Desenvolvimento de Whispering Gallery Modo poliméricos Micro-ópticos sensores do campo eléctrico

O objetivo do experimento a seguir é medir opticamente um campo elétrico usando o modo Whispering Gallery ou fenômenos WGM. Isso é conseguido excitando os modos ópticos da microesfera dielétrica, usando uma fibra óptica monomodo. Como segunda etapa, um campo externo é aplicado à microesfera, o que causa uma mudança no WGM da microesfera.

Em seguida, as mudanças WGM e a magnitude do campo elétrico aplicado são registradas em um pc. Os resultados obtidos mostram a relação entre os deslocamentos do WGM e o campo elétrico aplicado. As principais vantagens dessa técnica são que os sensores são muito menores, consomem muito menos energia e há uma melhora significativa na sensibilidade da medição.

Foi inspirado pelos recentes desenvolvimentos na tecnologia de comunicações ópticas, Este método que pode ser usado em uma ampla gama de campos, incluindo oland, segurança, defesa, previsão de raios e neurociência A demonstração visual deste método é crítica, pois obter um bom acoplamento de luz entre a esfera e a fibra pode ser difícil de aprender devido à necessidade de posição precisa entre a esfera e a fibra. Três tipos de sensores de microesferas são estudados aqui. Para preparar uma esfera tipo um, comece com a base de poli dimetil Sloane ou PDMS e a mistura de sílica e elastômero de agente de cura S guard 1 8 4 base PDMS e o agente de cura com uma proporção de volume de 60 para um.

Em seguida, use um stripper óptico para retirar um fio de dois centímetros de fibra óptica de sílica de sua jaqueta de plástico. Aqueça uma extremidade da fibra com uma tocha de butano e estique-a para fornecer uma extremidade da haste com aproximadamente 25 a 50 micrômetros de diâmetro. Na ponta para criar uma esfera, mergulhe a extremidade esticada da fibra na mistura PDMS a uma profundidade de dois a quatro milímetros e, em seguida, puxe-a para fora da profundidade final da fibra na mistura e a velocidade com que ela é extraída, controla o tamanho da esfera, enterre esses dois parâmetros para obter diâmetros de esfera na faixa de 100 a 1000 micrômetros.

Finalmente, coloque o conjunto da microesfera e da haste em um forno a cerca de 90 graus centígrados por quatro horas para permitir a cura adequada do material polimérico para as esferas AO triplas tipo dois. Comece com a esfera de microesferas APDS, digite uma sob uma capa de fluxo de lâmina e, usando uma máscara, adicione entre cerca de 2% a cerca de 10% do volume de nanopartículas de titânio de bário oito à mistura de 60 para um PDMS e agente de cura usada para criar a microesfera. Essa mistura formará a camada intermediária.

A quantidade usada determinará as propriedades dielétricas da esfera. Mergulhe a microesfera PDMS na mistura de titanato de bário PDS para revesti-la com uma camada com uma espessura nominal de aproximadamente 10 micrômetros. Em seguida, coloque a esfera de duas camadas em um forno, cerca de 90 graus centígrados por quatro horas para permitir a cura adequada da segunda camada.

Uma vez que a esfera de duas camadas esteja curada e resfriada à temperatura ambiente, mergulhe-a novamente na mistura de 60 para um PDMS para fornecer uma terceira camada externa de cerca de 10 micrômetros. Esta camada mais externa servirá como um guia óptico esférico para a sílica tipo três. Microesferas PDMS.

Comece preparando um banho de puro espaço PDMS. Comece com uma fibra óptica de sílica monomodo e use um stripper óptico para retirar uma seção de três centímetros de comprimento de seu revestimento de buffer de plástico de sua extremidade. Use uma tocha para derreter a extremidade da fibra, incluindo o revestimento e o núcleo usando a tensão superficial e a forma de gravidade.

As esferas de sílica esférica variando de 200 a 500 micrômetros podem ser moldadas a partir da ponta derretida após a fabricação. A microesfera de sílica é imersa na base do PDMS para cobri-la com uma camada de aproximadamente 50 micrômetros. Esta camada externa permanece como um fluido de tensão de escoamento altamente viscoso para a preparação da fibra óptica.

Novamente, comece com o comprimento da fibra óptica monomodo e use um stripper óptico para remover de três a quatro centímetros de seu buffer de plástico em algum lugar no meio. Use uma micro tocha para aquecer a seção de tira da fibra até que o revestimento e o núcleo da fibra estejam derretidos. Quando o núcleo estiver derretido, puxe uma extremidade da fibra óptica ao longo de seu eixo para formar uma seção cônica com cerca de um a dois centímetros de comprimento.

O diâmetro da região cônica é determinado pela duração do aquecimento, pela velocidade de tração e pela distância da tração. A faixa de diâmetros está entre 10 e 20 micrômetros. Para sondar o sistema, acople a saída do laser de feedback distribuído sintonizável no infravermelho próximo com comprimento de onda nominal de 1,3 mícrons em uma extremidade da fibra óptica monomodo preparada.

A outra extremidade deve ser terminada em um fotodiodo rápido. A saída do diodo fotográfico é digitalizada e armazenada em um computador. Use um estágio de micro translação para colocar uma das microesferas tipo um, dois ou três em contato com a seção cônica da fibra óptica para fornecer acoplamento óptico entre os dois elementos.

Com uma saída de gerador de função, uma tensão dente de serra de cerca de 600 milivolts de amplitude e uma frequência de kilohertz. Esta é a entrada para o controlador de laser DFB. Um campo elétrico aproximadamente uniforme é criado usando duas placas de latão de dois centímetros por dois centímetros, cada uma com uma espessura de um milímetro.

Estes são dispostos como um capacitor de placa paralela e conectados a uma fonte de tensão. Os sensores de esfera são colocados no espaço entre as placas. Um campo elétrico alto prolongado também pode ser usado para aumentar a sensibilidade de medição dos sensores.

Para alcançar esse lugar, as esferas em um campo elétrico de um mega volt por metro por duas horas antes de medir a mudança no comprimento de onda da luz transmitida. Nos dados mostrados aqui há evidências de uma mudança na geometria da esfera do tipo um na presença de um campo elétrico. Este gráfico mostra a mudança de modo da Galeria de Sussurros de uma esfera do tipo um sob perturbação do campo harmônico e a mudança de modo da Galeria de Sussurros versus amplitude do campo elétrico para a mesma esfera.

Aqui é mostrado o deslocamento do modo da Galeria de Sussurros de uma esfera do tipo dois e uma perturbação do campo harmônico, e o deslocamento do modo da galeria de sussurros versus a amplitude do campo elétrico para uma esfera do tipo dois. Observe que há um aumento na sensibilidade em comparação com uma esfera do tipo um. Aqui é mostrada a mudança de modo da Galeria de Sussurros de uma esfera tipo três e uma perturbação de campo harmônico.

E, finalmente, a mudança de modo da Whispering Gallery versus amplitude do campo elétrico. Para o tipo três, a esfera mostra que este tipo tem a maior sensibilidade. Um mestre nesta técnica pode ser feito em várias horas, incluindo a preparação de esferas e fibras, se for realizada corretamente.

Ao realizar este procedimento, é importante não contaminar a superfície da esfera seguindo este procedimento. Outras técnicas de medição baseadas em deslocamentos WGM podem ser desenvolvidas, como as de detecção de campo magnético.