CN114868007A - 包括光学换能器的光声或光热检测器 - Google Patents

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托马斯·罗威斯
斯坎达尔·巴索尔
让-纪尧姆·库塔尔
阿兰·格里埃尔
纪尧姆·拉丰
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Joseph Fourier Grenoble 1
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Joseph Fourier Grenoble 1
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Abstract

本发明是一种用于检测介质中的分析物的设备和方法。激励光源产生激励光波，该激励光波传播到介质，并加热该介质。所述设备包括用于检测所述介质的加热的换能器。根据一个实施例，所述换能器是配置为检测所述介质的温度变化的热换能器。根据另一实施例，所述换能器是配置为检测从所述介质传播的光声波的声学换能器。无论哪一个实施例，换能器都实施其上布置有波导的膜。所述波导包括谐振光腔。通过分析光腔的谐振波长的变化来实现换能。

Description

包括光学换能器的光声或光热检测器
技术领域
本发明的技术领域是根据光声检测或光热检测的原理，检测介质中的分析物。
背景技术
光声检测基于检测在由被分析介质对脉冲或调幅的电磁激励波(称作激励波)的吸收作用下生成的声波。在加热存在于被分析介质中的吸收性分子之后，在激励波的吸收作用下，形成声波。加热造成介质的调制的热膨胀，所述膨胀导致声波。
通过将激励波的波长设置为分析物的吸收波长，光声检测可以特定于一种特定分析物。由此，已经将光声检测应用于检测气体中的气体物质，或检测在生物组织中特定分子的存在。入射波的波长经常位于红外线中。
光声检测则是一种可以应用于扩散或不透明介质的非侵入式分析技术。
例如在以下出版物中说明将光声检测应用于生物组织：
-Bauer AJ.“IR-spectroscopy for skin in vivo:Optimal skin sites andproperties for non-invasive glucose measurement by photoacoustic andphotothermal spectroscopy”；Journal of biopohtonics 11(2018)；
-“Windowless ultrasound photoacoustic cell for in-vivo mid-IRspectroscopy of human epidermis:Low interference by changes of air pressure,temperature,and humidity caused by skin contact opens the possibility for anon-invasive monitoring of glucose in the interstitial fluid”，Rev.Sci.Instrum.84,084901(2013)。
在这些出版物中，使用以数十千赫的频率激活的脉冲激光源。目的在于，在使用者皮肤下方10μm至50μm的深度处估计间质体液中的葡萄糖浓度。为此，使用紧靠使用者皮肤布置的光声检测设备。
还已知基于检测被分析介质在由介质吸收脉冲或调幅的激励电磁波的作用下的温度变化的光热检测技术。温度变化由存在于被分析介质中的吸收性分子，在激励波的吸收作用下的加热引起。
通过估计在温度变化的作用下介质的折射率的变化，可以例如检测周期性温度调制。这例如在EP3359949B1中描述。
无论是光热检测还是光声检测，试样可以是气体试样，目的在于检测某些气体物质或可以例如视为污染物的某些颗粒。也可以涉及液体或固体试样，可能在工业领域(例如食品工业领域)，或如前所述的健康领域中。
本发明人已经设计了一种换能器，该换能器可以用于采用光声检测的应用，或用于采用光热检测的应用。它允许获得专用于每个应用、具有高检测敏感度，和简单设计的设备。
发明内容
本发明的第一主题在于一种旨在通过接触面施加在待分析介质上的检测设备，该被分析介质可能包含分析物，所述分析物吸收至少一个吸收波长的光，所述设备包括：
-开口，其形成在接触面中；
-激励光源，其配置为发射在包括吸收波长的激励光谱带中的激励光波，所述激励光波以激励频率脉冲或调幅，所述设备设置为使得激励光波穿过开口朝着被分析介质传播；
-换能器，其旨在在分析物吸收激励光波的一部分之后所述介质的响应；
所述设备的特征在于，所述换能器包括：
-膜，其承载波导；
-波导，其包括第一反射器和第二反射器，每个反射器反射一反射光谱带中的光；
-第一反射器和第二反射器，所述第一反射器和第二反射器彼此间隔，以形成谐振光腔，谐振光腔限定反射光谱带中的谐振波长；
以使得波导：
·以谐振波长传输光；
·反射反射光谱带中谐振波长以外的光；
所述换能器还包括：
-辅助激光源，其配置为将反射光谱带中的辅助光波发射到波导中；
-光电检测器，其设置为检测由波导以谐振波长传输的光波；
-伺服电路，其连接到光电检测器，并配置为确定谐振光腔的谐振波长的周期性时间相关调制。
所述设备可以包括处理单元，其连接到伺服电路，并配置为：
