Summary
Eine hochempfindliche photonischen Mikrosensor wurde für elektrische Feld Detektion entwickelt. Der Sensor nutzt die optischen Moden eines dielektrischen Kugel. Änderungen in der externen elektrischen Feld stören die Kugel Morphologie, die zu Verschiebungen in seiner optischen Modi. Die elektrische Feldstärke wird durch die Überwachung dieser optischen Verschiebungen gemessen.
Abstract
Optischen Moden der dielektrischen Mikrohohlräume haben erhebliche Aufmerksamkeit in den letzten Jahren auf ihr Potential in einem breiten Bereich von Anwendungen. Die optischen Moden werden häufig als "whispering gallery modes" (WGM) oder "Morphologie Resonanzen" (MDR) und eine hohe optische Qualität genannten Faktoren. Einige vorgeschlagene Anwendungen von Mikro-Hohlraum optische Resonatoren sind in der Spektroskopie ein, Mikro-Cavity-Laser-Technologie 2, optische Kommunikation 3-6 sowie Sensor-Technologie. Die WGM-basierten Sensor-Anwendungen schließen diejenigen ein, in der Biologie 7, Spurengaserkennung 8, und Unreinheit Grenzstanderfassung in Flüssigkeiten 9. Mechanische Sensoren auf Basis von Mikrokügelchen Resonatoren sind ebenfalls vorgeschlagen worden, einschließlich solcher für Kraft 10,11, Druck 12, 13 und Beschleunigung Wandschubspannung 14. In der vorliegenden demonstrieren wir einen WGM-basierte elektrische Feld-Sensor, der auf unseren früheren studi bautes 15,16. Ein Kandidat Anwendung dieses Sensors ist bei der Detektion von neuronalen Aktionspotentials.
Der elektrische Feldsensor ist an polymeren mehrschichtigen dielektrischen Mikrosphären berechnet. Das äußere elektrische Feld induziert Oberfläche und Körper Kräfte auf den Kugeln (Elektrostriktionseffekt) führenden elastische Verformung. Diese Veränderung in der Morphologie der Kugeln, führt zu Veränderungen in der WGM. Das elektrische Feld induzierte WGM Verschiebungen werden durch Anregen der optischen Moden der Kugeln durch Laserlicht abgefragt. Licht von einer Distributed Feedback (DFB)-Laser (nominalen Wellenlänge von ~ 1,3 um) ist in die Mikrokügelchen mit einem verjüngten Abschnitt einer optischen Einmodenfaser nebeneinander gekoppelt. Das Grundmaterial der Kugeln ist Polydimethylsiloxan (PDMS). Drei Mikrokugel Geometrien verwendet werden: (1) PDMS Kugel mit einem Volumenverhältnis von 60:1 Basis-Härtermischung, (2) Mehrschicht Kugel mit 60:1 PDMS Kern, um die Dielektrizitätskonstante zu erhöhen the Kugel, einer mittleren Schicht von 60:1 PDMS, die mit unterschiedlichen Mengen (2% bis 10% nach Volumen) aus Bariumtitanat und einer äußeren Schicht von 60:1 PDMS und (3) feste Silica Kugel mit einer dünnen Schicht beschichtet gemischt wird von ungehärtetem PDMS Basis. In jeder Art von Sensor wird Laserlicht von dem verjüngten Faser in der äußersten Schicht, die eine hohe optische Qualität Faktor WGM (Q ~ 10 6) bietet gekoppelt. Die Mikrokugeln werden mehrere Stunden bei elektrischen Feldern von ~ 1 MV / m gepolt ihrer Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldes zu erhöhen.
Protocol
Ein. PDMS Microsphere Vorbereitung (Sphere I)
- Polydimethylsiloxan (PDMS)-Basis und der Härter werden mit einem Volumenverhältnis von 60:1 vermischt.
- Ein Strang der Kieselsäure optische Faser, etwa 2 cm lang, wird zunächst der Kunststoffverkleidung unter Verwendung eines optischen Stripper gestrippt.
