Summary
Un sensore ad alta sensibilità fotonici micro stato sviluppato per il rilevamento del campo elettrico. Il sensore sfrutta i modi ottici di una sfera dielettrica. Le variazioni del campo elettrico esterno turbare la morfologia sfera che porta a cambiamenti nei suoi modi ottici. L'intensità del campo elettrico viene misurata monitorando questi spostamenti ottici.
Abstract
Modi ottici dielettrici di micro-cavità hanno ricevuto notevole attenzione in anni recenti per il loro potenziale in una vasta gamma di applicazioni. I modi ottici sono spesso indicati come "sussurrare modalità gallery" (WGM) o "risonanze morfologia dipendenti" (MDR) e presentano elevati fattori di qualità ottica. Alcune applicazioni proposte di risonatori ottici micro-cavità sono in spettroscopia 1, micro-cavità tecnologia laser 2, comunicazioni ottiche 3-6 e sensori. I WGM applicazioni basate su sensori includono quelli in biologia 7, rilevazione di gas traccia 8, e la rilevazione impurità in liquidi 9. Sensori meccanici basati su risonatori microsfere sono anche state proposte, compresi quelli per forza 10,11, pressione 12, 13 e accelerazione parete sollecitazione di taglio 14. Nel presente, si dimostra un WGM-based sensore di campo elettrico, che si basa sulla nostra studi precedenties 15,16. Un'applicazione candidato di questo sensore è nella rivelazione di potenziale d'azione neuronale.
Il sensore di campo elettrico si basa su polimerico multistrato dielettrico microsfere. Il campo elettrico esterno induce superficie e forze di massa sulle sfere (effetto electrostriction) che portano alla deformazione elastica. Questo cambiamento nella morfologia delle sfere, conduce a cambiamenti del WGM. Il campo elettrico indotto turni WGM sono interrogati dai emozionanti modi ottici delle sfere di luce laser. Luce da una retroazione distribuita (DFB) laser (lunghezza d'onda nominale di ~ 1,3 um) è lato-accoppiato nel microsfere con una sezione rastremata di una fibra ottica monomodale. Il materiale di base delle sfere è polidimetilsilossano (PDMS). Tre geometrie microsfere vengono utilizzati: (1) PDMS sfera con un rapporto volumetrico 60:1 di base-a-curing miscela agente, (2) sfera multistrato con 60:1 PDMS nucleo, per aumentare la costante dielettrica the sfera, uno strato intermedio di 60:1 PDMS che viene miscelato con quantità variabili (2% al 10% in volume) di titanato di bario e uno strato esterno di 60:1 PDMS e (3) sfera silice solido rivestito con uno strato sottile di non polimerizzato base di PDMS. In ogni tipo di sensore, luce laser dalla fibra rastremata è accoppiata nello strato più esterno che fornisce alta qualità ottica fattore WGM (Q ~ 10 6). Le microsfere vengono polarizzato per diverse ore a campi elettrici di ~ 1 MV / m per aumentare la loro sensibilità al campo elettrico.
Protocol
1. PDMS Microsfera Preparazione (Sphere I)
- Polidimetilsilossano (PDMS) base e l'indurente sono miscelati con un rapporto in volume di 60:1.
- Un filo di fibra ottica di silice, circa 2 cm di lunghezza, è prima spogliato del suo rivestimento in plastica con una spogliarellista ottico.
- Una estremità della fibra è riscaldata e tesa a fornire un gambo che è ~ 25-50 micron di diametro di punta.
- L'estremità allungata della fibra è sommerso nella miscela PDMS da una lunghezza di circa 2-4 mm e quindi viene estratta.
- Tensione superficiale e peso della miscela PDMS permettere la formazione di una sfera sulla punta della fibra di silice. La dimensione della sfera è controllata dalla lunghezza immersione e la velocità di estrazione. Variando questi due parametri, diametri sfera nell'intervallo 100 pm - 1.000 micron può essere ottenuta.
- Microsfera / stelo viene quindi posto in un forno a ~ 90 ° C per 4 ore per consentire indurimento corretto del polimateriale mer (per formare reticolati catene). figura 1a è uno schema di I. Sfera
2. PDMS-based Tripla Sfera Preparazione Layer (Sphere II)
- Un microsfere 60:1 PDMS è usato come il nucleo interno. Le stesse fasi descritte nella colonna 1) è seguita per questo processo.
- Una miscela di titanato di bario (Batio 3) nano-particelle e 60:1 PDMS è utilizzato come strato intermedio. La miscela PDMS, preparato nello stesso modo descritto in 1.1) di cui sopra, viene miscelato con il titanato di bario nanoparticelle.
