回音壁模式聚合物微光学电场传感器的发展

摘要

光子微传感器的高灵敏度的开发用于电场检测。该传感器利用介质球的光学模式。在外部电场扰动球体形态，导致在其光学模式的变化的变化。的电场强度的测定通过监测这些光的变化。

摘要

已收到显着的电介体的微腔的光学模式的关注，近年来其潜在的在广泛的应用范围。的光学模式经常被称为“窃窃私语画廊模式”（WGM），或“形态依赖共振”（MDR）的，并表现出高的光学质量因素。微腔的光学谐振器的一些建议应用在光谱学，微腔激光器技术，光通信^3-6以及传感器技术。在WGM基于传感器应用，包括那些在生物学^7，痕量气体检测^8，和在液体中的杂质检测^9。也有人提出了基于微谐振器的机械传感器，包括力^{10，11，12，}加速¹³压力和壁面切应力^14。在目前，我们展示了一个WGM-电场传感器，它建立我们以前STUDI上ES ^15,16。该传感器中的应用的候选中的神经动作电位的检测。

电场传感器是基于聚合物多层介电性微球上。外部电场诱导导致弹性变形的球体（电致伸缩效应）的表面和身体势力。形态的球体中的这种变化，导致在WGM转变。电场诱导WGM位移审问激励球体通过激光光的光学模式。光从分布反馈（DFB）激光（标称波长为〜1.3μm）是侧耦合到微球使用的锥形的第一个单模光纤。球体的基体材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS）。三个微球几何形状的使用：（1）PDMS球面与基站至固化剂混合物的体积比为60:1，（2）与60:1的PDMS核心多层球体，在为了提高介电常数的第Ê球体为60:1 PDMS，一个中间层是混合不同量（2％至10％（体积）），钛酸钡和外层为60:1 PDMS和（3）涂覆有一层薄薄的固体二氧化硅球体未固化的PDMS基地。在每一种类型的传感器，激光从锥形光纤的光耦合到提供高光学品质因数WGM（Q〜10 ^6）的最外层。这种微球体极化几个小时在〜1 MV /米的电场的电场，以提高其敏感性。

研究方案

1。 PDMS微球的制备（球我）

1. 聚二甲基硅氧烷（PDMS）的基料和固化剂混合，用体积比为60:1。
2. 石英光纤，长2厘米左右的一缕，第一次剥离的塑料包层，使用光学脱衣舞。
3. 一个端部的纤维被加热和拉伸，提供一种是〜25-50微米的尖端处的直径的杆端。
4. 的拉伸的纤维被一端浸入的PDMS混合物由约2-4毫米的长度，然后被拉出。
5. 的PDMS混合物的表面张力和重允许的二氧化硅纤维的尖端处形成一个球体。球体的大小被控制的浸渍长度和提取速度。可以得到100微米 - 1000微米的范围内，通过改变这两个参数，球体直径。
6. 然后，微球/阀杆组件置于烘箱中，在〜90℃下进行4小时，以允许适当的固化的聚聚体材料（以形成交联链）： 图1a是一个示意图球面I.

2。 PDMS为基础的三层球的制备（球体II）

1. 甲60:1的PDMS微球用作内芯。描述的相同的步骤，上述1）中之后是为这一进程。
2. 将钛酸钡（BaTiO _3的 ）纳米颗粒和60:1的PDMS作为中间层使用。在1.1中描述的相同的方式）以上，制备的聚二甲基硅氧烷的混合物，混合用的钛酸钡纳米粒子。
3. PDMS微球芯在2.1中描述的），然后浸入涂层（与层的标称厚度为约10μm）的PDMS的钛酸钡的混合物。
4. 接着，这两个层的球体放置在烘箱中，在〜90℃4小时，所述第二层，以允许适当的固化。
5. 一旦这两个层球体被固化，它再次浸入为60:1 PDMS的混合物中，提供一种外涂层（第三层）。这最外层的层作为球形光导（〜10微米厚）， 图1b是第二项球的概略。

3。二氧化硅/的PDMS微球的制备（球III）

1. A〜3厘米长的部分的石英单模光纤首先剥离其缓冲（塑料）涂层，并使用微火炬（连同包层和芯），然后它的端部被熔化。表面张力和重力共同努力，塑造融化的冰山成一个球体。球的直径范围从200至500微米，可以得到与此过程。
2. 然后被浸入的浴中的PDMS碱（没有的固化剂的情况下）的二氧化硅微球以覆盖它与〜50微米的涂层。该外层保持作为一个高度粘性宾厄姆（屈服应力）流体。 图1c是Sphere的III的示意性。

4。光学纤维的制备

1. 剥去其塑料的共轭亚油酸的单模光纤的一段附加值的使用光学的汽提塔。使用一个微火炬的条纹部分的纤维被加热直到它是熔融（包层和纤维芯）。
2. 虽然中间部分熔化时，拉出的光纤的一端沿其轴线的约1厘米长的纤维，形成一个锥形部分。加热的持续时间，拉伸速度和距离确定的锥形部，其在10和20微米之间的范围内的直径。从DFB激光的光被耦合到通过锥形部分的纤维。球体， 图2示出了球体的光纤耦合。

5。光电设置

1. 的可调谐DFB激光器的输出被耦合到一个单模式光纤的一端上，并终止在一个快的光电二极管的另一端上，如在图3中所示的。
2. 的光电二极管的输出是数字化的，使用一个模拟到数字转换器（A / D），并存储在一个个人计算机（PC）中。
3. 使用一个微翻译阶段的微球（类型I，II或III）抵接，与所述光纤的锥形部分（ 图2和图3），以提供两个元件之间的光耦合。
4. DFB激光通过激光控制器被调谐。反过来的激光控制器，驱动由一个函数发生器，它提供了一个锯齿波电压输入。

6。电场形成

1. 两个方形黄铜与厚度为1mm的板（2×2厘米）被用于产生均匀电场。该板连接到一个电压源，并在两个板之间的间隙（ 图4）被放置在球体传感器。
2. 为了提高测定灵敏度，第一极化球体在电场中的1 MV /米2小时。

结果

被激发的激光的波长的整数倍时的激光行进的光的光路长度是一种光模式（WGM）球体。对于在图3中所示的布置中，光路长度是2πrn，其中 n 和 r分别是球体的折射率和半径。使用几何光学近似，一个WGM条件被满足时，2πrn=Lλ其中升是一个整数，λ是激光的波长。由于DFB激光被调谐横跨一个小的波长范围内，在介电球的光学模式（WGM）被看到那样?...

讨论

球体初始极化电极通过连接到一个DC高电压电源。极化持续时间结束时，从直流电压电源断开连接的电极引线和连接到一个函数发生器，如在图4中表示。在图5至图8示出了正和负的电场（相对方向极化）导致球体的伸长和压缩，分别给出的结果。球体I，这是一个单一的层60:1 PDMS具有灵敏度1.7分/（千伏/米）的电场。显着改善的灵敏度得到通过使用多层领域。?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
	公司	目录编号	评论（可选）
PDMS	道康宁	SYLGARD 184
石英光纤	光纤仪器销售	E-37AP15-FIS
纳米钛酸钡（ 钛酸钡）	Sigma Aldrich公司	467634-100G
激光控制器	ILX的	LDC-3724B
DFB激光器	杰尔	杰尔系统2300	中心波长1.310微米
光电二极管	Thorlabs公司	PDA10CS
A / D卡	美国国家仪器公司	PXI 6115