-估计谐振波长的时间相关调制的幅度；
-根据所估计的幅度，检测分析物在介质中的存在。
处理单元可以配置为根据所估计的幅度，估计分析物在介质中的浓度。
根据称作光声实施例的一个实施例，所述设备包括通向开口的空腔，换能器连接到空腔。换能器是配置为检测从开口穿过空腔传播的光声波的幅度的声学换能器，以使得在介质被激励光波照射的作用下，膜以激励频率振动，导致以等于激励频率的调制频率对谐振波长的时间相关调制。
膜可以平行于接触面放置。膜可以限定空腔的一部分。
根据称作光热实施例的一个实施例，所述设备使得：
-换能器的膜形成设备的接触面，所述接触面旨在被施加为与介质接触；
-开口穿过膜延伸；
-换能器是热换能器，以使得在介质被激励光波照射的作用下，膜的温度呈现周期性随时间变化，导致谐振波长的周期性时间相关调制。
无论哪个实施例，至少一个反射器或每个反射器是通过沿着波导的折射率的周期性调制形成的布拉格镜。
无论哪个实施例，伺服电路包括伺服环路，所述伺服环路连接到辅助光源并配置伺服控制由辅助光源发射的光波的波长到谐振光腔的谐振波长。伺服电路可以尤其实施Pound-Drever-Hall型伺服技术。
无论哪个实施例，所述设备可以使得：
-第一反射器是第一布拉格镜；
-第二反射器是第二布拉格镜；
-所述第一布拉格镜和第二布拉格镜形成包括缺陷的相同布拉格镜，所述第一布拉格镜和第二布拉格镜分别与位于缺陷的任一侧上的布拉格镜的部分相对应。
在光声实施例中，所述设备可以使得：
-膜在振动作用下呈现至少一个振动波腹，振动幅度在每个波腹处最大；
-波导与至少一个振动波腹平齐。
无论哪个实施例，波导可以直接形成于膜上。第一反射器和第二反射器可以通过用激光束雕刻波导获得，以获得波导中的折射率的周期性调制。
无论哪个实施例，波导可以是沉积在膜上的微结构化的光纤。
本发明的第二主题在于一种用于检测介质中的分析物的方法，所述分析物吸收至少一个吸收波长的光，所述方法包括以下步骤：
a)将根据本发明的第一主题的设备施加在介质上，使得设备的接触面保持在介质上；
b)激活激励光源，所述激励光源发射在与分析物的吸收波长相对应的波长中的激励光波，所述激励光波以激励频率脉冲或调幅；
c)通过伺服电路，确定在对应于激励频率的调制频率下，换能器的波导的谐振波长的周期性调制，谐振波长对应于波导的传输峰；
d)根据由伺服电路确定的周期性调制，检测分析物在介质中的存在。
所述设备可以是关于光声实施例所描述的设备。所述方法则可以包括：
-在步骤b)之后，以激励频率周期性地加热介质，以引起穿过空腔传播的光声波的发射，并在其作用下，换能器的膜以激励频率振动，使得以等于激励频率的调制频率来调制换能器的波导的谐振频率；
-在步骤d)时：
·估计在调制频率下的谐振波长的周期性调制的幅度；
·根据所估计的幅度，检测分析物的存在。
所述设备可以是关于光热实施例所描述的设备。所述方法则可以包括：
-在步骤b)之后，以激励频率周期性地加热介质，以引起在激励频率下的膜的周期性加热，使得以对应于激励频率的调制频率来调制换能器的波导的谐振频率；
-在步骤d)时：
·估计在调制频率下的谐振波长的周期性调制的幅度；
·根据所估计的幅度，检测分析物的存在。
无论哪个实施例，步骤d)也可以包括估计被分析介质中的分析物的浓度。
本发明的第三主题在于一种用于制造根据本发明的第一主题的设备的方法，波导直接形成于膜上，所述方法包括：
-在膜上沉积第一材料的薄层，以形成波导；
-用飞秒激光束雕刻波导，以获得波导的折射率的周期性调制。
参考下面列出的图，阅读在本说明书的其余部分中所描述的实施例的描述，将更好地理解本发明。
附图说明
图1A至1E示意性地示出根据称作光声实施例的一个实施例的设备的主要部件。
图2A示出形成布拉格镜的微结构化光纤。
图2B示出图2A中示意性地示出的光纤的反射光谱带。
图2C示出形成基于两个彼此间隔的布拉格镜的谐振光腔的微结构化光纤。
图2D示出图2C中示意性地示出的光纤的反射光谱带。
图3A示出包括谐振光腔的波导，所述波导未变形。
图3B示出包括谐振光腔的波导，所述波导变形。
图3C示出波导，所述波导的变形不是均匀的。
图3D示出如图3C所示的波导的反射光谱带在变形的作用下的变化。
图3E示出膜沿着其直径的变形幅度。
图3F示出优化定位的波导，所述波导的变形如图3D所示。
图4A示意性地示出使用波长锁定方法，伺服控制辅助光源的波长的电路。
图4B示出使用波长锁定方法获得的误差函数的变化。
图5A示出谐振光腔的谐振波长在膜的振动的作用下的偏移。
图5B示出光纤谐振光波长的时间相关调制。
图5C示意性地示出基于谐振波长的时间相关调制，估计膜的振动幅度。
图6A至6D示出允许形成与膜接触的微结构化波导的制造方法的主要步骤。
图7A示出采用根据光声实施例的设备的检测方法的主要步骤。
图7B示出采用根据光热实施例的设备的检测方法的主要步骤。
图8A至8C示意性地示出根据称作光热实施例的一个实施例的设备的主要部件。
具体实施方式
图1A至1E示出根据本发明的设备1的称作光声实施例的第一实施例。设备1配置为被施加在待分析介质2上。
设备包括配置为发射传播到直至待分析介质2的激励光波11的激励光源10。以激励频率f11，光源10是脉冲或调幅的。光波11在包括存在于介质中的分析物4的吸收波长λ4的激励光谱带Δλ11中发射。设备1的目的在于检测分析物4的存在，并可能地估计其浓度。
