Summary
Um sensor de alta sensibilidade fotónica micro foi desenvolvido para a detecção de campos eléctricos. O sensor explora os modos ópticos de uma esfera dielétrica. Mudanças no campo elétrico externo perturbar a morfologia esfera levando a mudanças em seus modos ópticos. A intensidade do campo eléctrico é medida por monitorização destas mudanças ópticas.
Abstract
Modos de óptica de micro-cavidades dielétricas têm recebido atenção significativa nos últimos anos devido ao seu potencial de uma ampla gama de aplicações. Os modos ópticos são freqüentemente referidos como "sussurrando modos Galeria" (WGM) ou "ressonâncias morfologia dependentes" (MDR) e apresentam altos fatores de qualidade óptica. Algumas aplicações propostas de micro-cavidade ressonadores ópticos são em espectroscopia 1, micro-cavidade tecnologia laser 2, 3-6 comunicações ópticas, bem como tecnologia de sensores. As aplicações baseadas WGM sensores incluem aqueles em biologia 7, traço de detecção de gás 8, e detecção de impurezas em líquidos 9. Sensores mecânicos com base em ressoadores de microsferas também têm sido propostos, incluindo os de força 10,11, a pressão 12, 13 e parede de aceleração tensão de corte 14. No presente, nós demonstramos uma WGM baseada em sensor de campo elétrico, que se baseia em nosso studi anteriores 15,16. A aplicação candidato deste sensor é na detecção de potencial de acção neuronal.
O sensor de campo eléctrico é baseada em multi-camadas polimérico dieléctrico microesferas. O campo eléctrico externo induz superfície e as forças de corpo sobre as esferas (efeito electrostriction) que conduzem a uma deformação elástica. Esta mudança na morfologia das esferas, conduz a mudanças na WGM. Mudanças do campo elétrico induzidos WGM são interrogados por emocionantes os modos ópticos das esferas de luz laser. A luz de uma realimentação distribuída (DFB) laser (comprimento de onda nominal de ~ 1,3 mm) é o lado de acoplamento para as microesferas usando uma secção cónica de uma fibra óptica de modo único. O material de base das esferas é polidimetilsiloxano (PDMS). Três geometrias de microsferas são utilizados: (1) esfera PDMS com uma razão volumétrica de 60:1 de base-para-agente de cura mistura, (2) de camadas múltiplas com esfera 60:1 PDMS do núcleo, a fim de aumentar a constante dieléctrica do thesfera e, uma camada média de 60:1 PDMS que é misturado com quantidades variáveis (2% a 10% por volume) de titanato de bário e uma camada exterior de 60:1 PDMS e (3) da esfera de sílica sólida revestida com uma fina camada da base de PDMS não curado. Em cada tipo de sensor, a luz do laser da fibra cónica é acoplada na camada mais externa que fornece alta qualidade óptica fator WGM (Q ~ 10 6). As microesferas são poled durante várias horas a campos eléctricos de ~ 1 MV / m para aumentar a sua sensibilidade ao campo eléctrico.
Protocol
1. PDMS preparação de microsferas (Sphere I)
- Polidimetilsiloxano base (PDMS) e o agente de cura são misturados com uma relação de volume de 60:1.
- Uma mecha de fibra óptica de sílica, cerca de 2 cm de comprimento, é primeiramente retirado do seu revestimento de plástico usando um separador óptico.
- Uma extremidade da fibra é aquecida e esticada para proporcionar uma extremidade da haste, que é de aproximadamente 25-50 um de diâmetro na ponta.
- A extremidade da fibra estirada é submerso na mistura PDMS por um comprimento de cerca de 2-4 mm e, em seguida, é puxada para fora.
- Tensão superficial e peso da mistura PDMS permitir a formação de uma esfera na extremidade da fibra de silica. O tamanho da esfera é controlada pelo comprimento de imersão e velocidade de extracção. Ao variar estes dois parâmetros, diâmetros da esfera na gama de 100 um - 1.000 mM pode ser obtida.
- A montagem de microsferas / haste é então colocada numa estufa a ~ 90 ° C durante 4 horas para permitir a consolidação adequada do polimer material (para formar ligações cruzadas cadeias). Figura 1a é um esquema de I. Sphere
2. PDMS baseado Preparação Esfera tripla camada (Sphere II)
- Uma microesfera 60:1 PDMS é utilizado como o núcleo interior. Os mesmos passos descritos em 1) acima é seguida por este processo.
