מחקר זה מומן על ידי סוכנות ההגנה האמריקנית לפרויקטי מחקר המתקדם תחת מרכזים בחקר הנדסה משולבת פוטוניקס (צופן) תכנית עם ד&quot;ר ג&#39;יי סקוט רוג&#39;רס כמנהל פרויקט. המידע הכלול בדוח זה אינו משקף בהכרח את העמדה או המדיניות של ממשלת ארה&quot;ב ואין אישור רשמי צריכה להיות מוסקת.

1. הכנת PDMS microsphere (כדור ש) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בסיס polydimethylsiloxane (PDMS) וסוכן הריפוי מעורבב עם יחס נפח של 60:1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גדיל של סיבים אופטיים סיליקה, באורך 2 סנטימטר, המנוער הראשון של חיפוי הפלסטיק שלה באמצעות חשפנית אופטית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קצה אחד של הסיב מחומם ונמתח כדי לספק קצה גבעול שהוא ~ 25-50 מיקרומטר בקוטר בקצה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסוף המתוח של הסיבים הוא שקוע לתוך תערובת PDMS על ידי אורך של כ 2-4 מ&quot;מ ולאחר מכן הוא שלף. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 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. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 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 </li></ol> 2. הכנת PDMS מבוסס טריפל Layer כדור (כדור השני) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Microsphere PDMS 60:1 משמש ליבה הפנימית. באותם שלבים המתוארים ב1) לעיל הם בעקבות לתהליך הזה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 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. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליבת microsphere PDMS המתוארת ב2.1) לאחר מכן טבלה את תערובת PDMS titanate-הבריום למעיילו (בעובי נומינלי שכבה ~ 10 מיקרומטר). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בשלב בא, המרחב דו שכבתי ממוקם בתנור ב ~ 90 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות כדי לאפשר ריפוי תקין של השכבה השנייה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 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. </li></ol> 3. סיליקה / הכנת microsphere PDMS (כדור שלישי) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ~ 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. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 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. </li></ol> 4. הכנת סיב אופטית <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 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). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 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. </li></ol> 5. אופטו התקנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפלט של ליזר DFB מתכונן מצמיד לסיב אופטי במצב יחיד בקצה אחד והסתיים בphotodiode מהיר בצד השני, כפי שמוצג באיור 3. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפלט הוא photodiode דיגיטציה באמצעות ממיר אנלוגי לדיגיטלי (A / D) ומאוחסן במחשב אישי (PC). </li><li&gt; 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. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליזר DFB מכוון על ידי בקר ליזר. בקר הליזר, בתורו הוא מונע על ידי גנרטור פונקציה המספק מתח קלט משונן. </li></ol> 6. דור שדה חשמלי <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שתי צלחות נחושת מרובעות (2 2 סנטימטר) בעובי של 1 מ&quot;מ משמשות ליצירת שדה החשמלי האחיד. הצלחות מחוברות לאספקת מתח ואת חיישני הכדור מונחים בפער בין שתי צלחות (איור 4). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> על מנת להגביר את רגישות המדידה, הם כיוונו את התחומים ראשונים בשדה חשמלי של 1 MV / מ &#39;ל2 שעות. </li></ol>