- Il nucleo microsfere PDMS descritto in 2.1) viene quindi immerso nella miscela PDMS-titanato di bario a cappotto (con uno spessore nominale di ~ 10 um).
- Successivamente, la sfera a due strati viene posto in un forno a ~ 90 ° C per 4 ore per consentire la corretta maturazione del secondo strato.
- Una volta che la sfera due strati è indurito, esso viene nuovamente immerso in una miscela di 60:1 PDMS per fornire un rivestimento esterno (terzo strato). Il più esternostrato serve come guida ottica sferica (~ 10 um di spessore). Figura 1b è uno schema di Sphere II.
3. Silice / Preparazione Microsphere PDMS (Sphere III)
- A ~ 3 cm lunga sezione di una fibra ottica monomodo silice viene privata del suo primo buffer (plastica) rivestimento e quindi la sua punta viene fuso mediante un micro-torcia (insieme con il rivestimento e core). Tensione superficiale e la gravità lavorare insieme per modellare la punta fuso in una sfera. Sfere con diametro da 200 a 500 um può essere ottenuto con questo processo.
- Il microsfere di silice viene poi immerso in un bagno di PDMS base (senza induritore) di coprire con una mano di ~ 50 pm. Questo strato esterno rimane come altamente viscoso Bingham (resa-stress) fluido. Figura 1c è uno schema di Sphere III.
4. Fibra ottica di preparazione
- Una sezione di una fibra ottica monomodale viene privato della cla plasticadding utilizzando un stripper ottico. Usando un micro-torcia sezione strisce della fibra viene riscaldata fino a quando è fuso (sia il rivestimento e nucleo della fibra).
- Mentre la sezione centrale è fuso, una estremità della fibra ottica viene tirato lungo il suo asse per formare una sezione rastremata della fibra che è di circa 1 cm di lunghezza. La durata del riscaldamento, la velocità e la distanza tirando determinare il diametro della sezione conica che varia tra 10 e 20 micron. La luce del laser DFB viene accoppiato nella sfera attraverso la sezione rastremata della fibra. Figura 2 mostra la sfera fibra accoppiamento.
5. Optoelettronici Setup
- L'uscita di un laser sintonizzabile DFB viene accoppiata in una fibra ottica monomodale su una estremità e chiuso in un fotodiodo veloce all'altra estremità come mostrato in Figura 3.
- L'uscita fotodiodo viene digitalizzato mediante un convertitore analogico-a-digitale (A / D) e memorizzati su un personal computer (PC).
- Il laser DFB viene preparata da un controllore laser. Il controllore del laser, a sua volta azionato da un generatore di funzione che fornisce un dente di sega ingresso di tensione.
6. Campo di generazione elettrica
- Due lastre di ottone quadrato (2 x 2 cm) con spessore di 1 mm sono utilizzati per generare il campo elettrico uniforme. Le piastre sono collegate ad una alimentazione di tensione e la sfera sensori sono collocati nello spazio tra le due piastre (Figura 4).
- Al fine di aumentare la sensibilità di misura, le sfere vengono prima polarizzato in un campo elettrico di 1 MV / m per 2 h.
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Representative Results
Un modo ottico (WGM) della sfera viene eccitato dalla luce laser quando la lunghezza del cammino ottico percorsa dalla luce è un multiplo intero della lunghezza d'onda del laser. Per la disposizione mostrata in figura 3, la lunghezza del percorso ottico è 2πrn, dove n ed r sono l'indice di rifrazione e il raggio della sfera, rispettivamente. Utilizzando geometrico approssimazione ottica, una condizione WGM è soddisfatta quando 2πrn = lλ dove l è un numero intero e λ è lunghezza d'onda del laser. Poiché il laser DFB è sintonizzato su una lunghezza d'onda piccola, modi ottici della sfera dielettrica di (WGM) sono visti come forte immerge nello spettro attraverso la fibra ottica. Quando la sfera subisce una deformazione elastica dovuta al campo elettrico esterno, la posizione di un tuffo in turni spettro di trasmissione. Figura 5 mostra spettri di trasmissione tipica e lo spostamento WGM causa esterna per un campo elettrico60:1 PDMS sfera di diametro di 900 micron. Quando il campo elettrico di 50 kV / m è attivata, la modalità WGM ottica, visto come un tuffo nello spettro di trasmissione, si verifica un blu-shift di Δλ ≈ 13:09 indicando che la sfera è allungata nella direzione del campo. Si noti che la lunghezza del percorso ottico all'interno della sfera è sul piano equatoriale normale alla direzione del campo elettrico (Figura 4). Il fattore di qualità ottica per il dip WGM in figura è ~ 5x10 5.
