Name: ギャラリーモード高分子マイクロ光電界センサを囁くの開発 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-01-29T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 32 s
Description: 学ぶ ウィスパリングギャラリーモードを用いた高分子マイクロ光電界センサの開発手法。誘電体マイクロ球の光学モードシフトで電界を高感度に検出し、神経科学や光センシング分野での応用可能性を示します。

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この研究は、プロジェクトマネージャーとして博士J.スコットロジャースとの統合フォトニクス工学研究（暗号）プログラムにおけるセンターのもとで、米国国防総省の国防高等研究計画庁（DARPA）が主催しています。このレポートに記載されている情報は必ずしも位置または米国政府の政策を反映していないと公式承認を推論するべきではありません。

1。 PDMSのマイクロスフェア製剤（スフィアI） <ol><li>ポリジメチルシロキサン（PDMS）をベースと硬化剤を60:1の体積比で混合されています。 </li><li>石英光ファイバのストランドは、約2cm長く、第一光学ストリッパーを使用して、そのプラスチッククラッドを剥奪されています。 </li><li>ファイバの一端を加熱し、先端に直径約25から50μmであるステムエンドを提供するために張られている。 </li><li>繊維の延伸端は約2-4 mmの長さによってPDMSの混合物に浸漬され、その後引き出される。 </li><li> PDMSの混合物の表面張力と重量はシリカファイバの先端の球の形成を可能にする。球の大きさは、長さと浸漬抽出速度によって制御されます。範囲でこれら2つのパラメータ、球体の直径を変化させることにより、100μm以下 - 1,000μm以下が得られる。 </li><li>ミクロスフェア/ステムアセンブリは、その後℃で4時間のポリ適切な硬化を可能にするために〜90℃のオーブン内に配置される。マー材料（架橋鎖を形成する）。 図1a球Iの模式図である</li></ol> 2。 PDMSベースのトリプルレイヤースフィアの調製（スフィアII） <ol><li> 60:1のPDMSマイクロスフェアは、内部コアとして使用されます。上記1に記載したのと同じ手順）は、このプロセスのために続いている。 </li><li>チタン酸バリウムの混合物（BaTiO 3の ）ナノ粒子と60:1 PDMSは中間層として使用されます。上記1.1で説明したのと同じ方法）で調製したPDMSの混合物は、チタン酸バリウムナノ粒子と混合される。 </li><li> 2.1で説明したPDMSマイクロスフェアコア）をコートしてくださいPDMS-チタン酸バリウムの混合物（〜10μmの層公称厚さを有する）に浸漬される。 </li><li>次に、二層球℃で4時間のために第2層の適切な硬化を可能にするために〜90℃のオーブン内に配置される。 </li><li> 2層の球体が硬化されると、それは再び外側のコーティング（第三層）を設けることが60:1 PDMSの混合物中に浸漬される。この最層が球状の光ガイド（〜10μmの厚さ）となっている。 図1bはスフィアIIの概略図である。 </li></ol> 3。シリカ/ PDMSマイクロスフェア製剤（スフィアⅢ） <ol><li>シリカシングルモード光ファイバの約3 cmの長部は、第1のバッファ（プラスチック）コーティングが取り除かれた後、その先端は、マイクロトーチ（一緒にクラッドとコアを持つ）を使用して溶融させる。表面張力と重力が球に溶かした先端を形作るために一緒に働く。は200〜500μmの範囲の直径を持つ球は、このプロセスで得ることができる。 </li><li>シリカ微小球は、その後〜50μmのコートでそれをカバーするために、PDMS基材（硬化剤なし）の浴中に浸漬される。この外側の層は、高粘度ビンガム（歩留まり応力）流体として留まります。 図1cは、スフィアIIIの概略図である。 </li></ol> 4。光ファイバの準備<ol><li>単一モード光ファイバのセクションは、そのプラスチックのCLA取り除かれ光学ストリッパーを使用してdding。それが溶融するまで繊維のマイクロトーチストライプセクションを使用すること（クラッドとファイバコアの両方）が加熱される。 </li><li>中間部が溶融している間、光ファイバの一端が約1cmの長さで、ファイバのテーパ部を形成するために、その軸に沿って引っ張られる。加熱時間は、引き上げ速度と距離は、10〜20μmの範囲にあり、テーパ部の直径を決定します。 DFBレーザからの光は、光ファイバのテーパ部を介して球に結合される。 図2球ファイバ結合を示しています。 </li></ol> 5。オプトセットアップ<ol><li> 図3に示すように、波長可変DFBレーザの出力は、一方の端に、単一モード光ファイバに結合され、他端には高速フォトダイオードで終端されます。 </li><li>フォトダイオードの出力は、アナログ - デジタル変換器（A / D）を用いてデジタル化し、パーソナルコンピュータ（PC）に保存されます。 </li><li&gt;マイクロ·トランスレーションステージを使用したマイクロスフェア（タイプI、IIまたはIII）は、2つの要素間の光結合を提供するために、光ファイバのテーパ部（ 図2及び図3）に接触させる。 </li><li> DFBレーザは、レーザコントローラによって調整されています。今度はレーザーコントローラは、のこぎり電圧入力を提供する関数発生器によって駆動されます。 </li></ol> 6。電界発生<ol><li> 1mmの厚さを持つ2つの正方形の真鍮板（2×2cm）に均一な電場を生成するために使用されます。プレートは、電圧源に接続されていると球センサーは2プレート（ 図4）との間の隙間に配置されます。 </li><li>測定感度を高めるために、球は最初の2時間、1 MV / mの電界で分極されています。 </li></ol>