激励光谱带优选地位于可见光或红外线中，例如在3μm至15μm的波长之间延伸。优选地，激励光谱带Δλ11足够窄，以使得设备11特定于单种分析物。例如，发射光谱带的宽度约为1cm-1。当分析物是葡萄糖时，发射光谱带定中心于葡萄糖的吸收波长，例如1034cm-1。激励光源10可尤其是脉冲激光源，例如QCL(Quantum Cascade Laser)类型的波长可调激光器。发射光谱带Δλ则位于红外线中。
分析物4可以是存在于被分析介质中的分子。当介质是生物组织时，这可以涉及存在于生物组织的体液中的葡萄糖。如结合现有技术所述的，分析物可以是气体分子，介质是气体。这可以例如是视为污染物的气体分子。介质也可以是液体，分析物是潜在地存在于液体中的分子。
设备1包括旨在被施加在待分析介质2上的接触面3，以与待分析介质接触。接触面3设计为符合它旨在被施加在其上的介质2。它例如是平坦的。
设备1包括从接触面3起延伸并限定空腔16的外壳17。空腔16包括形成于接触面3中的开口13，以通向介质2。激励光源10配置为使得激励光波11通过空腔16和通过开口13传播到至介质2。
在分析物4在介质2中存在的作用下，形成光声波6。光声波6是由于介质被在激励频率f11下调幅的入射光波11周期性加热而形成的声波。光声波6的一部分穿过空腔16传播，以被换能器15检测。
在光声实施例中，换能器15是声学换能器。其功能在于测量光声波6的幅度和/或频率。更具体地说，在目标应用中，换能器15允许估计在激励光波的激励频率f11下的光声波6的幅度。
换能器15包括配置为当其暴露于光声波6时振动的柔性膜18。膜18优选地平行于径向平面PXY。膜的直径、或其最大的对角线为1mm至10mm。膜的与垂直于径向平面的横向轴线Z平行的厚度优选地为10μm至500μm，优选地为10μm至100μm。膜的厚度优选地为膜的半径(或其最大半对角线)的1/10至1/200。
激励光源10配置为使得激励光波11穿过空腔16，传播到直至介质2。在图1A所示的示例中，激励光波11通过第二开口19传播，所述第二开口通过膜18形成。
形成在膜中的第二开口19也可允许膜18的任一侧上的压强在低频率下达到平衡。这允许避免在膜18的任一侧上的压强的低频率变化的作用下的膜18的可能的变形。压强的低频率变化指在低于膜的运作频率范围的频率下产生的压强差。第二开口19的直径例如小于膜的直径的十分之一。它例如约为10μm或20μm。
换能器15包括在膜18上延伸，与该膜接触并平行于该膜的波导20。波导在输入20i与输出20o之间延伸。波导由具有第一折射率n1的第一材料21制成。
波导20可以是光纤，在该情况下，第一材料是光纤的芯部的材料。它也可涉及由第一材料21(例如SiON(氮氧化硅))的薄层的沉积形成的波导，这对应于图1A至1E所示的示例。波导由限制材料23限定，所述限制材料的折射率小于第一材料n1的折射率n3。当波导20是光纤时，限制材料23是光纤的套。
光导20有利地基于第一材料21的薄层形成，限制材料23可简单是围绕第一材料的空气。波导的沿着横轴线Z的厚度优选地小于10μm或5μm。结合图6A至6D描述用于形成这样的波导的方法。直接在膜上形成波导允许避免将光纤胶合到膜的步骤。相对于使用光纤的另一优点在于，这允许获得刚性更低的波导。
无论采用哪种设置，限制材料23的折射率n3都小于第一材料21的折射率n1。当第一材料21直接沉积在膜18上时，优选的是，第一材料21的折射率n1大于形成膜18的材料的折射率。
在图1B中详细示出波导20的一个示例。在该示例中，第一材料21沉积在膜18上。波导包括具有第二折射率n2的第二材料22的部分，这些部分沿着波导20周期性地分布。第二折射率n2不同于第一折射率n1。它可大于第一折射率n1。第一折射率与第二折射率之间的相对改变可以为0.01％(10-4)至0.1％(10-3)。
沿着由波导限定的轴线，在n1与n2之间周期性地调制折射率，以在反射光谱带Δλ20中形成布拉格(Bragg)镜。布拉格镜的结构是本领域技术人员已知的。这涉及这样的结构，在该结构中，折射率周期性地改变，以使得沿着光沿着其传播的轴线，通过两个不同的折射率的部分的交替，形成镜，每个部分的光学厚度为λB/4ni，其中λB是反射光谱带Δλ20的中央波长，ni是所考虑的材料的折射率(ni＝n1或ni＝n2)。折射率的对比度越低，周期数就越大。
反射光谱带Δλ20定中心于谐振波长λr。该谐振波长使得：
λr＝λB＝2neffΛ(1)
其中：
-neff是光栅的有效折射率，使得：
Figure BDA0003710996880000091
-Λ是光栅的空间周期，即沿着波导的轴线的两个连续的部分21和22的长度。
波导20使得由部分21和22的交替形成的布拉格镜包括缺陷。“缺陷”指折射率调制的周期的局部中断。缺陷例如对应于延伸一个周期Λ的长度或多个连续的周期的长度的由给定材料(例如第一材料21)制成的连续空间25。在缺陷处，波导包括沿着波导20的轴线延伸距离d的单一材料。当距离d使得
Figure BDA0003710996880000092
时，其中，k是正自然数，形成限定谐振波长λr的谐振法布里-珀罗(Fabry-Perot)光腔26。当缺陷延伸单个周期Λ的长度时，λr＝λB。
当d＞kλB/neff时，在反射光谱带Δλ20中，可出现其它谐振波长λr，谐振波长不同于布拉格波长λB。在这样的情况下，优选地保留谐振峰最窄的谐振波长。