- Ein Ende der Faser erhitzt und gestreckt, um ein Schaftende, das ~ 25-50 um Durchmesser an der Spitze bereitzustellen.
- Die gestreckte Ende der Faser wird in die PDMS-Gemisch durch eine Länge von ungefähr 2-4 mm eingetaucht und dann herausgezogen wird.
- Oberflächenspannung und Gewicht des PDMS-Gemisch ermöglichen zur Bildung einer Kugel an der Spitze des Silica Faser. Die Größe der Kugel wird durch das Eintauchen Länge und Extraktion Geschwindigkeit gesteuert. Durch Variation dieser beiden Parameter, Kugeldurchmesser im Bereich 100 um - 1000 um erhalten werden.
- Mikrokugel / Stengel Anordnung wird dann in einem Ofen bei ~ 90 ° C gelegt 4 h für richtiges Heilen des Poly erlaubenmer Material (zum vernetzten Ketten zu bilden). 1a ist eine schematische Darstellung Sphere I.
2. PDMS-basierte Triple Layer Sphere Vorbereitung (Sphere II)
- Ein 60:1 PDMS Mikrokugel ist als der innere Kern verwendet. Die gleichen Schritte in 1) oben beschrieben ist für dieses Verfahren gefolgt.
- Eine Mischung aus Bariumtitanat (BaTiO 3) Nanopartikeln und 60:1 PDMS ist als die mittlere Schicht verwendet. Die PDMS-Gemisch, in der gleichen Weise in 1.1 beschrieben) oben hergestellt, wird mit Bariumtitanat Nanopartikeln vermischt.
- Das PDMS Mikrokugel Kern in 2.1 beschrieben) wird dann in der PDMS-Bariumtitanat Mischung zu beschichten (mit einer Schicht Nenndicke von ~ 10 um) getaucht.
- Als nächstes wird der zweischichtige Bereich in einem Ofen bei ~ 90 ° C für 4 Stunden, um eine ordnungsgemäße Aushärten der zweiten Schicht zu ermöglichen platziert.
- Sobald der zweischichtige Bereich gehärtet wird, wird er wieder in einem Gemisch aus 60:1 PDMS, um eine äußere Beschichtung (dritte Schicht) bereitzustellen eingetaucht. Diese äußersteSchicht dient als sphärische optische Führung (~ 10 um Dicke). 1b ist eine schematische Darstellung Sphere II.
3. Silica / PDMS Microsphere Vorbereitung (Sphere III)
- Ein ~ 3 cm langer Abschnitt einer Kieselsäure Einmodenlichtleitfaser ist ersten seiner Puffer (Kunststoff)-Beschichtung abgestreift und dann seine Spitze wird geschmolzen unter Verwendung eines Mikro-Fackel (zusammen mit dem Mantel und Kern). Oberflächenspannung und Schwerkraft arbeiten zusammen, um das geschmolzene Spitze in einer Kugel formen. Kugeln mit Durchmessern im Bereich von 200 bis 500 um mit diesem Verfahren erhalten werden.
- Das Siliciumdioxid Mikrokugel wird dann in ein Bad aus PDMS Basis eingetaucht (ohne Härtemittel), um es mit einem Mantel von ~ 50 um bedecken. Diese äußere Schicht bleibt als hochviskose Bingham (Yield-Stress) Flüssigkeit. Abbildung 1c ist eine schematische Darstellung Sphere III.
4. Optical Fiber Vorbereitung
- Ein Abschnitt einer optischen Einmodenfaser ist der Kunststoff cla gestripptdding Verwendung eines optischen Stripper. Verwendung einer Mikro-Fackel die gestreifte Abschnitt der Faser erhitzt, bis sie geschmolzen ist (sowohl die Verkleidung und Faserkern).
