ES2961722T3 - Sistema de espectrómetro y método para producir un sistema de espectrómetro - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un aparato para aplicaciones ópticas, un sistema espectrómetro y un método para producir un aparato para aplicaciones ópticas, y en particular a un aparato que comprende una guía de ondas óptica que tiene un primer índice de refracción a lo largo de un eje de propagación de la luz interrumpido por una pluralidad de elementos de dispersión. porciones que tienen un segundo índice de refracción. Cada porción de dispersión tiene un eje largo sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz así como un eje corto sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz y al eje largo. En un lado de la guía de ondas óptica está dispuesta una unidad receptora o una unidad transmisora, siendo el eje mayor sustancialmente perpendicular, es decir normal al plano de este lado en el que está dispuesta la unidad receptora o la unidad transmisora. En consecuencia, se puede realizar la simplificación y miniaturización de un aparato óptico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de espectrómetro y método para producir un sistema de espectrómetro

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un espectrómetro y a un método para producir el mismo, y en particular a un espectrómetro que incluye un aparato que comprende una guía de ondas óptica que tiene un primer índice de refracción a lo largo de un eje de propagación de la luz interrumpido por una pluralidad de porciones que tienen un segundo índice de refracción. En los documentos US 2006/067617 A1, WO 01/02885 A1 y WO98 M4366 A1 se divulgan dispositivos ópticos conocidos que comprenden una guía de ondas que tiene un primer índice de refracción y que incluyen una pluralidad de porciones que tienen un segundo índice de refracción.

Antecedentes

Se conocen bien las redes ópticas de Bragg, tales como una red de fibra de Bragg (FBG). Una FBG es un tipo de reflector de Bragg distribuido en una fibra óptica que refleja longitudes de onda seleccionadas de la luz y transmite otras. La red de Bragg está constituida por una variación periódica en el índice de refracción del núcleo de fibra que genera un espejo dieléctrico específico de la longitud de onda debido a interferencias seleccionadas. Por tanto, una FBG puede actuar como filtro óptico para bloquear/reflejar ciertas longitudes de onda. La red de Bragg formada en una fibra ocupa habitualmente un pequeño segmento de la fibra que tiene una longitud en el intervalo de un milímetro a varios centímetros.

También pueden usarse redes ópticas de Bragg para retirar mediante acoplamiento luz de una longitud de onda específica a partir de la guía de ondas, en la que, en tales redes, la variación del índice de refracción a lo largo del eje óptico de la guía de ondas, por ejemplo una fibra óptica, no es uniforme a lo largo de la anchura de la fibra, sino que la variación del índice de refracción forma un ángulo entre el eje óptico y un eje perpendicular al mismo. Por tanto, tales redes se denominan redes de fibra de Bragg inclinadas. El ángulo de inclinación tiene que elegirse lo suficientemente grande como para que la luz con una longitud de onda que cumple la condición de Bragg pueda escapar de la guía de ondas. Además, la reflexión depende de la polarización de modo que sólo se refleja la luz linealmente polarizada en el plano de la red. Por consiguiente, una red de este tipo es selectiva con respecto a la longitud de onda y la polarización.

También se conoce la dispersión dispersiva de la luz en redes, pero habitualmente no se desea ya que conduce a una atenuación de la luz que se desplaza a través de la guía de ondas. Pueden observarse pérdidas particularmente fuertes debidas a dispersión por difracción para redes de tipo II, escritas mediante láseres UV de alta intensidad o láseres de femtosegundos, ambos de los cuales funcionan por encima del umbral de daño del vidrio. Por ejemplo, puede usarse un láser de femtosegundo para escribir una red punto por punto con energía de pulso de aproximadamente 0,1 |iJ o más y duración de pulso de aproximadamente 100 fs.

Estudiando con más detalle la dispersión de redes, el inventor llegó a la conclusión de que el efecto de dispersión habitualmente no deseado puede usarse para aplicaciones ópticas diseñando por ingeniería la red según las necesidades de modo que puede obtenerse una simplificación y miniaturización de aparatos ópticos.

Sumario

Por tanto, un objetivo es proporcionar un espectrómetro novedoso así como un método para producir el mismo. La invención se define mediante las reivindicaciones independientes, las reivindicaciones dependientes describen realizaciones ventajosas.

Por consiguiente, puede proporcionarse un espectrómetro que comprende un aparato que permite retirar de manera eficiente mediante acoplamiento luz a partir de una guía de ondas óptica y recibir la luz en lado de la guía de ondas con un ángulo particular con respecto al eje de propagación de la luz de la guía de ondas.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1A ilustra elementos de un aparato para aplicaciones ópticas según un ejemplo.

La figura 1B ilustra elementos de un aparato para aplicaciones ópticas según otro ejemplo.

La figura 2 ilustra en una vista en sección transversal una guía de ondas a modo de ejemplo que puede usarse para los aparatos de las figuras 1A y 1B.

La figura 3 ilustra elementos de un aparato específico que tiene una función de enfoque óptico según otra realización de la invención.

La figura 4 ilustra elementos de un aparato específico que tiene una función de enfoque óptico curvando una guía de ondas según otra realización de la invención.

