CH682517A5 - Cellule optique transductrice et capteur à spectroscopie optique comprenant une cellule optique transductrice. - Google Patents
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Description
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Description
La présente invention concerne, de manière générale, les capteurs à spectroscopie optique et, plus particulièrement, un capteur à guide de lumière utilisant une cellule optique transductrice dont le milieu transducteur est d'indice de réfraction plus élevé que l'indice effectif du guide pour son mode fondamental.
L'article de W.V. Sorin et al. intitulé «Single mode fiber saturable absorber», publié dans la revue Optics Letters, July 1984, Vol. 9 - No 7, pp. 315-317, montre l'utilisation d'une cellule transductrice constituée d'une fibre monomode polie tângentiellement, habituellement utilisée dans des dispositifs optiques tels que polariseurs, coupleurs directionnels et amplificateurs. Une couche transductrice d'un matériau à absorption saturable est déposé sur la surface polie de la fibre optique. Le dispositif obtenu présente un coefficient de transmission non linéaire fonction de la puissance optique se propageant dans ladite couche. Cet article enseigne que la partie évanescente de l'onde guidée est accessible au niveau de la surface polie de la fibre. Une interaction la plus grande possible entre l'onde évanescente et le milieu transducteur situé sur la surface polie de la fibre engendre un dispositif à efficacité importante. L'article enseigne également que si l'indice du milieu transducteur est supérieur à l'indice effectif du guide d'onde, l'onde guidée fuit hors du guide. Pour obtenir une interaction suffisante, entre onde évanescente et milieu transducteur, tout en évitant la fuite de l'onde hors du guide d'ondes, W.V. Sorin et al. proposent de donner à l'indice de réfraction du milieu transducteur une valeur légèrement inférieure à celle de l'indice effectif du guide d'onde.
Il n'est pas envisagé, ni même suggéré, dans cet article, que le dispositif puisse être obtenu avec un milieu transducteur d'indice de réfraction supérieur à l'indice effectif du guide d'onde.
Le document de la présentation faite à la conférence internationale OFS'84 des 5-7 Septembre 1984 à Stuttgart et intitulé «Single-Mode Fibre Evanescent Wave Spectroscopy», de O. Parriaux et al., pp. 71-74, montre un capteur spectroscopique à fibre optique permettant la détermination des caractéristiques d'absorption d'un milieu transducteur. Le capteur utilise une fibre monomode dans laquelle l'onde se propage par réflexions internes totales multiples. Une cellule transductrice constituée d'une section de fibre optique polie tângentiellement est réalisée au bout de ladite fibre. Un milieu transducteur constitué d'un matériau absorbant est déposé sur la surface polie de la cellule transductrice. Dans une telle réalisation une partie du champ évanescent de l'onde guidée pénètre dans le milieu transducteur. Le document ci-dessus enseigne que la sensibilité du dispositif dépend de l'importance de la partie du champ évanescent se propageant dans le milieu transducteur. En d'autres termes la sensibilité est d'autant plus grande que le milieu transducteur est proche du cœur de la fibre et que l'indice de réfraction dudit milieu est voisin de l'indice du cœur de la fibre.
Toutefois l'atténuation de l'onde de sonde devient très grande lorsque l'indice de réfraction du milieu transducteur dépasse l'indice du cœur de la fibre, ce qui limite le choix des matériaux transducteurs pouvant être utilisés.
Aussi un objet de l'invention est une cellule transductrice optique à guide de lumière de configuration électromagnétique particulière permettant d'appliquer la spectroscopie par onde évanescente dans le cas où le milieu transducteur est d'indice de réfraction plus élevé que celui du guide de sonde.
En d'autres termes, un objet de l'invention est une cellule transductrice optique à guide de lumière de configuration électromagnétique particulière permettant à la partie évanescente de l'onde guidée de se propager dans la couche transductrice.
