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

Detta arbete stöds av US Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); USA-kontoret av marin forskning (Nos. N000141410139, N000141410456); US Department of Energy (Nos. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).

1. tillverkning av låg-finess sensorer
<ol><li>Fabricera kisel pelarna. Mönster en bit av 200-µm tjock dubbel-sida-polerad (DSP) kisel wafer i fristående kisel pelare (figur 2a), använder standard micro-Elektro-mekaniska system (MEMS) tillverkning underlättar. Obs: Mönstrade rånet är limmade på en annan större silicon wafer med ett tunt lager av fotoresist. Fotoresist limning kraft är stark nog att hålla pelarna upprätt, men också tillräckligt svag för att lossna från ...

<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>

Valet av storlek (längd och diameter) kisel FPI sker vid avvägning mellan krav på upplösning och hastighet. I allmänhet en mindre storlek ger en högre hastighet men minskar också den resolution2. En kort längd är fördelaktigt för att erhålla en högre hastighet, men det är inte överlägsen för att erhålla en hög upplösning på grund av den utökade FWHM av reflektion skårorna. Med HR beläggningar för att minska FWHM kan bidra till att förbättra resolutionen, men det kommer a...

Fiberoptiska sensorer (FOSs) har varit i fokus för många forskare på grund av dess unika egenskaper, såsom dess liten storlek, dess låga kostnader, dess lätta vikt och dess immunitet mot elektromagnetiska störningar (EMI)1. Dessa FOSs har hittat breda tillämpningar inom många områden såsom miljöövervakning, ocean övervakning, oljeprospektering och industriell process bland andra. När det kommer till den temperatur-relaterade avkänning, den traditionella FOSs inte är överlägsen när det gäller upplösning och hastighet för de fall där mätning av minut och snabba temperaturvariationer är önskvärt. Dessa begränsningar härrör från optiska och termiska egenskaper av smält kiseldioxid material som bygger på många traditionella FOSs. Å ena sidan är de thermo-optic koefficient (TOC) och värmeutvidgningskoefficient (TEC) av kvarts 1.28x10-5 RIU / ° C 5.5x10-7 m/(m·°C), respektive; dessa värden leda till en temperatur känslighet på endast ca 13 pm / ° C omkring 1550 nm våglängd. Däremot, den termisk diffusivitet, som är ett mått på hastigheten på temperatur förändring i Svaren till termisk energiutbyte, är endast 1.4x10-6 m2/s för kiseldioxid; Detta värde är inte överlägsen för att förbättra hastigheten på kisel-baserade FOSs.
Den fiberoptiska fjärranalys plattform (FOSP) rapporterade i den här artikeln bryter ovanstående begränsningar av smält kiseldioxid-baserade FOSs. Den nya FOSP använder kristallint kisel som nyckeln avkänning material, som utgör en hög kvalitet Fabry-Perot interferometer (FPI) på slutet av fiber, här kallade kisel-tippade FOSP (Si-FOSP). Figur 1 visar schematiskt och operativa principen om sensorn huvudet, som är kärnan i den Si-FOSP. Sensor huvudet består huvudsakligen av en kisel FPI, vars reflektion spektrum ligger en serie av periodiska fransar. Destruktiv interferens uppstår när OPL uppfyller 2nL = Nλ, där n och L är brytningsindex och längd av kisel FP kaviteten, respektive, och N är ett heltal som är ordningen på fringe skåran. Därför är placerar av störningar fransar lyhörda för OPL av kisel-kaviteten. Beroende på vilka specifika program, kisel FPI kan göras i två typer: låg-finess FPI och hög-finess FPI. Låg-finess FPI har en låg reflektivitet för båda ändarna av kisel kaviteten, medan hög-finess FPI har en hög reflexionsförmåga för båda ändarna av kisel-kaviteten. Reflectivities av kisel-air och silicon-fiber gränssnitt är ungefär 30% och 18%, således den enda kiseln FPI visas i figur 1a är i huvudsak en låg-finess FPI. Genom att täcka ett tunt hög-reflektionsförmåga (HR) lager på båda ändar, bildas en hög-finess kisel FPI är (figur 1b). Reflektionsförmåga av HR beläggningen (dielektrisk eller guld) kan vara så hög som 98%. För båda typerna av Si-FOSP ökar både n och L när temperaturen ökar. Således, genom att övervaka fringe skiftet, temperaturvariationen kan härledas. Observera att för samma mängd våglängd Skift, hög-finess FPI ger en bättre diskriminering på grund av den mycket smalare fringe skåran (figur 1 c). Medan den hög-finess Si-FOSP har bättre upplösning, har den låg-finess Si-FOSP ett större dynamiskt omfång. Valet mellan dessa två versioner är därför beroende av kraven i ett visst program. Dessutom på grund av den stora skillnaden i full bredd på halva maximum (FWHM) av låg-finess och hög-finess kisel FPIs är deras signal demoduleringen metoder olika. Till exempel den teoretiska FWHM 1,5 nm reduceras av om 50 gånger till endast 30 pm när båda ändarna av den enda kiseln FPI är belagda med ett 98% HR lager. Därför, för det låg-finess Si-FOSP, en höghastighets spektrometer skulle räcka för datainsamling och bearbetning, medan en scanning laser bör användas till demodulerar den hög-finess Si-FOSP på grund av den mycket smalare FWHM som inte kan matchas väl med den spektrometer. De två demodulering metoderna förklaras i protokollet.
Silicon material valda här är överlägsen för temperaturkännande när det gäller upplösning. Som en jämförelse är av TOC och TEC av kisel 1.5x10-4 RIU / ° C och 2.55x10-6 m/(m∙°C), respektive leder till en temperatur känslighet runt 84,6 pm / ° C som är ungefär 6,5 gånger högre än för alla kiselbaserade FOSs2.  Förutom denna mycket högre känslighet, har vi visat en genomsnittlig våglängd spårning metod för att sänka ljudnivån och därmed förbättra upplösning för en låg-finess-sensor, vilket leder till en temperatur upplösning på 6 x 10-4 ° C 2, i jämförelse till resolution av 0,2 ° C för en alla kiseldioxid-baserade FOS3. Upplösningen förbättras ytterligare för att vara 1.2x10-4 ° C för en hög-finess version4.  Kisel är också överlägsen för avkänning när det gäller snabbhet. Som en jämförelse är den termisk diffusivitet av kisel 8.8x10-5 m2/s, vilket är mer än 60 gånger högre än för kiseldioxid2.  0,51 ms responstid för en kisel FOS har varit kombinerat med ett litet fotavtryck (t.ex., 80 µm diameter, 200 µm tjocklek), och visat2, i jämförelse med de 16 ms en mikro-silica-fiber koppling tip temperatur sensor5.  Även om en del forskning arbete relaterade till temperaturmätning med mycket tunn silicon film som sensing materialet har rapporterats av andra grupper6,7,8,9, ingen av dem besitter utförandet av våra sensorer gäller upplösning eller hastighet. Till exempel sensorn med en upplösning på endast 0,12 ° C och en lång svarstid på 1 s rapporterades. 7 en bättre temperatur upplösning 0,064 ° c har varit rapporterade10;  hastigheten begränsas dock av den relativt skrymmande sensorhuvud. Vad gör de Si-FOSP unika lögnerna i ny tillverkning metod och databehandling algoritm.
Förutom ovanstående fördelarna för temperaturkännande, de Si-FOSP kan också utvecklas till en mängd-relaterad sensorer som syftar till att mäta olika parametrar, såsom gas trycket11, luft eller vatten flöde12,13 ,14 , och strålning4,15.  Denna artikel presenterar en detaljerad beskrivning av sensorn tillverkning och signal demoduleringen protokoll tillsammans med tre representativa användningsområden och deras resultat.

