January 29th, 2013
高感度フォトニックマイクロセンサは、電界検出用に開発されました。センサーは誘電体球の光学モードを利用している。その光学モードの変化につながる外部電場摂動球形態の変化。電界強度は、これらの光学シフトをモニターすることによって測定されます。
次の実験の目的は、Whispering GalleryモードまたはWGM現象を使用して電場を光学的に測定することです。これは、シングルモード光ファイバーを使用して誘電体微小球の光学モードを励起することによって達成されます。第2のステップとして、外部フィールドがミクロスフェアに適用され、これによりミクロスフェアのWGMがシフトします。
次に、WGMシフトと印加電界の大きさをPCに記録します。得られた結果は、WGMシフトと印加電界との関係を示しています。この手法の主な利点は、センサーがはるかに小さく、消費電力がはるかに少なく、測定感度が大幅に向上することです。
これは、光通信技術の最近の開発に触発された、この方法は、土地、セキュリティ、防衛、雷の予測、および神経科学を含む、より広い分野で使用することができます球とファイバーとの間の良好な光結合を達成することは、球とファイバーとの間の正確な位置の必要性のために学ぶのが難しい場合があるため、重要です。ここでは、3種類のマイクロスフェアセンサーについて研究しています。タイプ1の球体を調製するには、ポリジメチルスローンまたはPDMSベースと硬化剤Sガード1 8 4シリカとエラストマーミックスPDMSベースと硬化剤を60対1の体積比で開始します。
次に、光学ストリッパーを使用して、プラスチックジャケットのシリカ光ファイバーの2センチメートルのストランドを剥がします。繊維の一端をブタントーチで加熱し、伸ばして直径約25〜50マイクロメートルのステムエンドを作ります。球を作成する先端で、繊維の引き伸ばされた端をPDMS混合物に2〜4ミリメートルの深さまで浸し、次に混合物内の繊維の最終的な深さとそれが抽出される速度を引き出し、球のサイズを制御し、これら2つのパラメータを埋めて、100〜1000マイクロメートルの範囲の球の直径を取得します。
最後に、マイクロスフィアとステムアセンブリを摂氏約90度のオーブンに4時間置き、タイプ2のトリプルAOスフィアのポリマー材料を適切に硬化させます。A-P-D-M-Sマイクロスフィアスフィアから始めて、ラミナフローフードの下に1つを入力し、マスクを使用して約2%から約10%の体積のバリウムタイタン8ナノ粒子を60対1のPDMSに追加し、マイクロスフィアを作成するために使用される硬化剤混合物。この混合物が中間層を形成します。
使用される量によって、球の誘電特性が決まります。PDMSマイクロスフィアをPDSチタン酸バリウム混合物に浸して、公称厚さ約10マイクロメートルの層でコーティングします。次に、2層目の球体をオーブンに入れ、摂氏約90度で4時間置き、2層目を適切に硬化させます。
2層の球体が硬化し、室温まで冷却されたら、60対1のPDMS混合物に再度浸して、約10マイクロメートルの3番目の外層を提供します。この最も外側の層は、タイプ3シリカの球面光学ガイドとして機能します。PDMSマイクロスフェア。
まずはPDMSのピュアスペースのお風呂を用意することから始めましょう。シングルモードシリカ光ファイバーから始めて、光ストリッパーを使用して、プラスチックバッファコーティングの3センチメートルの長さのセクションを端から剥がします。トーチを使用して、表面張力と重力形状を使用して、クラッディングとコアを含む繊維の端を溶かします。
200 〜 500マイクロメートルの範囲の球状シリカ球は、製造後に溶融した先端から成形することができます。シリカミクロスフェアをPDMSベースに浸漬し、約50マイクロメートルのコートで覆います。この外層は、光ファイバ調製用の高粘性降伏応力流体として留まります。
繰り返しになりますが、シングルモード光ファイバーの長さから始めて、光ストリッパーを使用して、中央のどこかでプラスチックバッファの3〜4センチメートルを取り除きます。マイクロトーチを使用して、クラッドとファイバーコアが溶融するまでファイバーのストリップセクションを加熱します。コアが溶融したら、光ファイバーの一端をその軸に沿って引っ張り、約1〜2cmの長さの先細り部分を形成します。
テーパー領域の直径は、加熱時間、引っ張り速度、および引っ張り距離によって決まります。直径の範囲は10〜20マイクロメートルです。このシステムを調べるには、公称波長1.3ミクロンの近赤外におけるチューナブル分布フィードバックレーザーの出力を、準備したシングルモード光ファイバーの一端に結合します。
もう一方の端は、高速フォトダイオードで終端する必要があります。フォトディオッド出力はデジタル化され、コンピューターに保存されます。マイクロ並進ステージを使用して、マイクロスフィアのタイプ1、2、または3の1つを光ファイバーのテーパーセクションに接触させ、2つの要素間に光結合を提供します。
関数発生器出力では、約600ミリボルトの振幅と1キロヘルツの周波数の鋸歯状電圧。これはDFBレーザーコントローラーに入力されます。2センチメートル×2センチメートルの真鍮板を2枚ずつ(それぞれ厚さ1mm)にすることで、ほぼ均一な電界を作り出します。
これらは平行プレートコンデンサとして配置され、電圧供給に接続されています。球体センサーは、プレート間の隙間に配置されます。長時間の高電界を使用して、センサーの測定感度を向上させることもできます。
この場所を達成するために、球体は1メートルあたり1メガボルトの電界で2時間、透過光の波長のシフトを測定します。ここに示すデータには、電場の存在下でタイプ1の球体形状が変化した証拠があります。このプロットは、調和場摂動下でのタイプ1球のウィスパリングギャラリーモードシフトと、同じ球の電場振幅に対するウィスパリングギャラリーモードシフトを示しています。
ここに示されているのは、タイプ2球のウィスパリングギャラリーモードシフトと調和場摂動、およびタイプ2球のウィスパリングギャラリーモードシフトと電界振幅の関係です。タイプ1の球体に比べて感度が向上することに注意してください。ここに示されているのは、タイプ3球と調和場摂動のウィスパリングギャラリーモードシフトです。
そして最後に、Whispering Galleryのモードシフトと電界の振幅です。タイプ3の球体の場合、このタイプは最大の感度を持っています。このテクニックの達人は、適切に実行すれば、球体とファイバーの準備を含めて数時間で完了できます。
この手順を実行するときは、この手順に従って球の表面を汚染しないことが重要です。また、WGMシフトに基づく他の測定技術(磁場検出など)を開発することができます。
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この研究は、電界検出用に設計された高感度のフォトニックマイクロセンサーを提示します。誘電体マイクロ球の光モードを利用して、センサーは外部電界撹乱によって引き起こされるこれらの光モードのシフトを通じて電界強度を測定します。
This work introduces a photonic microsphere sensor for electric field detection, offering a label-free, high-sensitivity approach to monitor electrophysiological activity. The technology enables non-invasive measurement of weak electric fields, supporting early-stage target validation in neuroscience and neuromodulation research. By providing quantitative, real-time readouts of field-induced WGM shifts, it enhances predictive confidence in mechanistic studies of ion channel function and neuronal signaling.
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum, supporting hypothesis testing in early discovery, assay development for screening, and translational validation in preclinical models of neurological function.