- Uma mistura de titanato de bário (BaTiO 3) nano-partículas e 60:1 PDMS é utilizado como a camada do meio. A mistura de PDMS, preparado da mesma maneira descrita no ponto 1.1), acima, é misturado com o titanato de bário nano-partículas.
- O núcleo microesfera PDMS descrito em 2.1) é então mergulhado na mistura de titanato de bário PDMS-bata-(com uma espessura de camada nominal de ~ ^ M 10).
- Em seguida, a esfera de duas camadas é colocado numa estufa a ~ 90 ° C durante 4 horas para permitir a cura apropriada da segunda camada.
- Uma vez que a esfera de duas camadas é curado, é de novo imerso numa mistura de 60:1 de PDMS para proporcionar um revestimento exterior (terceira camada). Este externocamada serve como guia óptica esférica (~ 10 um de espessura). Figura 1b é um esquema de Sphere II.
3. Sílica / PDMS preparação de microsferas (Sphere III)
- A secção de ~ 3 cm de comprimento de uma fibra de modo único de sílica óptico é primeiramente retirado do seu tampão (em plástico) de revestimento e, em seguida, a sua ponta é fundida usando um micro-tocha (em conjunto com o revestimento e núcleo). Tensão superficial e gravidade trabalhar juntos para moldar a ponta derretido em uma esfera. Esferas com diâmetros variando de 200 a 500 um podem ser obtidas com este processo.
- A microesfera de sílica é então imerso num banho de PDMS de base (sem o agente de cura) a cobri-lo com um revestimento de ~ 50 ^ m. Esta camada exterior permanece como um altamente viscoso Bingham líquido (limite elástico). Figura 1c é um esquema de Sphere III.
4. Preparação de fibra óptica
- Uma secção de uma fibra óptica de modo único é retirado da sua cla plásticodding utilizando um extractor óptico. Usando uma micro-tocha a secção listrado da fibra é aquecido até que seja fundido (tanto o revestimento e núcleo de fibra).
- Embora a parte do meio é fundido, uma extremidade da fibra óptica é puxado ao longo do seu eixo de modo a formar uma secção cónica da fibra que é de cerca de 1 cm de comprimento. A duração do aquecimento, a velocidade de puxar e distância determinar o diâmetro da secção cónica que varia entre 10 e 20 um. A luz proveniente do laser DFB é acoplada para a esfera através da secção cónica da fibra. Figura 2 mostra o acoplamento de esfera de fibra.
5. Optoeletrônicos Setup
- A saída de um laser DFB sintonizável é acoplado a uma fibra óptica de modo único em uma extremidade e termina num fotodíodo rápido, na outra extremidade, como mostrado na Figura 3.
- A saída do fotodíodo é digitalizada utilizando um conversor analógico-para-digital (A / D) e armazenados num computador pessoal (PC).
- O laser DFB é ajustado por um controlador de laser. O controlador de laser, por sua vez, é accionado por um gerador de função que fornece uma tensão de entrada em dente de serra.
6. Geração de Campo Elétrico
- Duas placas de latão quadrados (2 x 2 cm) com a espessura de 1 mm, são utilizados para gerar o campo eléctrico uniforme. As placas são ligadas a uma fonte de tensão e os sensores de esfera são colocados no espaço entre as duas chapas (Figura 4).
- A fim de aumentar a sensibilidade de medição, as esferas são primeiramente poled num campo eléctrico de 1 MV / m, durante 2 horas.
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Representative Results
Um modo óptico (WGM) da esfera é excitado pela luz do laser quando comprimento do caminho óptico percorrido pela luz é um número inteiro múltiplo do comprimento de onda do laser. Pela disposição mostrada na Figura 3, o comprimento do caminho óptico é 2πrn, onde n e r são o índice de refracção e um raio da esfera, respectivamente. Usando aproximação óptica geométrica, uma condição WGM é satisfeita quando 2πrn = lλ onde I é um inteiro e λ é o comprimento de onda do laser. Como o laser DFB é sintonizado através de uma gama de comprimento de onda pequeno, modos ópticos a esfera dielétrica do (WGM) são vistos como afiada mergulha no espectro através da fibra óptica. Quando a esfera sofre uma deformação elástica, devido ao campo eléctrico externo, a posição de um mergulho nas mudanças de espectro de transmissão. Figura 5 mostra espectros de transmissão típica e a mudança WGM devido ao campo eléctrico externo para uma60:1 PDMS esfera de 900 um de diâmetro. Quando o campo eléctrico de 50 kV / m é ligado, o modo WGM óptico, visto como um mergulho no espectro de transmissão, experimenta um deslocamento para o azul-de Δλ pm ≈ 1,9 indicando que a esfera é alongada ao longo da direcção do campo. Note-se que o comprimento do percurso óptico no interior da esfera é no plano equatorial e perpendicular à direcção do campo eléctrico (Figura 4). O fator de qualidade óptica para o mergulho WGM na figura é ~ 5x10 5.
