פיתוח של חיישני Whispering גלרית Mode פולימריים מייקר אופטי שדה חשמליים

Tindaro Ioppolo; Volkan Ötügen; Ulas Ayaz

doi:10.3791/50199

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

חיישן מייקרו רגישות גבוהה פוטוניים פותח לגילוי שדה חשמלי. החיישן מנצל את המצבים האופטיים של מרחב דיאלקטרי. שינויים בשדה החשמלי החיצוני מטריד את מורפולוגיה הכדור שהובילה לשינויים במצבים האופטיים שלה. עוצמת השדה החשמלית שנמדדה על ידי ניטור אופטיים המשמרות האלה.

Abstract

מצבים אופטיים של מייקרו חללים דיאלקטרי זכו לתשומת לב משמעותית בשנים האחרונות לפוטנציאל שלהם במגוון רחב של יישומים. המצבים האופטיים לעתים קרובות מכונים "לוחש מצבי גלריה" (WGM) או "תהודות תלויות מורפולוגיה" (MDR) ומפגינים גורמי איכות אופטיות גבוהים. החלק מהיישומים מוצעים של תהודה האופטית מייקרו החלל נמצאים ^ב1 ספקטרוסקופיה, טכנולוגיית מייקרו חריר ליזר ^{2, 3-6} תקשורת האופטית, כמו גם טכנולוגיית חיישן. היישומים מבוססי חיישני WGM כוללים את אלה ^ב7 ביולוגיה, גילוי גז עקבות ^8, וזיהוי טומאה ^ב9 נוזלים. חיישנים מכאניים המבוססים על תהודת microsphere גם הוצעו, כוללים אלה של כוח ^10,11, לחץ ^12, תאוצה ¹³ ולחץ קיר גזירת ^14. בהווה, אנחנו מדגימים את חיישן WGM מבוסס שדה חשמלי, אשר מבוסס על Studi הקודם שלנוes ^15,16. יישום מועמד של חיישן זה הוא בזיהוי של פוטנציאל פעולה עצבי.

חיישן השדה החשמלי המבוסס על דיאלקטרי microspheres פולימרים רבים שכבתי. השדה החשמלי החיצוני גורם לכוחות הגוף ושטח בתחומים (השפעת electrostriction) שמובילים לעיוות אלסטי. שינוי זה במורפולוגיה של הספירות, מוביל לשינויים בWGM. משמרות WGM השדה החשמלי מושרות חקירה על ידי מרגשים המצבים האופטיים של התחומים על ידי אור ליזר. אור ממשוב שיחולק (DFB) ליזר (אורך גל נומינלי של 1.3 ~ מיקרומטר) הוא צד מצמיד לmicrospheres באמצעות סעיף מחודד של סיב אופטי במצב יחיד. חומר הבסיס של הספירות הוא polydimethylsiloxane (PDMS). שלוש גיאומטריות microsphere משמשות: (1) תחום PDMS עם יחס נפח של 60:1 לבסיס ריפוי תערובת סוכן, (2) כדור רב שכבתי עם 60:1 PDMS ליבה, במטרה להגדיל את דיאלקטרי הקבוע של התחום דואר, שכבה אמצעית של 60:1 PDMS שמעורבב עם כמויות משתנות (2% עד 10% בנפח) של titanate בריום ושכבה חיצונית של 60:1 PDMS ו( 3) כדור סיליקה מוצק מצופה בשכבה דקה בסיס של PDMS דפוק. בכל סוג של חיישן ליזר, אור מהסיב המחודד מצמיד אל השכבה החיצונית המספקת איכות גורם WGM האופטי גבוהה (ש ~ 10 ^6). הם כיוונו את microspheres במשך כמה שעות בשדות חשמליים של MV ~ 1 / מ 'כדי להגדיל את רגישותם לשדה חשמלי.

Protocol

1. הכנת PDMS microsphere (כדור ש)

בסיס polydimethylsiloxane (PDMS) וסוכן הריפוי מעורבב עם יחס נפח של 60:1.
גדיל של סיבים אופטיים סיליקה, באורך 2 סנטימטר, המנוער הראשון של חיפוי הפלסטיק שלה באמצעות חשפנית אופטית.
קצה אחד של הסיב מחומם ונמתח כדי לספק קצה גבעול שהוא ~ 25-50 מיקרומטר בקוטר בקצה.
הסוף המתוח של הסיבים הוא שקוע לתוך תערובת PDMS על ידי אורך של כ 2-4 מ"מ ולאחר מכן הוא שלף.
מתח פנים ומשקל של תערובת PDMS לאפשר היווצרות של כדור בקצה סיב סיליקה. הגודל של הכדור הוא נשלט על ידי טבילת האורך ומהירות חילוץ. על ידי שינוי שני הפרמטרים הללו, קטרי כדור בטווח 100 מיקרומטר - 1000 מיקרומטר ניתן להשיג.
אז הרכבת microsphere / גזע ממוקמת בתנור ב ~ 90 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות כדי לאפשר ריפוי תקין של פוליחומרי mer (ליצור שרשרות צולבות). האיור 1 א הם סכמטי של הכדור ראשון

