FR3052913A1 - OPTICAL SENSOR COMPRISING AN OPTICAL REFLECTOR RESONANT TO MULTIPLE THIN LAYERS OF DIELECTRIC MATERIALS - Google Patents
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Abstract
Ce capteur optique (10) comporte : un réflecteur optique résonant multicouche (12) ; une source de lumière (18) éclairant une face incidente (16) du réflecteur (12) à l'aide d'un faisceau lumineux (20) pour obtenir une réflexion totale contre cette face incidente (16) ; un détecteur de lumière réfléchie (18) pour la fourniture d'au moins un signal de mesure ; une unité de traitement (22) du signal de mesure pour en extraire une information sur la présence d'au moins une cible dans un milieu à tester. Il comporte en outre un guide d'onde incident (24), conçu et disposé entre la source de lumière (18) et la face incidente (16) du réflecteur (12) pour conduire le faisceau lumineux (20) selon une divergence angulaire et une bande spectrale inférieures à des valeurs prédéterminées souhaitées, et présentant une extrémité inclinée (30), en contact surfacique avec la face incidente (16) du réflecteur (12), selon un angle d'inclinaison suffisant pour engendrer la réflexion totale.This optical sensor (10) comprises: a multilayer resonant optical reflector (12); a light source (18) illuminating an incident face (16) of the reflector (12) with a light beam (20) to obtain a total reflection against this incident face (16); a reflected light detector (18) for providing at least one measurement signal; a processing unit (22) of the measurement signal for extracting information on the presence of at least one target in a test medium. It further comprises an incident waveguide (24), designed and arranged between the light source (18) and the incident face (16) of the reflector (12) to conduct the light beam (20) at an angular divergence and a spectral band smaller than desired predetermined values, and having an inclined end (30), in surface contact with the incident face (16) of the reflector (12), at an angle of inclination sufficient to generate total reflection.
Description
La présente invention concerne un capteur optique de cibles dans un milieu à tester comportant un réflecteur optique résonant à multiples couches minces de matériaux diélectriques.
Le domaine large des capteurs demeure incontournable pour nombre d’enjeux technologiques et sociétaux liés à la sécurité, 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 capteurs 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 réflecteurs optiques résonants à multiples couches minces de matériaux diélectriques.
Les réflecteurs optiques résonants multicouches sont particulièrement 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 réflecteurs 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, et donc de la sensibilité du capteur, 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 capteur optique de cibles dans un milieu à tester, comportant : - un réflecteur optique résonant à multiples couches minces successives de matériaux diélectriques, le réflecteur optique résonant présentant une face de substrat destinée à être en contact avec le milieu à tester et une face incidente destinée à être éclairée, - 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.
Le réflecteur optique résonant optimisé est au cœur du principe du capteur optique. 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, en donne un exemple performant. La bande de résonance qu’il présente est mise en évidence par un minimum de détection dans la mesure de la lumière réfléchie et/ou par un saut dans la phase du signal mesuré. Or tout changement d’indice de réfraction dans le milieu à tester, caractéristique de la présence d’au moins une cible à détecter, engendre une modification de cette résonance, notamment un décalage. Cette modification de résonance peut 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 réflecteurs optiques résonants multicouches purement diélectriques puisse atteindre des valeurs inaccessibles avec des composants à résonances de plasmons de surface, la robustesse est moindre. De plus, la divergence angulaire et la bande spectrale du faisceau lumineux émis par la source de lumière sont des facteurs limitants particulièrement majeurs.
Il peut ainsi être souhaité de prévoir un capteur optique à réflecteur résonant multicouche qui permette de s’affranchir d’au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
Il est donc proposé un capteur optique de cibles dans un milieu à tester, comportant : - un réflecteur optique résonant à multiples couches minces successives de matériaux diélectriques, le réflecteur optique résonant présentant une face de substrat destinée à être en contact avec le milieu à tester et une face incidente destinée à être éclairée, - 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, comportant en outre un guide d’onde incident : - conçu et disposé entre la source de lumière et la face incidente du réflecteur optique résonant pour conduire le faisceau lumineux selon une divergence angulaire et une bande spectrale inférieures à des valeurs prédéterminées souhaitées, et - présentant une extrémité inclinée, en contact surfacique avec la face incidente du réflecteur optique résonant, selon un angle d’inclinaison suffisant pour engendrer ladite réflexion totale.
