Summary
एक उच्च संवेदनशीलता photonic सूक्ष्म सेंसर बिजली के क्षेत्र का पता लगाने के लिए विकसित किया गया था. सेंसर एक ढांकता हुआ क्षेत्र के ऑप्टिकल मोड कारनामे. बाहरी बिजली क्षेत्र घबड़ा देना अपनी ऑप्टिकल मोड में बदलाव के लिए अग्रणी क्षेत्र आकारिकी में परिवर्तन. विद्युत क्षेत्र शक्ति इन ऑप्टिकल बदलाव की निगरानी के द्वारा मापा जाता है.
Protocol
1. PDMS Microsphere तैयारी (क्षेत्र)
- Polydimethylsiloxane (PDMS) का आधार है और इलाज के एजेंट 60:1 का एक मात्रा अनुपात के साथ मिलाया जाता है.
- सिलिका ऑप्टिकल फाइबर का एक कतरा, के बारे में 2 सेमी लंबा, 1 इसके प्लास्टिक cladding के एक ऑप्टिकल छंटक का उपयोग कर छीन लिया है.
- फाइबर का एक अंत गर्म है और एक स्टेम अंत है कि ~ नोक पर व्यास में 25-50 सुक्ष्ममापी प्रदान करने के लिए फैला है.
- फाइबर की बढ़ाकर अंत PDMS मिश्रण में लगभग 2-4 मिमी की लंबाई से जलमग्न है और फिर बाहर खींच लिया.
- भूतल और PDMS मिश्रण के तनाव और वजन सिलिका फाइबर की नोक पर एक क्षेत्र के गठन के लिए अनुमति देते हैं. क्षेत्र के आकार की सूई लंबाई और निष्कर्षण वेग के द्वारा नियंत्रित किया जाता है. रेंज में इन दो मापदंडों, क्षेत्र diameters अलग करके 100 सुक्ष्ममापी - हज़ार सुक्ष्ममापी प्राप्त किया जा सकता है.
- विधानसभा / microsphere स्टेम तो 90 ~ पर एक ओवन में रखा ° C 4 घंटा के लिए पाली के समुचित इलाज के लिए अनुमति देने के लिए(पार से जुड़े श्रृंखला फार्म) मेर सामग्री चित्रा 1a क्षेत्र I. के एक योजनाबद्ध है
2. PDMS आधारित ट्रिपल लेयर क्षेत्र तैयारी (क्षेत्रः द्वितीय)
- एक 60:1 PDMS microsphere भीतरी कोर के रूप में प्रयोग किया जाता है. एक ही कदम 1 में वर्णित ऊपर) इस प्रक्रिया के लिए पीछा किया जाता है.
- बेरियम titanate का एक मिश्रण (3 BaTiO) नैनो कणों और 60:1 PDMS मध्यम परत के रूप में प्रयोग किया जाता है. PDMS मिश्रण, एक ही 1.1 में वर्णित जिस तरह से ऊपर) में तैयार, बेरियम titanate नैनो कणों के साथ मिलाया जाता है.
- PDMS microsphere 2.1 में वर्णित कोर) तो PDMS - बेरियम titanate यह कोट (~ 10 सुक्ष्ममापी की एक परत नाममात्र की मोटाई के साथ) के लिए मिश्रण में डूबा हुआ है.
- अगला, क्षेत्र दो परत 90 ~ डिग्री 4 घंटे के लिए सी 2 परत के उचित इलाज के लिए अनुमति देने के एक ओवन में रखा गया है.
- एक बार दो परत क्षेत्र ठीक हो जाता है, इसे फिर से 60:1 PDMS का एक मिश्रण करने के लिए एक बाहरी कोटिंग (3 परत) प्रदान करने में डूब जाता है. इस बाह्यतमपरत गोलाकार ऑप्टिकल गाइड (~ 10 माइक्रोन मोटाई) के रूप में कार्य करता है चित्रा 1b क्षेत्र द्वितीय के एक योजनाबद्ध है.
