Summary

Udvikling af Whispering Gallery mode Polymere Micro-optiske elektrisk felt-følere

Published: January 29, 2013
doi:

Summary

En høj følsomhed fotoniske mikro sensor blev udviklet til elektrisk felt detektering. Sensoren udnytter optiske former for et dielektrisk område. Ændringer i den ydre elektrisk felt forstyrrer sfære morfologi, der fører til forskydninger i dets optiske tilstande. Den elektriske feltstyrke måles ved overvågning af disse optiske forskydninger.

Abstract

Optiske former for dielektriske mikro-hulrum har fået betydelig opmærksomhed i de senere år for deres potentiale i en bred vifte af applikationer. De optiske tilstande ofte benævnt "hviskegallerimodus modes" (WGM) eller "morfologi afhængige resonanser" (MDR) og udviser høj optisk kvalitet faktorer. Nogle foreslåede anvendelser af mikro-hulrum optiske resonatorer er i spektroskopi 1, mikro-hulrum laserteknologi 2, optisk kommunikation 3-6 samt sensorteknologi. De WGM-baserede sensor applikationer omfatter dem i biologi 7, spor gasdetektion 8 og urenhed opdagelse i væsker 9. Mekaniske sensorer baseret på mikrokugle resonatorer er også blevet foreslået, herunder dem, for kraft 10,11, tryk 12, acceleration 13 og væg forskydningsspænding 14. I den foreliggende, viser vi en WGM-baseret elektrisk felt sensor, som bygger på vores tidligere studies 15,16. En kandidat anvendelsen af ​​denne sensor er i afsløring af neuronal virkningspotentiale.

Det elektriske felt sensoren er baseret på polymert flerlaget dielektrisk mikrosfærer. Den eksterne elektriske felt inducerer overflade og krop kræfter på kugler (electrostriction effekt), der fører til elastisk deformation. Denne ændring i morfologien af ​​kuglerne, fører til forskydninger i WGM. Det elektriske felt-inducerede WGM skift forhørt af spændende de optiske tilstande kuglerne ved laserlys. Lys fra en fordelt tilbagekobling (DFB) laser (nominel bølgelængde på ~ 1,3 um) er side-koblet i mikrosfærerne under anvendelse af en tilspidset del af en single-mode optisk fiber. Basismaterialet af kuglerne er polydimethylsiloxan (PDMS). Tre mikrosfærepræparater geometrier anvendes: (1) PDMS kugle med et 60:1 volumetrisk forhold på bund-mod-hærdemiddel-blanding, (2) flere lag kugle med 60:1 PDMS kerne, for at forøge den dielektriske konstant af the kugle, et midterlag af 60:1 PDMS der er blandet med varierende mængder (2% til 10 volumen%) af bariumtitanat og et ydre lag af 60:1 PDMS og (3) fast silica kugle belagt med et tyndt lag af uhærdet PDMS base. I hver type sensor, er laserlys fra den tilspidsede fiber koblet til det yderste lag, der giver høj optisk kvalitet faktor WGM (Q ~ 10 6). Mikrokuglerne er polariseres i adskillige timer ved elektriske felter af ~ 1 MV / m for at forøge deres følsomhed over for elektrisk felt.

Protocol

1. PDMS mikrosfærepræparationen (Sphere I) Polydimethylsiloxan (PDMS) base og hærdemidlet blandes med et volumenforhold på 60:1. En streng af optisk silicafiber, cirka 2 cm lang, først fjernet sin plast beklædning anvendelse af en optisk stripper. Den ene ende af fiberen er opvarmet og strakt til at tilvejebringe en stilk ende, der er ~ 25-50 um i diameter ved spidsen. Den strakte ende af fiberen er neddykket i PDMS blandingen ved en længde på 2-4 mm og derefter trækkes …

Representative Results

En optisk tilstand (WGM) af kuglen er begejstret af laser lys, når lysvej tilbagelagt af lyset er et multiplum heltal af laser bølgelængde. For arrangementet vist i figur 3, er den optiske vejlængde 2πrn, hvor n og r er brydningsindekset og kuglens radius hhv. Ved hjælp af geometriske optik tilnærmelse, er en WGM betingelse opfyldt, når 2πrn = lλ hvor l er et helt tal, og λ er laserens bølgelængde. Da DFB-laseren indstilles på …

Discussion

Kuglerne er oprindeligt polariseret ved at forbinde elektroderne til en DC højspændingsforsyning. Ved afslutningen af polarisationsfeltet varighed, er elektroderne afbrydes fra jævnstrømsforsyning og forbundet til en funktionsgenerator som vist i figur 4. Resultaterne præsenteret i figur 5 til 8 viser, at positive og negative elektriske felter (i forhold til retningen af poling) fører til kugle forlængelse og komprimering hhv. Sfære I, som er et enkelt lag 60:1 …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne forskning er sponsoreret af det amerikanske Defense Advanced Research Projects Agency under Centers i Integrated Photonics Engineering Research (Cipher) program med Dr. J. Scott Rodgers som projektleder. Oplysningerne i denne rapport afspejler ikke nødvendigvis den holdning eller politik den amerikanske regering og nogen officiel godkendelse skal udledes heraf.

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

Riferimenti

  1. von Klitzing, W. Tunable whispering gallery modes for spectroscopy and CQED experiments. New journal of physics. 3, 14.1-14.14 (2001).
  2. Cai, M., Painter, O., Vahala, K. J., Sercel, P. C. Fiber-coupled microsphere laser. Optics letters. 25 (19), 1430-1432 (2000).
  3. Tapalian, H. C., Laine, J. P., Lane, P. A. Thermooptical switches using coated microsphere resonators. IEEE photonics technology letters. 14 (8), 1118-1120 (2002).
  4. Little, B. E., Chu, S. T., Haus, H. A. Microring resonator channel dropping filters. Journal of lightwave technology. 15, 998-1000 (1997).
  5. 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).
  6. Ilchenko, V. S., Volikov, P. S., et al. Strain tunable high-Q optical microsphere resonator. Optics communications. 145, 86-90 (1998).
  7. 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).
  8. Rosenberger, A. T., Rezac, J. P. Whispering-gallery mode evanescent-wave microsensor for trace-gas detection. Proceedings of SPIE. 4265, 102-112 (2001).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Ioppolo, T., Ötügen, M. V. Pressure tuning of whispering gallery mode resonators. Journal of optical society of America B. 24 (10), 2721-2726 (2007).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Ioppolo, T., Stubblefield, J., Ötügen, M. V. Electric field-induced deformation of polydimethylsiloxane polymers. Journal of applied physics. 112, 044906 (2012).
  17. 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).
check_url/it/50199?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Ioppolo, T., Ötügen, V., Ayaz, U. Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors. J. Vis. Exp. (71), e50199, doi:10.3791/50199 (2013).

View Video