Name: development of whispering gallery mode polymeric micro-optical electric field sensors
Uploaded: 2013-01-29T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors at JoVE.com

Diese Forschung wird von der US Defense Advanced Research Projects Agency unter Centers in Integrated Photonics Engineering Research (Cipher) Programm mit Dr. J. Scott Rodgers als Projektleiter gesponsert. Die Informationen in diesem Bericht spiegelt nicht unbedingt die Position oder die Politik der US-Regierung und ohne offizielle Billigung sollte geschlossen werden.

Ein. PDMS Microsphere Vorbereitung (Sphere I) <ol><li> Polydimethylsiloxan (PDMS)-Basis und der Härter werden mit einem Volumenverhältnis von 60:1 vermischt. </li><li> Ein Strang der Kieselsäure optische Faser, etwa 2 cm lang, wird zunächst der Kunststoffverkleidung unter Verwendung eines optischen Stripper gestrippt. </li><li> Ein Ende der Faser erhitzt und gestreckt, um ein Schaftende, das ~ 25-50 um Durchmesser an der Spitze bereitzustellen. </li><li> Die gestreckte Ende der Faser wird in die PDMS-Gemisch durch...

<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>

Die Kugeln sind anfänglich durch Verbinden der Elektroden mit einer Gleichstromquelle Hochspannungsversorgung gepolt. Am Ende der Dauer der Polung sind die Elektrodenzuleitungen von der DC-Spannungsversorgung getrennt und mit einem Funktionsgenerator, wie in 4 angedeutet. Die Ergebnisse in den Figuren 5 bis 8 zeigen, dass positive und negative elektrische Felder (relativ zur Richtung der Polung) zu Sphäre Dehnung und Kompression führen, jeweils dargestellt. Sphere I,...

<table border="1"><tbody><tr><td></td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare (optional) </td></tr><tr><td> PDMS </td><td> Dow Corning </td><td> Sylgard 184 </td><td></td></tr><tr><td> Quarzglasfaser </td><td> Fiber Instrument Vertrieb </td><td> E-37AP15-FIS </td><td></td></tr><tr><td> Barium-Titanat (BaTiO 3) Nanopartikel </td><td> Sigma Aldrich </td><td> 467.634-100G </td><td></td></tr><tr><td> Laser Controller </td><td> ILX Lightwave </td><td> LDC-3724B </td><td></td></tr><tr><td> DFB Laser </td><td> Agere </td><td> Agere 2300 </td><td> 1,310 um zentrale Wellenlänge </td></tr><tr><td> Photodiode </td><td> Thorlabs </td><td> PDA10CS </td><td></td></tr><tr><td> A / D-Karte </td><td> National Instruments </td><td> PXI 6115 </td><td></td>
 </tr>
 </tbody>
</table>

