Summary
Un capteur de haute sensibilité photonique micro est développé pour la détection du champ électrique. Le capteur exploite les modes optiques d'une sphère diélectrique. Les changements dans l'perturbent champ électrique externe de la morphologie sphère conduit à des changements dans ses modes optiques. L'intensité du champ électrique est mesurée par la surveillance de ces changements optiques.
Abstract
Modes optiques diélectriques micro-cavités ont reçu une attention considérable ces dernières années pour leur potentiel dans une large gamme d'applications. Les modes optiques sont souvent appelées "modes de galerie (WGM») ou «résonances morphologie charge» (MDR) et présentent des facteurs élevés de qualité optique. Certaines applications proposées de micro-cavités des résonateurs optiques sont en spectroscopie 1, la technologie laser micro-cavité 2, communications optiques 6.3 ainsi que la technologie des capteurs. Les applications de capteurs à base de WGM comprennent ceux de la biologie 7, la détection de traces de gaz 8, et la détection d'impuretés dans les liquides 9. Capteurs mécaniques basés sur des résonateurs microsphères ont également été proposées, y compris ceux pour la force de 10,11, la pression 12, 13 et accélération paroi contrainte de cisaillement 14. Dans le présent, nous démontrons un capteur de WGM basée champ électrique, qui s'appuie sur notre studi précédentees 15,16. Une application de ce capteur candidat est dans la détection de potentiel d'action neuronale.
Le capteur de champ électrique est basé sur des microsphères polymères multicouche diélectrique. Le champ électrique externe induit surface du corps et les forces sur les sphères (effet électrostrictif) conduisant à une déformation élastique. Ce changement dans la morphologie des sphères, conduit à des changements dans le WGM. Le champ électrique induit des changements WGM sont interrogés par l'excitation des modes optiques des sphères de lumière laser. La lumière à partir d'une rétroaction répartie (DFB) laser (longueur d'onde nominale de ~ 1,3 um) est couplé côté-dans les microsphères à l'aide d'une section conique d'une fibre optique monomode. Le matériau de base de la sphère est le polydiméthylsiloxane (PDMS). Trois géométries microsphères sont utilisées: (1) PDMS sphère avec un rapport volumétrique de 60:1 base-durcisseur mélange d'agents, (2) à plusieurs couches avec sphère 60:1 PDMS noyau, afin d'augmenter la constante diélectrique du ièmee sphère, une couche médiane de 60:1 PDMS qui est mélangé avec des quantités variables (2% à 10% en volume) de titanate de baryum et une couche externe de 60:1 PDMS et (3) la sphère de silice solide revêtu d'une couche mince de PDMS de base non durci. Dans chaque type de capteur, la lumière laser à partir de la fibre conique est couplée dans la couche la plus externe qui fournit une grande qualité optique facteur WGM (Q ~ 10 6). Les microsphères sont polarisées pendant plusieurs heures à des champs électriques de ~ 1 MV / m pour accroître leur sensibilité au champ électrique.
Protocol
1. Préparation de microsphères PDMS (Sphère I)
- Polydiméthylsiloxane (PDMS) de base et le durcisseur sont mélangés avec un rapport en volume de 60:1.
- Un brin de fibre optique en silice, environ 2 cm de long, est d'abord dépouillé de sa gaine plastique à l'aide d'un décapant optique.
- Une extrémité de la fibre est chauffée et étirée pour former une extrémité de tige qui est ~ 25-50 pm de diamètre à la pointe.
- L'extrémité étirée de la fibre est immergée dans le mélange de PDMS par une longueur d'environ 2-4 mm, puis est retiré.
- La tension superficielle et le poids du mélange PDMS permettre la formation d'une sphère à l'extrémité de la fibre en silice. La taille de la sphère est commandée par la longueur de trempage et la vitesse d'extraction. En faisant varier ces deux paramètres, le diamètre des sphères dans la gamme de 100 um - 1000 um peut être obtenue.
- L'ensemble de microsphères / tige est ensuite placé dans une étuve à ~ 90 ° C pendant 4 heures pour permettre un durcissement correct de la polymatériel mer (pour former des chaînes réticulées). Figure 1a est une vue schématique d'I. Sphère
2. Préparation à base de PDMS Triple Sphere Layer (Sphère II)
- Microsphère 60:1 PDMS est utilisé en tant que noyau intérieur. Les mêmes étapes décrites en 1) ci-dessus est suivi de ce processus.
- Un mélange de titanate de baryum (BaTiO 3) nano-particules et 60:1 PDMS est utilisé comme couche intermédiaire. Le mélange PDMS, préparé de la manière décrite à 1,1) ci-dessus, on mélange avec du titanate de baryum nano-particules.
- Le noyau microsphère PDMS décrit dans 2,1) est ensuite plongée dans le mélange de titanate de baryum-PDMS pour la couche (avec une épaisseur de couche nominale de ~ 10 um).
- Ensuite, la sphère à deux couches est placé dans une étuve à ~ 90 ° C pendant 4 heures pour permettre la polymérisation convenable de la deuxième couche.
- Une fois la sphère à deux couches est durcie, elle est de nouveau plongé dans un mélange de PDMS 60:1 à fournir un revêtement extérieur (troisième couche). Ce externecouche sert de guide optique sphérique (épaisseur ~ um 10). Figure 1b est une vue schématique de Sphère II.
3. Silice / Préparation de microsphères PDMS (Sphère III)
- Une section ~ 3 cm de long d'une fibre optique unique mode de silice est d'abord dépouillé de son tampon (plastique) de revêtement, puis son extrémité est fondu à l'aide d'un micro-torche (avec le revêtement et le noyau). La tension de surface et la gravité travailler ensemble pour façonner l'extrémité fondue dans une sphère. Sphères ayant des diamètres allant de 200 à 500 um peut être obtenue par ce procédé.
- La microsphère de silice est ensuite immergé dans un bain de PDMS de base (sans durcisseur), à la recouvrir d'une couche de ~ 50 um. Cette couche extérieure reste aussi un très visqueux Bingham (limite d'élasticité) de liquide. Figure 1c est une vue schématique de Sphère III.
4. Préparation de la fibre optique
- Une section d'une fibre optique monomode est dépouillé de son cla plastiquedding l'aide d'un extracteur optique. À l'aide d'un micro-chalumeau la section rayée de la fibre est chauffé jusqu'à ce qu'il soit fondu (à la fois la gaine et coeur de la fibre).
- Tandis que la partie centrale est en fusion, une extrémité de la fibre optique est tirée le long de son axe pour former une section conique de la fibre qui est à environ 1 cm de long. La durée du chauffage, la vitesse de tirage et de la distance déterminer le diamètre de la section conique qui se situe entre 10 et 20 um. La lumière provenant du laser DFB est couplée dans la sphère à travers la section conique de la fibre. Figure 2 montre le couplage fibre-sphère.
5. Optoélectronique Setup
- La sortie d'un laser DFB accordable est couplé dans une fibre optique monomode à une extrémité et se terminant à une photodiode rapide sur l'autre extrémité comme représenté sur la figure 3.
- La sortie de la photodiode est numérisé à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique (A / N) et stockées sur un ordinateur personnel (PC).
- Le laser DFB est réglée par un dispositif de commande laser. Le dispositif de commande laser, à son tour, est entraîné par un générateur de fonction qui fournit une entrée de tension en dents de scie.
6. Génération du champ électrique
- Deux plaques de laiton carrés (2 x 2 cm) d'épaisseur de 1 mm sont utilisées pour générer le champ électrique uniforme. Les plaques sont reliées à une alimentation en tension et les capteurs sont placés dans la sphère de l'écart entre les deux plaques (figure 4).
- Afin d'augmenter la sensibilité de la mesure, les sphères sont d'abord polarisée dans un champ électrique de 1 MV / m pendant 2 heures.
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Representative Results
Un mode optique (WGM) de la sphère est excité par la lumière laser lorsque la longueur du chemin optique parcouru par la lumière est un multiple entier de la longueur d'onde laser. Pour le dispositif représenté sur la figure 3, la longueur du chemin optique est 2πrn, où n et r sont l'indice de réfraction et le rayon de la sphère, respectivement. Utilisant géométrique rapprochement optique, une condition WGM est satisfaite lorsque 2πrn = lλ où l est un nombre entier et λ la longueur d'onde du laser. Comme le laser DFB est réglé sur une plage de longueur d'onde faible, les modes optiques de la sphère diélectrique de (WGM) sont considérées comme tranchant plonge dans le spectre à travers la fibre optique. Lorsque la sphère soumise à une déformation élastique due au champ électrique externe, la position d'un plongeon dans les changements du spectre de transmission. Figure 5 représente les spectres de transmission typique et le décalage WGM due à un champ électrique externe à une60:1 PDMS sphère de 900 um de diamètre. Lorsque le champ électrique de 50 kV / m est allumé, le mode de WGM optique, considéré comme un plongeon dans le spectre de transmission, connaît un décalage vers le bleu de Δλ ≈ 13 heures 09 ce qui indique que la sphère est allongée le long de la direction du champ. Noter que la longueur du trajet optique à l'intérieur de la sphère est sur le plan équatorial perpendiculaire à la direction du champ électrique (figure 4). Le facteur de qualité optique pour le bain WGM dans la figure est ~ 5x10 5.