3. सिलिका / PDMS Microsphere तैयारी (क्षेत्रः III)
- ~ 3 सेमी एक सिलिका एकल मोड ऑप्टिकल फाइबर की लंबी खंड 1 (प्लास्टिक) बफर कोटिंग से छीन लिया है और फिर इसकी टिप एक माइक्रो मशाल (cladding और कोर के साथ एक साथ) का उपयोग कर पिघल रहा है. सतह तनाव और गुरुत्वाकर्षण के साथ काम करने के लिए एक क्षेत्र में पिघलाया टिप आकार. 200 करने के लिए 500 मीटर से लेकर diameters के साथ क्षेत्रों को इस प्रक्रिया के साथ प्राप्त किया जा सकता है.
- सिलिका microsphere तो PDMS आधार के एक स्नान में डूब जाता है (एजेंट इलाज के बिना) यह ~ 50 सुक्ष्ममापी की एक कोट के साथ कवर. यह बाहरी परत एक अत्यधिक चिपचिपा Bingham द्रव (उपज तनाव) के रूप में रहता है चित्रा -1 सी क्षेत्र III के एक योजनाबद्ध है.
4. ऑप्टिकल फाइबर तैयार
- एक एकल मोड ऑप्टिकल फाइबर का एक वर्ग अपने प्लास्टिक सीएलए के छीन लिया हैdding एक ऑप्टिकल खाल उधेड़नेवाला का उपयोग. एक माइक्रो मशाल फाइबर की धारीदार अनुभाग का उपयोग जब तक यह पिघला हुआ है (दोनों cladding और फाइबर कोर) गरम किया जाता है.
- जबकि मध्यम वर्ग पिघला हुआ है, ऑप्टिकल फाइबर का एक सिरा अपने अक्ष के साथ खींच लिया है फाइबर है कि लगभग 1 सेमी लंबा है की एक पतली धारा के रूप में. हीटिंग की अवधि, गति और दूरी खींच पतला अनुभाग है कि 10 और 20 के बीच सुक्ष्ममापी पर्वतमाला के व्यास का निर्धारण करते हैं. DFB लेजर से प्रकाश क्षेत्र में फाइबर की पतली अनुभाग के माध्यम से मिलकर चित्रा 2 युग्मन क्षेत्र के फाइबर से पता चलता है.
5. Optoelectronic सेटअप
- एक tunable DFB लेजर के उत्पादन में एक छोर पर एक एकल मोड ऑप्टिकल फाइबर में युग्मित है और दूसरे छोर पर एक तेजी से photodiode में समाप्त के रूप में 3 चित्र में दिखाया गया है.
- photodiode उत्पादन एक एनालॉग से डिजिटल कनवर्टर (ए / डी) का उपयोग कर डिजीटल है और एक पर्सनल कंप्यूटर (पीसी) पर संग्रहीत.
- DFB लेजर एक लेजर नियंत्रक द्वारा देखते है. लेजर नियंत्रक, बदले में जो देखा - दाँत एक वोल्टेज इनपुट प्रदान करता है एक समारोह जनरेटर द्वारा संचालित है.
6. बिजली के क्षेत्र जनरेशन
- 1 मिमी की मोटाई के साथ दो वर्ग पीतल प्लेट (2 एक्स 2 सेमी) के लिए एक समान बिजली के क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए किया जाता है. प्लेटें एक वोल्टेज की आपूर्ति से जुड़े रहे हैं और क्षेत्र सेंसर दो प्लेटों के बीच की खाई (4 चित्रा) में रखा जाता है.
- माप संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए आदेश में, क्षेत्रों 1 1 एमवी / मीटर के 2 घंटे के लिए एक बिजली के क्षेत्र में poled कर रहे हैं.
