Opracowanie polimerowych mikrooptycznych czujników pola elektrycznego w trybie Whispering Gallery

Summary

Mikroczujnik fotoniczny o wysokiej czułości został opracowany do wykrywania pola elektrycznego. Czujnik wykorzystuje mody optyczne kuli dielektrycznej. Zmiany w zewnętrznym polu elektrycznym zaburzają morfologię kuli, prowadząc do przesunięć w jej modach optycznych. Natężenie pola elektrycznego jest mierzone poprzez monitorowanie tych przesunięć optycznych.

Abstract

Mody optyczne mikrownęk dielektrycznych zyskały w ostatnich latach duże zainteresowanie ze względu na ich potencjał w szerokim zakresie zastosowań. Tryby optyczne są często określane jako "tryby galerii szeptów" (WGM) lub "rezonanse zależne od morfologii" (MDR) i charakteryzują się wysokimi współczynnikami jakości optycznej. Niektóre proponowane zastosowania rezonatorów optycznych z mikrownękami to spektroskopia¹, technologia laserowa mikrownęk², komunikacja optyczna^3-6 oraz technologia czujników. Zastosowania czujników opartych na WGM obejmują biologię⁷, wykrywanie gazów śladowych⁸ i wykrywanie zanieczyszczeń w cieczach⁹. Zaproponowano również czujniki mechaniczne oparte na rezonatorach mikrosferycznych, w tym dla siły^10,11, ciśnienia¹², przyspieszenia¹³ i naprężenia ścinającego ścianki¹⁴. W chwili obecnej demonstrujemy czujnik pola elektrycznego oparty na WGM, który opiera się na naszych wcześniejszych badaniach^15,16. Potencjalnym zastosowaniem tego czujnika jest wykrywanie potencjału czynnościowego neuronów.

Czujnik pola elektrycznego oparty jest na wielowarstwowych mikrosferach dielektrycznych polimerowych. Zewnętrzne pole elektryczne indukuje siły powierzchniowe i ciała działające na kule (efekt elektrozwężenia), co prowadzi do odkształcenia sprężystego. Ta zmiana w morfologii sfer prowadzi do przesunięć w MGW. Przesunięcia WGM wywołane polem elektrycznym są badane poprzez wzbudzanie modów optycznych kul za pomocą światła laserowego. Światło z lasera z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB) (nominalna długość fali ~ 1,3 μm) jest sprzężone bocznie z mikrosferami za pomocą stożkowego odcinka światłowodu jednomodowego. Materiałem bazowym kulek jest polidimetylosiloksan (PDMS). Stosowane są trzy geometrie mikrosfery: (1) kula PDMS o stosunku objętościowym mieszaniny bazy do utwardzacza 60:1, (2) kula wielowarstwowa z rdzeniem PDMS 60:1, w celu zwiększenia stałej dielektrycznej kuli, środkowa warstwa PDMS 60:1, która jest mieszana z różnymi ilościami (od 2% do 10% objętości) tytanianu baru i zewnętrzna warstwa 60:1 PDMS oraz (3) stała kula krzemionkowa pokryta cienką warstwą nieutwardzonego PDMS baza. W każdym typie czujnika światło laserowe ze stożkowego włókna jest sprzężone z najbardziej zewnętrzną warstwą, która zapewnia wysoki współczynnik jakości optycznej WGM (Q ~ 10⁶). Mikrosfery są nabijane przez kilka godzin na pola elektryczne o wartości ~ 1 MV/m, aby zwiększyć ich czułość na pole elektryczne.

Protocol

1. Przygotowanie mikrosfery PDMS (Sfera I)

1. Bazę polidimetylosiloksanu (PDMS) i utwardzacz miesza się w stosunku objętościowym 60:1.
2. Pasmo światłowodu krzemionkowego o długości około 2 cm jest najpierw usuwane z plastikowej powłoki za pomocą ściągacza izolacji.
3. Jeden koniec włókna jest podgrzewany i rozciągany, aby zapewnić koniec trzpienia o średnicy ~ 25-50 μm na końcu.
4. Rozciągnięty koniec włókna zanurza się w mieszaninie PDMS na długość około 2-4 mm, a następnie wyciąga.
5. Napięcie powierzchniowe i waga mieszaniny PDMS pozwalają na uformowanie się kuli na końcu włókna krzemionkowego. Rozmiar kuli jest kontrolowany przez długość zanurzania i prędkość ekstrakcji. Zmieniając te dwa parametry, można uzyskać średnice kuli w zakresie 100 μm - 1 000 μm.
6. Zespół mikrosfera/trzpień jest następnie umieszczany w piecu w temperaturze ~90 °C na 4 godziny, aby umożliwić prawidłowe utwardzenie materiału polimerowego (w celu utworzenia usieciowanych łańcuchów). Rysunek 1a jest schematem Sfery I.

