Summary
חיישן מייקרו רגישות גבוהה פוטוניים פותח לגילוי שדה חשמלי. החיישן מנצל את המצבים האופטיים של מרחב דיאלקטרי. שינויים בשדה החשמלי החיצוני מטריד את מורפולוגיה הכדור שהובילה לשינויים במצבים האופטיים שלה. עוצמת השדה החשמלית שנמדדה על ידי ניטור אופטיים המשמרות האלה.
Abstract
מצבים אופטיים של מייקרו חללים דיאלקטרי זכו לתשומת לב משמעותית בשנים האחרונות לפוטנציאל שלהם במגוון רחב של יישומים. המצבים האופטיים לעתים קרובות מכונים "לוחש מצבי גלריה" (WGM) או "תהודות תלויות מורפולוגיה" (MDR) ומפגינים גורמי איכות אופטיות גבוהים. החלק מהיישומים מוצעים של תהודה האופטית מייקרו החלל נמצאים ב1 ספקטרוסקופיה, טכנולוגיית מייקרו חריר ליזר 2, 3-6 תקשורת האופטית, כמו גם טכנולוגיית חיישן. היישומים מבוססי חיישני WGM כוללים את אלה ב7 ביולוגיה, גילוי גז עקבות 8, וזיהוי טומאה ב9 נוזלים. חיישנים מכאניים המבוססים על תהודת microsphere גם הוצעו, כוללים אלה של כוח 10,11, לחץ 12, תאוצה 13 ולחץ קיר גזירת 14. בהווה, אנחנו מדגימים את חיישן WGM מבוסס שדה חשמלי, אשר מבוסס על Studi הקודם שלנוes 15,16. יישום מועמד של חיישן זה הוא בזיהוי של פוטנציאל פעולה עצבי.
חיישן השדה החשמלי המבוסס על דיאלקטרי microspheres פולימרים רבים שכבתי. השדה החשמלי החיצוני גורם לכוחות הגוף ושטח בתחומים (השפעת electrostriction) שמובילים לעיוות אלסטי. שינוי זה במורפולוגיה של הספירות, מוביל לשינויים בWGM. משמרות WGM השדה החשמלי מושרות חקירה על ידי מרגשים המצבים האופטיים של התחומים על ידי אור ליזר. אור ממשוב שיחולק (DFB) ליזר (אורך גל נומינלי של 1.3 ~ מיקרומטר) הוא צד מצמיד לmicrospheres באמצעות סעיף מחודד של סיב אופטי במצב יחיד. חומר הבסיס של הספירות הוא polydimethylsiloxane (PDMS). שלוש גיאומטריות microsphere משמשות: (1) תחום PDMS עם יחס נפח של 60:1 לבסיס ריפוי תערובת סוכן, (2) כדור רב שכבתי עם 60:1 PDMS ליבה, במטרה להגדיל את דיאלקטרי הקבוע של התחום דואר, שכבה אמצעית של 60:1 PDMS שמעורבב עם כמויות משתנות (2% עד 10% בנפח) של titanate בריום ושכבה חיצונית של 60:1 PDMS ו( 3) כדור סיליקה מוצק מצופה בשכבה דקה בסיס של PDMS דפוק. בכל סוג של חיישן ליזר, אור מהסיב המחודד מצמיד אל השכבה החיצונית המספקת איכות גורם WGM האופטי גבוהה (ש ~ 10 6). הם כיוונו את microspheres במשך כמה שעות בשדות חשמליים של MV ~ 1 / מ 'כדי להגדיל את רגישותם לשדה חשמלי.
Protocol
1. הכנת PDMS microsphere (כדור ש)
- בסיס polydimethylsiloxane (PDMS) וסוכן הריפוי מעורבב עם יחס נפח של 60:1.
- גדיל של סיבים אופטיים סיליקה, באורך 2 סנטימטר, המנוער הראשון של חיפוי הפלסטיק שלה באמצעות חשפנית אופטית.
- קצה אחד של הסיב מחומם ונמתח כדי לספק קצה גבעול שהוא ~ 25-50 מיקרומטר בקוטר בקצה.
- הסוף המתוח של הסיבים הוא שקוע לתוך תערובת PDMS על ידי אורך של כ 2-4 מ"מ ולאחר מכן הוא שלף.