Ainsi, l’utilisation d’un guide d’onde, configuré et disposé de manière à assurer la réflexion totale sous condition de laquelle une résonance à exaltation de champ électromagnétique peut être obtenue dans le réflecteur optique résonant, permet de résoudre de façon simple et efficace le problème de la divergence angulaire et de la largeur de bande spectrale du faisceau lumineux incident dans ce type de capteur. Par ailleurs, le fait que le réflecteur optique résonant se retrouve en extrémité de guide d’onde confère au capteur optique des propriétés avantageuses de miniaturisation et flexibilité possibles.
De façon optionnelle, l’angle d’inclinaison suffisant pour engendrer ladite réflexion totale est choisi pour que l’angle d’incidence du faisceau lumineux conduit par le guide d’onde incident contre la face incidente du réflecteur optique résonant soit supérieur à un angle limite de réfraction incident obtenu en assurant un indice de réfraction dans le guide d’onde incident supérieur à un indice de réfraction du milieu à tester.
De façon optionnelle également, la source de lumière et le guide d’onde incident sont conçus et disposés pour engendrer et conduire le faisceau lumineux avec une divergence angulaire inférieure au milliradian, voire à une fraction de milliradian, et une bande spectrale inférieure au nanomètre, voire à quelques picomètres, à son arrivée contre la face incidente du réflecteur optique résonant.
De façon optionnelle également, un capteur optique selon l’invention peut comporter un guide d’onde supplémentaire : - conçu et disposé entre la face incidente du réflecteur optique résonant et le détecteur de lumière réfléchie pour conduire une réflexion du faisceau lumineux contre la face incidente selon la divergence angulaire et la bande spectrale inférieures aux valeurs prédéterminées souhaitées, et - présentant une extrémité inclinée, disposée de façon symétrique à celle du guide d’onde incident par rapport à la normale à la face incidente du réflecteur optique résonant.
De façon optionnelle également, les deux extrémités inclinées des deux guides d’ondes incident et supplémentaire sont préparées en fabrication : - selon une première surface plane de contact avec la face incidente du réflecteur optique résonant, et - selon une deuxième surface plane de contact entre les deux guides d’ondes, cette deuxième surface plane étant perpendiculaire à la première.
De façon optionnelle également, chaque guide d’onde présente au moins une dimension latérale inférieure à cent fois la longueur d’onde moyenne du faisceau lumineux qu’il est destiné à conduire.
De façon optionnelle également, la bande de résonance du réflecteur optique résonant présente un facteur de qualité supérieur ou égal à 10'^.
De façon optionnelle également, chaque guide d’onde est une fibre optique monomode.
De façon optionnelle également, le réflecteur optique résonant comporte au moins dix couches minces successives de matériaux diélectriques alternés pour une épaisseur totale inférieure à dix micromètres.
De façon optionnelle également : - chaque guide d’onde est une fibre optique monomode dont le cœur conducteur du faisceau lumineux est en silice, et - le réflecteur optique résonant comporte des couches minces successives alternées de pentoxyde de tantale et de dioxyde de silicium. 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 capteur optique selon un premier mode de réalisation de l’invention, - la figure 2 représente schématiquement la structure générale d’un capteur optique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, - la figure 3 illustre à l’aide d’un diagramme les performances en détection du capteur optique de la figure 2, - la figure 4 représente schématiquement la structure générale d’un premier exemple de réflecteur optique résonant multicouche pour le capteur optique de la figure 1 ou 2, - 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 deuxième exemple de réflecteur optique résonant multicouche pour le capteur optique de la figure 1 ou 2, et - la figure 7 illustre à l’aide d’un diagramme les performances en exaltation électromagnétique du réflecteur optique résonant de la figure 6.
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 au-delà du substrat.
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 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 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 assure par conception 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. 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 de l’invention 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 fois cette longueur d’onde.
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 le guide d’onde 24 vers le dispositif d’émission/réception 18 et plus précisément vers son détecteur de lumière réfléchie. 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.
Pour limiter les effets de la diffraction, le capteur optique 10 peut être amélioré comme illustré sur la figure 2.
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 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 et 1 nanomètre.
