BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein bekanntes Gerät zur Erfassung von Brechzahländerungen in Flüssigkeiten und Festkörpern ist das Refraktometer, das den Totaireflexionswinkel zwischen zwei Medien bestimmt, wobei das Referenzmedium aus einem hochbrechenden Prisma besteht, dessen Brechzahl bekannt ist. Dieses Gerät beansprucht relativ viel Platz und das benötigte Messvolumen ist verhältnismässig gross, was für kostspielige Messsubstanzen von grossem Nachteil sein kann.
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen Sensor zu schaffen, welcher
1. Brechzahländerungen von Flüssigkeiten und Festkörpern bis in die Grössenordnung von 10-5 noch auflösen kann;
2. ein sehr geringes Messvolumen benötigt;
3. möglichst wenig Platz beansprucht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Grundelemente der Erfindung;
Fig. 2 eine erfindungsgemässe Messeinrichtung mit einem Gittereinkoppler;
Fig. 3 eine erfindungsgemässe Messeinrichtung mit einem Gitterauskoppler;
Fig. 4 eine erfindungsgemässe Messeinrichtung mit einem Bragg-Reflektor;
Fg. 5 eine schematische Darstellung der Grundelemente der Erfindung, wobei der Wellenleiter ausserhalb der Gitterregion mit einer Schutzschicht bedeckt ist;
Fig. 6 eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Messung der Intensität der geführten Lichtwelle, wobei das von der geführten Lichtwelle erzeugte Streulicht mit einer Faseroptik aufgefangen und einem Detektor zugeführt wird;
Fig. 7 eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Messung der Intensität der geführten Lichtwelle, wobei dazu die geführte Lichtwelle über ein zweites Beugungsgitter ausgekoppelt wird.
Grundbaustein der integrierten Optik ist der planare Wellenleiter. Dieser besteht aus einer dünnen dielektrischen Schicht, die sich auf einem Substrat befindet. Eingekoppeltes Laserlicht kann durch Totalreflexion in dieser dünnen Schicht geführt werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer solchen geführten Lichtwelle (nachstehend als Mode bezeichnet) beträgt c/N, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und N die effektive Brechzahl des im Wellenleiter sich ausbreitenden Modes sind.
Die effektive Brechzahl N wird einerseits durch die Konfiguration des Wellenleiters (Schichtdicke und Brechzahl der dünnen Schicht sowie Brechzahl des Substrats) und andererseits durch die Brechzahl der an die dünne Schicht angrenzenden Messsubstanz festgelegt. Das Sensorprinzip beruht darauf, dass eine Änderung der Konfiguration des Wellenleiters eine Änderung der effektiven Brechzahl N zur Folge hat. Eine auf diese Weise bewirkte Änderung der effektiven Brechzahl kann beispielsweise mit einem Gittereinkoppler und/oder mit einem Gitterauskoppler oder mit einem Bragg-Reflektor detektiert werden. Die Wirkungsweise des Gitterkopplers bzw. des Bragg-Reflektors ist anhand der Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Grundelemente der Erfindung. Eine dünne Schicht befindet sich in Form eines wellenleitenden planaren Films 1 (beispielsweise einer glasartigen SiO2-TiO2 Schicht) auf einem Substrat 2 (beispielsweise einem Borosilikat-Glas). Der wellenleitende Film 1 und das Substrat 2 bilden zusammen den sogenannten Wellenleiter 1/2. Damit sich Laserlicht via Totalreflexion im wellenleitenden Film 1 ausbreiten kann, muss die Brechzahl des wellenleitenden Films 1 grösser als die der benachbarten Medien (d.h. Substrat 2, Messsubstanz 3) sein. Der wellenleitende Film 1 kann eine mikroporöse Struktur aufweisen, wie dies zum Beispiel bei der Filmherstellung mit einem Tauchbeschichtungsverfahren erreicht werden kann.
Auf der entweder dem Substrat 2 oder der Messsubstanz 3 zugewandten Oberfläche des wellenleitenden Films 1 oder auch in dessen Volumen befindet sich ein Beugungsgitter 4 der Länge L (zur Herstellung des Wellenleiters und des Beugungsgitters [vergleiche z.B. W. Lukosz und K.
Tiefenthaler, Optics Letters 8 (1983), 537-539].