<ol><li>von Klitzing, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+whispering+gallery+modes+for+spectroscopy+and+CQED+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22New+journal+of+physics%22%5BJournal%5D)">Tunable whispering gallery modes for spectroscopy and CQED experiments.</a> New journal of physics. 3, 14.1-14.14 (2001).</li>
<li>Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J., Sercel, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fiber-coupled+microsphere+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+letters%22%5BJournal%5D)">Fiber-coupled microsphere laser.</a> Optics letters. 25 (19), 1430-1432 (2000).</li>
<li>Tapalian, H. C., Laine, J. P., Lane, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermooptical+switches+using+coated+microsphere+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+photonics+technology+letters%22%5BJournal%5D)">Thermooptical switches using coated microsphere resonators.</a> IEEE photonics technology letters. 14 (8), 1118-1120 (2002).</li>
<li>Little, B. E., Chu, S. T., Haus, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microring+resonator+channel+dropping+filters%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+lightwave+technology%22%5BJournal%5D)">Microring resonator channel dropping filters.</a> Journal of lightwave technology. 15, 998-1000 (1997).</li>
<li>Offrein, B. J., Germann, R., Horst, F., Salemink, H. W. M., Beyerl, R., Bona, G. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resonant+coupler-based+tunable+add-after-drop+filter+in+silicon-oxynitride+technology+for+WDM+networks%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+journal+of+selected+topics+in+quantum+electronics%22%5BJournal%5D)">Resonant coupler-based tunable add-after-drop filter in silicon-oxynitride technology for WDM networks.</a> IEEE journal of selected topics in quantum electronics. 5, 1400-1406 (1999).</li>
<li>Ilchenko, V. S., Volikov, P. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+tunable+high-Q+optical+microsphere+resonator%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+communications%22%5BJournal%5D)">Strain tunable high-Q optical microsphere resonator.</a> Optics communications. 145, 86-90 (1998).</li>
<li>Arnold, S., Khoshsima, M., Teraoka, I., Holler, S., Vollmer, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shift+of+whispering-gallery+modes+in+microspheres+by+protein+adsorption%5BTitle%5D)+AND+%22Optics%22%5BJournal%5D)">Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption.</a> Optics. 28 (4), 272-274 (2003).</li>
<li>Rosenberger, A. T., Rezac, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whispering-gallery+mode+evanescent-wave+microsensor+for+trace-gas+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+SPIE%22%5BJournal%5D)">Whispering-gallery mode evanescent-wave microsensor for trace-gas detection.</a> Proceedings of SPIE. 4265, 102-112 (2001).</li>
<li>Ioppolo, T., Das, N., Ötügen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whispering+gallery+modes+of+microspheres+in+the+presence+of+a+changing+surrounding+medium%3A+A+new+ray-tracing+analysis+and+sensor+experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+applied+physics%22%5BJournal%5D)">Whispering gallery modes of microspheres in the presence of a changing surrounding medium: A new ray-tracing analysis and sensor experiment.</a> Journal of applied physics. 107, 103105(2010).</li>