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 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 Â2 = 636,8 nm (proche de λι, le décalage étant d’autant moins 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 = Â2 - 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, 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 que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment.
En particulier, 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 fonctionnalisés. Il est possible d’envisager ainsi jusqu’à près d’un millier de fibres optiques disposées en faisceau incident.
En particulier également, le réflecteur optique résonant 12 employé dans le capteur peut 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, selon un deuxième aspect de 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.
Conformément au deuxième aspect de la présente invention, pour un angle d’incidence ©t une longueur d’onde Aq prédéterminés d’éclairage de la face incidente 16 en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant 12 : - l’indice de réfraction Up et l’épaisseur βρ 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.
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-méme dégradé par cette valeur élevée, et pour des conditions d’illumination idéales avec divergence angulaire et largeur spectrale négligeables. 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 Ui et Si sont respectivement l’indice de réfraction et l’épaisseur de la i-ème couche mince en commençant par la couche incidente, est l’angle d’incidence à l’interface supérieure de cette i-ème couche mince et n; est l’indice effectif de réfraction égal à Ui cos θί en mode de propagation transverse électrique TE et à rij /cosdi 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 Mj en imposant = π/2, c’est-à-dire Πι cos θί βί = Aq/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 st à la longueur d’onde Àq. Une première structure est notée = (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 uh le plus élevé et les couches L d’indice de réfraction ni 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 Up = η^. Selon les mêmes notations, une deuxième structure possible est notée Q2 = (HL)^S 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 = ni. Une troisième structure possible est notée Ç3 = H(LH)^S 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 = 2N + 1 et est d’indice de réfraction Πρ = n^. Une quatrième structure possible est notée Ç4 = L(HL)^S 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 = 2N + 1 et est d’indice de réfraction = n^.
En notant o = kismei l’invariant de Snell-Descartes avec kt = (2π/λο)ϊΐί, l’accord quart-d’onde des couches minces impose également σ < ki < k^.
Par ailleurs compte tenu de l’écriture simplifiée de la matrice Mj, le produit de matrices de deux couches successives s’écrit :
Ainsi, en notant β = η^/τΐι^, on obtient, pour une paire de couches LH :
et pour une paire de couches HL :
Il vient :
En notant Ys l’admittance du substrat 44, on déduit de toutes les relations précédentes que :
- pour - pour - pour , et - pour
La valeur d’exaltation électromagnétique est plus précisément donnée par le ratio
avec
Conformément aux notations, 7ο ®st 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 Y^, on obtiendrait :
- pout - pout - pout , et - pout
Ceci permettrait d’atteindre des niveaux d’exaltation électromagnétique très élevés au niveau du substrat. En particulier, pour les structures Qi et Ç3, ce résultat peut être atteint avec β <1. Pour les structures Q2 et Ç4, ce résultat peut être atteint avec/? > 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 Ys est imaginaire pure, ce qui est le cas en réflexion totale interne, c’est-dire lorsque σ > k^, soit ks < σ < kl < k[i 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
Si σ < σ^., alors β > 1, de sorte que les structures Q2 et Q4 sont appropriées pour l’obtention d’une exaltation électromagnétique décuplée. Si σ > Oc, alors β <1, de sorte que ce sont les structures et Q3 qui deviennent appropriées. En outre, plus σ est proche de σ^., 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 Q4.
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-même 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 n^. 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 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 Πρ ^ 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 02 ©t 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 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.
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 le deuxième aspect de l’invention n’est pas limité 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.
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 l'enseignement 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.
The present invention relates to an optical target sensor in a test medium comprising a resonant optical reflector with multiple thin layers of dielectric materials.
The wide range of sensors remains essential for many technological and societal issues related to safety, the environment, life and others. Designers in this field regularly demonstrate great inventiveness, often combining the principles of mechanics, electronics, optics, materials and chemistry to design and produce functionalized sensors extremely sensitive to detection. targets, for example pollutants or contaminants, in various media, including aqueous media.
In the more specific field of optical sensors, many devices appear today with components whose function is to confine and exalt electromagnetic fields in order to increase their sensitivity. These components may take the form of resonant rings, resonant spheres, thin metal multilayer components and surface plasmon resonances, or resonant optical reflectors with multiple thin layers of dielectric materials.
