Sviluppo di Whispering Galleria polimerici modalità micro-ottici sensori di campo elettrico

Tindaro Ioppolo; Volkan Ötügen; Ulas Ayaz

doi:10.3791/50199

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Riepilogo
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Protocollo
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Riepilogo

Un sensore ad alta sensibilità fotonici micro stato sviluppato per il rilevamento del campo elettrico. Il sensore sfrutta i modi ottici di una sfera dielettrica. Le variazioni del campo elettrico esterno turbare la morfologia sfera che porta a cambiamenti nei suoi modi ottici. L'intensità del campo elettrico viene misurata monitorando questi spostamenti ottici.

Abstract

Modi ottici dielettrici di micro-cavità hanno ricevuto notevole attenzione in anni recenti per il loro potenziale in una vasta gamma di applicazioni. I modi ottici sono spesso indicati come "sussurrare modalità gallery" (WGM) o "risonanze morfologia dipendenti" (MDR) e presentano elevati fattori di qualità ottica. Alcune applicazioni proposte di risonatori ottici micro-cavità sono in spettroscopia ^1, micro-cavità tecnologia laser ^2, comunicazioni ottiche ^3-6 e sensori. I WGM applicazioni basate su sensori includono quelli in biologia ^7, rilevazione di gas traccia ^8, e la rilevazione impurità in liquidi ^9. Sensori meccanici basati su risonatori microsfere sono anche state proposte, compresi quelli per forza ^10,11, pressione ^{12, 13} e accelerazione parete sollecitazione di taglio ^14. Nel presente, si dimostra un WGM-based sensore di campo elettrico, che si basa sulla nostra studi precedenties ^15,16. Un'applicazione candidato di questo sensore è nella rivelazione di potenziale d'azione neuronale.

Il sensore di campo elettrico si basa su polimerico multistrato dielettrico microsfere. Il campo elettrico esterno induce superficie e forze di massa sulle sfere (effetto electrostriction) che portano alla deformazione elastica. Questo cambiamento nella morfologia delle sfere, conduce a cambiamenti del WGM. Il campo elettrico indotto turni WGM sono interrogati dai emozionanti modi ottici delle sfere di luce laser. Luce da una retroazione distribuita (DFB) laser (lunghezza d'onda nominale di ~ 1,3 um) è lato-accoppiato nel microsfere con una sezione rastremata di una fibra ottica monomodale. Il materiale di base delle sfere è polidimetilsilossano (PDMS). Tre geometrie microsfere vengono utilizzati: (1) PDMS sfera con un rapporto volumetrico 60:1 di base-a-curing miscela agente, (2) sfera multistrato con 60:1 PDMS nucleo, per aumentare la costante dielettrica the sfera, uno strato intermedio di 60:1 PDMS che viene miscelato con quantità variabili (2% al 10% in volume) di titanato di bario e uno strato esterno di 60:1 PDMS e (3) sfera silice solido rivestito con uno strato sottile di non polimerizzato base di PDMS. In ogni tipo di sensore, luce laser dalla fibra rastremata è accoppiata nello strato più esterno che fornisce alta qualità ottica fattore WGM (Q ~ 10 ^6). Le microsfere vengono polarizzato per diverse ore a campi elettrici di ~ 1 MV / m per aumentare la loro sensibilità al campo elettrico.

Protocollo

1. PDMS Microsfera Preparazione (Sphere I)

Polidimetilsilossano (PDMS) base e l'indurente sono miscelati con un rapporto in volume di 60:1.
Un filo di fibra ottica di silice, circa 2 cm di lunghezza, è prima spogliato del suo rivestimento in plastica con una spogliarellista ottico.
Una estremità della fibra è riscaldata e tesa a fornire un gambo che è ~ 25-50 micron di diametro di punta.
L'estremità allungata della fibra è sommerso nella miscela PDMS da una lunghezza di circa 2-4 mm e quindi viene estratta.
Tensione superficiale e peso della miscela PDMS permettere la formazione di una sfera sulla punta della fibra di silice. La dimensione della sfera è controllata dalla lunghezza immersione e la velocità di estrazione. Variando questi due parametri, diametri sfera nell'intervallo 100 pm - 1.000 micron può essere ottenuta.
Microsfera / stelo viene quindi posto in un forno a ~ 90 ° C per 4 ore per consentire indurimento corretto del polimateriale mer (per formare reticolati catene). figura 1a è uno schema di I. Sfera

