Summary
En høy følsomhet fotoniske mikro sensor ble utviklet for elektrisk felt deteksjon. Sensoren utnytter optiske modi av et dielektrisk sfære. Endringer i det ytre elektriske feltet forurolige sfæren morfologi fører til endringer i sin optiske moduser. Den elektriske feltstyrke er målt ved å overvåke disse optiske skift.
Abstract
Optiske moduser dielektriske mikro-hulrom har fått betydelig oppmerksomhet de siste årene for deres potensial i et bredt spekter av applikasjoner. De optiske moduser er ofte referert til som "Whispering Gallery moduser" (WGM) eller "morfologi avhengige resonanser" (MDR) og viser høy optisk kvalitet faktorer. Noen forslag til anvendelse av mikro-hulrom optiske resonatorer er i en spektroskopi, mikro-hulrom laserteknologi 2, optisk 3-6 kommunikasjon samt sensorteknologi. De WGM-baserte sensor programmer inkludere disse i 7 biologi, spor gassdeteksjon 8, og urenhet deteksjon i væsker 9. Mekaniske sensorer basert på mikrosfære resonatorer har også blitt foreslått, inkludert de for 10,11 kraft, trykk 12, 13 akselerasjon og vegg skjær 14 stress. I dag viser vi en WGM-baserte elektriske feltet sensor, som bygger på vår forrige studies 15,16. En kandidat anvendelsen av denne sensoren er i deteksjon av neuronal aksjonspotensial.
Det elektriske felt sensoren er basert på polymert flerlags dielektrikum mikrokuler. Den eksterne elektriske feltet induserer overflate og kroppen styrker på sfærene (electrostriction effekt) fører til elastisk deformasjon. Denne endringen i morfologi av kulene, fører til skift i WGM. Det elektriske felt-indusert WGM skift avhørt av spennende de optiske moduser kulene ved laserlys. Lys fra en distribuert tilbakemelding (DFB) laser (nominell bølgelengde på ~ 1,3 um) er side-koplet i mikrosfærene med en konisk del av en enkelt-modus optisk fiber. Basismaterialet av sfærene er polydimetylsiloksan (PDMS). Tre mikrosfære geometrier brukes: (1) PDMS kule med en 60:1 volumetrisk forhold av base-til-herdemiddel blandingen, (2) flerlags sfære med 60:1 PDMS kjerne, for å øke den dielektriske konstant av the sfære, et midlere sjikt av 60:1 PDMS som er blandet med varierende mengder (2% til 10% etter volum) av barium titanate og et ytre lag av 60:1 PDMS og (3) fast silika sphere belagt med et tynt lag av uherdet PDMS base. I hver type av sensor, er laserlys fra den koniske fiberen koplet inn i den ytterste laget som gir høy optisk kvalitetsfaktor WGM (Q ~ 10 6). Mikrosfærene er staket i flere timer ved elektriske felt av ~ 1 MV / m for å øke deres følsomhet for elektrisk felt.
Protocol
1. PDMS Mikrosfæreblandingen Forberedelse (Sphere I)
- Polydimetylsiloksan (PDMS) base og herdemidlet blandes med et volumforhold på 60:1.
- En tråd av silisiumdioksyd optisk fiber, ca 2 cm lang, er først strippet for sin plast kledning ved hjelp av en optisk stripper.
- En ende av fiberen er oppvarmet og strukket for å gi en spindelende som er ~ 25-50 pm i diameter ved spissen.
- Det strukkede enden av fiberen er neddykket i PDMS blandingen ved en lengde på ca 2-4 mm, og deretter er trukket ut.
- Overflatespenning og vekt av PDMS blandingen tillater for dannelsen av en sfære på tuppen av silisiumdioksydet fiber. Størrelsen av kulen styres av dipping lengde og utvinning hastighet. Ved å variere disse to parametre, sfære diametre i området 100 um - 1000 um kan oppnås.
- Mikrosfæren / styrestem er deretter plassert i en ovn ved ~ 90 ° C i 4 timer for å tillate riktig herding av polymer materiale (for å danne tverrbundne kjeder). Fig. 1a viser skjematisk Sphere I.
2. PDMS-baserte Triple Layer Sphere Forberedelse (Sphere II)
- En 60:1 PDMS mikrokule brukes som den indre kjernen. De samme fremgangsmåten som er beskrevet i 1) ovenfor følges for denne prosessen.
- En blanding av barium titanate (BaTiO 3) nano-partikler og 60:1 PDMS brukes som det midterste laget. The PDMS blandingen, fremstilt på samme måte som er beskrevet i 1.1) ovenfor, blir blandet med barium titanate nanopartikler.