<ol>
	<li>von Klitzing, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tunable+whispering+gallery+modes+for+spectroscopy+and+CQED+experiments.">Tunable whispering gallery modes for spectroscopy and CQED experiments.</a> New journal of physics. 3, 14.1-14.14 (2001).</li><li>Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J., Sercel, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber-coupled+microsphere+laser.">Fiber-coupled microsphere laser.</a> Optics letters. 25 (19), 1430-1432 (2000).</li><li>Tapalian, H. C., Laine, J. P., Lane, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermooptical+switches+using+coated+microsphere+resonators.">Thermooptical switches using coated microsphere resonators.</a> IEEE photonics technology letters. 14 (8), 1118-1120 (2002).</li><li>Little, B. E., Chu, S. T., Haus, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microring+resonator+channel+dropping+filters.">Microring resonator channel dropping filters.</a> Journal of lightwave technology. 15, 998-1000 (1997).</li><li>Offrein, B. J., Germann, R., Horst, F., Salemink, H. W. M., Beyerl, R., Bona, G. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resonant+coupler-based+tunable+add-after-drop+filter+in+silicon-oxynitride+technology+for+WDM+networks.">Resonant coupler-based tunable add-after-drop filter in silicon-oxynitride technology for WDM networks.</a> IEEE journal of selected topics in quantum electronics. 5, 1400-1406 (1999).</li><li>Ilchenko, V. S., Volikov, P. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strain+tunable+high-Q+optical+microsphere+resonator.">Strain tunable high-Q optical microsphere resonator.</a> Optics communications. 145, 86-90 (1998).</li><li>Arnold, S., Khoshsima, M., Teraoka, I., Holler, S., Vollmer, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shift+of+whispering-gallery+modes+in+microspheres+by+protein+adsorption.">Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption.</a> Optics. 28 (4), 272-274 (2003).</li><li>Rosenberger, A. T., Rezac, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whispering-gallery+mode+evanescent-wave+microsensor+for+trace-gas+detection.">Whispering-gallery mode evanescent-wave microsensor for trace-gas detection.</a> Proceedings of SPIE. 4265, 102-112 (2001).</li><li>Ioppolo, T., Das, N., &#214;t&#252;gen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whispering+gallery+modes+of+microspheres+in+the+presence+of+a+changing+surrounding+medium:+A+new+ray-tracing+analysis+and+sensor+experiment.">Whispering gallery modes of microspheres in the presence of a changing surrounding medium: A new ray-tracing analysis and sensor experiment.</a> Journal of applied physics. 107, 103105 (2010).</li><li>Ioppolo, T., Ayaz, U. K., &#214;t&#252;gen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+force+sensor+based+on+morphology+dependent+optical+resonances+of+polymeric+spheres.">High-resolution force sensor based on morphology dependent optical resonances of polymeric spheres.</a> Journal of applied physics. 105 (1), 013535 (2009).</li><li>Ioppolo, T., Kozhevnikov, M., Stepaniuk, V., &#214;t&#252;gen, M. V., Sheverev, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-optical+force+sensor+concept+based+on+whispering+gallery+mode+resonances.">Micro-optical force sensor concept based on whispering gallery mode resonances.</a> Applied optics. 47 (16), 3009-3014 (2008).</li><li>Ioppolo, T., &#214;t&#252;gen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pressure+tuning+of+whispering+gallery+mode+resonators.">Pressure tuning of whispering gallery mode resonators.</a> Journal of optical society of America B. 24 (10), 2721-2726 (2007).</li><li>Ioppolo, T., &#214;t&#252;gen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+acceleration+on+the+morphology+dependent+optical+resonances+of+spherical+resonators.">Effect of acceleration on the morphology dependent optical resonances of spherical resonators.</a> Journal of optical society of America B. 28, 225-227 (2011).</li><li>Ayaz, U. K., Ioppolo, T., &#214;t&#252;gen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wall+shear+stress+sensor+based+on+the+optical+resonances+of+dielectric+microspheres.">Wall shear stress sensor based on the optical resonances of dielectric microspheres.</a> Measurement science and technology. 22, 075203 (2011).</li><li>Ioppolo, T., Ayaz, U. K., &#214;t&#252;gen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tuning+of+whispering+gallery+modes+of+spherical+resonators+using+an+external+electric+field.">Tuning of whispering gallery modes of spherical resonators using an external electric field.</a> Optics express. 17 (19), 16465-16479 (2009).</li><li>Ioppolo, T., Stubblefield, J., &#214;t&#252;gen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electric+field-induced+deformation+of+polydimethylsiloxane+polymers.">Electric field-induced deformation of polydimethylsiloxane polymers.</a> Journal of applied physics. 112, 044906 (2012).</li><li>Manzo, M., Ioppolo, T., Ayaz, U. K., LaPenna, V., &#214;t&#252;gen, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+photonic+wall+pressure+sensor+for+fluid+mechanics+applications.">A photonic wall pressure sensor for fluid mechanics applications.</a> Review of scientific instrumentation. 83, 105003 (2012).</li></ol>

אין לנו מה למסור.

