FR3052872A1 - Reflecteur optique resonant a multiples couches minces de materiaux dielectriques, capteur optique et dispositif d'amplification laser comportant un tel reflecteur - Google Patents
Reflecteur optique resonant a multiples couches minces de materiaux dielectriques, capteur optique et dispositif d'amplification laser comportant un tel reflecteur Download PDFInfo
- Publication number
- FR3052872A1 FR3052872A1 FR1656159A FR1656159A FR3052872A1 FR 3052872 A1 FR3052872 A1 FR 3052872A1 FR 1656159 A FR1656159 A FR 1656159A FR 1656159 A FR1656159 A FR 1656159A FR 3052872 A1 FR3052872 A1 FR 3052872A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- substrate
- optical reflector
- thin layers
- resonant optical
- successive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 105
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 230000003321 amplification Effects 0.000 title claims description 10
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 title claims description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 87
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 13
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 8
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 3
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N tantalum pentoxide Inorganic materials O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NQKXFODBPINZFK-UHFFFAOYSA-N dioxotantalum Chemical compound O=[Ta]=O NQKXFODBPINZFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 24
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 10
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 3
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 2
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000002730 additional effect Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000001839 endoscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 150000002222 fluorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229940050561 matrix product Drugs 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/08—Mirrors
- G02B5/0816—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers
- G02B5/0825—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers the reflecting layers comprising dielectric materials only
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/021—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or particular reflectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
- G02B27/12—Beam splitting or combining systems operating by refraction only
- G02B27/126—The splitting element being a prism or prismatic array, including systems based on total internal reflection
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/26—Reflecting filters
- G02B5/265—Reflecting filters involving total internal reflection
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
- G02B6/29346—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by wave or beam interference
- G02B6/29361—Interference filters, e.g. multilayer coatings, thin film filters, dichroic splitters or mirrors based on multilayers, WDM filters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/08059—Constructional details of the reflector, e.g. shape
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
- H01S3/0604—Crystal lasers or glass lasers in the form of a plate or disc
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
- H01S3/083—Ring lasers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
Abstract
Ce réflecteur optique résonant (12) comporte un substrat diélectrique (44) et une pluralité (46) de couches minces successives de matériaux diélectriques disposée sur ce substrat (44), entre une première couche mince (48) en contact avec le substrat (44) et une dernière couche mince (50) présentant une face incidente libre (16) destinée à être éclairée. Pour un angle d'incidence (θ0) et une longueur d'onde (λ0) prédéterminés d'éclairage de la face incidente (16) en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant (12) : l'indice de réfraction et l'épaisseur de la première couche mince (48) sont choisis de sorte qu'elle constitue, avec le substrat (44), un nouveau substrat équivalent (52) d'admittance nulle ; et lesdites couches minces successives à partir de la deuxième (54) sont accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d'onde (56).
Description
La présente invention concerne un réflecteur optique résonant.
Un tel réflecteur optique résonant peut être utilisé comme capteur ou dans un dispositif d’amplification laser pour assurer un pompage efficace de micro-source. Il est exploité pour ses propriétés d’exaltation de champ électromagnétique. Le domaine large des capteurs demeure notamment incontournable pour nombre d’enjeux technologiques et sociétaux liés à l’énergie, l’environnement, le vivant ou autres. Les concepteurs dans ce domaine font régulièrement preuve d’une grande inventivité, alliant souvent les principes de la mécanique, de l’électronique, de l’optique, des matériaux et de la chimie pour concevoir et réaliser des capteurs fonctionnalisés extrêmement sensibles à la détection de cibles, par exemple des polluants ou contaminants, dans des milieux divers, notamment des milieux aqueux.
Dans le domaine plus précis des réflecteurs optiques, de nombreux dispositifs apparaissent aujourd’hui avec des composants dont la fonction est de confiner et exalter les champs électromagnétiques dans l’objectif d’accroître leur sensibilité. Ces composants peuvent prendre la forme d’anneaux résonants, de sphères résonantes, de composants à multiples couches minces métalliques et à résonances de plasmons de surface, ou de composants réflecteurs résonants à multiples couches minces de matériaux diélectriques.
Les réflecteurs résonants multicouches sont particuliérement intéressants parce qu’ils peuvent avantageusement être optimisés selon un grand nombre de degrés de liberté tels que le choix des matériaux, des épaisseurs et des alternances. Des techniques de synthèse de tels composants sont connues pour obtenir : - des composants ne contenant que des couches minces de matériaux diélectriques, éliminant ainsi les pertes dissipatives inhérentes à l’utilisation de métaux, - une exaltation décuplée du champ optique, uniquement dépendante de l’inverse des indices imaginaires des matériaux diélectriques employés, ceux-ci pouvant être inférieurs à 10"'*, - une exaltation conçue pour des conditions arbitraires d’illumination, ce qui inclut l’incidence d’éclairement, la polarisation et la longueur d’onde souhaitées, - une exaltation pouvant également être conçue pour des substrats supportant déjà des systèmes multicouches. L'invention s’applique ainsi plus particulièrement à un réflecteur optique résonant comportant un substrat diélectrique et une pluralité de couches minces successives de matériaux diélectriques disposée sur ce substrat, entre une première couche mince en contact avec le substrat et une dernière couche mince présentant une face incidente libre destinée à être éclairée. Sous éclairage incident en régime de réflexion totale, un tel réflecteur optique résonant optimisé réfléchit totalement toutes les longueurs d’ondes lumineuses, mais il existe de surcroît une bande de résonance très étroite dans laquelle l’exaltation électromagnétique est créée. L’article de Lereu et al, intitulé « Scattering losses in multidielectric structures designed for giant optical field enhancement », publié dans Applied Optics, volume 53, n° 4, pages A412 à A416, en février 2014, donne un exemple de tel réflecteur optique résonant optimisé. La bande de résonance qu’il présente est mise en évidence par un minimum de détection et/ou par un saut de phase dans la mesure de la lumière réfléchie. Or tout changement d’indice de réfraction dans un milieu en contact avec ou qui constitue le substrat d’un réflecteur optique de ce type, pouvant par exemple être caractéristique de la présence d’au moins une cible à détecter dans ce milieu, engendre une modification de cette résonance, notamment un décalage. Cette modification de résonance peut alors être mesurée par une variation du faisceau optique réfléchi en intensité, phase, angulaire ou spectrale, ou en polarisation. Les mesures en variation d’intensité, dans lesquelles l’angle d’incidence et la longueur d’onde du faisceau lumineux émis sont invariantes, sont peu exploitées parce qu’elles impliquent l’utilisation d’une résonance qui n’est plus complètement optimisée. En revanche, avec des mesures de décalage de résonance en fonction des caractéristiques spectrales ou angulaires du faisceau lumineux émis, des variations d’indice de réfraction dans le milieu à tester de 10'^ ont pu être détectées. Avec des mesures en phase, des détections de variations de 10® ont pu être atteintes.
