Entwicklung von Whispering Gallery-Modus polymeren Mikro-optische Electric Field Sensoren
Summary
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.
Abstract
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 "whispering gallery modes" (WGM) oder "Morphologie Resonanzen" (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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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
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