- Während der mittlere Abschnitt geschmolzen ist, wird ein Ende der optischen Faser entlang ihrer Achse gezogen, um einen verjüngten Abschnitt der Faser, der etwa 1 cm lang ist auszubilden. Die Dauer des Erhitzens, bestimmen die Ziehgeschwindigkeit und Abstand den Durchmesser des sich verjüngenden Abschnitt, der zwischen 10 und 20 um liegt. Das Licht von dem DFB-Laser in die Kugel durch den verjüngten Abschnitt der Faser gekoppelt. Abbildung 2 zeigt die Kugel-Faserkopplung.
5. Optoelektronische Setup-
- Der Ausgang eines durchstimmbaren DFB-Laser in eine optische Monomodefaser an einem Ende gekoppelt ist und terminiert mit einer schnellen Photodiode am anderen Ende, wie in Abbildung 3 dargestellt.
- Die Photodiode ausgegeben wird digitalisiert mittels eines Analog-Digital-Wandler (A / D) und auf einem Personal Computer (PC).
- Der DFB-Laser wird durch einen Laser-Controller abgestimmt. Der Laser-Controller, der seinerseits durch einen Funktionsgenerator, der eine Sägezahnspannung angetrieben Eingang liefert.
6. Electric Field-Generation
- Zwei quadratische Messingplatten (2 x 2 cm) mit einer Dicke von 1 mm verwendet werden, um die gleichmäßige elektrische Feld zu erzeugen. Die Platten werden mit einer Spannungsversorgung verbunden ist und die Kugel-Sensoren werden in den Spalt zwischen den beiden Platten (Abbildung 4) gelegt.
- Um die Messempfindlichkeit zu erhöhen, werden die Kugeln zuerst in einem elektrischen Feld von 1 MV / m 2 h gepolt.
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Representative Results
Optisches Modus (WGM) der Kugel wird durch das Laserlicht angeregt wenn optische Weglänge durch das Licht Paar ist ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Lasers. Für die Anordnung in Fig. 3 gezeigt, ist die optische Weglänge 2πrn, wobei n und r sind der Brechungsindex und der Radius der Kugel sind. Verwendung geometrischen Optik Näherung ein WGM erfüllt ist, wenn 2πrn = lλ wobei l eine ganze Zahl ist und λ ist der Laser-Wellenlänge. Wie der DFB-Laser über einen kleinen Wellenlängenbereich abgestimmt ist, werden die dielektrische Kugel die optischen Moden (WGM) so scharf gesehen Dips im Spektrum durch die optische Faser. Wenn die Kugel eine elastische Verformung aufgrund der externen elektrischen Feld unterworfen wird, die Position eines Bad im Transmissionsspektrum Verschiebungen. Abbildung 5 zeigt typische Transmissionsspektren und die WGM Verschiebung durch äußere elektrische Feld für eine60:1 PDMS Bereich von 900 Mikrometer Durchmesser. Wenn das elektrische Feld von 50 kV / m eingeschaltet wird, erfährt der WGM optischen Modus, als Dip im Sendespektrum gesehen, eine Blauverschiebung von Δλ ≈ 1.09 anzeigt, daß die Kugel entlang der Feldrichtung langgestreckt ist. Beachten Sie, dass die optische Weglänge innerhalb der Kugel auf der äquatorialen Ebene senkrecht zu dem elektrischen Feld Richtung (Abbildung 4). Die optische Qualität Faktor für die WGM-Dip in der Figur ~ 5x10 5.
6a zeigt die WGM Verschiebung Δλ, der Sphere ich unter 1 Hz harmonische elektrisches Feld mit einer Amplitude von 200 V / m. Der Kugeldurchmesser beträgt 700 um und es wird 2 Stunden lang in einem statischen elektrischen Feld von 1 MV / m gepolt. Die entsprechende WGM Verschiebung vs elektrische Feldamplitude Grundstück befindet sich in 6b gezeigt. Sphere I ergibt sich eine Sensitivität von 1,7 pm / (kV / m). Die Ergebnisse für Sphere II und III sind in den Abbildungen gezeigten 7 und 8 sind. Abbildung 7 zeigt die Ergebnisse der Kugel II mit Außendurchmesser ~ 700 um und Abbildung 8 zeigt die Messung mit Sphere III, die von 300 um Siliciumdioxidkern und 150 um Dicke von PDMS Basis darüber beschichtet bestand. Bei diesen Messungen lagen die Q-Faktoren von 5 x 10 5 bis 10 6 liegt. Die Kugel Morphologie und die damit verbundene WGM sind empfindlich gegenüber anderen äußeren Bedingungen. Somit wird jede Messung in einer kurzen Zeit (ca. 1 min), so dass die Auswirkungen auf die Umwelt (wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw.) auf WGM Verschiebungen vernachlässigbar sind abgeschlossen.