La figura 5 ilustra de manera cualitativa el rendimiento de un espectrómetro según una realización y un espectrómetro de la técnica anterior.

La figura 6 ilustra elementos de un aparato específico que tiene una función de enfoque óptico para luz en una dirección de propagación.

La figura 7 ilustra los efectos del aparato de la figura 6 de manera cualitativa para diferentes longitudes de onda. La figura 8 ilustra elementos de un aparato específico que tiene dos ejes de propagación de la luz.

La figura 9 ilustra un sistema de espectrómetro según una realización.

La figura 10 ilustra un sistema de interrogador de múltiples núcleos según otra realización.

La figura 11 ilustra una simulación con ondas esféricas usando principios de óptica geométrica.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Se describen realizaciones preferidas con referencia a las figuras. Se indica que la siguiente descripción únicamente contiene ejemplos y no debe interpretarse como limitativa de la invención.

A continuación, signos de referencia similares o iguales indican elementos u operaciones similares o iguales.

Las realizaciones se refieren de manera general a un aparato para aplicaciones ópticas, tales como métodos de espectroscopía o interrogación óptica, que comprende una guía de ondas óptica configurada para guiar luz a lo largo de un eje de propagación de la luz y que tiene un primer índice de refracción a lo largo del eje de propagación de la luz interrumpido por una pluralidad de porciones de dispersión que tienen un segundo índice de refracción distribuidas a lo largo de un segmento de la guía de ondas óptica. Cada porción de dispersión tiene un eje largo sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz así como un eje corto sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz y al eje largo. Una unidad de receptor o una unidad de transmisor está dispuesta en un lado de la guía de ondas óptica, siendo el eje largo sustancialmente perpendicular, es decir normal al plano en el lado en el que está dispuesta la unidad de receptor o unidad de transmisor.

La unidad de receptor está dispuesta para recibir luz dispersada a partir de la pluralidad de porciones en una dirección de dispersión dispuesta en un plano de dispersión principal definido por el eje largo y el eje de propagación de la luz. En el caso de transmisor alternativo, la unidad de transmisor está dispuesta para transmitir luz a la pluralidad de porciones en una dirección de dispersión dispuesta en un plano de dispersión principal definido por el eje largo y el eje de propagación de la luz.

Es decir, en las realizaciones, una estructura de tipo red que tiene porciones de índice de refracción alterado se introduce en un segmento de una guía de ondas. Las porciones están dispuestas una detrás de otra, teniendo un material con otro índice de refracción entre medias de modo que se dispersa luz debido a las diferencias de índice de refracción entre el índice de refracción de las porciones y de la estructura de guiado de luz en la guía de ondas óptica, la que la luz dispersada interfiere de manera constructiva a determinados ángulos con respecto al eje de propagación de la luz de la guía de ondas óptica. Por tanto, puede retirarse luz mediante acoplamiento de la guía de ondas en las porciones de dispersión y, de manera similar, puede insertarse mediante acoplamiento en la guía de ondas en estas porciones.

La figura 1A ilustra elementos de un aparato 100 según un ejemplo, que comprende una guía de ondas óptica, por ejemplo compuesta por una primera capa 110, una segunda capa 120 y una tercera capa 115, así como una unidad 140 de receptor, por ejemplo un detector. La unidad 140 de receptor no se limita a un detector, sino que, en otros ejemplos, una unidad 140 de receptor puede ser otra pluralidad de porciones en otra, o incluso en la misma, guía de ondas que recibe la luz y la guía adicionalmente.

Se conocen varios ejemplos de guías de ondas ópticas, por ejemplo fibras ópticas, tales como fibras de vidrio, fibras de polímero o un sustrato de vidrio a granel con guías de ondas, polímeros con estructuras de guía de ondas, etc., y la invención no se limita a una guía de ondas particular. Por ejemplo, una guía de ondas óptica puede ser una guía de ondas de franja dieléctrica que tiene tres capas dieléctricas con índices de refracción diferentes, en la que los índices de refracción se eligen para guiar luz en la segunda capa dieléctrica (central). Un ejemplo común al que se hará referencia a continuación meramente como ejemplo ilustrativo es una fibra óptica en la que la capa 120 se considera como el núcleo rodeado por la capa 110, 115 de revestimiento. Por tanto, en el ejemplo de la fibra óptica sustancialmente cilíndrica, las capas 110 y 115 son la misma pertenecientes al mismo revestimiento. A continuación con respecto a figura 2 se comentará en más detalle una realización preferida de una fibra como guía de ondas óptica a modo de ejemplo.

La guía 110, 115, 120 de ondas óptica en la figura 1A, que se considerará que constituye una fibra óptica para simplificar la discusión a continuación, está configurada para guiar luz a lo largo de un eje de propagación de la luz que puede lograrse mediante un núcleo 120 que tiene un primer índice de refracción y un revestimiento 110 (igual que 115) que tiene un índice de refracción diferente y que rodea de manera coaxial el núcleo. El núcleo 120 guía habitualmente las partes más grandes de la intensidad de luz de modo que, por tanto, puede considerarse que el centro del núcleo de la fibra óptica determina básicamente la dirección del eje de propagación de la luz.