Mais bien que l’exaltation électromagnétique obtenue à l’aide de composants réflecteurs résonants multicouches purement diélectriques puisse atteindre des valeurs inaccessibles avec des composants à résonances de plasmons de surface, elle reste limitée. En particulier les structures multicouches connues n’ont pas été optimisées pour avoir la meilleure exaltation en l’absence d’absorption. En effet, la méthode proposée dans l’article de Lereu et al cité précédemment est basée sur la présence d’au moins une couche faiblement absorbante, en complément de la structure multi-diélectrique. Par ailleurs l'exaltation décrite dans cet article est accompagnée d'une absorption totale dans la couche absorbante ou dans l'empilement multicouche, ce qui peut être pénalisant.
Il peut ainsi être souhaité de prévoir un réflecteur optique résonant multicouche qui permette d’accéder à des exaltations électromagnétiques optimisées et donc plus élevées que celles atteintes dans l’état de la technique, ceci sans faire appel à aucune couche absorbante, de sorte que l'absorption soit nulle dans le composant.
Il est donc proposé un réflecteur optique résonant comportant un substrat diélectrique et une pluralité de couches minces successives de matériaux diélectriques disposée sur ce substrat, entre une première couche mince en contact avec le substrat et une dernière couche mince présentant une face incidente libre destinée à être éclairée, dans lequel, pour un angle d’incidence et une longueur d’onde prédéterminés d’éclairage de la face incidente en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant : - l’indice de réfraction et l’épaisseur de la première couche mince sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec le substrat, un nouveau substrat équivalent d’admittance nulle, et - lesdites couches minces successives à partir de la deuxième sont accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde.
Il a en effet été découvert qu’en annulant l’admittance du substrat à l’aide de la première couche mince, ce qui est possible en régime de réflexion totale, et en configurant les autres couches minces en un miroir quart-d’onde accordé à l’angle d’incidence et la longueur d’onde prédéterminés, il est possible d’atteindre des niveaux d’exaltation électromagnétique inégalés sans aucune absorption.
De façon optionnelle, l’annulation de l’admittance du nouveau substrat équivalent est obtenue en assurant la relation suivante :
avec :
où Iq 6st la longueur d’onde prédéterminée d’éclairage, et sont respectivement l’indice de réfraction et l’épaisseur de la première couche mince, est l’angle d’incidence sur la première couche mince, avec Ys l’admittance du substrat, et avec n-p un indice effectif de réfraction de la première couche mince, défini de la façon suivante : l’indice effectif de réfraction ήι d’un milieu i est égal à nicos0j en mode de propagation transverse électrique TE et à ni /cos θι en mode de propagation transverse magnétique TM, étant l’angle d’incidence à une interface du milieu i considéré.
De façon optionnelle également, le substrat diélectrique est lui-méme constitué d’un unique matériau diélectrique d’indice de réfraction rig, l’admittance Yg étant alors égale à l’indice effectif de réfraction correspondant ris de manière à vérifier la relation suivante :
De façon optionnelle également, le substrat diélectrique est lui-méme constitué d’une autre pluralité de couches minces successives de matériaux diélectriques.
De façon optionnelle également, ladite pluralité de couches minces successives comporte au moins dix couches minces successives de matériaux diélectriques alternés pour une épaisseur totale inférieure à dix micromètres.
De façon optionnelle également, ladite pluralité de couches minces successives comporte des couches minces successives alternées de pentoxyde de tantale et de dioxyde de silicium.
De façon optionnelle également, un réflecteur optique résonant selon l’invention peut comporter M pluralités de couches minces successives de matériaux diélectriques disposées sur le substrat, M > 2, chaque pluralité de couches minces successives, notée Pm où 1 < m < M, comportant : - une première couche mince inférieure dont l’indice de réfraction et l’épaisseur sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec chaque autre pluralité de couches minces éventuellement disposée entre elle et le substrat, un nouveau substrat équivalent d’admittance nulle, - plusieurs autres couches minces supérieures accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde, pour un angle d’incidence et une longueur d’onde prédéterminés d’éclairage de la face incidente en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant qui sont propres et spécifiques à cette pluralité Pm de couches minces successives.
Il est également proposé un capteur optique de cibles dans un milieu à tester, comportant : - un réflecteur optique résonant selon l’invention, présentant une face de substrat destinée à être en contact avec le milieu à tester. - une source de lumière disposée de manière à éclairer la face incidente du réflecteur optique résonant à l’aide d’un faisceau lumineux et à obtenir une réflexion totale de ce faisceaux lumineux contre cette face incidente à toutes les longueurs d’ondes lumineuses y compris dans une bande de résonance du réflecteur optique résonant, - un détecteur de lumière réfléchie pour la fourniture d’au moins un signal de mesure, et - une unité de traitement du signal de mesure pour en extraire une information sur la présence d’au moins une cible dans le milieu à tester.
Il est également proposé un dispositif d’amplification laser comportant un réflecteur optique résonant selon l’invention, dans lequel le substrat diélectrique ou l’une des couches minces successives de matériaux diélectriques du réflecteur optique résonant est constitué d’un matériau actif réagissant à l’excitation d’une micro-source laser. L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement la structure générale d’un premier exemple de capteur optique pouvant comporter un réflecteur optique résonant selon l’invention, - la figure 2 représente schématiquement la structure générale d’un deuxième exemple de capteur optique pouvant comporter un réflecteur optique résonant selon l’invention, - la figure 3 illustre à l’aide d’un diagramme les performances en détection du capteur de la figure 2, - la figure 4 représente schématiquement la structure générale d’un réflecteur optique résonant selon un premier mode de réalisation de l’invention, - la figure 5 illustre à l’aide d’un diagramme les performances en exaltation électromagnétique du réflecteur optique résonant de la figure 4, - la figure 6 représente schématiquement la structure générale d’un réflecteur optique résonant selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, - la figure 7 illustre à l’aide d’un diagramme les performances en exaltation électromagnétique du réflecteur optique résonant de la figure 6, et - la figure 8 représente schématiquement la structure générale d’un exemple de dispositif d’émission laser pouvant comporter un réflecteur optique résonant selon l’invention.
Le capteur optique 10 représenté schématiquement sur la figure 1 comporte un réflecteur optique résonant 12 à multiples couches minces successives de matériaux diélectriques. Le réflecteur optique résonant 12 présente notamment une face de substrat 14 destinée à être en contact avec un milieu à tester et une face incidente 16 destinée à être éclairée. Avantageusement, il comporte au moins dix couches minces successives de matériaux diélectriques alternés, par exemple des couches de pentoxyde de tantale et de dioxyde de silicium, pour une épaisseur totale inférieure à dix micromètres. Ces couches minces sont disposées sur un substrat dont l’épaisseur peut être très grande devant celle des couches minces, par exemple de l’ordre du centimètre. En régime de réflexion totale, le réflecteur optique résonant 12 présente une résonance produisant une exaltation électromagnétique en son sein, le champ étant évanescent dans le substrat. En variante et de façon avantageuse, la fonction de substrat est remplie par l’air ou le milieu à tester lui-même, le réflecteur optique résonant 12 n’étant constitué que des couches minces, la face de substrat 14 étant alors la face arrière de la dernière couche mince en contact avec le substrat, c’est-à-dire l’air ou le milieu à tester. Dans ce cas les couches minces peuvent être disposées sur un support situé du côté du milieu incident d’éclairement. Dans ce cas également, l’exaltation électromagnétique se produit sur la face de substrat 14, le champ étant évanescent au-delà.