התחומים לראשונה דרכו על ידי חיבור אלקטרודות לאספקת מתח גבוהה DC. בסוף תקופת poling, המוביל אלקטרודה מנותק מאספקת מתח DC ומחובר לגנרטור פונקציה כמצוין באיור 4. התוצאות מוצגות באיורים 5 עד 8 ​​תכנית ששדות חשמליים חיוביים ושליליים (ביחס לכיוון של השטה) יובילו להתארכות כדור ודחיסה, בהתאמה. אני כדור, שהוא שכבה אחת 60:1 PDMS יש רגישות שדה חשמלית של 1.7 PM / (kV / מ &#39;). שיפור משמעותי ברגישות מתקבל על ידי שימוש בתחומים רבים שכבתיים. תחום השני מספק רגישות שדה חשמלית של 2.5 PM / (kV / מ &#39;). עם זאת, הרבה יותר רגיש מתקבל עם כדור שלישי (~ 12:02 / (V / מ &#39;) בשל שכבה הרכה, תשואת לחץ הנוזל החיצונית. עם הנחה שמרנית שמשמרת WGM מדידה המינימאלית היא δλ = λ / ש, אופיינית WGרזולוצית חיישן M יכול לבוא לידי ביטוי כמו <img alt="איור 2" fo:src="/files/ftp_upload/50199/50199eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50199/50199eq1.jpg" /> כאשר E o היא השדה החשמלי מיושם. רזולוצית חיישן הנתונה במשוואה לעיל ניתן לשפר עוד יותר על ידי שימוש בשיטות עיבוד אותות טובות יותר. לדוגמה, שיטת עיבוד האותות שתוארה במחקר שלנו האחרון 17 מספקת רזולוצית זיהוי משמרת של ~ 12:13. למחקרים שלנו, זה שווה ערך לכך שחיישן ש-פקטור של 10 7 במשוואה מעל לרזולוצית חיישן. תוצאות אלו מעודדות לפיתוח עתידי של חיישנים WGM מבוססי מייקרו אופטי. יישום מסוים הוא ממשק כל אופטי, מבוסס סיבים neurophotonic.

<table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td></td><td> חברה </td><td> מספר קטלוגים </td><td> תגובות (אופציונלי) </td></tr><tr><td> PDMS </td><td> Dow Corning </td><td> Sylgard 184 </td><td></td></tr><tr><td> סיבי סיליקה </td><td> מכירות כלי סיבים </td><td> דואר 37AP15-FIS </td><td></td></tr><tr><td> Titanate הבריום (3 BaTiO) חלקיקים </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> 467634-100G </td><td></td></tr><tr><td> ליזר בקר </td><td> ILX Lightwave </td><td> LDC-3724B </td><td></td></tr><tr><td> DFB ליזר </td><td> Agere </td><td> Agere 2300 </td><td> 1.310 אורך גל מרכזי מיקרומטר </td></tr><tr><td> Photodiode </td><td> Thorlabs </td><td> PDA10CS </td><td></td></tr><tr><td> כרטיס / D </td><td> מכשירים הלאומיים </td><td> PXI 6115 </td><td></td>
 </tr>
 </tbody>
</table>

development of whispering gallery mode polymeric micro-optical electric field sensors

מצבים אופטיים של מייקרו חללים דיאלקטרי זכו לתשומת לב משמעותית בשנים האחרונות לפוטנציאל שלהם במגוון רחב של יישומים. המצבים האופטיים לעתים קרובות מכונים &quot;לוחש מצבי גלריה&quot; (WGM) או &quot;תהודות תלויות מורפולוגיה&quot; (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 &#39;כדי להגדיל את רגישותם לשדה חשמלי.