En el aparato 100, el núcleo 120 está interrumpido varias veces por una pluralidad de porciones que tienen un segundo índice de refracción diferente del primer índice de refracción de modo que la luz se difracta/dispersa en las porciones. Las porciones 130 pueden estar dispuestas periódicamente, teniendo todas las mismas distancias unas de otras, o las distancias entre las porciones pueden variar, por ejemplo, para lograr una función óptica específica de la luz dispersada a partir de las porciones y que interfiere de manera constructiva. Cuando se menciona el término luz en el presente documento, la luz no se limita a luz visible sino que la tecnología descrita en el presente documento también puede aplicarse a luz ultravioleta (UV) e infrarroja (IR).

Una porción 130 de dispersión tiene un eje largo sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz así como un eje corto sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz y al eje largo. Por ejemplo, la porción 130 de dispersión puede tener la forma de un elipsoide.

Estas diferencias en las dimensiones de los ejes largo y corto de una porción de dispersión conducen a grandes diferencias en la intensidad de la luz dispersada. Es decir, se emite más luz a partir de la guía de ondas en la dirección de dispersión dispuesta en un plano de dispersión principal definido por el eje largo y el eje de propagación de la luz que en una dirección de dispersión dispuesta en un plano de dispersión minoritario definido por el eje corto y el eje de propagación de la luz.

Por ejemplo, para realizar una fuerte dispersión/difracción a partir de la guía de ondas óptica en un plano de dispersión principal en la figura 1A, el eje largo puede ser más grande que el doble de la longitud de onda de la luz guiada en la guía de ondas óptica y el eje corto puede ser del orden de, o más pequeño que, la longitud de onda de la luz. Preferiblemente, las distancias entre las porciones y las dimensiones de las porciones se seleccionan de modo que la mayor parte de la luz se emite en la dirección de dispersión de la luz en el plano de dispersión principal que forma un ángulo de entre 30 y 150 grados con respecto al eje de propagación de la luz. Por ejemplo, la dirección de dispersión de la luz puede superponerse con un orden de difracción, preferiblemente el primer orden de difracción.

En la figura 1A, el aparato 100 comprende una unidad 140 de receptor realizada como un detector en este ejemplo. Este detector detecta luz dispersada a partir de las porciones 130 de dispersión. Para detectar la luz dispersada, la unidad de receptor está dispuesta en un lado de la guía de ondas óptica de modo que recibe la mayor parte de la luz dispersada, concretamente en un lado en el plano de dispersión principal. El eje largo es sustancialmente perpendicular, es decir normal, al plano en el lado en el que está dispuesta la unidad de receptor.

Tal como puede observarse en la figura 1A, se muestran tres direcciones de dispersión de la luz diferentes en el plano de dispersión principal (en este caso, el plano de la hoja de papel) para diferentes longitudes de onda; representando la línea de rayas luz azul, representando la línea de puntos luz verde y representando la línea continua luz roja.

En una realización, el detector 140 del aparato 100 comprende elementos de detector dispuestos en una línea para detectar la luz dispersada a partir de la pluralidad de porciones en la(s) dirección/direcciones de dispersión. Los elementos de detector se indican en el detector 340 de la figura 3 que se comentará a continuación. Por ejemplo, en la figura 1A, los elementos de detector en el lado derecho del detector en la figura 1A pueden detectar la luz azul, los elementos de detector en el centro pueden detectar luz verde y los elementos de detector en el lado izquierdo pueden detectar luz roja. Los ejemplos de un detector que tiene elementos de detector son un chip de CCD, matriz de diodos lineal o similares.

En el ejemplo de la figura 1A, la línea de los elementos de detector es sustancialmente paralela al eje de propagación de la luz y está dispuesta en el plano de dispersión principal. En particular, el detector 140 está posicionado en el lado derecho a partir del núcleo de fibra si se considera que una dirección de propagación de la luz es desde el lado izquierdo hasta el derecho del papel.

Debe entenderse que el detector también puede colocarse en el lado izquierdo a partir del núcleo de fibra (cuando se observa en la dirección de propagación de la luz indicada mediante la flecha) en el mismo plano. Sin embargo, aunque la luz dispersada y difractada a partir de las porciones 130 se emite en una forma de cono simétrico en la que el eje de simetría del cono es el núcleo de fibra, posicionar el detector por encima o por debajo (del plano de papel) puede resultar desventajoso, ya que entonces sólo puede recibirse luz dispersada en un plano de dispersión minoritario definido por el eje corto y el eje de propagación de la luz.

En la figura 1B, se ilustra un aparato 100' que comprende la misma guía de ondas óptica que el aparato 100, pero con la diferencia de que la unidad 140 de receptor se sustituye por una unidad 150 de transmisor. Tal como se explicó anteriormente, la guía 110, 120 de ondas óptica puede ser una fibra óptica que tiene un núcleo 120 de fibra y el revestimiento 110. De nuevo, las porciones 130 dispersan y difractan luz, pero, en la figura 1B, la luz se inserta mediante acoplamiento en el núcleo 120 de la fibra óptica, dado que procede de la unidad de transmisor fuera de la guía de ondas. Se ilustra una única longitud de onda mediante una línea de rayas emitida por un láser que es un ejemplo de una unidad 150 de transmisor.

