DE102017126708A1

DE102017126708A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Brechungsindex eines Mediums

Info

Publication number: DE102017126708A1
Application number: DE102017126708.5A
Authority: DE
Inventors: Karl-Joachim Ebeling; Rainer Michalzik
Original assignee: Ulm Institut fur Optoelektronik, University of; Universitat Ulm Institut fur Optoelektronik
Current assignee: Ulm Institut fur Optoelektronik, University of; Universitat Ulm Institut fur Optoelektronik
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2019-05-16
Also published as: WO2019096751A2; WO2019096751A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Messung wenigstens eines Merkmals in einem zu untersuchenden Medium, vorzugsweise zur Bestimmung des Brechungsindex des Mediums. Die Erfindung betrifft ferner eine für die Bestimmung des Brechungsindex eines Mediums geeignete Vorrichtung, umfassend ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes optisches Element.Das optisches Element umfasst eine Grenzfläche, welche ausgebildet ist, flächig einen direkten Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium während der Messung zu bilden, wobei diese Grenzfläche des optischen Elements mit einem als Resonator wirkenden Schichtsystem ausgestattet ist, der Mehrfachreflexionen für auftreffende elektromagnetische Strahlung ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Messung wenigstens eines Merkmals in einem zu untersuchenden Medium, vorzugsweise zur Bestimmung des Brechungsindex des Mediums. Die Erfindung betrifft ferner eine für die Bestimmung des Brechungsindex eines Mediums geeignete Vorrichtung, umfassend ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes optisches Element.
Zur Bestimmung des Brechungsindex von transparenten Medien sind verschiedene Vorrichtungen, insbesondere Refraktometer, bekannt. Das zugrundeliegende Prinzip eines Refraktometers nutzt allgemein das Verhalten von Licht am Übergang zwischen einem Prisma mit bekannten Eigenschaften und dem zu untersuchenden Medium.
Die vielfältigen Einsatzfelder von Refraktometern in der chemischen, pharmazeutischen und optischen Industrie, auch der Mikroelektronik, Fluidik, Biotechnologie und Medizin haben ein breites Spektrum von Verfahren zur Messung des Brechungsindex hervorgebracht. Bekannte Methoden nutzen beispielsweise Lichtablenkung in Prismen, Brewsterwinkel, Grenzwinkel der Totalreflexion, materialabhängige Interferenzeffekte in Fabry-Perot, Mach-Zehnder oder Michelson-Anordnungen oder integriert-optischen Wellenleitern, stoffabhängige Ausbreitung evaneszenter Felder in photonischen Kristallen, dielektrischen Photonic-Bandgap-Wellenleitern oder Mikroresonatoren, schließlich Plasmonenresonanzen in dielektrisch beaufschlagten metallischen Wellenleitern und Vieles mehr.
Die Druckschrift DE 10 2008 014 335 A1 beschreibt etwa eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Brechzahl eines Messobjekts. Hierzu wird ein optoelektronischer Sensor vorgestellt.
Auch das Dokument DE 10 2009 055 737 A1 beschreibt eine optische Vorrichtung zur Erzeugung einer störfähigen internen Totalreflexion.
Ein nach wie vor häufig zur Brechzahlmessung eingesetztes Gerät ist das Abbe-Refraktometer, das allerdings auch in seinen neueren Varianten Messflächen von typisch deutlich über einem Quadratmillimeter aufweist.
Bei vielen Anwendungen in der Chemie, Nahrungsmittel-, Kunststoff-, Papier-, Zellstoff-, oder Pharmaindustrie haben die zu untersuchenden Substanzen Brechungsindizes im Bereich zwischen 1.3 und 1.7. Beispielsweise liegen die konzentrations- und temperaturabhängigen Brechzahlen der elektrolytischen Lösungen NaCl, KCl und CaCl₂, der polaren Glukose-Lösung, der unpolaren Ethylacetat-Lösung und der Protein-Lösung Bovin Serum Albumin für gebräuchliche Konzentrationen zwischen n = 1.32 und n = 1.42, wie etwa dem Dokument Chan-Yuan Tan, Yao-Xiong Huang: „Dependence of Refractive Index on Concentration and Temperature in Electrolyte Solution, Polar Solution, Nonpolar Solution, and Protein Solution", J. Chem. Eng. Data, 2015, 60, pages 2827-2833, zu entnehmen ist.
Die Brechungsindizes von biologischem Gewebe können über einen recht weiten Bereich variieren. Graue Zellen im Gehirn haben zum Beispiel eine mittlere Brechzahl von n = 1.395 und weiße Zellen liegen bei n = 1.410, wie etwa der Druckschrift Steven L Jacques: „Optical properties of biological tissues: a review", Phys. Med. Biol. 58 (2013) R37-R61, zu entnehmen ist.
Krankheitsbedingt werden auch höhere Brechzahlen bis etwa n = 1.48 beobachtet. Noch höhere Brechzahlen treten zum Beispiel in Gläsern, Keramiken und Halbleitern auf. Bei Metallen ist zusätzlich die starke Absorption von Bedeutung.
Vor diesem Hintergrund ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals in einem zu untersuchenden Medium, vorzugsweise zur Bestimmung des Brechungsindex des Mediums, zur Verfügung zu stellen.
Die Bestimmung des Brechungsindex von extrem kleinen Materialvolumina soll dabei möglich sein. Die Vorrichtung soll zudem mikrooptisch integrierbar sein.
Ferner soll das Verfahren durch Streuung oder Absorption auftretende optische Verluste im Messvolumen durch eine optische Verstärkung im Messsystem kompensieren.
Zur Steigerung der Empfindlichkeit soll eine hohe Photonendichte im Messvolumen generiert werden können.
Schließlich soll auch eine hohe zweidimensionale laterale Ortsauflösung ermöglicht werden.
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals in einem zu untersuchenden Medium, vorzugsweise zur Bestimmung des Brechungsindex des Mediums, nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, umfasst dabei vorzugsweise ein erfindungsgemäßes optisches Element, welches für die Verwendung in der Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, geeignet ist.
Das optische Element umfasst dabei vorzugsweise zumindest eine Grenzfläche, welche ausgebildet ist, flächig einen direkten Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium während der Messung zu bilden, wobei zumindest ein Teil dieser Grenzfläche des optischen Elements eine Messfläche darstellt, und wobei diese Grenzfläche des optischen Elements mit einem als Resonator wirkenden Schichtsystem ausgestattet ist, welcher bei einer schräg auf die Grenzfläche auftreffenden elektromagnetischen Strahlung bei derjenigen Strahlung, welche unter einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche, zwischen dem optischem Element und dem zu untersuchenden Medium Mehrfachreflexionen dieser Strahlung bewirkt, so dass sich Resonanzen in dem Schichtsystem ausbilden können.
Die Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, kann dabei neben dem optischen Element eine Strahlungsquelle und eine Empfangseinrichtung umfassen, wobei
die Strahlungsquelle ausgebildet ist zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung und Einkoppeln dieser Strahlung in das optische Element, und wobei
die Empfangseinrichtung ausgebildet ist, an der Grenzfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, kann dabei die vorstehend genannte Vorrichtung und das vorstehend genannte optische Element umfassen. Das Verfahren kann zur Durchführung der Messung die folgenden Schritte umfassen:

- für die Messung steht das optische Element an der Grenzfläche in direktem Kontakt mit dem Medium,
- elektromagnetische Strahlung wird in das optische Element derart eingekoppelt, dass sie an der Grenzfläche unter einem Winkel auftrifft, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche,
- eine Totalreflexion dieser eingekoppelten Strahlung entsteht an der Grenzfläche zwischen dem optischen Element und dem Medium,
- wodurch es zu Mehrfachreflexionen kommt und wodurch sich Resonanzen in dem Schichtsystem des optischen Elements ausbilden, deren spektrale und richtungsabhängige Lage durch die Empfangseinrichtung gemessen wird.

Von Vorteil ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche zur Bestimmung der Brechzahl des zu untersuchenden Mediums verwendet wird. Diese kann in die Empfangseinrichtung integriert sein. Zum Empfang der elektromagnetischen Strahlung kann die Empfangseinrichtung mit einem geeigneten Sensor, beispielsweise einem Photosensor, ausgestattet sein.
Die von der Strahlungsquelle abgegebene elektromagnetische Strahlung wird nachfolgend auch als Licht bezeichnet. Sofern also von Licht oder Lichtwellen gesprochen wird, ist hierunter elektromagnetische Strahlung zu verstehen, die damit nicht unbedingt nur im sichtbaren Wellenlängenbereich liegen muss, sondern beispielsweise auch in den angrenzenden Wellenlängenbereichen. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle so ausgebildet, dass sie monochromatisches Licht und besonders bevorzugt ein zylindrisch divergentes oder konvergentes monochromatisches Lichtbündel in Richtung des optischen Elements aussenden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt schräge Lichtwellenausbreitung in dem ultrakurzen, hochbrechenden Resonator des optischen Elements, wobei der Begriff „ultrakurz“ in diesem Zusammenhang eine sehr geringe Länge des Resonators meint. Das Schichtsystem des optischen Elements kann hierzu von Vorteil einen Fabry-Perot-Resonator umfassen. Das zugrundeliegende Prinzip eines Fabry-Perot-Resonators beruht darauf, dass ein optischer Resonator aus zwei teildurchlässigen Spiegeln gebildet wird. Ein eintreffender Lichtstrahl wird nur dann durch diese Spiegel geleitet, wenn er die Resonanzbedingung der Spiegel erfüllt. In diesem Schichtsystem kann überraschend einfach ein gezielter optischer Verlust oder Gewinn eingestellt werden, so dass die Messgenauigkeit deutlich verbessert werden kann. Dieses Prinzip macht sich die Erfindung zunutze.