מצב אופטי (WGM) של המרחב מתלהב מאור הליזר, כאשר אורך הנתיב אופטי נסע באור הוא מספר מרובה של הליזר באורך הגל. להסדר שמוצג באיור 3, אורך הנתיב האופטי הוא 2πrn, כאשר n ו R הוא מקדם שבירה ורדיוס הכדור, בהתאמה. באמצעות קירוב האופטיקה גיאומטרי, מצב WGM הוא מרוצה כאשר 2πrn = lλ בי l הוא מספר שלם וλ הוא אורך הגל של הליזר. כליזר DFB מכוון על פני מגוון אורכי גל קטן, המצבים האופטיים של כדור דיאלקטרי (WGM) נתפס כחדה מטבלים בספקטרום באמצעות הסיב האופטי. כאשר הכדור עובר עיוות אלסטי בשל השדה החשמלי החיצוני, את עמדתו של טבילה במשמרות ספקטרום השידור. איור 5 מראה ספקטרום שידור טיפוסי ומשמרת WGM בשל שדה חשמלי חיצוני לתחום 60:1 PDMS בקוטר 900 מיקרומטר. כאשר השדה החשמלי של 50 kV / m מופעל, מצב WGM האופטי, נראה כטבילה בספקטרום השידור, חווה שינוי הכחול של Δλ ≈ 13:09 המציין כי הכדור מוארך לאורך כיוון השדה. שים לב שאורך הנתיב האופטי בתוך הכדור הוא על המטוס הרגיל לכיוון השדה החשמלי (איור 4) המשווני. גורם האיכות האופטית לטבילת WGM בדמות הוא ~ 5x10 5. האיור 6 א מציג את שינוי WGM, Δλ, מכדור שתחת שדה חשמלי הרמוני 1 הרץ עם משרעת של 200 V / m. קוטר הכדור הוא 700 מיקרומטר והוא כיוון את ל2 שעות בשדה חשמלי סטטי של 1 MV / מ &#39;. העלילה המקבילה WGM השינוי לעומת השדה החשמלי האמפליטודה שמוצגת באיור 6 ב. תחום שמניב רגישות של 1.7 PM / (kV / מ &#39;). את התוצאות לכדור השני ושלישי הם מוצגים באיורים<html> 7 ו 8, בהתאמה. איור 7 מציגים את התוצאות של כדור השני עם קוטר חיצוני ~ 700 מיקרומטר ואיור 8 מציגים את המדידה עם כדור שלישי שהיו מורכב מליבת 300 מיקרומטר סיליקה ועובי מיקרומטר 150 מתוך בסיס PDMS מצופה על זה. במדידות אלה, Q-הגורמים נעים בין 5 X 10 מאי - 10 יוני. מורפולוגיה התחום וWGM המשויך רגישות לתנאים חיצוניים אחרים. לכן, כל מדידה תושלם בפרק זמן קצר (דקות ~ 1), כך שההשפעות הסביבתיות (כגון טמפרטורה, לחות וכו &#39;) במשמרות WGM הן זניחות. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/50199/50199fig1.jpg" /> איור 1. סכמטי של השלוש תצורות חיישן הכדור. <html> ig2.jpg &quot;/&gt; איור 2. תצלום של סיבי תחום-מחודדים בשילוב. <img alt="איור 3" fo:content-width="4in" fo:src="/files/ftp_upload/50199/50199fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50199/50199fig3.jpg" /> איור 3. סכמטי של התקנת אופטו. <img alt="איור 4" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50199/50199fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50199/50199fig4.jpg" /> איור 4 סכמטי (א);. תצלום (ב) להתקנה הניסיונית. <img alt="איור 5" fo:content-width="3in" fo:src="/files/ftp_upload/50199/50199fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50199/50199fig5.jpg" /> איור 5. ספקטרום שידור דרך סיב תחום המצמידים. <html> לשמור-together.within עמודים = &quot;תמיד&quot;&gt; <img alt="איור 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50199/50199fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50199/50199fig6.jpg" /> איור 6 שינוי WGM של כדור שתחת הפרעת תחום הרמונית ();.. WGM שינוי לעומת שדה החשמלי משרעת (ב) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50199/50199fig6large.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.</a> <img alt="איור 7" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50199/50199fig7highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50199/50199fig7.jpg" /> איור 7 משמרת WGM של כדור השני תחת הפרעת תחום הרמונית ();.. WGM שינוי לעומת שדה החשמלי משרעת (ב) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50199/50199fig7large.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.</a> gure 8 &quot;fo: תוכן רוחב =&quot; 6in &quot;fo: src =&quot; / files/ftp_upload/50199/50199fig8highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50199/50199fig8.jpg &quot;/&gt; איור 8 משמרת WGM של כדור שלישי בתחום הפרעות הרמוניות ();.. WGM שינוי לעומת שדה החשמלי משרעת (ב) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50199/50199fig8large.jpg" target="_blank">לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors at JoVE.com

Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

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.

פיתוח של חיישני Whispering גלרית Mode פולימריים מייקר אופטי שדה חשמליים

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

development-whispering-gallery-mode-polymeric-micro-optical-electric

Google

Research

JoVE Journal

Engineering

13.0K Views.  Southern Methodist University. 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.

Video: Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various areas of technology and applied science, such as aerospace and communication engineering, sensing, metrology, nonlinear photonics, and quantum optics. In this article, we present the principal techniques used in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators. First detailed in this article is the protocol for resonator polishing, which is based on a grind-and-polish technique close to the ones used to polish optical components such as lenses or telescope mirrors. Then, a white light interferometric profilometer measures surface roughness, which is a key parameter to characterize the quality of the polishing. In order to launch light in the resonator, a tapered silica fiber with diameter in the micrometer range is used. To reach such small diameters, we adopt the "flame-brushing" technique, using simultaneously computer-controlled motors to pull the fiber apart, and a blowtorch to heat the fiber area to be tapered. The resonator and the tapered fiber are later approached to one another to visualize the resonance signal of the whispering gallery modes using a wavelength-scanning laser. By increasing the optical power in the resonator, nonlinear phenomena are triggered until the formation of a Kerr optical frequency comb is observed with a spectrum made of equidistant spectral lines. These Kerr comb spectra have exceptional characteristics that are suitable for several applications in science and technology. We consider the application related to ultra-stable microwave frequency synthesis and demonstrate the generation of a Kerr comb with GHz intermodal frequency.

The customized techniques developed in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators are presented. The protocols to obtain and characterize these resonators are detailed, and an explanation of some of their applications in microwave photonics is given.

מיקרוגל Photonics מערכות המבוססות על מהודי לחישות-גלריה של מצב

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input bias voltage. However, the tradeoff for the improved switching performance is a relatively long settling time to reach each gap height in response to various applied voltages. Transient applied bias waveforms are employed to facilitate reduced switching times for electrostatic fringing-field MEMS actuators with high mechanical quality factors. Removing the underlying substrate of the fringing-field actuator creates the low mechanical damping environment necessary to effectively test the concept. The removal of the underlying substrate also a has substantial improvement on the reliability performance of the device in regards to failure due to stiction. Although DC-dynamic biasing is useful in improving settling time, the required slew rates for typical MEMS devices may place aggressive requirements on the charge pumps for fully-integrated on-chip designs. Additionally, there may be challenges integrating the substrate removal step into the back-end-of-line commercial CMOS processing steps. Experimental validation of fabricated actuators demonstrates an improvement of 50x in switching time when compared to conventional step biasing results. Compared to theoretical calculations, the experimental results are in good agreement.

