Развитие шепчущей галереи Режим полимерные микро-оптические датчики электрического поля

Tindaro Ioppolo; Volkan Ötügen; Ulas Ayaz

doi:10.3791/50199

АВТОРЫ

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

Method Article

Развитие шепчущей галереи Режим полимерные микро-оптические датчики электрического поля

DOI:

10.3791/50199

⸱

January 29th, 2013

Tindaro Ioppolo¹, Volkan Ötügen¹, Ulas Ayaz¹

¹Mechanical Engineering Department, Southern Methodist University

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Резюме

Высокая чувствительность микро-фотонных датчиков был разработан для обнаружения электрического поля. Датчик использует оптические моды диэлектрического шара. Изменения во внешнем электрическом поле возмущает области морфологии, ведущие к изменениям в его оптической моды. Напряженность электрического поля измеряется с помощью оптического мониторинга этих сдвигов.

Аннотация

Оптический режимов диэлектрических микро-полостей получили значительное внимание в последние годы их потенциал в широком диапазоне применений. Оптическими модами, которые часто упоминаются как "шепчущей галереи" (МШГ) или «Морфология зависимость резонансов" (MDR) и обладают высоким оптическим качеством факторов. Некоторые предлагаемые применения микро-полости оптического резонатора, в спектроскопии ^1, микро-полости лазерные технологии ^{2, 3-6} оптической связи, а также сенсорной технологии. WGM-приложений на основе датчиков включают в биологии ^7, следов обнаружения газа ^8, а примеси обнаружения в жидкости ^9. Механические датчики на основе микросфер резонаторов также были предложены, в том числе для силовых ^10,11, давление ^{12, 13} и ускорения напряжение трения на стенке ^14. В настоящее время мы демонстрируем WGM на основе электрического поля датчика, который основывается на нашем предыдущем StudiES ^15,16. Кандидат применения этого датчика для обнаружения нейрона потенциала действия.

Электрический датчик поля на основе полимерных многослойных диэлектрических микросфер. Внешнее электрическое поле индуцирует поверхностных и объемных сил на сферах (электрострикции эффект) приводит к упругой деформации. Это изменение в морфологии сферах, приводят к сдвигам в WGM. Индуцированного электрическим полем WGM сдвиги опрошенных захватывающие оптические моды сферах лазерным светом. Свет от распределенной обратной связью (DFB) лазер (номинальная длина волны ~ 1,3 мкм) стороны связанными в микросферы помощью конической части в одиночном режиме оптического волокна. Материальной базы сферы является полидиметилсилоксана (PDMS). Три геометрии микросферы используются: (1) PDMS сферы с соотношением 60:1 объемная база-отверждения смеси агента, (2) нескольких сфере слой с 60:1 PDMS ядро, с целью повышения диэлектрической проницаемости еэлектронной сфере, средний слой PDMS 60:1, который смешивают с различными количествами (2% до 10% по объему) титаната бария и внешним слоем PDMS 60:1 и (3) твердой сферы диоксида кремния покрыты тонким слоем неотвержденных базе PDMS. В каждом типе датчика, лазерный свет с коническим волокно вводится в наружный слой, который обеспечивает высокое оптическое качество фактор WGM (Q ~ 10 ^6). Микросферы поляризованных течение нескольких часов при электрическом полях ~ 1 МВ / м увеличить их чувствительность к электрическому полю.

протокол

1. PDMS Микросфера подготовки (Sphere I)

Полидиметилсилоксана (PDMS) база и отвердитель смешиваются с объемном соотношении 60:1.
Прядь кварцевых оптических волокон, длиной около 2 см, сначала лишили его пластиковой оболочки с помощью оптического стриптизершей.
Один конец волокна нагревается и растягивается, чтобы обеспечить стволовых конца, что составляет ~ 25-50 мкм в диаметре на конце.
Растянутой конца волокна погружен в смесь PDMS по длине примерно 2-4 мм и затем вытащил.
Поверхностное натяжение и вес смеси PDMS позволяет для формирования сферы на кончике кварцевого волокна. Размер области находится под контролем погружения длины и скорости добычи. Варьируя эти параметры, сфера диаметром в диапазоне от 100 мкм - 1000 мкм может быть получена.
Микросфер / шток затем помещают в печь с температурой ~ 90 ° C в течение 4 часов, чтобы обеспечить надлежащее лечение полиМер материала (с образованием сшитых цепей). рис. 1a представляет собой схематическое изображение сферы I.

