Методическая статья

Развитие шепчущей галереи Режим полимерные микро-оптические датчики электрического поля

DOI:

10.3791/50199

⸱

29 января 2013 г.

 ,  , 
1Mechanical Engineering Department, Southern Methodist University

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Высокая чувствительность микро-фотонных датчиков был разработан для обнаружения электрического поля. Датчик использует оптические моды диэлектрического шара. Изменения во внешнем электрическом поле возмущает области морфологии, ведущие к изменениям в его оптической моды. Напряженность электрического поля измеряется с помощью оптического мониторинга этих сдвигов.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Оптический режимов диэлектрических микро-полостей получили значительное внимание в последние годы их потенциал в широком диапазоне применений. Оптическими модами, которые часто упоминаются как "шепчущей галереи" (МШГ) или «Морфология зависимость резонансов" (MDR) и обладают высоким оптическим качеством факторов. Некоторые предлагаемые применения микро-полости оптического резонатора, в спектроскопии 1, микро-полости лазерные технологии 2, 3-6 оптической связи, а также сенсорной технологии. WGM-приложений на основе датчиков включают в биологии 7, следов обнаружения газа 8, а примеси обнаружения в жидкости 9. Механические датчики на основе микросфер резонаторов также были предложены, в том числе для силовых 10,11, давление 12, 13 и ускорения напряжение трения на стенке 14. В настоящее время мы демонстрируем WGM на основе электрического поля датчика, который основывается на нашем предыдущем StudiES 15,16. Кандидат применения этого датчика для обнаружения нейрона потенциала действия.

Электрический датчик поля на основе полимерных многослойных диэлектрических микросфер. Внешнее электрическое поле индуцирует поверхностных и объемных сил на сферах (электрострикции эффект) приводит к упругой деформации. Это изменение в морфологии сферах, приводят к сдвигам в WGM. Индуцированного электрическим полем WGM сдвиги опрошенных захватывающие оптические моды сферах лазерным светом. Свет от распределенной обратной связью (DFB) лазер (номинальная длина волны ~ 1,3 мкм) стороны связанными в микросферы помощью конической части в одиночном режиме оптического волокна. Материальной базы сферы является полидиметилсилоксана (PDMS). Три геометрии микросферы используются: (1) PDMS сферы с соотношением 60:1 объемная база-отверждения смеси агента, (2) нескольких сфере слой с 60:1 PDMS ядро, с целью повышения диэлектрической проницаемости еэлектронной сфере, средний слой PDMS 60:1, который смешивают с различными количествами (2% до 10% по объему) титаната бария и внешним слоем PDMS 60:1 и (3) твердой сферы диоксида кремния покрыты тонким слоем неотвержденных базе PDMS. В каждом типе датчика, лазерный свет с коническим волокно вводится в наружный слой, который обеспечивает высокое оптическое качество фактор WGM (Q ~ 10 6). Микросферы поляризованных течение нескольких часов при электрическом полях ~ 1 МВ / м увеличить их чувствительность к электрическому полю.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. PDMS Микросфера подготовки (Sphere I)

  1. Полидиметилсилоксана (PDMS) база и отвердитель смешиваются с объемном соотношении 60:1.
  2. Прядь кварцевых оптических волокон, длиной около 2 см, сначала лишили его пластиковой оболочки с помощью оптического стриптизершей.
  3. Один конец волокна нагревается и растягивается, чтобы обеспечить стволовых конца, что составляет ~ 25-50 мкм в диаметре на конце.
  4. Растянутой конца волокна погружен в смесь PDMS по длине примерно 2-4 мм и затем вытащил.
  5. Поверхностное натяжение и вес смеси PDMS позволяет для формирования сферы на кончике кварцевого волокна. Размер области находится под контролем погружения длины и скорости добычи. Варьируя эти параметры, сфера диаметром в диапазоне от 100 мкм - 1000 мкм может быть получена.
  6. Микросфер / шток затем помещают в печь с температурой ~ 90 ° C в течение 4 часов, чтобы обеспечить надлежащее лечение полиМер материала (с образованием сшитых цепей). рис. 1a представляет собой схематическое изображение сферы I.

2. PDMS на основе тройной Подготовка сфере Layer (сфера II)

  1. Микросферы 60:1 PDMS используют в качестве внутреннего ядра. Те же действия, описанные в 1) выше, следует для этого процесса.
  2. Смеси титаната бария (BaTiO 3) нано-частиц и 60:1 PDMS используется в качестве среднего слоя. Смесь PDMS, подготовлена ​​таким же образом, описанных в 1,1) выше, смешивают с титаната бария нано-частиц.
  3. Основные PDMS микросфер описано в 2,1), затем погружают в PDMS-титаната бария смесь для покрытия его (со слоем номинальной толщиной ~ 10 мкм).
  4. Далее, двухслойная сфера помещается в духовку на ~ 90 ° C в течение 4 ч для обеспечения надлежащего отверждения второго слоя.
  5. После двух слоев сфере вылечить, он снова погружается в смесь 60:1 PDMS, чтобы обеспечить внешнее покрытие (третий уровень). Этот внешнийслой служит сферических оптических руководство (~ 10 мкм толщины). рис. 1b представляет собой схему Сфера II.

