Summary
وقد تم تطوير جهاز استشعار عالية الحساسية الضوئية الدقيقة للكشف عن المجال الكهربائي. أجهزة الاستشعار البصرية وسائط يستغل لكرة عازلة. التغيرات في المجال الكهربائي الخارجي التشويش على التشكل المجال مما يؤدي إلى تحولات في أوضاع لها البصرية. يتم قياس شدة المجال الكهربائي من خلال رصد هذه التحولات البصرية.
Abstract
وقد تلقى وسائط بصرية من تجاويف الصغيرة عازلة اهتماما كبيرا في السنوات الأخيرة لإمكاناتهم في مجموعة واسعة من التطبيقات. ويشار في كثير من الأحيان وسائط البصرية على أنها "وسائط معرض يهمس" (WGM) أو "الأصداء مورفولوجيا المستقلة" (MDR)، ويحمل عالية الجودة العوامل البصرية. بعض التطبيقات المقترحة من الدقيقة تجويف بصري مرنانات هي في التحليل الطيفي 1، الصغيرة تجويف تكنولوجيا الليزر 2، الاتصالات البصرية 3-6 وكذلك تكنولوجيا الاستشعار. تطبيقات الاستشعار WGM القائم تشمل تلك الأحياء في 7، تتبع الكشف عن الغاز 8، والكشف عن الشوائب في السوائل 9. أجهزة الاستشعار الميكانيكية بناء على مرنانات المكروية كما تم اقتراح، بما في ذلك تلك القوة ل10،11، ضغط 12، 13 و تسارع الجدار القص الإجهاد 14. في الوقت الحاضر، ونحن يبرهن على وجود WGM المستندة إلى الاستشعار الحقل الكهربائي، الذي يستند ستودي رسائلنا السابقةوفاق 15،16. تطبيق مرشح لهذا المستشعر هو في الكشف عن إمكانات العمل العصبية.
ويستند جهاز استشعار المجال الكهربائي على البوليمرية المجهرية عازلة متعددة الطبقات. مجال كهربائي خارجي يدفع سطح الجسم والقوات على الأجواء (تأثير electrostriction) مما يؤدي إلى تشوه مرن. هذا التغيير في التشكل من المجالات، ويؤدي إلى تحولات في WGM. يتم استجواب الكهربائية التي يسببها مجال التحولات WGM بوسائط البصرية المثيرة للأجواء ضوء الليزر. الضوء من تغذية مرتدة توزيع (DFB) الليزر (الطول الموجي 1.3 ميكرومتر الاسمية لل~) هو جنبا إلى جانب المجهرية باستخدام القسم مدبب من الألياف البصرية واحد وضع. المادة الأساسية من المجالات هو polydimethylsiloxane (PDMS). وتستخدم هندستها المكروية ثلاثة: (1) PDMS المجال مع نسبة 60:1 من قاعدة الحجمي إلى علاج خليط الوكيل، (2) المجال طبقة متعددة مع 60:1 PDMS الأساسية، من أجل زيادة ثابت العزل الكهربائي من الالمجال الإلكتروني، وطبقة وسطى من PDMS 60:1 أن يتم خلط مع كميات متفاوتة (2٪ إلى 10٪ من حيث الحجم) من تيتانات الباريوم وطبقة خارجية من PDMS 60:1 و (3) السيليكا الصلبة المغلفة المجال بطبقة رقيقة من قاعدة PDMS غير مخمر. في كل نوع من أجهزة الاستشعار، ويقترن ضوء الليزر من الألياف مدبب في الطبقة الخارجية التي توفر عالية الجودة البصرية عامل WGM (Q ~ 10 6). وpoled والمجهرية لعدة ساعات في المجالات الكهربائية من MV 1 ~ / م لزيادة حساسيتها للمجال الكهربائي.
Protocol
1. PDMS المكروية إعداد (المجال الأول)
- يتم خلط Polydimethylsiloxane (PDMS) قاعدة وكيل علاج مع نسبة حجم 60:1.
- حبلا من الألياف البصرية السيليكا، حوالي 2 سم طويلة، وتجريد الأول من الكسوة وحدة اللدائن باستخدام متجرد البصرية.
