CH684132A5 - Evanescent mode optical device for non-guided light signal - Google Patents
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Abstract
Description
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CH 684 132 A5 CH 684 132 A5
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Description Description
La présente invention se rapporte aux dispositifs optiques utilisant une onde lumineuse non guidée, en général, et concerne, plus particulièrement, un dispositif optique à onde évanescente et son utilisation comme système optique délivrant un zéro optique définissant une origine. The present invention relates to optical devices using an unguided light wave, in general, and relates, more particularly, to an evanescent wave optical device and its use as an optical system delivering an optical zero defining an origin.
Les dispositifs interférométriques en lumière monochromatique, utilisés pour la mesure de grandeurs physique ou chimique telles, par exemple, une position linéaire absolue, sont des systèmes interférométriques incrémentaux et ne disposent donc pas d'une référence absolue. Interferometric devices in monochromatic light, used for measuring physical or chemical quantities such as, for example, an absolute linear position, are incremental interferometric systems and therefore do not have an absolute reference.
Il existe différents dispositifs mécaniques ou optiques permettant de définir une position de référence. There are different mechanical or optical devices for defining a reference position.
Les dispositifs mécaniques, tels une butée mécanique ou un palpeur mécanique, ne permettent pas d'obtenir une précision au moins aussi bonne que la résolution de l'interférométrie ou, du moins, que sa précision. Un inconvénient majeur de ces dispositifs mécaniques est leur usure et leur élasticité. Mechanical devices, such as a mechanical stop or a mechanical probe, do not make it possible to obtain an accuracy at least as good as the resolution of the interferometry or, at least, as its accuracy. A major drawback of these mechanical devices is their wear and their elasticity.
Les dispositifs optiques connus font appel aux techniques de «Moiré» ou encore à l'interférométrie en lumière blanche. Ces dispositifs permettent d'obtenir des précisions suffisantes mais le coût des composants optiques et des circuits électroniques est élevé. Known optical devices use “Moiré” techniques or even white light interferometry. These devices make it possible to obtain sufficient precision, but the cost of the optical components and of the electronic circuits is high.
Aussi un objet de la présente invention est un dispositif optique à onde évanescente ne présentant pas les inconvénients et limitations cités précédemment. Also an object of the present invention is an optical evanescent wave device not having the drawbacks and limitations mentioned above.
Un autre objet de l'invention est une utilisation du dispositif optique à onde évanescente comme système optique délivrant une position de référence absolue utilisée comme origine. Another object of the invention is a use of the evanescent wave optical device as an optical system delivering an absolute reference position used as the origin.
Les caractéristiques de l'invention sont définies dans les revendications. The features of the invention are defined in the claims.
Des avantages de l'invention vis-à-vis des dispositifs optiques de l'art antérieur sont que: Advantages of the invention with respect to optical devices of the prior art are that:
- les éléments optiques utilisés sont très légers, - the optical elements used are very light,
- le dispositif optique est référencé contre les variations d'intensité de la source, - the optical device is referenced against variations in intensity of the source,
- la position de référence absolue est définie sans contact, - the absolute reference position is defined without contact,
- ladite position de référence est unique et non ambiguë et - said reference position is unique and unambiguous and
- les alignements entre éléments optiques ne sont pas critiques. - the alignments between optical elements are not critical.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, description faite à titre purement illustratif et en relation avec les dessins joints dans lesquels: Other objects, characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the following description, description given purely by way of illustration and in relation to the accompanying drawings in which:
la fig. 1 montre une première réalisation du dispositif optique à onde évanescente et la fig. 2 montre la variation de l'indice effectif du mode de plasmon en fonction de l'épaisseur du milieu de bas indice. fig. 1 shows a first embodiment of the evanescent wave optical device and FIG. 2 shows the variation of the effective index of the plasmon mode as a function of the thickness of the medium of low index.
Le dispositif optique à onde évanescente selon l'invention est représenté à la fig. 1 selon une configuration en optique de volume. The evanescent wave optical device according to the invention is shown in FIG. 1 according to a configuration in volume optics.