Das optische Element kann vorteilhaft eine weitere Oberfläche umfassen, durch die die elektromagnetische Strahlung eingekoppelt werden kann. Diese Fläche kann mit einem dielektrischen Reflektor ausgestattet sein.
Die Intensität des vom optischen Element insgesamt reflektierten Lichts hängt dann ab von der Wellenlänge, dem Einfallswinkel und insbesondere der Phasenverschiebung bei der Totalreflexion. Durch Mehrfachreflexionen können sich in dem Resonator in besonders vorteilhafter Weise Resonanzen ausbilden, deren spektrale und richtungsabhängige Lage die Bestimmung der Brechzahl des zu untersuchenden Mediums gestattet.
Mit zunehmender Entdämpfung und einhergehender abnehmender Halbwertsbreite der Resonanz wächst dabei in höchst vorteilhafter Weise die Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In das zu untersuchende Medium dringt dabei nur der evaneszente Teil der eingekoppelten Lichtwelle ein, womit besonders kleine Messvolumina gewährleistet sind. In Resonanz kommt es zu einer signifikanten Erhöhung der Photonendichte bzw. der elektrischen Feldstärke im evaneszenten Teil der Lichtwelle, so dass die Anordnung sehr empfindlich auf grenzflächennahe Änderungen des Brechungsindex reagiert, was insbesondere für Anwendungen im Bereich der Biosensorik von hoher Bedeutung ist.
Durch optische Abbildung der Grenzfläche ist die Bestimmung der lateralen Brechungsindexverteilung mit hoher Auflösung möglich. Hierzu ist die Empfangseinrichtung vorgesehen, in welche die Auswerteeinheit integriert sein kann, welche mittels hinterlegten Algorithmen eine Auswertung der durch die Empfangseinrichtung empfangenen Bilder ermöglicht.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Brechzahl n_i des hochbrechenden Materials des optischen Elements als bekannt angenommen. Unter hochbrechend wird eine Brechzahl n_i verstanden, welche wenigstens bei n_i = 1.8, bevorzugt bei n_i ≥ 3.0 und besonders bevorzugt bei n_i ≥ 3.5 liegt. Die Brechzahl des zu untersuchenden Mediums ist von Vorteil niedriger als die Brechzahl des optischen Elements. Daher gilt für das Verhältnis der Brechzahl des zu untersuchenden Mediums n zu der Brechzahl des optischen Elements: n < n_i. Die Brechzahl des zu untersuchenden Mediums kann beispielsweise in einem Bereich zwischen n = 1.3 und n =1.7 liegen.
In das Schichtsystem können in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung optische Verluste oder optische Verstärkung gezielt eingebracht werden. An der Grenzfläche zu dem niedrig brechenden Medium tritt unter bestimmten Umständen eine Totalreflexion der eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung auf. Der Lichteinfall erfolgt dabei vorzugsweise unter einem vorbestimmten, schrägen Winkel zur optischen Achse des optischen Elements. Das eingekoppelte Licht fällt also in anderen Worten unter einem vorbestimmten Winkel auf das Schichtsystem, wobei dieser Winkel vorzugsweise so ausgewählt ist, dass die Bedingungen für eine Totalreflexion an der Grenzfläche gegeben sind. Hierdurch kann die Mehrfachreflexion dieser Strahlung bewirkt werden, so dass sich Resonanzen in dem Schichtsystem ausbilden können.
Bevorzugt umfasst das Schichtsystem an der Grenzfläche des optischen Elements einen dielektrischen Spiegel, also einen Bragg-Reflektor. Die Resonatorlänge, demnach also die Dicke des den Resonator bildenden Schichtsystems, beträgt bevorzugt nur wenige Mikrometer.
Das zu untersuchende Medium kann beispielsweise eine transparente Substanz sein und befindet sich im evaneszenten Feld im Fall einer an der Grenzfläche totalreflektierten Lichtwelle. In dem Resonator können während einer Messung Verluste oder Verstärkung auftreten, die zu charakteristischen Intensitätsänderungen im reflektierten Messstrahl führen und so die Auswertemöglichkeiten verbessern. Als Messstrahl wird dabei dasjenige Licht verstanden, welches nach Reflexion an der Grenzfläche das optische Element verlässt und von der Empfangseinrichtung empfangen werden kann. Die gemessenen Intensitätsänderungen hängen von der Wellenlänge, dem Einfallswinkel der Lichtwelle und insbesondere von der brechungsindexabhängigen Phasenverschiebung der Lichtwelle bei der Totalreflexion ab.
Das Schichtsystem an der Grenzfläche des optischen Elements kann Galliumarsenid-Schichten umfassen, die aufgrund ihrer hohen Brechzahl besonders geeignet sind. Der Bragg-Reflektor kann von Vorteil aus einem Halbleiter-Schichtsystem wie zum Beispiel AlGaAs-GaAs (Aluminiumgalliumarsenid-Galliumarsenid), InGaAsP-InP (Indiumgalliumarsenidphosphid-Indiumphosphid) oder InAlGaN-GaN (Indiumalluminiumgalliumnitrid-Galliumnitrid) gebildet sein und demnach über GaAs-Schichten und/oder AlAs-Schichten verfügen. Ein derartiger Bragg-Reflektor zeigt eine sehr hohe Reflektivität.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann er auf der Basis des Materialsystems GaAs-AlAs (AlAs = Aluminiumarsenid) ausgebildet sein und beispielsweise über 15 GaAs-AlAs Bragg-Spiegelpaare verfügen. Allgemein kann ein geeigneter Bragg-Reflektor alternierende AlGaAs-Schichten mit unterschiedlichem Al-Gehalt umfassen. Es sind auch andere Ausführungsformen des Bragg-Reflektors denkbar, etwa eine variierende Zusammensetzung von Schicht zu Schicht oder aber mehrfach gestufte oder graduierte statt einfach gestufte Übergänge an den Grenzflächen.
Das Schichtsystem kann vorteilhaft einen sogenannten Quantenfilm umfassen, also eine Halbleiter-Schicht im Nanometer-Dickenbereich. Nachfolgend wird von einem Quantenfilm gesprochen, wenn die Schichtdicke so gering ist, dass die Energieniveaus der sich im Film befindlichen Ladungsträger, also Elektronen oder Löcher, in merklicher Weise quantisiert sind, die Teilchen also durch das Vorhandensein der Grenzflächen nicht mehr jeden Energiezustand einnehmen können. Bei den erfindungsgemäß verwendeten Halbleiter-Materialsystemen für die Schicht ist dies in etwa für Dicken unterhalb von 15 nm der Fall.
Die den Quantenfilm bildenden Schichten können auf dem Materialsystem InGaAs-GaAs, GaAs-AlGaAs, InGaAsP-InP oder InAlGaN-GaN basieren und eine geringe Dicke aufweisen, bevorzugt eine Dicke von 15 nm oder weniger, besonders bevorzugt eine Dicke von 10 nm oder weniger. Durch den Quantenfilm, also die den Quantenfilm bildenden Schichten, kann ein Absorptionskoeffizient in dem Schichtsystem eingestellt werden. Der Absorptionskoeffizient ist dabei abhängig von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Für hohe Wellenlängen beispielsweise sinkt der Wert auf quasi Null, dann ist das Material transparent. Für Wellenlängen deutlich kürzer als die Bandkantenwellenlänge kann er auf einige 10.000 / cm steigen. Durch Energiezufuhr, beispielsweise durch ein optisches Pumpen mit einer externen Laserquelle, kann der Quantenfilm aber auch in den Bereich der Verstärkung, also in einen Bereich einer negativen Absorption, gebracht werden. Die dabei erreichbaren Verstärkungswerte können in einem Bereich von Null bis wenige 1.000 / cm betragen. Der Quantenfilm kann demnach einen anregungsabhängigen positiven oder negativen Absorptionskoeffizienten von beispielsweise +/-400 / cm, +/-800 / cm oder +/-1.600 / cm aufweisen.
Auf das Schichtsystem kann ferner eine metallische Schicht als Kontaktfläche zu dem zu untersuchenden Medium aufgebracht sein. In anderen Worten, die Messfläche umfasst eine metallische Oberflächenbeschichtung, an der sich Biomoleküle leicht anlagern und funktionalisieren lassen. Diese Schicht kann beispielsweise Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium umfassen. Bevorzugt ist als metallische Schicht im Kontaktbereich eine goldhaltige Schicht vorgesehen.
