Name: a silicon-tipped fiber-optic sensing platform with high resolution and fast response
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response at JoVE.com

Ce travail a été soutenu par l’US Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755) ; U.S. Office of Naval Research (Nos. N000141410139, N000141410456) ; US Department of Energy (Nos. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).

1. fabrication de capteurs de basse-Finesse
<ol><li>Fabriquer les piliers de silicium. Un morceau de tranche de silicium de (DSP) de double-côté-poli 200-µm d’épaisseur de mires en standalone piliers de silicium (Figure 2 a), à l’aide de fabrication standard système micro-électro-mécaniques (MEMS) facilite. Remarque : La plaquette à motifs est collée sur une autre plaquette de silicium plus gros à l’aide d’une fine couche de résine photosensible. La force de liaison...

<ol>
	<li>Lee, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+the+present+status+of+optical+fiber+sensors.">Review of the present status of optical fiber sensors.</a> Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).</li><li>Liu, G., Han, M., Hou, W. <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+and+fast-response+fiber-optic+temperature+sensor+using+silicon+Fabry-Perot+cavity.">High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity.</a> Optics Express. 23, 7237-7247 (2015).</li><li>Hatta, A. M., Rajan, G., Semenova, Y., Farrell, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SMS+fibre+structure+for+temperature+measurement+using+a+simple+intensity-based+interrogation+system.">SMS fibre structure for temperature measurement using a simple intensity-based interrogation system.</a> Electronics Letters. 45, 1069 (2009).</li><li>Sheng, Q., Liu, G., Reinke, M. L., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+fiber-optic+bolometer+based+on+a+high-finesse+silicon+Fabry-Perot+interferometer.">A fiber-optic bolometer based on a high-finesse silicon Fabry-Perot interferometer.</a> Review of Scientific Instruments. , 065002 (2018).</li><li>Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast-response+high-temperature+microfiber+coupler+tip+thermometer.">Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer.</a> IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).</li><li>Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reflective+fiber+optic+temperature+sensor+using+silicon+thin+film.">Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film.</a> Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).</li><li>Kajanto, I., Friberg, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+silicon-based+fibre-optic+temperature+sensor.">A silicon-based fibre-optic temperature sensor.</a> Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).</li><li>Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber-optic+temperature+sensing+with+ultrathin+silicon+etalons.">Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons.</a> Optics Letters. 13, 782-784 (1988).</li><li>Zhang, 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=Temperature+characteristics+of+silicon+core+optical+fiber+Fabry-Perot+interferometer.">Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer.</a> Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).</li><li>Cocorullo, G., Corte, F. G. D., Iodice, M., Rendina, I., Sarro, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+temperature+all-silicon+micro-sensor+based+on+the+thermo-optic+effect.">A temperature all-silicon micro-sensor based on the thermo-optic effect.</a> IEEE Transactions on Electron Devices. 44, 766-774 (1997).</li><li>Liu, G., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber-optic+gas+pressure+sensing+with+a+laser-heated+silicon-based+Fabry-Perot+interferometer.">Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer.</a> Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).</li><li>Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast-response+fiber-optic+anemometer+with+temperature+self-compensation.">Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation.</a> Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).</li><li>Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+fiber+vector+flow+sensor+based+on+a+silicon+Fabry-Perot+interferometer+array.">Optical fiber vector flow sensor based on a silicon Fabry-Perot interferometer array.</a> Optics Letters. 41, 4629-4632 (2016).</li><li>Liu, G., Sheng, Q., Geraldo, R. L. P., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+fiber-optic+water+flow+sensor+based+on+laser-heated+silicon+Fabry-Perot+cavity.">A fiber-optic water flow sensor based on laser-heated silicon Fabry-Perot cavity.</a> Proceedings of SPIE. 9852, 98521B (2016).</li><li>Reinke, M. L., Han, M., Liu, G., Gv Eden, G., Evenblij, R., Haverdings, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+plasma+bolometers+using+fiber-optic+temperature+sensors.">Development of plasma bolometers using fiber-optic temperature sensors.</a> Review of Scientific Instruments. 87, 11E708 (2016).</li><li>Zhang, Y., 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=Fringe+visibility+enhanced+extrinsic+Fabry-Perot+interferometer+using+a+graded+index+fiber+collimator.">Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator.</a> IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).</li><li>Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Ocean sensing and monitoring. , (2013).</li><li>Hou, W., Woods, S., Jarosz, E., Goode, W., Weidemann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+turbulence+on+underwater+image+degration+in+natural+environments.">Optical turbulence on underwater image degration in natural environments.</a> Applied Optics. 51, 2678-2686 (2012).</li><li>Hou, W., Jarosz, E., Woods, S., Goode, W., Weidemann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impacts+of+underwater+turbulence+on+acoustical+and+optical+signals+and+their+linkage.">Impacts of underwater turbulence on acoustical and optical signals and their linkage.</a> Optics Express. 21, 4367-4375 (2013).</li><li>Nootz, G., Jarosz, E., Dalgleish, F. R., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+optical+turbulence+in+the+ocean+and+its+effects+on+beam+propagation.">Quantification of optical turbulence in the ocean and its effects on beam propagation.</a> Applied Optics. 55, 8813-8820 (2016).</li><li>Nootz, G., Matt, S., Kanaev, A., Judd, K., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+and+numerical+study+of+underwater+beam+propagation+in+a+Rayleigh-B&#233;nard+turbulence+tank.">Experimental and numerical study of underwater beam propagation in a Rayleigh-B&#233;nard turbulence tank.</a> Applied Optics. 56, 6065-6072 (2017).</li><li>Matt, 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=A+controlled+laboratory+environment+to+study+EO+signal+degradation+due+to+underwater+turbulence.">A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence.</a> Proceedings of SPIE. 9459, 94590H (2015).</li><li>Han, M., Liu, G., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber-optic+temperature+and+flow+sensor+system+and+methods.">Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods.</a> U.S. Patent. , (2018).</li><li>Kallenbach, A., 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=Impurity+seeding+for+tokamak+power+exhaust:+from+present+devices+via+ITER+to+DEMO.">Impurity seeding for tokamak power exhaust: from present devices via ITER to DEMO.</a> Plasma Physics and Controlled Fusion. 55, 124041 (2013).</li><li>. Alcator C-Mod Available from: <a target="_blank" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg">https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg</a> (2018)</li><li>Meister, H., Willmeroth, M., Zhang, D., Gottwald, A., Krumrey, M., Scholze, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Broad-band+efficiency+calibration+of+ITER+bolometer+prototypes+using+Pt+absorbers+on+SiN+membranes.">Broad-band efficiency calibration of ITER bolometer prototypes using Pt absorbers on SiN membranes.</a> Review of Scientific Instruments. 84, 123501 (2013).</li><li>Peterson, B. J., 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=Development+of+imaging+bolometers+for+magnetic+fusion+reactors.">Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors.</a> Review of Scientific Instruments. 79, 10E301 (2008).</li><li>Liu, G., Sheng, Q., Dam, D., Hua, J., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-gauged+fiber-optic+micro-heater+with+an+operation+temperature+above+1000+&#176;C.">Self-gauged fiber-optic micro-heater with an operation temperature above 1000 &#176;C.</a> Optics Letters. 42, 1412-1415 (2017).</li><li>Liu, G., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unambiguous+peak+recognition+for+a+silicon+Fabry-Perot+interferometric+temperature+sensor.">Unambiguous peak recognition for a silicon Fabry-Perot interferometric temperature sensor.</a> Journal of Lightwave Technology. 36, 1970-1978 (2018).</li><li>Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M., High-resolution, <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,+large+dynamic+range+fiber-optic+thermometer+with+cascaded+Fabry-Perot+cavities.">High-resolution, large dynamic range fiber-optic thermometer with cascaded Fabry-Perot cavities.</a> Optics Letters. 41, 5134-5137 (2016).</li></ol>

Le choix de la taille (longueur et diamètre) du silicium FPI se fait sur le compromis entre les exigences sur la résolution et la vitesse. En général, une taille plus petite offre une vitesse plus élevée, mais réduit également la résolution2. Une courte longueur est avantageuse pour l’obtention d’une vitesse plus élevée, mais il n’est pas supérieur pour obtenir une haute résolution en raison de la FWHM élargi des entailles de la réflexion. À l’aide de revêtements HR pour r...