La fig. 1 montre un dispositif optique à onde évanescente 1 comportant, disposés successivement l'un à côté de l'autre, un milieu optique 2 d'indice de réfraction ni, propageant une onde plane incidente collimatée d'angle d'incidence 6, un milieu 3 de bas indice na et d'épaisseur d variable, un milieu métallique 4 et des moyens de détection 5. Fig. 1 shows an evanescent wave optical device 1 comprising, successively arranged one next to the other, an optical medium 2 of refractive index ni, propagating a collimated incident plane wave of angle of incidence 6, a medium 3 of low index na and of variable thickness d, a metallic medium 4 and detection means 5.
Ledit milieu métallique est susceptible de propager un mode de plasmon. Le mode de plasmon est une onde électromagnétique de surface associée à une oscillation longitudinale, selon l'axe de propagation z de l'onde incidente, des électrons à la surface du métal. Cette onde a un très grand coefficient d'atténuation du fait des pertes par effet Joule dues aux électrons en mouvement. Said metallic medium is capable of propagating a plasmon mode. The plasmon mode is an electromagnetic surface wave associated with a longitudinal oscillation, along the axis of propagation z of the incident wave, of the electrons on the surface of the metal. This wave has a very high attenuation coefficient due to the Joule effect losses due to the moving electrons.
Le milieu optique propage ladite onde incidente qui, si elle est de polarisation de type transverse magnétique TM, est susceptible de se coupler avec ledit mode de plasmon. The optical medium propagates said incident wave which, if it is of transverse magnetic type TM, is capable of coupling with said plasmon mode.
Le mode de plasmon peut être excité si les deux conditions suivantes sont satisfaites simultanément: Plasmon mode can be excited if the following two conditions are met simultaneously:
a) le champ évanescent de l'onde incidente est non nul à la surface du milieu métallique et b) la condition de synchronisme entre l'onde incidente et le mode de plasmon est satisfaite. Ladite condition de synchronisme s'énonce comme suit: la projection kp sur l'axe z du vecteur d'onde kj (kp = ki . sine) de l'onde incidente dans le guide de lumière doit être égale ou sensiblement égale à la constante de propagation ß du mode de plasmon (ß = kp). Une telle condition se traduit par l'égalité suivante ne = ni . sine, si l'on définit ß comme le produit de la constante de propagation dans le vide k0 par l'indice de réfraction effectif du mode de plasmon ne. a) the evanescent field of the incident wave is not zero on the surface of the metallic medium and b) the condition of synchronism between the incident wave and the plasmon mode is satisfied. Said synchronism condition is stated as follows: the projection kp on the z axis of the wave vector kj (kp = ki. Sine) of the incident wave in the light guide must be equal or substantially equal to the constant ß propagation of the plasmon mode (ß = kp). Such a condition results in the following equality ne = ni. sine, if we define ß as the product of the propagation constant in the vacuum k0 by the effective refractive index of the plasmon mode ne.
De manière générale, l'indice de réfraction effectif d'un mode de plasmon se propageant à la frontière d'un milieu métallique et d'un milieu diélectrique d'indice de réfraction n est donné par l'expression ne = n{em/(n2+em) }1/2> où em est la permittivité relative du métal. In general, the effective refractive index of a plasmon mode propagating at the border of a metallic medium and a dielectric medium of refractive index n is given by the expression ne = n {em / (n2 + em)} 1/2> where em is the relative permittivity of the metal.
Dans le cas où le milieu de bas indice est l'air (nd = 1) et si la valeur donnée à d est importante, l'indice de réfraction effectif ne du mode de plasmon est donné par l'expression: ne = {em/(1+em)}1/2. In the case where the medium of low index is air (nd = 1) and if the value given to d is important, the effective refractive index ne of the plasmon mode is given by the expression: ne = {em / (1 + em)} 1/2.