Das Beugungsgitter 4 dient zur Beugung von Laserlicht, wobei die Beugung massgeblich durch die effektive Brechzahl N beeinflusst wird.
Auf dem wellenleitenden Film 1 befindet sich zumindest in der Gitterregion die zu untersuchende Substanz 3, welche auch als Messsubstanz bezeichnet wird.
Nach Fig. 2 kann ein Laserstrahl 5 über ein Beugungsgitter 4 in einen Wellenleiter 1/2 eingekoppelt werden und in Form eines Modes 6 den Wellenleiter 1/2 entlanglaufen. Es spielt keine Rolle, ob der Laserstrahl 5 von der Substratseite oder von der Messsubstanzseite her auf das Beugungsgitter 4 fällt. Als Laser kann beispielsweise ein Helium-Neon Laser oder ein Halbleiter Laser verwendet werden. Die Einkopplungsbedingung ist eine Resonanzbedingung und ist dadurch charakterisiert, dass je nach Wellenleiter-Konfiguration, d.h. je nach effektiver Brechzahl des Modes 6, der Einfallswinkel W1 des Laserstrahls 5 entsprechend gewählt werden muss, um eine maximale Intensität des Modes 6 zu erreichen.
Der Einfallswinkel W1 des Laserstrahls 5 wird infolgedessen durch die effektive Brechzahl N des angeregten Modes 6 bestimmt, welche im wesentlichen von den Brechzahlen der am Wellenleiter beteiligten Medien, von der Brechzahl der Messsubstanz 3 und von der Schichtdicke des wellenleitenden Films 1 bestimmt ist. Wird infolge einer Brechzahländerung der Messsubstanz 3 die effektive Brechzahl N des Modes 6 geändert, so ist der ursprünglich gewählte Einfallswinkel W1 nicht mehr optimal, so dass die Intensität des Modes 6 sich ändert. Brechzahländerungen einer flüssigen Messsubstanz 3 können beispielsweise durch eine in ihr ablaufende (bio)chemische Reaktion zustandekommen. Die Messsubstanz 3 kann aber auch aus einem Festkörper bestehen.
Es können dann physikalische Prozesse wie beispielsweise Diffusionsvorgänge von Fremdsubstanzen in beispielsweise dünnschichtartigen Festkörpern bestimmt werden, falls diese mit Brechzahländerungen verbunden sind. Es können sich sowohl Realteil als auch Imaginärteil der als komplexe Grösse aufzufassenden Brechzahl ändern. Eine Änderung des Imaginärteils der Brechzahl der Messsubstanz 3 ist mit einer Änderung der Lichttransmission der Messsubstanz 3 verbunden. Da bei Änderungen der Lichttransmission nach dem Beer'schen Gesetz die optische Wegstrecke eine wesentliche Rolle spielt, ist es vorteilhaft, wenn die Messsubstanz 3 den wellenleitenden Film 1 auch ausserhalb der Gitterregion bedecken kann. Die Änderung der effektiven Brechzahl des Modes 6 kann nun auf zwei verschiedene Arten gemessen werden.
Bei kleinen effektiven Brechzahländerungen kann die Änderung der Lichtintensität des Modes 6 mit Hilfe eines Detektors Dl gemessen und damit auf die Änderung der effektiven Brechzahl und somit auf die Brechzahländerung der Messsubstanz 3 geschlossen werden. Diese Messmethode eignet sich für die Messung von effektiven Brechzahländerungen, die kleiner sind als die Halbwertsbreite der Resonanzeinkopplungskurve. Die Halbwertsbreite der Resonanzeinkopplungskurve hängt wegen der Unschärferelation von der Ausdehnung L des Beugungsgitters ab [vergleiche hierzu K. Tiefenthaler und W. Lukosz, Optics Letters 9 (1984), 137-139]. Bei einer Gitterlänge L = 6 mm und einer Wellenlänge von 633 nm können Brechzahländerungen der Messsubstanz 3 in der Grössenordnung von 10-s noch aufgelöst werden (vergleiche hierzu Dissertation K.
Tiefenthaler, ETH Nr. 7744).
