Summary
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.
Abstract
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.
Protocol
1. PDMS Микросфера подготовки (Sphere I)
- Полидиметилсилоксана (PDMS) база и отвердитель смешиваются с объемном соотношении 60:1.
- Прядь кварцевых оптических волокон, длиной около 2 см, сначала лишили его пластиковой оболочки с помощью оптического стриптизершей.
- Один конец волокна нагревается и растягивается, чтобы обеспечить стволовых конца, что составляет ~ 25-50 мкм в диаметре на конце.
- Растянутой конца волокна погружен в смесь PDMS по длине примерно 2-4 мм и затем вытащил.
- 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.
- 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)
- Микросферы 60:1 PDMS используют в качестве внутреннего ядра. Те же действия, описанные в 1) выше, следует для этого процесса.
- 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.
- Основные PDMS микросфер описано в 2,1), затем погружают в PDMS-титаната бария смесь для покрытия его (со слоем номинальной толщиной ~ 10 мкм).
- Далее, двухслойная сфера помещается в духовку на ~ 90 ° C в течение 4 ч для обеспечения надлежащего отверждения второго слоя.
- 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)
- ~ 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.
- 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
- 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).
- 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
- 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.
- Фотодиод выход оцифрованы использованием аналого-цифровой преобразователь (A / D) и хранится на персональном компьютере (ПК).
- 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
- 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).
- В целях повышения чувствительности измерений, сферы сначала поляризованных в электрическом поле 1 МВ / м в течение 2 часов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 настраивается через небольшой диапазон длин волн, оптических мод диэлектрической сферы (WGM) рассматривается как резкое Провалы в спектре через оптическое волокно. Когда сфера претерпевает упругие деформации из-за внешнего электрического поля, положение окунуться в сдвигов спектра пропускания. Рисунке 5 показаны типичные спектры пропускания и WGM сдвиг из-за внешнего электрического поля для60:1 PDMS сферы диаметром 900 мкм. Когда электрическое поле 50 кВ / м включено, WGM оптической моды, рассматривается как провал в спектре пропускания, испытывает сине-сдвиг Δλ ≈ 1:09 вечера о том, что сфера вытянута вдоль направления поля. Обратите внимание, что длина оптического пути внутри сферы находится на экваториальную плоскость, нормальную к направлению электрического поля (рис. 4). Коэффициент оптического качества для WGM окунуться в этот показатель составляет ~ 5x10 5.
На рисунке 6а показаны WGM сдвиг, Δλ, из сферы Я до 1 Гц гармонического электрического поля с амплитудой 200 В / м. Сфера диаметром 700 мкм, и это поляризованных в течение 2 часов в постоянном электрическом поле 1 МВ / м. Соответствующий сдвиг WGM против электрического поля, амплитуда график показан на рисунке 6б. Сфера Я дает чувствительность в 1,7 пм / (кВ / м). Результаты Сфера II и III показаны на рисунках 7 и 8, соответственно. Рисунке 7 показаны результаты Сфера II с внешним диаметром ~ 700 мкм и рис. 8 отображения измерений с III сфера, которая состояла из 300 мкм ядро кремния и 150 мкм, толщина PDMS базы покрыта над ним. В этих измерениях, Q-фактора от 5 х 10 5 до 10 6. Морфология сферы и WGM связанных чувствительны к внешним условиям. Таким образом, каждое измерение будет завершено в течение короткого периода времени (~ 1 мин), так что воздействие на окружающую среду (таких, как температура, влажность и т.д.) на сдвиги WGM незначительны.
Рисунок 1. Схема из трех конфигураций сфере датчика.
ig2.jpg "/>
Рисунок 2. Фотография связанных сфера-конические волокна.
Рисунок 3. Схема установки оптико-электронные.
Рисунок 4: Схема (а);. Фотография (б) экспериментальной установки.
Рисунок 5. Спектры пропускания через сферу связью волокна.
Keep-together.within-страница = "Всегда"> 
Рисунок 6 WGM сдвиг Сфера я при гармонических возмущений поля (а),.. WGM сдвиг против электрического поля, амплитуда (б) Нажмите, чтобы увеличить показатель .
Рисунок 7 WGM сдвиг Сфера II при гармонических возмущений поля (а),.. WGM сдвиг против электрического поля, амплитуда (б) Нажмите, чтобы увеличить показатель .
рисунке 8 "FO: содержание ширина =" 6in "FO: SRC =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8.jpg "/>
Рисунок 8 WGM сдвиг Сфера III при гармонических возмущений поля (а),.. WGM сдвиг против электрического поля, амплитуда (б) Нажмите, чтобы увеличить показатель .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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, соответственно. Сфера I, который является одним слоем PDMS 60:1 имеет электрическую чувствительность поле 1,7 пм / (кВ / м). Значительное улучшение чувствительности достигается путем использования многослойных сфер. Сфера II обеспечивает электрической чувствительности поле в 2,5 пм / (кВ / м). При этом гораздо более высокую чувствительность получается при Сфера III (~ 0,2 пм / (В / м) в связи с мягкой, текучести жидкости внешнего слоя. С консервативным предположением, что минимальный измеримый сдвиг WGM является δλ = λ / Q, типичные РГM разрешение сенсора может быть выражена как
где Ео является приложенного электрического поля. Разрешение датчика изображения, приведенные в этом уравнении может быть улучшен за счет использования более совершенных методов обработки сигналов. Например, метод обработки сигналов, описанных в нашем недавнем исследовании 17 обеспечивает разрешение сдвиг обнаружения ~ 0,13 мкм. Для нашего исследования, это эквивалентно тому, что датчик Q-фактор 10 7 в приведенном выше уравнении для разрешения датчика.
Эти результаты являются обнадеживающими для будущего развития WGM на основе микро-оптических датчиков. Особое приложение всех оптических, волоконно-neurophotonic на основе интерфейса.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нам нечего раскрывать.
Acknowledgments
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.
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).
