Summary
光子微传感器的高灵敏度的开发用于电场检测。该传感器利用介质球的光学模式。在外部电场扰动球体形态，导致在其光学模式的变化的变化。的电场强度的测定通过监测这些光的变化。
Abstract
已收到显着的电介体的微腔的光学模式的关注，近年来其潜在的在广泛的应用范围。的光学模式经常被称为“窃窃私语画廊模式”（WGM），或“形态依赖共振”（MDR）的，并表现出高的光学质量因素。微腔的光学谐振器的一些建议应用在光谱学，微腔激光器技术，光通信3-6以及传感器技术。在WGM基于传感器应用，包括那些在生物学7，痕量气体检测8，和在液体中的杂质检测9。也有人提出了基于微谐振器的机械传感器，包括力10，11，12，加速13压力和壁面切应力14。在目前，我们展示了一个WGM-电场传感器，它建立我们以前STUDI上ES 15,16。该传感器中的应用的候选中的神经动作电位的检测。
电场传感器是基于聚合物多层介电性微球上。外部电场诱导导致弹性变形的球体（电致伸缩效应）的表面和身体势力。形态的球体中的这种变化，导致在WGM转变。电场诱导WGM位移审问激励球体通过激光光的光学模式。光从分布反馈（DFB）激光（标称波长为〜1.3μm）是侧耦合到微球使用的锥形的第一个单模光纤。球体的基体材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS）。三个微球几何形状的使用：（1）PDMS球面与基站至固化剂混合物的体积比为60:1，（2）与60:1的PDMS核心多层球体，在为了提高介电常数的第Ê球体为60:1 PDMS，一个中间层是混合不同量（2％至10％（体积）），钛酸钡和外层为60:1 PDMS和（3）涂覆有一层薄薄的固体二氧化硅球体未固化的PDMS基地。在每一种类型的传感器，激光从锥形光纤的光耦合到提供高光学品质因数WGM（Q〜10 6）的最外层。这种微球体极化几个小时在〜1 MV /米的电场的电场，以提高其敏感性。
Protocol
1。 PDMS微球的制备（球我）
- 聚二甲基硅氧烷（PDMS）的基料和固化剂混合，用体积比为60:1。
- 石英光纤，长2厘米左右的一缕，第一次剥离的塑料包层，使用光学脱衣舞。
- 一个端部的纤维被加热和拉伸，提供一种是〜25-50微米的尖端处的直径的杆端。
- 的拉伸的纤维被一端浸入的PDMS混合物由约2-4毫米的长度，然后被拉出。
- 的PDMS混合物的表面张力和重允许的二氧化硅纤维的尖端处形成一个球体。球体的大小被控制的浸渍长度和提取速度。可以得到100微米 - 1000微米的范围内，通过改变这两个参数，球体直径。
- 然后，微球/阀杆组件置于烘箱中，在〜90℃下进行4小时，以允许适当的固化的聚聚体材料（以形成交联链）： 图1a是一个示意图球面I.
2。 PDMS为基础的三层球的制备（球体II）
- 甲60:1的PDMS微球用作内芯。描述的相同的步骤，上述1）中之后是为这一进程。
- 将钛酸钡（BaTiO 3的 ）纳米颗粒和60:1的PDMS作为中间层使用。在1.1中描述的相同的方式）以上，制备的聚二甲基硅氧烷的混合物，混合用的钛酸钡纳米粒子。
- PDMS微球芯在2.1中描述的），然后浸入涂层（与层的标称厚度为约10μm）的PDMS的钛酸钡的混合物。
- 接着，这两个层的球体放置在烘箱中，在〜90℃4小时，所述第二层，以允许适当的固化。
- 一旦这两个层球体被固化，它再次浸入为60:1 PDMS的混合物中，提供一种外涂层（第三层）。这最外层的层作为球形光导（〜10微米厚）， 图1b是第二项球的概略。
3。二氧化硅/的PDMS微球的制备（球III）
- A〜3厘米长的部分的石英单模光纤首先剥离其缓冲（塑料）涂层，并使用微火炬（连同包层和芯），然后它的端部被熔化。表面张力和重力共同努力，塑造融化的冰山成一个球体。球的直径范围从200至500微米，可以得到与此过程。
- 然后被浸入的浴中的PDMS碱（没有的固化剂的情况下）的二氧化硅微球以覆盖它与〜50微米的涂层。该外层保持作为一个高度粘性宾厄姆（屈服应力）流体。 图1c是Sphere的III的示意性。
4。光学纤维的制备
- 剥去其塑料的共轭亚油酸的单模光纤的一段附加值的使用光学的汽提塔。使用一个微火炬的条纹部分的纤维被加热直到它是熔融（包层和纤维芯）。
- 虽然中间部分熔化时，拉出的光纤的一端沿其轴线的约1厘米长的纤维，形成一个锥形部分。加热的持续时间，拉伸速度和距离确定的锥形部，其在10和20微米之间的范围内的直径。从DFB激光的光被耦合到通过锥形部分的纤维。球体， 图2示出了球体的光纤耦合。
5。光电设置
- 的可调谐DFB激光器的输出被耦合到一个单模式光纤的一端上，并终止在一个快的光电二极管的另一端上，如在图3中所示的。
- 的光电二极管的输出是数字化的，使用一个模拟到数字转换器（A / D），并存储在一个个人计算机（PC）中。
- DFB激光通过激光控制器被调谐。反过来的激光控制器，驱动由一个函数发生器，它提供了一个锯齿波电压输入。
6。电场形成