The robust device design of fringing-field electrostatic MEMS actuators results in inherently low squeeze-film damping conditions and long settling times when performing switching operations using conventional step biasing. Real-time switching time improvement with DC-dynamic waveforms reduces the settling time of fringing-field MEMS actuators when transitioning between up-to-down and down-to-up states.

Real-Time DC-דינמית הטיית שיטה להחלפת זמן שיפור בשולים בשדה קשות Underdamped תנעי MEMS אלקטרוסטטית

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Characterization of Anisotropic Leaky Mode Modulators for Holovideo

Holovideo displays are based on light-bending spatial light modulators. One such spatial light modulator is the anisotropic leaky mode modulator. This modulator is particularly well suited for holographic video experimentation as it is relatively simple and inexpensive to fabricate1-3. Some additional advantages of leaky mode devices include: large aggregate bandwidth, polarization separation of signal light from noise, large angular deflection and frequency control of color1. In order to realize these advantages, it is necessary to be able to adequately characterize these devices as their operation is strongly dependent on waveguide and transducer parameters4. To characterize the modulators, the authors use a commercial prism coupler as well as a custom characterization apparatus to identify guided modes, calculate waveguide thickness and finally to map the device's frequency input and angular output of leaky mode modulators. This work gives a detailed description of the measurement and characterization of leaky mode modulators suitable for full-color holographic video.

This work describes fabrication and characterization of anisotropic leaky mode modulators for holographic video.

אפיון אניזוטרופי הרותחת מצב מאפננים עבור Holovideo

Holovideo displays are based on light-bending spatial light modulators.  One such spatial light modulator is the anisotropic leaky mode modulator.  This ...

Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres can be thought as a store of energy with a huge variety of applications: compact laser sources, highly sensitive biochemical sensors and nonlinear phenomena. A protocol for the fabrication of both the microspheres and coupling system is given. The couplers described here are tapered fibers. Efficient generation of nonlinear phenomena related to third order optical non-linear susceptibility &#935;(3) interactions in triply resonant silica microspheres is presented in this paper. The interactions here reported are: Stimulated Raman Scattering (SRS), and four wave mixing processes comprising Stimulated Anti-stokes Raman Scattering (SARS). A proof of the cavity-enhanced phenomenon is given by the lack of correlation among the pump, signal and idler: a resonant mode has to exist in order to obtain the pair of signal and idler. In the case of hyperparametric oscillations (four wave mixing and stimulated anti-stokes Raman scattering), the modes must fulfill the energy and momentum conservation and, last but not least, have a good spatial overlap.

Efficient generation of nonlinear phenomena related to third order optical non-linear susceptibility &#935;(3) interactions in triply resonant silica microspheres is presented in this paper. The interactions here reported are: Stimulated Raman Scattering (SRS), and four wave mixing processes comprising Stimulated Anti-stokes Raman Scattering (SARS).

המאולץ סטוקס Antistokes פיזור ראמאן ב Microspherical Whispering גלרית מצב מההודים