- يتم تسخين واحدة من نهاية الألياف وامتدت لتوفير نهاية الجذعية التي هي ~ 25-50 ميكرومتر في القطر على الحافة.
- وغمرت نهاية امتدت من الألياف في خليط من PDMS بطول حوالي 2-4 ملم ومن ثم يتم سحب.
- التوتر السطحي والوزن من الخليط PDMS تسمح لتشكيل كرة في الطرف الجنوبي من الألياف السيليكا. يتم التحكم في حجم المجال من طول وسرعة استخراج غمس. من خلال تغيير هذه المعلمتين، بأقطار المجال في نطاق 100 ميكرون - ويمكن الحصول على 1000 ميكرومتر.
- ثم يتم وضع الجمعية المكروية / الجذعية في فرن في ~ 90 درجة مئوية لمدة 4 ساعات للسماح للعلاج السليم للبوليمير المواد (لتشكيل عبر ربط السلاسل). الشكل 1A هو التخطيطي من I. المجال
2. PDMS المستندة إلى المجال طبقة الثلاثي إعداد (II المجال)
- ويستخدم المكروية PDMS 60:1 باعتبارها جوهر الداخلية. ويتبع نفس الخطوات الموضحة في 1) أعلاه لهذه العملية.
- مزيج من تيتانات الباريوم (BaTiO 3) يتم استخدام جزيئات النانو وPDMS 60:1 والطبقة الوسطى. يتم خلط المزيج PDMS، الذي أعد بنفس الطريقة الموضحة في 1.1) أعلاه، مع تيتانات الباريوم جزيئات النانو.
- وانخفضت بعد ذلك المكروية الأساسية الموضحة في PDMS 2.1) إلى الخليط تيتانات الباريوم-PDMS لمعطف عليه (مع سمك طبقة اسمية 10 ~ ميكرومتر).
- المقبل، يتم وضع المجال طبقتين في فرن في ~ 90 درجة مئوية لمدة 4 ساعات للسماح للعلاج السليم للطبقة الثانية.
- مرة واحدة يتم الشفاء المجال الطبقة الثانية، ومرة أخرى مغمورة في خليط من PDMS 60:1 لتوفير الطلاء الخارجي (الطبقة الثالثة). هذا الأبعدطبقة بمثابة دليل البصرية كروية (~ سمك ميكرومتر 10). 1B الشكل التخطيطي هو الثاني المجال.
3. السيليكا / PDMS إعداد المكروية (III المجال)
- وجردت أولا أي قسم ~ 3 سم طويلة من وضع الألياف البصرية واحد من السيليكا المخزن المؤقت (البلاستيك) طلاء ثم ذاب طرفها باستخدام الشعلة الصغيرة (جنبا إلى جنب مع الكسوة والأساسية). التوتر السطحي وخطورة العمل معا لتشكيل غيض ذاب في المجال. ويمكن الحصول على مجالات مع بأقطار تتراوح ما 200 حتي 500 ميكرومتر في هذه العملية.
- ثم يتم وضعها في المكروية السيليكا في حمام من قاعدة PDMS (بدون علاج كيلا) لتغطية ذلك مع معطف من ميكرون 50 ~. هذه الطبقة الخارجي يبقى كسائل لزج عالية (العائد من التوتر) بينغهام. الشكل 1C هو التخطيطي الثالث المجال.
4. الألياف البصرية إعداد
- وجردت مقطع من الألياف البصرية واحد وضع القانون المدني لها من البلاستيكdding باستخدام متجرد البصرية. باستخدام الصغيرة الشعلة قسم مخطط من الألياف يسخن حتى يتم المنصهر (كل من الكسوة والألياف الأساسية).
- في حين أن الجزء الأوسط هو المنصهر، يتم سحبها واحدة من نهاية الألياف البصرية على طول محورها لتشكيل القسم مدبب من الألياف التي هي حوالي 1 سم طويلة. مدة التسخين، وسرعة سحب والمسافة تحديد القطر من قسم مدبب التي تتراوح بين 10 و 20 ميكرومتر. ويقترن ضوء من الليزر DFB في المجال من خلال قسم مدبب من الألياف. ويبين الشكل 2 توصيل الألياف المجال.