Bei effektiven Brechzahländerungen, die grösser als die Halbwertsbreite der Resonanzeinkopplungskurve sind, erfolgt die Registrierung durch Optimierung der Lichtintensität des Modes 6, indem der Einfallswinkel W1 des Laserstrahls 5 so nachgestellt wird, dass die Lichtintensität des Modes 6 stets maximal ist. Aufgrund der Änderung des Einfallswinkels W1 kann auf die Änderung der effektiven Brechzahl des Modes 6 geschlossen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, den Einfallswinkel W1 aufgrund von Berechnungen derart zu wählen, dass ein Mode 6 von maximaler Intensität erst dann entsteht, wenn die Brechzahländerung der Messsubstanz 3 einen gewünschten Wert erreicht hat.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemässe Messeinrichtung mit einem Gitterauskoppler gezeigt. Wellenleiter 1/2 und Beugungsgitter 4 sind in Fig. 1 beschrieben. Fällt ein Mode 6 auf das Beugungsgitter 4, so wird das Laserlicht teilweise oder vollständig ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Laserstrahl 7 tritt unter einem bestimmten Auskopplungswinkel W2, der durch die effektive Brechzahl des Modes 6 bestimmt ist, aus dem Wellenleiter 1/2 aus. Die Erzeugung des Modes 6 ist in Fig. 3 nicht eingezeichnet. Der Mode 6 kann beispielsweise durch Stirnflächeneinkopplung, Prismeneinkopplung, Gittereinkopplung etc. angeregt werden (vergleiche hierzu T. Tamir, Integrated Optics, Kap. 3). Eine Brechzahländerung der zumindest die Gitterregion bedeckenden Messsubstanz 3 bewirkt eine Änderung der effektiven Brechzahl des Modes 6 in der Gitterregion, was eine Änderung des Auskopplungswinkels W2 zur Folge hat.
Diese Änderung des Auskopplungswinkels W2 kann beispielsweise mit einem Diodenarray D2 oder einem anderen positionsempfindlichen Detektor gemessen werden.
In Fig. 4 ist ein sogenannter Bragg-Reflektor gezeigt. Die für die Gitterkoppler (Fig. 2 und 3) verwendeten Beugungsgitter können auch als Bragg-Reflektoren eingesetzt werden. Ein Mode 6 wird an einem Beugungsgitter 4 Bragg-reflektiert, falls die Bragg-Bedingung erfüllt ist, d.h. falls der Glanzwinkel W3 dem Bragg-Winkel entspricht (vergleiche hierzu W. Lukosz und K.
Tiefenthaler, Optics Letters 8 (1983), 537-539). Für die Erzeugung des Modes 6 gilt das gleiche wie das zu Fig. 3 gesagte. Die Detektoren D3 und D4 messen die Intensität eines am Beugungsgitter 4 reflektierten Modes 8 und/oder die Intensität eines transmittierten Modes 9. Der Braggwinkel wird durch die effektive Brechzahl N des Modes 6 in der Gitterregion festgelegt. Ändert sich die effektive Brechzahl N des Modes 6 aufgrund einer Brechzahländerung der Messsubstanz 3, so wird die Bragg-Bedingung gestört. Die Intensitäten des reflektierten und transmittierten Modes ändern sich. Durch Messung der Lichtintensität des reflektierten Modes 8 und/oder des transmittierten Modes 9 mit den Detektoren D3 und/oder D4 kann auf die Brechzahländerung der Messsubstanz 3 geschlossen werden.
Eine andere Messmöglichkeit besteht darin, den Glanzwinkel W3 derart zu wählen, dass die Bragg-Bedingung gerade nicht erfüllt und somit kein reflektierter Mode 8 vorhanden ist.
Hat die Brechzahländerung der Messsubstanz 3 den gewünschten Wert erreicht, tritt ein reflektierter Mode 8 auf, da die Bragg-Bedingung dann erfüllt ist. Anhand des Glanzwinkels W3 und der Intensität des reflektierten Modes 8 und/oder des transmittierten Modes 9 kann auf die Brechzahländerung der Messsubstanz 3 geschlossen werden.