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists chiefly of velocity and temperature readings, both ideally having high spatial and temporal resolution to facilitate rigorous code validation. While high resolution velocity data is readily obtained through optical measurement techniques such as particle image velocimetry, it has proven difficult to obtain temperature data with similar resolution. Traditional sensors such as thermocouples cannot fill this role, but the recent development of distributed sensing based on Rayleigh scattering and swept-wave interferometry offers resolution suitable for CFD code validation work. Thousands of temperature measurements can be generated along a single thin optical fiber at hundreds of Hertz. Sensors function over large temperature ranges and within opaque fluids where optical techniques are unsuitable. But this type of sensor is sensitive to strain and humidity as well as temperature and so accuracy is affected by handling, vibration, and shifts in relative humidity. Such behavior is quite unlike traditional sensors and so unconventional installation and operating procedures are necessary to ensure accurate measurements. This paper demonstrates implementation of a Rayleigh scattering-type distributed temperature sensor in a thermal mixing experiment involving two air jets at 25 and 45 &#176;C. We present criteria to guide selection of optical fiber for the sensor and describe installation setup for a jet mixing experiment. We illustrate sensor baselining, which links readings to an absolute temperature standard, and discuss practical issues such as errors due to flow-induced vibration. This material can aid those interested in temperature measurements having high data density and bandwidth for fluid dynamics experiments and similar applications. We highlight pitfalls specific to these sensors for consideration in experiment design and operation.

We demonstrate use of a fiber optic distributed sensor for mapping the temperature field of mixing air jets. The Rayleigh scattering-based sensor generates thousands of data points along a single fiber to provide exceptional spatial resolution that is unattainable with traditional sensors such as thermocouples.

חיישני סיבים אופטיים מבוזרת עבור מיפוי שדה הטמפרטורה גבוהה ברזולוציה

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

Nanostructured Ag-zeolite Composites as Luminescence-based Humidity Sensors

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high external quantum efficiencies (EQE) and spans the whole visible spectrum. It has been recently reported that the UV excited luminescence of partially Li-exchanged sodium Linde type A zeolites [LTA(Na)] containing luminescent silver clusters can be controlled by adjusting the water content of the zeolite. These samples showed a dynamic change in their emission color from blue to green and yellow upon an increase of the hydration level of the zeolite, showing the great potential that these materials can have as luminescence-based humidity sensors at the macro and micro scale. Here, we describe the detailed procedure to fabricate a humidity sensor prototype using silver-exchanged zeolite composites. The sensor is produced by suspending the luminescent Ag-zeolites in an aqueous solution of polyethylenimine (PEI) to subsequently deposit a film of the material onto a quartz plate. The coated plate is subjected to several hydration/dehydration cycles to show the functionality of the sensing film.

A protocol for the synthesis of moisture-responsive luminescent Ag-zeolite composites is described in this report.

מרוכבים Nanostructured Ag-זאוליט כמו חיישנים לחים מבוססות הארה

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high ...

Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

A method of carrier number control by electrolyte gating is demonstrated. We have obtained WS2 thin flakes with atomically flat surface via scotch tape method or individual WS2 nanotubes by dispersing the suspension of WS2 nanotubes. The selected samples have been fabricated into devices by the use of the electron beam lithography and electrolyte is put on the devices. We have characterized the electronic properties of the devices under applying the gate voltage. In the small gate voltage region, ions in the electrolyte are accumulated on the surface of the samples which leads to the large electric potential drop and resultant electrostatic carrier doping at the interface. Ambipolar transfer curve has been observed in this electrostatic doping region. When the gate voltage is further increased, we met another drastic increase of source-drain current which implies that ions are intercalated into layers of WS2 and electrochemical carrier doping is realized. In such electrochemical doping region, superconductivity has been observed. The focused technique provides a powerful strategy for achieving the electric-filed-induced quantum phase transition.

Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

Here, we present a protocol to control the carrier number in solids by using the electrolyte.

פקד שדה חשמלי של הברית אלקטרונית ב- WS Nanodevices2 מאת אלקטרוליט Gating

A method of carrier number control by electrolyte gating is demonstrated. We have obtained WS2 thin flakes with atomically flat surface via scotch tape ...