Capteurs à fibre optique (FOSs) ont fait l’objet de nombreux chercheurs en raison de ses propriétés uniques, telles que sa petite taille, son faible coût, sa légèreté et son immunité aux interférences électromagnétiques (EMI)1. Ces logiciels libres ont trouvé des applications larges dans de nombreux domaines tels que la surveillance de l’environnement, surveillance de l’océan, exploration pétrolière et des procédés industriels entre autres. Quand il s’agit de la détection de liées à la température, le FOSs traditionnel ne sont pas supérieur en termes de résolution et la vitesse pour les cas où la mesure des minutes et des variations rapides de température est souhaitable. Ces limitations découlent les propriétés optiques et thermiques du matériau en silice fondue sur lesquelles reposent les nombreux FOSs traditionnels. D’une part, le coefficient de thermo-optique (TOC) et coefficient de dilatation thermique (TEC) de silice sont 1.28x10-5 RIU / ° C et 5.5x10-7 m/(m·°C), respectivement ; ces valeurs conduisent à une sensibilité à la température de seulement environ 13 h / ° C autour de la longueur d’onde de 1550 nm. En revanche, la diffusivité thermique, mesure de la vitesse de la température qui changent en réponse à l’échange d’énergie thermique, est seulement 1.4x10-6 m2/s pour la silice ; cette valeur n’est pas supérieure pour améliorer la vitesse des logiciels libres à base de silice.
La plate-forme de télédétection de fibre optique (FOSP) rapportée dans cet article rompt les limitations ci-dessus des logiciels libres à base de silice fondue. Le nouveau FOSP utilise le silicium cristallin comme clé de détection de matériel, qui forme un interféromètre de Fabry-Perot de haute qualité (FPI) à l’extrémité de la fibre, ici dénommée FOSP à pointe de silicium (Si-FOSP). La figure 1 illustre le principe schématique et opérationnels de la tête du capteur, qui est au cœur de la Si-FOSP. La tête du capteur se compose essentiellement d’un silicium FPI, dont le spectre réflexion comporte une série de franges périodiques. Interférence destructive se produit lorsque l’OPL satisfait 2nL = Nλ, où n et L sont l’indice de réfraction et de la longueur de la cavité de silicium FP, respectivement, et N est un entier qui représente l’ordre de l’encoche de la frange. Positions des franges d’interférence sont donc sensibles à la BPO de la cavité de silicium. Selon les applications spécifiques, le silicium FPI peut être transformé en deux types : basse-finesse FPI et haut-finesse FPI. Le FPI basse-finesse a une faible réflectivité pour les deux extrémités de la cavité de silicium, tandis que le FPI haute-finesse a une réflectivité élevée pour les deux extrémités de la cavité de silicium. Les réflectivités des interfaces air silicium et silicium-fibre sont à peu près 30 % et 18 %, donc le seul silicium FPI illustré à la Figure 1 a est essentiellement un FPI basse-finesse. En enduisant une couche mince grande réflectivité (HR) aux deux extrémités, un silicium haute-finesse que FPI est formé (Figure 1 b). Réflectivité de l’enduit de HR (diélectrique ou or) peut être aussi élevée que 98 %. Pour les deux types de Si-FOSP, n et L augmentent lorsque la température augmente. Ainsi, en surveillant l’évolution de la frange, la variation de température peut être déduite. Notez que pour la même quantité de décalage de la longueur d’onde, le FPI haute-finesse donne une meilleure discrimination en raison de l’encoche de frange beaucoup plus étroite (Figure 1C). Alors que le haut-finesse Si-FOSP a une meilleure résolution, la basse-finesse Si-FOSP a une plage dynamique plus étendue. Par conséquent, le choix entre ces deux versions dépend des exigences d’une application spécifique. En outre, en raison de la grande différence de largeur à mi-hauteur (FWHM) du bas-finesse et haute-finesse silicium naissance, leurs méthodes de démodulation du signal sont différents. Par exemple, la FWHM théorique de 1,5 nm est diminué par environ 50 fois à seulement 30 heures lorsque les deux extrémités du silicium seul FPI sont recouverts d’une couche de HR de 98 %. Par conséquent, pour le Si faible-finesse-FOSP, un spectromètre à haute vitesse suffirait pour la collecte de données et le traitement, alors qu’un balayage laser doit être utilisé pour démoduler le haut-finesse Si-FOSP en raison de la FWHM beaucoup plus étroite qui ne peut être résolu ainsi par la spectromètre. Les deux méthodes de démodulation seront expliqués dans le protocole.