Durch Lichtstreuung oder Lichtabsorption des Modes an der Messsubstanz 3 kann der Mode nach Verlassen der Gitterregion so stark geschwächt werden, dass eine Messung der Lichtintensität nicht mehr möglich ist. Um diesen Effekt zu reduzieren oder gar zu verhindern, ist es vorteilhaft - wie in Fig. 5 gezeigt - den wellenleitenden Film 1 ausserhalb der Gitterregion mit einer Schutzschicht 10 zu bedecken. Diese Schutzschicht 10 kann beispielsweise eine SiO2-Schicht sein. Die Schichtdicke der Schutzschicht 10 muss so gross gewählt werden, dass ausserhalb der Gitterregion der Mode mit der Messsubstanz 3 nur wenig oder überhaupt nicht wechselwirken kann. Die Schutzschicht 10 kann auch dazu verwendet werden, den störenden Einfluss der Befestigungseinrichtung einer - in Figur 5 nicht eingezeichneten - mit der Messsubstanz 3 gefüllten Küvette zu verhindern.
Aus Fig. 5 ist ferner ersichtlich, dass es vorteilhaft ist, die Schutzschicht 10 ausserhalb der Gitterregion in Form eines Tapers (also nicht in Form einer abrupten Stufe) anwachsen zu lassen.
In Fig. 2 und 4 sind Detektoren eingezeichnet, welche die Intensität der Moden 6 bzw. 8 und 9 direkt messen. Eine weitere Detektionsmöglichkeit ist in Fig. 6 beschrieben, wobei hier das vom Mode 6 erzeugte Streulicht 11 mit einer Faseroptik 12 aufgefangen und einem Detektor D5 zugeführt wird. Die Intensität des Streulichtes 11 ist proportional zur Intensität des Modes 6. Das Streulicht 11 ist aufgrund von nicht vermeidbaren Inhomogenitäten im wellenleitenden Film 1 stets vorhanden.
In gleicher Weise kann beim Bragg-Reflektor (siehe Fig. 4) anstatt der direkten Messung der Intensität der Moden 8 und/oder 9 die Intensität des Streulichtes des reflektierten Modes 8 und/oder des transmittierten Modes 9 gemessen werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit - wie in Fig. 7 gezeigt - den Mode 6 beispielsweise mit einem zweiten Beugungsgitter 13 zuerst auszukoppeln und dann die Intensität des unter einem Winkel W4 ausgekoppelten Laserstrahls 15 mit einem Detektor D6 zu messen. Diese Intensität ist proportional zur Intensität des Modes 6. Der Auskopplungsmechanismus des zweiten Beugungsgitters 13 darf von der Messsubstanz 3 nicht gestört werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem in der Region des zweiten Beugungsgitters 13 eine Schutzschicht 14 den Wellenleiter von der Messsubstanz 3 trennt oder in dieser Gitterregion überhaupt keine Messsubstanz 3 vorhanden ist (Näheres zur Schutzschicht vergleiche Erläuterungen zu Fig. 5). Die Auskopplung kann aber auch über einen Prismenkoppler oder einen Taper erfolgen (vergleiche hierzu T. Tamir, Integrated Optics, Kap. 3).
Die Empfindlichkeit des integriert optischen Sensors lässt sich definieren als differentielle Änderung der effektiven Brechzahl aufgrund einer differentiellen Brechzahländerung der Messsubstanz 3. Besonders hohe Empfindlichkeiten werden dann erreicht, wenn der wellenleitende Film 1 eine wesentlich höhere Brechzahl aufweist als das Substrat 2 und die Messsubstanz 3, und wenn die Schichtdicke des wellenleitenden Films 1 etwas grösser als die Mindestschichtdicke gewählt wird. Eine Mindestschichtdicke (die sogenannte cut-off-Schichtdicke) ist für den wellenleitenden Film 1 erforderlich, um überhaupt einen Mode in einem wellenleitenden Film 1 anregen zu können (vergleiche T. Tamir, Integrated Optics, Springer, Berlin 1979, Kap. 2).
Damit möglichst hohe Empfindlichkeiten erreicht werden, empfiehlt es sich, die Brechzahl des wellenleitenden Films 1 mindestens 1 10, vorzugsweise mehr als 10% grösser als diejenige des Substrates 2 zu wählen. Werden hingegen Brechzahländerungen einer Messsubstanz 3 gemessen, deren Brechzahl grösser als die des Substrats 2 ist, so ist für die Erreichung einer hohen Empfindlichkeit der hohe Brechzahlunterschied zwischen wellenleitendem Film 1 und Substrat 2 unwesentlich (vergleiche hierzu Dissertation K. Tiefenthaler, ETH Nr. 7744).