Le capteur optique 10 comporte en outre un dispositif 18 d’émission/réception de lumière, incluant une source de lumière disposée de manière à éclairer la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12 à l’aide d’un faisceau lumineux 20 et à obtenir une réflexion totale de ce faisceaux lumineux contre cette face incidente 16 à toutes les longueurs d’ondes lumineuses y compris dans la bande de résonance du réflecteur optique résonant 12. Il est nécessaire pour cela que le faisceau lumineux 20 atteigne la face incidente 16 avec un angle d’incidence oblique supérieur à un angle limite de réfraction incident obtenu en assurant un indice de réfraction dans le milieu incident supérieur à un indice de réfraction du substrat ou du milieu à tester. C’est aussi une condition suffisante puisque le régime de réflexion totale est indépendant de l’empilement de couches minces constituant le réflecteur optique résonant 12 : il ne dépend que des indices de réfraction des milieux incident et à tester.
Le dispositif 18 d’émission/réception inclut aussi un détecteur de lumière réfléchie pour la fourniture d’au moins un signal de mesure. Une unité de traitement 22 est couplée avec le détecteur pour extraire du signal de mesure une information sur la présence éventuelle d’au moins une cible dans le milieu à tester.
Le capteur optique 10 comporte en outre avantageusement un guide d’onde incident 24 dont une première extrémité 26 est couplée au dispositif d’émission/réception 18 de façon connue en soi, à l’aide d’un connecteur dédié 28 assurant un bon rendement en transmission, et dont une deuxième extrémité 30 est en contact surfacique avec la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12. Le guide d’onde incident 24 est plus précisément disposé pour conduire le faisceau lumineux 20 de la source lumineuse du dispositif d’émission/réception 18 jusqu’à la face incidente 16. Il permet de conserver, après le couplage de son entrée, une divergence angulaire et une bande spectrale du faisceau lumineux qui restent inférieures à des valeurs prédéterminées souhaitées, par exemple 1 milliradian, ou de préférence une fraction de milliradian, pour la divergence angulaire et 1 nanomètre, ou de préférence quelques picomètres, pour la bande spectrale. En effet, l’insertion de lumière dans un guide d’onde, par exemple dans un guide de type monomode, nécessite des conditions de couplage qui permettent de garantir une faible divergence angulaire et une faible largeur spectrale à l’intérieur du guide. Avec ces valeurs limites, un réflecteur optique résonant d’une quinzaine de couches diélectriques minces, tel que divulgué dans son principe dans l’article de Lereu et al cité précédemment, peut atteindre dans le visible une exaltation électromagnétique de trois décades.
De plus, pour assurer le contact surfacique tout en garantissant une réflexion totale contre le réflecteur optique résonant 12, la deuxième extrémité 30 du guide d’onde incident 24 est inclinée selon un angle suffisant pour que l’angle d’incidence du faisceau lumineux 20 à l’arrivée contre la face incidente 16 soit supérieur à l’angle limite de réfraction incident. Par conservation des angles en rotation de π/2, l’angle d’inclinaison de la deuxième extrémité 30, mesuré à partir d’une section droite du guide d’onde 24, est suffisant lorsqu’il est lui-même supérieur à l’angle limite de réfraction incident, mesuré à partir de la normale à la face incidente 16. Cet angle limite est par exemple de 63 degrés lorsque le cœur conducteur du guide d’onde incident 24 est en silice avec un milieu à tester d’indice de réfraction égal à 1,3 typique d’une solution aqueuse à température ambiante ou d’une solution tampon phosphate salin PBS (de l’anglais « Phosphate Buffered Saline »). On notera que l’angle limite peut être significativement réduit en choisissant un autre matériau que la silice pour le guide d’onde 24. Le domaine technique des capteurs optiques étant moins exigeant que le domaine des télécommunications par transmissions optiques sur ce point compte tenu des distances de transmissions optiques envisagées, il est tout à fait possible de remplacer la silice par un matériau d’indice de réfraction supérieur.
Le guide d’onde incident 24 est par exemple une fibre optique monomode de section circulaire. Dans ce cas, l’inclinaison de sa deuxième extrémité 30 peut être obtenue par clivage et/ou polissage. Il peut aussi être conçu sous la forme d’un guide d’onde plan de section rectangulaire, la propagation de la lumière dans ce type de guide d’onde étant très similaire à celle dans une fibre optique. Dans ce cas, il est obtenu par empilement d’une ou plusieurs couches minces sur un substrat plan : le dépôt de couche(s) mince(s) peut s’effectuer selon de nombreuses technologies, comme l’évaporation, le dépôt assisté par faisceau d’ions, la pulvérisation, le dépôt par vapeur chimique, etc., avec des matériaux comme les oxydes, les nitrures, les fluorures ou autres. Dans ce cas également, l’inclinaison de sa deuxième extrémité 30 peut être obtenue d’un grand nombre de façons connues, telles que le clivage, le polissage, mais aussi par recouvrement du substrat, avant le dépôt de la ou des couches minces, à l’aide d’un cache mécanique orienté pour obtenir l’inclinaison désirée. D’une façon générale, le guide d’onde incident 24 présente une dimension latérale qui peut aller de quelques fois la longueur d’onde moyenne du faisceau lumineux 20 qu’il est destiné à conduire, jusqu’à quelques millimètres ou centimètres, en restant inférieure à cent mille fois cette longueur d’onde. On remarquera toutefois que cette restriction n’est pas nécessaire pour un guide plan. Dans ce dernier cas, la dimension latérale peut effectivement être infinie, et un faisceau laser traversant ce guide plan n’utilisera que la surface dont il a besoin, du même ordre de grandeur que le faisceau incident à l'entrée du guide.
Le fonctionnement du capteur optique de la figure 1 est assuré de la façon suivante. Une partie du faisceau lumineux 20 réfléchi contre la face incidente 30 est retournée par diffusion par le guide d’onde 24 vers le dispositif d’émission/réception 18 et plus précisément vers son détecteur de lumière réfléchie ou rétrodiffusée. L’angle d’incidence étant fixé, on choisit tout d’abord la longueur d’onde donnant lieu à une résonance en l’absence de cible (polluant ou contaminant) dans le milieu à tester, et on étalonne le signal de mesure. Puis, lorsque la présence d’une cible modifie l’indice de réfraction du milieu à tester, la résonance est modifiée, ce qui modifie également le signal de mesure. Cette modification peut être analysée en intensité ou en phase. Le cas échéant, si la source de lumière en entrée de guide d’onde est accordable, plusieurs longueurs d’ondes peuvent être émises jusqu’à retrouver une nouvelle résonance : dans ce cas, c’est le décalage en longueur d’onde de la résonance qui décèle et caractérise la présence de cible. De façon équivalente, si un spectre de raies peut être émis par la source de lumière, il suffit d’en observer la modification spectrale à l’aide d’un spectrophotomètre formant alors le détecteur de lumière réfléchie ou rétrodiffusée.