Das optische Element kann unterschiedliche Formen aufweisen. Von Vorteil ist etwa eine Ausbildung als Prisma, da hier eine besonders einfache Strahlungslenkung möglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Prisma plane Oberflächen, also auch eine plane Grenzfläche.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das optische Element zusätzlich ein optisches Gitter zur Strahlungslenkung. Dieses kann auf der Lichteintrittsseite aufgebracht sein und das eingekoppelte Licht in dem vorbestimmten Winkel zu der Grenzfläche des optischen Elements führen. In dieser Ausführungsform kann das optische Element beispielsweise planparallel ausgebildet sein, was eine kostengünstige Fertigung ermöglicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Grenzfläche nicht plan ausgeführt, sondern wellenförmig.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das optische Element direkt mit der Spitze einer polarisationserhaltenden Einmoden-Glasfaser verbunden, was eine sehr kompakte Bauform ermöglicht.
In einer weiteren, ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das optische Element direkt auf eine schräg ausgebildete Lichtaustrittsfläche einer polarisationserhaltenden Einmoden-Glasfaser aufgebracht. Der Winkel der schrägen Lichtaustrittsfläche zur optischen Achse der Glasfaser ist dabei vorzugsweise so ausgewählt, dass die Bedingungen für eine Totalreflexion an der Grenzfläche gegeben sind.
Ein großer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Messfläche der Vorrichtung dabei sehr klein gestaltet sein kann, etwa kleiner als 1 mm², bevorzugt kleiner als 0,1 mm² und besonders bevorzugt kleiner als 0,01 mm². Die Tiefenauflösung der Vorrichtung kann dabei in einem Bereich von wenigen 100 nm liegen bis hin zu einem Bereich von weniger als 100 nm.
Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kompakt herstellbar und damit vielseitig verwendbar. Vor diesem Hintergrund ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet für beispielsweise minimalinvasive Untersuchungen. Die Vorrichtung ist auch mikrooptisch integrierbar.
Bei einer hohen Güte, worunter in Bezug auf die Resonanz eine hohe Photonendichte an der totalreflektierenden Grenzfläche gemeint ist, ergeben sich scharfe Resonanzkurven mit geringer Halbwertsbreite, aus denen sich bei gegebener Wellenlänge des eingekoppelten Lichtes und bekanntem Einfallswinkel der Brechungsindex des zu untersuchenden Mediums hochpräzise ermitteln lässt.
Durch eine optische Abbildung der totalreflektierenden Grenzfläche lässt sich eine hohe laterale Auflösung erzielen. Durch die geringe Eindringtiefe der evaneszenten Welle in das zu untersuchende Medium sind extrem geringe Substanzmengen ausreichend, um eine Brechungsindexbestimmung vorzunehmen.
Auftretende optische Verluste im Messvolumen, etwa durch Streuung oder Absorption, können durch eine optische Verstärkung im Messsystem kompensiert werden. Hierzu ist von Vorteil, dass die Vorrichtung zur Steigerung der Empfindlichkeit eine hohe Photonendichte im Messvolumen generieren kann.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung wird auf die nachfolgend dargestellten bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren verwiesen.
Die Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Messmethode zur Bestimmung des Brechungsindex einer Substanz anhand eines Ausführungsbeispiels,
2 beispielhaft die durch Totalreflexion hervorgerufene Abhängigkeit der Phasendrehung ΔΦ vom Brechungsindex n eines zu untersuchenden Mediums,
3a, 3b berechnete Reflexionsfaktoren R als Funktion des Phasenwinkels Φ für verschiedene Gewinnfaktoren,
4 exemplarisch berechnete Halbwertsbreiten und Resonanzeinbrüche bzw. Resonanzüberhöhungen als Funktion des Gewinnfaktors in einem Ausführungsbeispiel,
5 exemplarisch das Intensitäts-Reflexionsspektrum einer Bragg-Struktur mit 15 AlAs-GaAs Spiegelpaaren, eingebettet in GaAs, für TE- und TM-Wellen bei Lichteinfall unter 30°,
6 das Brechungsindexprofil des AlAs-GaAs Bragg-Reflektors aus 5 und den ortsabhängigen Verlauf der Feldstärkeamplitude im Bereich des Bragg-Reflektors,
7 schematisch einen Bragg-Reflektor nach 6 vor einer Grenzfläche, an der Totalreflexion erfolgt, in einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem in die Abstandsschicht des gebildeten Fabry-Perot Resonators ein Quantenfilm eingefügt ist, über den sich optische Verluste bzw. Verstärkung einstellen,
8 exemplarisch berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren der Struktur nach 7 für verschiedene Brechzahlen n des angrenzenden, zu untersuchenden Mediums,
9a, 9b Brechzahlprofile und typische ortsabhängige Verläufe der elektrischen Feldstärke für eine Wellenlänge außerhalb der Resonanz und für eine Resonanzwellenlänge,
10 exemplarisch berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren für eine Struktur nach 9 mit einem Quantenfilm mit moderater Verstärkung von 400 / cm für verschiedene Brechzahlen des angrenzenden, zu untersuchenden Mediums,
11 exemplarisch berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren für ein Brechzahlprofil nach 9 mit einer zusätzlichen Goldbeschichtung bei verschiedener Dicke,
12 exemplarisch berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren für Goldschichten auf einer GaAs-Abstandsschicht,
13 eine schematische Darstellung eines Messsystems zur Untersuchung lateral strukturierter Doppelschichten, wie sie beispielsweise in biologischen Zellen oder Biosensoren vorkommen,
14 berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren einer Struktur nach 13 mit einer 100 nm dicken Übergangsschicht mit verschiedenen Brechzahlen auf Wasser mit n = 1.330,
15 ein Brechzahlprofil und eine Feldverteilung in Resonanz für ein AlAs-GaAs Schichtsystem, welches mit einer 0,2 nm dicken Goldschicht (n = 0.26) ausgebildet ist, und angrenzender wasserbasierter Übergangsschicht,
16 berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren von einem Refraktometer nach 15 mit einer 100 nm dicken Übergangsschicht für Brechzahlen zwischen n = 1.330 und n = 1.350,
17 ein Brechungsindexprofil für einen AlAs-GaAs Bragg-Reflektor mit verstärkender InGaAs-GaAs Abstandsschicht und Quasi-Wellenleiter sowie berechnete Feldverteilung in Resonanz,
18 berechnete Intensitätsreflexionsspektren für eine Struktur nach 17 mit Vakuum, Luft und CO₂ im evaneszenten Feld,
19 ein Schema eines Messsystems, welches ein zylindrisch divergentes monochromatisches Lichtbündel zur Einstrahlung in den Resonator nutzt,
20 eine Ausführungsform eines Refraktometers mit Lichteinkopplung in das hoch brechende Material über ein optisches Gitter,
21 schematisch eine Vorrichtung zum Messen des Brechungsindex eines Mediums mit einem Prisma als Refraktometer an der Spitze einer Einmoden-Glasfaser und mit Rückführung des Messstrahls über eine Multimodenfaser,
22 schematisch eine Vorrichtung zum Messen des Brechungsindex eines Mediums mit einem direkt aufgebrachten Refraktometer an der Spitze einer Einmoden-Glasfaser und mit Rückführung des Messstrahls über eine Multimodenfaser, und
23 schematisch eine Ausführungsform eines Refraktometers mit sinusförmig gewellter Grenzfläche.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen um der Klarheit willen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile in oder an diesen Ausführungsformen. Zur besseren Verdeutlichung der Erfindung sind die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht immer maßstabsgerecht gezeichnet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Vorrichtung 1 zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese Darstellung dient der Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Messmethode zur Bestimmung des Brechungsindex eines zu untersuchenden Mediums bzw. einer Substanz 10.
Allein der Übersichtlichkeit halber sind in den Figuren die Strahlungsquelle und die Empfangseinrichtung nicht dargestellt, ebenso die Auswerteeinheit. Die Empfangseinrichtung ist dazu vorgesehen, eine optische Abbildung der Grenzfläche für die Bestimmung der lateralen Brechungsindexverteilung mit hoher Auflösung zu ermöglichen. In diese kann die Auswerteeinheit integriert sein, welche mittels hinterlegten Algorithmen eine Auswertung der durch die Empfangseinrichtung empfangenen Bilder ermöglicht. Die weiter unten beschriebenen mathematischen Zusammenhänge und Regeln zur Analyse sind von Vorteil in die Auswerteeinheit integriert.
Zur Erläuterung des Verfahrens wird nach der 1 angenommen, dass eine einfallende linear polarisierte monochromatische ebene Lichtwelle 30 der Lichtquelle der elektrischen Feldstärke E_i(x,y,z) in einem verlustfreien optischen Element 20 mit hoher Brechzahl n_i nach Passieren eines Bragg-Reflektors 22 mit Amplitudenreflexionsfaktor r_B und Amplitudentransmissionsfaktor t_B und einer planen Abstandsschicht 23 der Dicke L unter dem Einfallswinkel θ_i bei z=0 von oben auf eine im Beispiel ebene Grenzfläche 24 zu einem an diese Grenzfläche 24 angrenzendes, zu untersuchendes Medium 10 geringerer Brechzahl n < n_i trifft.
Das optische Element 20 ist im Beispiel als hochbrechendes Prisma ausgeführt und umfasst demnach eine in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ebene Grenzfläche 24, welche während der Messung in direktem Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium 10 steht.
Diese Grenzfläche 24 wird durch den Bragg-Reflektor 22 und die im Beispiel ebenfalls planar ausgebildete Abstandsschicht 23 gebildet. Der Bragg-Reflektor 22, die Abstandsschicht 23 und die Grenzfläche 24 bilden zusammen einen Fabry-Perot-Resonator 21.
Für hinreichend große Einfallswinkel θ_i > θ_gr mit sin θ_gr = n/n_i wird die einfallende Welle an der Grenzfläche 24 totalreflektiert, wie es in der Darstellung mit der Lichtwelle 30 an dem Reflexionspunkt 25 dargestellt ist. Mit θ_gr ist hier der Grenzwinkel zur optischen Achse 34 gemeint, unter dem die Bedingung für eine Totalreflexion gegeben ist. Aus der eingekoppelten Lichtwelle 30 entsteht demnach eine reflektierte Lichtwelle 31, die den Messstrahl darstellt. Dabei erfährt diese reflektierte Lichtwelle 31 eine polarisationsabhängige Phasendrehung.
Bei einer verlustfreien Grenzfläche 24 und verlustfreiem Medium 10 mit schwach x-abhängiger Brechzahl n(x) ist der komplexe Amplitudenreflexionsfaktor als Phasenfaktor $r (x) = e^{i ΔΦ (x)} = e^{i 2 Δ Φ_{T E}}^{(x)}$
zu schreiben, wobei für transversal elektrische Polarisation, also für TE-Wellen, ΔΦ und ΔΦ_TE durch $ΔΦ (x) = 2 Δ Φ_{T E} (x) = {tan}^{- 1} \frac{\sqrt{n_{i}^{2} sin θ_{i} - n^{2} (x)}}{n_{i} cos θ_{i}} = ΔΦ (n (x))$
gegeben sind und wie es beispielsweise in der Druckschrift K. J. Ebeling: Integrated Optoelectronics, in: Springer, Berlin 1992, beschrieben ist.
Durch Messung der Phasendrehung an der Grenzfläche lässt sich bei bekanntem Einfallswinkel θ_i und bekannter Brechzahl n_i des optischen Elements der Brechungsindex des angrenzenden Mediums 10 bestimmen.
In 2 ist beispielhaft die durch Totalreflexion hervorgerufene Abhängigkeit der Phasendrehung ΔΦ vom Brechungsindex n des angrenzenden Mediums 10 dargestellt, wobei n_i = 36 (z.B. für GaAs) , θ_i = 30° und TE-Polarisation für die einfallende Welle angenommen wurde.
Eine schräg einfallende monochromatische Welle der ortsabhängigen elektrischen Feldstärke $E_{i} = E_{i 0} e^{i k_{x} x + i k_{z} z} = E_{i} (x, z)$
mit den Wellenvektorkomponenten k_x = k sin θ_i und k_z = k cos θ_i, der Wellenzahl im Medium k = 2πn_i/λ und der Vakuumwellenlänge λ wird im Fabry-Perot-Resonator 21 vielfach reflektiert, wodurch sich Interferenzphänomene ausbilden, die sich in charakteristischer Weise im Intensitätsverlauf der reflektierten Lichtwelle 31 niederschlagen. Das elektrische Feld der resultierenden, insgesamt vom Resonator zurücklaufenden ebenen Lichtwelle 31 lässt sich schreiben als $E_{r} = E_{r} (x, z) = E_{r 0} e^{i k_{x} x - i k_{z} z},$
wobei die komplexe elektrische Feldamplitude E_r0 von der Umlaufphase der Welle im Resonator $Φ= \frac{4 π n_{i} L cos θ_{i}}{λ} + ΔΦ$
und dem Intensitätsreflexionskoeffizienten des Bragg-Reflektors $R_{B} = | r_{B}^{2} |$
abhängt. Wird zusätzlich noch eine optische Dämpfung oder Verstärkung im Inneren des Resonators durch einen positiven bzw. negativen Intensitäts-Absorptionskoeffizienten α berücksichtigt, dann ergibt sich für die komplexen Feldamplituden die Beziehung $E_{r 0} = \frac{e^{- α L} e^{- i Φ} - \sqrt{R_{B}}}{1 - \sqrt{R_{B} e^{- α L} e^{- i Φ}}} E_{i 0},$
wie es beispielsweise der Druckschrift Eugene Hecht, Alfred Zajak: Optics (S. 305). Addison-Wesley, London 1974, zu entnehmen ist. Der Absorptionskoeffizient, auch als Dämpfungskonstante bekannt, ist ein Maß für die Verringerung der Intensität elektromagnetischer Strahlung bei einem Durchgang durch ein gegebenes Medium. Durch Betragsquadratbildung erhält man mit den Intensitäten I_r = |E_r|², I_i = |E_i|² für den Intensitätsreflexionsfaktor R die Formel $R = \frac{I_{r}}{I_{i}} = \frac{{(\sqrt{R_{B}} - e^{- α L})}^{2} + 4 \sqrt{R_{B}} e^{- α L} {sin}^{2} \frac{Φ}{2}}{{(1 - \sqrt{R_{B}} e^{- α L})}^{2} + 4 \sqrt{R_{B}} e^{- α L} {sin}^{2} \frac{Φ}{2}} .$
Die 3a und 3b zeigen berechnete Reflexionsfaktoren R als Funktion des Phasenwinkels Φ für verschiedene Gewinnfaktoren g = exp(-αL), in 3a für R_B = 0.99 und in 3b für R_B = 0.999.
Im verlustfreien Fall α = 0 gilt erwartungsgemäß R = I_r/I_i = 1 für alle Phasenwinkel Φ. Für geringe Verluste 0<αL<<1 und hoch reflektierende Bragg-Strukturen mit R_B ≈1 treten scharfe Resonanzeinbrüche im Reflexionsspektrum bei Phasenwinkeln $\frac{Φ_{m}}{2} = m π = \frac{2 π n_{i} L cos θ_{i}}{λ_{m}} + \frac{ΔΦ}{2}$
mit ganzzahligem m auf. Bei vorgegebenen Parametern n_i , θ_i , L und λ hängt die bei einer Änderung der Brechzahl der zu untersuchenden angrenzenden Schicht auftretende Verschiebung der Resonanzphasenlage dΦ_m/ dn nur von der differentiellen Änderung der Phasendrehung bei der Totalreflexion ab. Es gilt dΦ_m/dn = dΔΦ/dn. Damit lässt sich aus der Phasenverschiebung dΦ_m die Brechungsindexänderung dn der angrenzenden Schicht unmittelbar bestimmen.
Die Resonanzwellenlängen liegen bei $λ_{m} = \frac{4 π n_{i} L cos θ_{i}}{2 m π - ΔΦ} .$
Die relative Verschiebung der Resonanzwellenlänge bei Änderung der Phasendrehung dΔΦ nimmt gemäß $\frac{d λ_{m} / d ΔΦ}{λ_{m}} = \frac{1}{2 m π - Δ Φ}$
mit zunehmender Ordnung m, also auch zunehmender Resonatorlänge, also Schichtdicke, L ab.
Für exp(-αL) < 1, also vorherrschende Verluste im Resonator, gilt für das Reflexionsminimum $R_{min} = {(\frac{I_{r}}{I_{i}})}_{min} = \frac{{(\sqrt{R_{B}} - e^{- α L})}^{2}}{{(1 - \sqrt{R_{B}} e^{- α L})}^{2}} = : \frac{d_{0}}{b_{0}} .$
Die Höhe des Resonanzeinbruchs ist h = 1 — d_0/b₀, und für die Phasenlage Φ_1/2 der halben Höhe (h_1/2 = h/2) des Resonanzeinbruchs (R (Φ_1/2) = 1 - h/2) folgt mit $c_{0} = 4 \sqrt{R_{B}} exp (- α L)$
die Beziehung $s i n^{2} \frac{Φ_{1 / 2}}{2} = \frac{b_{0}}{c_{0}} = \frac{{(1 - \sqrt{R_{B}} e^{- α L})}^{2}}{4 \sqrt{R_{B}} exp (- α L)} .$
Damit ist die Phase der halben Halbwertsbreite durch $Φ_{1 / 2} = 2 {sin}^{- 1} \sqrt{{\frac{(1 - \sqrt{R_{B}} e^{- α L})}{4 \sqrt{R_{B}} exp (- α L)}}^{2}}$
gegeben, und für die volle Halbwertsbreite gilt $Δ Φ_{1 / 2} = | Φ_{- 1 / 2} | + | Φ_{+ 1 / 2} | = 4 s i n^{- 1} \sqrt{\frac{{(1 - \sqrt{R_{B}} e^{- α L})}^{2}}{4 \sqrt{R_{B}} e x p (- α L)} .}$
Im Grenzfall angepasster Verluste, also $exp (- α L) \to \sqrt{R_{B}}$
(„matched losses“), verschwindet mit R_min →0 die Intensität der reflektierten Welle, und es folgt ${sin}^{2} \frac{Φ_{1 / 2}}{2} \to \frac{{(1 - R_{B})}^{2}}{4 R_{B}} .$
Die volle Halbwertsbreite bei angepassten Verlusten ist damit $Δ Φ_{1 / 2} = | Φ_{- 1 / 2} | + | Φ_{+ 1 / 2} | = 4 {sin}^{- 1} \frac{1 - R_{B}}{2 \sqrt{R_{B}}} \approx 2 (1 - R_{B}),$
wobei die Näherung auf der rechten Seite für R_B≈1 zutrifft. Für die Halbwertsbreite auf der Wellenlängenskala erhält man entsprechend näherungsweise $Δ λ_{1 / 2} = \frac{(1 - R_{B}) λ^{2}}{2 π n_{i} L c o s θ_{i}} .$
Durch ΔΦ_1/2 bzw. Δλ_1/2 sind im klassischen Sinne Auflösungsgrenzen definiert, mit denen Änderungen dΔΦ/dn der Phasendrehung durch Totalreflexion an der angrenzenden Schicht noch detektiert werden können.
Für hohe Auflösung sind geringe Verluste (durch Streuung oder Absorption) im Resonatorkern und gleichzeitig Bragg-Strukturen mit hohem Reflexionsfaktor erforderlich. Der Resonatorkern wird durch die Grenzfläche mit Totalreflexion und die erste Schichtgrenze des Bragg-Reflektors gebildet. Aufgrund der Eindringtiefe der Lichtwelle in den Bragg-Reflektor können auch diese angrenzenden Schichten mit zum Resonatorkern gezählt werden.
Bei angepassten Verlusten ergeben sich mit R_B = 0.99, n_i = 3.6, θ_i = 30°, L = 1 µm und λ = 1 µm Halbwertsbreiten von ΔΦ_1/2 = 0.02 und Δλ_1/2 ≈ 0.5 nm und entsprechend kleinere Werte für höhere Reflexionsfaktoren R_B.
Für optische Verstärkung im Resonatorkern sind negative Werte von α im Bereich $1 / \sqrt{R_{B}} \geq e^{- α L} > 1$
heranzuziehen. Im Reflexionsspektrum treten statt Resonanzeinbrüchen nun Resonanzspitzen mit Maximalwerten R_max = d₀/b₀ bei den Wellenlängen λ_m auf. Die Resonanzüberhöhung ist $h = \frac{d_{0} - b_{0}}{b_{0}} = \frac{{(R_{B} - e^{- α L})}^{2} - {(1 - \sqrt{R_{B}} e^{- α L})}^{2}}{{(1 - \sqrt{R_{B}} e^{- α L})}^{2}},$
sie geht im Grenzfall der Selbsterregung, also für $exp (- α L) \to 1 / \sqrt{R_{B}},$
gegen Unendlich. Die Phase bei der halben Halbwertsbreite, bestimmt durch R (Φ_1/2) = 1+h/2, liefert wieder ${sin}^{2} \frac{Φ_{1 / 2}}{2} = \frac{b_{0}}{c_{0}} = \frac{{(1 - \sqrt{R_{B}} e^{- α L})}^{2}}{4 \sqrt{R_{B}} exp (- α L)}$
und entsprechend $Δ Φ_{1 / 2} = | Φ_{- 1 / 2} | + | Φ_{+ 1 / 2} | = 4 {sin}^{- 1} \sqrt{{\frac{(1 - \sqrt{R_{B}} e^{- α L})}{4 \sqrt{R_{B}} exp (- α L)}}^{2}} .$
Mit zunehmender Verstärkung nimmt die Halbwertsbreite immer weiter ab, bis sie im Grenzfall für $exp (- α L) \to 1 / \sqrt{R_{B}}$
über die klassische Auflösungsgrenze hinausgeht und gemäß $Δ Φ_{1 / 2} \to 0$
gegen Null strebt, was mit (im Idealfall grenzenlos) wachsender Auflösung einhergeht. Praktische Grenzen ergeben sich durch die beugungsbedingte Divergenz einer endlich ausgedehnten Welle, die nicht perfekte lineare Polarisation und die endliche spektrale Breite des Messstrahls. Als ein Maß für die mögliche Messgenauigkeit oder die Güte der Messung kann das Verhältnis von Resonanzüberhöhung bzw. Resonanzeinbruch zu Halbwertsbreite, also Q = h/ΔΦ_1/2, herangezogen werden.
Berechnete Halbwertsbreiten und Resonanzeinbrüche bzw. Resonanzüberhöhungen sind in 4 für R_B = 0.99 als Funktion des Gewinnfaktors g = exp(-αL) dargestellt. Physikalische Bedeutung haben nur die Kurvenäste, für die $g < 1 / \sqrt{R_{B}} = 1.0101$
gilt. Die in den Graphen dargestellten Markierungen mit Kreis und Pfeil geben den Bezug zu der korrespondierenden Ordinatenachse an, d.h. der Pfeil zeigt auf die geltende Ordinatenachse.
Planare Schichtsysteme, wie sie im erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Resonator des optischen Elements 20 vorliegen, werden zweckmäßigerweise mit der Transfer-Matrix-Methode analysiert, vgl. etwa R. Michalzik: VCSELs: Fundamentals, Technology and Applications of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Springer-Verlag, 2013.
Mit der Methode lassen sich insbesondere Feldstärke- und Intensitäts-Reflexionsspektren sowie räumliche Verläufe der Feldstärke, der Intensität und der Photonendichte berechnen. Die im Folgenden vorgestellten numerischen Rechnungen beziehen sich beispielhaft und ohne Beschränkung auf das Ausführungsbeispiel auf Schichtstrukturen in einem InGaAlAs-GaAs Halbleitermaterialsystem (InGaAlAs = Indiumgalliumaluminiumarsenid). Sie können in gleicher Weise für andere Materialsysteme durchgeführt werden.
In einem InGaAlAs-Schichtsystem lässt sich der Reflektor auf der Lichteinkoppelseite bevorzugt als AlAs-GaAs Bragg-Reflektor realisieren, der in GaAs als Abstandsschicht 23 eingebettet ist.
5 zeigt das Intensitäts-Reflexionsspektrum einer solchen Spiegelstruktur für TE- und TM-Wellen bei Lichteinfall unter 30°. Mit dem Begriff TE-Welle ist hier eine transversal-elektrische Welle und mit dem Begriff TM-Welle eine transversal-magnetische Welle gemeint. In Ausbreitungsrichtung verschwindet bei der erstgenannten Welle die elektrische Komponente in Ausbreitungsrichtung, während die magnetische Komponente Werte ungleich 0 annehmen kann, bei der letztgenannten Welle verschwindet nur die magnetische Komponente in Ausbreitungsrichtung, während die elektrische Komponente Werte ungleich 0 annehmen kann.
Der Reflektor ist in diesem Ausführungsbeispiel für eine Mittenwellenlänge von etwa 1.060 nm ausgelegt und besteht aus 15 AlAs-GaAs Spiegelpaaren mit Dicken von jeweils 110 nm für die einzelnen AlAs-Schichten der Brechzahl 3.0 und von jeweils 80 nm für die einzelnen GaAs-Schichten der Brechzahl 3.6.
Im Wellenlängenbereich von 900 nm bis 1.200 nm ist die Absorption zu vernachlässigen. Die verminderte Maximalreflexion für TM-Wellen ist auf die bei schrägem Einfall im Vergleich zu TE-Wellen geringere Reflexion an den AlAs-GaAs Grenzflächen zurückzuführen. Bei vernachlässigbarer Absorption gilt für den spektralen Intensitätstransmissionsfaktor T die Beziehung T(λ) = 1 - R(λ) sowohl für TE- wie für TM-Polarisation.
In 6 ist der für maximale Reflexion berechnete Verlauf der ortsabhängigen elektrischen Feldstärkeamplitude im Bereich des Bragg-Reflektors 22 dargestellt. Eingezeichnet ist auch das Brechungsindexprofil. Durch die Reflexion bildet sich vor und in der Bragg-Struktur ein Stehwellenfeld aus, dessen Fluktuationen mit zunehmender Eindringtiefe in den Bragg-Reflektor 22 abnehmen. Die Fluktuationen verschwinden gänzlich beim Austritt der Welle aus dem Bragg-Bereich. Das Quadrat der elektrischen Feldstärke ist proportional zur räumlichen Photonendichte, so dass aus 6 auch die Verteilung der zeitlich gemittelten Photonenverteilung in der Struktur hervorgeht.
7 zeigt schematisch einen Bragg-Reflektor 22 nach 6 in einer weiteren Ausführungsform des optischen Elements 30 vor einer Grenzfläche 24, an der Totalreflexion erfolgt.
In die Abstandsschicht 23 des ausgebildeten Fabry-Perot Resonators 21 kann ein Quantenfilm (QW) 26 eingefügt sein, der für optische Verluste oder Verstärkung verantwortlich ist. Im Beispiel besteht die Abstandsschicht aus GaAs und umfasst einen 8 nm dicken InGaAs-GaAs Quantenfilm.
Die Höhe der Verluste bzw. Verstärkung kann beispielsweise durch optisches Pumpen oder bei Einbettung der Struktur in einen pn-Heteroübergang wie bei einem VCSEL (VCSEL = „vertical-cavity surface-emitting laser“; Vertikallaserdiode) auch durch elektrische Anregung eingestellt werden.
8 zeigt beispielhaft berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren der Struktur nach 7 für verschiedene Brechzahlen n des angrenzenden Mediums 10. Die Abstandsschicht hat im vorliegenden Beispiel eine Dicke von 25 nm, der Quantenfilm weist einen Absorptionskoeffizienten von 600 / cm auf. Es treten scharfe Resonanzeinbrüche auf, die sich mit zunehmender Brechzahl n zu längeren Wellenlängen verschieben.
In den 9a und 9b sind Brechzahlprofile und typische ortsabhängige Verläufe der elektrischen Feldstärke dargestellt, in 9a für eine Wellenlänge außerhalb der Resonanz und in 9b für eine Resonanzwellenlänge.
Außerhalb der Resonanz kann eine für Bragg-Reflektoren charakteristische Dämpfung des Wellenfeldes mit zunehmender Eindringtiefe gefunden werden. Dagegen kommt es in Resonanz zu einem Anwachsen der Feldstärke mit einem Maximum in der Nähe der Grenzfläche. Die Resonanzüberhöhung führt zu einer hohen Photonendichte im evaneszenten Feld im angrenzenden, zu untersuchenden Medium, die im Sinne einer Störungstheorie maßgeblich ist für die empfindliche Abhängigkeit der Resonanzwellenlänge von der Brechzahl des angrenzenden Mediums 10.
In 10 sind berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren für eine Struktur nach 9a oder 9b mit einem Quantenfilm mit moderater Verstärkung von 400 / cm für verschiedene Brechzahlen des angrenzenden Mediums 10 dargestellt. Es ergeben sich erhebliche Verstärkungen in der Resonanz. Die resultierenden äußerst geringen Halbwertsbreiten erlauben eine präzise Bestimmung des Brechungsindex beispielsweise im Bereich von 1.30 bis 1.36, der für viele chemische und biologische Systeme von besonderem Interesse ist.
Zur präzisen Einstellung von Verlusten kann das Halbleitermaterial in einer bevorzugten Ausführungsform in der Abstandsschicht n- oder vorzugsweise p-dotiert werden. Zum selben Zweck kann alternativ eine wenige Nanometer dicke, schwach absorbierende Passivierungsschicht, beispielsweise aus Siliziumoxynitrid, in einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform verwendet werden, die die Halbleiteroberfläche gleichzeitig gegen den Angriff aggressiver Substanzen schützt.
Wenn auf der Oberfläche Biomoleküle funktionalisiert werden sollen, bietet sich in einer nochmals weiteren Ausführungsform an, eine dünne metallische Oberflächenbeschichtung zum Beispiel aus Gold an, deren Auswirkung auf das Resonanzverhalten aus 11 hervorgeht. Es sind auch andere metallische Oberflächenbeschichtungen der Messfläche möglich, umfassend die Materialien Silber, Kupfer oder Aluminium.
Bei einer goldhaltigen Oberflächenbeschichtung ist eine deutliche Blauverschiebung der Resonanzwellenlänge und erhöhte Dämpfung mit zunehmender Dicke der Goldschicht zu beobachten. Die in 11 exemplarisch berechneten Intensitäts-Reflexionsspektren sind dargestellt für ein Brechzahlprofil nach 9a oder 9b mit einer zusätzlichen Goldbeschichtung, welche eine Dicke von 0,1 nm, 0,3 nm, 0,6 nm, 1,0 nm und 1,5 nm aufweist.
Zum Vergleich ist in 12 der Intensitätsreflexionsfaktor R einer Goldschicht auf GaAs-Halbleitermaterial als Abstandsschicht dargestellt, aus der die Zunahme der Verluste mit wachsender Metallschichtdicke abzuleiten ist. Zusätzlich zu den oben genannten Schichtdicken ist exemplarisch noch eine 2,0 nm dicke Goldbeschichtung dargestellt. Zu bemerken ist, dass die Rechnungen zu 11 und 12 wie auch zu 8, 9 und 10 für TE-Polarisation und 30° Einfallswinkel durchgeführt wurden.
Die vorstehend erläuterten Ausführungsformen eines Fabry-Perot-Resonators 21 mit verstärkenden Quantenfilmen 26 und totalreflektierender Grenzfläche 24 sind geeignet zur Untersuchung vertikal und lateral strukturierter Schichtsysteme, wie sie beispielsweise bei Biosensoren, biologischen Zellen oder Biochips vorkommen, und wie sie beispielsweise in H. H. Nguyen, J. Park, S. Kang, M. Kim: Surface Plasmon Resonance: A Versatile Technique for Biosensor Applications, Sensors 2015, 15, 10481-10510, oder in L. K. Chin, A. Q. Liu, C. S. Lim, X. M. Zhang, J. H. Ng, J. Z. Hao, S. Takahashi: Differential single living cell refractometry using grating resonant cavity with optical trap, Applied Physics Letters 91, 243901 (2007), beschrieben sind.
13 zeigt schematisch eine Darstellung eines Ausschnitts einer Vorrichtung 1 zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums 10, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums 10, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche geeignet ist zur Untersuchung lateral strukturierter Doppelschichten 11 wie sie beispielsweise in biologischen Zellen oder Biosensoren vorkommen. Durch Projektion oder Abbildung lässt sich Information über die zweidimensionale Brechungsindexverteilung des zu analysierenden Mediums nahe der Grenzfläche gewinnen. Der rasche Abfall des evaneszenten Feldes ermöglicht eine Tiefenauflösung von wenigen 100 nm.
Im abgebildeten Beispiel wird in ein Prisma 20 aus hochbrechendem Material eine kollimierte, ebene monochromatische Welle 40 eingekoppelt. Mit dem Bezugszeichen 42 ist eine Projektion der reflektierten Welle 41 dargestellt. Das zu untersuchende Medium 11 weist in der beispielhaften Darstellung zwei Bereiche 12 mit einer zu analysierenden Brechzahl n auf. Diese Brechzahl n unterscheidet sich damit von der Brechzahl n_bulk des umgebenden Materials des zu untersuchenden Mediums 11, welches im Beispiel eine Wasserschicht ist.
14 zeigt berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren einer Struktur nach 13 mit einer 100 nm dicken Übergangsschicht, die sich vor einer ausgedehnten Wasserschicht mit n_bulk = 1.330 befindet. Diese Übergangsschicht kann beispielsweise eine biologische Zelle sein, deren Brechzahl sich von der des Mediums 11 unterscheidet. Für die Übergangsschicht werden unterschiedliche Brechzahlen von n = 1.330 bis n = 1.350 angenommen. Bei sehr moderater Verstärkung durch den Quantenfilm von 400 / cm lassen sich Brechungsindizes an der Oberfläche deutlich besser als auf die dritte Stelle nach dem Komma, also deutlich besser als 0.1 % genau bestimmen.
Ähnlich präzise Ergebnisse können erzielt werden, wenn auf der Halbleiteroberfläche zusätzlich beispielsweise eine nur etwa 0,2 nm dicke (absorbierende) Goldschicht aufgebracht wird, an der sich Biomoleküle leicht anlagern und funktionalisieren lassen. Eine typische resonante Feldverteilung samt Brechzahlprofil für eine derartige Ausführungsform der Erfindung ist in 15 dargestellt.
15 zeigt ein Brechzahlprofil und eine Feldverteilung in Resonanz für eine Vorrichtung mit einem AlAs-GaAs Schichtsystem, welches mit einer 0,2 nm dicken Goldschicht der Brechzahl n = 0.26 ausgebildet ist, und einer angrenzenden wasserbasierten Übergangsschicht.
16 zeigt - ähnlich wie 14 - ein berechnetes Intensitäts-Reflexionsspektren von 100 nm dicken Schichten mit Brechzahlen von n = 1.330 bis n = 1.350 auf Wasser. Um die Absorption der Goldschicht zu kompensieren, ist in dieser Ausführungsform eine höhere Verstärkung durch den Quantenfilm vorgesehen, welche im Beispiel bei 1.500 / cm liegt.
17 zeigt ein Brechungsindexprofil für einen AlAs-GaAs Bragg-Reflektor mit verstärkender InGaAs-GaAs Abstandsschicht, wobei der Quantenfilm auf dem Schichtmaterial InGaAs (InGaAs = Indiumgalliumarsenid) basiert, nachfolgend auch als InGaAs-Quantenfilm bezeichnet, und Quasi-Wellenleiter sowie die berechnete Feldverteilung in Resonanz. Es kann nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel in 17 auch vorteilhaft sein, auf der Halbleiteroberfläche eine verlustlose, niedriger brechende dielektrische Quasi-Wellenleiter-Schicht von einigen hundert Nanometer Dicke vorzusehen, in der sich eine resonanzartig überhöhte Photonendichte einstellt, die auch in das evaneszente Feld des angrenzenden, noch niedriger brechenden Mediums hineinwirkt.
Das dargestellte Brechungsindexprofil ist für einen AlAs-GaAs Bragg-Reflektor mit 15 Spiegelpaaren, GaAs-Abstandsschicht mit 10 nm dicken InGaAs-Quantenfilm und 20° Licht-Einfallswinkel und TE-Polarisation ausgelegt. Die Feldverteilung des TE-polarisierten elektrischen Feldes ist für Resonanz berechnet.
18 zeigt berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren, die für Strukturen nach 17 und verschiedene Brechzahlen des angrenzenden Mediums, im Beispiel Vakuum, Luft und CO₂, im evaneszenten Feld berechnet wurden.