2. PDMS на основе тройной Подготовка сфере Layer (сфера II)

Микросферы 60:1 PDMS используют в качестве внутреннего ядра. Те же действия, описанные в 1) выше, следует для этого процесса.
Смеси титаната бария (BaTiO ₃₎ нано-частиц и 60:1 PDMS используется в качестве среднего слоя. Смесь PDMS, подготовлена таким же образом, описанных в 1,1) выше, смешивают с титаната бария нано-частиц.
Основные PDMS микросфер описано в 2,1), затем погружают в PDMS-титаната бария смесь для покрытия его (со слоем номинальной толщиной ~ 10 мкм).
Далее, двухслойная сфера помещается в духовку на ~ 90 ° C в течение 4 ч для обеспечения надлежащего отверждения второго слоя.
После двух слоев сфере вылечить, он снова погружается в смесь 60:1 PDMS, чтобы обеспечить внешнее покрытие (третий уровень). Этот внешнийслой служит сферических оптических руководство (~ 10 мкм толщины). рис. 1b представляет собой схему Сфера II.

3. Silica / PDMS Микросфера подготовки (Sphere III)

~ 3 см длиной разделе кремния одномодовый световод сначала лишили его буфер (пластик) покрытие, а затем его кончик плавится помощью микро-факел (вместе с оболочкой и ядром). Поверхностное натяжение и тяжесть работать вместе, чтобы сформировать расплавленного чаевые в сферу. Сферы диаметром от 200 до 500 мкм может быть получена с этим процессом.
Микросфер диоксида кремния затем погружают в ванну с PDMS базы (без отвердителя), чтобы покрыть ее слоем ~ 50 мкм. Этот внешний слой остается, как высоковязких Bingham (выход напряжений) жидкости. Рис. 1с представляет собой схематическое изображение сферы III.

4. Оптический Подготовка волокон

Раздел одном режиме оптического волокна лишена пластиковой CLAdding с помощью оптического стриптизершей. Использование микро-факел полосатая часть волокна нагревают, пока это расплавленной (обе оболочки и сердцевины волокна).
В то время как средняя часть расплавлен, один конец оптического волокна вытягивается вдоль своей оси, чтобы сформировать конические сечения слоя, что составляет около 1 см длиной. Продолжительность отопления, потянув скорость и расстояние определить диаметр конической секции, которая колеблется между 10 и 20 мкм. Свет от РОС-лазера связана в сферу через конические сечения слоя. Рисунке 2 показаны области волоконно-связи.

5. Оптико-электронные установки

Выход перестраиваемый лазер DFB соединен в единую оптическое волокно на одном конце и прекращается в быстрый фотодиод на другом конце, как показано на рисунке 3.
Фотодиод выход оцифрованы использованием аналого-цифровой преобразователь (A / D) и хранится на персональном компьютере (ПК).
Использование микро-переводов этапе микросфер (Type I, II или III) входит в контакт с конической части оптического волокна (рис. 2 и 3) обеспечить оптическую связь между двумя элементами.
DFB лазер настроен на лазерном контроллера. Лазерный контроллер, в свою очередь, приводится в движение генератор функций, которая обеспечивает пилообразного входного напряжения.

6. Генерации электрического поля

Два квадратных пластин латуни (2 х 2 см) толщиной 1 мм используются для создания равномерного электрического поля. Пластины подключен к напряжению питания и сферы датчики помещаются в зазор между двумя пластинами (рис. 4).
В целях повышения чувствительности измерений, сферы сначала поляризованных в электрическом поле 1 МВ / м в течение 2 часов.