En variante, plutôt que d’analyser la lumière rétrodiffusée, on peut recueillir la luminescence du milieu à tester, laquelle est exaltée par le fort champ électromagnétique sur la face de substrat 14 lorsque cette dernière est la face arrière de la dernière couche mince du réflecteur optique résonant 12.
Pour limiter les effets de la diffraction, le capteur optique 10 peut être amélioré comme illustré sur la figure 2. Dans ce cas, on mesure la lumière réfléchie contre la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12, pas la lumière rétrodiffusée.
Le capteur optique amélioré 10’ représenté schématiquement sur cette figure comporte les mêmes éléments 12, 22, 24 et 28 que le capteur optique 10, mais s’en distingue par les éléments suivants : - le dispositif 18 d’émission/réception de lumière est remplacé par un dispositif d’émission 18’ n’incluant qu’une source de lumière sans détecteur, - un dispositif de réception 32 incluant un détecteur de lumière réfléchie et indépendant du dispositif d’émission 18’ est ajouté, - l’unité de traitement 22 est couplée avec le détecteur du dispositif de réception 32 pour extraire du signal de mesure qu’il fournit une information sur la présence éventuelle d’au moins une cible dans le milieu à tester, - un guide d’onde supplémentaire 34 est conçu et disposé entre la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12 et le détecteur du dispositif de réception 32 pour conduire une réflexion 36 du faisceau lumineux 20 contre la face incidente 16 vers le détecteur, en maintenant la divergence angulaire et la bande spectrale du faisceau réfléchi 36 inférieures aux valeurs prédéterminées souhaitées, par exemple 1 milliradian, ou de préférence une fraction de milliradian, pour la divergence angulaire et 1 nanomètre, ou de préférence quelques picomètres, pour la bande spectrale.
Plus précisément, le guide d’onde supplémentaire 34 présente une première extrémité 38 couplée au dispositif de réception 32 de façon connue en soi, à l’aide d’un connecteur dédié 40 similaire au connecteur 28, et une deuxième extrémité inclinée 42 en contact surfacique avec la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12. Cette deuxième extrémité 42 est disposée de façon symétrique à la deuxième extrémité 30 du guide d’onde incident 24 par rapport à la normale à la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12, de manière à récupérer complètement la réflexion 36 du faisceau lumineux incident 20 dans le cœur du guide d’onde supplémentaire 34. Le phénomène de diffraction ou de diffusion est ainsi évité. Concrètement, les deux extrémités inclinées 30 et 42 des deux guides d’ondes incident 24 et supplémentaire 34 sont préparées chacune en fabrication, par clivage, polissage ou autre : - selon une première surface plane de contact avec la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12, et - selon une deuxième surface plane de contact entre les deux guides d’ondes 24 et 34, cette deuxième surface plane étant perpendiculaire à la première.
On notera que le positionnement puis le collage éventuel des deux extrémités 30, 42 de guides d’ondes 24, 34 contre la face incidente 16 et entre elles relèvent de techniques bien connues.
Les performances en détection du capteur optique 10’ sont illustrées en figure 3, conformément aux résultats d’un test expérimental qui a été réalisé. Deux fibres optiques monomodes en silice ont été utilisées pour former les guides d’ondes incident 24 et supplémentaire 34 du capteur 10’. Celui-ci a été plongé dans une solution SI d’indice de réfraction égal à 1,3 puis dans une solution S2 d’indice de réfraction égal à 1,301 (présence d’une cible polluante ou contaminante).
La courbe en trait plein montre une résonance du réflecteur optique résonant 12 à une longueur d’onde moyenne λι = 633 nm (plus généralement du domaine du visible ou proche infrarouge par exemple) dans la solution SI, tandis que la courbe en pointillés montre une résonance du réflecteur optique résonant 12 à une longueur d’onde moyenne Kz = 636,8 nm (proche de λι, le décalage étant d’autant plus grand que la résonance est piquée) dans la solution S2. Ces deux longueurs d’ondes sont aisément distinguables, car la sensibilité du capteur optique 10’ permet de déceler une différence Δλ = λ2 - λι de l’ordre du picomètre. Les deux courbes montrent en outre que la bande de résonance du réflecteur optique résonant 12 présente un facteur de qualité très élevé : il peut notamment être de l’ordre de 10'^, voire supérieur ou égal à cette valeur.
Il convient également de remarquer que le capteur optique 10’, tel que réalisé à l’aide de fibres optiques dans le cadre expérimental de la figure 3, peut être aisément miniaturisé et présente une souplesse (due à l’extrême flexibilité adiabatique des fibres optiques) qui permet d’envisager de multiples applications. En particulier, le réflecteur optique résonant 12 en bout de fibres peut être augmenté par un système micro fluidique similaire aux systèmes existants utilisant les plasmons ou bien être plongé directement dans la solution à analyser. Il en résulte qu’un tel capteur optique peut être employé pour accéder à des endroits hostiles sans risques pour un utilisateur, les fibres optiques monomodes permettant des transmissions sur plusieurs dizaines ou centaines de kilomètres. Des applications in vivo, en endoscopie par exemple, peuvent aussi être imaginées.
Il apparaît clairement qu’un capteur optique tel que l’un de ceux décrits précédemment permet d’exploiter de façon optimale les propriétés d’exaltation électromagnétique d’un réflecteur optique résonant en conduisant le faisceau optique incident, voire également le faisceau optique réfléchi ou diffusé, de façon optimale à l’aide d’au moins un guide d’onde à extrémité inclinée. L’usage de fibres optiques pour former les guides d’ondes améliore encore les propriétés d’un tel capteur. En effet, les fibres recouvertes peuvent être fabriquées en grande quantité et à bas coût. Elles peuvent en outre être placées dans une enceinte à vide dans laquelle est fabriqué le réflecteur optique résonant. Il convient en outre de noter que le capteur optique obtenu peut éventuellement être facilement nettoyé après usage en extrémité de fibre optique par injection d’ondes à fréquences ultraviolettes.
On notera par ailleurs qu’il est possible de disposer une grande quantité de guides d’ondes incidents et supplémentaires, sous forme de faisceaux incidents et supplémentaires. On peut par exemple utiliser un faisceau de fibres incidentes recouvertes d’un même revêtement multicouche ou de revêtements différents, ceux-ci pouvant être ajustés pour résonner en fonction de cibles différentes et d'autres longueurs d'ondes. Ces revêtements peuvent être aussi fonctionnalisés pour mieux cibler les milieux à tester. Il est possible d’envisager ainsi jusqu’à près d’un millier de fibres optiques disposées en faisceau incident.
Bien que le réflecteur optique résonant 12 employé dans le capteur puisse être conçu conformément à l’enseignement de l’article de Lereu et al cité précédemment, il peut lui aussi être amélioré comme cela va maintenant être détaillé, conformément à la présente invention, en référence aux figures 4 à 7.