2. הכנת PDMS מבוסס טריפל Layer כדור (כדור השני)

Microsphere PDMS 60:1 משמש ליבה הפנימית. באותם שלבים המתוארים ב1) לעיל הם בעקבות לתהליך הזה.
תערובת של titanate בריום ₍₃ BaTiO) ננו חלקיקים ו60:1 PDMS משמש כשכבה אמצעית. תערובת PDMS, שהוכנה באותה הדרך שתוארה ב1.1) לעיל, הוא מעורבב עם titanate בריום חלקיקי ננו.
ליבת microsphere PDMS המתוארת ב2.1) לאחר מכן טבלה את תערובת PDMS titanate-הבריום למעיילו (בעובי נומינלי שכבה ~ 10 מיקרומטר).
בשלב בא, המרחב דו שכבתי ממוקם בתנור ב ~ 90 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות כדי לאפשר ריפוי תקין של השכבה השנייה.
ברגע שכדור 2 השכבה הוא נרפא, הוא שקוע שוב בתערובת של 60:1 PDMS לספק ציפוי חיצוני (שכבה 3). זה חיצונישכבה משמשת כמדריך אופטי כדורי (~ 10 עובי מיקרומטר). האיור 1b הוא סכמטי של כדור השני.

3. סיליקה / הכנת microsphere PDMS (כדור שלישי)

~ 3 סנטימטר קטע ארוך של סיבים אופטיים בודדים מצב סיליקה הוא הפשט הראשון של חיצה (פלסטיק) ציפוי ולאחר מכן קצו הוא נמס באמצעות מייקרו לפיד (יחד עם החיפוי וליבה). מתח פנים וכוח הכביד פועלים יחד כדי לעצב את הקצה המומס לכדור. כדורים בקטרים הנעים 200-500 מיקרומטר ניתן להשיג עם תהליך זה.
אז microsphere סיליקה הוא שקוע באמבט של PDMS בסיס (ללא סוכן הריפוי) כדי לכסות אותו עם מעייל של ~ 50 מיקרומטר. שכבה חיצונית זו נשארת כמו נוזל צמיג מאוד בינגהאם (תשואת לחץ). האיור 1c הוא סכמטי של כדור שלישי.

4. הכנת סיב אופטית

קטע של סיב אופטי במצב יחיד הוא פשט של CLA הפלסטיק שלהdding באמצעות חשפנית אופטית. שימוש בסעיף פסי מייקר לפיד של הסיבים הוא מחומם עד שהוא מותך (שניהם החיפוי וסיבי ליבה).
בעוד שהחלק האמצעי הוא מותך, קצה אחד של הסיב האופטי הוא משך לאורך הציר עד יוצר סעיף מחודד של הסיב שאורכו כ 1 סנטימטר. משך החימום, מהירות והמרחק מושך לקבוע את קוטרו של סעיף הקונים הנע בין 10 ל 20 מיקרומטר. האור מליזר DFB מצמיד אל הזירה דרך הסעיף המחודד של הסיב. תרשים 2 מציג את צימוד תחום הסיבים.

5. אופטו התקנה

הפלט של ליזר DFB מתכונן מצמיד לסיב אופטי במצב יחיד בקצה אחד והסתיים בphotodiode מהיר בצד השני, כפי שמוצג באיור 3.
הפלט הוא photodiode דיגיטציה באמצעות ממיר אנלוגי לדיגיטלי (A / D) ומאוחסן במחשב אישי (PC).
שימוש שלב תרגום המייקר microsphere (סוג I, II או III) הוא הביא במגע עם החלק המחודד של הסיב האופטי (איורים 2 ו 3) לספק צימוד אופטי בין שני אלמנטים.
ליזר DFB מכוון על ידי בקר ליזר. בקר הליזר, בתורו הוא מונע על ידי גנרטור פונקציה המספק מתח קלט משונן.

6. דור שדה חשמלי

שתי צלחות נחושת מרובעות (2 2 סנטימטר) בעובי של 1 מ"מ משמשות ליצירת שדה החשמלי האחיד. הצלחות מחוברות לאספקת מתח ואת חיישני הכדור מונחים בפער בין שתי צלחות (איור 4).
על מנת להגביר את רגישות המדידה, הם כיוונו את התחומים ראשונים בשדה חשמלי של 1 MV / מ 'ל2 שעות.