Summary

Desarrollo de la Whispering Gallery Mode poliméricos micro-ópticos Sensores de campos eléctricos

Published: January 29, 2013
doi:

Summary

Un sensor de micro de alta sensibilidad fotónica fue desarrollado para la detección de campo eléctrico. El sensor explota los modos ópticos de una esfera dieléctrica. Los cambios en el campo eléctrico externo perturbar la morfología esfera que conduce a cambios en sus modos ópticos. La intensidad de campo eléctrico se mide mediante el control de estos cambios ópticos.

Abstract

Modos ópticos dieléctricos de micro-cavidades han recibido mucha atención en los últimos años por su potencial en una amplia gama de aplicaciones. Los modos ópticos se refiere con frecuencia como "susurro modos Gallery" (WGM) o "resonancias morfológicas dependientes" (MDR) y muestran altos factores de calidad óptica. Algunas aplicaciones propuestas de micro-cavidad resonadores ópticos son en espectroscopia 1, micro-cavidad tecnología láser 2, comunicaciones ópticas 3-6, así como la tecnología de sensor. Las aplicaciones de sensores basados ​​en WGM incluyen aquellos en biología 7, detección de rastros de gas 8, y la detección de impurezas en líquidos 9. Sensores mecánicos basados ​​en resonadores de microesferas también han sido propuestas, incluyendo aquellos para la fuerza de 10,11, 12 de presión, aceleración 13 y la tensión de cizallamiento 14. En la actualidad, se demuestra un sensor basado en WGM campo eléctrico, que se basa en nuestra studi anteriores 15,16. Una aplicación candidato de este sensor es en la detección de potencial de acción neuronal.

El sensor de campo eléctrico está basado en microesferas poliméricas multicapa dieléctrico. El campo eléctrico externo induce la superficie y las fuerzas del cuerpo en las esferas (efecto electrostricción) que conducen a la deformación elástica. Este cambio en la morfología de las esferas, conduce a cambios en la WGM. El campo eléctrico inducido cambios WGM son interrogados por los emocionantes modos ópticos de las esferas de luz láser. La luz de una realimentación distribuida (DFB) láser (longitud de onda nominal de ~ 1,3 micras) es de lado acoplado en las microesferas usando una sección ahusada de una fibra de modo óptico único. El material de base de las esferas es el polidimetilsiloxano (PDMS). Tres geometrías de microesferas se utiliza: (1) esfera PDMS con una relación volumétrica 60:1 de base-a-curado mezcla de agente, (2) la esfera de múltiples capas con 60:1 PDMS núcleo, con el fin de aumentar la constante dieléctrica del the esfera, una capa intermedia de 60:1 de PDMS que se mezcla con cantidades variables (2% a 10% en volumen) de titanato de bario y una capa externa de 60:1 PDMS y (3) la esfera de sílice sólida revestida con una capa delgada de base de PDMS sin curar. En cada tipo de sensor, la luz láser de la fibra cónica se acopla a la capa más externa que proporciona alta calidad óptica factor de WGM (Q ~ 10 6). Las microesferas se polariza durante varias horas a campos eléctricos de ~ 1 MV / m para aumentar su sensibilidad al campo eléctrico.

Protocol

1. Preparación de microesferas PDMS (Esfera I) Polidimetilsiloxano (PDMS) de base y el agente de curado se mezclan con una relación en volumen de 60:1. Una hebra de fibra óptica de sílice, aproximadamente 2 cm de largo, es primero despojado de su revestimiento de plástico utilizando un separador óptico. Un extremo de la fibra se calienta y se estira para proporcionar un extremo de vástago que es ~ 25-50 micras de diámetro en la punta. El extremo estirado de la fibra se su…

Representative Results

Un modo óptico (WGM) de la esfera es excitado por la luz de láser cuando la longitud del camino óptico recorrido por la luz es un múltiplo entero de la longitud de onda del láser. Para la disposición mostrada en la Figura 3, la longitud del camino óptico es 2πrn, donde n y r son el índice de refracción y el radio de la esfera, respectivamente. Usando la aproximación de la óptica geométrica, una condición WGM se satisface cuando 2πrn = lλ donde l</e…

Discussion

Las esferas están inicialmente polarizada mediante la conexión de los electrodos a una fuente de alta tensión continua. Al final de la duración de polarización, los cables de los electrodos se desconecta de la fuente de tensión de CC y conectado a un generador de funciones, como se indica en la Figura 4. Los resultados presentados en las figuras 5 a 8 muestran que los campos eléctricos positivos y negativos (con respecto a la dirección de polarización) conducen…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación está patrocinada por los EE.UU. Defense Advanced Research Projects Agency en Centros de Investigación de Ingeniería Fotónica Integrada (cifra) programa con el Dr. J. Scott Rodgers como gerente del proyecto. La información proporcionada en este informe no refleja necesariamente la posición o la política del gobierno de EE.UU. y ningún patrocinio oficial reales.

Materials

Company Catalogue number Comments (optional)
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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Cite This Article
Ioppolo, T., Ötügen, V., Ayaz, U. Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors. J. Vis. Exp. (71), e50199, doi:10.3791/50199 (2013).

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