<li>Ioppolo, T., Ayaz, U. K., Ötügen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+force+sensor+based+on+morphology+dependent+optical+resonances+of+polymeric+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+applied+physics%22%5BJournal%5D)">High-resolution force sensor based on morphology dependent optical resonances of polymeric spheres.</a> Journal of applied physics. 105 (1), 013535(2009).</li>
<li>Ioppolo, T., Kozhevnikov, M., Stepaniuk, V., Ötügen, M. V., Sheverev, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-optical+force+sensor+concept+based+on+whispering+gallery+mode+resonances%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+optics%22%5BJournal%5D)">Micro-optical force sensor concept based on whispering gallery mode resonances.</a> Applied optics. 47 (16), 3009-3014 (2008).</li>
<li>Ioppolo, T., Ötügen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pressure+tuning+of+whispering+gallery+mode+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+optical+society+of+America+B%22%5BJournal%5D)">Pressure tuning of whispering gallery mode resonators.</a> Journal of optical society of America B. 24 (10), 2721-2726 (2007).</li>
<li>Ioppolo, T., Ötügen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+acceleration+on+the+morphology+dependent+optical+resonances+of+spherical+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+optical+society+of+America+B%22%5BJournal%5D)">Effect of acceleration on the morphology dependent optical resonances of spherical resonators.</a> Journal of optical society of America B. 28, 225-227 (2011).</li>
<li>Ayaz, U. K., Ioppolo, T., Ötügen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wall+shear+stress+sensor+based+on+the+optical+resonances+of+dielectric+microspheres%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+science+and+technology%22%5BJournal%5D)">Wall shear stress sensor based on the optical resonances of dielectric microspheres.</a> Measurement science and technology. 22, 075203(2011).</li>
<li>Ioppolo, T., Ayaz, U. K., Ötügen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tuning+of+whispering+gallery+modes+of+spherical+resonators+using+an+external+electric+field%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+express%22%5BJournal%5D)">Tuning of whispering gallery modes of spherical resonators using an external electric field.</a> Optics express. 17 (19), 16465-16479 (2009).</li>
<li>Ioppolo, T., Stubblefield, J., Ötügen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electric+field-induced+deformation+of+polydimethylsiloxane+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+applied+physics%22%5BJournal%5D)">Electric field-induced deformation of polydimethylsiloxane polymers.</a> Journal of applied physics. 112, 044906(2012).</li>
<li>Manzo, M., Ioppolo, T., Ayaz, U. K., LaPenna, V., Ötügen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+photonic+wall+pressure+sensor+for+fluid+mechanics+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+scientific+instrumentation%22%5BJournal%5D)">A photonic wall pressure sensor for fluid mechanics applications.</a> Review of scientific instrumentation. 83, 105003(2012).</li>
</ol>