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

Optischen Moden der dielektrischen Mikrohohlräume haben erhebliche Aufmerksamkeit in den letzten Jahren auf ihr Potential in einem breiten Bereich von Anwendungen. Die optischen Moden werden häufig als &quot;whispering gallery modes&quot; (WGM) oder &quot;Morphologie Resonanzen&quot; (MDR) und eine hohe optische Qualität genannten Faktoren. Einige vorgeschlagene Anwendungen von Mikro-Hohlraum optische Resonatoren sind in der Spektroskopie ein, Mikro-Cavity-Laser-Technologie 2, optische Kommunikation 3-6 sowie Sensor-Technologie. Die WGM-basierten Sensor-Anwendungen schließen diejenigen ein, in der Biologie 7, Spurengaserkennung 8, und Unreinheit Grenzstanderfassung in Flüssigkeiten 9. Mechanische Sensoren auf Basis von Mikrokügelchen Resonatoren sind ebenfalls vorgeschlagen worden, einschließlich solcher für Kraft 10,11, Druck 12, 13 und Beschleunigung Wandschubspannung 14. In der vorliegenden demonstrieren wir einen WGM-basierte elektrische Feld-Sensor, der auf unseren früheren studi bautes 15,16. Ein Kandidat Anwendung dieses Sensors ist bei der Detektion von neuronalen Aktionspotentials. Der elektrische Feldsensor ist an polymeren mehrschichtigen dielektrischen Mikrosphären berechnet. Das äußere elektrische Feld induziert Oberfläche und Körper Kräfte auf den Kugeln (Elektrostriktionseffekt) führenden elastische Verformung. Diese Veränderung in der Morphologie der Kugeln, führt zu Veränderungen in der WGM. Das elektrische Feld induzierte WGM Verschiebungen werden durch Anregen der optischen Moden der Kugeln durch Laserlicht abgefragt. Licht von einer Distributed Feedback (DFB)-Laser (nominalen Wellenlänge von ~ 1,3 um) ist in die Mikrokügelchen mit einem verjüngten Abschnitt einer optischen Einmodenfaser nebeneinander gekoppelt. Das Grundmaterial der Kugeln ist Polydimethylsiloxan (PDMS). Drei Mikrokugel Geometrien verwendet werden: (1) PDMS Kugel mit einem Volumenverhältnis von 60:1 Basis-Härtermischung, (2) Mehrschicht Kugel mit 60:1 PDMS Kern, um die Dielektrizitätskonstante zu erhöhen the Kugel, einer mittleren Schicht von 60:1 PDMS, die mit unterschiedlichen Mengen (2% bis 10% nach Volumen) aus Bariumtitanat und einer äußeren Schicht von 60:1 PDMS und (3) feste Silica Kugel mit einer dünnen Schicht beschichtet gemischt wird von ungehärtetem PDMS Basis. In jeder Art von Sensor wird Laserlicht von dem verjüngten Faser in der äußersten Schicht, die eine hohe optische Qualität Faktor WGM (Q ~ 10 6) bietet gekoppelt. Die Mikrokugeln werden mehrere Stunden bei elektrischen Feldern von ~ 1 MV / m gepolt ihrer Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldes zu erhöhen.

Optisches Modus (WGM) der Kugel wird durch das Laserlicht angeregt wenn optische Weglänge durch das Licht Paar ist ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Lasers. Für die Anordnung in Fig. 3 gezeigt, ist die optische Weglänge 2πrn, wobei n und r sind der Brechungsindex und der Radius der Kugel sind. Verwendung geometrischen Optik Näherung ein WGM erfüllt ist, wenn 2πrn = lλ wobei l eine ganze Zahl ist und λ ist der Laser-Wellenl...

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

Eine hochempfindliche photonischen Mikrosensor wurde für elektrische Feld Detektion entwickelt. Der Sensor nutzt die optischen Moden eines dielektrischen Kugel. Änderungen in der externen elektrischen Feld stören die Kugel Morphologie, die zu Verschiebungen in seiner optischen Modi. Die elektrische Feldstärke wird durch die Überwachung dieser optischen Verschiebungen gemessen.

Entwicklung von Whispering Gallery-Modus polymeren Mikro-optische Electric Field Sensoren

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

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

Forschung

Ingenieurwesen

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

Echtzeit-DC-Vorspannung dynamische Verfahren zur Verbesserung Schaltzeit in stark unterdämpft Fransen-Bereich Elektroantriebe MEMS

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

Charakterisierung von anisotroper Leaky-Modus Modulatoren für die 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

Stimulated Stokes und Antistokes Raman Scattering in Mikrosphärische Whispering Gallery-Modus Resona

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

Temperaturfeldzuordnung Glasfaser verteilten Sensoren für hochauflösendes

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

Nanostrukturierte Ag-Zeolith-Komposite als Lumineszenz-basierte Feuchtigkeitssensoren

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

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

Elektrisches Feld Kontrolle der elektronischen Zustände in WS2 Nanosysteme durch Elektrolyt Anspritzung

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

Ultraschall Ermüdungsprüfung im Zug-Druck-Modus

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

Radio Frequency Magnetron Sputtering of GdBa2Cu3O7ÃƒÆ’Ã‚Â¢Ãƒâ€¹Ã¢â‚¬Â 'ÃƒÆ’Ã…Â½Ãƒâ€šÃ‚Â´/ La0.67Sr0.33MnO3 Quasi-bilayer Films on SrTiO3 STO Single-crystal Substrates

Radiofrequenz das Magnetron-Sputtern GdBa2Cu3O7−δ/ La0,67Sr0,33MnO3 quasi-Bilayer Filme auf SrTiO3 (STO) Einkristall Substraten

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

Hybrid für die Herstellung von intelligenten Sensoren drucken

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