En d'autres termes encore, un objet de l'invention est une cellule transductrice optique à guide de lumière de configuration électromagnétique particulière évitant la fuite de l'onde guidée hors du guide.
Un autre objet est une cellule transductrice optique à guide de lumière de configuration électromagnétique particulière évitant la fuite du mode guidé du guide de sonde, tout en lui permettant de se propager dans la couche transductrice en y ayant son maximum sur une distance finie, dans le cas où le milieu transducteur est d'indice de réfraction plus élevé que celui du guide de sonde.
Les caractéristiques de l'invention sont définies dans les revendications.
Un avantage de l'invention vis-à-vis de l'art antérieur est la réalisation d'un capteur à spectroscopie optique sans restriction portant sur l'indice de réfraction du milieu transducteur.
Les avantages d'un capteur à spectroscopie optique à guide de lumière par rapport à un dispositif classique à spectroscopie par réflexion interne totale unique réside principalement dans le fait que
- la sensibilité du capteur, qui est fonction du nombre de réflexions totales effectuées par l'onde de sonde à l'interface guide de lumière - milieu transducteur, est plus grande;
- la reproductibilité de la mesure est assurée du fait de la nonambiguïté du champ modal dans un guide d'onde monomode et
- le confinement de la lumière dans un guide d'onde diminue l'encombrement de la cellule transductrice et donc le temps de réponse.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite à titre purement illustratif et en relation avec les dessins joints dans lesquels:
la fig. 1 montre deux configurations possibles de la cellule transductrice pour laquelle le guide de lu2
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mière peut être soit un guide d'onde optique intégré (fig. 1.a), soit une fibre optique à revêtement (fig. 1-b);
la fig. 2 montre le profil de l'indice de réfraction d'un premier exemple de réalisation de la cellule transductrice utilisée dans un capteur à onde évanescente;
la fig. 3 montre le profil de l'indice de réfraction d'un deuxième exemple de réalisation de la cellule transductrice utilisée dans un capteur à couplage résonnant.
La cellule transductrice optique selon l'invention est représentée en fig. 1 suivant deux configurations possibles.
La fig. 1 .a montre une cellule transductrice optique utilisant un guide d'onde optique du genre à circuit intégré. La cellule transductrice 1 se compose d'un substrat 2 supportant successivement le guide d'onde 3, appelé guide de sonde, éventuellement une couche tampon 4 puis une couche transductrice 5 en contact avec le milieu extérieur 6. Ledit milieu extérieur est caractérisé par la grandeur physique ou chimique à mesurer.
La fig. 1 .b montre une cellule transductrice optique utilisant un guide de lumière du type à fibre optique avec revêtement, figure dans laquelle les éléments analogues à ceux de la fig. 1.a portent les mêmes références. La cellule transductrice 1 est une fibre optique monomode courbée dont la gaine 2 est polie tângentiellement. Le guide de sonde 3 est constitué du cœur de ladite fibre optique. La gaine supporte sur sa zone polie 4 une couche transductrice 5 en contact avec le milieu extérieur 6.
Le profil des indices de réfraction de la cellule transductrice est représenté sur les fig. 2 et 3 en fonction de la coordonnée radiale r, pour deux exemples de réalisations.
Le guide de sonde 3 (guide d'onde ou cœur de la fibre optique) d'indice de réfraction ng est entouré par le substrat 2 (gaine de la fibre optique) et la couche tampon 4 (reste de gaine polie). L'indice ns de ladite couche tampon 4 doit être plus faible que l'indice ng du guide de sonde ceci afin de permettre le maintien de l'onde de sonde dans ledit guide de sonde.
La couche transductrice 5 d'épaisseur w a un indice de réfraction nm plus élevé ou égal à l'indice effectif modal nc du guide de sonde 3. Le milieu extérieur 6 est d'indice ne plus faible que l'indice ns de la couche tampon 4 (reste de gaine polie).