La figura 6a mostra il passaggio WGM, Δλ, di Sphere I sotto 1 Hz armonica campo elettrico con ampiezza di 200 V / m. Il diametro della sfera è di 700 micron ed è polarizzato per 2 ore in un campo elettrico statico di 1 MV / m. Il corrispondente spostamento WGM vs plot campo elettrico di ampiezza è illustrato nella Figura 6b. Sfera I produce una sensibilità di 1,7 pm / (kV / m). I risultati per Sphere II e III sono mostrati nelle figure 7 e 8, rispettivamente. Figura 7 mostra i risultati di Sphere II con diametro esterno ~ 700 um e Figura 8 visualizzare la misurazione con sfera III che consisteva di 300 um nucleo di silice e 150 micron di spessore della base PDMS rivestito su di esso. In queste misurazioni, il Q-fattori varia da 5 x 10 MAGGIO - 10 GIUGNO. La morfologia e la sfera WGM associati sono sensibili ad altre condizioni esterne. Così, ogni misurazione è completata in un breve periodo di tempo (~ 1 min) in modo che, gli effetti ambientali (temperatura, umidità, ecc) su turni WGM sono trascurabili.
Figura 1. Schema delle configurazioni sfera tre sensori.
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Figura 2. Fotografia di accoppiato sfera-conico in fibra.
Figura 3. Schema di installazione optoelettronici.
Figura 4 Schema (a);. Fotografia (b) del setup sperimentale.
Figura 5. Spettri di trasmissione attraverso la sfera accoppiato in fibra.
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Figura 6 spostamento WGM di Sphere I alle perturbazioni campo armonico (a),.. WGM turno vs ampiezza di campo elettrico (b) Clicca qui per ingrandire la figura .
Figura 7 WGM spostamento di Sphere II sotto perturbazione campo armonico (a),.. WGM turno vs ampiezza di campo elettrico (b) Clicca qui per ingrandire la figura .
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Figura 8 WGM spostamento di Sfera III sotto perturbazione campo armonico (a),.. WGM turno vs ampiezza di campo elettrico (b) Clicca qui per ingrandire la figura .
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Discussion
Le sfere sono inizialmente polarizzato collegando gli elettrodi ad una elevata tensione di alimentazione DC. Alla fine della durata poling, i cavi elettrodi sono scollegati dalla tensione DC e collegato ad un generatore di funzione come indicato nella figura 4. I risultati presentati nelle figure da 5 a 8 mostrano che campi elettrici positivi e negativi (rispetto alla direzione di polarizzazione) portano a sfera allungamento e compressione, rispettivamente. I sfera, che è un singolo strato di 60:1 PDMS ha una sensibilità di campo elettrico di 1,7 pm / (kV / m). Miglioramento significativo della sensibilità è ottenuta usando multistrato sfere. Sphere II fornisce sensibilità di campo elettrico di 2,5 pm / (kV / m). Ancora una sensibilità molto più elevata si ottiene con Sphere III (~ 0,2 pm / (V / m) a causa del morbido, snervamento-liquido strato esterno. Con un'ipotesi conservativa che lo spostamento minimo misurabile WGM è δλ = λ / Q, tipica WGRisoluzione sensore M può essere espressa come
E dove o è il campo elettrico applicato. Risoluzione dato sensore nella suddetta equazione può essere ulteriormente migliorata utilizzando metodi migliori di elaborazione del segnale. Per esempio, il metodo di elaborazione del segnale descritto nel nostro studio recente 17 fornisce una risoluzione di rilevamento spostamento di ~ 12:13. Per i nostri studi, questo è equivalente ad avere un sensore fattore Q di 10 7 nell'equazione di cui sopra per la risoluzione del sensore.
Questi risultati sono incoraggianti per il futuro sviluppo di WGM a base di micro-sensori ottici. Una particolare applicazione è un all ottica, a base di fibre di interfaccia neurophotonic.
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Disclosures
Non abbiamo nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questa ricerca è sponsorizzato dalla US Defense Advanced Research Projects Agency sotto Centri in Integrated Photonics Engineering Research (cifrario) programma con il dottor J. Scott Rodgers come project manager. Le informazioni contenute in questa relazione non riflettono necessariamente la posizione o la politica del governo degli Stati Uniti e nessuna approvazione ufficiale può essere presupposta.
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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