The multilayer resonant optical reflectors are particularly interesting because they can advantageously be optimized according to a large number of degrees of freedom such as the choice of materials, thicknesses and alternations. Techniques for synthesizing such components are known to obtain: reflectors containing only thin layers of dielectric materials, thus eliminating the dissipative losses inherent in the use of metals, a tenfold increase in the optical field, and therefore the sensitivity of the sensor, only dependent on the inverse of the imaginary indices of the dielectric materials employed, these being able to be less than 10 "'*, - an exaltation designed for arbitrary illumination conditions, which includes the incidence of illumination, the polarization and wavelength desired, - an enhancement that can also be designed for substrates already supporting multilayer systems.The invention thus applies more particularly to an optical target sensor in a test medium, comprising : - a resonant optical reflector with multiple successive thin layers of dielectric materials, the reflector opti resonant having a substrate face intended to be in contact with the medium to be tested and an incident face intended to be illuminated, - a light source arranged to illuminate the incident face of the resonant optical reflector with the aid of a light beam and to obtain a total reflection of this light beam against this incident face at all wavelengths of light including in a resonance band of the resonant optical reflector, - a reflected light detector for the supply of at least one measurement signal, and a measurement signal processing unit for extracting information on the presence of at least one target in the medium to be tested.
The optimized resonant optical reflector is at the heart of the principle of the optical sensor. The article by Lereu et al, entitled "Scattering losses in multidielectric structures designed for giant optical field enhancement", published in Applied Optics, Volume 53, No. 4, pages A412 to A416, in February 2014, provides a powerful example. The resonance band that it presents is evidenced by a minimum of detection in the measurement of the reflected light and / or a jump in the phase of the measured signal. However any change in refractive index in the test medium, characteristic of the presence of at least one target to be detected, causes a change in this resonance, including an offset. This resonance modification can be measured by a variation of the optical beam reflected in intensity, phase, angular or spectral, or in polarization. Measurements in intensity variation, in which the angle of incidence and the wavelength of the emitted light beam are invariant, are little exploited because they imply the use of a resonance which is not completely optimized. On the other hand, with resonance offset measurements as a function of the spectral or angular characteristics of the emitted light beam, variations of refractive index in the test medium of 10 '' could be detected. With phase measurements, detections of 10'® variations could be achieved.
But although the electromagnetic exaltation obtained using dielectric pure multilayer resonant optical reflectors can reach inaccessible values with components of surface plasmon resonances, the robustness is less. In addition, the angular divergence and the spectral band of the light beam emitted by the light source are particularly important limiting factors.
It may thus be desired to provide an optical sensor with a multilayer resonant reflector that makes it possible to overcome at least some of the aforementioned problems and constraints.
It is therefore proposed an optical target sensor in a test medium, comprising: a resonant optical reflector with multiple successive thin layers of dielectric materials, the resonant optical reflector having a substrate face intended to be in contact with the medium to be tested and an incident face intended to be illuminated, a light source arranged to illuminate the incident face of the resonant optical reflector with the aid of a light beam and to obtain a total reflection of this light beam against this incident face. all wavelengths of light including resonant reflector resonant band, - reflected light detector for providing at least one measurement signal, and - measurement signal processing unit for extracting thereof information on the presence of at least one target in the medium to be tested, further comprising an incident waveguide : - designed and arranged between the light source and the incident face of the resonant optical reflector to conduct the light beam at an angular divergence and a spectral band below predetermined values desired, and - having an inclined end, in surface contact with the incident face of the resonant optical reflector, at an angle of inclination sufficient to generate said total reflection.
Thus, the use of a waveguide, configured and arranged to provide total reflection under which an electromagnetic field exaltation resonance can be obtained in the resonant optical reflector, solves in a simple and the problem of the angular divergence and the spectral bandwidth of the incident light beam in this type of sensor. Moreover, the fact that the resonant optical reflector is found at the end of the waveguide gives the optical sensor advantageous properties of miniaturization and flexibility possible.
Optionally, the angle of inclination sufficient to generate said total reflection is chosen so that the angle of incidence of the light beam led by the incident waveguide against the incident face of the resonant optical reflector is greater than an angle. incident refraction limit obtained by ensuring a refractive index in the incident waveguide greater than a refractive index of the medium to be tested.
