Ontwikkeling van Whispering Gallery Mode Polymeer Micro-optische Electric Field Sensors
Summary
De zeer gevoelige fotonische micro sensor is ontwikkeld voor elektrisch veld detectie. De sensor maakt gebruik van de optische modi van een diëlektrische bol. Veranderingen in het externe elektrische veld verstoren het gebied morfologie leiden tot verschuivingen van de optische modes. De elektrische veldsterkte wordt gemeten door deze optische verschuivingen.
Abstract
Optische vormen van diëlektrische micro-holtes zijn in aanzienlijke mate aandacht in de afgelopen jaren voor hun potentieel in een breed scala van toepassingen. De optische modi worden vaak aangeduid als "Whispering Gallery modes" (WGM) of "morfologie afhankelijke resonanties" (MDR) en vertonen een hoge optische kwaliteit factoren. Sommige voorgestelde toepassingen van micro-cavity optische resonatoren zijn in spectroscopie 1, micro-cavity laser technologie 2, optische communicatie drie-zes en sensortechnologie. De WGM-gebaseerde sensor toepassingen omvatten die in de biologie 7, spoor gasdetectie 8 en onzuiverheid detectie in vloeistoffen 9. Mechanische sensoren gebaseerd op microsferen resonators zijn ook voorgesteld, waaronder die voor werking 10,11, druk 12, versnelling 13 en afschuifspanning 14. In de huidige, demonstreren we een WGM-based elektrische veld sensor, die voortbouwt op onze vorige studies 15,16. Een kandidaat toepassing van deze sensor is bij de detectie van neuronale actiepotentiaal.
Het elektrische veld sensor is gebaseerd op polymere meerlagige dielektrische microsferen. Het externe elektrische veld induceert oppervlak en volume krachten op de parels (elektrostrictie effect) leidt tot elastische vervorming. Deze verandering in de morfologie van de sferen, leidt tot verschuivingen in de WGM. Het elektrische veld-geïnduceerde WGM verschuivingen worden ondervraagd door spannende de optische modi van de sferen door middel van laserlicht. Licht van een verdeelde terugkoppeling (DFB) laser (nominale golflengte van ~ 1,3 pm) is zijdelings gekoppeld in de microsferen met een taps gedeelte van een single mode optische vezel. Het basismateriaal van de sferen is polydimethylsiloxaan (PDMS). Drie microsfeer geometrieën worden gebruikt: (1) PDMS bol met een 60:1 volumeverhouding van base-to-harder-mengsel, (2) meerlaagse gebied met 60:1 PDMS kern om de diëlektrische constante van th verhogene bol, een middenlaag van 60:1 PDMS die wordt gemengd met verschillende hoeveelheden (2% tot 10% in volume) van bariumtitanaat en een buitenlaag van 60:1 PDMS en (3) vast silica bol bedekt met een dunne laag van niet uitgeharde PDMS basis. In elk type sensor wordt laserlicht uit de tapse vezel gekoppeld in de buitenste laag die een hoge optische kwaliteitsfactor WGM (Q ~ 10 6) bepaalt. De microsferen worden gepoold gedurende verscheidene uren bij elektrische velden ~ 1 MV / m hun gevoeligheid voor elektrische veld verhogen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kogels zijn aanvankelijk gepoold door verbinden van de elektroden met een DC hoogspanningsvoeding. Aan het einde van de poling duur worden de elektrodedraden losgekoppeld van de DC spanning en verbonden met een functiegenerator zoals aangegeven in figuur 4. De resultaten in Figuren 5 tot 8 tonen dat positieve en negatieve elektrische velden (opzichte richting polariteit) tot bol rek en compressie respectievelijk. Gebied I, een enkele laag 60:1 PDMS heeft een elektris…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek wordt gesponsord door het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency onder Centers in geïntegreerde fotonica Onderzoek (cipher) programma met Dr J. Scott Rodgers als projectmanager. De informatie in dit rapport niet noodzakelijk het standpunt of het beleid van de Amerikaanse regering en geen officiële goedkeuring dient te worden afgeleid.
