Summary
Un sensor de micro de alta sensibilidad fotónica fue desarrollado para la detección de campo eléctrico. El sensor explota los modos ópticos de una esfera dieléctrica. Los cambios en el campo eléctrico externo perturbar la morfología esfera que conduce a cambios en sus modos ópticos. La intensidad de campo eléctrico se mide mediante el control de estos cambios ópticos.
Abstract
Modos ópticos dieléctricos de micro-cavidades han recibido mucha atención en los últimos años por su potencial en una amplia gama de aplicaciones. Los modos ópticos se refiere con frecuencia como "susurro modos Gallery" (WGM) o "resonancias morfológicas dependientes" (MDR) y muestran altos factores de calidad óptica. Algunas aplicaciones propuestas de micro-cavidad resonadores ópticos son en espectroscopia 1, micro-cavidad tecnología láser 2, comunicaciones ópticas 3-6, así como la tecnología de sensor. Las aplicaciones de sensores basados en WGM incluyen aquellos en biología 7, detección de rastros de gas 8, y la detección de impurezas en líquidos 9. Sensores mecánicos basados en resonadores de microesferas también han sido propuestas, incluyendo aquellos para la fuerza de 10,11, 12 de presión, aceleración 13 y la tensión de cizallamiento 14. En la actualidad, se demuestra un sensor basado en WGM campo eléctrico, que se basa en nuestra studi anteriores 15,16. Una aplicación candidato de este sensor es en la detección de potencial de acción neuronal.
El sensor de campo eléctrico está basado en microesferas poliméricas multicapa dieléctrico. El campo eléctrico externo induce la superficie y las fuerzas del cuerpo en las esferas (efecto electrostricción) que conducen a la deformación elástica. Este cambio en la morfología de las esferas, conduce a cambios en la WGM. El campo eléctrico inducido cambios WGM son interrogados por los emocionantes modos ópticos de las esferas de luz láser. La luz de una realimentación distribuida (DFB) láser (longitud de onda nominal de ~ 1,3 micras) es de lado acoplado en las microesferas usando una sección ahusada de una fibra de modo óptico único. El material de base de las esferas es el polidimetilsiloxano (PDMS). Tres geometrías de microesferas se utiliza: (1) esfera PDMS con una relación volumétrica 60:1 de base-a-curado mezcla de agente, (2) la esfera de múltiples capas con 60:1 PDMS núcleo, con el fin de aumentar la constante dieléctrica del the esfera, una capa intermedia de 60:1 de PDMS que se mezcla con cantidades variables (2% a 10% en volumen) de titanato de bario y una capa externa de 60:1 PDMS y (3) la esfera de sílice sólida revestida con una capa delgada de base de PDMS sin curar. En cada tipo de sensor, la luz láser de la fibra cónica se acopla a la capa más externa que proporciona alta calidad óptica factor de WGM (Q ~ 10 6). Las microesferas se polariza durante varias horas a campos eléctricos de ~ 1 MV / m para aumentar su sensibilidad al campo eléctrico.
Protocol
1. Preparación de microesferas PDMS (Esfera I)
- Polidimetilsiloxano (PDMS) de base y el agente de curado se mezclan con una relación en volumen de 60:1.
- Una hebra de fibra óptica de sílice, aproximadamente 2 cm de largo, es primero despojado de su revestimiento de plástico utilizando un separador óptico.
- Un extremo de la fibra se calienta y se estira para proporcionar un extremo de vástago que es ~ 25-50 micras de diámetro en la punta.
- El extremo estirado de la fibra se sumerge en la mezcla de PDMS por una longitud de aproximadamente 2-4 mm y luego se retiró.
- La tensión superficial y el peso de la mezcla de PDMS permitir la formación de una esfera en la punta de la fibra de sílice. El tamaño de la esfera es controlada por la longitud de inmersión y la velocidad de extracción. Mediante la variación de estos dos parámetros, diámetros de esfera en el rango de 100 micras - 1.000 micras se puede conseguir.
- El conjunto de microesferas / vástago se coloca a continuación en un horno a ~ 90 ° C durante 4 horas para permitir el curado adecuado de la polimaterial de mer (para formar reticulados cadenas). Figura 1a es una vista esquemática de I. Esfera
2. PDMS basado triple capa Preparación Esfera (Sphere II)
- Una microesfera 60:1 PDMS se utiliza como el núcleo interno. Los mismos pasos descritos anteriormente en 1) es seguido por este proceso.
- Una mezcla de titanato de bario (BaTiO 3) nano-partículas y PDMS 60:1 se utiliza como la capa media. La mezcla de PDMS, preparada de la misma manera descrita en 1,1) anteriormente, se mezcla con titanato de bario nano-partículas.