由此，缺陷允许在波导20中分离第一布拉格镜241，和第二布拉格镜242。由第一布拉格镜241、第二布拉格镜242，和布拉格镜之间的空间25形成的组件形成谐振腔26。
波导20则结构化为：
-反射在谐振波长λr之外的在布拉格镜241、242的反射光谱带Δλ20中的光；
-发射在谐振腔26的谐振波长λr处的光。
换能器15还包括设置为向波导20的输入20i发射辅助光波32的辅助光源30，尤其激光二极管。辅助光波32在定中心于发射波长λ32的发射光谱带Δλ32中发射。发射光谱带Δλ32优选地包含在反射光谱带Δλ20中。
优选地，发射光谱带Δλ32的宽度比反射光谱带Δλ20的宽度更窄。例如，发射光谱带Δλ32的宽度可以是1nm，甚至小于500pm或100pm。发射光谱带Δλ32的宽度指发射光谱带的一半最大值处的全宽。
辅助光源30优选地是连续波激光器。它可以例如是DFB(DFB是DistributedFeedback的缩写)类型的激光二极管，其功率为1mW，发射1.55μm的波长，光谱宽度约为1pm。该类型激光二极管在电信领域中是常用的。
换能器15包括光电检测器36，优选地光电二极管类型的快速光电检测器。光电检测器具有包含反射光谱带Δλ20的检测光谱带Δλ36。
换能器15包括配置为遵循谐振腔26的谐振波长λr的时间相关调制λr(t)的伺服电路41。这样的电路在下文中结合图4A和4B说明。伺服电路41允许伺服辅助光源30，以使得由辅助光源发射的辅助光波32的发射波长λ32对应于谐振腔26的谐振波长λr。
所述设备包括或连接到配置为计算由伺服电路41确定的时间相关调制λr(t)的频率
Figure BDA0003710996880000101
或幅度
Figure BDA0003710996880000102
的处理单元42。处理单元42例如设计或编程为在与激励光波11的激励频率f11相对应的频率
Figure BDA0003710996880000103
下，估计谐振波长的调制幅度。处理单元42的运作将结合图5A至5C更详细地说明。
该设备包括限定后体积的盖48，该后体积对应于在膜18与盖48之间延伸的体积。通常，波导20包括由第一反射器241和第二反射器242形成的谐振腔26，所述反射器通过对波导20的微结构化获得。在本说明书中提供的示例中，第一反射器241和第二反射器242是布拉格镜，但可考虑其它类型的微结构。
本发明的一个重要方面(下文将对此进行解释)与以下事实有关：
-当辅助光源30被激活，并发射发射波长λ32不与波导20(或更具体地说，谐振腔26)的谐振波长λr相对应的光波32时，波导20反射被反射波32’；但是
-当辅助光源30被激活，并发射发射波长λ32对应于谐振腔26的谐振波长λr的光波32时，波导20向光电检测器36传输被传输波34。发射波长λ32越接近谐振波长λr，被传输波34的强度就越大。
本发明基于这样的事实：当暴露于声频为fa的声波6时，膜18在光声波6的频率fa下，按照振动幅度Aa振动。由此导致波导20的周期性变形，在该周期性变形的作用下，谐振波长λr呈现周期性时间相关调制λr(t)。谐振波长的时间相关调制的幅度
Figure BDA0003710996880000111
取决于膜的与声幅Aa成比例的振动幅度。时间相关调制的频率
Figure BDA0003710996880000112
对应于声频fa，该声频还对应于激励频率f11。通过计算在频率
Figure BDA0003710996880000113
下的调制幅度
Figure BDA0003710996880000114
设备允许检测分析物在介质中的存在，并可能地估计浓度，如结合图5A至5C所述。
图1C示出结合图1A所述的某些元件在径向平面PXY中的视图。在该示例中，膜18采取薄圆盘的形式，厚度是半径的百分之一。
图1D是示出膜18和波导20相对于被分析介质2的位置的3D视图。
图1E示出设备的一个示例，其中，激励光源10与反射器14关联。激励光波11平行于径向平面PXY被发射，然后由反射器14朝着开口13反射，以向介质2传播。辅助光源30和光电检测器36相对于波导20对齐。替代地，辅助光源30和/或光电检测器36可以通过光子晶体耦接到波导20。
根据一个变型，换能器15的膜18通过声通道连接到腔16，所述声通道向膜18传输光声波6的一部分，。
图2A示出一个实施例，其中，波导20是微结构化的光纤，在其内部形成有布拉格光栅。光纤中的该类型的微结构化通常称作光纤布拉格光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)。光纤包括形成芯部的第一材料21和形成套的限制材料23。在光纤的芯部中形成有其折射率不同于第一材料的折射率的第二材料22的内容物或腔。图2B示出由此微结构化的光纤的反射谱。反射谱对应于根据波长(x轴线—单位为nm)的通过照射强度归一化的被反射强度(y轴线)。反射在反射光谱带Δλ20中最大。由此，当波导被反射光谱带Δλ20中的光波32照射时，它在整个反射光谱带Δλ20中反射光波32’。
图2C示出类似的光纤，其中，两个布拉格镜241和242被填充有第一材料21的空间25分隔，如结合图1B所述。当空间25的长度对应于包含在反射光谱带中的谐振波长的
Figure BDA0003710996880000121
倍时，光纤包括谐振腔26。
图2D示出由此微结构化的光纤的反射谱。除了谐振波长λr之外，在反射光谱带Δλ20中的发射最大。由此，当这样的波导被辅助光源30在反射光谱带Δλ20中发射的光波32照射时，如果波长λ32不同于谐振波长，它反射光波32’，并当波长λ32位于谐振峰中时，它传输称作被传输光波的光波34。