Also optionally, the light source and the incident waveguide are designed and arranged to generate and conduct the light beam with angular divergence less than milliradian, or even a fraction of milliradian, and a spectral band below one nanometer, even a few picometers, on arrival against the incident face of the resonant optical reflector.
Optionally also, an optical sensor according to the invention may comprise an additional waveguide: - designed and arranged between the incident face of the resonant optical reflector and the reflected light detector for conducting a reflection of the light beam against the incident face according to the angular divergence and the spectral band below the desired predetermined values, and - having an inclined end, arranged symmetrically to that of the incident waveguide relative to the normal to the incident face of the resonant optical reflector.
Also optionally, the two inclined ends of the two incident and additional waveguides are prepared in manufacture: in a first planar surface of contact with the incident face of the resonant optical reflector, and in a second plane contact surface between the two waveguides, this second flat surface being perpendicular to the first.
Optionally also, each waveguide has at least one lateral dimension less than one hundred times the average wavelength of the light beam that it is intended to drive.
Optionally also, the resonance band of the resonant optical reflector has a quality factor greater than or equal to 10%.
Also optionally, each waveguide is a single mode optical fiber.
Optionally also, the resonant optical reflector comprises at least ten successive thin layers of alternating dielectric materials for a total thickness of less than ten micrometers.
Also optionally: each waveguide is a monomode optical fiber whose conducting core of the light beam is made of silica, and the resonant optical reflector comprises alternating successive thin films of tantalum pentoxide and of silicon dioxide. The invention will be better understood with the aid of the description which follows, given solely by way of example and with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 schematically represents the general structure of an optical sensor according to a first embodiment of the invention, - Figure 2 shows schematically the general structure of an optical sensor according to a second embodiment of the invention, - Figure 3 illustrates with a diagram the performance 2 is a schematic representation of the general structure of a first example of a multilayer resonant optical reflector for the optical sensor of FIG. 1 or 2; FIG. FIG. 6 schematically represents the general structure of a second example of a reflector, a diagram showing the electromagnetic exaltation performance of the resonant optical reflector of FIG. Multilayer resonant optical detector for the optical sensor of FIG. 1 or 2, and FIG. 7 illustrates, by means of a diagram, the electromagnetic exaltation performance of the resonant optical reflector of FIG.
The optical sensor 10 shown diagrammatically in FIG. 1 comprises a resonant optical reflector 12 with multiple successive thin layers of dielectric materials. The resonant optical reflector 12 has in particular a substrate face 14 intended to be in contact with a test medium and an incident face 16 intended to be illuminated. Advantageously, it comprises at least ten successive thin layers of alternating dielectric materials, for example layers of tantalum pentoxide and silicon dioxide, for a total thickness of less than ten microns. These thin layers are arranged on a substrate whose thickness can be very large compared with that of thin layers, for example of the order of a centimeter. In total reflection mode, the resonant optical reflector 12 has a resonance producing an electromagnetic exaltation within it, the field being evanescent beyond the substrate.
The optical sensor 10 further comprises a device 18 for transmitting / receiving light, including a light source arranged to illuminate the incident face 16 of the resonant optical reflector 12 with the aid of a light beam 20 and to obtain a total reflection of this light beam against this incident face 16 at all wavelengths of light including in the resonance band of the resonant optical reflector 12. It is necessary for this that the light beam 20 reaches the incident face 16 with a angle of incidence greater than an incident refraction limit angle obtained by ensuring an index of refraction in the incident medium greater than a refractive index of the medium to be tested. This is also a sufficient condition since the total reflection regime is independent of the stack of thin layers constituting the resonant optical reflector 12: it depends only on the refractive indices of the incident and test media.
The transmitting / receiving device 18 also includes a reflected light detector for providing at least one measurement signal. A processing unit 22 is coupled with the detector to extract from the measurement signal information on the possible presence of at least one target in the medium to be tested.