我々は、開示することは何もない。

球は最初は直流高電圧電源に電極を接続することにより、分極されています。ポーリング期間の終わりには、電極のリード線は、直流電圧電源から切断され、 図4に示すように、ファンクション·ジェネレータに接続されています。結果は、正と負の電界が（分極方向に対して）は、それぞれ、球の伸びと圧縮につながることを示して8〜図5に示した。球単層60:1 PDMSである私は、1.7 PM /（KV / m）の電界感度を持っています。感度の大幅な改善が多層球を使用することによって得られる。スフィアIIは2.5 PM /（KV / m）の電界感度を提供します。まだはるかに高い感度がスフィアⅢ（ソフト、降伏応力液外層に起因〜0.2分/（V / m）である。保守的な仮定で測定可能な最小WGMシフトがδλ=λ/ Qは 、典型的であることで得られるWGM個のセンサの分解能は次式で表すことができ<img alt="図2" fo:src="/files/ftp...

<table border="1"><tbody><tr><td></td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> コメント（オプション） </td></tr><tr><td> PDMS </td><td>ダウコーニング</td><td>シルガード184 </td><td></td></tr><tr><td>石英ファイバー</td><td>繊維楽器販売</td><td> E-37AP15-FIS </td><td></td></tr><tr><td>チタン酸バリウム（BaTiO 3）ナノ粒子</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 467634-100G </td><td></td></tr><tr><td>レーザーコントローラ</td><td> ILX Lightwave社</td><td> LDC-3724B </td><td></td></tr><tr><td> DFBレーザ</td><td> Agere社</td><td> Agere社2300 </td><td> 1.310μmの中心波長</td></tr><tr><td>フォトダイオード</td><td> Thorlabs </td><td> PDA10CS </td><td></td></tr><tr><td> A / Dカード</td><td>ナショナルインスツルメンツ</td><td> PXI 6115 </td><td></td>
 </tr>
 </tbody>
</table>

ギャラリーモード高分子マイクロ光電界センサを囁くの開発

Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

誘電マイクロキャビティの光学モードは、幅広いアプリケーションで自分の可能性のために、近年、大きな注目を受けています。光学モードは頻繁に &quot;ウィスパリングギャラリーモード&quot;（WGM）または &quot;形態依存共鳴&quot;（MDR）と呼ばれ、高い光学的品質係数を発揮しています。マイクロキャビティ光共振器のいくつかの提案されたアプリケーションは、分光1、マイクロキャビティレーザー技術2、光通信3から6までと同様にセンサー技術にあります。 WGMベースのセンサ·アプリケーションでは生物学7、微量ガス検出8、9、液体中の不純物検出のものが含まれています。微小球共振に基づいて、機械的なセンサは、力10,11、圧力12、加速13、壁せん断応力14を含め、提案されている。現在では、我々の前ストゥディ上に構築WGMベース電界センサを実証ES 15,16。このセンサーの候補アプリケーションは、神経活動電位の検出である。 電界センサは、高分子多層誘電体微小球をに基づいています。外部電場が弾性変形につながる球（電歪効果）の面と身体の力を誘導する。球体の形態におけるこの変化は、WGMの変化につながる。電界誘起WGMシフトは、レーザー光による球の刺激的な光学モードによって尋問されています。分布帰還型（DFB）からの光は、レーザー（〜1.3μmの公称波長）は、シングルモード光ファイバのテーパ部を使用してマイクロスフェアにサイド結合されている。球体の基材としては、ポリジメチルシロキサン（PDMS）である。三マイクロスフェアジオメトリは使用されています：ベース·硬化剤混合物の60:1の体積比は、（1）のPDMS球、60:1 PDMSコアと（2）多層球を、目の誘電率を増加させるために、eの球、チタン酸バリウムの量を変え（2体積％〜10％）と60:1 PDMSの外層と薄層で被覆された（3）固体シリカ球と混合される60:1 PDMSの中間層未硬化のPDMSベースの。センサーの種類ごとに、テーパファイバからのレーザ光 ​​は光学的に高品質要因WGM（Q〜10 6）を提供しています最外層に結合される。ミクロスフェアは、電界に対する感受性を高めるために〜1 MV / mの電界で数時間的に分極されています。

光が移動した光路長は、レーザー波長の整数倍であるとき、球の光学モード（WGM）は、レーザ光により励起される。 図3に示す構成では、光路の長さは n と r はそれぞれ、球の屈折率と半径アール2πrnです。幾何光学近似を用いて、WGM条件が満たされた場合に2πrn=lλlは整数であり、λはレーザーの波長である。DFBレーザには小さな波長範囲にわたって調整されているように、誘電体球の光学モード（WGM）は、シャープと見られている光ファイバを介してスペクトルにおけるディップ。球が外部電場による弾性変形を受ける場合には、透過スペクトルシフトのディップの位置図5に、一般的な透過スペクトルとのために当然外部電場にWGMシフトを示している900μmの直径の60:1のPDMS球。 50キロボルト/ mの電界がオンになっている場合、透過スペクトルのディップとして見WGM光モードでは、球が磁場方向に沿って細長くしていることを示すΔλ≈1.9午後のブ...

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。

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

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。

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エバネセント場ベースの光音響：表面での光学特性評価

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