图2C和2D是使用Matlab(注册商标-Mathworks)编写的模型获得的，其中，结构被视为沿着3mm的长度L延伸，第一与第二材料之间的折射率对比度为10-3，并且每个布拉格镜的周期被视为大约0.5μm。由此，每个布拉格镜具有等于3000的周期数。
图3A至3C示出由于如图1B或2C所述的波导20的变形导致的谐振波长λr的变化。图3A和3B分别示出没有变形和变形了的波导20。在变形的作用下，折射率调制的空间周期从Λ至Λ’＝Λ+dΛ变化。应用表达式(1)导致反射光谱带Δλ围绕其延伸的布拉格波长λB的偏移dλB。偏移dλB是如下的：
Figure BDA0003710996880000122
其中：
-ε对应于变形，其用对应于10-4％的单位με(微应变)来表达。变形ε是长度的归一化变化，使得：
Figure BDA0003710996880000131
-×是乘法运算符。
通过考虑当膜18由SiO2构成并且第一材料与第二材料之间的折射率跳跃为10-3时，获得表达式(3)。它基于每个布拉格镜的均匀变形，如图3B所示。根据表达式(3)，对于1微应变的变形，布拉格波长λB的偏移dλB为1.2pm。
在图3C中，示出波导20的不均匀变形，布拉格镜的某些部分比其它部分变形更小。
图3D是示出在结合图3C所述的配置中，布拉格镜的反射谱的变化的模型。曲线a、b和c分别对应于没有变形、0至10微应变的变形，以及4至6微应变的变形。光谱偏移很小，小于10pm。曲线b和c对应于波导的等于5微应变的相同平均变形。谐振波长在这两个设置之间的偏移是由于分别在0至10微应变和4至6微应变的范围中的沿着波导轴线的变形变化。变形越均匀，谐振波长在变形的作用下的光谱偏移就越大。
优选地，波导20在膜18的经受最大变形的部分之上延伸。膜18呈现一个或更多个振动波腹，在所述一个或更多个振动波腹处，振动幅度最大。每个波腹可由建模和/或实验性地确定。优选地，波导20在膜的至少一个振动波腹之上延伸。这最大化波导20的变形，这还增大了由于变形导致的光谱偏移。由此获得更佳的敏感度。
如图1A和1D示意性地示出，本发明人已经对膜18的变形建模。所建模的膜由SiO2制成，半径为1mm，厚度为10μm，经受1Pa的压强。在图3E中示出膜沿着其直径之一的变形，x轴对应于相对于膜的中心的距离(单位为mm)，y轴对应于单位为微应变的变形。谐振腔26优选地布置为与最大变形幅度齐平，即膜18的中心处。图3E所示的模拟示出，对于该膜，施加1Pa的压强造成数10-2微应变的变形。
在图3E中，膜的变形在中央部分2c中是负的，而在周边部分2p中是正的。谐振腔26有利地布置在膜2的部分，在该部分中，在膜的振动的作用下，变形具有相同符号，无论是压缩还是扩张。
图3F示意性地示出波导20，其谐振腔26布置在膜2的中央部分2c上，波导在所述膜的中心的任一侧上延伸相对于中心的±0.5mm的距离。在膜的振动的作用下，变形交替地是负的(ε<0)，如图3E所示，然后是正的。当变形为负的时，光腔被压缩：第二材料22的部分相互靠近。当变形为正的时，光腔扩张：第二材料22的部分相互远离。
图4A和4B示意性地示出伺服电路41的运作，其功能在于将波长λ32伺服控制到形成于波导20中的谐振腔26的谐振波长λr。伺服电路41将波长λ32锁定到谐振波长λr。波长锁定通常称作英文术语“top of fringe locking”。这涉及采用Pound-Drever-Hall型伺服技术的电路，这样的电路例如在出版物Chow J.H.“Phase-sensitive interrogation of fiberBragg grating resonators for sensing applications”，J.Light.Technol.,vol.23,n°5,p.1881-1889,May 2005中，或甚至在出版物Black E.“An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization”，Am.J.Phys.69(1),January 2001中说明。
伺服电路41包括用于以从10kHz到数百MHz变化的调制频率来调制由辅助光源30发射的辅助光波32的波长λ32的调制器411。发射波长λ32的调制频率大大地高于设备处理的最大声频。它可以例如是设备处理的最大声频的10倍。从波导20发出并被光电检测器36检测到的光波34的强度被传输给伺服电路41，该伺服电路测量表示光电检测器36检测到的强度根据波长调制的变化的函数h。
根据函数h的符号，误差信号被发送到光源，以增大或减小发射波长λ32。例如，当所检测到的强度相对于波长增大的变化是负的，逐渐地减小发射波长。当所检测到的强度相对于波长增大的变化是正的，增大发射波长。当由调制引起的所检测到的强度变化接近于零，发射波长对应于波导的谐振波长。伺服电路41利用以下事实：
-当λ32<λr时，波长λ32的增大导致被传输波34的强度增大。相反地，减小波长λ32导致被传输波34的强度的减小；
-当λ32>λr时，波长λ32的增大导致被传输波34的强度减小。相反地，减小波长λ32导致增大被传输波34的强度。
由此，通过施加对辅助光波32的波长λ32的小的调制，并通过观察调制对所传输的光波34的强度的影响，可以伺服控制辅助光源30，以使得辅助光波32的波长λ32遵循波导20的谐振波长λr。
