Summary
En hög känslighet fotoniska mikro sensor var utvecklad för elektriska fält upptäckt. Sensorn utnyttjar optiska moder av en dielektrisk sfär. Förändringar i den externa elektriska fältet stör sfären morfologi leder till förändringar i dess optiska lägen. Den elektriska fältstyrkan mäts genom att övervaka dessa optiska skift.
Abstract
Optiska former av dielektriska mikro-hålrum har fått betydande uppmärksamhet under de senaste åren för sin potential i ett brett spektrum av tillämpningar. De optiska lägen är ofta kallas "Whispering Gallery lägen" (WGM) eller "morfologi beroende resonanser" (MDR) och uppvisar hög optisk kvalitet faktorer. Vissa planerade tillämpningar av mikro-hålighet optiska resonatorer är i spektroskopi 1, mikro-hålrummet laserteknik 2, optisk kommunikation 3-6 samt sensorteknik. De WGM-baserade sensor applikationer inkluderar de i biologi 7, spår gasdetektering 8, och orenhet upptäckt i vätskor 9. Mekaniska sensorer baserade på mikrosfär resonatorer har också föreslagits, inklusive de för kraft 10,11, 12 tryck, acceleration 13 och vägg skjuvspänning 14. I dagsläget visar vi en WGM-baserad elektriskt fält sensor, som bygger på vår tidigare studies 15,16. En kandidat tillämpning av denna sensor är vid detektering av neuronal aktionspotential.
Det elektriska fältet Sensorn är baserad på polymer flerskiktiga dielektriska mikrosfärer. Den externa elektriska fältet inducerar yta och tvingar kroppen på sfärerna (electrostriction effekt) leder till elastisk deformation. Denna förändring i morfologin hos sfärerna, leder till förskjutningar i WGM. Det elektriska fältet inducerade WGM skift förhörs av spännande de optiska lägen sfärerna genom laserljus. Ljus från en distribuerad återkoppling (DFB-laser) (nominell våglängd av ~ 1,3 um) är sida-kopplad i mikrosfärerna med en avsmalnande sektion av en optisk singelmodfiber. Basmaterialet av sfärerna är polydimetylsiloxan (PDMS). Tre mikrosfär geometrier används: (1) PDMS sfär med en 60:1 volymförhållande av bas-till-härdare blandning, (2) flera skikt sfär med 60:1 PDMS kärna, för att öka den dielektriska konstanten av the sfär, ett mellanskikt av 60:1 PDMS som blandas med varierande mängder (2% till 10% av volymen) av bariumtitanat och ett yttre skikt av 60:1 PDMS och (3) fast kiseldioxid sfär belagd med ett tunt skikt av ohärdad PDMS bas. I varje typ av sensor, är laserljus från den avsmalnande fibern kopplas till den yttersta skiktet som ger hög optisk WGM kvalitetsfaktorn (Q ~ 10 6). Mikrosfärerna polas under flera timmar vid elektriska fält av ~ 1 MV / m för att öka deras känslighet för elektriskt fält.
Protocol
1. PDMS mikrosfärberedningen (Sphere I)
- Polydimetylsiloxan (PDMS) bas och härdaren blandas med ett volymförhållande av 60:1.
- En sträng av kiseldioxid optisk fiber, ca 2 cm lång, först fråntagen sin plast beklädnad använder en optisk strippa.
- En ände av fibern upphettas och sträcks för att åstadkomma en stam ände som är ~ 25-50 | im i diameter vid spetsen.
- Den sträckta änden av fibern är nedsänkt i PDMS blandningen genom en längd av cirka 2-4 mm och därefter dras ut.
- Ytspänning och vikt PDMS blandningen medge bildning av en sfär vid spetsen av kiseldioxidfiber. Storleken på sfären styrs av doppning längd och utvinning hastighet. Genom att variera dessa två parametrar, sfär diametrar i intervallet 100 | im - 1.000 pm kan erhållas.
- Mikrosfären / spindelmontaget placeras sedan i en ugn vid ~ 90 ° C under 4 timmar för att möjliggöra korrekt härdning av polyMer material (för att bilda tvärbundna kedjor). Figur 1a är en schematisk bild av sfär I.
2. PDMS-baserade Triple Layer Sphere Förberedelser (Sphere II)
- En 60:1 PDMS mikrosfär används som den inre kärnan. Samma steg som beskrivs i 1) ovan följs för denna process.
- En blandning av bariumtitanat (BaTiOs 3) är nano-partiklar och 60:1 PDMS användes som mellanskikt. PDMS blandningen, framställd på samma sätt som beskrivs i 1,1) ovan, blandas med bariumtitanat nanopartiklar.
- PDMS mikrosfär kärnan som beskrivs i 2,1) doppas sedan i PDMS-bariumtitanat blandning att belägga det (med ett skikt nominell tjocklek av ~ 10 | im).
- Därefter två skikt sfär placerad i en ugn vid ~ 90 ° C under 4 timmar för att möjliggöra korrekt härdning av det andra skiktet.
- När två skikt sfären härdas, är det återigen nedsänkt i en blandning av 60:1 PDMS att åstadkomma en yttre beläggning (tredje skiktet). Detta ytterstaskikt tjänar som sfärisk optisk ledare (~ 10 | im tjocklek). Figur 1b är en schematisk bild av sfär II.
3. Kiseldioxid / PDMS mikrosfärberedningen (sfär III)
- En ~ 3 cm lång sektion av en kvarts optisk singelmodfiber först berövats dess buffert (plast) beläggning och därefter dess spets smälts med användning av en mikro-brännare (tillsammans med mantel och kärna). Ytspänning och tyngdkraften arbetar tillsammans för att forma det smälta spetsen till en sfär. Sfärer med diametrar som sträcker sig från 200 till 500 um kan erhållas med detta förfarande.
- Kiseldioxid mikrosfär sedan ned i ett bad av PDMS bas (utan härdare) för att täcka den med ett lager ~ 50 um. Denna yttre skikt förblir som en högviskös Bingham (utbyte-spänning) vätska. Figur 1c är en schematisk bild av sfär III.
4. Optisk fiber Beredning
- En del av en single-mode optisk fiber fråntagen sin plast CLAdding använder en optisk strippa. Med hjälp av en mikro-fackla den randiga delen av fibern upphettas tills det är smält (både höljet och fiberkärnan).
- Medan mittsektionen är smält, är en ände av den optiska fibern dras längs dess axel för att bilda en avsmalnande sektion av fibern som är ca 1 cm lång. Varaktigheten av uppvärmning, den draghastighet och avstånd bestämmer diametern hos den avsmalnande sektionen som sträcker mellan 10 och 20 pm. Ljuset från DFB-lasern kopplas in i sfären genom den avsmalnande delen av fibern. Figur 2 visar området fiber koppling.
5. Optoelektroniska inställning
- Utsignalen från en avstämbar DFB-laser kopplad till en optisk singelmodfiber på ena änden och avslutas vid en snabb fotodiod på den andra änden, såsom visas i figur 3.
- Fotodioden utsignal digitaliseras med en analog-till-digital-omvandlare (A / D) och lagras på en persondator (PC).
- Den DFB-laser avstäms av en laser styrenhet. Lasern Styrenheten i sin tur drivs av en funktionsgenerator som tillhandahåller en sågtandad spänningsingång.
6. Elektriskt fält Generation
- Två fyrkantiga mässingsplåtarna (2 x 2 cm) med tjocklek av 1 mm används för att generera likformigt elektriskt fält. Plattorna är anslutna till en spänningskälla och sfären sensorerna placeras i spalten mellan de två plattorna (fig 4).
- För att öka mätkänsligheten är sfärerna 1:a polade i ett elektriskt fält av 1 MV / m under 2 timmar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En optisk mod (WGM) av sfären exciteras av laserljus när optiska banlängden rest av ljuset är en multipel heltal laservåglängden. För arrangemanget som visas i figur 3, är den optiska banlängden 2πrn, där n och r är brytningsindex och sfärens radie resp. Använda geometriska optik approximation är en WGM tillstånd nöjda när 2πrn = lλ där l är ett heltal och λ är laserns våglängd. När DFB-lasern är inställd över en liten våglängdsområde är den dielektriska sfären optiska lägen (WGM) ses som en skarp nedgångar i spektrat genom den optiska fibern. När sfären undergår en elastisk deformation på grund av den yttre elektriska fältet, läget för en dopp i skift transmissionsspektrum. Figur 5 visar typiska transmissionsspektra och WGM skift på grund av externt elektriskt fält för en60:1 PDMS sfär 900 nm diameter. När det elektriska fältet på 50 kV / m är påslagen, upplever WGM optiska läget ses som ett dopp i överföringen frekvenser, en blå-förskjutning av Δλ ≈ 13:09 indikerar att området är långsträckt längs fältet riktning. Observera att den optiska banlängden inuti sfären är på ekvatorialplanet vinkelrätt mot det elektriska fältets riktning (figur 4). Den optiska kvaliteten faktorn för WGM dopp i figuren är ~ 5x10 5.
Figur 6a visar WGM skift, Δλ av Sphere jag under 1 Hz harmonisk elektriskt fält med amplituden 200 V / m.. Klotet diameter är 700 nm och det polas under 2 timmar i en statisk elektriskt fält av 1 MV / m. Motsvarande WGM skift vs elektriskt fält amplitud tomt visas i figur 6b. Sfär Jag ger en känslighet på 1,7 pm / (kV / m). Resultaten för Sphere II och III visas i figurerna 7 och 8, respektive. Figur 7 visar resultaten av Sphere II med ytterdiameter ~ 700 ^ m och Figur 8 visar mätning med Sfären III som bestod av 300 fim kiseldioxidkärna och 150 | im tjocklek av PDMS bas belagd över det. I dessa mätningar varierade Q-faktorer från 5 x 10 Maj-10 juni. Klotet morfologi och tillhörande WGM är känsliga för andra externa förhållanden. Således är varje mätning avslutas inom en kort tid (~ 1 min) så att miljöeffekterna (t.ex. temperatur, luftfuktighet etc.) på WGM skift är försumbara.
Figur 1. Schematisk de tre konfigurationerna sfär sensor.
ig2.jpg "/>
Figur 2. Fotografi av kopplade sfär-avsmalnande fiber.
Figur 3. Schematisk optoelektroniska inställningar.
Figur 4 Schematisk (a),. Fotografi (b) den experimentella inställning.
Figur 5. Transmissionsspektra genom sfär-kopplad fiber.
keep-together.within-page = "alltid"> 
Figur 6 WGM förskjutning av Sphere I enlighet harmonisk fält störning (a),.. WGM skift vs elektriskt fält amplitud (b) Klicka här för att se större bild .
Figur 7 WGM förskjutning av Sphere II under harmonisk fält störning (a),.. WGM skift vs elektriskt fält amplitud (b) Klicka här för att se större bild .
Gure 8 "fo: content-width =" 6in "FO: src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8.jpg "/>
Figur 8 WGM förskjutning av Sphere III under harmonisk fält störning (a),.. WGM skift vs elektriskt fält amplitud (b) Klicka här för att se större bild .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sfärerna initialt polas genom att ansluta elektroderna till en DC-högspänningskälla. Vid slutet av polning varaktighet, är elektroden leder bortkopplad från likströmsförsörjningen och ansluten till en funktionsgenerator som visas i figur 4. De resultat som presenteras i figurerna 5 till 8 visar att positiva och negativa elektriska fält (i förhållande till riktningen för polning) leder till sfär töjning och kompression, resp. Sfär I, som är ett enda skikt 60:1 PDMS har ett elektriskt fält känslighet av 1,7 pm / (kV / m). Signifikant förbättring i känsligheten erhålles genom användning flerskiktade sfärer. Sfär II ger elektriska fält känslighet på 2,5 pm / (kV / m). Ändå en mycket högre känslighet erhålles med Sphere III (~ 0,2 pm / (V / m) på grund av den mjuka, sträckgräns-vätska yttre skiktet. Med ett konservativt antagande att den minsta mätbara WGM skift är δλ = λ / Q, typiskt WGM-sensor upplösning kan uttryckas som
där Eo är det pålagda elektriska fältet. Sensorupplösning ges i ekvationen ovan kan förbättras ytterligare genom att använda bättre metoder signalbehandling. Till exempel tillhandahåller signalbehandling som beskrivs i vår senaste studie 17 en upplösning skift detektering av ~ 12:13. För våra studier, motsvarar detta att ha en sensor Q-faktor 10 7 i ovanstående ekvation för sensorns upplösning.
Dessa resultat är uppmuntrande för framtida utveckling av WGM-baserade mikro-optiska sensorer. En särskild applikation är en helt optisk, fiberbaserade neurophotonic gränssnitt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har inget att lämna ut.
Acknowledgments
Denna forskning är sponsrad av den amerikanska Defense Advanced Research Projects Agency enligt Centers i integrerad fotonik Engineering Research (chiffer) program med Dr J. Scott Rodgers som projektledare. Informationen i denna rapport återspeglar inte nödvändigtvis den ståndpunkt eller politik den amerikanska regeringen och ingen officiell bekräftelse oavsiktliga.
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).