Le silicone choisie ici est supérieur pour la détection de la température en termes de résolution. En comparaison, le cot et le TEC de silicium sont 1.5x10-4 RIU / ° C et 2.55x10-6 m/(m∙°C), respectivement, conduisant à une sensibilité à la température d’environ 84.6 h / ° C qui est environ 6,5 fois plus élevé que celui de tous les logiciels libres à base de silice2.  En plus de cette sensibilité beaucoup plus élevée, nous avons démontré une longueur d’onde moyenne suivi méthode pour réduire le niveau sonore et d’améliorer ainsi la résolution pour un capteur de basse-finesse, conduisant à une résolution de la température de 6 x 10-4 ° C 2, en comparaison à la résolution de 0,2 ° C pendant une tout à base de silice FOS3. La résolution est encore améliorée pour être 1.2x10-4 ° C pour une version haute-finesse4.  Le silicone est également supérieure pour détection en termes de vitesse. En comparaison, la diffusivité thermique de silicium est 8.8x10-5 m2/s, qui est 60 fois plus élevé que celui de silice2.  Combiné avec un encombrement réduit (p. ex., 80 µm de diamètre, 200 µm d’épaisseur), le temps de réponse de 0,51 ms pour un silicium que FOS a été démontrée2, en comparaison avec les 16 ms d’un coupleur de silice-micro-fibre astuce température capteur5.  Bien que certaines recherches travaux liés à la mesure de la température à l’aide de film très mince de silicium, comme le matériel de télédétection a été signalé par d’autres groupes6,7,8,9, aucun d'entre eux possède les performances de nos capteurs en termes de résolution ou de vitesse. Par exemple, le capteur avec une résolution de seulement 0,12 ° C et un temps de réponse longue de 1 s a été signalé. 7 qu'une meilleure résolution de température de 0,064 ° C a été rapporté10;  Cependant, la vitesse est limitée par la tête du capteur relativement volumineux. Ce qui rend les mensonges uniques Si-FOSP dans le nouveau procédé de fabrication et un algorithme de traitement des données.
Outre les avantages ci-dessus pour la détection de la température, la Si-FOSP peut également être développé en une variété de capteurs de température liées visant à mesurer les différents paramètres, tels que gaz pression11, air ou l’eau s’écouler12,13 ,14 et rayonnement4,15.  Cet article présente une description détaillée du capteur des protocoles de démodulation fabrication et signal ainsi que trois applications représentatives et leurs résultats.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1056px;" width="1055">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">200 Proof Pure Ethanol</td>
			<td style="width:213px;">Koptec</td>
			<td style="width:201px;">V1001</td>
			<td style="width:391px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">5 Channels Duplex CWDM</td>
			<td style="width:213px;">Fiber Store</td>
			<td style="width:201px;">5MDD-ABS-FSCWDM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Butterfly Laser Diode Mounts</td>
			<td style="width:213px;">Tholabs</td>
			<td style="width:201px;">LM14S2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">CastAway CTD</td>
			<td style="width:213px;">Yellow Springs Instrument</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">CTD</td>
			<td style="width:213px;">Seabird</td>
			<td style="width:201px;">SBE 19plus</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Current Meter</td>
			<td style="width:213px;">Nortek</td>
			<td style="width:201px;">Vector</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Data Acquisition Device</td>
			<td style="width:213px;">National Instruments</td>
			<td style="width:201px;">NIUSB4366</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Digital Oscilloscope</td>
			<td style="width:213px;">RIGOL</td>
			<td style="width:201px;">DS1204B</td>
			<td>200 MHz 2 GSa/s</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Diode Laser</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;">LM9LP</td>
			<td>Wavelength: 632 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Fixed BNC Terminator Kit</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;">FTK01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Function Waveform Generator&#160;</td>
			<td style="width:213px;">RIGOL</td>
			<td style="width:201px;">DG4162</td>
			<td>160 MHz 500 GSa/s</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">High Precision Cleaver</td>
			<td style="width:213px;">Fujikura</td>
			<td style="width:201px;">CT-32</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">High Reflection Dielectric Coating</td>
			<td style="width:213px;">Evaporated Coating INC (ECI)</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td>Materials and structure of the coating are unknown</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">I-MON 512 Spectrometer</td>