- El núcleo de microesferas de PDMS se describe en 2,1) se sumerge en la mezcla de titanato de bario-PDMS para cubrirlo (con un espesor de capa nominal de ~ 10 m).
- A continuación, el ámbito de dos capas se coloca en un horno a ~ 90 ° C durante 4 horas para permitir un curado adecuado de la segunda capa.
- Una vez que la esfera de dos capas se cura, de nuevo se sumerge en una mezcla 60:1 de PDMS para proporcionar un recubrimiento exterior (tercera capa). Este extremocapa sirve como guía esférica óptica (~ 10 m de espesor). Figura 1b es un esquema de Sphere II.
3. Sílice / PDMS Preparación de microesferas (Esfera III)
- Una sección ~ 3 cm de largo de una fibra de sílice modo óptico único está primero despojado de su memoria intermedia (de plástico) de recubrimiento y, a continuación su punta se funde utilizando un micro-soplete (junto con el revestimiento y el núcleo). La tensión superficial y la gravedad trabajar juntos para dar forma a la punta fundida en una esfera. Esferas con diámetros que van desde 200 hasta 500 micras se puede conseguir con este proceso.
- La microesfera de sílice se sumerge en un baño de PDMS base (sin el agente de curado) para cubrirlo con una capa de aproximadamente 50 micras. Esta capa externa permanece como una muy viscosos Bingham (rendimiento-estrés) de líquido. Figura 1c es un esquema de Esfera III.
4. Preparación de la fibra óptica
- Una sección de una fibra óptica de modo único es despojado de su cla plásticodding utilizando un separador óptico. Utilizando un micro-soplete la sección rayada de la fibra se calienta hasta que se funde (tanto el revestimiento y núcleo de la fibra).
- Mientras que la sección central es fundido, un extremo de la fibra óptica se tira a lo largo de su eje para formar una sección cónica de la fibra que es de alrededor de 1 cm de largo. La duración del calentamiento, la velocidad de tracción y la distancia de determinar el diámetro de la sección cónica que oscila entre 10 y 20 micras. La luz del láser DFB está acoplado a la esfera a través de la sección cónica de la fibra. Figura 2 muestra el acoplamiento de esfera fibra.
5. Optoelectrónicos de configuración
- La salida de un láser DFB sintonizable está acoplado a una fibra óptica de modo único en un extremo y termina en un fotodiodo rápido en el otro extremo, como se muestra en la Figura 3.
- La salida del fotodiodo se digitalizan mediante un convertidor analógico-a-digital (A / D) y se almacena en un ordenador personal (PC).
- El láser DFB está sintonizado por un controlador de láser. El controlador de láser, a su vez, es accionado por un generador de función que proporciona una entrada de tensión de diente de sierra.
6. Generación de Campo Eléctrico
- Dos placas de latón cuadrados (2 x 2 cm) con un espesor de 1 mm se utilizan para generar el campo eléctrico uniforme. Las placas están conectadas a una fuente de tensión y los sensores de esfera se colocan en el hueco entre las dos placas (Figura 4).
- Con el fin de aumentar la sensibilidad de la medida, las esferas se primera polarizado en un campo eléctrico de 1 MV / m durante 2 horas.
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Representative Results
Un modo óptico (WGM) de la esfera es excitado por la luz de láser cuando la longitud del camino óptico recorrido por la luz es un múltiplo entero de la longitud de onda del láser. Para la disposición mostrada en la Figura 3, la longitud del camino óptico es 2πrn, donde n y r son el índice de refracción y el radio de la esfera, respectivamente. Usando la aproximación de la óptica geométrica, una condición WGM se satisface cuando 2πrn = lλ donde l es un número entero y λ es la longitud de onda del láser. Como el láser DFB está sintonizado en una gama de longitud de onda pequeña, modos ópticos la esfera dieléctrica de (WGM) son vistos como agudo depresiones en el espectro a través de la fibra óptica. Cuando la esfera se somete a una deformación elástica debido al campo eléctrico externo, la posición de un baño en los cambios de transmisión de espectro. Figura 5 muestra el espectro de transmisión típico y el cambio WGM debido al campo eléctrico externo para una60:1 PDMS esfera de 900 m de diámetro. Cuando el campo eléctrico de 50 kV / m está activado, el modo de WGM óptico, visto como un baño en el espectro de transmisión, experimenta un cambio de azul de Δλ ≈ 13:09 que indica que la esfera está alargada a lo largo de la dirección del campo. Tenga en cuenta que la longitud del camino óptico dentro de la esfera está en el plano ecuatorial normal a la dirección del campo eléctrico (Figura 4). El factor de calidad óptica para la inmersión WGM en la figura es ~ 5x10 5.