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on exposing the specimen to longitudinal vibrations on its resonance frequency close to 20 kHz. With use of this method, it is possible to significantly decrease the time required for the test, when compared to conventional testing devices usually working at frequencies under 200 Hz. It is also used to simulate loading of material during operation in high speed conditions, such as those experienced by components of jet engines or car turbo pumps. It is necessary to operate only in the high and ultra-high cycle region, due to the possibility of extremely high deformation rates, which can have a significant influence on the test results. Specimen shape and dimensions have to be carefully selected and calculated to fulfill the resonance condition of the ultrasonic system; thus, it is not possible to test the full components or specimens of arbitrary shape. Before each test, it is necessary to harmonize the specimen with the frequency of the ultrasonic system to compensate for deviations of the real shape from the ideal one. It is not possible to run a test until a total fracture of the specimen, since the test is automatically terminated after initiation and propagation of the crack to a certain length, when the stiffness of the system changes enough to shift the system out of the resonance frequency. This manuscript describes the process of evaluation of materials' fatigue properties at high-frequency ultrasonic fatigue loading with use of mechanical resonance at a frequency close to 20 kHz. The protocol includes a detailed description of all steps required for a correct test, including specimen design, stress calculation, harmonizing with the resonance frequency, performing the test, and final static fracture.

A protocol for ultrasonic fatigue testing in the high and ultra-high cycle region in axial tension-compression loading mode.

עייפות אולטראסאונד בדיקה במצב מתח דחיסה

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on ...

Radio Frequency Magnetron Sputtering of GdBa2Cu3O7&#8722;&#948;/ La0.67Sr0.33MnO3 Quasi-bilayer Films on SrTiO3 (STO) Single-crystal Substrates

Here, we demonstrate a method of coating ferromagnetic La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) nanoparticles on (001) SrTiO3 (STO) single-crystal substrates by radio frequency (RF) magnetron sputtering. LSMO nanoparticles were deposited with diameters from 10 to 20 nm and heights between 20 and 50 nm. At the same time, (Gd) Ba2Cu3O7&#8722;&#948; ((Gd) BCO) films were fabricated on both undecorated and LSMO nanoparticle decorated STO substrates using RF magnetron sputtering. This report also describes the properties of GdBa2Cu3O7&#8722;&#948;/ La0.67Sr0.33MnO3 quasi-bilayer films structures (e.g., crystalline phase, morphology, chemical composition); magnetization, magneto-transport, and superconducting transport properties were also evaluated.

Radio Frequency Magnetron Sputtering of GdBa2Cu3O7ÃƒÂ¢Ã‹â€ &#039;ÃƒÅ½ ´/ La0.67Sr0.33MnO3 Quasi-bilayer Films on SrTiO3 STO Single-crystal Substrates

Here, we present a protocol to grow LSMO nanoparticles and (Gd) BCO films on (001) SrTiO3 (STO) single-crystal substrates by radio frequency (RF)-sputtering.

תדר רדיו מגנטרון התזה של GdBa2Cu3O7−אלפא/ La0.67Sr0.33המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית3 bilayer קוואזי סרטים על מצעים יחיד-קריסטל3 (STO) SrTiO

Here, we demonstrate a method of coating ferromagnetic La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) nanoparticles on (001) SrTiO3 (STO) single-crystal substrates by radio ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, three substrates (acrylate, ceramics, and copper) are prepared. To determine the resulting material properties of these substrates, profilometer, contact angle, scanning electron microscope (SEM), and focused ion beam (FIB) measurements are done. The achievable printing resolution and suitable drop volume for each substrate are, then, found through the drop size tests. Then, layers of insulating and conductive ink are inkjet printed alternately to fabricate the target sensor structures. After each printing step, the respective layers are individually treated by photonic curing. The parameters used for the curing of each layer are adapted depending on the printed ink, as well as on the surface properties of the respective substrate. To confirm the resulting conductivity and to determine the quality of the printed surface, four-point probe and profilometer measurements are done. Finally, a measurement set-up and results achieved by such an all-printed sensor system are shown to demonstrate the achievable quality.

Here we present a protocol for the fabrication of inkjet-printed multilayer sensor structures on additively manufactured substrates and foil.

היברידית הדפסה על הזיוף של חיישנים חכמים

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...