			<td style="width:213px;">Ibsen Phtonics</td>
			<td style="width:201px;">P/N: 1257110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">InGaAs Biased Detector</td>
			<td style="width:213px;">Tholabs</td>
			<td style="width:201px;">DET01CFC</td>
			<td>FC/PC output:0-10V; Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:22px;width:251px;">Laser Diode</td>
			<td style="width:213px;">Qphotonic</td>
			<td style="width:201px;">QFLD-405-20S</td>
			<td>Wavelength: 405 nm</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:23px;width:251px;">Laser Diode Current Controller</td>
			<td style="width:213px;">Tholabs</td>
			<td style="width:201px;">LDC 210C</td>
			<td>1 A and 100 mA range&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Laser Diode Temperature Controller</td>
			<td style="width:213px;">Tholabs</td>
			<td style="width:201px;">TEC 200C</td>
			<td>Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Latex Examination Gloves</td>
			<td style="width:213px;">HCS</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Micro Slides</td>
			<td style="width:213px;">Corning Incorporated</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Narrow Linewidth DFB Laser</td>
			<td style="width:213px;">Eblana</td>
			<td style="width:201px;">EP1550-NLW-B06-100FM</td>
			<td>Wavelength:1550 nm</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:251px;">Optical Fiber Fusion Splicer</td>
			<td style="width:213px;">Sumitomo electric industries, LTD</td>
			<td style="width:201px;">3822-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Optical Microscope and Monitor</td>
			<td style="width:213px;">Ikegami Tsushinki Company</td>
			<td style="width:201px;">PM-127</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Optical Spectrum Analyzer</td>
			<td style="width:213px;">Yokogawa</td>
			<td style="width:201px;">AQ6370C</td>
			<td>wavelength range: 600-1700 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Polish Machine</td>
			<td style="width:213px;">ULTRA TEC</td>
			<td style="width:201px;">41076</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Post-mountable Irises</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td>Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Pump Laser</td>
			<td style="width:213px;">Gooch and Housego</td>
			<td style="width:201px;">0400-0974-SM</td>
			<td>Wavelength: 980 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Si Amplified Photodetector</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;">PDA36A</td>
			<td>Wavelength: 350-1100 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Silicon wafer</td>
			<td style="width:213px;">University Wafer</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td>thickness: 10 &#181;m, 200 &#181;m, 75 &#181;m, 40 &#181;m</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Single mode fiber&#160;</td>
			<td style="width:213px;">Corning</td>
			<td style="width:201px;">SMF-28</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:251px;">Single Mode Fused&#160; Fiber Coupler</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td>Wavelength: 1550 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">SM 125 interogrator</td>
			<td style="width:213px;">Micron Optics</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Submersible Aquarium Pump</td>
			<td style="width:213px;">Songlong</td>
			<td style="width:201px;">SL-403</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Superluminscent LED</td>
			<td style="width:213px;">Denselight Semiconductors</td>
			<td style="width:201px;">DL-BP1-1501A</td>
			<td>wavelength range:1510-1590 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Syringe Pump</td>
			<td style="width:213px;">Cole Parmer</td>
			<td style="width:201px;">74905-02</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Travel Translation Stage</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;">LT1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">UV curable glue</td>
			<td style="width:213px;">Epoxy Technology</td>
			<td style="width:201px;">PB109077</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">UVGL-15 Compact UV Lmap</td>
			<td style="width:213px;">UVP</td>
			<td style="width:201px;">P/N:95-0017-09</td>
			<td>254/365 nm</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:251px;">Variable Optical Attenuators</td>
			<td style="width:213px;">Tholabs</td>
			<td style="width:201px;">M-VA/00016951 P/N: VOA50-APC</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a silicon-tipped fiber-optic sensing platform with high resolution and fast response

