Desenvolvimento de Whispering Gallery Modo poliméricos Micro-ópticos sensores do campo eléctrico

Resumo

Um sensor de alta sensibilidade fotónica micro foi desenvolvido para a detecção de campos eléctricos. O sensor explora os modos ópticos de uma esfera dielétrica. Mudanças no campo elétrico externo perturbar a morfologia esfera levando a mudanças em seus modos ópticos. A intensidade do campo eléctrico é medida por monitorização destas mudanças ópticas.

Resumo

Modos de óptica de micro-cavidades dielétricas têm recebido atenção significativa nos últimos anos devido ao seu potencial de uma ampla gama de aplicações. Os modos ópticos são freqüentemente referidos como "sussurrando modos Galeria" (WGM) ou "ressonâncias morfologia dependentes" (MDR) e apresentam altos fatores de qualidade óptica. Algumas aplicações propostas de micro-cavidade ressonadores ópticos são em espectroscopia ^1, micro-cavidade tecnologia laser ^{2, 3-6} comunicações ópticas, bem como tecnologia de sensores. As aplicações baseadas WGM sensores incluem aqueles em biologia ^7, traço de detecção de gás ^8, e detecção de impurezas em líquidos ^9. Sensores mecânicos com base em ressoadores de microsferas também têm sido propostos, incluindo os de força ^10,11, a pressão ^{12, 13} e parede de aceleração tensão de corte ^14. No presente, nós demonstramos uma WGM baseada em sensor de campo elétrico, que se baseia em nosso studi anteriores ^15,16. A aplicação candidato deste sensor é na detecção de potencial de acção neuronal.

O sensor de campo eléctrico é baseada em multi-camadas polimérico dieléctrico microesferas. O campo eléctrico externo induz superfície e as forças de corpo sobre as esferas (efeito electrostriction) que conduzem a uma deformação elástica. Esta mudança na morfologia das esferas, conduz a mudanças na WGM. Mudanças do campo elétrico induzidos WGM são interrogados por emocionantes os modos ópticos das esferas de luz laser. A luz de uma realimentação distribuída (DFB) laser (comprimento de onda nominal de ~ 1,3 mm) é o lado de acoplamento para as microesferas usando uma secção cónica de uma fibra óptica de modo único. O material de base das esferas é polidimetilsiloxano (PDMS). Três geometrias de microsferas são utilizados: (1) esfera PDMS com uma razão volumétrica de 60:1 de base-para-agente de cura mistura, (2) de camadas múltiplas com esfera 60:1 PDMS do núcleo, a fim de aumentar a constante dieléctrica do thesfera e, uma camada média de 60:1 PDMS que é misturado com quantidades variáveis ​​(2% a 10% por volume) de titanato de bário e uma camada exterior de 60:1 PDMS e (3) da esfera de sílica sólida revestida com uma fina camada da base de PDMS não curado. Em cada tipo de sensor, a luz do laser da fibra cónica é acoplada na camada mais externa que fornece alta qualidade óptica fator WGM (Q ~ 10 ^6). As microesferas são poled durante várias horas a campos eléctricos de ~ 1 MV / m para aumentar a sua sensibilidade ao campo eléctrico.

Protocolo

1. PDMS preparação de microsferas (Sphere I)

1. Polidimetilsiloxano base (PDMS) e o agente de cura são misturados com uma relação de volume de 60:1.
2. Uma mecha de fibra óptica de sílica, cerca de 2 cm de comprimento, é primeiramente retirado do seu revestimento de plástico usando um separador óptico.
3. Uma extremidade da fibra é aquecida e esticada para proporcionar uma extremidade da haste, que é de aproximadamente 25-50 um de diâmetro na ponta.
4. A extremidade da fibra estirada é submerso na mistura PDMS por um comprimento de cerca de 2-4 mm e, em seguida, é puxada para fora.
5. Tensão superficial e peso da mistura PDMS permitir a formação de uma esfera na extremidade da fibra de silica. O tamanho da esfera é controlada pelo comprimento de imersão e velocidade de extracção. Ao variar estes dois parâmetros, diâmetros da esfera na gama de 100 um - 1.000 mM pode ser obtida.
6. A montagem de microsferas / haste é então colocada numa estufa a ~ 90 ° C durante 4 horas para permitir a consolidação adequada do polimer material (para formar ligações cruzadas cadeias). Figura 1a é um esquema de I. Sphere

2. PDMS baseado Preparação Esfera tripla camada (Sphere II)

1. Uma microesfera 60:1 PDMS é utilizado como o núcleo interior. Os mesmos passos descritos em 1) acima é seguida por este processo.
2. Uma mistura de titanato de bário (BaTiO ₃₎ nano-partículas e 60:1 PDMS é utilizado como a camada do meio. A mistura de PDMS, preparado da mesma maneira descrita no ponto 1.1), acima, é misturado com o titanato de bário nano-partículas.
3. O núcleo microesfera PDMS descrito em 2.1) é então mergulhado na mistura de titanato de bário PDMS-bata-(com uma espessura de camada nominal de ~ ^ M 10).
4. Em seguida, a esfera de duas camadas é colocado numa estufa a ~ 90 ° C durante 4 horas para permitir a cura apropriada da segunda camada.
5. Uma vez que a esfera de duas camadas é curado, é de novo imerso numa mistura de 60:1 de PDMS para proporcionar um revestimento exterior (terceira camada). Este externocamada serve como guia óptica esférica (~ 10 um de espessura). Figura 1b é um esquema de Sphere II.

