Summary
En høj følsomhed fotoniske mikro sensor blev udviklet til elektrisk felt detektering. Sensoren udnytter optiske former for et dielektrisk område. Ændringer i den ydre elektrisk felt forstyrrer sfære morfologi, der fører til forskydninger i dets optiske tilstande. Den elektriske feltstyrke måles ved overvågning af disse optiske forskydninger.
Abstract
Optiske former for dielektriske mikro-hulrum har fået betydelig opmærksomhed i de senere år for deres potentiale i en bred vifte af applikationer. De optiske tilstande ofte benævnt "hviskegallerimodus modes" (WGM) eller "morfologi afhængige resonanser" (MDR) og udviser høj optisk kvalitet faktorer. Nogle foreslåede anvendelser af mikro-hulrum optiske resonatorer er i spektroskopi 1, mikro-hulrum laserteknologi 2, optisk kommunikation 3-6 samt sensorteknologi. De WGM-baserede sensor applikationer omfatter dem i biologi 7, spor gasdetektion 8 og urenhed opdagelse i væsker 9. Mekaniske sensorer baseret på mikrokugle resonatorer er også blevet foreslået, herunder dem, for kraft 10,11, tryk 12, acceleration 13 og væg forskydningsspænding 14. I den foreliggende, viser vi en WGM-baseret elektrisk felt sensor, som bygger på vores tidligere studies 15,16. En kandidat anvendelsen af denne sensor er i afsløring af neuronal virkningspotentiale.
Det elektriske felt sensoren er baseret på polymert flerlaget dielektrisk mikrosfærer. Den eksterne elektriske felt inducerer overflade og krop kræfter på kugler (electrostriction effekt), der fører til elastisk deformation. Denne ændring i morfologien af kuglerne, fører til forskydninger i WGM. Det elektriske felt-inducerede WGM skift forhørt af spændende de optiske tilstande kuglerne ved laserlys. Lys fra en fordelt tilbagekobling (DFB) laser (nominel bølgelængde på ~ 1,3 um) er side-koblet i mikrosfærerne under anvendelse af en tilspidset del af en single-mode optisk fiber. Basismaterialet af kuglerne er polydimethylsiloxan (PDMS). Tre mikrosfærepræparater geometrier anvendes: (1) PDMS kugle med et 60:1 volumetrisk forhold på bund-mod-hærdemiddel-blanding, (2) flere lag kugle med 60:1 PDMS kerne, for at forøge den dielektriske konstant af the kugle, et midterlag af 60:1 PDMS der er blandet med varierende mængder (2% til 10 volumen%) af bariumtitanat og et ydre lag af 60:1 PDMS og (3) fast silica kugle belagt med et tyndt lag af uhærdet PDMS base. I hver type sensor, er laserlys fra den tilspidsede fiber koblet til det yderste lag, der giver høj optisk kvalitet faktor WGM (Q ~ 10 6). Mikrokuglerne er polariseres i adskillige timer ved elektriske felter af ~ 1 MV / m for at forøge deres følsomhed over for elektrisk felt.
Protocol
1. PDMS mikrosfærepræparationen (Sphere I)
- Polydimethylsiloxan (PDMS) base og hærdemidlet blandes med et volumenforhold på 60:1.
- En streng af optisk silicafiber, cirka 2 cm lang, først fjernet sin plast beklædning anvendelse af en optisk stripper.
- Den ene ende af fiberen er opvarmet og strakt til at tilvejebringe en stilk ende, der er ~ 25-50 um i diameter ved spidsen.
- Den strakte ende af fiberen er neddykket i PDMS blandingen ved en længde på 2-4 mm og derefter trækkes ud.
- Overfladespænding og vægt af PDMS blandingen tillade dannelsen af en kugle ved spidsen af silica fiber. Størrelsen af kuglen styres af dypning længde og ekstraktion hastighed. Ved at variere disse to parametre, sfære diametre i området 100 pm - 1000 um kan opnås.
- Mikrosfæren / spindlen anbringes derefter i en ovn ved -90 ° C i 4 timer for at sikre passende hærdning af polymer materiale (til dannelse af tværbundne kæder). Figur 1a viser skematisk Sphere I.
2. PDMS-baserede Triple Layer Sphere Preparation (Sphere II)
- En 60:1 PDMS mikrosfære anvendes som den indre kerne. De samme trin som beskrevet i 1) ovenfor fulgt i denne proces.
