domaines, y compris l’oland, la sécurité, la défense, la prédiction de la foudre et les neurosciences La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle car l’obtention d’un bon couplage de la lumière entre la sphère et la fibre peut être difficile à apprendre en raison de la nécessité d’une position précise entre la sphère et la fibre. Trois types de capteurs de microsphères sont étudiés ici. Pour préparer une sphère de type un, commencez avec la base de polydiméthyl Sloane ou PDMS et l’agent de durcissement S guard 1 8 4 silice et mélange d’élastomères de base PDMS et l’agent de durcissement avec un rapport de volume de 60 pour un.

Ensuite, utilisez un décapant optique pour dénuder un brin de deux centimètres de fibre optique de silice de sa gaine en plastique. Chauffez une extrémité de la fibre avec une torche au butane et étirez-la pour obtenir une extrémité de tige d’environ 25 à 50 micromètres de diamètre. À la pointe pour créer une sphère, trempez l’extrémité étirée de la fibre dans le mélange PDMS à une profondeur de deux à quatre millimètres, puis retirez-la la profondeur finale de la fibre dans le mélange et la vitesse à laquelle elle est extraite, contrôle la taille de la sphère, enterrez ces deux paramètres pour obtenir des diamètres de sphère dans la gamme de 100 à 1000 micromètres.

Enfin, placez l’ensemble microsphère et tige dans un four à environ 90 degrés centigrades pendant quatre heures pour permettre un bon durcissement du matériau polymère pour les sphères triples AO de type deux. Commencez par une sphère de microsphère A-P-D-M-S, tapez une sous une hotte à flux de lames et, à l’aide d’un masque, ajoutez entre environ 2 % et environ 10 % de volume de nanoparticules de baryum Titan huit au mélange de 60 PDMS et d’agent de durcissement utilisé pour créer la microsphère. Ce mélange formera la couche intermédiaire.

La quantité utilisée déterminera les propriétés diélectriques de la sphère. Trempez la microsphère PDMS dans le mélange de titanate de baryum PDS pour l’enrober d’une couche d’une épaisseur nominale d’environ 10 micromètres. Ensuite, placez la sphère à deux couches dans un four, à environ 90 degrés centigrades pendant quatre heures pour permettre un bon durcissement de la deuxième couche.

Une fois que la sphère à deux couches est durcie et refroidie à température ambiante, plongez-la à nouveau dans le mélange PDMS à 60 pour un pour fournir une troisième couche externe d’environ 10 micromètres. Cette couche la plus externe servira de guide optique sphérique pour la silice de type trois. Microsphères PDMS.

Commencez par préparer un bain d’espace PDMS pur. Commencez avec une fibre optique de silice monomode et utilisez une décapeuse optique pour dénuder une section de trois centimètres de long de son revêtement tampon en plastique à partir de son extrémité. Utilisez une torche pour faire fondre l’extrémité de la fibre, y compris la gaine et le noyau, en utilisant la tension superficielle et la forme de gravité.

Les sphères de silice allant de 200 à 500 micromètres peuvent être façonnées à partir de la pointe fondue après fabrication. La microsphère de silice est immergée dans la base PDMS pour la recouvrir d’une couche d’environ 50 micromètres. Cette couche externe reste comme un fluide de contrainte d’élasticité très visqueux pour la préparation de la fibre optique.

Encore une fois, commencez par la longueur de la fibre optique monomode et utilisez une décapeuse optique pour retirer trois à quatre centimètres de son tampon en plastique quelque part au milieu. Utilisez une micro-torche pour chauffer la section de bande de la fibre jusqu’à ce que la gaine et le noyau de la fibre soient fondus. Lorsque le noyau est fondu, tirez une extrémité de la fibre optique le long de son axe pour former une section conique d’environ un à deux centimètres de long.

Le diamètre de la région effilée est déterminé par la durée de chauffage, la vitesse de traction et la distance de traction. La gamme de diamètres est comprise entre 10 et 20 micromètres. Pour sonder le système, couplez la sortie du laser à rétroaction distribuée accordable dans le proche infrarouge avec une longueur d’onde nominale de 1,3 micron à une extrémité de la fibre optique monomode préparée.

L’autre extrémité doit être terminée par une photodiode rapide. La sortie photodiode est numérisée et stockée sur un ordinateur. Utilisez une platine de micro-translation pour mettre l’une des microsphères de type un, deux ou trois en contact avec la section conique de la fibre optique afin de fournir un couplage optique entre les deux éléments.

Avec une sortie générateur de fonction, une tension en dents de scie d’une amplitude d’environ 600 millivolts et une fréquence d’un kilohertz. Il s’agit de l’entrée du contrôleur laser DFB. Un champ électrique à peu près uniforme est créé à l’aide de deux plaques de laiton de deux centimètres sur deux centimètres, chacune d’une épaisseur d’un millimètre.

Ceux-ci sont disposés comme un condensateur à plaque parallèle et connectés à une alimentation en tension. Les capteurs sphériques sont placés dans l’espace entre les plaques. Un champ électrique élevé prolongé peut également être utilisé pour augmenter la sensibilité de mesure des capteurs.

Pour réaliser cet endroit, les sphères dans un champ électrique d’un méga volt par mètre pendant deux heures avant de mesurer le décalage de la longueur d’onde de la lumière transmise. Dans les données présentées ici, il y a la preuve d’un changement dans la géométrie de la sphère de type un en présence d’un champ électrique. Ce graphique montre le décalage de mode de la galerie de murmure d’une sphère de type un sous perturbation de champ harmonique et le décalage de mode de la galerie de murmure en fonction de l’amplitude du champ électrique pour la même sphère.

On voit ici le décalage de mode de la galerie de murmure d’une sphère de type deux et d’une perturbation de champ harmonique, ainsi que le décalage de mode de la galerie de chuchotement en fonction de l’amplitude du champ électrique pour une sphère de type deux. Notez qu’il y a une augmentation de la sensibilité par rapport à une sphère de type un. On voit ici le décalage de mode de la galerie de chuchotements d’une sphère de type trois et d’une perturbation de champ harmonique.

Et enfin, le décalage de mode de la Whispering Gallery en fonction de l’amplitude du champ électrique. Pour le type trois, la sphère montre que ce type a la plus grande sensibilité. Un maître à cette technique peut être fait en quelques heures, y compris la préparation des sphères et des fibres si elle est effectuée correctement.

Lors de l’exécution de cette procédure, il est important de ne pas contaminer la surface de la sphère Suite à cette procédure. D’autres techniques de mesure basées sur les décalages WGM peuvent être développées, telles que celles pour la détection des champs magnétiques.