通过边缘锁定跟踪谐振波长，允许实现当声频高于10kHz时以约10-6pm的波长敏感度，或当声频低于1kHz时以约10-3pm的波长敏感度，跟踪谐振波长。根据适用于SiO2膜的表达式(3)，估计这种灵敏度将允许估计约为数皮应变或相当于数mPa的膜的变形。因此，考虑到谐振腔26的小的光谱偏移，Pound-Drever-Hall方法是合适的，所述光谱偏移可能为约数pm。
通过边缘锁定波长跟踪谐振波长，还允许对腔26的谐振波长在环境参数变化(例如温度或湿度)的作用下的波动不敏感。
图5A至5C示出当膜18在光声波6的作用下，谐振波长λr的周期性随时间变化λr(t)与声波的幅度之间的关系。由于通过伺服电路41执行的伺服控制，发射波长的周期性随时间变化λ32(t)视为对应于由于膜的振动引起的谐振波长的时间相关调制λr(t)。图5A示出所传输的光波34的谱，和在波导20的变形的作用下的光谱偏移dλr。图5B示出由于波导20的变形导致的谐振波长λr的时间相关调制，该调制是周期性的，频率为
Figure BDA0003710996880000151
对应于声频fa。通过将波长λ32伺服控制到谐振波长，伺服电路41允许确定这样的调制。该调制被传输到处理单元42，该处理单元计算谐振波长的调制幅度
Figure BDA0003710996880000152
基于所述幅度，处理单元42估计膜的振动幅度，其对应于光声波6的声频fa。基于在声频fa下的膜的振动幅度，可确定分析物4在介质中的存在，或估计分析物4在介质中的浓度。
估计分析物4在介质中的浓度可能需要预先进行校准，以建立：
-分析物的浓度与膜的振动幅度之间的关系；
-或分析物的浓度与谐振波长的调制幅度之间的关系。
要指出的是，对声幅Aa的确定不一定需要确定谐振波长的值，而是仅精确地确定调制幅度
Figure BDA0003710996880000153
图6A至6D示出允许在膜18上形成非光纤波导20的主要步骤。
设置例如由Si制成的衬底100，其上已经沉积有例如由SiO2(折射率1.44)制成的厚度为4μm的第一层101，和例如由SiON(氮氧化硅—折射率1.60)制成的厚度为1μm的第二层102。参见图6A。
所述方法包括：
-通过光刻法蚀刻第二层102，以形成波导20。参见图6B。在本示例中，SiON对应于波导的第一材料21。
-在衬底100的背面蚀刻，以释放第一层101的一部分，所述部分形成悬挂膜18。该步骤还允许形成限定空腔16的外壳17。参见图6C。
-将波导20逐点暴露于飞秒激光脉冲中，以形成第二材料22的腔，该操作通常被称为雕刻。参见图6D。在暴露于激光的作用下，SiON的折射率局部变化。所暴露的SiON则对应于第二材料22，该第二材料的折射率n2不同于未被暴露的SiON的折射率。具体地，暴露生成微泡，这引起折射率的变化。由此导致沿着光在波导内的传播轴线，调制波导20的折射率。
每个脉冲的时长例如等于100fs，在800nm的波长中，每个脉冲的能量为30nJ。脉冲频率可以为数Hz至200kHz。
另一暴露技术是在以下出版物中所述的UV光雕刻：Chow J.H.“Phase-sensitiveinterrogation of fiber Bragg grating resonators for sensing applications”，J.Light.Technol.,vol.23,No.5,pp.1881-1889,May 2005。UV光雕刻允许例如光纤被微结构化。
由暴露导致的折射率的调制相对小，约为10-3。然而，借助于飞秒激光的雕刻允许实现沿着短的长度(例如约1mm)延伸的布拉格镜。该类型暴露允许获得具有高精细度的谐振腔26，谐振峰的宽度小于数十pm，或甚至小于10pm，并可以约为或小于5pm。
可以增大每个布拉格镜的延伸长度。这减小了谐振峰的宽度。
由此，当采用第一光声实施例时，通过实施图7A所示的以下步骤，可以检测在被分析介质中存在分析物，甚至估计其浓度。
-步骤110：将设备1施加在介质上，以使得接触面保持在介质上；
-步骤120：激活激励光源10，所述激励光源发射在与分析物的吸收波长λ4相对应的波长中的激励光波11，所述激励光波以激励频率f11脉冲或调幅；
-步骤130：在介质被激励光波照射的作用下，发射穿过空腔16传播的光声波6，在其之后，换能器的膜以激励频率f11振动，以使得以等于激励频率f11的调制频率
Figure BDA0003710996880000171
周期性地调制换能器20的谐振频率λr。
-步骤140：通过伺服电路41，确定波导20的谐振波长λr在激励频率f11下的时间相关调制，谐振波长对应于波导的传输峰；
-步骤150：根据由伺服电路确定的时间相关调制，计算谐振波长在取决于激励频率的频率下、尤其是在激励频率两倍的频率下的调制幅度；
-步骤160：根据调制幅度，检测在介质中分析物的存在和/或估计分析物浓度。
可通过考虑到通过实施代表介质2的包括已知分析物量的校准试样的校准，实施检测分析物存在或估计浓度。
图8A至8C示出根据本发明的设备1’的称作光热的第二实施例。设备1’设置为被施加在待分析介质2上。
设备1’包括如结合第一实施例所述的部件。一个不同之处在于，膜18形成支承壁3，穿过该支承壁形成开口13。