- מתח פנים ומשקל של תערובת PDMS לאפשר היווצרות של כדור בקצה סיב סיליקה. הגודל של הכדור הוא נשלט על ידי טבילת האורך ומהירות חילוץ. על ידי שינוי שני הפרמטרים הללו, קטרי כדור בטווח 100 מיקרומטר - 1000 מיקרומטר ניתן להשיג.
- אז הרכבת microsphere / גזע ממוקמת בתנור ב ~ 90 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות כדי לאפשר ריפוי תקין של פוליחומרי mer (ליצור שרשרות צולבות). האיור 1 א הם סכמטי של הכדור ראשון
2. הכנת PDMS מבוסס טריפל Layer כדור (כדור השני)
- Microsphere PDMS 60:1 משמש ליבה הפנימית. באותם שלבים המתוארים ב1) לעיל הם בעקבות לתהליך הזה.
- תערובת של titanate בריום (3 BaTiO) ננו חלקיקים ו60:1 PDMS משמש כשכבה אמצעית. תערובת PDMS, שהוכנה באותה הדרך שתוארה ב1.1) לעיל, הוא מעורבב עם titanate בריום חלקיקי ננו.
- ליבת microsphere PDMS המתוארת ב2.1) לאחר מכן טבלה את תערובת PDMS titanate-הבריום למעיילו (בעובי נומינלי שכבה ~ 10 מיקרומטר).
- בשלב בא, המרחב דו שכבתי ממוקם בתנור ב ~ 90 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות כדי לאפשר ריפוי תקין של השכבה השנייה.
- ברגע שכדור 2 השכבה הוא נרפא, הוא שקוע שוב בתערובת של 60:1 PDMS לספק ציפוי חיצוני (שכבה 3). זה חיצונישכבה משמשת כמדריך אופטי כדורי (~ 10 עובי מיקרומטר). האיור 1b הוא סכמטי של כדור השני.
3. סיליקה / הכנת microsphere PDMS (כדור שלישי)
- ~ 3 סנטימטר קטע ארוך של סיבים אופטיים בודדים מצב סיליקה הוא הפשט הראשון של חיצה (פלסטיק) ציפוי ולאחר מכן קצו הוא נמס באמצעות מייקרו לפיד (יחד עם החיפוי וליבה). מתח פנים וכוח הכביד פועלים יחד כדי לעצב את הקצה המומס לכדור. כדורים בקטרים הנעים 200-500 מיקרומטר ניתן להשיג עם תהליך זה.
- אז microsphere סיליקה הוא שקוע באמבט של PDMS בסיס (ללא סוכן הריפוי) כדי לכסות אותו עם מעייל של ~ 50 מיקרומטר. שכבה חיצונית זו נשארת כמו נוזל צמיג מאוד בינגהאם (תשואת לחץ). האיור 1c הוא סכמטי של כדור שלישי.
4. הכנת סיב אופטית
- קטע של סיב אופטי במצב יחיד הוא פשט של CLA הפלסטיק שלהdding באמצעות חשפנית אופטית. שימוש בסעיף פסי מייקר לפיד של הסיבים הוא מחומם עד שהוא מותך (שניהם החיפוי וסיבי ליבה).
- בעוד שהחלק האמצעי הוא מותך, קצה אחד של הסיב האופטי הוא משך לאורך הציר עד יוצר סעיף מחודד של הסיב שאורכו כ 1 סנטימטר. משך החימום, מהירות והמרחק מושך לקבוע את קוטרו של סעיף הקונים הנע בין 10 ל 20 מיקרומטר. האור מליזר DFB מצמיד אל הזירה דרך הסעיף המחודד של הסיב. תרשים 2 מציג את צימוד תחום הסיבים.
5. אופטו התקנה
- הפלט של ליזר DFB מתכונן מצמיד לסיב אופטי במצב יחיד בקצה אחד והסתיים בphotodiode מהיר בצד השני, כפי שמוצג באיור 3.
- הפלט הוא photodiode דיגיטציה באמצעות ממיר אנלוגי לדיגיטלי (A / D) ומאוחסן במחשב אישי (PC).
- ליזר DFB מכוון על ידי בקר ליזר. בקר הליזר, בתורו הוא מונע על ידי גנרטור פונקציה המספק מתח קלט משונן.