Dans cet article, nous présentons une novateur et prometteuse pratiquement fibre optique plate-forme de télédétection (FOSP) qui nous a proposé et a démontré récemment. Cette FOSP s’appuie sur un interféromètre de Fabry-Perot de silicium (FPI) attaché à l’extrémité de la fibre, dénommée Si-FOSP dans cet ouvrage. Le Si-FOSP génère un interférogramme déterminée par la longueur du trajet optique (OPL) de la cavité de silicium. Mesurande modifie l’OPL et déplace ainsi l’interférogramme. En raison des propriétés optiques et thermiques uniques du matériau silicium, cette Si-FOSP présente un rendement avantageux en termes de sensibilité et la vitesse. En outre, l’industrie de fabrication de silicium mature dote de la Si-FOSP excellente reproductibilité et à moindre coût vers des applications pratiques. Selon les applications spécifiques, soit une version basse-finesse ou haute-finesse serviront, et deux méthodes de démodulation de différentes données seront adoptées en conséquence. Des protocoles détaillés pour fabriquer les deux versions de la Si-FOSP seront fournis. Trois applications représentatives et leurs résultats selon seront montrés. L’un est un thermomètre sous l’eau du prototype pour profiler les thermoclines océan, le second est un débitmètre pour mesurer la vitesse d’écoulement dans l’océan, et le dernier est un bolomètre utilisé pour le contrôle des gaz d’échappement émis par magnétiquement confiné plasma à haute température.