Da das elektromagnetische Feld eines Modes als quergedämpfte Welle mit der Messsubstanz 3 wechselwirkt und dementsprechend um weniger als eine Lichtwellenlänge weit in die Messsubstanz 3 eindringt, können Brechzahländerungen an sehr geringen Messsubstanzmengen bestimmt werden.
DESCRIPTION
The present invention relates to a sensor according to the preamble of claim 1. A known device for detecting changes in refractive index in liquids and solids is the refractometer, which determines the total reflection angle between two media, the reference medium consisting of a highly refractive prism, the refractive index of which is known. This device takes up a relatively large amount of space and the measurement volume required is relatively large, which can be a great disadvantage for costly measurement substances.
The invention, as characterized in claim 1, solves the problem of creating a sensor which
1. Changes in the refractive index of liquids and solids can resolve up to the order of 10-5;
2. requires a very small measuring volume;
3. takes up as little space as possible.
The invention is explained in more detail below with reference to drawings.
Show it:
Figure 1 is a schematic representation of the basic elements of the invention.
2 shows a measuring device according to the invention with a grating coupler;
3 shows a measuring device according to the invention with a grating decoupler;
4 shows a measuring device according to the invention with a Bragg reflector;
5 shows a schematic representation of the basic elements of the invention, the waveguide being covered with a protective layer outside the grating region;
6 shows a device according to the invention for measuring the intensity of the guided light wave, the scattered light generated by the guided light wave being collected with a fiber optic and fed to a detector;
7 shows a device according to the invention for measuring the intensity of the guided light wave, for which purpose the guided light wave is coupled out via a second diffraction grating.
The basic component of the integrated optics is the planar waveguide. This consists of a thin dielectric layer that is located on a substrate. Coupled laser light can be guided in this thin layer by total reflection. The propagation speed of such a guided light wave (hereinafter referred to as mode) is c / N, c being the speed of light and N the effective refractive index of the mode propagating in the waveguide.
The effective refractive index N is determined on the one hand by the configuration of the waveguide (layer thickness and refractive index of the thin layer and the refractive index of the substrate) and on the other hand by the refractive index of the measuring substance adjacent to the thin layer. The sensor principle is based on the fact that a change in the configuration of the waveguide results in a change in the effective refractive index N. A change in the effective refractive index caused in this way can be detected, for example, with a grating coupler and / or with a grating coupler or with a Bragg reflector. The mode of operation of the grating coupler or the Bragg reflector is described with the aid of the figures.
Fig. 1 shows a schematic representation of the basic elements of the invention. A thin layer is in the form of a waveguiding planar film 1 (for example a glass-like SiO2-TiO2 layer) on a substrate 2 (for example a borosilicate glass). The waveguiding film 1 and the substrate 2 together form the so-called waveguide 1/2. In order for laser light to propagate through total reflection in the waveguiding film 1, the refractive index of the waveguiding film 1 must be greater than that of the neighboring media (i.e. substrate 2, measuring substance 3). The waveguiding film 1 can have a microporous structure, as can be achieved, for example, in film production using a dip coating process.
A diffraction grating 4 of length L (for the production of the waveguide and the diffraction grating is located on the surface of the waveguiding film 1 facing either the substrate 2 or the measuring substance 3 or also in its volume [compare, for example, W. Lukosz and K.
Tiefenthaler, Optics Letters 8 (1983), 537-539].
The diffraction grating 4 serves for the diffraction of laser light, the diffraction being significantly influenced by the effective refractive index N.
The substance to be examined 3, which is also referred to as the measuring substance, is located on the waveguiding film 1, at least in the grating region.
2, a laser beam 5 can be coupled into a waveguide 1/2 via a diffraction grating 4 and run along the waveguide 1/2 in the form of a mode 6. It does not matter whether the laser beam 5 falls on the diffraction grating 4 from the substrate side or from the measurement substance side. For example, a helium-neon laser or a semiconductor laser can be used as the laser. The coupling condition is a resonance condition and is characterized in that depending on the waveguide configuration, i.e. depending on the effective refractive index of the mode 6, the angle of incidence W1 of the laser beam 5 must be chosen accordingly in order to achieve a maximum intensity of the mode 6.
