CH684132A5

CH684132A5 - Dispositif optique à onde évanescente et son utilisation.

Info

Publication number: CH684132A5
Application number: CH3307/90A
Authority: CH
Inventors: Olivier Parriaux; Pierre Sixt
Original assignee: Suisse Electronique Microtech
Priority date: 1990-10-16
Filing date: 1990-10-16
Publication date: 1994-07-15

Description

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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.

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.

Il existe différents dispositifs mécaniques ou optiques permettant de définir une position de référence.

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.

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.

Aussi un objet de la présente invention est un dispositif optique à onde évanescente ne présentant pas les inconvénients et limitations cités précédemment.

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.

Les caractéristiques de l'invention sont définies dans les revendications.

Des avantages de l'invention vis-à-vis des dispositifs optiques de l'art antérieur sont que:

- les éléments optiques utilisés sont très légers,

- le dispositif optique est référencé contre les variations d'intensité de la source,

- la position de référence absolue est définie sans contact,

- ladite position de référence est unique et non ambiguë et

- les alignements entre éléments optiques ne sont pas critiques.

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:

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.

Le dispositif optique à onde évanescente selon l'invention est représenté à la fig. 1 selon une configuration en optique de volume.

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.

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.

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.

Le mode de plasmon peut être excité si les deux conditions suivantes sont satisfaites simultanément:

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.

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.

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.

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.

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).

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.

La valeur dc de l'épaisseur du milieu de bas indi5

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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.

De plus la précision de la position du zéro optique diminue lorsque ladite valeur dc de l'épaisseur du milieu de bas indice augmente.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims

Revendications

1. Dispositif optique à onde évanescente (1) caractérisé en ce qu'il comprend, successivement:

- un milieu optique (2), d'indice de réfraction m, propageant une onde incidente d'angle d'incidence e proche de l'angle d'incidence critique ec et supérieur à ce dernier,

- un milieu (3) de bas indice de réfraction na et d'épaisseur d variable,

- un milieu métallique (4) dans lequel le mode de plasmon d'indice de réfraction effectif ne est en synchronisme avec ladite onde incidente pour une épaisseur dc du milieu de bas indice et

- des moyens de détection (5) mesurant la puissance lumineuse réfléchie, dans ledit milieu optique, de ladite onde incidente.

2. Dispositif optique à onde évanescente (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu optique est un prisme optique.

3. Dispositif optique à onde évanescente (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu optique est un guide d'onde intégré monomode à confinement latéral à la surface d'un substrat.

4. Dispositif optique à onde évanescente (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu optique est une fibre optique monomode polie transversalement.

5. Utilisation du dispositif optique à onde évanescente selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comme système optique délivrant un zéro optique définissant une référence absolue.

6. Utilisation du dispositif optique à onde évanescente comme système optique délivrant un zéro optique définissant une référence absolue selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit milieu métallique est disposé sur un élément se déplaçant en translation le long d'un axe et dont on veut déterminer la position linéaire absolue.

7. Utilisation du dispositif optique à onde évanescente comme système optique délivrant un zéro optique définissant une référence absolue selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit milieu optique est disposé sur un élément se déplaçant en translation le long d'un axe et dont on veut déterminer la position linéaire absolue.

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