- 两个方形黄铜与厚度为1mm的板（2×2厘米）被用于产生均匀电场。该板连接到一个电压源，并在两个板之间的间隙（ 图4）被放置在球体传感器。
- 为了提高测定灵敏度，第一极化球体在电场中的1 MV /米2小时。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
被激发的激光的波长的整数倍时的激光行进的光的光路长度是一种光模式（WGM）球体。对于在图3中所示的布置中，光路长度是2πrn，其中 n 和 r分别是球体的折射率和半径。使用几何光学近似，一个WGM条件被满足时，2πrn=Lλ其中升是一个整数，λ是激光的波长。由于DFB激光被调谐横跨一个小的波长范围内，在介电球的光学模式（WGM）被看到那样尖锐通过光纤中的频谱中骤降。当球体发生的弹性变形，由于外部电场，一个浸在透射光谱位移的位置。 图5示出了典型的透射光谱和在WGM移，由于外部电场为60:1 PDMS球体直径为900微米。当电场50千伏/米的导通，在WGM光学模式，视为浸涂的透射光谱中，经历Δλ≈1.9 PM表明球体沿磁场方向伸长的蓝移。请注意，在球体内部的光路长度是垂直于电场的方向上（ 图4）上的赤道面。在图中为在WGM倾角的光学品质因数为〜5×10 5。
图6a显示WGM转变，Δλ，球我在1谐波电场振幅为200 V / M。球体直径为700微米，它被极化为2小时，在一个静态1 MV /米的电场。在图6b中所示的相应WGM移比电场振幅情节。球面本人产生的灵敏度为1.7时/（千伏/米）。球面II和III的结果分别显示于图图7和图8，图7分别示出的球面II的结果与外径〜700微米， 图8显示的测量与球面III包括二氧化硅纤芯为300μm和150μm的厚度涂在它的PDMS基。在这些测量中，所述Q-因子范围从5×10 5〜10 6个 。该球体形态和相关WGM其他外部条件敏感。因此，每个测量完成后，在很短的一段时间（约1分钟），因此，对环境的影响（如温度，湿度等）WGM位移可以忽略不计。
图1的三个球体的传感器配置的示意图。
ig2.jpg“/>
图2。照片，耦合球体锥形光纤。
图3。光电设置示意图。
图4的原理图（a）的照片（b）的实验设置。
图5。通过球体耦合光纤的透射光谱。
保持，together.within的页面=“总是”> 
图6。的 WGM转变的球我在谐波场扰动（A）;的WGM转变与电场振幅（B）。 点击这里查看大图 。
图7。WGM谐波场扰动下的转移球II（A）;的WGM转变与电场振幅（二） 点击此处查看大图 。
gure 8“FO：内容的宽度=”6英寸的“佛：SRC =”/ files/ftp_upload/50199/50199fig8highres.jpg“SRC =”/ files/ftp_upload/50199/50199fig8.jpg“/>
图8。的 WGM转变的球三在谐波场扰动（A）;的WGM转变与电场振幅（二） 点击此处查看大图 。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
球体初始极化电极通过连接到一个DC高电压电源。极化持续时间结束时，从直流电压电源断开连接的电极引线和连接到一个函数发生器，如在图4中表示。在图5至图8示出了正和负的电场（相对方向极化）导致球体的伸长和压缩，分别给出的结果。球体I，这是一个单一的层60:1 PDMS具有灵敏度1.7分/（千伏/米）的电场。显着改善的灵敏度得到通过使用多层领域。球II 2.5分/（千伏/米）的电场敏感性。然而，一个高得多的灵敏度得到与球体III（〜0.2时/（V / m时）由于软，屈服应力液体外层。最小可测量WGM移位是有了一个保守的假设，δλ=λ/ Q，典型WGM传感器的分辨率可表示为
式中，E o是所施加的电场。利用更好的信号处理方法，在上面的方程中的给定的传感器的分辨率，可以进一步提高。例如，我们最近的研究17中所述的信号处理方法，提供了一个移动检测分辨率〜0.13时。对于我们的研究，这是相当于具有传感器传感器的分辨率为在上面的方程10 7 Q-因数。
这些结果是令人鼓舞的WGM为基础的微型光学传感器的未来发展。一个特定的应用程序是一个所有的光，基于光纤的neurophotonic接口。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
我们什么都没有透露。
Acknowledgments
这项研究是由美国国防部高级研究计划局赞助的中心在集成光子学J.斯科特·罗杰斯博士担任项目经理，工程技术研究计划（密码）。本报告中提供的信息并不一定反映的位置，或应推断，美国政府的政策并没有官方的认可。
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. Fiber-coupled microsphere laser. Optics letters. 25 (19), 1430-1432 (2000).
- 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).