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Representative Results
क्षेत्र के एक ऑप्टिकल मोड (महिला ग्रैंड मास्टर) लेजर प्रकाश से उत्साहित है जब ऑप्टिकल पथ प्रकाश से कूच लंबाई लेजर तरंग दैर्ध्य की एक बहु पूर्णांक है. 3 चित्र में दिखाया व्यवस्था के लिए, ऑप्टिकल पथ लंबाई 2πrn, जहाँ n और आर अपवर्तक सूचकांक और क्षेत्र के त्रिज्या क्रमशः है. ज्यामितीय प्रकाशिकी सन्निकटन का प्रयोग, एक महिला ग्रैंड मास्टर हालत जब 2πrn = lλ जहाँ मैं एक पूर्णांक है और λ लेजर तरंग दैर्ध्य है. संतुष्ट है DFB लेजर के रूप में एक छोटे तरंगदैर्ध्य रेंज भर में देखते है, ढांकता हुआ क्षेत्र ऑप्टिकल मोड (महिला ग्रैंड मास्टर) में तेजी के रूप में देखा जाता है स्पेक्ट्रम में ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से dips. जब क्षेत्र बाहरी बिजली क्षेत्र के लिए एक लोचदार विकृति के कारण आए, संचरण स्पेक्ट्रम पारियों में एक डुबकी की स्थिति है. 5 चित्रा ठेठ ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रा और महिला ग्रैंड मास्टर के लिए एक बाहरी बिजली के क्षेत्र के कारण बदलाव से पता चलता है900 मीटर व्यास के 60:1 PDMS क्षेत्र. जब 50 / केवी मीटर के बिजली क्षेत्र पर कर दिया जाता है, महिला ग्रैंड मास्टर ऑप्टिकल मोड, संचरण स्पेक्ट्रम में एक डुबकी के रूप में देखा है, Δλ ≈ 1.9 का संकेत है कि क्षेत्र क्षेत्र दिशा साथ लम्बी बजे की एक पारी नीले अनुभव. ध्यान दें कि क्षेत्र के भीतर ऑप्टिकल पथ लंबाई भूमध्यरेखीय विमान पर बिजली के क्षेत्र दिशा (4 चित्रा) के लिए सामान्य है. संख्या में महिला ग्रैंड मास्टर डुबकी के लिए ऑप्टिकल गुणवत्ता कारक 5x10 ~ 5 है.
चित्रा 6a महिला ग्रैंड मास्टर पाली, मैं क्षेत्र के Δλ, 1 हर्ट्ज हार्मोनिक बिजली क्षेत्र के तहत 200 / वी मीटर के आयाम के साथ दिखाता है. क्षेत्र व्यास 700 सुक्ष्ममापी है और यह 1 एमवी / मीटर की एक स्थिर बिजली के क्षेत्र में 2 घंटे के लिए poled है. इसी महिला ग्रैंड मास्टर बदलाव बनाम बिजली के क्षेत्र आयाम साजिश 6b चित्र में दिखाया गया है. क्षेत्र मैं 1.7 की संवेदनशीलता / बजे (केवी / मीटर) की पैदावार है. क्षेत्र द्वितीय और तृतीय के लिए परिणाम आंकड़े में दिखाए जाते हैं 7 और 8, क्रमशः 7. चित्रा बाहरी ~ व्यास 700 सुक्ष्ममापी और 8 चित्रा क्षेत्र III जो 300 सुक्ष्ममापी सिलिका और PDMS इसे खत्म लेपित आधार के 150 माइक्रोन मोटाई कोर के शामिल के साथ माप प्रदर्शित साथ क्षेत्रः द्वितीय के परिणाम से पता चलता है. इन मापों, क्यू कारकों 5 से 10 एक्स 5 10 6 लेकर. क्षेत्र morphology और संबद्ध महिला ग्रैंड मास्टर अन्य बाह्य परिस्थितियों के प्रति संवेदनशील हैं. इस प्रकार, प्रत्येक माप (~ 1 मिनट) समय इतना है कि, महिला ग्रैंड मास्टर बदलाव पर पर्यावरणीय प्रभाव (जैसे तापमान, नमी आदि के रूप में) नगण्य हैं की एक छोटी अवधि में पूरा हो गया है.
चित्रा 1 तीन क्षेत्र सेंसर विन्यास के योजनाबद्ध.
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चित्रा 2 युग्मित क्षेत्र के पतला फाइबर की तस्वीर.
चित्रा 3 optoelectronic सेटअप के योजनाबद्ध.
चित्रा 4 योजनाबद्ध (क), (ख) प्रयोगात्मक सेटअप की तस्वीर.
5 चित्रा क्षेत्र मिलकर फाइबर के माध्यम से पारेषण स्पेक्ट्रा.