Un premier exemple de réalisation (fig. 2) vise à éviter la fuite du mode guidé du guide de sonde, sans rechercher une sensibilité optimale de la cellule transductrice. Pour cela on donne à la couche transductrice une épaisseur wi inférieure à l'épaisseur de coupure wc de ladite couche transductrice pour son mode fondamental. L'épaisseur de coupure wc d'un guide d'onde correspond à l'épaisseur au-delà de laquelle l'onde électromagnétique, pour une longueur d'onde X donnée, ne peut plus être confinée intégralement dans le guide. L'épaisseur de coupure wc de la couche transductrice est donnée par l'expression suivante:
2Jl arctg k
»B2 " nc2
m ~ ns2
n 2 - n 2
S 5
A titre d'exemple, pour un milieu transducteur d'indice de réfraction nm identique à celui du PMMA, l'épaisseur de coupure wc est de l'ordre de 0.75 nm si le milieu extérieur se compose d'un gaz et de l'ordre de 0.65 nm pour un milieu extérieur constitué d'une solution acqueuse et pour une longueur d'onde X de 0.85 nm dans les deux cas.
Un deuxième exemple de réalisation (fig. 3), conférant une grande sensibilité à la cellule transductrice, vise à propager l'onde de sonde dans la couche transductrice en y ayant non plus sa partie évanescente mais son maximum sur une distance finie. En d'autres termes il s'agit de réaliser un couplage directionnel entre deux modes en synchronisme (modes se propageant à la même vitesse de phase): le mode de sonde et le mode fondamental de la couche transductrice. Pour cela l'épaisseur w de la couche transductrice est ajustée de manière à ce que l'indice effectif n02 pour son mode fondamental soit égal ou voisin de celui nci du guide de sonde à la longueur d'onde de travail X. L'obtention de l'égalité entre indices effectifs desdits modes définit un couplage résonnant entre modes.
La cellule transductrice, de par sa structure originale et quelle que soit sa configuration, permet, d'une part, à l'onde de sonde de se propager dans le guide de sonde et permet, d'autre part, au milieu transducteur de voir ses propriétés changer sous l'effet d'une variation de la grandeur physique ou chimique à mesurer.
Ce changement des propriétés optiques du milieu transducteur est éprouvé, dans le cas d'une configuration à guide d'onde ou à fibre optique, par la partie du champ électromagnétique modal extérieure au guide de sonde.
Dans le premier exemple de réalisation, le champ électromagnétique modal extérieur au guide de
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sonde n'est autre que la partie évanescente du champ modal, celui-ci pénétrant dans le milieu transducteur.
Dans le deuxième exemple de réalisation la partie du champ électromagnétique modal extérieure au guide de sonde correspond au lobe central du mode fondamental guidé.
Dans les deux exemples de réalisation le milieu transducteur de haut indice de réfraction nm est assimilé à un guide d'onde dont le ou les modes peuvent ou non être couplés en synchronisme ou non avec l'onde de sonde. En effet le premier exemple de réalisation permet de se ramener au cas de la spectroscopie à onde évanescente dans un milieu d'indice de réfraction inférieur à l'indice effectif nc du mode de sonde. La deuxième réalisation est basée sur un couplage directionnel entre deux modes en synchronisme, à savoir l'onde de sonde et le mode fondamental de la couche transductrice, permettant ainsi les conditions d'une grande sensibilité aux variations de l'indice réel et imaginaire de ladite couche transductrice.
La cellule transductrice de l'invention est, selon un mode préférentiel, intégrée dans un capteur physique ou chimique à spectroscopie optique. Un tel capteur est utilisé pour la mesure de toute grandeur physique ou chimique, tout phénomène se traduisant par une modification de la répartition spectrale de la lumière reçue ou émise. La modification du spectre de la lumière reçue peut être due à la variation de l'indice de réfraction nm du milieu transducteur ou encore du coefficient d'absorption. Les capteurs optiques à spectroscopie par absorption utilisent cette dernière propriété. La modification de la répartition spectrale de la lumière émise est utilisée dans les capteurs à spectroscopie par fluorescence.