<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

I denna artikel införa vi en innovativa och praktiskt lovande fiberoptiska fjärranalys plattform (FOSP) som vi föreslagit och visade nyligen. Denna FOSP är beroende av en silicon Fabry-Perot interferometer (FPI) fäst vid fiber slutet, kallas Si-FOSP i detta arbete. De Si-FOSP genererar en interferogram som bestäms av den optiska ljuspassagelängden (OPL) av kisel-kaviteten. Mätstorhet förändrar OPL och således skiftar interferogram. På grund av de unika optiska och termiska egenskaperna av silicon material uppvisar detta Si-FOSP en fördelaktiga resultat i fråga om känslighet och hastighet. Dessutom förser mogen silicon tillverkning branschen den Si-FOSP med utmärkt reproducerbarhet och låg kostnad mot praktiska tillämpningar. Beroende på vilka specifika program, antingen en låg-finess eller hög-finess version kommer att utnyttjas, och två olika data demoduleringen metoder kommer att antas med detta. Detaljerade protokoll för fabricera båda versionerna av den Si-FOSP kommer att tillhandahållas. Tre representativa användningsområden och deras enligt resultat visas. Den ena är en prototyp undervattens termometer för profilering ocean temperaturskikt, den andra är en flödesmätare att mäta flöde hastighet i havet, och den sista är en bolometer som används för att övervaka avgaserna strålning från magnetiskt begränsas hög temperatur plasma.

Si-FOSP som en undervattens termometer för profilering ocean temperaturskikt Senaste oceanografiska forskning har visat att suddigheten undervattens Imaging härrör inte bara från grumlighet i förorenade vatten men också från temperatur mikrostrukturer i ren ocean17,18. Den sistnämnda effekten har varit i fokus för många oceanografer, som syftar till att hitta ett effektivt sätt att åtgärda suddiga ...

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

Detta arbete rapporterar en innovativ kisel-tippas fiberoptiska fjärranalys plattform (Si-FOSP) för hög upplösning och snabb respons mätning av en mängd fysiska parametrar såsom temperatur, flöde och strålning. Tillämpningar av detta Si-FOSP spänner från oceanografiska forskning, mekanisk industri, till forskning om fusionsenergi.

En Silicon-tippas fiberoptiska avkänning plattform med hög upplösning och snabb respons

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

Denna metod ger en innovativ, anpassningsbar fiberoptisk avkänningsplattform. Utvecklingen av plattformen drevs ursprungligen av des-ign att skapa en undervattenstermometer för turbulenskarakterisering av havsvatten. Fördelar med denna plattform inkluderar hög känslighet, snabbare respons och liten storlek, tillsammans med den utmärkta manufacturability på grund av användningen av den väletablerade MEMS tillverkningsteknik.Den kan användas för många temperaturrelaterade mätningar, såsom temperaturmätningar för turbulenskarakterisering, vätske- och gasflödesmätningar, och strålningen från högtemperaturplasma vid viss fusion. Fabricera sensorn på en bänk med en spektrometer. Det första steget är att fabricera kiselpelare på en kiselrån.Detta rån har fristående pelare som är klara att användas i sensorer. En översikt över pelarna finns i denna schematiska. De är mönstrade från en 200 mikrometer tjock, dubbel sida polerad kisel wafer, med hjälp av standard mikro-elektromekaniska system tillverkningsmetoder.Fotoresist är på toppen av varje pelare och substratet. Förbered bly-i fiber genom att strippa bort plastbeläggningen av den optiska fibern. Använd en linsvävnad doppad i alkohol för att rengöra den avskalade delen.Ta den rengjorda fibern till en optisk fiberyxa för att klyva den. Därefter förvärva UV-härdbart lim och en glasrutschkana. Sätt en liten droppe av UV-härdbara lim på glasglaset.Sedan, manuellt svänga eller spin-coat bilden för att fördela limmet. Limmet kommer att vara i ett tunt lager på ytan. Få den klyvda bly-i fiber och tryck dess änd ansikte mot bilden för att överföra limmet.Fäst den motsatta änden av fibern till en sensor interrogator för övervakning av reflektionsspektrumet. Sedan, arbeta med kisel pelarna och fiberns klyvda änden. Ha wafer med pelarna på en översättning skede som rör sig i det horisontella planet.Fixera fibern till ett linjärt stadium som rör sig vertikalt. Justera stadierna för att anpassa fibern till en av pelarna, medan du använder reflektionsspektrumet i realtid som återkoppling. Detta reflektionsspektrum är ett exempel på ett som tyder på att anpassningen är tillfredsställande.Placera fibern i kontakt med pelaren för att fästa dem, när spektrumet är tillfredsställande. När pelaren och fibern är fastsatta, botar du bindningen under en UV-lampa. När härdningen är klar lyfter du fibern med det vertikala översättningsstadiet för att lossa den och kiselpelaren från underlaget.Inspektera sensorhuvudet under ett mikroskop för att undersöka dess geometri. Detta är en typisk framgångsrikt fabricerade sensor. Samla ihop materialen för att fabricera en sensor med hög finess.Detta inkluderar fragment från en dubbelsidig polerad kisel wafer, med en sputtered guld lager på ena sidan, ses som gul. Den andra sidan har en högreflektivitet, dielektrisk spegelbeläggning, ses som blå. Därefter förbereda den collimated bly i fiber genom att splitsa en kort sektion av graderad-index multi-mode fiber med en enda-läge fiber.Klyva multilägesfibern. Som skildras i denna schematiska, bilda en fiber kollimator genom att klyva graderade-index multi-mode fiber vara en fjärdedel av perioden av ljuset banan. Nu, på en glasrutschbana, placera en liten droppe UV-härdbart lim.Efter gallring limmet genom att manuellt svänga eller snurra-beläggning bilden, tryck graderad-index multi-mode fiber mot bilden för att överföra lim. Anslut den andra änden av fibern till en sensor interrogator för övervakning av reflektionsspektrumet. Därefter placerar ett fragment av wafer på den horisontella översättningsstadiet.Få den dielektriska sidan att peka uppåt. Placera den förberedda fibern i den vertikala översättningsstadiet och för den mot fragmentet för att fästa de två bitarna. Jämförande med den låga finess tyg parade infraröda sammanslagning sensorer, tillverkning av hög finess