La unidad 150 de transmisor también está dispuesta en un lado de la guía de ondas óptica. En particular, la unidad 150 de transmisor está dispuesta para transmitir luz desde el exterior de la guía de ondas óptica hasta la pluralidad de porciones en una dirección de dispersión dispuesta en el plano de dispersión principal definido por el eje largo y el eje de propagación de la luz. Tal como puede observarse en la figura 1B, la dirección de dispersión tiene un ángulo de dispersión de aproximadamente 60° con respecto al eje de propagación de la luz.

En los aparatos 100 y 100', la luz se dispersa localmente en las alteraciones de índice de refracción introducidas mediante las porciones de dispersión. Según la óptica geométrica, la superposición de ondas esféricas generadas por las porciones de dispersión puede conducir a las interferencias constructivas dependientes de longitudes de onda y direccionales observadas a determinados ángulos con respecto a la dirección de propagación de la luz (véase la figura 11). Manipulando las distancias entre las porciones correspondientes básicamente a las “líneas” de una red, pueden diseñarse por ingeniería las características ópticas de las interferencias.

Las porciones 130 actúan de manera similar a líneas de una red, sin embargo, las porciones no son líneas sino estructuras preferiblemente elípticas, tales como un elipsoide que conduce a una dispersión más predominante en el plano del eje largo del elipsoide y el eje de propagación de la luz. Para diferentes estados de polarización, puede observarse un cambio en la intensidad de la luz parásita mientras que, para porciones esféricas, la dispersión parece ser independiente de la polarización. De manera interesante, los efectos anteriormente mencionados pueden usarse para insertar mediante acoplamiento o retirar mediante acoplamiento luz en una dirección de dispersión particular, tal como se muestra en las figuras 1A y 1B.

La figura 2 ilustra una vista en sección transversal de una guía 200 de ondas a modo de ejemplo que comprende un núcleo 220 y un revestimiento 210. Tal como se explicó anteriormente, en la dirección de propagación de la luz, el núcleo que tiene un primer índice de refracción, tal como 1,460, está interrumpido por porciones que tienen un segundo índice de refracción, tal como 1,462. La sección transversal mostrada en la figura 2 muestra una porción 230 que interrumpe el núcleo, es decir colocada en el núcleo de modo que la luz que se propaga en el núcleo experimenta un cambio de índice de refracción, en particular se experimenta un efecto más grande en el eje largo correspondiente al eje vertical en la figura que en el eje corto correspondiente al eje horizontal en la figura.

En la figura 2, la porción 230, que es una de la pluralidad de porciones, tiene una forma que se aproxima a un elipsoide en tres dimensiones (se ilustra una elipse en la figura 2 en dos dimensiones), en la que el eje largo del elipsoide es preferiblemente más grande que el doble de la longitud de onda de la luz guiada en la guía de ondas óptica y el eje corto del elipsoide es del orden de (es decir 1 x longitud de onda /-0,5 x longitudes de onda), o más pequeño que, la longitud de onda de la luz. Según un ejemplo preferido, el eje largo puede ser tres veces la longitud de onda o más grande y el eje corto puede ser 1,5 veces la longitud de onda o más pequeño.

En la figura 3, se ilustra un aparato 300 que comprende básicamente la misma guía de ondas óptica que los aparatos 100 y 100', pero el segmento de la guía de ondas que incluye la pluralidad de porciones se ha diseñado específicamente por ingeniería para incorporar una función óptica. En más detalle, las distancias entre las porciones se seleccionan de tal manera que la luz que entra en la guía de ondas en el lado izquierdo indicada mediante la flecha y que se propaga a lo largo del eje de propagación de la luz se dispersa en las porciones de dispersión de modo que la luz de una longitud de onda específica se enfoca en un punto particular en el lado de la guía de ondas, preferiblemente en un detector, tal como el detector 340.

Dado que longitudes de onda diferentes se dispersan de manera diferente y tienen direcciones de dispersión (y ángulos de dispersión) diferentes en las que interfieren de manera constructiva, pueden enfocarse longitudes de onda diferentes en partes diferentes del detector 340. En particular, la línea continua que representa luz azul se enfoca en el lado derecho del detector, la línea de rayas que representa luz verde se enfoca en el centro del detector y la línea de puntos que representa luz roja se enfoca en el lado izquierdo del detector.

En el ejemplo de la figura 3, la pluralidad de porciones forma una red de difracción en el núcleo 120 de la guía de ondas en la dirección del eje de propagación de la luz. En particular, en esta realización, la red también actúa como óptica de obtención de imágenes enfocando luz. En realidad, la función óptica codificada en la pluralidad de porciones mediante una selección particular de las distancias no se limita a una función de lente de enfoque. Dicho de otro modo, las distancias entre las porciones se seleccionan de modo que, en el plano de dispersión principal, se obtiene una función de lente mediante interferencia de la luz dispersada en la pluralidad de porciones 330, en las que, en un ejemplo la función de lente corresponde a una lente de enfoque que enfoca luz que se dispersa en la pluralidad de porciones. Por consiguiente, es posible una obtención de imágenes directa de la luz en un detector, dado que puede integrarse una función de obtención de imágenes asférica en la guía de ondas mediante distancias específicas entre las porciones de red.

