Развитие шепчущей галереи Режим полимерные микро-оптические датчики электрического поля
Summary
Высокая чувствительность микро-фотонных датчиков был разработан для обнаружения электрического поля. Датчик использует оптические моды диэлектрического шара. Изменения во внешнем электрическом поле возмущает области морфологии, ведущие к изменениям в его оптической моды. Напряженность электрического поля измеряется с помощью оптического мониторинга этих сдвигов.
Abstract
Оптический режимов диэлектрических микро-полостей получили значительное внимание в последние годы их потенциал в широком диапазоне применений. Оптическими модами, которые часто упоминаются как "шепчущей галереи" (МШГ) или «Морфология зависимость резонансов" (MDR) и обладают высоким оптическим качеством факторов. Некоторые предлагаемые применения микро-полости оптического резонатора, в спектроскопии 1, микро-полости лазерные технологии 2, 3-6 оптической связи, а также сенсорной технологии. WGM-приложений на основе датчиков включают в биологии 7, следов обнаружения газа 8, а примеси обнаружения в жидкости 9. Механические датчики на основе микросфер резонаторов также были предложены, в том числе для силовых 10,11, давление 12, 13 и ускорения напряжение трения на стенке 14. В настоящее время мы демонстрируем WGM на основе электрического поля датчика, который основывается на нашем предыдущем StudiES 15,16. Кандидат применения этого датчика для обнаружения нейрона потенциала действия.
Электрический датчик поля на основе полимерных многослойных диэлектрических микросфер. Внешнее электрическое поле индуцирует поверхностных и объемных сил на сферах (электрострикции эффект) приводит к упругой деформации. Это изменение в морфологии сферах, приводят к сдвигам в WGM. Индуцированного электрическим полем WGM сдвиги опрошенных захватывающие оптические моды сферах лазерным светом. Свет от распределенной обратной связью (DFB) лазер (номинальная длина волны ~ 1,3 мкм) стороны связанными в микросферы помощью конической части в одиночном режиме оптического волокна. Материальной базы сферы является полидиметилсилоксана (PDMS). Три геометрии микросферы используются: (1) PDMS сферы с соотношением 60:1 объемная база-отверждения смеси агента, (2) нескольких сфере слой с 60:1 PDMS ядро, с целью повышения диэлектрической проницаемости еэлектронной сфере, средний слой PDMS 60:1, который смешивают с различными количествами (2% до 10% по объему) титаната бария и внешним слоем PDMS 60:1 и (3) твердой сферы диоксида кремния покрыты тонким слоем неотвержденных базе PDMS. В каждом типе датчика, лазерный свет с коническим волокно вводится в наружный слой, который обеспечивает высокое оптическое качество фактор WGM (Q ~ 10 6). Микросферы поляризованных течение нескольких часов при электрическом полях ~ 1 МВ / м увеличить их чувствительность к электрическому полю.
Protocol
Representative Results
Discussion
Сферы, первоначально поляризованных путем подключения электродов для постоянного тока высокого напряжения. В конце избирательные продолжительности, электродов провода отключены от сети постоянного напряжения и подключен к генератору функций, как показано на рисунке 4. Резу…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование проводится при финансовой поддержке Министерства обороны США Агентства перспективных исследований при центров в комплексной Photonics Engineering Research (шифр), программы с доктором Дж. Скотт Роджерс в качестве менеджера проекта. Информация, представленная в этом отчете не обязательно отражает позицию или политику правительства США и не официальное одобрение должно быть выведено.
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).