A l'opposé: si d est égal à zéro, l'indice de réfraction effectif ne du mode de plasmon est donné par l'expression: ne = ni{£m/(ni2+em)}1/2. Conversely: if d is equal to zero, the effective refractive index ne of the plasmon mode is given by the expression: ne = neither {£ m / (ni2 + em)} 1/2.
Pour toutes les valeurs de d comprises entre zéro et l'infini, l'indice effectif du mode de plasmon est une fonction croissante lorsque d décroît (fig. 2). For all the values of d between zero and infinity, the effective index of the plasmon mode is an increasing function when d decreases (fig. 2).
Comme défini précédemment, l'onde incidente et le mode de plasmon sont couplés s'il y a synchronisme entre les deux ondes (ne = ni . sine). Le synchronisme entre les deux ondes dépend donc de l'angle d'incidence e et a lieu pour une certaine valeur dc de l'épaisseur d du milieu de bas indice. Pour cette valeur dc, une partie importante de la puissance de l'onde incidente sera couplée au mode de plasmon, ce qui se traduit par une atténuation importante de la puissance réfléchie. As defined above, the incident wave and the plasmon mode are coupled if there is synchronism between the two waves (ne = neither. Sine). The synchronism between the two waves therefore depends on the angle of incidence e and takes place for a certain value dc of the thickness d of the medium of low index. For this value dc, a significant part of the power of the incident wave will be coupled to the plasmon mode, which results in a significant attenuation of the reflected power.
La valeur dc de l'épaisseur du milieu de bas indi5 The dc value of the thickness of the bottom indi5 medium
10 10
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20 20
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35 35
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50 50
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ce pour laquelle on obtient un minimum de puissance lumineuse réfléchie dans le guide de lumière, c'est-à-dire un couplage maximum de l'onde évanescente avec le mode de plasmon, sera d'autant plus élevée que l'angle d'incidence e sera proche de l'angle d'incidence critique ec et supérieur à celui-ci. what for which a minimum of light power reflected in the light guide is obtained, that is to say a maximum coupling of the evanescent wave with the plasmon mode, will be all the higher as the angle of incidence e will be close to and greater than the critical angle of incidence ec.
De plus la précision de la position du zéro optique diminue lorsque ladite valeur dc de l'épaisseur du milieu de bas indice augmente. In addition, the precision of the position of the optical zero decreases when said value dc of the thickness of the medium of low index increases.
Le couplage entre l'onde incidente et le mode de plasmon a lieu pour une valeur de d non nulle, la puissance réfléchie augmente lorsque d diminue en dessous de dc, ce qui permet alors de définir une position du zéro optique unique et non ambiguë. The coupling between the incident wave and the plasmon mode takes place for a non-zero value of d, the reflected power increases when d decreases below dc, which then makes it possible to define a unique and unambiguous optical zero position.
La mesure porte sur la puissance lumineuse réfléchie dans le guide de lumière en fonction de l'épaisseur d du milieu de bas indice. La puissance lumineuse réfléchie Ptm de la polarisation TM présente un minimum prononcé pour d = dc alors que la puissance Pte de la polarisation TE diminue avec d de façon monotone. Le rapport entre les puissances lumineuses réfléchies des modes de polarisation transverse magnétique Ptm et transverse électrique Pte donne un signal référencé indépendant des fluctuations de la source. The measurement relates to the light power reflected in the light guide as a function of the thickness d of the medium of low index. The reflected light power Ptm of the polarization TM has a pronounced minimum for d = dc while the power Pte of the polarization TE decreases with d monotonically. The ratio between the reflected light powers of the transverse magnetic polarization modes Ptm and electric transverse Pte gives a referenced signal independent of the fluctuations of the source.
Un mode de réalisation préféré du dispositif optique à onde évanescente de l'invention fait appel aux techniques de l'optique de volume. Une telle configuration dudit dispositif optique est représentée à la fig. 1. A preferred embodiment of the evanescent wave optical device of the invention uses the techniques of volume optics. Such a configuration of said optical device is shown in FIG. 1.