The angle of incidence W1 of the laser beam 5 is consequently determined by the effective refractive index N of the excited mode 6, which is essentially determined by the refractive indices of the media involved in the waveguide, by the refractive index of the measuring substance 3 and by the layer thickness of the waveguiding film 1. If the effective refractive index N of the mode 6 is changed as a result of a change in the refractive index of the measuring substance 3, the originally selected angle of incidence W1 is no longer optimal, so that the intensity of the mode 6 changes. Changes in the refractive index of a liquid measuring substance 3 can occur, for example, as a result of a (bio) chemical reaction taking place in it. The measuring substance 3 can also consist of a solid.
Physical processes such as diffusion processes of foreign substances in, for example, thin-film-like solids can then be determined if these are associated with changes in the refractive index. Both the real part and the imaginary part of the refractive index, which is to be understood as a complex variable, can change. A change in the imaginary part of the refractive index of the measuring substance 3 is associated with a change in the light transmission of the measuring substance 3. Since the optical path plays an important role in changes in light transmission according to Beer''s law, it is advantageous if the measuring substance 3 can also cover the waveguiding film 1 outside the grating region. The change in the effective refractive index of mode 6 can now be measured in two different ways.
In the case of small effective changes in the refractive index, the change in the light intensity of the mode 6 can be measured with the aid of a detector D1, and thus the change in the effective refractive index and thus the change in the refractive index of the measuring substance 3 can be concluded. This measurement method is suitable for measuring effective changes in refractive index that are smaller than the half-value width of the resonance coupling curve. The full width at half maximum of the resonance coupling curve depends on the extent L of the diffraction grating due to the uncertainty principle [compare K. Tiefenthaler and W. Lukosz, Optics Letters 9 (1984), 137-139]. With a grating length L = 6 mm and a wavelength of 633 nm, changes in the refractive index of the measuring substance 3 can still be resolved in the order of magnitude of 10 s (see dissertation K.
Tiefenthaler, ETH No. 7744).
In the case of effective changes in the refractive index that are greater than the full width at half maximum of the resonance coupling curve, the registration is carried out by optimizing the light intensity of the mode 6 by adjusting the angle of incidence W1 of the laser beam 5 such that the light intensity of the mode 6 is always at a maximum. Due to the change in the angle of incidence W1, the change in the effective refractive index of the mode 6 can be concluded. It is also possible to choose the angle of incidence W1 on the basis of calculations in such a way that a mode 6 of maximum intensity only arises when the change in the refractive index of the measuring substance 3 has reached a desired value.
3 shows a measuring device according to the invention with a grating decoupler. Waveguide 1/2 and diffraction grating 4 are described in Fig. 1. If a mode 6 falls on the diffraction grating 4, the laser light is partially or completely decoupled. The outcoupled laser beam 7 emerges from the waveguide 1/2 at a certain outcoupling angle W2, which is determined by the effective refractive index of the mode 6. The generation of mode 6 is not shown in FIG. 3. Mode 6 can be excited, for example, by end face coupling, prism coupling, grating coupling, etc. (see T. Tamir, Integrated Optics, Chapter 3). A change in the refractive index of the measuring substance 3 covering at least the grating region causes a change in the effective refractive index of the mode 6 in the grating region, which results in a change in the coupling-out angle W2.
This change in the coupling angle W2 can be measured, for example, with a diode array D2 or another position-sensitive detector.
A so-called Bragg reflector is shown in FIG. The diffraction gratings used for the grating couplers (FIGS. 2 and 3) can also be used as Bragg reflectors. A mode 6 is Bragg reflected on a diffraction grating 4 if the Bragg condition is fulfilled, i.e. if the gloss angle W3 corresponds to the Bragg angle (compare W. Lukosz and K.
Tiefenthaler, Optics Letters 8 (1983), 537-539). The same applies to the generation of the mode 6 as that stated for FIG. 3. The detectors D3 and D4 measure the intensity of a mode 8 reflected on the diffraction grating 4 and / or the intensity of a transmitted mode 9. The Bragg angle is determined by the effective refractive index N of the mode 6 in the grating region. If the effective refractive index N of mode 6 changes due to a change in the refractive index of the measuring substance 3, the Bragg condition is disturbed. The intensities of the reflected and transmitted modes change. By measuring the light intensity of the reflected mode 8 and / or the transmitted mode 9 with the detectors D3 and / or D4, it can be concluded that the refractive index change of the measuring substance 3.