设备1’包括激励光源10，其发射激励光波11。这涉及脉冲光源，脉冲频率例如为10Hz至500Hz，例如100Hz。激励光波11传播到介质2。根据该实施例，激励光源配置为使得激励光波11通过开口13传播到介质2，所述开口通过膜18形成。
在分析物4存在于介质中的作用下，激励波的一部分被吸收。由此导致介质4的加热5。当分析物存在于介质的表面部分中时，介质的加热5通过热扩散传播到直至形成接触面的膜18。介质的表面部分指在接触面与直至形成被分析介质的材料的热穿透深度的2或3倍的深度之间的部分。
膜18优选地具有热导率，使得膜的温度可以视为遵循介质2的温度变化(可能地在时滞之后)。膜足够薄以具有这样的热导率。
根据该实施例，换能器15是热换能器：其功能在于检测，和优选地量化，膜的温度在介质2被激励光波11周期性激励的作用下的周期性调制。
换能器15包括如结合光声实施例所述的辅助光源30、波导20、光电检测器36，和伺服电路41。
在膜18加热的作用下，波导20的温度改变。尤其是由于构成波导的材料21、22的折射率改变，由此导致谐振波长λr的变化。
可用以下表达式解释谐振波长在温度作用下的变化：
Figure BDA0003710996880000181
T对应于温度。
当辅助光源32的波长λ32等于1.55μm时，换能器的敏感度可以估计为11pm/℃。
当采用光热实施例时，通过实施图7B所示的以下步骤，可检测在被分析介质中存在分析物，甚至估计其浓度。
-步骤110：将设备1施加在介质上，以使得接触面(在此为膜)保持在介质上；
-步骤120：激活激励光源10，激励光源以激励频率f11发射在对应于分析物的吸收波长λ4的波长中的激励光波11；
-步骤135：在通过激励光波照射介质的作用下，获得介质2的周期性加热，所产生的热量通过热扩散传播到膜18，使得以等于激励频率f11的调制频率
Figure BDA0003710996880000182
周期性调制换能器的波导20的谐振频率λr；
-步骤140：通过伺服电路41，确定在激励频率f11下，波导20的谐振波长λr的时间相关调制，谐振波长对应于波动的传输峰，调制；
-步骤155：根据由伺服电路确定的时间变化，计算谐振波长的变化幅度；
-步骤165：根据该变化，检测分析物在介质中的存在和/或估计分析物浓度。
可以通过使用代表介质2和含有已知量的分析物的校准试样进行校准，来检测分析物的存在或估计其浓度。
本发明可能在环境领域、工业领域(例如食品工业领域)或生物医学领域中的分析物检测应用中，在气体、液体或固体试样上实施。

Claims (18)

1.一种旨在通过接触面(3)施加在待分析介质(2)上的检测设备(1、1’)，所述被分析介质易于包含分析物(4)，所述分析物吸收至少一个吸收波长的光，所述设备包括：
-开口(13)，其形成在所述接触面(3)中；
-激励光源(10)，其配置为发射在包括所述吸收波长的激励光谱带(Δλ11)中的激励光波(11)，所述激励光波以激励频率(f11)脉冲或调幅，所述设备设置为使得所述激励光波(11)穿过开口(13)朝着被分析介质传播；
-换能器(15)，其旨在在由所述分析物吸收激励光波(11)的一部分导致的介质的周期性加热之后测量所述介质的响应；
所述设备使得换能器(15)包括：
-膜(18)，其承载波导(20)；
-所述波导，其包括第一反射器(241)和第二反射器(242)，每个反射器反射一反射光谱带(Δλ20)中的光；
-所述第一反射器和第二反射器，所述第一反射器和第二反射器彼此间隔，以形成谐振光腔(26)，所述谐振光腔限定所述反射光谱带中的谐振波长(λr)；
以使得所述波导：
·以所述谐振波长(λr)传输光；
·反射所述反射光谱带(Δλ20)中所述谐振波长以外的光；
所述换能器还包括：
-辅助激光源(30)，其配置为将所述反射光谱带(Δλ20)中的辅助光波(32)发射到所述波导中；
-光电检测器(36)，其设置为检测由所述波导以所述谐振波长(λr)传输的光波(34)；
-伺服电路(41)，其连接到所述光电检测器(36)，并配置为确定所述谐振光腔(26)的谐振波长的周期性时间相关调制(λr(t))；
所述设备的特征在于：
-所述波导(20)直接形成在膜上；
-所述膜(18)配置为在介质的周期性加热的作用下变形。
2.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括处理单元(42)，所述处理单元连接到所述伺服电路，并设置为：
-估计所述谐振波长(λr)的时间相关调制的幅度
Figure FDA0003710996870000022
-根据所估计的幅度，检测所述分析物在介质(2)中的存在。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述处理单元配置为根据所估计的幅度
Figure FDA0003710996870000021
估计所述分析物在介质(2)中的浓度。
4.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，所述设备包括通向开口(13)的空腔(16)，所述换能器连接到所述空腔，并且其中，所述换能器(15)是配置为检测从所述开口穿过空腔传播的光声波(6)的幅度的声学换能器，以使得在所述介质被激励光波(11)照射的作用下，所述膜(18)以激励频率(f11)振动，导致以等于所述激励频率的调制频率
Figure FDA0003710996870000023