Le milieu optique est un prisme optique dans lequel est injecté une onde collimatée de préférence plane. Le milieu de bas indice est constitué du milieu ambiant, par exemple l'air. Le milieu métallique est une simple surface métallique, usinée ou évaporée sur un support. La base dudit prisme optique est parallèle à ladite surface métallique. Les moyens de détection sont constitués de deux détecteurs optiques disposés chacun devant deux po-lariseurs, dont les directions passantes sont à angle droit, et disposée en sortie dudit prisme optique. The optical medium is an optical prism into which a collimated wave, preferably planar, is injected. The low index medium consists of the ambient medium, for example air. The metallic medium is a simple metallic surface, machined or evaporated on a support. The base of said optical prism is parallel to said metal surface. The detection means consist of two optical detectors each disposed in front of two po-larizers, whose passing directions are at right angles, and disposed at the outlet of said optical prism.
Un autre mode de réalisation du dispositif optique à onde évanescente de l'invention fait appel aux techniques de l'optique guidée. Dans une telle configuration, le milieu optique peut être un guide d'onde intégré monomode à confinement latéral à la surface d'un substrat ou encore une fibre optique monomode polie transversalement. Another embodiment of the evanescent wave optical device of the invention uses the techniques of guided optics. In such a configuration, the optical medium can be a single-mode integrated waveguide with lateral confinement on the surface of a substrate or even a transversely polished single-mode optical fiber.
Une utilisation préférée du dispositif optique à onde évanescente de l'invention est un système du type butée optique ou encore palpeur optique. De tels systèmes permettent de délivrer un zéro optique le long d'un axe et ainsi de définir une référence absolue. Ces systèmes sont utilisés, par exemple, combinés à des systèmes optiques de mesure de positions linéaires absolues, ou tout autre système de mesure de grandeurs absolues. Ces systèmes de mesure de positions ou de grandeurs absolues ne sont pas décrits dans le présent document, mais font appel à des techniques connues de mesure interférométrique en lumière monochromatique. Le milieu métallique ou le milieu optique est disposé, par exemple, sur un élément d'une machine-outil, élément se déplaçant en translation le long d'un axe et dont on veut déterminer la position linéaire absolue. A preferred use of the evanescent wave optical device of the invention is a system of the optical stop type or even optical probe. Such systems make it possible to deliver an optical zero along an axis and thus to define an absolute reference. These systems are used, for example, combined with optical systems for measuring absolute linear positions, or any other system for measuring absolute quantities. These systems for measuring positions or absolute quantities are not described in the present document, but use known techniques for interferometric measurement in monochromatic light. The metallic medium or the optical medium is placed, for example, on an element of a machine tool, an element moving in translation along an axis and the absolute linear position of which is to be determined.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH3307/90A CH684132A5 (en) | 1990-10-16 | 1990-10-16 | Evanescent mode optical device for non-guided light signal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH3307/90A CH684132A5 (en) | 1990-10-16 | 1990-10-16 | Evanescent mode optical device for non-guided light signal |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CH684132A5 true CH684132A5 (en) | 1994-07-15 |
Family
ID=4253156
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CH3307/90A CH684132A5 (en) | 1990-10-16 | 1990-10-16 | Evanescent mode optical device for non-guided light signal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH684132A5 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008012703A1 (en) * | 2006-07-20 | 2008-01-31 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Radiation detectors using evanescent field excitation |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0019724A1 (en) * | 1979-05-29 | 1980-12-10 | International Business Machines Corporation | Method of monitoring the thickness of thin dielectric films and performance of the method |
| EP0326291A1 (en) * | 1988-01-27 | 1989-08-02 | AMERSHAM INTERNATIONAL plc | Biological sensors |
-
1990
- 1990-10-16 CH CH3307/90A patent/CH684132A5/en not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
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| Journal of Applied Physics, volume 66, no. 10, 15 novembre 1989, American Institute of Physics, (New York, US), W. Hickel et al.: "Surface plasmon microscopic characterization of external surfaces", pages 4832-4836 * |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |