Summary
Yüksek hassasiyete sahip fotonik mikro sensör elektrik alan tespiti için geliştirilmiştir. Sensörü, dielektrik küre optik modları patlatır. Dış elektrik alan perturb onun optik modları vardiya giden küre morfolojisi değişimi. Elektrik alan kuvveti bu optik kaymalar takip edilerek ölçülür.
Abstract
Dielektrik mikro boşlukların optik modları geniş bir uygulama aralığında potansiyel için son yıllarda büyük ilgi aldık. Optik modlar sık (WGM) veya "morfolojisi bağımlı rezonanslar" (MDR) ve yüksek optik kalite faktörleri gösteren "galeri modları fısıldayan" olarak adlandırılır. Mikro-kavite optik rezonatörler Bazı önerilen uygulamalar spektroskopisi 1, mikro oyuk lazer teknolojisi 2, optik haberleşme 3-6 yanı sıra sensör teknolojisi bulunmaktadır. WGM tabanlı sensör uygulamaları biyoloji 7, iz gaz algılama 8 olanlar ve sıvılar 9 kirlilik algılama özelliği içerir. Mikroküre rezonatörler dayalı mekanik sensörler de kuvveti 10,11, basınç 12, hızlanma 13 ve duvar kayma gerilmesi 14 için olanlar dahil, ileri sürülmüştür. Günümüzde, bizim daha önceki araştırma konuların üzerine inşa bir WGM tabanlı elektrik alan sensörü, göstermekes 15,16. Bu sensör bir aday başvuru nöronal aksiyon potansiyelinin tespiti yer almaktadır.
Elektrik alan sensor çok-katmanlı polimerik mikroküre dielektrik dayanmaktadır. Dış elektrik alan elastik deformasyon giden küreler (electrostriction etkisi) yüzey ve cisim kuvvetleri indükler. Küre morfolojisi bu değişiklik, WGM vardiya yol açar. Elektrik alanı ile indüklenen WGM vardiya lazer ışığı tarafından kürelerin heyecan verici optik modlar tarafından sorgulandı. Dağıtılmış bir geribildirim Işık (DFB) lazer (~ 1.3 mikron nominal dalgaboyu) tek modlu optik fiber konik bir bölümünü kullanarak mikroküreler içine yan birleştiğinde olduğunu. Küre taban malzemesi polidimetilsiloksan (PDMS) 'dir. Üç mikrosfer geometrileri kullanılır: baz-to-sertleştirici karışım ve bir hacımsal oranı 60:1 ile (1) PDMS küre, 60:1 PDMS göbek ile (2), çok katmanlı küre, inci dielektrik sabiti arttırmak içinE küre, baryum titanat değişen miktarda (hacimce% 2 ila% 10) ve 60:1 PDMS bir dış tabaka ve ince bir tabaka ile kaplı (3) katı silika küre ile karıştırılır 60:1 PDMS bir orta tabaka Kürlenmemiş PDMS tabanı. Sensörün her tür, şevli fiber lazer ışık yüksek optik kalite faktörü WGM (S ~ 10 6), dış tabakası içine bağlanmıştır. Mikrosferler elektrik alanı için kendi duyarlılığını artırmak için ~ 1 PD / m arasında elektrik alan bir kaç saat için kutupludur edilir.
Protocol
1. PDMS Microsphere Hazırlama (Küre I)
- Polidimetilsiloksan (PDMS) taban ve sertleştirici 60:1 arasında bir hacim oranında karıştırılır.
- Silika fiber optik bir iplikçik, yaklaşık 2 cm uzunluğunda, ilk optik striptizci kullanarak plastik kaplama arındırılır.
- Lif bir ucu ısıtılır ve uç çapı içinde ~ 25-50 mikron olan bir kök uç sağlamak için gerilir.
- Fiber uç gerilmiş yaklaşık 2-4 mm'lik bir uzunluk ile PDMS karışım içine daldırılır ve sonra da dışarı çekilir.
- PDMS karışımın yüzey gerilimi ve ağırlık silis elyaf ucunda bir küre oluşumuna izin verir. Kürenin boyutu uzunluk ve daldırma çıkarma hızı ile kontrol edilir. Aralığında, bu iki parametre, küre çapı değiştirilerek 100 um - 1000 mikron elde edilebilir.
- ° C 4 saat poli uygun kür sağlamak için mikroküre / Rekoru sonra ~ 90 bir fırında yerleştirilirmer malzeme (çapraz bağlantılı zincir oluşturmak üzere). Şekil 1a'da küre I e sahip bir şemasıdır
2. PDMS tabanlı Üçlü Katman Sphere Hazırlama (Sphere II)
- Bir 60:1 PDMS mikrosfer iç çekirdek olarak kullanılır. Yukarıdaki 1) 'de tanımlanan aynı adımlar bu işlem için takip edilir.
- Baryum titanat eden bir karışım, (BaTiO 3) nano-parçacıklar ve 60:1 PDMS orta tabaka olarak kullanılır. 1,1 yukarıda anlatılan ile aynı şekilde) 'de hazırlanan PDMS karışım, baryum titanat nano-partiküller ile karıştırılır.