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चित्रा 6 हार्मोनिक क्षेत्र गड़बड़ी के तहत मैं क्षेत्र की महिला ग्रैंड मास्टर (पाली), महिला ग्रैंड मास्टर बदलाव बनाम बिजली क्षेत्र आयाम (ख). बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .
7 चित्रा हार्मोनिक क्षेत्र गड़बड़ी के तहत क्षेत्र द्वितीय की महिला ग्रैंड मास्टर (पाली). महिला ग्रैंड मास्टर बदलाव बनाम बिजली क्षेत्र आयाम (ख) बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .
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8 चित्रा हार्मोनिक क्षेत्र गड़बड़ी के तहत क्षेत्र III की महिला ग्रैंड मास्टर (पाली). महिला ग्रैंड मास्टर बदलाव बनाम बिजली क्षेत्र आयाम (ख) बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .
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Discussion
क्षेत्रों के शुरू में एक डीसी उच्च वोल्टेज की आपूर्ति करने के लिए इलेक्ट्रोड को जोड़ने के द्वारा poled कर रहे हैं. Poling अवधि के अंत में, इलेक्ट्रोड सुराग डीसी वोल्टेज की आपूर्ति से काट रहे हैं और 4 चित्र में संकेत के रूप में एक समारोह जनरेटर से जुड़ा. परिणाम 8 शो के माध्यम से 5 आंकड़े कि सकारात्मक और नकारात्मक बिजली क्षेत्र (Poling की दिशा के सापेक्ष) क्षेत्र बढ़ाव और संपीड़न नेतृत्व, क्रमशः में प्रस्तुत किया जा रहा है. क्षेत्र मैं, जो एक एकल परत 60:1 PDMS 1.7 / (केवी / मीटर) के एक बिजली के क्षेत्र की संवेदनशीलता है. संवेदनशीलता में उल्लेखनीय सुधार बहु परत क्षेत्रों का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है. क्षेत्र II 2.5 / बजे (केवी / मीटर) की बिजली के क्षेत्र संवेदनशीलता प्रदान करता है. अभी तक एक बहुत उच्च संवेदनशीलता क्षेत्र III (~ 0.2 बजे / (V / मीटर) एक रूढ़िवादी धारणा के साथ नरम, उपज तनाव तरल बाहरी परत की वजह से. है कि न्यूनतम औसत दर्जे का महिला ग्रैंड मास्टर बदलाव δλ λ = / क्यू ठेठ है, साथ प्राप्त की है विंगएम सेंसर संकल्प के रूप में व्यक्त किया जा सकता है
जहां ई ओ आवेदन बिजली क्षेत्र है. सेंसर उपरोक्त समीकरण में दिए गए संकल्प आगे बेहतर संकेत प्रसंस्करण विधियों का उपयोग करके सुधार किया जा सकता है. उदाहरण के लिए, सिग्नल प्रोसेसिंग हमारे हाल ही के अध्ययन में 17 में वर्णित विधि ~ 12:13 एक बदलाव का पता लगाने संकल्प प्रदान करता है. हमारे अध्ययन के लिए, इस संवेदक और संकल्प के लिए उपरोक्त समीकरण में 7 10 के क्यू कारक सेंसर करने के लिए बराबर है.
इन परिणामों महिला ग्रैंड मास्टर आधारित सूक्ष्म ऑप्टिकल सेंसर के भविष्य के विकास के लिए प्रोत्साहित कर रहे हैं. एक विशेष आवेदन सभी ऑप्टिकल फाइबर आधारित neurophotonic इंटरफ़ेस है.
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Disclosures
हम खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.
Acknowledgments
इस शोध समन्वित फोटोनिक्स इंजीनियरिंग (छद्मकरण) अनुसंधान परियोजना प्रबंधक के रूप में डॉ. जे स्कॉट Rodgers के साथ कार्यक्रम में केंद्र के तहत अमेरिका के रक्षा एडवांस्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजेंसी द्वारा प्रायोजित है. इस रिपोर्ट में दी गई जानकारी जरूरी स्थिति या अमेरिकी सरकार ने और कोई आधिकारिक समर्थन की नीति inferred किया जाना चाहिए प्रतिबिंबित नहीं करता.
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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