La figura 6a muestra el cambio WGM, Δλ, de Esfera I en 1 Hz eléctrico armónico de campo con amplitud de 200 V / m. El diámetro de la esfera es de 700 micras y que se polariza durante 2 horas en un campo eléctrico estático de 1 MV / m. El cambio correspondiente WGM vs parcela amplitud de campo eléctrico se muestra en la Figura 6b. Esfera i, se obtiene una sensibilidad de 1,7 pm / (kV / m). Los resultados para Sphere II y III se muestran en las Figuras 7 y 8, respectivamente. Figura 7 muestra los resultados de Sphere II con diámetro exterior ~ 700 micras y la Figura 8 muestran la medición con Esfera III que consistía en 300 núcleo de sílice micras y 150 micras de espesor de base de PDMS como recubrimiento sobre ella. En estas mediciones, los factores Q varió de 5 x 5 10 hasta 06 10. La morfología y la esfera WGM asociadas son sensibles a otras condiciones externas. Así, cada medición se completa en un período corto de tiempo (~ 1 min), de modo que, a los efectos ambientales (tales como temperatura, humedad, etc) en turnos WGM son insignificantes.
Figura 1. Esquema de las tres configuraciones de sensores esfera.
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Figura 2. Fotografía del acoplado esfera en forma de cono de fibra.
Figura 3. Esquema de configuración optoelectrónicos.
Figura 4 Esquema (a);. Fotografía (b) de la configuración experimental.
Figura 5. Espectros de transmisión a través de la fibra esfera de acoplamiento.
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Figura 6 WGM cambio de Esfera I bajo perturbación campo armónico (a);.. WGM cambio vs amplitud de campo eléctrico (b) Haga clic aquí para ampliar la cifra .
Figura 7 WGM cambio de Esfera II bajo perturbación campo armónico (a);.. WGM cambio vs amplitud de campo eléctrico (b) Haga clic aquí para ampliar la cifra .
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Figura 8 WGM cambio de Esfera III bajo perturbación campo armónico (a);.. WGM cambio vs amplitud de campo eléctrico (b) Haga clic aquí para ampliar la cifra .
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Discussion
Las esferas están inicialmente polarizada mediante la conexión de los electrodos a una fuente de alta tensión continua. Al final de la duración de polarización, los cables de los electrodos se desconecta de la fuente de tensión de CC y conectado a un generador de funciones, como se indica en la Figura 4. Los resultados presentados en las figuras 5 a 8 muestran que los campos eléctricos positivos y negativos (con respecto a la dirección de polarización) conducen a la esfera elongación y compresión, respectivamente. I esfera, que es una sola capa de 60:1 PDMS tiene una sensibilidad de campo eléctrico de 1,7 pm / (kV / m). Mejora significativa en la sensibilidad se obtiene mediante el uso de capas múltiples esferas. Esfera II proporciona una sensibilidad del campo eléctrico de 2,5 pm / (kV / m). Sin embargo, una sensibilidad mucho más alta se obtiene con Esfera III (~ 0,2 pm / (V / m) debido a la suave, rendimiento estrés líquido capa exterior. Con una suposición conservadora de que el desplazamiento mínimo WGM medible es δλ = λ / Q, típico WGM resolución del sensor se puede expresar como
donde E o es el campo eléctrico aplicado. La resolución del sensor dado en la ecuación anterior se puede mejorar adicionalmente mediante la utilización de mejores métodos de procesamiento de señales. Por ejemplo, el método de procesamiento de señales descrito en nuestro estudio reciente 17 proporciona una resolución de detección de cambio de ~ 0.13 pm. Para nuestros estudios, esto es equivalente a tener un sensor de factor Q de 10 7 en la ecuación anterior para la resolución del sensor.
Estos resultados son alentadores para el futuro desarrollo de WGM basados en micro-sensores ópticos. Una aplicación particular es un todo óptico, a base de fibras interfaz neurophotonic.
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Disclosures
No tenemos nada que revelar.
Acknowledgments
Esta investigación está patrocinada por los EE.UU. Defense Advanced Research Projects Agency en Centros de Investigación de Ingeniería Fotónica Integrada (cifra) programa con el Dr. J. Scott Rodgers como gerente del proyecto. La información proporcionada en este informe no refleja necesariamente la posición o la política del gobierno de EE.UU. y ningún patrocinio oficial reales.
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
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