- Den PDMS mikrosfære kjerne som er beskrevet i 2,1) blir så dyppet i PDMS-barium titanate blandingen å belegge det (med et lag nominell tykkelse på ~ 10 pm).
- Det neste er at to-lags sfære plassert i en ovn ved ~ 90 ° C i 4 timer for å tillate riktig herding av det andre laget.
- Når to lag sfære er herdet, er det igjen neddykket i en blanding av 60:1 PDMS å gi et ytre belegg (tredje lag). Dette ytterstelag fungerer som sfærisk optisk bruksanvisning (~ 10 um tykkelse). Fig. 1b viser skjematisk Sphere II.
3. Silica / PDMS microsphere Forberedelse (Sphere III)
- A ~ 3 cm lang seksjon av et silisiumdioksyd enkelt modus optisk fiber er første fratatt sin buffer (plast) belegg og deretter sin spissen er smeltet ved hjelp av en mikro-lommelykt (sammen med den optiske kappen og kjernen). Overflatespenning og tyngdekraft arbeide sammen for å forme den smeltede spiss inn i en sfære. Sfærer med diametre 200-500 mikrometer kan oppnås med denne prosessen.
- Silika microsphere deretter nedsenket i et bad av PDMS base (uten herder) for å dekke den med et strøk av ~ 50 mikrometer. Dette ytre sjikt forblir et høyt viskøs Bingham (utbytte-stress) væske. Fig. 1c viser skjematisk Sphere III.
4. Optisk Fiber Forberedelse
- En seksjon av en enkel modus optisk fiber er strippet for sin plast CLAdding ved hjelp av en optisk stripper. Ved hjelp av en mikro-lommelykt stripet delen av fiberen oppvarmes inntil det er smeltet (både den optiske kappen og fiberkjemen).
- Mens den midtre delen er smeltet, er den ene enden av den optiske fiber trekkes langs sin akse for å danne en konisk seksjon av fiberen som er ca 1 cm lang. Varigheten av oppvarming, hivefart og avstand bestemme diameteren av den koniske del som spenner mellom 10 og 20 mikrometer. Lyset fra DFB laseren er koplet inn sfæren gjennom den koniske delen av fiberen. Figur 2 viser kule-fiber kopling.
5. Optoelektroniske Setup
- Utgangen av en avstembar DFB laser er koblet til en enkelt modus optisk fiber på den ene enden og avsluttes ved en rask fotodiode på den andre enden, som vist i figur 3..
- Fotodioden utgang er digitalisert ved hjelp av en analog-til-digital omformer (A / D) og lagret på en personlig datamaskin (PC).
- DFB laser er innstilt av en laser kontroller. Laseren kontrolleren i sin tur er drevet av en funksjonsgenerator som gir en sagtann spenningsinngang.
6. Elektriske feltet Generation
- To kvadratiske messingplater (2 x 2 cm) med tykkelse 1 mm er brukt for å generere ensartet elektrisk felt. Platene er forbundet med en spenningsforsyning og kulen sensorene er plassert i mellomrommet mellom de to plater (figur 4).
- For å øke følsomheten målingen, blir kulene første poled i et elektrisk felt av en MV / m i 2 timer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En optisk modus (WGM) av kulen er spent ved laserlys når optisk veilengde reist av lyset er et multiplum heltall av laser bølgelengde. For arrangementet vist i figur 3, er den optiske veilengde 2πrn, hvor n og r er brytningsindeksen og radius av kulen, henholdsvis. Bruke geometriske optikk tilnærming, er en WGM tilstand fornøyd når 2πrn = lλ der l er et heltall og λ er laser bølgelengde. Som DFB laser er innstilt på tvers av en liten bølgelengdeområdet, er det dielektriske sfære optiske moduser (WGM) sett på som skarp fall i spekteret gjennom den optiske fiber. Når kulen gjennomgår en elastisk deformasjon på grunn av den eksterne elektriske felt, plasseringen av en dukkert i overføringen spektrum skift. Figur 5 viser typisk overføring spektra og WGM skift skyldes ytre elektriske feltet for en60:1 PDMS sfære av 900 mikrometer diameter. Når det elektriske felt på 50 kV / m er slått på, opplever WGM optiske modus, sett som en dip i overføringen spekteret, en blå-forskyvning av Δλ ≈ 13:09 indikerer at sfæren er langstrakt langs feltet retning. Merk at den optiske veilengden i kulen er på det ekvatoriale plan normalt det elektriske felt retning (figur 4). Den optiske kvaliteten faktor for WGM dukkert i figuren er ~ 5x10 5.