En vez de seleccionar distancias específicas entre las porciones cuando se fabrica la guía de ondas como en la figura 3, puede lograrse un efecto similar curvando una fibra óptica que tiene porciones de dispersión dispuestas de manera periódica. Esto corresponde básicamente a curvar el eje de propagación de la luz de modo que, en el plano de dispersión principal, se obtiene una función de lente mediante interferencia de la luz dispersada en la pluralidad de porciones dispuestas a lo largo del eje de propagación de la luz curvado. En la figura 4 se proporciona un ejemplo de proporcionar la función óptica de una lente de enfoque.

En la figura 4, un aparato 400 comprende una guía de ondas curvada, en la que la curvatura conduce a interferencia constructiva de la misma manera que en la figura 3 para obtener un efecto de enfocar longitudes de onda diferentes en un detector.

En una realización, los aparatos 300 y 400 pueden usarse como espectrómetro en el que no se necesita una hendidura, red u óptica de obtención de imágenes especial, dado que la guía de ondas y su sección de guiado de la luz actúan como hendidura y la pluralidad de porciones de dispersión actúan como red de difracción, lo que simplifica en gran medida la estructura del espectrómetro.

Según una realización, se proporciona un sistema de espectrómetro que comprende una fuente de luz y uno de los aparatos 100, 100', 300 ó 400 anteriormente mencionados, en el que la luz de la fuente de luz se inserta mediante acoplamiento en la guía de ondas óptica en un orificio de entrada para guiar la luz a lo largo del eje de propagación de la luz. La fuente de luz puede ser preferiblemente una fuente de luz con un amplio intervalo de longitud de onda, tal como un diodo superluminiscente (S-LED) o luz blanca a partir de una lámpara de halógeno o tungsteno.

Como resultado de lo anterior, para obtener un espectrómetro simplemente tienen que fabricarse dos partes y disponerse una con respecto a otra, concretamente la guía de ondas anteriormente mencionada y un detector. De manera más importante, la distancia focal, el tamaño del espectrómetro y el intervalo de longitud de onda que va a analizarse pueden seleccionarse libremente, conduciendo a espectrómetros mucho más sencillos y más pequeños que en la técnica anterior que requieren óptica de enfoque complicada y redes lineales caras.

Dado que la relación de posición entre la óptica de enfoque y la red lineal en la técnica anterior resulta crucial, el espectrómetro propuesto en este caso en el que la óptica de enfoque está integrada en la red es más rígido y es difícil que se produzca un fallo de alineación. Debido a la posibilidad de una gran separación espectral de longitudes de onda y a la integración de óptica en la guía de ondas, el espectrómetro descrito en el presente documento puede ser más de cinco veces más pequeño que los espectrómetros existentes, que tienen las mismas propiedades pero óptica dispuesta en el espacio libre. Además, el espectrómetro descrito en el presente documento puede tener un gran número de porciones (más de 10000) a lo largo del eje de propagación de la luz de modo que puede aumentarse fácilmente la resolución espectral.

La figura 5 ilustra de manera cualitativa el rendimiento de un espectrómetro según una realización (b) y un espectrómetro de la técnica anterior (a). Para comparar espectros de un espectrómetro convencional con un espectrómetro según el concepto inventivo, se usó un acoplador de fibra de 2 x 2, en el que el orificio de entrada superior del acoplador estaba conectado a un S-LED y el orificio de salida superior a una fibra de sensor de FBG que produce 15 picos. Después se midió la señal retrorreflejada del sensor en el orificio de salida inferior del acoplador de fibra (a) con un espectrómetro OCEAN-Optics Flame que se sustituyó por (b) el aparato 300 que tiene como detector un módulo de cámara web comercial con una distancia focal de 2 cm y controladores convencionales de MS Windows.

Los espectros en la figura 5 muestran unidades arbitrarias en el eje de las Y y la longitud de onda en el eje de las X. Puede observarse que, de manera cualitativa, la capacidad de separar longitudes de onda es básicamente la misma para el espectrómetro caro de la técnica anterior que da como resultado el espectro a) en el lado izquierdo de la figura 5 y para el espectrómetro de bajo coste de la realización que da como resultado el espectro b) en el lado derecho.

Uno de los problemas en un sistema de interrogador conocido que tiene una red de Bragg basada en espectrómetro es que un sistema de este tipo requiere al menos un acoplador o circulador óptico para dirigir la luz reflejada de vuelta desde un sensor de FBG hasta un detector. Para sistemas que tienen un bajo nivel de luz, por ejemplo cuando se analiza una FBG en una fibra que usa un LED, las pérdidas de intensidad de la fuente de luz acoplada a una fibra y que pasa por un acoplador de 2 x 2 son grandes y, por tanto, la reducción de las mismas es importante. Además, los costes son grandes porque se necesita un elemento de acoplamiento, lo que contribuye adicionalmente al tamaño del sistema. Un aparato que tiene una guía de ondas y una pluralidad de porciones dispuestas de manera especial, tal como se describió anteriormente, puede mitigar algunos de estos problemas.