Tr-FOSP comme un thermomètre sous l’eau pour le profilage des thermoclines océan Recherche océanographique récente a démontré que le flou de l’imagerie sous-marine découle non seulement de turbidité dans les eaux contaminées, mais aussi de microstructures de température en propre océan17,18. Ce dernier effet a fait l’objet de nombreux océanographes, visant à trouver un moyen efficace pour cor...

Watch this Scientific Journal Video about A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response at JoVE.com

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

Ce travail rapporte une pointe silicone fibre optique télédétection plate-forme innovante (tr-FOSP) pour la mesure de haute résolution et d’intervention rapide d’une variété de paramètres physiques, notamment la température, de débit et de rayonnement. Les applications de cette Si-FOSP allant de recherche océanographique, industrie mécanique, à l’énergie de fusion.

Une plate-forme silicium pointe fibre optique télédétection haute résolution et une réponse rapide

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...

Cette méthode produit une plate-forme de détection de fibre optique innovante et adaptable. Le développement de la plate-forme a été piloté à l’origine par le des-ign pour créer un thermomètre sous-marin pour la caractérisation des turbulences des eaux océaniques. Les avantages de cette plate-forme incluent une sensibilité élevée, une réponse plus rapide et une petite taille, ainsi que l’excellente manufacturabilité due à l’utilisation des techniques de fabrication MEMS bien établies.Il peut être utilisé pour de nombreuses mesures liées à la température, telles que les mesures de température pour la caractérisation de la turbulence, les mesures du débit liquide et gazier, et le rayonnement du plasma à haute température dans une certaine fusion. Fabriquez le capteur sur un banc avec un spectromètre. La première étape consiste à fabriquer des piliers de silicium sur une plaquette de silicium.Cette gaufrette a des piliers autonomes prêts à être utilisés dans les capteurs. Un aperçu des piliers est dans ce schéma. Ils sont modelés à partir d’une plaquette de silicium poli à double face de 200 micromètres d’épaisseur, utilisant des méthodes standard de fabrication de systèmes micro-électromécaniques.Photorésiste est sur le dessus de chaque pilier et le substrat. Préparer la fibre lead-in en dépouillant le revêtement en plastique de la fibre optique. Utilisez un tissu de lentille trempé dans l’alcool pour nettoyer la section dépouillée.Prenez la fibre nettoyée à un couperet de fibre optique pour la fendre. Ensuite, acquérir de la colle curable UV et une glissade en verre. Mettez une petite goutte de colle curable UV sur la glissière en verre.Ensuite, balancez manuellement ou faites tourner la glissière pour distribuer la colle. La colle sera en fine couche à la surface. Obtenez la fibre fendillée lead-in et appuyez sur son visage d’extrémité contre la diapositive pour transférer la colle.Fixez l’extrémité opposée de la fibre à un interrogateur de capteur pour surveiller le spectre de réflexion. Ensuite, travaillez avec les piliers de silicium et l’extrémité fendillée de la fibre. Avoir la gaufrette avec les piliers sur une étape de traduction qui se déplace dans le plan horizontal.Fixez la fibre à un stade linéaire qui se déplace verticalement. Ajustez les étapes pour aligner la fibre avec l’un des piliers, tout en utilisant le spectre de réflexion en temps réel comme rétroaction. Ce spectre de réflexion est un exemple de celui qui suggère que l’alignement est satisfaisant.Placez la fibre en contact avec le pilier pour les attacher, une fois que le spectre est satisfaisant. Une fois que le pilier et la fibre sont attachés, guérir le lien sous une lampe UV. Lorsque le séchage est terminé, soulevez la fibre avec le stade de traduction verticale pour la détacher et le pilier de silicium du substrat.Inspectez la tête du capteur au microscope pour examiner sa géométrie. Il s’agit d’un capteur typique fabriqué avec succès. Rassemblez les matériaux pour fabriquer un capteur de haute finesse.Cela inclut des fragments d’une gaufrette de silicium poli à double face, avec une couche d’or pulvérisée d’un côté, considérée comme jaune. L’autre côté a une réflectivité élevée, revêtement miroir diélectrique, considéré comme bleu. Ensuite, préparez le plomb collimé en fibre en épissant une courte section de fibre multi-mode à index classé avec une fibre à mode unique.Fendre la fibre multi-mode. Comme décrit dans ce schéma, former un collimateur de fibre en cleaving