Desarrollo de la Whispering Gallery Mode poliméricos micro-ópticos Sensores de campos eléctricos
Summary
Un sensor de micro de alta sensibilidad fotónica fue desarrollado para la detección de campo eléctrico. El sensor explota los modos ópticos de una esfera dieléctrica. Los cambios en el campo eléctrico externo perturbar la morfología esfera que conduce a cambios en sus modos ópticos. La intensidad de campo eléctrico se mide mediante el control de estos cambios ópticos.
Abstract
Modos ópticos dieléctricos de micro-cavidades han recibido mucha atención en los últimos años por su potencial en una amplia gama de aplicaciones. Los modos ópticos se refiere con frecuencia como "susurro modos Gallery" (WGM) o "resonancias morfológicas dependientes" (MDR) y muestran altos factores de calidad óptica. Algunas aplicaciones propuestas de micro-cavidad resonadores ópticos son en espectroscopia 1, micro-cavidad tecnología láser 2, comunicaciones ópticas 3-6, así como la tecnología de sensor. Las aplicaciones de sensores basados en WGM incluyen aquellos en biología 7, detección de rastros de gas 8, y la detección de impurezas en líquidos 9. Sensores mecánicos basados en resonadores de microesferas también han sido propuestas, incluyendo aquellos para la fuerza de 10,11, 12 de presión, aceleración 13 y la tensión de cizallamiento 14. En la actualidad, se demuestra un sensor basado en WGM campo eléctrico, que se basa en nuestra studi anteriores 15,16. Una aplicación candidato de este sensor es en la detección de potencial de acción neuronal.
El sensor de campo eléctrico está basado en microesferas poliméricas multicapa dieléctrico. El campo eléctrico externo induce la superficie y las fuerzas del cuerpo en las esferas (efecto electrostricción) que conducen a la deformación elástica. Este cambio en la morfología de las esferas, conduce a cambios en la WGM. El campo eléctrico inducido cambios WGM son interrogados por los emocionantes modos ópticos de las esferas de luz láser. La luz de una realimentación distribuida (DFB) láser (longitud de onda nominal de ~ 1,3 micras) es de lado acoplado en las microesferas usando una sección ahusada de una fibra de modo óptico único. El material de base de las esferas es el polidimetilsiloxano (PDMS). Tres geometrías de microesferas se utiliza: (1) esfera PDMS con una relación volumétrica 60:1 de base-a-curado mezcla de agente, (2) la esfera de múltiples capas con 60:1 PDMS núcleo, con el fin de aumentar la constante dieléctrica del the esfera, una capa intermedia de 60:1 de PDMS que se mezcla con cantidades variables (2% a 10% en volumen) de titanato de bario y una capa externa de 60:1 PDMS y (3) la esfera de sílice sólida revestida con una capa delgada de base de PDMS sin curar. En cada tipo de sensor, la luz láser de la fibra cónica se acopla a la capa más externa que proporciona alta calidad óptica factor de WGM (Q ~ 10 6). Las microesferas se polariza durante varias horas a campos eléctricos de ~ 1 MV / m para aumentar su sensibilidad al campo eléctrico.
Protocol
Representative Results
Discussion
Las esferas están inicialmente polarizada mediante la conexión de los electrodos a una fuente de alta tensión continua. Al final de la duración de polarización, los cables de los electrodos se desconecta de la fuente de tensión de CC y conectado a un generador de funciones, como se indica en la Figura 4. Los resultados presentados en las figuras 5 a 8 muestran que los campos eléctricos positivos y negativos (con respecto a la dirección de polarización) conducen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación está patrocinada por los EE.UU. Defense Advanced Research Projects Agency en Centros de Investigación de Ingeniería Fotónica Integrada (cifra) programa con el Dr. J. Scott Rodgers como gerente del proyecto. La información proporcionada en este informe no refleja necesariamente la posición o la política del gobierno de EE.UU. y ningún patrocinio oficial reales.
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).