Figur 6a viser WGM skift, Δλ, av Sphere jeg under 1 Hz harmonisk elektrisk felt med amplitude på 200 V / m. Sfæren diameter er 700 um, og det er polet i 2 timer i en statisk elektrisk felt av en MV / m. Den tilsvarende WGM shift vs elektriske felt amplitude plott er vist i figur 6b. Sphere Jeg gir en følsomhet på 1,7 pm / (kV / m). Resultatene for Sphere II og III er vist på fig 7 og 8, henholdsvis. Figur 7 viser resultatene av Sphere II med ytre diameter ~ 700 um og Figur 8 viser måling med Sphere III som besto av 300 um silika kjerne og 150 um tykkelse PDMS basen belagt over den. I disse målingene, varierte Q-faktorer fra 5 x 10 mai-10 juni. Sfæren morfologi og tilhørende WGM er følsomme for andre ytre forhold. Således blir hver måling fullført i en kort tidsperiode (~ 1 min), slik at, de miljømessige effekter (for eksempel temperatur, fuktighet etc.) på WGM skift er ubetydelig.
Figur 1. Skjematisk av tre sfære sensorkonfigurasjoner.
ig2.jpg "/>
Figur 2. Fotografi av kombinert sfære-konisk fiber.
Figur 3. Skjematisk av optoelektroniske oppsett.
Figur 4 skjematisk (a),. Fotografi (b) av den eksperimentelle oppsett.
Figur 5. Transmission spektra gjennom sfæren-coupled fiber.
keep-together.within-page = "always"> 
Figur 6 WGM skifte av Sphere jeg under harmonisk felt perturbasjon (a);.. WGM shift vs elektrisk felt amplitude (b) Klikk her for å se større figur .
Figur 7 WGM forskyvning av Sphere II under harmonisk felt perturbasjon (a);.. WGM shift vs elektrisk felt amplitude (b) Klikk her for å se større figur .
Gure 8 "fo: content-width =" 6in "fo: src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8.jpg "/>
Figur 8 WGM forskyvning av Sphere III under harmonisk felt perturbasjon (a);.. WGM shift vs elektrisk felt amplitude (b) Klikk her for å se større figur .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Kulene er i utgangspunktet poled ved å koble elektrodene til en DC høy spenningsforsyning. På slutten av poling varighet, elektrodeavledningene koblet fra likespenningsforsyning og koblet til en funksjonsgenerator som vist på figur 4. Resultatene presentert i figurene 5 til 8 viser at positive og negative elektriske felt (i forhold til retningen av poling) fører til sfæren tøyelighet og komprimering, henholdsvis. Sfære I, som er et enkelt lag 60:1 PDMS har et elektrisk felt følsomhet på 1,7 pm / (kV / m). Betydelig forbedring i følsomhet er oppnådd ved hjelp av multi-lags sfærer. Sfære II gir elektrisk felt følsomhet på 2,5 pm / (kV / m). Ennå en mye høyere sensitivitet oppnås med Sphere III (~ 24:02 / (V / m) på grunn av den myke, flytespenningen-flytende ytre sjikt. Med konservativ antagelse at minimum målbar WGM skiftet er δλ = λ / Q, typisk WGM sensor oppløsning kan uttrykkes som
hvor E o er det påtrykte elektriske felt. Oppløsning gitt i den ovenstående ligning kan bli ytterligere forbedret ved å utnytte bedre signalbehandlingsmetoder metoder. For eksempel, gir signalbehandling metoden beskrevet i vår nylig studie 17 et skifte deteksjon oppløsning av ~ 24:13. For våre undersøkelser, er dette ekvivalent med å ha en sensor Q-faktor på 10 7 i den ovenstående ligning for sensor oppløsning.
Disse resultatene er oppmuntrende for fremtidig utvikling av WGM-baserte mikro-optiske sensorer. En bestemt program er en all optisk, fiberbasert neurophotonic grensesnitt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Denne forskningen er sponset av det amerikanske Defense Advanced Research Projects Agency henhold Centers i integrert optikk Engineering Research (siffer) program med Dr. J. Scott Rodgers som prosjektleder. Informasjonen som er gitt i denne rapporten gjenspeiler ikke nødvendigvis posisjonen eller politikk den amerikanske regjeringen, og ingen offisiell anbefaling skal kunne utledes.
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).