6. דור שדה חשמלי
- שתי צלחות נחושת מרובעות (2 2 סנטימטר) בעובי של 1 מ"מ משמשות ליצירת שדה החשמלי האחיד. הצלחות מחוברות לאספקת מתח ואת חיישני הכדור מונחים בפער בין שתי צלחות (איור 4).
- על מנת להגביר את רגישות המדידה, הם כיוונו את התחומים ראשונים בשדה חשמלי של 1 MV / מ 'ל2 שעות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מצב אופטי (WGM) של המרחב מתלהב מאור הליזר, כאשר אורך הנתיב אופטי נסע באור הוא מספר מרובה של הליזר באורך הגל. להסדר שמוצג באיור 3, אורך הנתיב האופטי הוא 2πrn, כאשר n ו R הוא מקדם שבירה ורדיוס הכדור, בהתאמה. באמצעות קירוב האופטיקה גיאומטרי, מצב WGM הוא מרוצה כאשר 2πrn = lλ בי l הוא מספר שלם וλ הוא אורך הגל של הליזר. כליזר DFB מכוון על פני מגוון אורכי גל קטן, המצבים האופטיים של כדור דיאלקטרי (WGM) נתפס כחדה מטבלים בספקטרום באמצעות הסיב האופטי. כאשר הכדור עובר עיוות אלסטי בשל השדה החשמלי החיצוני, את עמדתו של טבילה במשמרות ספקטרום השידור. איור 5 מראה ספקטרום שידור טיפוסי ומשמרת WGM בשל שדה חשמלי חיצוני לתחום 60:1 PDMS בקוטר 900 מיקרומטר. כאשר השדה החשמלי של 50 kV / m מופעל, מצב WGM האופטי, נראה כטבילה בספקטרום השידור, חווה שינוי הכחול של Δλ ≈ 13:09 המציין כי הכדור מוארך לאורך כיוון השדה. שים לב שאורך הנתיב האופטי בתוך הכדור הוא על המטוס הרגיל לכיוון השדה החשמלי (איור 4) המשווני. גורם האיכות האופטית לטבילת WGM בדמות הוא ~ 5x10 5.
האיור 6 א מציג את שינוי WGM, Δλ, מכדור שתחת שדה חשמלי הרמוני 1 הרץ עם משרעת של 200 V / m. קוטר הכדור הוא 700 מיקרומטר והוא כיוון את ל2 שעות בשדה חשמלי סטטי של 1 MV / מ '. העלילה המקבילה WGM השינוי לעומת השדה החשמלי האמפליטודה שמוצגת באיור 6 ב. תחום שמניב רגישות של 1.7 PM / (kV / מ '). את התוצאות לכדור השני ושלישי הם מוצגים באיורים 7 ו 8, בהתאמה. איור 7 מציגים את התוצאות של כדור השני עם קוטר חיצוני ~ 700 מיקרומטר ואיור 8 מציגים את המדידה עם כדור שלישי שהיו מורכב מליבת 300 מיקרומטר סיליקה ועובי מיקרומטר 150 מתוך בסיס PDMS מצופה על זה. במדידות אלה, Q-הגורמים נעים בין 5 X 10 מאי - 10 יוני. מורפולוגיה התחום וWGM המשויך רגישות לתנאים חיצוניים אחרים. לכן, כל מדידה תושלם בפרק זמן קצר (דקות ~ 1), כך שההשפעות הסביבתיות (כגון טמפרטורה, לחות וכו ') במשמרות WGM הן זניחות.
איור 1. סכמטי של השלוש תצורות חיישן הכדור.
ig2.jpg "/>
איור 2. תצלום של סיבי תחום-מחודדים בשילוב.
איור 3. סכמטי של התקנת אופטו.
איור 4 סכמטי (א);. תצלום (ב) להתקנה הניסיונית.
איור 5. ספקטרום שידור דרך סיב תחום המצמידים.