Le réflecteur 12 illustré sur la figure 4 est disposé de telle sorte que sa face de substrat 14 est sa face inférieure et que sa face incidente 16 est sa face supérieure. Il comporte un substrat diélectrique 44, dont la face inférieure est la face de substrat 14, et une pluralité 46 de couches minces successives de matériaux diélectriques disposée sur ce substrat 44, entre une première couche mince 48 en contact avec le substrat 44 et une dernière couche mince 50 dont la face supérieure est la face incidente 16 destinée à être éclairée. La figure 4 n’étant que schématique pour une compréhension claire de l’invention, il convient de noter que les échelles de dimensions relatives des différentes couches ne sont pas respectées. On notera également que le substrat 44 peut être simplement constitué d'air ou d’un milieu à tester comme dans l’exemple des figures 1 et 2. Dans ce cas la face de substrat 14 se confond avec la face de la première couche mince 48 en contact avec le substrat 44.
Conformément à l’invention, pour un angle d’incidence θο et une longueur d’onde Àq prédéterminés d’éclairage de la face incidente 16 en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant 12 : - l’indice de réfraction et l’épaisseur de la première couche mince 48 sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec le substrat 44, un nouveau substrat équivalent 52 d’admittance nulle, et - lesdites couches minces successives à partir de la deuxième, identifiée par la référence 54, sont accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde 56 adapté à l’incidence d’éclairement.
On constate en effet que dans ce cas, de façon surprenante, il est possible d’atteindre des niveaux d’exaltation électromagnétique très élevés au niveau de la première couche mince 48, notamment largement au-delà des trois décades mentionnées précédemment. Le résultat obtenu sur un exemple de réalisation est illustré par la figure 5 et montre une amplification géante de l’ordre du million. Une telle performance peut être atteinte dans l’hypothèse où le composant réflecteur n’est pas lui-même dégradé par cette valeur élevée, et pour des conditions d’illumination idéales avec divergence angulaire et largeur spectrale négligeables (typiquement une fraction de milliradian pour la divergence angulaire, et moins de 50 picomètres pour la largeur spectrale). L’axe des abscisses commun aux deux diagrammes illustrés représente la profondeur en nanomètres dans le réflecteur optique résonant 12 à partir de sa face incidente 16. L’axe des ordonnées du diagramme supérieur représente l’exaltation électromagnétique et celui du diagramme inférieur les variations d’indice de réfraction.
Ce résultat surprenant peut malgré tout être démontré.
En considérant que chaque couche mince de la pluralité 46 est linéaire, isotrope, homogène et amagnétique, les champs électriques E et magnétiques H tangentiels à deux interfaces successives (i-1) et (i) sont reliés par la relation suivante :
où ni et ei sont respectivement l’indice de réfraction et l’épaisseur de la i-ème couche mince en commençant par la couche incidente, θι est l’angle d’incidence à l’interface supérieure de cette i-ème couche mince et ni est l’indice effectif de réfraction égal à ni cos θι en mode de propagation transverse électrique TE et à ni /cos θι en mode de propagation transverse magnétique TM.
Le fait que les couches minces de la pluralité 46, au moins à partir de la deuxième couche 54, soient accordées entre elles de manière à former le miroir quart-d’onde 56 simplifie l’écriture de la matrice Mi en imposant δι = ττ/2, c’est-à-dire ni cos θι βι = Iq/4 :
On peut alors considérer plusieurs structures de couches pour former le réflecteur optique résonant 12 incluant le miroir quart-d’onde 56 accordé à l’angle d’incidence ©t à la longueur d’onde Àq. Une première structure est notée Qi = (LH)^S et comporte : la couche de substrat 44 notée S et N paires de couches successives notées respectivement H et L pour distinguer les couches H d’indice de réfraction le plus élevé et les couches L d’indice de réfraction le plus bas. Par convention dans la suite de la description, la première couche mince 48 porte l’indice P = 2N et est d’indice de réfraction Πρ = n^. Selon les mêmes notations, une deuxième structure possible est notée Q2 = et comporte : la couche de substrat 44 notée S et N paires de couches successives L et H. La première couche mince 48 porte alors l’indice p = 2N et est d’indice de réfraction Up = n^. Une troisième structure possible est notée Ç3 = et comporte : la couche de substrat 44 notée S, N paires de couches successives H et L ainsi qu’une dernière couche H. La première couche mince 48 porte alors l’indice p = 2^V + 1 et est d’indice de réfraction Up = η^. Une quatrième structure possible est notée Q4 = L(//L)^5 et comporte : la couche de substrat 44 notée S, N paires de couches successives L et H ainsi qu’une dernière couche L. La première couche mince 48 porte alors l’indice P = 2Λί + 1 et est d’indice de réfraction Up = n^.
En notant σ = ki sin θί l’invariant de Snell-Descartes avec ki = (2π/λο)Πί, l’accord quart-d’onde des couches minces impose également σ <ki<kif.
Par ailleurs compte tenu de l’écriture simplifiée de la matrice Mi, le produit de matrices de deux couches successives s’écrit :
Ainsi, en notant β = η^Ιηι, on obtient, pour une paire de couches LH :
et pour une paire de couches HL :
Il vient : et
En notant Ys l’admittance du substrat 44, on déduit de toutes les relations précédentes que :
- pour - pour - pour - pour
La valeur d’exaltation électromagnétique est plus précisément donnée par le ratio
avec
i. Conformément aux notations, Iq est l’admittance à l’interface avec le milieu incident.
Il en résulte que Sachant en outre que :
- pour - pour - pour - pour on en déduit les relations d’exaltation magnétique suivantes :
- pour - pour - pour et - pour
On remarque que, si on pouvait annuler l’admittance du substrat on obtiendrait :
- pour - pour - pour , et - pour
Ceci permettrait d’atteindre des niveaux d’exaltation électromagnétique très élevés au niveau du substrat. En particulier, pour les structures Çi et Ç3, ce résultat peut être atteint avec β <1. Pour les structures Q2 et Ç4, ce résultat peut être atteint avec β > 1.
Or la relation de récurrence d’une couche à l’autre pour l’admittance s’écrit :
ce qui s’annule à l’aide de la première couche mince 48 d’indice p en assurant :
soit :
Une telle relation peut être vérifiée lorsque l’admittance est imaginaire pure, ce qui est le cas en réflexion totale interne, c’est-dire lorsque σ > k^, soit <σ < kl < kii pour que l’accord des couches minces en miroir quart-d’onde soit aussi vérifié.
Dans ce cas, l’annulation de l’admittance à l’aide de la première couche mince s’obtient en vérifiant l’équation :
Ce qu’il est possible d’obtenir en choisissant de bonnes valeurs d’indice de réfraction iip et d’épaisseur de la première couche mince 48.
Dans ces conditions, le nouveau substrat équivalent 52 peut présenter une admittance nulle pour les couches supérieures du miroir quart-d’onde 56 et l’on obtient des niveaux d’exaltation électromagnétique tels que mentionnés précédemment et comme illustrée sur la figure 5 au niveau du nouveau substrat équivalent 52.
En mode de propagation TE, β > 1, de sorte que les structures Q2 et Ç4 sont appropriées pour l’obtention d’une exaltation électromagnétique décuplée.