la fibre multi-mode d’index classé pour être un quart de la période de la trajectoire de lumière. Maintenant, sur une glissière en verre, placez une petite goutte de colle curable UV.Après avoir aminci la colle en balançant ou en endussant manuellement la glissière, appuyez sur l’extrémité de fibre multi-mode à index classé contre la glissière pour transférer la colle. Connectez l’autre extrémité de la fibre à un interrogateur de capteur pour surveiller le spectre de réflexion. Ensuite, placez un fragment de la plaquette sur l’étape de traduction horizontale.Avoir le côté diélectrique pointant vers le haut. Placez la fibre préparée dans la phase de traduction verticale et déplacez-la vers le fragment pour fixer les deux pièces. Comparative avec le tissu de faible finesse jumelé capteurs de fusion infrarouge, la fabrication de capteurs de haute finesse, a une exigence la plus rigoureuse comme un alignement optique de la fibre de premier plan avec l’élément de silicium.Placer la fibre et les fragments de gaufrettes attachés, sous une lampe UV pour guérir. Il s’agit d’un exemple de l’assemblage après le séchage, quand il est prêt pour les prochaines étapes. Avant de procéder, polir le fragment en forme de disque.Examinez la tête du capteur au microscope, pour vous assurer qu’elle a la forme désirée. Incorporez le dispositif de faible finesse complété dans un système de démodulation. Le système est simple, et ne comporte que quelques éléments.Un spectromètre et un ordinateur. C’est la configuration, sous forme schématique. Il existe une source à large bande, avec sortie, à travers une fibre optique.La fibre va au port un d’un circulateur optique. La fibre optique du port deux du circulateur, est épissée à la fibre de plomb, du capteur de faible finesse. Connectez le port trois du circulateur à un spectromètre à grande vitesse.Utilisez un ordinateur connecté au spectromètre pour le stockage de données. Vérifiez le spectre du capteur, pour vous assurer que le système fonctionne correctement. Ce spectre est typique.Préparez un système de démodulation avec le capteur de haute finesse. La configuration n’est que légèrement plus compliquée que le système de démodulation à faible finesse. Malgré cela, la configuration ne comporte encore que quelques éléments.Utilisez un laser de rétroaction distribué, connecté à un contrôleur actuel. Connecter la sortie laser via la fibre optique au port d’un circulateur optique La fibre du port deux du circulateur, est épissée au capteur de haute finesse. Connectez le port trois du circulateur optique à un détecteur photo.Les données du détecteur photo, va à un dispositif d’acquisition de données, et dans un ordinateur. Vérifiez le spectre du capteur, pour vous assurer que le système fonctionne correctement, et donne un spectre typique. Un capteur système de faible finesse, conçu pour mesurer les thermoclines en eau libre, a recueilli les données d’essai sur le terrain en bleu.Les courbes rouge et noir sont des mesures effectuées avec des instruments de référence actuellement disponibles sur le marché. Un examen plus proche des données, suggère qu’un système de capteur de faible finesse fournit plus de détails. Les données en rouge, proviennent d’une configuration de capteur de faible finesse, comme un capteur d’écoulement situé dans un réservoir d’eau.Les données en noir, proviennent d’un capteur de flux commercial de référence. Les deux sont généralement d’accord. Toutefois, lorsque l’eau est calme, le capteur de faible finesse présente une réponse beaucoup plus claire.Un capteur de haute finesse est prometteur comme un bolomètre robuste à haute résolution, pour mesurer les émissions de photons dans les plasmas. Ces résultats comparent le capteur de haute finesse, avec un bolomètre résistatif. Gardez à l’esprit qu’un capteur fait de colle UV de base ne sont pas destinés à des applications supérieures à 100 degrés Celsius, en raison de la stabilité réduite de l’époxy à des températures élevées.Attacher la fibre principale et l’im-pe-der acide avec l’épissage de fusion, peut mener à une plate-forme de capteur d’augmenter la température environ 1.000 degrés Celsius ;permettant d’autres applications passionnantes dans des environnements à haute température. Des exemples d’applications à haute température incluent les chauffe-macro, les émetteurs infrarouges et la surveillance de la température en pouces dans les centrales électriques. Lorsque vous utilisez la lampe UV et les lasers, assurez-vous de porter un manteau de laboratoire et des lunettes de sécurité laser pour protéger votre peau et vos yeux.