Figura 6a mostra a mudança WGM, Δλ, da esfera I, 1 Hz campo harmônico elétrica com amplitude de 200 V / m. O diâmetro de esfera é de 700 ^ m e é polarizado, durante 2 horas em um campo eléctrico estático de 1 MV / m. A mudança correspondente WGM vs eléctrico trama amplitude do campo é mostrado na Figura 6b. Sphere I produz uma sensibilidade de 1,7 pm / (kV / m). Os resultados para a esfera II e III são mostrados nas Figuras 7 e 8, respectivamente. Figura 7 mostra os resultados de Sphere II com diâmetro externo ~ 700 ^ m e A Figura 8 exibe a medição com Sphere III que consistiu de 300 ^ M de núcleo de sílica e 150 um de espessura de base de PDMS revestido por cima. Nestas medições, a Q-factores variou de 5 x 10 5 a 10 6. A morfologia e a esfera WGM associado são sensíveis a outros factores externos. Assim, cada uma das medições é completado num curto período de tempo (~ 1 min), de modo que, os efeitos ambientais (tais como temperatura, humidade, etc) em turnos WGM são insignificantes.
Figura 1. Esquemático das três configurações de sensor da esfera.
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Figura 2. Fotografia da fibra acoplada esfera cônico.
Figura 3. Esquema de configuração optoeletrônicos.
Figura 4 Esquema (a),. Fotografia (b) da montagem experimental.
Figura 5. Espectros de transmissão através da fibra esfera acoplada.
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Figura 6 WGM mudança de Sphere I sob perturbação campo harmônico (a);.. Mudança WGM vs campo elétrico amplitude (b) Clique aqui para ver maior figura .
Figura 7 WGM mudança de Sphere II sob perturbação campo harmônico (a);.. Mudança WGM vs campo elétrico amplitude (b) Clique aqui para ver maior figura .
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Figura 8 WGM mudança de Esfera III sob perturbação campo harmônico (a);.. Mudança WGM vs campo elétrico amplitude (b) Clique aqui para ver maior figura .
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Discussion
As esferas são inicialmente polarizado através da ligação dos eléctrodos a uma fonte de tensão contínua elevada. No final da duração poling, os fios de eléctrodos foram desligados da fonte de tensão contínua e conectado a um gerador de função, tal como indicado na Figura 4. Os resultados apresentados nas Figuras 5 a 8 mostram que positivos e negativos campos eléctricos (em relação à direcção de poling) conduzem a esfera alongamento e de compressão, respectivamente. I esfera, a qual é uma única camada de 60:1 PDMS tem uma sensibilidade de campo eléctrico de 1,7 pm / (kV / m). Melhoria significativa na sensibilidade é obtida usando esferas multi-camada. Esfera II fornece sensibilidade campo elétrico de 2,5 pm / (kV / m). No entanto, uma sensibilidade muito mais elevado é obtido com a esfera III (~ 0,2 pm / (V / m), devido ao suave, a camada de stress rendimento líquido exterior. Com uma suposição conservadora de que a mudança WGM mínimo mensurável é δλ λ = / Q, típico WGM resolução do sensor pode ser expresso como
onde E é o campo aplicado eléctrico. Resolução do sensor dado na equação acima, pode ser melhorado através da utilização de melhores métodos de processamento de sinal. Por exemplo, o método de processamento de sinais descrito no nosso estudo recente 17 proporciona uma resolução de detecção de desvio de ~ pm 0,13. Para os nossos estudos, isto é equivalente a ter um sensor de Q-factor de 10 7 na equação acima para a resolução do sensor.
Estes resultados são encorajadores para o desenvolvimento futuro da WGM baseados em micro-sensores ópticos. Uma aplicação particular é um conjunto óptico, interface de fibra óptica neurophotonic.
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Disclosures
Não temos nada a revelar.
Acknowledgments
Esta pesquisa é patrocinada pela Defense Advanced Research Projects Agency EUA nos Centros Integrados de Fotônica Pesquisa de Engenharia (cifra) programa com o Dr. J. Scott Rodgers como gerente de projeto. As informações fornecidas neste relatório não reflecte necessariamente a posição ou a política do Governo dos EUA e não endosso oficial deve ser inferida.
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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