De manière générale, un capteur à spectroscopie optique se compose, par exemple, d'une source de lumière monomode ou multimode délivrant une onde lumineuse Po. Ladite onde lumineuse peut être divisée en amplitude par un coupleur optique à deux branches. Ledit coupleur optique fournit une onde de référence Pr et une onde de sonde. L'onde de sonde peut être injectée dans la cellule transductrice optique de l'invention et voir ainsi sa répartition spectrale modifiée sous l'effet de la grandeur physique ou chimique à mesurer. L'onde de sonde modifiée Ps peut être détectée par un détecteur, tout comme l'onde de référence. Une immunité aux fluctuations de la source de lumière est, par exemple, obtenue en divisant le signal électrique représentant l'onde de sonde perturbée Ps par le signal représentant l'onde de référence Pr. La grandeur physique ou chimique est déterminée par l'analyse de la répartition spectrale du signal de sortie résultant.
Claims (6)
1. Cellule optique transductrice (1) à guide d'onde ou fibre optique polie constituée successivement d'un substrat (2), d'un guide de sonde (3), d'une couche tampon (4) et d'une couche transductrice (5) en contact avec un milieu extérieur (6) caractérisée en ce que ladite couche transductrice (5) a
- un indice de réfraction nm supérieur ou égal à l'indice effectif modal nc du guide de sonde (3) et
- une épaisseur wi inférieure ou égale à son épaisseur de coupure w0 pour son mode fondamental et en ce que l'indice de réfraction ns de la couche tampon (4) et du substrat (2) est supérieur à l'indice de réfraction ne du milieu extérieur (6) et inférieur à l'indice de réfraction ng du guide de sonde (3).
2. Cellule optique transductrice (1) à guide d'onde ou fibre optique polie constituée successivement d'un substrat (2), d'un guide de sonde (3), d'une couche tampon (4) et d'une couche transductrice (5) en contact avec un milieu extérieur (6) caractérisée en ce que ladite couche transductrice (5) a
- un indice de réfraction nm supérieur ou égal à l'indice effectif modal n0i du guide de sonde (3) pour son mode fondamental et
- une épaisseur w ajustée de manière à ce que son indice effectif nc2 pour son mode fondamental soit égal ou voisin de celui nci du guide de sonde pour la longueur d'onde de travail et en ce que l'indice ns de la couche tampon (4) et du substrat (2) est supérieur à l'indice ne du milieu extérieur (6) et inférieur à l'indice de réfraction ng du guide de sonde (3).
3. Cellule optique transductrice selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisée en ce que les guides de lumière sont des guides d'onde intégrés ou des fibres optiques monomodes.
4. Capteur à spectroscopie optique comprenant une cellule optique transductrice, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.
5. Capteur spectroscopique comprenant une cellule optique transductrice selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est à onde évanescente.
6. Capteur spectroscopique comprenant une cellule optique transductrice selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est à couplage résonnant entre le mode de sonde du guide de sonde et le mode fondamental de la couche transductrice.
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Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH447389A CH682517A5 (fr) | 1989-12-13 | 1989-12-13 | Cellule optique transductrice et capteur à spectroscopie optique comprenant une cellule optique transductrice. |
Applications Claiming Priority (1)
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| CH447389A CH682517A5 (fr) | 1989-12-13 | 1989-12-13 | Cellule optique transductrice et capteur à spectroscopie optique comprenant une cellule optique transductrice. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CH682517A5 true CH682517A5 (fr) | 1993-09-30 |
Family
ID=4276754
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CH447389A CH682517A5 (fr) | 1989-12-13 | 1989-12-13 | Cellule optique transductrice et capteur à spectroscopie optique comprenant une cellule optique transductrice. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH682517A5 (fr) |
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1989
- 1989-12-13 CH CH447389A patent/CH682517A5/fr not_active IP Right Cessation
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