Research

JoVE Journal

Engineering

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Terahertz détection microfluidique en utilisant un capteur de guide d&#39;ondes à plaques parallèles

Refractive index (RI) sensing is a powerful noninvasive and label-free sensing technique for the identification, detection and monitoring of microfluidic ...

Recherche

Ingénierie

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

Construction d&#39;un microscope à haute résolution avec des capacités de piégeage optique classique et holographique

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

Synthèse et Microdiffraction à des pressions et des températures extrêmes

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

Quasi-résonance à haute résolution Phonon assistée Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

High-resolution Thermal Micro-imaging Using Europium Chelate Luminescent Coatings

Haute résolution Micro-imagerie thermique à l&#39;aide d&#39;europium chélate luminescentes Revêtements

Micro-electronic devices often undergo significant self-heating when biased to their typical operating conditions. This paper describes a convenient ...

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

Fibre optique Capteurs distribués pour haute résolution cartographie des champs de température

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

Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets

Strain Sensing Basé sur Multiscale Composite Materials Renforcé avec graphène nanoplaquettes

The electrical response of NH2-functionalized graphene nanoplatelets composite materials under strain was studied. Two different manufacturing methods are ...

A High Performance Impedance-based Platform for Evaporation Rate Detection

Une plate-forme pour la détection Taux d&#39;évaporation à base d&#39;impédance haute performance

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was ...

Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs

Méthode d'enregistrement des spectres d'émission à haute résolution à large bande des arcs de foudre de laboratoire

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional ...