Utveckling av Whispering Gallery läge Polymera Micro-optiska sensorer för elektriska
Summary
En hög känslighet fotoniska mikro sensor var utvecklad för elektriska fält upptäckt. Sensorn utnyttjar optiska moder av en dielektrisk sfär. Förändringar i den externa elektriska fältet stör sfären morfologi leder till förändringar i dess optiska lägen. Den elektriska fältstyrkan mäts genom att övervaka dessa optiska skift.
Abstract
Optiska former av dielektriska mikro-hålrum har fått betydande uppmärksamhet under de senaste åren för sin potential i ett brett spektrum av tillämpningar. De optiska lägen är ofta kallas "Whispering Gallery lägen" (WGM) eller "morfologi beroende resonanser" (MDR) och uppvisar hög optisk kvalitet faktorer. Vissa planerade tillämpningar av mikro-hålighet optiska resonatorer är i spektroskopi 1, mikro-hålrummet laserteknik 2, optisk kommunikation 3-6 samt sensorteknik. De WGM-baserade sensor applikationer inkluderar de i biologi 7, spår gasdetektering 8, och orenhet upptäckt i vätskor 9. Mekaniska sensorer baserade på mikrosfär resonatorer har också föreslagits, inklusive de för kraft 10,11, 12 tryck, acceleration 13 och vägg skjuvspänning 14. I dagsläget visar vi en WGM-baserad elektriskt fält sensor, som bygger på vår tidigare studies 15,16. En kandidat tillämpning av denna sensor är vid detektering av neuronal aktionspotential.
Det elektriska fältet Sensorn är baserad på polymer flerskiktiga dielektriska mikrosfärer. Den externa elektriska fältet inducerar yta och tvingar kroppen på sfärerna (electrostriction effekt) leder till elastisk deformation. Denna förändring i morfologin hos sfärerna, leder till förskjutningar i WGM. Det elektriska fältet inducerade WGM skift förhörs av spännande de optiska lägen sfärerna genom laserljus. Ljus från en distribuerad återkoppling (DFB-laser) (nominell våglängd av ~ 1,3 um) är sida-kopplad i mikrosfärerna med en avsmalnande sektion av en optisk singelmodfiber. Basmaterialet av sfärerna är polydimetylsiloxan (PDMS). Tre mikrosfär geometrier används: (1) PDMS sfär med en 60:1 volymförhållande av bas-till-härdare blandning, (2) flera skikt sfär med 60:1 PDMS kärna, för att öka den dielektriska konstanten av the sfär, ett mellanskikt av 60:1 PDMS som blandas med varierande mängder (2% till 10% av volymen) av bariumtitanat och ett yttre skikt av 60:1 PDMS och (3) fast kiseldioxid sfär belagd med ett tunt skikt av ohärdad PDMS bas. I varje typ av sensor, är laserljus från den avsmalnande fibern kopplas till den yttersta skiktet som ger hög optisk WGM kvalitetsfaktorn (Q ~ 10 6). Mikrosfärerna polas under flera timmar vid elektriska fält av ~ 1 MV / m för att öka deras känslighet för elektriskt fält.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sfärerna initialt polas genom att ansluta elektroderna till en DC-högspänningskälla. Vid slutet av polning varaktighet, är elektroden leder bortkopplad från likströmsförsörjningen och ansluten till en funktionsgenerator som visas i figur 4. De resultat som presenteras i figurerna 5 till 8 visar att positiva och negativa elektriska fält (i förhållande till riktningen för polning) leder till sfär töjning och kompression, resp. Sfär I, som är ett enda skik…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning är sponsrad av den amerikanska Defense Advanced Research Projects Agency enligt Centers i integrerad fotonik Engineering Research (chiffer) program med Dr J. Scott Rodgers som projektledare. Informationen i denna rapport återspeglar inte nödvändigtvis den ståndpunkt eller politik den amerikanska regeringen och ingen officiell bekräftelse oavsiktliga.
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
- 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).