En mode de propagation TM, cela dépend de la position de l’invariant σ par rapport au paramètre
alors β > 1, de sorte que les structures Q2 et Ç4 sont appropriées pour l’obtention d’une exaltation électromagnétique décuplée. Si σ > σ^, alors β <1, de sorte que ce sont les structures et Ç3 qui deviennent appropriées. En outre, plus σ est proche de Oc, plus β tend vers 0 ou l’infini, de sorte que plus l’exaltation électromagnétique résultante est élevée.
Ainsi, les seules structures pouvant convenir en modes de propagations TE et TM sont les structures Q2 et Ç4.
On notera que les résultats démontrés précédemment sont valables quelle que soit la structure de la couche de substrat 44. En particulier, le substrat diélectrique peut lui-méme être constitué d’une pluralité de couches minces successives de matériaux diélectriques. Il peut aussi être constitué d’un unique matériau diélectrique d’indice de réfraction qui peut lui-même être de l’air, ou tout autre fluide gazeux ou liquide. Il peut également s’agir d’un solide. Dans ce cas, l’admittance est égale à l’indice effectif de réfraction de cet unique matériau diélectrique, de sorte que l’annulation de l’admittance du nouveau substrat équivalent 52 est obtenue lorsque la relation suivante est vérifiée :
D’une façon plus générale, un réflecteur optique résonant selon l’invention peut comporter plusieurs pluralités de couches minces successives de matériaux diélectriques telles que la pluralité 46, disposées sur un substrat. Soit M, M > 2, ce nombre de pluralités de couches minces successives. Chaque pluralité de couches minces successives, notée Pm où 1 < m < M, comporte : - une première couche mince inférieure dont l’indice de réfraction et l’épaisseur sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec chaque autre pluralité de couches minces éventuellement disposée entre elle et le substrat, un nouveau substrat équivalent d’admittance nulle, et - plusieurs autres couches minces supérieures accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde, pour un angle d’incidence et une longueur d’onde Àm prédéterminés d’éclairage de la face incidente en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant qui sont propres et spécifiques à cette pluralité Pm de couches minces successives.
Ainsi, il est possible d’obtenir plusieurs couples {Àm, ^m). 1 ^ m < M, pour lesquels des exaltations électromagnétiques sont engendrées à différentes profondeurs du réflecteur optique résonant. Il est en effet particulièrement intéressant de pouvoir optimiser les exaltations électromagnétiques à plusieurs incidences et plusieurs longueurs d’ondes, mais il est également important de pouvoir maîtriser la position de chaque exaltation dans la profondeur de l’empilement de couches minces du réflecteur optique résonant.
Un exemple est illustré sur la figure 6 pour M = 2. Cette figure n’étant que schématique pour une compréhension claire de l’invention, il convient de noter que les échelles de dimensions relatives des différentes couches ne sont pas respectées.
Le réflecteur 12’ de cette figure est disposé de telle sorte que sa face de substrat 14’ est sa face inférieure et que sa face incidente 16’ est sa face supérieure. Il comporte un substrat diélectrique 58, dont la face inférieure est la face de substrat 14’, et une première pluralité Pi de couches minces successives de matériaux diélectriques disposée sur ce substrat 58, entre une première couche mince 60 en contact avec le substrat 58 et une dernière couche mince 62. Il comporte en outre une deuxième pluralité P2 de couches minces successives de matériaux diélectriques disposée sur la première pluralité Pi, entre une première couche mince 64 en contact avec la couche mince 62 et une dernière couche mince 66 dont la face supérieure est la face d’incidence 16’ destinée à être éclairée.
Pour un premier angle d’incidence et une première longueur d’onde prédéterminés d’éclairage de la face incidente 16’ en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant 12’ : - l’indice de réfraction ^ et l’épaisseur βρ ^ de la première couche mince 60 sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec le substrat 58, un nouveau substrat équivalent 68 d’admittance nulle, et - les autres couches minces successives de la pluralité Pi à partir de la deuxième, identifiée par la référence 70, sont accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde 72.
Il est ainsi possible d’atteindre une exaltation électromagnétique très élevée au niveau de la première couche mince 60 de la pluralité Pi.
Pour un deuxième angle d’incidence Θ2 et une deuxième longueur d’onde I2 prédéterminés d’éclairage de la face incidente 16’ en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant 12’ : - l’indice de réfraction Πρ 2 et l’épaisseur βρ 2 de la première couche mince 64 sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec le substrat 58 et la première pluralité Pi, un nouveau substrat équivalent 74 d’admittance nulle, et - les autres couches minces successives de la pluralité P2 à partir de la deuxième, identifiée par la référence 76, sont accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde 78.
Il est ainsi possible d’atteindre une exaltation électromagnétique très élevée au niveau de la première couche mince 64 de la pluralité P2.
Le résultat obtenu sur un exemple de réalisation est illustré par la figure 7 et montre deux amplifications géantes supérieures au million. L’axe des abscisses commun aux deux diagrammes illustrés représente la profondeur en nanométres dans le réflecteur optique résonant 12’ à partir de sa face incidente 16’. L’axe des ordonnées du diagramme supérieur représente l’exaltation électromagnétique et celui du diagramme inférieur les variations d’indice de réfraction.
Il apparaît clairement qu’un réflecteur optique résonant optimisé tel que l’un de ceux décrits précédemment permet d’atteindre des niveaux d’exaltation électromagnétique inégalés sans aucune absorption.
On notera par ailleurs que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. L’exemple des figures 6 et 7 pour M = 2 peut notamment être étendu à M supérieur à 2.
Par ailleurs, bien qu’un réflecteur optique résonant selon l’invention puisse avantageusement être utilisé dans un capteur optique tel que celui de la figure 1 ou 2, il peut être utilisé dans d’autres capteurs optiques, notamment sans guide d’onde incident ou supplémentaire.
Il peut aussi être exploité dans d’autres applications que les capteurs, telles que le pompage des micro-sources par exemple. A titre d’exemple non limitatif, la figure 8 représente schématiquement un dispositif d’émission laser 80 comprenant une micro-source laser 82 pour l’émission d’un premier faisceau laser de première longueur d’onde Aa.
De façon bien connue, selon le principe de pompage, ce premier faisceau laser est reçu par un dispositif d'amplification laser 84 pour être amplifié par un matériau actif et sortir sous la forme d’un deuxième faisceau laser de deuxième longueur d’onde λβ. Le principe du matériau actif est tout d’abord de réagir à l’excitation (i.e. apport d’énergie) par la micro-source laser 82 en émettant une lumière secondaire à spectre plus large, dite luminescence. A l’aide d’un ensemble de miroirs, par exemple quatre miroirs 86, 88, 90, 92 disposés aux quatre angles d’un circuit rectangulaire qui sera suivi par ce deuxième faisceau laser et incluant le dispositif d’amplification laser 84, une cavité est créée dans laquelle le deuxième faisceau circule. L’un (86) des quatre miroirs est semi-réfléchissant pour permettre au faisceau amplifié de sortir du dispositif d’émission laser 80. L'effet laser est alors classiquement obtenu pour la longueur d'onde As, moyennant des propriétés additionnelles concernant une problématique de gain. Ce même dispositif permet aussi d'amplifier toute émission secondaire de lumière, sans pour autant qu'il n'y ait un effet laser.
On notera également que la cavité définie ci-dessus est rudimentaire par unique souci de simplicité dans la description d’un mode de réalisation possible. Mais de façon plus générale, les cavités laser peuvent être externes ou internes, verticales ou latérales, avec deux ou davantage de miroirs, ces derniers pouvant être plans ou courbes, etc. L’amplification d’émission de luminescence ou phosphorescence dans le dispositif d’amplification laser 84 peut avantageusement être décuplée par l’utilisation d’un réflecteur optique résonant tel que l’un des réflecteurs 12 et 12’ décrits précédemment, ou tout autre réflecteur reprenant les principes généraux de l’invention. Il suffit que le matériau actif soit placé là où une exaltation électromagnétique a lieu dans le réflecteur optique résonant, c'est-à-dire en général à proximité immédiate de la couche mince en contact avec le substrat. Le substrat du réflecteur peut ainsi être constitué du matériau actif (cf. réflecteur 12 et figure 5). Il peut aussi s’agir de l’une des couches minces au niveau de laquelle a lieu une exaltation électromagnétique (cf. réflecteur 12’ et figure 7). Bien sûr, les calculs précédents doivent prendre en compte la nature de ce matériau actif. Cette exploitation de la forte exaltation électromagnétique procurée par un réflecteur optique résonant selon l’invention permet d’abaisser le seuil laser des composants actifs.
On notera toutefois que, puisqu’il est nécessaire de se placer en régime de réflexion totale pour obtenir cette exaltation décuplée, et donc sous incidence oblique avec un indice de réfraction dans le milieu incident supérieur à l’indice de réfraction du substrat, on peut aisément garantir cette condition en déposant le réflecteur optique résonant sur un prisme ou sur une demi-sphère d'indice de réfraction élevé. Une autre technique consiste à juxtaposer le prisme sur le réflecteur, à condition d'ajuster la pression mécanique pour minimiser toute présence résiduelle d'air. Dans tous les cas l'incidence d'éclairement, vue dans le milieu incident que constitue le prisme ou la demi-sphère, est oblique.
Il apparaîtra plus généralement à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de renseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Réflecteur optique résonant (12 ; 12’) comportant un substrat diélectrique (44 ; 58) et une pluralité (46 ; Pi, P2) de couches minces successives de matériaux diélectriques disposée sur ce substrat (44 ; 58), entre une première couche mince (48 ; 60) en contact avec le substrat (44 ; 58) et une dernière couche mince (50 ; 66) présentant une face incidente libre (16 ; 16’) destinée à être éclairée, caractérisé en ce que, pour un angle d’incidence (θο; θι, Θ2) et une longueur d’onde (λο; λι, Â2) prédéterminés d’éclairage de la face incidente (16 ; 16’) en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant (12 ; 12’) : l’indice de réfraction et l’épaisseur de la première couche mince (48 ; 60) sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec le substrat (44 ; 58), un nouveau substrat équivalent (52 ; 68) d’admittance nulle, et lesdites couches minces successives à partir de la deuxième (54 ; 70) sont accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde (56 ; 72).
- 2. Réflecteur optique résonant (12; 12’) selon la revendication 1, dans lequel l’annulation de l’admittance du nouveau substrat équivalent (52 ; 68) est obtenue en assurant la relation suivante :avec :où λο est la longueur d’onde prédéterminée d’éclairage, Up et βρ sont respectivement l’indice de réfraction et l’épaisseur de la première couche mince (48 ; 60), θρ est l’angle d’incidence sur la première couche mince (48 ; 60), avec Ys l’admittance du substrat (44 ; 58), et avec fip un indice effectif de réfraction de la première couche mince (48 ; 60), défini de la façon suivante : l’indice effectif de réfraction d’un milieu i est égal à nicos0j en mode de propagation transverse électrique TE et à ni/cos en mode de propagation transverse magnétique TM, étant l’angle d’incidence à une interface du milieu i considéré.
- 3. Réflecteur optique résonant (12 ; 12’) selon la revendication 2, dans lequel le substrat diélectrique (44 ; 58) est lui-même constitué d’un unique matériau diélectrique d’indice de réfraction n^, l’admittance Ys étant alors égale à l’indice effectif de réfraction correspondant de manière à vérifier la relation suivante :
- 4. Réflecteur optique résonant (12 ; 12’) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le substrat diélectrique (44 ; 58) est lui-méme constitué d’une autre pluralité de couches minces successives de matériaux diélectriques.
- 5. Réflecteur optique résonant (12 ; 12’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite pluralité de couches minces successives comporte au moins dix couches minces successives de matériaux diélectriques alternés pour une épaisseur totale inférieure à dix micromètres.
- 6. Réflecteur optique résonant (12 ; 12’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite pluralité (46; Pi, P2) de couches minces successives comporte des couches minces successives alternées de pentoxyde de tantale et de dioxyde de silicium.
- 7. Réflecteur optique résonant (12’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comportant M pluralités (Pi, P2) de couches minces successives de matériaux diélectriques disposées sur le substrat, M > 2, dans lequel chaque pluralité (Pi, P2) de couches minces successives, notée Pm où 1 < m < M, comporte : une première couche mince inférieure (60, 64) dont l’indice de réfraction et l’épaisseur sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec chaque autre pluralité (Pi) de couches minces éventuellement disposée entre elle (Pi, P2) et le substrat (44; 58), un nouveau substrat équivalent (68, 74) d’admittance nulle, plusieurs autres couches minces supérieures accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde (72, 78), pour un angle d’incidence (θι, Θ2) et une longueur d’onde (λι, Â2) prédéterminés d’éclairage de la face incidente (16’) en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant (12’) qui sont propres et spécifiques à cette pluralité (Pi, P2) Pm de couches minces successives.
- 8. Capteur optique (10; 10’) de cibles dans un milieu à tester (SI, S2), comportant : un réflecteur optique résonant (12 ; 12’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, présentant une face de substrat (14 ; 14’) destinée à être en contact avec le milieu à tester. une source de lumière (18 ; 18’) disposée de manière à éclairer la face incidente (16 ; 16’) du réflecteur optique résonant (12 ; 12’) à l’aide d’un faisceau lumineux (20) et à obtenir une réflexion totale de ce faisceaux lumineux contre cette face incidente (16 ; 16’) à toutes les longueurs d’ondes lumineuses y compris dans une bande de résonance du réflecteur optique résonant (12 ; 12’), un détecteur de lumière réfléchie (18; 32) pour la fourniture d’au moins un signal de mesure, et une unité de traitement (22) du signal de mesure pour en extraire une information sur la présence d’au moins une cible dans le milieu à tester (SI, S2).