Abbildung 1. Schematische Darstellung der drei Sphäre Sensor-Konfigurationen.
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Abbildung 2. Photograph von gekoppelten Bereich verjüngten Faser.
Abbildung 3. Schematische Darstellung der optoelektronischen Setup.
Abbildung 4 Schematische (a);. Photographie (b) des Versuchsaufbaus.
Abbildung 5. Transmissionsspektren durch die Kugel-gekoppelten Faser.
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Abbildung 6 WGM Verschiebung Sphere ich unter harmonische Feldstörung (a);.. WGM Verschiebung vs elektrisches Feld Amplitude (b) Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .
Abbildung 7 WGM Verschiebung Sphere II unter harmonische Feldstörung (a);.. WGM Verschiebung vs elektrisches Feld Amplitude (b) Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .
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Abbildung 8 WGM Verschiebung Sphere III unter harmonische Feldstörung (a);.. WGM Verschiebung vs elektrisches Feld Amplitude (b) Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .
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Discussion
Die Kugeln sind anfänglich durch Verbinden der Elektroden mit einer Gleichstromquelle Hochspannungsversorgung gepolt. Am Ende der Dauer der Polung sind die Elektrodenzuleitungen von der DC-Spannungsversorgung getrennt und mit einem Funktionsgenerator, wie in 4 angedeutet. Die Ergebnisse in den Figuren 5 bis 8 zeigen, dass positive und negative elektrische Felder (relativ zur Richtung der Polung) zu Sphäre Dehnung und Kompression führen, jeweils dargestellt. Sphere I, die eine einzelne Schicht 60:1 PDMS ist, hat ein elektrisches Feld Empfindlichkeit von 1,7 pm / (kV / m). Deutliche Verbesserung der Empfindlichkeit wird durch Verwendung von Multi-Layer Kugeln erhalten. Sphere II bietet elektrisches Feld Empfindlichkeit von 2,5 pm / (kV / m). Noch eine viel höhere Empfindlichkeit mit Kugel III (~ 0,2 pm / (V / m) aufgrund des weichen, Streckspannung-Flüssig Außenschicht. Bei einer konservativen Annahme, dass die kleinste messbare WGM Verschiebung δλ = λ / Q, typisch ist, erhalten WGM Sensor-Auflösung kann wie folgt ausgedrückt werden
wobei E o die angelegten elektrischen Feldes. Sensor-Auflösung in der obigen Gleichung kann weiter verbessert werden durch Verwendung besserer Signalverarbeitungsverfahren. Zum Beispiel stellt das Signalverarbeitungsverfahren in unserem aktuellen Studie 17 beschrieben eine Verschiebung Detektion Auflösung von ~ 0,13 pm. Für unsere Untersuchungen, ist dies äquivalent mit einem Sensor Q-Faktor von 10 7 in der obigen Gleichung für Sensor-Auflösung.
Diese Ergebnisse sind für die künftige Entwicklung des WGM-basierten Mikro-optische Sensoren ermutigend. Eine besondere Anwendung ist ein all optische Faser-basierten neurophotonic Schnittstelle.
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Disclosures
Wir haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Forschung wird von der US Defense Advanced Research Projects Agency unter Centers in Integrated Photonics Engineering Research (Cipher) Programm mit Dr. J. Scott Rodgers als Projektleiter gesponsert. Die Informationen in diesem Bericht spiegelt nicht unbedingt die Position oder die Politik der US-Regierung und ohne offizielle Billigung sollte geschlossen werden.
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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