Im Vergleich zu Vakuum ergeben sich für Luft (n = 1.0003) bzw. CO₂ (n = 1.001) bei Normaldruck Verschiebungen der Resonanzwellenlänge von etwa 33 bzw. 100 pm, die bei einer Verstärkung durch den Quantenfilm von 1.550 / cm im Quantenfilm noch deutlich aufgelöst werden können. Es lassen sich auch Druckabhängigkeiten nachweisen. Messungen in der spektralen Umgebung von Absorptionslinien liefern zusätzlich Information über die Gaszusammensetzung.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, also resonante Refraktometer wie vorstehend erläutert, sind nicht auf den Einfall ebener Lichtwellen beschränkt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird daher ein zylindrisch divergentes monochromatisches Lichtbündel 50 zur Einstrahlung in den Resonator genutzt.
19 zeigt schematisch eine Darstellung eines Ausschnitts einer Vorrichtung 2 zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums 10, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums 10, gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, welche ein zylindrisch divergentes monochromatisches Lichtbündel 50 zur Einstrahlung in den Fabry-Perot-Resonator 21 nutzt.
Die Projektion 52 der reflektierten Lichtwelle 51 ergibt je nach Resonanzeinbruch oder Resonanzüberhöhung in der reflektierten Lichtwelle 51 winkelabhängig dunkle oder helle Streifen. Ähnliches gilt für ein konvergentes einfallendes Lichtbündel, das sich insbesondere zum lateralen Scannen des Messobjektes 10 anbietet. Vorrichtungen 1, 2 mit konvergentem Strahlengang können auch als verstärkendes Element in einem Laser mit externen Spiegeln Verwendung finden.
Neben Prismen zur Einkopplung des Lichts unter einem vorbestimmten Einfallswinkel θ_i , welcher erfindungsgemäß vorzugsweise größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, bieten sich optische Gitterstrukturen als optisches Element an, die in eine höhere Ordnung gebeugtes Licht zur Analyse verwenden.
20 zeigt daher schematisch eine Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung 3 zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums 10, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums 10, welche mit einer Lichteinkopplung in das hoch brechende Material des optischen Elements 60 über ein optisches Gitter 62a, 62b. Das optische Element 60 ist im Beispiel hochbrechend ausgebildet und umfasst GaAs als Basismaterial.
Das optische Element 60 ist ferner mit zwei sich gegenüberliegenden, bevorzugt planparallelen Oberflächen ausgebildet, wobei die erste Oberfläche diejenige ist, über welche während der Messung elektromagnetische Strahlung 70 der Wellenlänge λ_t eingekoppelt wird, und wobei die gegenüberliegende, zweite Oberfläche während der Messung die Grenzfläche 64 zu dem zu untersuchenden Medium (nicht dargestellt) umfasst. Die zweite Oberfläche umfasst demnach einen Fabry-Perot-Resonator 61. In der abgebildeten Ausführungsform ist die zweite Oberfläche zusätzlich mit einer Absorberschicht 65 ausgebildet, welche den Fabry-Perot-Resonator 61 umgibt.
Um unerwünschte Strahlung durch Reflexion der Strahlung 70 an der ersten Oberfläche zu vermeiden, ist die erste Oberfläche des optischen Elements 60 mit einer Antireflex-Beschichtung 63 versehen, welche im Beispiel das optische Gitter 62a, 62b umgibt.
Der Fabry-Perot-Resonator 61 kann dabei ausgebildet sein wie anhand der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele dargestellt. Insbesondere umfasst er in einer bevorzugten Ausführungsform einen Bragg-Reflektor und einen Quantenfilm. Zur optischen Anregung der Verstärkung oder Steuerung der Verluste im Quantenfilm kann beispielsweise eine senkrecht einfallende, unpolarisierte oder eine TE- oder TM-polarisierte Pumpwelle λ_p 75 dienen.
Die Lichtwelle 70 aus der Strahlungsquelle (nicht dargestellt) trifft im Beispiel senkrecht auf das optische Gitter 62a auf und erfährt hier eine Beugung. Die Gitterkonstante ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Ablenkung der Lichtwelle 70 so stark ist, dass die abgelenkte Lichtwelle in einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, auf den Fabry-Perot-Resonator 61 gerichtet wird. Die reflektierte Lichtwelle wird bei Passieren des optischen Gitters 62b in zwei Teilwellen 71, 72 aufgeteilt, wobei die Teilwelle 71 mit der Empfangseinrichtung (nicht dargestellt) detektiert werden kann.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, können faseroptische Lichtleiter, auch als Lichtleitfasern bezeichnet, umfassen. Diese Lichtleitfasern können die elektromagnetische Strahlung von einer Lichtquelle zu dem optischen Element 20 hinführen und/oder von diesem wieder zurück zu der Empfangseinrichtung. Aufgrund ihres kompakten Aufbaus sind derartige Ausführungsformen besonders für minimalinvasive Untersuchungen geeignet.
In den 21 und 22 sind rein exemplarisch zwei derartige Ausführungsformen dargestellt.
21 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Vorrichtung 4 zum Messen des Brechungsindex eines Mediums mit einem Prisma als Refraktometer an der Spitze einer Einmoden-Glasfaser und mit Rückführung des Messstrahls über eine Multimodenfaser.
Das erfindungsgemäße optische Element 20 ist dabei an der Spitze einer im Beispiel als Einmoden-Glasfaser 81 ausgebildeten Lichtleitfaser angeordnet. Die Vorrichtung 4 verfügt ferner über eine Anordnung zur Rückführung der eingekoppelten und reflektierten Lichtwelle über eine Multimodenfaser 84. Das optische Element 20 ist in diesem Beispiel als hochbrechendes Prisma ausgebildet und an der Spitze der polarisationserhaltenden Einmoden-Glasfaser 81 montiert. Der in die Einmoden-Glasfaser 81 eingekoppelte Lichtstrahl 90 wird nach Reflexion als reflektierter Messstrahl 91 über die Multimodenfaser 84 zurückgeführt und kann mittels der Empfangseinrichtung (nicht abgebildet) detektiert werden.
Das optische Element 20 basiert auf dem Material GaAs. Die Ausführung auf der Basis eines GaAs-Prismas ermöglicht bei Einstrahlung einer Pumpwelle durch die Einmoden-Glasfaser 81 auch optische Verstärkung im Resonatorbereich des optischen Elements. Das optische Element 20 verfügt im Beispiel über einen Fabry-Perot-Resonator 21 und einen AlGaAs-GaAs Bragg-Reflektor 22. Ferner ist das optische Element 20 an seiner Lichteintritts- und an seiner Lichtaustrittsseite mit einer Antireflexionsschicht 87 versehen.
Die Einmoden-Glasfaser 81 umfasst dabei einen Kern 82, welcher von einem Mantel 83 umgeben ist. Ähnlich verhält es sich bei der Multimodenfaser 84, die einen Kern 85 und einen Mantel 86 umfasst. Um einen Eindruck von den erreichbaren, geringen Abmessungen des Miniatur-Refraktometers zu erhalten, sind in der 21 wesentliche Größen mit den Buchstaben A, B und C angegeben. Ohne Beschränkung auf das angegebene Ausführungsbeispiel stellen sich relevante Größenverhältnisse wie folgt dar: A = 10 µm, B = 50 µm und C = 250 µm.
Die Lichteintrittsfläche der Multimodenfaser 84 weist einen Winkel zur optischen Achse der Multimodenfaser 84 von 45° auf, so dass radial eintretendes, reflektiertes Licht aus dem optischen Element 20 exakt in den Kern 85 eingekoppelt werden kann. Die Reflektivität dieser Grenzfläche kann beispielsweise durch eine wenige nm dicke Goldschicht signifikant erhöht werden. Wenn die Reflexionsfläche des GaAs-Prismas einen Winkel φ ungleich 45° zur optischen Achse der Einmodenfaser aufweist, ist die Reflexionsfläche der Multimodenfaser entsprechend auf den Winkel 90° - φ einzustellen.
22 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Weiterbildung des Ausführungsbeispiels aus 12. Die abgebildete Vorrichtung 5 zum Messen des Brechungsindex eines Mediums kommt dabei ohne ein zusätzliches optisches Element aus.
Stattdessen ist die Spitze einer Einmoden-Glasfaser 101, umfassend einen Kern 102 und einen Mantel 103, mit einer um 45° zur optischen Achse geneigten Lichtaustrittsfläche versehen. Die Lichtaustrittsfläche umfasst einen direkt aufgebrachten Fabry-Perot-Resonator 21 und zweckmäßigerweise einen planaren dielektrischen Bragg-Reflektor 22 aus TiO₂-SiO₂ λ/4-Schichtpaaren und eine Abstandsschicht aus SiO₂, in die beispielsweise durch Dotierung mit Silberionen optische Verluste eingebracht werden. Auf diese Weise stellt die Lichtaustrittsfläche der Einmoden-Glasfaser 101 bereits besonders vorteilhaft die Messfläche der Vorrichtung 5 zur Verfügung. Die Rückführung des Messstrahls 91 erfolgt über eine Multimodenfaser 84. Bei dieser Ausführungsform ist das optische Element als dielektrisches Refraktometer unmittelbar auf der schräg angeschliffenen Lichtaustrittsfläche der Einmoden-Glasfaser aufgebracht werden. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform die mögliche bessere Anpassung der Brechungsindizes des Resonators an das Glasfasermaterial.
Bezüglich des Winkels φ und der Verbesserung der Reflektivität gilt das Gleiche wie vorstehend zu dem Ausführungsbeispiel unter 21 ausgeführt.
Eine ebenfalls vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt in einer anderen Ausgestaltung der Grenzfläche zu dem zu untersuchenden Medium 10. Die Verluste für eine totalreflektierte Welle lassen sich beispielsweise auch durch eine reliefartige Ausführung der Grenzfläche erzeugen. Die Grenzfläche ist damit im Kontaktbereich zu dem zu untersuchenden Medium nicht plan ausgebildet, sondern beispielsweise in Form einer Sinuswelle.
23 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Vorrichtung 6 einer derartigen Ausführungsform eines Refraktometers. Im abgebildeten Beispiel ist das optische Element 120 mit sinusförmig gewellter Grenzfläche 124 ausgebildet.
Das in die 1. Beugungsordnung abgelenkte Licht kann dabei zur Abbildung der Grenzfläche genutzt werden. Wenn die Amplitude a der Sinuswelle klein ist, also a << - n)/(nn_i) gilt, kann die Störung näherungsweise als optisches Phasengitter beschrieben werden. Gilt für die Periode d der Sinuswelle d < λ/(2n), können sich höhere Beugungsordnungen nur im höher brechenden Material, also nur in Reflexion ausbreiten.
Weiterhin lässt sich für Gitterkonstanten im Bereich λ/(2n_i) < d < λ(2n) der Einfallswinkel θ_i > θ_gr so groß und die Gitterkonstante gleichzeitig so klein wählen, dass nur positive Beugungsordnungen auftreten und sich die +1. Beugungsordnung in Richtung der optischen Achse orthogonal zu den Bragg-Ebenen ausbreitet. Über das in die +1. Beugungsordnung abgelenkte Licht lässt sich damit die Grenzfläche hochaufgelöst scharf abbilden.
Hohe Photonendichte an der Grenzfläche und damit hohe Intensität in der +1. Beugungsordnung erhält man nur im Resonanzfall. Wenn sich der Brechungsindex im evaneszenten Feld des angrenzenden Mediums in lateraler x- bzw. y-Richtung nur schwach ändert, also | grad n(x,y) | << n(x,y)/(λ n_i) gilt, erfolgt merkliche Lichtstreuung in die +1. Beugungsordnung nur an solchen Stellen in der x,y-Grenzflächenebene, an denen die Resonanzbedingung hinreichend gut erfüllt ist. Damit ließen sich durch Abbildung der Grenzfläche in Richtung der optischen Achse Orte (x,y) gleicher Brechzahl identifizieren, wie es beispielsweise für die Untersuchung von biologischem Gewebe oder auch histologischen Schnitten von Interesse sein kann. Zur Vermeidung von optischen Abbildungsfehlern durch das Bragg-Gitter sollte sich dessen Stopp-Band um den Einfallswinkelbereich konzentrieren, was durch geeignete Auslegung des Bragg-Reflektors, vor allem durch geringe Brechzahlunterschiede in den konstituierenden Bragg-Spiegelpaaren erreicht werden kann.
Die Messflächen der Vorrichtungen zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, sind sehr klein gestaltet. In den Ausführungsbeispielen etwa gemäß 21 oder 22 können sie deutlich weniger als 1 mm² betragen. Ebenso ist es auch möglich, die Messfläche kleiner als 1 mm², bevorzugt kleiner als 0,1 mm² und besonders bevorzugt kleiner als 0,01 mm² zu gestalten, wobei die Tiefenauflösung der Vorrichtung in einem Bereich von wenigen 100 nm liegt bis hin zu einem Bereich von weniger als 100 nm.
Vor diesem Hintergrund sind die vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Vorrichtungen besonders geeignet für minimalinvasive Untersuchungen. Die Vorrichtungen sind auch mikrooptisch integrierbar.
Bei einer bekannten Wellenlänge des eingekoppelten Lichtes und bekanntem Einfallswinkel kann der Brechungsindex des zu untersuchenden Mediums hochpräzise ermittelt werden.
Durch eine optische Abbildung der totalreflektierenden Grenzfläche lässt sich weiterhin eine hohe laterale Auflösung erzielen. Durch die geringe Eindringtiefe der evaneszenten Welle in das zu untersuchende Medium sind extrem geringe Substanzmengen ausreichend, um eine Brechungsindexbestimmung vorzunehmen.
Auftretende optische Verluste im Messvolumen, etwa durch Streuung oder Absorption, können durch eine optische Verstärkung im Messsystem kompensiert werden. Hierzu ist von Vorteil, dass die Vorrichtung zur Steigerung der Empfindlichkeit eine hohe Photonendichte im Messvolumen generieren kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims

Optisches Element zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, wobei das optische Element zumindest eine Grenzfläche umfasst, welche ausgebildet ist, flächig einen direkten Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium während der Messung zu bilden, zumindest ein Teil dieser Grenzfläche des optischen Elements eine Messfläche darstellt, und wobei diese Grenzfläche des optischen Elements mit einem als Resonator wirkenden Schichtsystem ausgestattet ist, welcher bei einer schräg auf die Grenzfläche auftreffenden elektromagnetischen Strahlung bei derjenigen Strahlung, welche unter einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche, zwischen dem optischem Element und dem zu untersuchenden Medium Mehrfachreflexionen dieser Strahlung bewirkt, so dass sich Resonanzen in dem Schichtsystem ausbilden.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche kleiner als 1 mm², bevorzugt kleiner als 0,1 mm² und besonders bevorzugt kleiner als 0,01 mm² ist.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einfallende Strahl aus einem Medium der Brechzahl n_i in den Resonator eindringt, so dass gilt: n < n_i, wobei n die Brechzahl des zu untersuchenden Mediums ist.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein hochbrechendes Material umfasst, bevorzugt mit einer Brechzahl n_i, welche wenigstens bei n_i = 1.8, bevorzugt bei n_i ≥ 3.0 und besonders bevorzugt bei n_i ≥ 3.5 liegt.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem einen Bragg-Reflektor umfasst.
Optisches Element nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Bragg-Reflektor aus einem Halbleiter-Schichtsystem gebildet ist, bevorzugt AlGaAs-GaAs, InGaAsP-InP oder InAlGaN-GaN.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem mindestens einen Quantenfilm umfasst.
Optisches Element nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenfilm bevorzugt auf dem Materialsystem InGaAs-GaAs, GaAs-AlGaAs, InGaAsP-InP oder InAlGaN-GaN basiert und eine geringe Dicke aufweist, bevorzugt eine Dicke von 15 nm oder weniger, besonders bevorzugt von 10 nm oder weniger.
Optisches Element nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenfilm einen anregungsabhängigen positiven oder negativen Absorptionskoeffizienten von beispielsweise +/-400 / cm, +/-800 / cm oder +/-1.600 / cm aufweist.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem einen Fabry-Perot-Resonator umfasst.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche eine metallische Oberflächenbeschichtung umfasst, bevorzugt umfassend Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element zur Strahlungslenkung ein Prisma umfasst.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element zur Strahlungslenkung ein optisches Gitter umfasst.
Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, umfassend eine Strahlungsquelle, ein optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, und eine Empfangseinrichtung, wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung und Einkoppeln dieser Strahlung in das optische Element, und wobei die Empfangseinrichtung ausgebildet ist, an der Grenzfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen.
Vorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, ferner umfassend eine Auswerteeinheit, welche mittels hinterlegten Algorithmen eine Auswertung der durch die Empfangseinrichtung empfangenen Bilder ermöglicht.
Vorrichtung nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefenauflösung der Messung in einem Bereich von wenigen 100 nm liegt bis hin zu einem Bereich von weniger als 100 nm.
Vorrichtung nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle ausgebildet ist zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung, bevorzugt zum Aussenden von monochromatischem Licht und besonders bevorzugt zum Aussenden eines zylindrisch divergenten oder konvergenten monochromatischen Lichtbündels.
Vorrichtung nach einem der vier vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element direkt mit der Spitze einer Einmoden-Glasfaser verbunden ist.
Vorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem direkt auf eine schräge Lichtaustrittsfläche einer Einmoden-Glasfaser aufgebracht ist.
Verwenden einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 19 für minimalinvasive Untersuchungen.
Verfahren zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 14 bis 19, umfassend die folgenden Schritte: für die Messung steht das optische Element an der Grenzfläche in direktem Kontakt mit dem Medium, elektromagnetische Strahlung wird in das optische Element derart eingekoppelt, dass sie an der Grenzfläche unter einem Winkel auftrifft, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche, eine Totalreflexion dieser eingekoppelten Strahlung entsteht an der Grenzfläche zwischen dem optischen Element und dem Medium, wodurch es zu Mehrfachreflexionen kommt und wodurch sich Resonanzen in dem Schichtsystem des optischen Elements ausbilden, deren spektrale und richtungsabhängige Lage durch die Empfangseinrichtung gemessen wird.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche zur Bestimmung der Brechzahl des zu untersuchenden Mediums verwendet wird und eine Auswertung der durch die Empfangseinrichtung empfangenen Bilder ermöglicht.
Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung mit einem geeigneten Sensor, vorzugsweise einem Photosensor, ausgestattet ist.