2. Trójwarstwowe przygotowanie sfery oparte na PDMS (Sfera II)

1. Jako rdzeń wewnętrzny zastosowano mikrosferę PDMS w proporcji 60:1. W tym procesie wykonywane są te same kroki, które opisano w punkcie 1) powyżej.
2. Jako warstwę środkową stosuje się mieszaninę nanocząstek tytanianu baru (BaTiO₃) i PDMS w proporcji 60:1. Mieszaninę PDMS, przygotowaną w ten sam sposób, jak opisano w ppkt 1.1) powyżej, miesza się z nanocząstkami tytanianu baru.
3. Rdzeń mikrosfery PDMS opisany w ppkt 2.1) jest następnie zanurzany w mieszaninie PDMS i tytanianu baru w celu jej pokrycia (o nominalnej grubości warstwy ~ 10 μm).
4. Następnie dwuwarstwową kulę umieszcza się w piecu w temperaturze ~ 90 °C na 4 godziny, aby umożliwić prawidłowe utwardzenie drugiej warstwy.
5. Po utwardzeniu dwuwarstwowej kuli ponownie zanurza się ją w mieszaninie PDMS 60:1 w celu uzyskania zewnętrznej powłoki (trzeciej warstwy). Ta najbardziej zewnętrzna warstwa służy jako sferyczny przewodnik optyczny (grubość ~10 μm). Rysunek 1b przedstawia schemat Sfery II.

3. Przygotowanie mikrosfery krzemionkowej/PDMS (Sfera III)

1. Odcinek światłowodu jednomodowego krzemionkowego o długości ~ 3 cm jest najpierw usuwany z powłoki buforowej (plastikowej), a następnie jego końcówka jest topiona za pomocą mikropalnika (wraz z okładziną i rdzeniem). Napięcie powierzchniowe i grawitacja współpracują ze sobą, aby ukształtować stopioną końcówkę w kulę. W tym procesie można uzyskać kule o średnicach od 200 do 500 μm.
2. Mikrosferę krzemionkową zanurza się następnie w kąpieli na bazie PDMS (bez utwardzacza) w celu pokrycia jej powłoką o grubości ~ 50 μm. Ta zewnętrzna warstwa pozostaje jako płyn Binghama o wysokiej lepkości (granica plastyczności). Rysunek 1c jest schematem Sfery III.

4. Przygotowanie światłowodu

1. Odcinek światłowodu jednomodowego jest usuwany z plastikowej powłoki za pomocą ściągacza izolacji. Za pomocą mikropalnika pasiasty odcinek włókna jest podgrzewany aż do stopienia (zarówno okładzina, jak i rdzeń włókna).
2. Podczas gdy środkowa sekcja jest stopiona, jeden koniec światłowodu jest ciągnięty wzdłuż jego osi, tworząc zwężający się odcinek światłowodu o długości około 1 cm. Czas nagrzewania, prędkość ciągnięcia i odległość określają średnicę odcinka stożkowego, która waha się od 10 do 20 μm. Światło z lasera DFB jest sprzężone z kulą przez stożkowy odcinek światłowodu. Rysunek 2 przedstawia sprzężenie kula-światłowód.

5. Konfiguracja optoelektroniczna

1. Wyjście przestrajalnego lasera DFB jest sprzężone ze światłowodem jednomodowym na jednym końcu i zakończone szybką fotodiodą na drugim końcu, jak pokazano na rysunku 3.
2. Wyjście fotodiody jest digitalizowane za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (A/D) i przechowywane na komputerze osobistym (PC).
3. Za pomocą etapu mikrotranslacji mikrosfera (typ I, II lub III) styka się ze stożkowym odcinkiem światłowodu (rysunki 2 i 3), aby zapewnić sprzężenie optyczne między dwoma elementami.
4. Laser DFB jest dostrojony przez sterownik laserowy. Sterownik lasera jest z kolei napędzany przez generator funkcyjny, który zapewnia wejście napięcia piłokształtnego.

6. Wytwarzanie pola elektrycznego

1. Dwie kwadratowe płytki mosiężne (2 x 2 cm) o grubości 1 mm służą do wytwarzania jednorodnego pola elektrycznego. Płytki są podłączone do źródła napięcia, a czujniki sferyczne są umieszczane w szczelinie między dwiema płytami (ilustracja 4).
2. W celu zwiększenia czułości pomiaru, kule są najpierw umieszczane w polu elektrycznym o wartości 1 MV/m przez 2 godziny.

Results

Tryb optyczny (WGM) sfery jest wzbudzany przez światło laserowe, gdy długość ścieżki optycznej pokonywanej przez światło jest wielokrotnością długości fali lasera. Dla układu pokazanego na rysunku 3 długość ścieżki optycznej wynosi 2πrn, gdzie n i r to odpowiednio współczynnik załamania światła i promień kuli. Korzystając z aproksymacji optyki geometrycznej, warunek WGM jest spełniony, gdy 2πrn = lλ, gdziel jest liczbą całkowitą, a λ jest długością fa...

Discussion

Kule są początkowo mocowane przez podłączenie elektrod do źródła wysokiego napięcia prądu stałego. Pod koniec czasu pracy przewody elektrod są odłączane od zasilania napięciem stałym i podłączane do generatora funkcyjnego, jak pokazano na rysunku 4. Wyniki przedstawione na rysunkach od 5 do 8 pokazują, że dodatnie i ujemne pola elektryczne (w zależności od kierunku biegunowania) prowadzą odpowiednio do wydłużenia i ściskania kuli. Sfera I, która jest pojedynczą warstwą 6...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
PDMS	Dow	Corning Sylgard 184
Instrument światłowodowy	włókna krzemionkowego	E-37AP15-FIS
Nanocząstki tytanianu baru (BaTiO3)	Sigma Aldrich	467634-100G
Kontroler laserowy	ILX Lightwave	LDC-3724B
DFB Laser	Agere Agere	2300	1.310 μ m centralna długość fali
Fotodioda	Thorlabs	PDA10CS
Karta A/D National	Instruments	PXI 6115