La figura 6 ilustra elementos de un aparato 600 específico que tiene una función de enfoque óptico para luz en una dirección de propagación (véase la línea continua) realizada mediante porciones 630 de dispersión de manera similar al aparato 30 de la figura 3 y que tiene dispersión difusa en la otra dirección (véase la línea de rayas). Entonces, la luz dispersada difusa puede atraparse por una trampa 650 de luz. Es decir, los ángulos de las direcciones de dispersión de la luz son ampliamente diferentes para las dos direcciones de propagación en la figura 6 de modo que la luz dispersada puede detectarse en posiciones y direcciones espaciales ampliamente diferentes. En esta realización, la pluralidad de porciones están adaptadas de modo que la dirección de dispersión en el plano de dispersión principal para luz que se propaga en una dirección de propagación del eje de propagación de la luz es diferente de otra dirección de dispersión en el plano de dispersión principal para luz que se propaga en la dirección opuesta a la dirección de propagación. Dado que las direcciones de dispersión son diferentes, la luz de una dirección de propagación llega al detector 340 de una manera enfocada y la luz de la dirección de propagación opuesta no. En esencia, mediante modificación del periodo de red, se rompe la simetría y puede lograrse el efecto anteriormente mencionado.

Además, una parte de la luz en la guía de ondas se dispersa en la red según la eficiencia de la red y otra parte que puede determinarse mediante los parámetros de procedimiento simplemente se transmite para llegar a un sensor de FBG en el que se refleja (véanse, por ejemplo, las figuras 9 y 10). Después, la luz reflejada puede enfocarse en el detector 340 en el trayecto de vuelta.

Por ejemplo, usando la red de difracción anteriormente mencionada con una función de obtención de imágenes incorporada en una guía de ondas, puede simplificarse en gran medida un sistema de interrogador conocido que tiene una red de Bragg basada en espectrómetro. Por consiguiente, puede realizarse un sistema de interrogador más rentable y más pequeño que simplemente requiere una fuente de luz, una guía de ondas óptica y un detector, tal como una cámara, una matriz de diodos lineal o fotodiodos individuales. La mayoría de las funciones pueden realizarse en la guía de ondas, por ejemplo fibra, de modo que no se necesita mucho espacio para otra óptica o enrollamientos de fibra. Por tanto, un interrogador de este tipo puede integrarse directamente en dispositivos de m edición que tienen espacio limitado.

La figura 7 ilustra los efectos del aparato 600 de la figura 6 de manera cualitativa para diferentes longitudes de onda. En la primera dirección desde la izquierda hacia la derecha, se simula cómo se dispersa la luz roja (r), verde (g) y azul (b) en porciones en un segmento de fibra y se enfoca en la línea 710. En la dirección opuesta desde la derecha hacia la izquierda, la simulación en la figura 7 muestra que no hay ningún efecto de enfoque y la se dispersa en una dirección completamente diferente de la luz en la primera dirección.

La figura 9 ilustra un sistema 900 de espectrómetro según una realización. El sistema 900 de espectrómetro es básicamente un sistema de interrogador y comprende el aparato 600 que incluye un detector 640 y una trampa 650 de luz para luz dispersada de manera difusiva. El sistema 900 de espectrómetro comprende una red óptica de Bragg que actúa como sensor que detecta parámetros físicos, tales como temperatura, en un objeto 980. El sensor de red óptica de Bragg está acoplado a un orificio de salida de la guía de ondas óptica para recibir luz que se propaga a lo largo del eje de propagación de la luz. Alternativamente, el sensor de red óptica de Bragg está íntegramente incorporado en la guía de ondas óptica o fibra del aparato 600.

En funcionamiento, luz procedente de la fuente de luz, por ejemplo S-LED, que se propaga desde la izquierda hacia la derecha, se dispersa en la pluralidad de porciones y la luz dispersada se recibe en la trampa 650 de luz. La parte no dispersada de la luz se transmite adicionalmente a la red de Bragg de fibra en el objeto que va a medirse y después se refleja de vuelta en la FBG y se dispersa de nuevo en la pluralidad de porciones, en la que, en la dirección desde la derecha hacia la izquierda, la luz dispersada se enfoca ahora en el detector 640. Por tanto, el sistema 900 comprende simplemente tres elementos y tiene una eficiencia de luz mucho mayor que un sistema con un acoplador o circulador óptico.

Otra aplicación del concepto inventivo son las fibras de múltiples núcleos. Convencionalmente, cuando se usan fibras de múltiples núcleos, si se necesita analizar la luz que se propaga, se necesita acoplar cada núcleo de la fibra de múltiples núcleos a fibras de un único núcleo individuales. Para ello, se conoce un dispositivo denominado de salida en abanico que es complicado de fabricar y caro, así como difícil de alinear. Cuando se usa el principio anterior para emitir/introducir luz que se propaga en una fibra mediante una pluralidad de porciones de dispersión, no es necesario acoplar fibras individuales a la fibra de múltiples núcleos.

La figura 8 ilustra elementos de un aparato 800 específico que tiene dos ejes de propagación de la luz. En particular, la luz se propaga en un primer núcleo 120 paralelo a un segundo núcleo 125 en la misma guía de ondas. En ambos núcleos, se proporciona una pluralidad de porciones 830 y 835 de dispersión, respectivamente, que enfocan luz en el detector 140. En esencia, se usan dos aparatos 300 ó 600.

La figura 10 ilustra un sistema 1000 de interrogador de múltiples núcleos según otra realización. En esta realización, la guía de ondas óptica comprende al menos dos ejes de propagación de la luz que son sustancialmente paralelos entre sí, por ejemplo al menos dos núcleos de fibra en una fibra de múltiples núcleos. Entonces, la luz de los diferentes ejes de propagación de la luz de los diferentes núcleos puede analizarse núcleo a núcleo emitiendo la luz en un detector largo o varios detectores, tal como se indica en la figura 10.

En más detalle, el sistema 1000 de interrogador de múltiples núcleos comprende un S-LED como fuente de luz y una FBG como sensor en un objeto 1080. Además, comprende cuatro núcleos, concretamente el núcleo 1, núcleo 2, núcleo 3 y núcleo 4. Cada núcleo y su detector asociado y trampa de luz constituye básicamente un aparato 600. Por consiguiente, puede realizarse un sistema de interrogador de múltiples núcleos sin usar un elemento de acoplamiento o componentes optomecánicos adicionales.

Además, los sistemas de interrogador de FBG basada en espectrómetro con frecuencia muestran una deriva de señal dependiente de la temperatura en una fase de calentamiento. Cuando se calienta el espectrómetro, pueden producirse cambios en el trayecto óptico, por ejemplo expansión de la óptica o la red, cambiando las longitudes de onda detectadas. En vez de proporcionar un método de ajuste de la temperatura complicado, puede proporcionarse un espectrómetro de fibra óptica bidireccional, tal como el sistema 900 en la figura 9. Es decir, puede añadirse una red de Bragg convencional a, o incorporarse en, el espectrómetro de fibra óptica. Entonces, esta red de Bragg puede actuar como fuente de luz de referencia para una fácil compensación de la temperatura.

Todavía adicionalmente, usando los efectos de dispersión anteriormente descritos, pueden incorporarse redes de Bragg de reflexión débil y/u homogéneas de diferentes longitudes en una guía de ondas de modo que luz retirada por acoplamiento a partir de la guía de ondas puede leerse directamente por un lector de código de barras convencional, por ejemplo para identificar la guía de ondas. Si la(s) red(es) tiene(n) reflexión débil, casi no hay ningún efecto sobre la señal de sensor. De esta manera, puede realizarse una asociación no ambigua de la fibra, por ejemplo identificando el lugar y la fecha de fabricación.

La figura 11 ilustra una simulación de los efectos de dispersión explicados en las realizaciones anteriores usando ondas esféricas y los principios de óptica geométrica. Según la óptica geométrica, la superposición de ondas esféricas generadas por las porciones de dispersión, indicadas como asteriscos (*) en la figura 11, puede conducir a las interferencias constructivas dependientes de longitudes de onda y direccionales observadas a determinados ángulos con respecto al eje de propagación de la luz (el eje horizontal en la figura 11).

En general, se produce dispersión por difracción a lo largo de la longitud de la red y puede observarse al menos un orden de difracción que tiene un ángulo de difracción particular que puede aproximarse mediante la ecuación de Bragg para la difracción. Por tanto, en una guía de ondas, tal como una fibra óptica, que tiene una simetría cilíndrica, se emite luz en forma de un cono alrededor del eje de propagación de la luz de la fibra como eje de simetría con un ángulo de apertura correspondiente al ángulo de difracción (aproximadamente 80° en la figura 11).

Por ejemplo, las porciones de dispersión que forman una red pueden producirse como las redes de tipo II anteriormente mencionadas, escritas mediante láseres de femtosegundos de alta intensidad, que funcionan por encima del umbral de daño del vidrio. Por ejemplo, puede usarse un láser de femtosegundo para escribir una red punto por punto con energía de pulso de aproximadamente 0,1 |iJ o más y duración de pulso de 500 fs o más corta. Los patrones de dispersión y/o difracción observados en una red de tipo II pueden explicarse de la siguiente manera. Cuando se produce una porción de dispersión de la red con un láser de femtosegundo, esta porción no es homogénea y varias estructuras microscópicas de diferentes tamaños en las porciones de dispersión de la red conducen a diferentes efectos de dispersión y difracción. Por consiguiente, el índice de refracción de una porción de dispersión puede considerarse como un índice de refracción promedio resultante de varios defectos microscópicos diferentes resultantes de los pulsos de láser pulsado que destruyen la estructura homogénea del núcleo de la guía de ondas.

Según otra realización, un método para producir un aparato para aplicaciones ópticas comprende proporcionar una guía de ondas óptica configurada para guiar luz a lo largo de un eje de propagación de la luz y que tiene un primer índice de refracción a lo largo del eje de propagación de la luz y después enfocar pulsos de láser cortos en el eje de propagación de la luz para producir la pluralidad de porciones que tienen un segundo índice de refracción de modo que cada porción tiene un eje largo sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz y un eje corto sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz y al eje largo. Además, el método comprende disponer una unidad de receptor o unidad de transmisor en un lado de la guía de ondas óptica para permitir la recepción o transmisión de luz desde o hasta la pluralidad de porciones en una dirección de dispersión dispuesta en un plano de dispersión principal definido por el eje largo y el eje de propagación de la luz.