下对所述谐振波长(λr)的时间相关调制。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述膜(18)与所述接触面(3)平行地延伸。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的设备，其中，所述膜限定所述空腔(16)的一部分。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(1’)，其中：
-所述换能器(15)的膜(18)形成所述设备的接触面(3)，所述接触面旨在被施加为与所述介质(2)接触；
-所述开口(13)穿过所述膜(20)延伸；
-所述换能器(15)是热换能器，以使得在所述介质被激励光波(11)照射的作用下，所述膜的温度遵循周期性随时间变化，导致所述谐振波长(λr)的周期性时间相关调制。
8.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，至少一个反射器或每个反射器是通过沿着所述波导的折射率的周期性调制形成的布拉格镜。
9.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述伺服电路(41)包括伺服环路，所述伺服环路连接到所述辅助光源(30)并配置为伺服控制由所述辅助光源(30)发射的光波(32)的波长(λ32)至所述谐振光腔(26)的谐振波长(λr)。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述伺服电路(41)实施Pound-Drever-Hall型伺服技术。
11.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中：
-所述第一反射器(241)是第一布拉格镜；
-所述第二反射器(242)是第二布拉格镜；
-所述第一布拉格镜和第二布拉格镜形成包括缺陷(25)的相同布拉格镜，所述第一布拉格镜和第二布拉格镜分别与该布拉格镜的位于所述缺陷的任一侧上的部分相对应。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中：
-所述膜(18)在其变形时呈现至少一个振动波腹，振动幅度在每个波腹处最大；
-所述波导(20)与至少一个波腹平齐。
13.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一反射器和第二反射器是通过用激光束雕刻波导获得的，以获得所述波导中折射率的周期性调制。
14.一种用于检测介质(2)中的分析物(4)的方法，所述分析物(4)吸收至少一个吸收波长的光，所述方法包括以下步骤：
a)将根据上述权利要求中任一项所述的设备(1、1’)施加在所述介质(2)上，以使得所述设备的接触面(3)保持在所述介质上；
b)激活所述激励光源(10)，所述激励光源发射在与所述分析物的吸收波长相对应的波长中的激励光波(11)，所述激励光波以激励频率(f11)脉冲或调幅；
c)通过所述伺服电路(41)确定在对应于所述激励频率的调制频率下，所述换能器(15)的波导(20)的谐振波长(λr)的周期性调制，所述谐振波长对应于所述波导的传输峰；
d)根据由所述伺服电路确定的周期性调制，检测所述分析物在介质中的存在。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述设备是根据权利要求4至6中任一项所述的设备(1)，所述方法包括：
-在所述步骤b)之后，以所述激励频率(f11)周期性地加热所述介质(2)，以引起穿过所述空腔(16)传播的光声波(6)的发射，并且在其效应下，所述换能器(15)的膜(18)以所述激励频率(f11)振动，使得以等于所述激励频率(f11)的调制频率
Figure FDA0003710996870000041
来调制所述换能器的波导(20)的谐振频率(λr)；
-在所述步骤d)时：
·估计在所述调制频率
Figure FDA0003710996870000042
下的所述谐振波长的周期性调制的幅度
Figure FDA0003710996870000043
·根据所估计的幅度，检测所述分析物的存在。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述设备是根据权利要求7所述的设备(1’)，所述方法包括：
-在所述步骤b)之后，以所述激励频率周期性地加热所述介质(2)，以引起在所述激励频率(f11)下的膜(18)的周期性加热(5)，使得以与所述激励频率相对应的调制频率
Figure FDA0003710996870000044
来调制所述换能器的波导(20)的谐振频率(λr)；
-在所述步骤d)时：
·估计在所述调制频率下的谐振波长的周期性调制的幅度；
·根据所估计的幅度，检测所述分析物的存在。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，所述步骤d)还包括估计所述被分析介质中的分析物的浓度。
18.一种用于制造根据权利要求1至13中任一项所述的设备的方法，所述方法包括：
-在膜上沉积第一材料的薄层，以形成波导；
-用飞秒激光束雕刻所述波导，以获得所述波导的折射率的周期性调制。
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