5. الكتروضوئي الإعداد
- ويقترن الناتج من الليزر DFB الانضباطي في الألياف البصرية وضع واحد على نهاية واحدة وإنهاء سريع في الثنائي الضوئي على الطرف الآخر كما هو موضح في الشكل 3.
- ورقمية الإخراج الثنائي الضوئي باستخدام تحويل التناظرية إلى الرقمية (A / D) وتخزينها على جهاز كمبيوتر شخصي (PC).
- يتم ضبطها ليزر DFB بواسطة وحدة تحكم ليزر. والدافع وحدة تحكم ليزر، بدوره عن طريق مولد الدالة التي توفر المدخلات الجهد المنشار الأسنان.
6. الجيل الكهربائية الميدانية
- وتستخدم لوحين من النحاس الأصفر مربع (2 × 2 سم) مع سمك 1 ملم لتوليد مجال كهربائي موحد. وترتبط لوحات لامدادات التيار الكهربائي ويتم وضع أجهزة استشعار المجال في الفجوة بين الصفيحتين (الشكل 4).
- من أجل زيادة حساسية القياس، وpoled أولا المجالات في مجال كهربائي من 1 MV / م لمدة 2 ساعة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
هو متحمس لوضع الضوئية (WGM) للكرة من قبل ضوء الليزر الضوئية عند طول مسار سافر على ضوء عدد صحيح متعددة من الطول الموجي ليزر. لترتيب هو موضح في الشكل 3، وطول مسار بصري 2πrn، حيث n و r هي معامل الانكسار ونصف قطر الكرة، على التوالي. باستخدام هندسية البصريات تقريب، اقتنعت شرط WGM عندما 2πrn = lλ حيث L هو عدد صحيح وλ هي طول الموجة الليزر، وكما يتم ضبطها ليزر DFB عبر مجموعة الطول الموجي صغير، وينظر سائط المجال عازلة للالضوئية (WGM) وحاد الانخفاضات في الطيف من خلال الألياف البصرية. عندما يخضع لعلاج التشوهات المجال مرونة بسبب الحقل الكهربائي الخارجي، والموقف من تراجع في التحولات الطيف الإرسال. ويبين الشكل 5 نموذجية أطياف انتقال والتحول WGM بسبب الحقل الكهربائي الخارجي ل60:1 PDMS مجال قطرها ميكرون 900. عند تشغيل الحقل الكهربائي من 50 كيلو فولت / متر على، وضع WGM البصرية، وينظر إليه على أنه تراجع في الطيف الإرسال، يواجه التحول من الزرقاء مساء ≈ 1،9 Δλ تشير إلى أن ممدود المجال على طول اتجاه المجال. لاحظ أن طول المسار الضوئي داخل المجال هو على متن الطائرة الاستوائية طبيعية لاتجاه المجال الكهربائي (الشكل 4). عامل الجودة البصرية لمجمع دبي للاستثمار في WGM الرقم 5x10 ~ 5.
6A الرقم يدل على تحول WGM، Δλ، من المجال الأول تحت هرتز 1 حقل كهربائي التوافقية مع السعة من 200 V / م. وقطر الكرة هو 700 ميكرون ويتم ذلك لمدة 2 poled الموارد البشرية في مجال كهربائي ثابت من 1 MV / م. ويرد التحول WGM المقابلة ضد مؤامرة السعة الكهربائية في مجال 6B الشكل. I المجال تعطي حساسية من 1.7 مساء / (كيلو فولت / متر). وتظهر نتائج II المجال والثالث في أرقام 7 و 8 على التوالي. الشكل 7 يبين نتائج II المجال مع القطر الخارجي ~ 700 ميكرون وعرض الشكل 8 قياس مع III المجال الذي يتألف من 300 ميكرون الأساسية السيليكا و 150 ميكرومتر سمك من قاعدة PDMS المغلفة أكثر من ذلك. في هذه القياسات، تراوح من العوامل Q-5 × 10 مايو - 10 يونيو. مورفولوجية المجال وWGM المرتبطة حساسة لظروف خارجية أخرى. وبالتالي، يتم إكمال كل قياس في فترة قصيرة من الزمن (~ 1 دقيقة) بحيث، والآثار البيئية (مثل الرطوبة ودرجة الحرارة وغيرها) على التحولات WGM تكاد لا تذكر.
الشكل 1. التخطيطي للتكوينات المجال استشعار الثلاثة.
ig2.jpg "/>
الشكل 2. الصورة من الألياف المجال، إلى جانب مدبب.
الشكل 3. تخطيطي من الإعداد البصرية الالكترونية.
الشكل 4 تخطيطي (أ)؛ الصورة (ب) من الإعداد التجريبية.
الشكل 5. أطياف ناقل المجال من خلال الألياف-جانب.
المحافظة على together.within صفحة = "دائما"> 
الشكل 6 WGM التحول من المجال الأول تحت اضطراب مجال التوافقي (أ)؛. WGM التحول مقابل السعة الكهربائية حقل (ب) انقر هنا لعرض أكبر شخصية .
الشكل 7 التحول من WGM II المجال تحت اضطراب مجال التوافقي (أ)؛. WGM التحول مقابل السعة الكهربائية حقل (ب) انقر هنا لعرض أكبر شخصية .
جوري 8 "FO: المحتوى العرض =" 6in "FO: SRC =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8.jpg "/>
الشكل 8 التحول WGM المجال الثالث تحت اضطراب مجال التوافقي (أ)؛. WGM التحول مقابل السعة الكهربائية حقل (ب) انقر هنا لعرض أكبر شخصية .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
وpoled في البداية المجالات من خلال ربط الأقطاب إلى الجهد DC العرض عالية. في نهاية مدة poling، يتم قطع يؤدي الكهربائي من امدادات التيار الكهربائي DC وتوصيلها إلى مولد وظيفة على النحو المبين في الشكل 4. النتائج المقدمة في أرقام 5 إلى 8 تبين أن الحقول الكهربائية الموجبة والسالبة (نسبة إلى اتجاه poling) يؤدي إلى استطالة المجال وضغط على التوالي. I المجال، وهو واحد طبقة PDMS 60:1 ديه حساسية المجال الكهربائي من 1.7 مساء / (كيلو فولت / متر). يتم الحصول على تحسن كبير في الحساسية باستخدام متعدد الطبقات المجالات. II المجال يوفر الكهربائية حساسية المجال من 2.5 مساء / (كيلو فولت / متر). بعد يتم الحصول على حساسية أعلى من ذلك بكثير مع المجال الثالث (حوالي 0.2 مساء / (V / م) نظرا لينة، طبقة الإجهاد السائل العائد الخارجي. مع افتراض أن المحافظة على الحد الأدنى للقياس التحول WGM هو δλ = λ / Q، نموذجية WGويمكن التعبير عن M القرار استشعار عن
حيث E هو يا الميداني التطبيقي الكهربائية. يمكن استشعار القرار الوارد في المعادلة المذكورة أعلاه زيادة تحسين أساليب أفضل من خلال الاستفادة من معالجة الإشارات. على سبيل المثال، وطريقة معالجة الإشارات الموضحة في دراستنا الاخيرة 17 على قرار الكشف عن التحول من مساء 0،13 ~. لدراساتنا، وهذا ما يعادل وجود جهاز استشعار Q-عامل 10 7 في المعادلة أعلاه لقرار الاستشعار.
هذه النتائج مشجعة للتنمية المستقبلية من أجهزة الاستشعار البصرية الدقيقة WGM مقرا لها. تطبيق معين هو بصري كل شيء، القائم على واجهة الألياف neurophotonic.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدينا شيء في الكشف عنها.
Acknowledgments
ويرعى هذا البحث من قبل الوكالة الأميركية مشاريع البحوث المتقدمة الدفاعية تحت مراكز بحوث في الهندسة المتكاملة الضوئيات (الشفرات) برنامج مع الدكتور سكوت رودجرز J. كمدير للمشروع. المعلومات الواردة في هذا التقرير لا تعبر بالضرورة عن موقف أو ينبغي أن يستدل سياسة حكومة الولايات المتحدة وليس موافقة رسمية.
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).