- En blanding af bariumtitanat (BaTiO 3) nano-partikler og 60:1 PDMS anvendes som det midterste lag. PDMS blanding, fremstillet på samme måde som beskrevet i 1.1) ovenfor, blandes med bariumtitanat nanopartikler.
- PDMS mikrosfære kerne beskrevet i 2.1) derpå dyppes i PDMS-bariumtitanat blanding til overtrækning det (med et lag nominel tykkelse på ~ 10 um).
- Dernæst tolags område anbragt i en ovn ved -90 ° C i 4 timer for at sikre passende hærdning af det andet lag.
- Når tolags område er hærdet, bliver det igen neddyppet i en blanding af 60:1 PDMS at tilvejebringe en ydre coating (tredje lag). Denne yderstelag tjener som sfærisk optisk vejledning (~ 10 um tykkelse). Figur 1 b er et diagram af Sphere II.
3. Silica / PDMS mikrosfærepræparationen (Sphere III)
- A ~ 3 cm lang sektion af et silica single-mode optisk fiber først fjernet sin puffer (plastik) coating og derefter dens spids er smeltet ved anvendelse af en mikro-brænder (sammen med beklædningen og kernen). Overfladespænding og tyngdekraften arbejder sammen til at forme den smeltede spids til en kugle. Sfærer med diametre i området fra 200 til 500 um kan opnås med denne fremgangsmåde.
- Silica mikrosfære nedsænkes derefter i et bad af PDMS base (uden hærdemiddel) til at dække det med et lag ~ 50 um. Dette ydre lag forbliver som en højviskos Bingham (yield stress) fluidum. Figur 1c viser skematisk Sphere III.
4. Optical Fiber Preparation
- En sektion af en single-mode optisk fiber fjernet sin plast CLAdding anvendelse af en optisk stripper. Ved anvendelse af en mikro-brænder den stribede del af fiberen opvarmes, indtil den er smeltet (både beklædning og fiberkernen).
- Mens det midterste afsnit er smeltet, er den ene ende af den optiske fiber trækkes langs dens akse til dannelse af en tilspidset del af fiberen, der er omkring 1 cm lange. Varigheden af opvarmningen, den trækhastighed og afstand bestemme diameteren af den tilspidsede sektion, der spænder mellem 10 og 20 um. Lyset fra DFB-laseren er koblet til kuglen via det tilspidsede afsnit af fiberen. 2 viser kugle-fiber kobling.
5. Optoelektroniske Setup
- Udgangssignalet fra en afstemmelig DFB-laseren er koblet til en enkelt-mode optisk fiber i den ene ende og afsluttes ved hurtig fotodiode i den anden ende som vist i figur 3..
- Fotodioden output digitaliseres med en analog-til-digital konverter (A / D) og opbevaret på en personlig computer (PC).
- DFB-laseren indstilles af en laser controller. Laseren controller på sin side drives af en funktionsgenerator, som tilvejebringer en savtakket spændingsindgang.
6. Electric Field Generation
- To firkantede messing plader (2 x 2 cm) med tykkelse på 1 mm bliver anvendt til at generere ensartet elektrisk felt. Pladerne er forbundet til en spændingsforsyning, og som kuglen sensorer er placeret i mellemrummet mellem de to plader (figur 4).
- For at øge målingens følsomhed, er kuglerne 1. Polariseres i et elektrisk felt på 1 MV / m i 2 timer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En optisk tilstand (WGM) af kuglen er begejstret af laser lys, når lysvej tilbagelagt af lyset er et multiplum heltal af laser bølgelængde. For arrangementet vist i figur 3, er den optiske vejlængde 2πrn, hvor n og r er brydningsindekset og kuglens radius hhv. Ved hjælp af geometriske optik tilnærmelse, er en WGM betingelse opfyldt, når 2πrn = lλ hvor l er et helt tal, og λ er laserens bølgelængde. Da DFB-laseren indstilles på tværs af en lille bølgelængdeområde, er det dielektriske sfære optiske tilstande (WGM) ses som skarp dips i spektret gennem den optiske fiber. Når kuglen gennemgår en elastisk deformation på grund af eksterne elektriske felt, placeringen af en dukkert i transmissionsspektret skift. Figur 5 viser typisk transmissionsspektre og WGM skift på grund af ekstern elektrisk felt for et60:1 PDMS sfære på 900 um diameter. Når det elektriske felt på 50 kV / m er slået til, den WGM optiske tilstand, ses som et dyk i transmissionsspektret, oplever en blå-forskydning af Δλ ≈ 13:09 viser, at kuglen er aflang langs feltet retning. Bemærk, at den optiske vejlængde inde i kuglen er på ækvatorialplanet vinkelret på det elektriske felt retning (fig. 4). Den optiske kvalitet faktor for WGM dip i figuren er ~ 5x10 5.