sensorer, har en mest stränga krav som en optisk anpassning av den ledande fiber med kisel elementet.Placera fiber och bifogade wafer fragment, under en UV-lampa för att bota. Detta är ett exempel på monteringen efter härdning, när den är klar för nästa steg. Innan du fortsätter, polera fragmentet till en disk-liknande form.Undersök sensorhuvudet under ett mikroskop, för att se till att det har önskad form. Införliva den färdiga låga finessenheten i ett demoduleringssystem. Systemet är rakt fram, och innebär endast ett fåtal element.En spektrometer och en dator. Detta är inställningen, i schematisk form. Det finns en bredbandskälla, med utgång, genom en optisk fiber.Fibern går till port ett av en optisk cirkulationspump. Den optiska fibern från port två av cirkulationscirkulationspumpen, skarvas till lead-in fibern, av den låga finessssensorn. Anslut port tre av cirkulationspumpen, till en hög hastighet spektrometer.Använd en dator som är ansluten till spektrometern för datalagring. Kontrollera spektrumet av sensorn, för att se till att systemet fungerar korrekt. Detta spektrum är typiskt.Förbered ett demoduleringssystem med den höga finesssensorn. Upplägget är bara något mer komplicerat än det låga finesserade demoduleringssystemet. Trots detta innebär installationen fortfarande bara några element.Använd en distribuerad återkopplingslaser, ansluten till en aktuell styrenhet. Anslut laserutgången via optisk fiber till port en av en optisk cirkulationspump Fibern från port två av cirkulationspumpen, är skarvade till den höga finesssensorn. Anslut port tre av den optiska cirkulationspumpen, till en fotodetektor.Data från fotodetektorn, går till en datainsamlingsenhet och in i en dator. Kontrollera spektrat av sensorn, för att se till att systemet fungerar korrekt, och ger ett typiskt spektrum. En låg finess systemsensor, utformad för att mäta termoliner i öppet vatten, samlade in fälttestdata i blått.De röda och svarta kurvorna är mätningar gjorda med referensinstrument som för närvarande finns på marknaden. En närmare titt på data, tyder på att en låg finess sensorsystem ger mer detaljer. Uppgifterna i rött, är från en låg finess sensor setup, som en flödessensor belägen i en vattentank.Datan i svart, är från en hänvisa till reklamfilmflödesavkännare. De två är i allmänhet överens. Men när vattnet är lugnt, den låga finess sensor uppvisar en mycket tydligare svar.En hög finesssensor är lovande som en robust hög upplösning bolometer, för att mäta foton utsläpp i plasma. Dessa resultat jämför den höga finesssensorn, med en resistiv bolometer. Tänk på att en sensor tillverkad av bas UV-lim inte är avsedda för applikationer över 100 grader Celsius, på grund av den minskade stabiliteten hos epoxin vid höga temperaturer.Fästa den ledande fiber och sura im-pe-der med fusion splitsar, kan leda till en sensor plattform för att höja temperaturen ca 1, 000 grader Celsius;möjliggör andra spännande tillämpningar i hög temperatur miljöer. Exempel på högtemperaturapplikationer är makrovärmare, infraröda utsändare och temperaturövervakning i tum vid kraftverken. Medan du använder UV-lampan och lasrarna, se till att du bär en labbrock och en laser skyddsglasögon för att skydda din hud och ögon.

Research

JoVE Journal

Engineering

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Terahertz Mikroflödessystem Sensing Använda en vågledare med parallella plattor sensor

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

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

Högupplöst, hög hastighet, tredimensionell video Imaging med Digital Fringe Projection Tekniker

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

Konstruktion av en högupplöst mikroskop med konventionella och holografiskt optiskt fångstmetoder Capabilities

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

Syntes och Microdiffraction vid extrema tryck och temperaturer

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

Hög upplösning Phonon-assisterad Quasi-resonans fluorescens spektroskopi

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

Högupplöst Termisk Micro-avbildning med europiumkelat Självlysande Coatings

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

Fiberoptiska Distribuerade sensorer för hög upplösning Temperatur Field Mapping

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

Stam Sensing Baserat på Multiscale Composite Materials förstärkt med Graphene Nanoplatelets

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

En högpresterande Impedans-baserad plattform för Avdunstningshastighet Detection

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

Metod för att registrera bredbands högupplöst emission spektra av laboratorie blixtar

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