- 9. Dispositif d’amplification laser (80) comportant un réflecteur optique résonant (12 ; 12’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le substrat diélectrique ou l’une des couches minces successives de matériaux diélectriques du réflecteur optique résonant est constitué d’un matériau actif réagissant à l’excitation d’une micro-source laser (82).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/FR2017/051623 WO2017220919A1 (fr) | 2016-06-20 | 2017-06-20 | Reflecteur optique resonant a multiples couches minces de materiaux dielectriques, capteur optique, dispositif d'amplification laser comportant un tel reflecteur et procedes de fabrication correspondants |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1655744 | 2016-06-20 | ||
| FR1655744A FR3052923A1 (fr) | 2016-06-20 | 2016-06-20 | Reflecteur optique resonant a multiples couches minces de materiaux dielectriques, capteur optique et dispositif d'amplification laser comportant un tel reflecteur |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3052872A1 true FR3052872A1 (fr) | 2017-12-22 |
| FR3052872B1 FR3052872B1 (fr) | 2018-06-15 |
Family
ID=57590571
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1655744A Pending FR3052923A1 (fr) | 2016-06-20 | 2016-06-20 | Reflecteur optique resonant a multiples couches minces de materiaux dielectriques, capteur optique et dispositif d'amplification laser comportant un tel reflecteur |
| FR1656159A Expired - Fee Related FR3052872B1 (fr) | 2016-06-20 | 2016-06-30 | Reflecteur optique resonant a multiples couches minces de materiaux dielectriques, capteur optique et dispositif d'amplification laser comportant un tel reflecteur |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1655744A Pending FR3052923A1 (fr) | 2016-06-20 | 2016-06-20 | Reflecteur optique resonant a multiples couches minces de materiaux dielectriques, capteur optique et dispositif d'amplification laser comportant un tel reflecteur |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (2) | FR3052923A1 (fr) |
| WO (1) | WO2017220919A1 (fr) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108227054B (zh) * | 2018-02-09 | 2024-02-02 | 南京邮电大学 | 一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件 |
| CN111504947A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-08-07 | 桂林电子科技大学 | 基于mim环形格点阵列的表面等离激元折射率传感器 |
| CN116719111B (zh) * | 2023-08-03 | 2023-10-20 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 平面微纳光学模拟计算器件 |
-
2016
- 2016-06-20 FR FR1655744A patent/FR3052923A1/fr active Pending
- 2016-06-30 FR FR1656159A patent/FR3052872B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2017
- 2017-06-20 WO PCT/FR2017/051623 patent/WO2017220919A1/fr active Application Filing
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| AUDE L LEREU ET AL: "Scattering losses in multidielectric structures designed for giant optical field enhancement", APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC; US, vol. 53, no. 4, 1 February 2014 (2014-02-01), pages A412 - A416, XP001587814, ISSN: 0003-6935, [retrieved on 20140128], DOI: 10.1364/AO.53.00A412 * |
| LEREU AUDE L ET AL: "Multi-dielectric stacks as a platform for giant optical field", OPTOMECHATRONIC MICRO/NANO DEVICES AND COMPONENTS III : 8 - 10 OCTOBER 2007, LAUSANNE, SWITZERLAND; [PROCEEDINGS OF SPIE , ISSN 0277-786X], SPIE, BELLINGHAM, WASH, vol. 9162, 12 September 2014 (2014-09-12), pages 916219 - 916219, XP060039070, ISBN: 978-1-62841-730-2, DOI: 10.1117/12.2060824 * |
| NDIAYE C ET AL: "Dielectric structured components for giant field enhancement", OPTICAL MODELLING AND DESIGN II, SPIE, 1000 20TH ST. BELLINGHAM WA 98225-6705 USA, vol. 8429, no. 1, 3 May 2012 (2012-05-03), pages 1 - 7, XP060002218, DOI: 10.1117/12.924637 * |
| NDIAYE C ET AL: "Giant optical field enhancement in multi-dielectric stacks by photon scanning tunneling microscopy", APPLIED PHYSICS LETTERS, A I P PUBLISHING LLC, US, vol. 103, no. 13, 23 September 2013 (2013-09-23), XP012175196, ISSN: 0003-6951, [retrieved on 19010101], DOI: 10.1063/1.4822093 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3052923A1 (fr) | 2017-12-22 |
| WO2017220919A1 (fr) | 2017-12-28 |
| FR3052872B1 (fr) | 2018-06-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0367675B1 (fr) | Dispositif optique intégré pour la mesure d'indice de réfraction d'un fluide | |
| EP0451047B1 (fr) | Composant optique intégré protégé contre l'environnement et son procédé de fabrication | |
| EP0713084B1 (fr) | Micro-système optique de type rosette de jauges de contraintes à guides diélectriques, pour la mesure d'une contrainte longitudinale en structure plane | |
| IL256845A (en) | Resonant periodic structures and methods of using them as filters and sensors | |
| EP3276337B1 (fr) | Dispositif optique à micro-résonateur en anneau segmenté | |
| EP0291366B1 (fr) | Interféromètre de Michelson à fibres optiques et son application notamment à la mesure des températures | |
| FR2613826A1 (fr) | Capteur de deplacement en optique integree | |
| WO2017220919A1 (fr) | Reflecteur optique resonant a multiples couches minces de materiaux dielectriques, capteur optique, dispositif d'amplification laser comportant un tel reflecteur et procedes de fabrication correspondants | |
| EP4016053A1 (fr) | Composant optique pour un dispositif d'imagerie interférométrique | |
| EP3650836B1 (fr) | Dispositif de mesure basé sur une mesure optique dans une cavité opto-mécanique | |
| EP2396644A2 (fr) | Microscope de plasmon de surface a haute resolution comportant un interferometre heterodyne fibre | |
| EP4052073A1 (fr) | Element optique diffractif comprenant une metasurface pour la microscopie tirf | |
| EP3583402B1 (fr) | Detecteur optique de particules et procede de fabrication d'un detecteur de particules | |
| FR2837002A1 (fr) | Element optique utilisant un cristal photonique bidimensionnel et demultiplexeur associe | |
| EP2565623B1 (fr) | Dispositif de mesure optique de materiaux, utilisant un multiplexage de la lumiere | |
| EP3751258B1 (fr) | Dispositif et procédé d'observation d'un échantillon fluorescent | |
| FR3084158A1 (fr) | Methode et dispositif de caracterisation de filtres optiques | |
| EP3899490B1 (fr) | Détecteur optique de particules | |
| EP3364171B1 (fr) | Procede de detection d'une variation locale d'indice de refraction d'un milieu dielectrique situe a la surface d'un capteur optique | |
| FR2739195A1 (fr) | Coupleur optique a bande etroite utilisant l'excitation des modes de galerie d'un element resonateur dielectrique de forme de revolution | |
| FR3052914A1 (fr) | Capteur optique comportant un reflecteur optique resonant a multiples couches minces de materiaux dielectriques | |
| EP0585333A1 (fr) | Dispositif de mesure interferometrique en optique integree. | |
| FR3064375A1 (fr) | Dispositif a capteur optique utilisant une onde optique de surface couplee par un reseau de diffraction | |
| WO2014195655A1 (fr) | Dispositif interferometrique et spectrometre correspondant | |
| EP0542603A1 (fr) | Capteur à fibre optique pour la mesure d'un paramètre, procédé d'évaluation d'un tel paramètre, et application du capteur à la mesure d'un gaz |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20171222 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20210206 |