3. Sílica / PDMS preparação de microsferas (Sphere III)

1. A secção de ~ 3 cm de comprimento de uma fibra de modo único de sílica óptico é primeiramente retirado do seu tampão (em plástico) de revestimento e, em seguida, a sua ponta é fundida usando um micro-tocha (em conjunto com o revestimento e núcleo). Tensão superficial e gravidade trabalhar juntos para moldar a ponta derretido em uma esfera. Esferas com diâmetros variando de 200 a 500 um podem ser obtidas com este processo.
2. A microesfera de sílica é então imerso num banho de PDMS de base (sem o agente de cura) a cobri-lo com um revestimento de ~ 50 ^ m. Esta camada exterior permanece como um altamente viscoso Bingham líquido (limite elástico). Figura 1c é um esquema de Sphere III.

4. Preparação de fibra óptica

1. Uma secção de uma fibra óptica de modo único é retirado da sua cla plásticodding utilizando um extractor óptico. Usando uma micro-tocha a secção listrado da fibra é aquecido até que seja fundido (tanto o revestimento e núcleo de fibra).
2. Embora a parte do meio é fundido, uma extremidade da fibra óptica é puxado ao longo do seu eixo de modo a formar uma secção cónica da fibra que é de cerca de 1 cm de comprimento. A duração do aquecimento, a velocidade de puxar e distância determinar o diâmetro da secção cónica que varia entre 10 e 20 um. A luz proveniente do laser DFB é acoplada para a esfera através da secção cónica da fibra. Figura 2 mostra o acoplamento de esfera de fibra.

5. Optoeletrônicos Setup

1. A saída de um laser DFB sintonizável é acoplado a uma fibra óptica de modo único em uma extremidade e termina num fotodíodo rápido, na outra extremidade, como mostrado na Figura 3.
2. A saída do fotodíodo é digitalizada utilizando um conversor analógico-para-digital (A / D) e armazenados num computador pessoal (PC).
3. Usando um estágio de translação-micro da microesfera (Tipo I, II ou III) é posto em contacto com a secção cónica da fibra óptica (Figuras 2 e 3) para proporcionar o acoplamento óptico entre estes dois elementos.
4. O laser DFB é ajustado por um controlador de laser. O controlador de laser, por sua vez, é accionado por um gerador de função que fornece uma tensão de entrada em dente de serra.

6. Geração de Campo Elétrico

1. Duas placas de latão quadrados (2 x 2 cm) com a espessura de 1 mm, são utilizados para gerar o campo eléctrico uniforme. As placas são ligadas a uma fonte de tensão e os sensores de esfera são colocados no espaço entre as duas chapas (Figura 4).
2. A fim de aumentar a sensibilidade de medição, as esferas são primeiramente poled num campo eléctrico de 1 MV / m, durante 2 horas.

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Resultados

Um modo óptico (WGM) da esfera é excitado pela luz do laser quando comprimento do caminho óptico percorrido pela luz é um número inteiro múltiplo do comprimento de onda do laser. Pela disposição mostrada na Figura 3, o comprimento do caminho óptico é 2πrn, onde n e r são o índice de refracção e um raio da esfera, respectivamente. Usando aproximação óptica geométrica, uma condição WGM é satisfeita quando 2πrn = lλ onde I é um inteiro e...

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Discussão

As esferas são inicialmente polarizado através da ligação dos eléctrodos a uma fonte de tensão contínua elevada. No final da duração poling, os fios de eléctrodos foram desligados da fonte de tensão contínua e conectado a um gerador de função, tal como indicado na Figura 4. Os resultados apresentados nas Figuras 5 a 8 mostram que positivos e negativos campos eléctricos (em relação à direcção de poling) conduzem a esfera alongamento e de compressão, respectivamente. ...

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Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
	Companhia	Número de catálogo	Comentários (opcional)
PDMS	Dow Corning	Sylgard 184
Fibra de sílica	Instrumento de vendas de fibra	E-37AP15-FIS
Titanato de bário (BaTiO 3) nanopartículas	Sigma Aldrich	467634-100G
Controlador Laser	ILX Lightwave	LDC-3724B
DFB Laser	Agere	Agere 2300	Comprimento de onda central de 1,310 mM
Fotodiodo	Thorlabs	PDA10CS
A / D Cartão	National Instruments	PXI 6115