- 2.1 'de tanımlanan PDMS mikrosfer çekirdek) daha sonra kapla (~ 10 um arasında bir tabaka nominal kalınlığı ile) PDMS baryum-titanat karışımı ile muamele edilmektedir.
- Daha sonra, iki tabaka küre ~ 90 ° C 'de, ikinci tabaka arasında sertleşmesi için izin vermek için, 4 saat boyunca bir fırın içinde yerleştirilir.
- Iki tabaka küre tedavi edildikten sonra, bu yine bir dış kaplama (üçüncü tabaka) sağlamak için 60:1 PDMS bir karışım batırılır. Bu dıştakikatman küresel optik kılavuzu (~ 10 mikron kalınlığında) olarak hizmet vermektedir. Şekil 1b Küre II şematik olduğunu.
3. Silika / PDMS Microsphere Preparasyon (Küre III)
- Silis tek modlu fiber optik A ~ 3 cm uzunluğunda bölümde ilk olarak tampon (plastik) kaplama arındırılır ve sonra ucu bir mikro-meşale (birlikte kaplama ve çekirdek ile) kullanılarak eritilir. Yüzey gerilimi ve yerçekimi bir küre içine eritilmiş ucu şekillendirmek için birlikte çalışır. 200 ila 500 mikron arasında değişen çaplara sahip küreler bu işlem ile elde edilebilir.
- Silika mikroküre sonra ~ 50 mikron bir kat ile kapak (sertleştirici hariç) PDMS tabanının banyosuna batırılır. Bu dış tabaka bir oranda viskoz Bingham (verim-stres) sıvı olarak kalır. Şekil 1c Küre III şematik olduğunu.
4. Fiber Optik Hazırlık
- Bir tek modlu fiber optik bir bölümü onun plastik cla arındırılıroptik striptizci kullanarak dding. O (kaplama ve fiber çekirdeğinde) erimiş kadar fiber mikro-meşale çizgili bölümünü kullanarak ısıtılır.
- Orta bölüm erimiş iken, optik fiber bir ucundan yaklaşık 1 cm uzunluğunda fiber şevli bir kısım oluşturacak şekilde kendi ekseni boyunca çekilir. Isıtma süresi, çekme hızı ve mesafe 10 ile 20 mikron arasında değişmektedir konik kesitin çapı belirler. DFB lazer ışığı fiber konik bölümü ile küre haline birleştirilmiştir. Şekil 2, küre fiber bağlantı göstermektedir.
5. Optoelektronik Kurulumu
- Bir ayarlanabilir DFB lazer çıkışı bir ucunda bir tek modlu fiber optik içine birleştirilmiş ve Şekil 3'te gösterildiği gibi, diğer ucunda, bir hızlı fotodiyot da sona erdirilir.
- Fotodiyot çıkışı, analog-dijital çevirici (A / D) kullanılarak sayısallaştırılmış ve bir kişisel bilgisayar (PC) saklanır.
- DFB lazer lazer denetleyicisi tarafından ayarlanmıştır. Sırayla lazer denetleyicisi, bir testere dişi gerilim girişi sağlayan bir fonksiyon jeneratörü ile tahrik edilir.
6. Elektrik Alan Üretimi
- 1 mm kalınlığında olan iki kare pirinç plaka (2 x 2 cm) düzgün bir elektrik alan oluşturmak için kullanılır. Plakalar, bir gerilim kaynağına bağlı olan ve küre sensörler iki plaka (Şekil 4) arasındaki boşlukta yer alır.
- Ölçüm hassasiyeti artırmak için, küre ilk 2 saat için 1 MV / m arasında bir elektrik alanı içinde kutupludur edilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Işık ile seyahat optik yol uzunluğu lazer dalga boyunun katları tamsayı olduğunda kürenin bir optik modu (WGM) lazer ışığı ile heyecanlı. Şekil 3'te gösterilen düzenleme için, optik yol uzunluğu, sırasıyla, n ve r kürenin kırılma endeksi ve yarıçapının 2πrn, vardır. Geometrik optik yaklaşımı kullanarak, WGM koşulu sağlandığında 2πrn = lλ l bir tamsayıdır ve λ lazerin dalga boyu olduğu. DFB lazer küçük bir dalga boyu aralığında ayarlanmış gibi, dielektrik küre optik modları (WGM) keskin olarak görülüyor optik lif vasıtasıyla spektrum batırma. Kürenin dış elektrik alan nedeniyle elastik deformasyon uğrar, iletim spektrumu vardiyada bir eğim pozisyonu. Şekil 5 tipik iletim spektrumları ve için nedeniyle dış elektrik alan için WGM kayması göstermektedir900 mikron çaplı 60:1 PDMS küre. 50 kV / m elektrik alan açıldığında, transmisyon spektrumunda bir dip olarak görülen WGM optik modu, küre alanını yönünde uzamıştır belirten Δλ ≈ 01:09 bir mavi-shift yaşar. Küre içinde optik yol uzunluğu elektrik alanı yönünde (Şekil 4), normal ekvatoral düzlem üzerinde olduğuna dikkat edin. Şekilde WGM dalış için optik kalite faktörü ~ 5x10 5'tir.