לשמור-together.within עמודים = "תמיד"> 
איור 6 שינוי WGM של כדור שתחת הפרעת תחום הרמונית ();.. WGM שינוי לעומת שדה החשמלי משרעת (ב) לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
איור 7 משמרת WGM של כדור השני תחת הפרעת תחום הרמונית ();.. WGM שינוי לעומת שדה החשמלי משרעת (ב) לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
gure 8 "fo: תוכן רוחב =" 6in "fo: src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8.jpg "/>
איור 8 משמרת WGM של כדור שלישי בתחום הפרעות הרמוניות ();.. WGM שינוי לעומת שדה החשמלי משרעת (ב) לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
התחומים לראשונה דרכו על ידי חיבור אלקטרודות לאספקת מתח גבוהה DC. בסוף תקופת poling, המוביל אלקטרודה מנותק מאספקת מתח DC ומחובר לגנרטור פונקציה כמצוין באיור 4. התוצאות מוצגות באיורים 5 עד 8 תכנית ששדות חשמליים חיוביים ושליליים (ביחס לכיוון של השטה) יובילו להתארכות כדור ודחיסה, בהתאמה. אני כדור, שהוא שכבה אחת 60:1 PDMS יש רגישות שדה חשמלית של 1.7 PM / (kV / מ '). שיפור משמעותי ברגישות מתקבל על ידי שימוש בתחומים רבים שכבתיים. תחום השני מספק רגישות שדה חשמלית של 2.5 PM / (kV / מ '). עם זאת, הרבה יותר רגיש מתקבל עם כדור שלישי (~ 12:02 / (V / מ ') בשל שכבה הרכה, תשואת לחץ הנוזל החיצונית. עם הנחה שמרנית שמשמרת WGM מדידה המינימאלית היא δλ = λ / ש, אופיינית WGרזולוצית חיישן M יכול לבוא לידי ביטוי כמו
כאשר E o היא השדה החשמלי מיושם. רזולוצית חיישן הנתונה במשוואה לעיל ניתן לשפר עוד יותר על ידי שימוש בשיטות עיבוד אותות טובות יותר. לדוגמה, שיטת עיבוד האותות שתוארה במחקר שלנו האחרון 17 מספקת רזולוצית זיהוי משמרת של ~ 12:13. למחקרים שלנו, זה שווה ערך לכך שחיישן ש-פקטור של 10 7 במשוואה מעל לרזולוצית חיישן.
תוצאות אלו מעודדות לפיתוח עתידי של חיישנים WGM מבוססי מייקרו אופטי. יישום מסוים הוא ממשק כל אופטי, מבוסס סיבים neurophotonic.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין לנו מה למסור.
Acknowledgments
מחקר זה מומן על ידי סוכנות ההגנה האמריקנית לפרויקטי מחקר המתקדם תחת מרכזים בחקר הנדסה משולבת פוטוניקס (צופן) תכנית עם ד"ר ג'יי סקוט רוג'רס כמנהל פרויקט. המידע הכלול בדוח זה אינו משקף בהכרח את העמדה או המדיניות של ממשלת ארה"ב ואין אישור רשמי צריכה להיות מוסקת.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| Silica fiber | Fiber Instrument Sales | E-37AP15-FIS | |
| Barium Titanate (BaTiO3) nanoparticles | Sigma Aldrich | 467634-100G | |
| Laser Controller | ILX Lightwave | LDC-3724B | |
| DFB Laser | Agere | Agere 2300 | 1.310 μm central wavelength |
| Photodiode | Thorlabs | PDA10CS | |
| A/D Card | National Instruments | PXI 6115 |
References
- von Klitzing, W. Tunable whispering gallery modes for spectroscopy and CQED experiments. New journal of physics. 3, 14.1-14.14 (2001).
- Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J., Sercel, P. C.
- Tapalian, H. C., Laine, J. P., Lane, P. A. Thermooptical switches using coated microsphere resonators. IEEE photonics technology letters. 14 (8), 1118-1120 (2002).
- Little, B. E., Chu, S. T., Haus, H. A. Microring resonator channel dropping filters. Journal of lightwave technology. 15, 998-1000 (1997).
- 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).
- Ilchenko, V. S., Volikov, P. S., et al. Strain tunable high-Q optical microsphere resonator. Optics communications. 145, 86-90 (1998).
- 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).
- Rosenberger, A. T., Rezac, J. P. Whispering-gallery mode evanescent-wave microsensor for trace-gas detection. Proceedings of SPIE. 4265, 102-112 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Pressure tuning of whispering gallery mode resonators. Journal of optical society of America B. 24 (10), 2721-2726 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ioppolo, T., Stubblefield, J., Ötügen, M. V. Electric field-induced deformation of polydimethylsiloxane polymers. Journal of applied physics. 112, 044906 (2012).
- 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).