Tal como se describió anteriormente, realizaciones y ejemplos de la invención permiten insertar y retirar luz mediante acoplamiento. Por tanto, puede proporcionarse un aparato de acoplamiento de luz sencillo y pequeño. Se apreciará que pueden realizarse diversas modificaciones y variaciones en los aparatos, sistemas y métodos descritos, así como en la construcción de esta invención sin alejarse del alcance de la invención que se define por las reivindicaciones adjuntas.

La invención se ha descrito en relación con realizaciones y ejemplos particulares que se pretende en todos los aspectos que sean ilustrativos en vez de restrictivos.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES

   i.Espectrómetro que comprende un aparato para aplicaciones ópticas, comprendiendo el aparato

   una guía (110, 115, 120) de ondas óptica configurada para guiar luz a lo largo de un eje de propagación de la luz y que tiene un primer índice de refracción a lo largo del eje de propagación de la luz interrumpido por una pluralidad de porciones (330) que tienen un segundo índice de refracción, en el que cada porción tiene un eje (234) largo sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz así como un eje (236) corto sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz y al eje (234) largo; y

   una unidad (340) de receptor dispuesta en un lado de la guía (110, 115, 120) de ondas óptica,

   en el que la unidad (340) de receptor es un detector (340) dispuesto para recibir luz dispersada a partir de la pluralidad de porciones (130, 330, 630, 830) en una dirección de dispersión; el detector (340) comprende elementos de detector dispuestos en una línea para detectar la luz dispersada a partir de la pluralidad de porciones (330) en la dirección de dispersión, en el que las distancias entre las porciones y las dimensiones de las porciones se seleccionan de modo que la luz que entra en la guía de ondas óptica y que se propaga a lo largo del eje de propagación de la luz se dispersa en la pluralidad de porciones de modo que luz de una longitud de onda específica se enfoca en un punto particular del detector (140, 340) en el lado de la guía de ondas óptica, en el que longitudes de onda diferentes se dispersan de manera diferente y tienen direcciones de dispersión diferentes en las que interfieren de manera constructiva de modo que longitudes de onda diferentes se enfocan en elementos de detector diferentes del detector (340).
2. 2. Espectrómetro según la reivindicación 1, teniendo cada porción una forma que se aproxima a un elipsoide (230), en el que el eje (234) largo del elipsoide (230) es más grande que el doble de la longitud de onda de la luz guiada en la guía (110, 115, 120) de ondas óptica y el eje (236) corto del elipsoide (230) es del orden de, o más pequeño que, la longitud de onda de la luz.
3. 3. Espectrómetro según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que la guía (110, 115, 120) de ondas óptica comprende además una red óptica de Bragg a lo largo del eje de propagación de la luz para proporcionar luz difractada.
4. 4. Espectrómetro según una de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además un sensor de red óptica de Bragg acoplado a un orificio de salida de la guía (110, 115, 120) de ondas óptica para recibir luz que se propaga a lo largo del eje de propagación de la luz.
5. 5. Espectrómetro según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la guía (110, 115, 120) de ondas óptica comprende al menos dos ejes de propagación de la luz que son sustancialmente paralelos entre sí.
6. 6. Espectrómetro según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el espectrómetro comprende un segundo aparato dispuesto después del aparato en la dirección del eje de propagación de la luz, en el que el segundo aparato comprende una segunda guía de ondas óptica y una segunda unidad de receptor.
7. 7. Sistema de espectrómetro que tiene un espectrómetro según una de las reivindicaciones 1 a 6 así como una fuente de luz acoplada en la guía (110, 115, 120) de ondas óptica en un orificio de entrada para guiar la luz a lo largo del eje de propagación de la luz.
8. 8. Método para producir un espectrómetro que comprende un aparato para aplicaciones ópticas, que comprende

   proporcionar una guía (110, 115, 120) de ondas óptica configurada para guiar luz a lo largo de un eje de propagación de la luz y que tiene un primer índice de refracción a lo largo del eje de propagación de la luz, enfocar pulsos de láser cortos en el eje de propagación de la luz para producir una pluralidad de porciones (330) que tienen un segundo índice de refracción de modo que cada porción tiene un eje (234) largo sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz y un eje (236) corto sustancialmente perpendicular al eje de propagación de la luz y al eje (234) largo; y

   disponer una unidad (340) de receptor en un lado de la guía (110, 115, 120) de ondas óptica para permitir la recepción de luz a partir de la pluralidad de porciones (330) en una dirección de dispersión, siendo la unidad de receptor un detector (340) que comprende elementos de detector dispuestos en una línea para detectar la luz dispersada a partir de la pluralidad de porciones en la dirección de dispersión, en el que las distancias entre las porciones y las dimensiones de las porciones se seleccionan de modo que la luz que entra en la guía de ondas óptica y que se propaga a lo largo del eje de propagación de la luz se dispersa en la pluralidad de porciones de modo que luz de una longitud de onda específica se enfoca en un punto particular del detector (340) en el lado de la guía de ondas óptica, en el que longitudes de onda diferentes se dispersan de manera diferente y tienen direcciones de dispersión diferentes en las que interfieren de manera constructiva de modo que longitudes de onda diferentes se enfocan en elementos de detector diferentes del detector (340).