Another measurement option is to select the glancing angle W3 in such a way that the Bragg condition is not currently met and therefore there is no reflected mode 8.
If the change in the refractive index of the measuring substance 3 has reached the desired value, a reflected mode 8 occurs because the Bragg condition is then fulfilled. The refractive index change of the measuring substance 3 can be inferred from the gloss angle W3 and the intensity of the reflected mode 8 and / or the transmitted mode 9.
Due to light scattering or light absorption of the mode on the measuring substance 3, the mode can be weakened so much after leaving the grid region that a measurement of the light intensity is no longer possible. In order to reduce or even prevent this effect, it is advantageous - as shown in FIG. 5 - to cover the waveguiding film 1 outside the lattice region with a protective layer 10. This protective layer 10 can be an SiO2 layer, for example. The layer thickness of the protective layer 10 must be chosen so large that outside the lattice region of the fashion can interact with the measuring substance 3 only little or not at all. The protective layer 10 can also be used to prevent the disruptive influence of the fastening device of a cuvette - not shown in FIG. 5 - filled with the measuring substance 3.
It can also be seen from FIG. 5 that it is advantageous to allow the protective layer 10 to grow outside the grid region in the form of a taper (ie not in the form of an abrupt step).
2 and 4, detectors are shown, which measure the intensity of modes 6 and 8 and 9 directly. A further detection possibility is described in FIG. 6, in which case the scattered light 11 generated by mode 6 is collected with a fiber optic 12 and fed to a detector D5. The intensity of the scattered light 11 is proportional to the intensity of the mode 6. The scattered light 11 is always present in the waveguiding film 1 due to unavoidable inhomogeneities.
In the same way, the intensity of the scattered light of the reflected mode 8 and / or of the transmitted mode 9 can be measured in the Bragg reflector (see FIG. 4) instead of directly measuring the intensity of the modes 8 and / or 9.
However, there is also the possibility - as shown in FIG. 7 - of first coupling out the mode 6, for example with a second diffraction grating 13, and then measuring the intensity of the laser beam 15 coupled out at an angle W4 using a detector D6. This intensity is proportional to the intensity of the mode 6. The coupling mechanism of the second diffraction grating 13 must not be disturbed by the measuring substance 3. This can be achieved, for example, by a protective layer 14 separating the waveguide from the measuring substance 3 in the region of the second diffraction grating 13 or no measuring substance 3 being present at all in this grating region (for more information on the protective layer, see explanations to FIG. 5). The coupling can also take place via a prism coupler or a taper (see T. Tamir, Integrated Optics, Chapter 3).
The sensitivity of the integrated optical sensor can be defined as a differential change in the effective refractive index due to a differential change in the refractive index of the measuring substance 3. Particularly high sensitivities are achieved when the waveguiding film 1 has a significantly higher refractive index than the substrate 2 and the measuring substance 3, and if the layer thickness of the waveguiding film 1 is chosen to be somewhat larger than the minimum layer thickness. A minimum layer thickness (the so-called cut-off layer thickness) is required for the wave-guiding film 1 in order to be able to stimulate a fashion in a wave-guiding film 1 at all (see T. Tamir, Integrated Optics, Springer, Berlin 1979, Chapter 2).
In order to achieve the highest possible sensitivity, it is advisable to choose the refractive index of the waveguiding film 1 to be at least 1 10, preferably more than 10% greater than that of the substrate 2. If, on the other hand, changes in the refractive index of a measuring substance 3 are measured, the refractive index of which is greater than that of the substrate 2, the high refractive index difference between the waveguiding film 1 and the substrate 2 is insignificant in order to achieve high sensitivity (see dissertation K. Tiefenthaler, ETH No. 7744). .
Since the electromagnetic field of a mode interacts with the measuring substance 3 as a transversely damped wave and accordingly penetrates far into the measuring substance 3 by less than one light wavelength, changes in the refractive index of very small quantities of measuring substance can be determined.