3. Silica / PDMS Микросфера подготовки (Sphere III)

  1. ~ 3 см длиной разделе кремния одномодовый световод сначала лишили его буфер (пластик) покрытие, а затем его кончик плавится помощью микро-факел (вместе с оболочкой и ядром). Поверхностное натяжение и тяжесть работать вместе, чтобы сформировать расплавленного чаевые в сферу. Сферы диаметром от 200 до 500 мкм может быть получена с этим процессом.
  2. Микросфер диоксида кремния затем погружают в ванну с PDMS базы (без отвердителя), чтобы покрыть ее слоем ~ 50 мкм. Этот внешний слой остается, как высоковязких Bingham (выход напряжений) жидкости. Рис. 1с представляет собой схематическое изображение сферы III.

4. Оптический Подготовка волокон

  1. Раздел одном режиме оптического волокна лишена пластиковой CLAdding с помощью оптического стриптизершей. Использование микро-факел полосатая часть волокна нагревают, пока это расплавленной (обе оболочки и сердцевины волокна).
  2. В то время как средняя часть расплавлен, один конец оптического волокна вытягивается вдоль своей оси, чтобы сформировать конические сечения слоя, что составляет около 1 см длиной. Продолжительность отопления, потянув скорость и расстояние определить диаметр конической секции, которая колеблется между 10 и 20 мкм. Свет от РОС-лазера связана в сферу через конические сечения слоя. Рисунке 2 показаны области волоконно-связи.

5. Оптико-электронные установки

  1. Выход перестраиваемый лазер DFB соединен в единую оптическое волокно на одном конце и прекращается в быстрый фотодиод на другом конце, как показано на рисунке 3.
  2. Фотодиод выход оцифрованы использованием аналого-цифровой преобразователь (A / D) и хранится на персональном компьютере (ПК).
  3. Использование микро-переводов этапе микросфер (Type I, II или III) входит в контакт с конической части оптического волокна (рис. 2 и 3) обеспечить оптическую связь между двумя элементами.
  4. DFB лазер настроен на лазерном контроллера. Лазерный контроллер, в свою очередь, приводится в движение генератор функций, которая обеспечивает пилообразного входного напряжения.

6. Генерации электрического поля

  1. Два квадратных пластин латуни (2 х 2 см) толщиной 1 мм используются для создания равномерного электрического поля. Пластины подключен к напряжению питания и сферы датчики помещаются в зазор между двумя пластинами (рис. 4).
  2. В целях повышения чувствительности измерений, сферы сначала поляризованных в электрическом поле 1 МВ / м в течение 2 часов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Оптической моды (WGM) сферы возбуждается лазерным светом, когда оптическая длина пути, проходимого светом кратна целому числу длины волны лазера. Для устройства, показанного на рисунке 3, длина оптического пути 2πrn, где п и г показатель преломления и радиуса сферы, соответственно. Используя приближение геометрической оптики, WGM условие выполняется при 2πrn = lλ, где L является целым числом и λ есть длина волны лазера. Поскольку лазер DFB н...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Сферы, первоначально поляризованных путем подключения электродов для постоянного тока высокого напряжения. В конце избирательные продолжительности, электродов провода отключены от сети постоянного напряжения и подключен к генератору функций, как показано на рисунке 4. Результаты представлены на рис с 5 по 8 показывают, что положительный и отрицательный электрические поля (по отношению к направлению избирательные) приводит к удлинению сфере и сжатия, соо...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Нам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Это исследование проводится при финансовой поддержке Министерства обороны США Агентства перспективных исследований при центров в комплексной Photonics Engineering Research (шифр), программы с доктором Дж. Скотт Роджерс в качестве менеджера проекта. Информация, представленная в этом отчете не обязательно отражает позицию или политику правительства США и не официальное одобрение должно быть выведено.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Компания Номер в каталоге Комментарии (по желанию)
PDMS Dow Corning Sylgard 184
Кварцевого волокна Продажа волоконно инструмента E-37AP15-FIS
Титаната бария (BaTiO 3) наночастиц Sigma Aldrich 467634-100G
Лазерный контроллер ILX Lightwave НРС-3724B
DFB лазерный Agere Agere 2300 1,310 мкм центральной длины волны
Фотодиод Thorlabs PDA10CS
A / D карты National Instruments PXI 6115

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Whispering Gallery ModeElectric Field SensorPolymeric MicrosphereOptical CouplingDFB LaserTapered FiberPDMS SphereBarium TitanateWavelength ShiftOptical Fiber

Похожие статьи