Materials
| Company | Catalogue number | Comments (optional) | |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| Silica fiber | Fiber Instrument Sales | E-37AP15-FIS | |
| Barium Titanate (BaTiO3) nanoparticles | Sigma Aldrich | 467634-100G | |
| Laser Controller | ILX Lightwave | LDC-3724B | |
| DFB Laser | Agere | Agere 2300 | 1.310 μm central wavelength |
| Photodiode | Thorlabs | PDA10CS | |
| A/D Card | National Instruments | PXI 6115 |
References
- von Klitzing, W. Tunable whispering gallery modes for spectroscopy and CQED experiments. New journal of physics. 3, 14.1-14.14 (2001).
- Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J., Sercel, P. C. Fiber-coupled microsphere laser. Optics letters. 25 (19), 1430-1432 (2000).
- Tapalian, H. C., Laine, J. P., Lane, P. A. Thermooptical switches using coated microsphere resonators. IEEE photonics technology letters. 14 (8), 1118-1120 (2002).
- Little, B. E., Chu, S. T., Haus, H. A. Microring resonator channel dropping filters. Journal of lightwave technology. 15, 998-1000 (1997).
- Offrein, B. J., Germann, R., Horst, F., Salemink, H. W. M., Beyerl, R., Bona, G. L. Resonant coupler-based tunable add-after-drop filter in silicon-oxynitride technology for WDM networks. IEEE journal of selected topics in quantum electronics. 5, 1400-1406 (1999).
- Ilchenko, V. S., Volikov, P. S., et al. Strain tunable high-Q optical microsphere resonator. Optics communications. 145, 86-90 (1998).
- Arnold, S., Khoshsima, M., Teraoka, I., Holler, S., Vollmer, F. Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption. Optics. 28 (4), 272-274 (2003).
- Rosenberger, A. T., Rezac, J. P. Whispering-gallery mode evanescent-wave microsensor for trace-gas detection. Proceedings of SPIE. 4265, 102-112 (2001).
- Ioppolo, T., Das, N., Ötügen, M. V. Whispering gallery modes of microspheres in the presence of a changing surrounding medium: A new ray-tracing analysis and sensor experiment. Journal of applied physics. 107, 103105 (2010).
- Ioppolo, T., Ayaz, U. K., Ötügen, M. V. High-resolution force sensor based on morphology dependent optical resonances of polymeric spheres. Journal of applied physics. 105 (1), 013535 (2009).
- Ioppolo, T., Kozhevnikov, M., Stepaniuk, V., Ötügen, M. V., Sheverev, V. Micro-optical force sensor concept based on whispering gallery mode resonances. Applied optics. 47 (16), 3009-3014 (2008).
- Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Pressure tuning of whispering gallery mode resonators. Journal of optical society of America B. 24 (10), 2721-2726 (2007).
- Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Effect of acceleration on the morphology dependent optical resonances of spherical resonators. Journal of optical society of America B. 28, 225-227 (2011).
- Ayaz, U. K., Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Wall shear stress sensor based on the optical resonances of dielectric microspheres. Measurement science and technology. 22, 075203 (2011).
- Ioppolo, T., Ayaz, U. K., Ötügen, M. V. Tuning of whispering gallery modes of spherical resonators using an external electric field. Optics express. 17 (19), 16465-16479 (2009).
- Ioppolo, T., Stubblefield, J., Ötügen, M. V. Electric field-induced deformation of polydimethylsiloxane polymers. Journal of applied physics. 112, 044906 (2012).
- Manzo, M., Ioppolo, T., Ayaz, U. K., LaPenna, V., Ötügen, M. V. A photonic wall pressure sensor for fluid mechanics applications. Review of scientific instrumentation. 83, 105003 (2012).