Şekil 6a 200 V / m genliği ile 1 Hz harmonik elektrik alanı altında Küre I WGM kayması, Δλ gösterir. Küre çapı 700 mikron ve 1 PD / m Statik elektrik alanı 2 saat kutupludur edilir. Karşılık gelen kayma WGM vs elektrik alan genlik arsa Şekil 6b 'de gösterilmiştir. Küre Ben 1.7 hassasiyeti verir pm / (kV / m). Küre II ve III için sonuçlar Şekiller gösterilmektedir Sırasıyla, 7 ve 8,. Şekil 7, dış çapı, ~ 700 mikron ve Şekil 8, bunun üzerine kaplanmış PDMS tabanı 300 mikron silis çekirdek ve 150 um kalınlığında oluşan Küre III ile ölçüm göstermek ile küre II'nin sonuçları göstermektedir. Bu ölçümler olarak, Q-faktörlerden 5 ila x 10 Mayıs - 10 Haziran arasında değişiyordu. Küre morfolojisi ve ilişkili WGM diğer dış koşullara duyarlıdır. Böylece, her ölçüm WGM vardiya çevresel etkiler (sıcaklık, nem, vb gibi) ihmal edilebilir böylece, o zaman (~ 1 dk) kısa bir sürede tamamlanmıştır.
Şekil 1. Üç alan sensör konfigürasyonları şematik.
ig2.jpg "/>
Şekil 2. Birleştiğinde küre-konik lif Fotoğraf.
Şekil 3. Optoelektronik düzeneğinin.
Şekil 4 Şematik (a);. (B) deney düzeneği fotoğraf.
Şekil 5. Küre-çiftli fiber üzerinden İletim spektrumları.
keep-together.within-page = "always"> 
Şekil 6 harmonik alanında pertürbasyon altında Küre I WGM shift (a);.. WGM shift vs elektrik alan genliği (b) büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .
Şekil 7 harmonik alanında pertürbasyon altında Küre II WGM shift (a);.. WGM shift vs elektrik alan genliği (b) büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .
Güre 8 "fo: content-width =" 6in "fo: src =" / "src =" / files/ftp_upload/50199/50199fig8.jpg "/ files/ftp_upload/50199/50199fig8highres.jpg>
Şekil 8 harmonik alanında pertürbasyon altında Küre III WGM shift (a);.. WGM shift vs elektrik alan genliği (b) büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Küreler başlangıçta bir DC yüksek gerilim kaynağına elektrotlar bağlayarak kutupludur edilir. Poling süresinin sonunda, elektrot potansiyel DC gerilim kaynağı ile kesilmiş ve Şekil 4 içinde gösterildiği gibi bir fonksiyon jeneratörü bağlanır. Sonuçları pozitif ve negatif elektrik alanlar (poling yönüne göre) sırasıyla küre uzama ve sıkıştırma yol açtığını 8 gösterisi ile Şekil 5'te sunulmuştur. Tek katmanlı 60:1 PDMS olduğunu Küre Ben, 1.7 pm / (kV / m) bir elektrik alanı duyarlılığa sahiptir. Duyarlılık belirgin iyileşme çok tabakalı küreleri kullanılarak elde edilir. Küre II 2.5 pm / (kV / m) elektrik alan hassasiyet sağlar. Bununla birlikte çok daha yüksek bir duyarlılık Küre III (yumuşak, verim stres-sıvı dış tabaka dolayı ~ 0.2 pm / (V / m). Bir tutucu varsayımıyla asgari ölçülebilir WGM kayma δλ = λ / Q, tipik olduğu ile elde edilen WGM sensör çözünürlüğü olarak ifade edilebilir
Burada E o uygulanan elektrik alandır. Yukarıdaki denklemde verilen Sensör çözünürlüğü daha iyi sinyal işleme yöntemleri kullanılarak daha da geliştirilmiş olabilir. Örneğin, yeni bir çalışma 17'de tarif edilen sinyal işleme yöntemi ~ 12:13 arasında bir kayma tespit çözünürlüğü sağlar. Bizim çalışmalar için, bu sensör çözünürlüğü için yukarıdaki denklemde 10 7 arasında bir algılayıcı Q faktörüne sahip eşdeğerdir.
Bu sonuçlar WGM tabanlı mikro-optik sensörler gelecekteki gelişimi için teşvik ediyoruz. Belirli bir uygulama, bir bütün optik fiber-bazlı neurophotonic arabirimdir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Biz ifşa etmek başka bir şey var.
Acknowledgments
Bu araştırma Entegre Fotonik Mühendisliği Araştırma (cipher) proje yöneticisi olarak Dr J. Scott Rogers ile programda Merkezleri altında ABD Savunma Bakanlığı İleri Araştırma Projeleri Ajansı tarafından desteklenmektedir. Bu raporda yer alan bilgiler mutlaka pozisyon veya ABD Hükümeti ve resmi ciro politikası sonucuna varılamaz yansıtmamaktadır.
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).