Figur 6a viser den WGM skift, Δλ, af Sphere I under 1 Hz harmoniske elektrisk felt med amplitude på 200 V / m. Kuglens diameter er 700 um og er polariseres i 2 timer i en statisk elektrisk felt på 1 MV / m. Den tilsvarende WGM shift vs elektrisk felt amplitude plot er vist i figur 6b. Sphere Jeg giver en følsomhed på 1,7 pm / (kV / m). Resultaterne for Sphere II og III er vist i figur 7 og 8, henholdsvis. Figur 7 viser resultaterne af Sphere II med ydre diameter ~ 700 um og Figur 8 viser målingen med Sphere III, der bestod af 300 pm silica kerne og 150 um tykkelse på PDMS base, coatet over den. I disse målinger varierede Q-faktorer fra 5 x 10 MAJ-10 Juni. Kuglen morfologi og den tilknyttede WGM er følsomme over for andre eksterne betingelser. Således er hver måling afsluttet i en kort periode (ca. 1 minut), således at de miljømæssige virkninger (såsom temperatur, fugtighed osv.) på WGM skift er ubetydelige.
Fig. 1. Skematisk af de tre sfære sensorkonfigurationer.
ig2.jpg "/>
Figur 2. Fotografi af koblet kugle-tilspidset fiber.
Figur 3. Skematisk af optoelektroniske setup.
Figur 4 Skematisk (a). Fotografi (b) af forsøgsopstillingen.
Figur 5. Transmissionsspektre gennem kugle-koblet fiber.
keep-together.within-page = "altid"> 
Figur 6 WGM skift af Sphere I under harmonisk felt perturbation (a).. WGM shift vs elektrisk felt amplitude (b) Klik her for at se større figur .
Figur 7 WGM skift i Sphere II under harmonisk felt perturbation (a).. WGM shift vs elektrisk felt amplitude (b) Klik her for at se større figur .
guren 8 "fo: indhold-bredde =" 6in "fo: src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8.jpg "/>
Figur 8 WGM skift i Sphere III under harmonisk felt perturbation (a).. WGM shift vs elektrisk felt amplitude (b) Klik her for at se større figur .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Kuglerne er oprindeligt polariseret ved at forbinde elektroderne til en DC højspændingsforsyning. Ved afslutningen af polarisationsfeltet varighed, er elektroderne afbrydes fra jævnstrømsforsyning og forbundet til en funktionsgenerator som vist i figur 4. Resultaterne præsenteret i figur 5 til 8 viser, at positive og negative elektriske felter (i forhold til retningen af poling) fører til kugle forlængelse og komprimering hhv. Sfære I, som er et enkelt lag 60:1 PDMS har et elektrisk felt følsomhed på 1,7 pm / (kV / m). Signifikant forbedring i følsomhed opnås ved anvendelse af flere lag kugler. Sphere II tilvejebringer elektrisk felt følsomhed på 2,5 pm / (kV / m). Endnu en meget høj følsomhed opnås med Sphere III (~ 12:02 / (V / m) på grund af den bløde, flydespænding-væske ydre lag. Med en konservativ antagelse, at den mindste målbare WGM skift er δλ = λ / Q, typisk WGM sensor opløsning kan udtrykkes som
hvor E o er det anvendte elektriske felt. Sensor Opløsning angivet i den ovennævnte ligning kan forbedres yderligere ved anvendelse af bedre signalbehandlingsmetoder. For eksempel tilvejebringer den signalbehandling, der er beskrevet i vor nylige undersøgelse 17 et skift detektering opløsning på ~ 12:13. For vores undersøgelser, svarer dette til at have en sensor Q-faktor 10 7 i ovenstående ligning til sensor opløsning.
Disse resultater er opmuntrende for den fremtidige udvikling af WGM-baserede mikro-optiske sensorer. En særlig anvendelse er en alt optisk, fiberbaserede neurophotonic interface.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har intet at afsløre.
Acknowledgments
Denne forskning er sponsoreret af det amerikanske Defense Advanced Research Projects Agency under Centers i Integrated Photonics Engineering Research (Cipher) program med Dr. J. Scott Rodgers som projektleder. Oplysningerne i denne rapport afspejler ikke nødvendigvis den holdning eller politik den amerikanske regering og nogen officiel godkendelse skal udledes heraf.
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).