La figure 6a montre le décalage WGM, Δλ, de Sphère Je inférieure à 1 Hz du champ électrique harmonique avec une amplitude de 200 V / m. Le diamètre de la sphère est de 700 um et il est polarisée pendant 2 heures dans un champ électrique statique de 1 MV / m. Le passage correspondant WGM vs parcelle de champ électrique d'amplitude est illustré à la figure 6b. Sphère I donne une sensibilité de 1,7 pm / (kV / m). Les résultats de Sphère II et III sont présentés dans les figures 7 et 8, respectivement. Figure 7 montre les résultats de Sphère II avec un diamètre extérieur ~ 700 um et Figure 8 afficher la mesure de Sphère III qui consistait à base de silice de 300 um et 150 um d'épaisseur de la base de PDMS déposée sur celui-ci. Dans ces mesures, les coefficients de surtension varie de 5 x 10 5 à 10 6. La morphologie et la sphère WGM associé sont sensibles à d'autres facteurs externes. Ainsi, chaque mesure est terminée dans un court laps de temps (~ 1 min) de sorte que, les effets environnementaux (tels que la température, l'humidité, etc) sur les changements WGM sont négligeables.
Figure 1. Schéma des trois configurations de capteurs sphère.
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Figure 2. Photographie d'couplée sphère conique de la fibre.
Figure 3. Schéma de configuration optoélectronique.
Figure 4 Schéma (a);. Photographie (b) du dispositif expérimental.
Figure 5. Spectres de transmission à travers la fibre sphère couplé.
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Figure 6 WGM changement de Sphère I sous perturbation du champ harmonique (a);.. WGM changement par rapport à un champ électrique d'amplitude (b) Cliquez ici pour agrandir la figure .
La figure 7 changement de WGM Sphère II sous perturbation du champ harmonique (a);.. WGM changement par rapport à un champ électrique d'amplitude (b) Cliquez ici pour agrandir la figure .
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Figure 8 WGM changement de Sphère III en vertu de perturbation du champ harmonique (a);.. WGM changement par rapport à un champ électrique d'amplitude (b) Cliquez ici pour agrandir la figure .
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Discussion
Les sphères sont d'abord polarisé en reliant les électrodes à une alimentation en courant continu à haute tension. À la fin de la durée de polarisation, les conducteurs d'électrodes sont déconnectées de l'alimentation en courant continu et connecté à un générateur de fonction, comme indiqué dans la figure 4. Les résultats présentés dans les figures 5 à 8 montrent que positifs et négatifs des champs électriques (par rapport à la direction de polarisation) conduisent à un allongement de la sphère et de compression, respectivement. Je sphère, qui est une couche unique 60:1 PDMS a une sensibilité de champ électrique de 1,7 pm / (kV / m). Amélioration significative de la sensibilité est obtenue en utilisant plusieurs couches sphères. Sphère II fournit la sensibilité du champ électrique de 2,5 pm / (kV / m). Pourtant, une sensibilité beaucoup plus élevée est obtenue avec Sphère III (~ 0,2 h / (V / m) en raison de la douceur, la limite d'élasticité-liquide de la couche extérieure. Avec une hypothèse prudente que le passage WGM minimale mesurable est δλ = λ / Q, typique WGRésolution du capteur M peut être exprimée par
où E o est le champ électrique appliqué. Résolution du capteur donnée dans l'équation ci-dessus peut être encore améliorée par l'utilisation de meilleures méthodes de traitement du signal. Par exemple, la méthode de traitement du signal décrit dans notre étude récente 17 fournit une résolution de détection de changement de ~ 0,13 h. Pour nos études, ce qui équivaut à avoir un capteur facteur Q de 10 7 dans l'équation ci-dessus pour la résolution du capteur.
Ces résultats sont encourageants pour le développement futur de WGM à base de capteurs micro-optiques. Une application particulière est un tout optique, à base de fibres d'interface neurophotonic.
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Disclosures
Nous n'avons rien à déclarer.
Acknowledgments
Cette recherche est soutenue par la US Defense Advanced Research Projects Agency en vertu de centres intégrés de recherche en photonique Ingénierie (Cipher) programme avec le Dr J. Scott Rodgers comme chef de projet. L'information fournie dans ce rapport ne reflètent pas nécessairement la position ou la politique du gouvernement américain et aucune approbation officielle doit être déduite.
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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