2. PDMS-based Tripla Sfera Preparazione Layer (Sphere II)

Un microsfere 60:1 PDMS è usato come il nucleo interno. Le stesse fasi descritte nella colonna 1) è seguita per questo processo.
Una miscela di titanato di bario (Batio ₃₎ nano-particelle e 60:1 PDMS è utilizzato come strato intermedio. La miscela PDMS, preparato nello stesso modo descritto in 1.1) di cui sopra, viene miscelato con il titanato di bario nanoparticelle.
Il nucleo microsfere PDMS descritto in 2.1) viene quindi immerso nella miscela PDMS-titanato di bario a cappotto (con uno spessore nominale di ~ 10 um).
Successivamente, la sfera a due strati viene posto in un forno a ~ 90 ° C per 4 ore per consentire la corretta maturazione del secondo strato.
Una volta che la sfera due strati è indurito, esso viene nuovamente immerso in una miscela di 60:1 PDMS per fornire un rivestimento esterno (terzo strato). Il più esternostrato serve come guida ottica sferica (~ 10 um di spessore). Figura 1b è uno schema di Sphere II.

3. Silice / Preparazione Microsphere PDMS (Sphere III)

A ~ 3 cm lunga sezione di una fibra ottica monomodo silice viene privata del suo primo buffer (plastica) rivestimento e quindi la sua punta viene fuso mediante un micro-torcia (insieme con il rivestimento e core). Tensione superficiale e la gravità lavorare insieme per modellare la punta fuso in una sfera. Sfere con diametro da 200 a 500 um può essere ottenuto con questo processo.
Il microsfere di silice viene poi immerso in un bagno di PDMS base (senza induritore) di coprire con una mano di ~ 50 pm. Questo strato esterno rimane come altamente viscoso Bingham (resa-stress) fluido. Figura 1c è uno schema di Sphere III.

4. Fibra ottica di preparazione

Una sezione di una fibra ottica monomodale viene privato della cla plasticadding utilizzando un stripper ottico. Usando un micro-torcia sezione strisce della fibra viene riscaldata fino a quando è fuso (sia il rivestimento e nucleo della fibra).
Mentre la sezione centrale è fuso, una estremità della fibra ottica viene tirato lungo il suo asse per formare una sezione rastremata della fibra che è di circa 1 cm di lunghezza. La durata del riscaldamento, la velocità e la distanza tirando determinare il diametro della sezione conica che varia tra 10 e 20 micron. La luce del laser DFB viene accoppiato nella sfera attraverso la sezione rastremata della fibra. Figura 2 mostra la sfera fibra accoppiamento.

5. Optoelettronici Setup

L'uscita di un laser sintonizzabile DFB viene accoppiata in una fibra ottica monomodale su una estremità e chiuso in un fotodiodo veloce all'altra estremità come mostrato in Figura 3.
L'uscita fotodiodo viene digitalizzato mediante un convertitore analogico-a-digitale (A / D) e memorizzati su un personal computer (PC).
Utilizzo di un micro-traduzione stadio microsfera (tipo I, II o III) viene portato in contatto con la sezione rastremata della fibra ottica (figure 2 e 3) per fornire accoppiamento ottico tra i due elementi.
Il laser DFB viene preparata da un controllore laser. Il controllore del laser, a sua volta azionato da un generatore di funzione che fornisce un dente di sega ingresso di tensione.

6. Campo di generazione elettrica

Due lastre di ottone quadrato (2 x 2 cm) con spessore di 1 mm sono utilizzati per generare il campo elettrico uniforme. Le piastre sono collegate ad una alimentazione di tensione e la sfera sensori sono collocati nello spazio tra le due piastre (Figura 4).
Al fine di aumentare la sensibilità di misura, le sfere vengono prima polarizzato in un campo elettrico di 1 MV / m per 2 h.