The optical sensor 10 also advantageously comprises an incident waveguide 24, a first end 26 of which is coupled to the transmission / reception device 18 in a manner known per se, with the aid of a dedicated connector 28 ensuring good performance. in transmission, and a second end 30 of which is in surface contact with the incident face 16 of the resonant optical reflector 12. The incident waveguide 24 is more precisely arranged to conduct the light beam 20 of the light source of the transmitting device / reception 18 to the incident face 16. It ensures by design an angular divergence and a spectral band of the light beam which remain below predetermined values desired, for example 1 milliradian, or preferably a fraction of milliradian, for the divergence angular and 1 nanometer, or preferably a few picometers, for the spectral band. With these limit values, a resonant optical reflector of about fifteen thin dielectric layers, as disclosed in principle in the article by Lereu et al cited above, can reach in the visible electromagnetic exaltation of three decades.
In addition, to ensure the surface contact while ensuring total reflection against the resonant optical reflector 12, the second end 30 of the incident waveguide 24 is inclined at an angle sufficient for the angle of incidence of the light beam 20 at the arrival against the incident face 16 is greater than the incident refraction limit angle. By keeping the angles in rotation of π / 2, the angle of inclination of the second end 30, measured from a cross section of the waveguide 24, is sufficient when it is itself greater than incident angle of refraction, measured from the normal to the incident face 16. This limiting angle is for example 63 degrees when the conductive core of the incident waveguide 24 is in silica with a test medium of index of refraction equal to 1.3 typical of an aqueous solution at ambient temperature or of a phosphate buffered saline (PBS) solution (Phosphate Buffered Saline). It will be noted that the limiting angle can be significantly reduced by choosing a material other than silica for the waveguide 24. The technical field of the invention is less demanding than the field of telecommunications by optical transmissions on this point taking into account optical transmission distances envisaged, it is quite possible to replace the silica with a material of higher refractive index.
The incident waveguide 24 is for example a monomode optical fiber of circular section. In this case, the inclination of its second end 30 can be obtained by cleavage and / or polishing. It can also be designed as a plane waveguide of rectangular section, the propagation of light in this type of waveguide being very similar to that in an optical fiber. In this case, it is obtained by stacking one or more thin layers on a plane substrate: the deposition of thin layer (s) can be performed according to many technologies, such as evaporation, assisted deposition by ion beam, sputtering, chemical vapor deposition, etc., with materials such as oxides, nitrides, fluorides or others. In this case also, the inclination of its second end 30 can be obtained in a large number of known ways, such as cleaving, polishing, but also by covering the substrate, before the deposition of the thin layer or layers, using a mechanical cover oriented to obtain the desired inclination. In general, the incident waveguide 24 has a lateral dimension that can range from a few times the average wavelength of the light beam 20 that it is intended to drive, up to a few millimeters or centimeters, remaining less than one hundred times that wavelength.
The operation of the optical sensor of FIG. 1 is ensured in the following manner. A part of the light beam 20 reflected against the incident face 30 is returned by the waveguide 24 to the transmitting / receiving device 18 and more precisely to its reflected light detector. As the angle of incidence is fixed, the wavelength giving rise to a resonance in the absence of a target (pollutant or contaminant) in the medium to be tested is first chosen, and the measurement signal is calibrated. Then, when the presence of a target changes the refractive index of the medium to be tested, the resonance is modified, which also modifies the measurement signal. This change can be analyzed in intensity or phase. If necessary, if the light source at the waveguide input is tunable, several wavelengths can be emitted until finding a new resonance: in this case, it is the wavelength shift of the resonance that detects and characterizes the presence of target. Equivalently, if a spectrum of lines can be emitted by the light source, it suffices to observe the spectral modification using a spectrophotometer then forming the reflected light detector.
To limit the effects of diffraction, the optical sensor 10 can be improved as illustrated in FIG. 2.
The improved optical sensor 10 'shown diagrammatically in this figure has the same elements 12, 22, 24 and 28 as the optical sensor 10, but is distinguished by the following elements: the device 18 for transmitting / receiving light is replaced by a transmitting device 18 'including only a light source without a detector, - a receiving device 32 including a reflected light detector and independent of the transmitting device 18' is added, - the unit processing 22 is coupled with the detector of the receiving device 32 to extract from the measurement signal that it provides information on the possible presence of at least one target in the medium to be tested, - an additional waveguide 34 is designed and arranged between the incident face 16 of the resonant optical reflector 12 and the detector of the receiving device 32 to lead a reflection 36 of the light beam 20 against the incident face 16 towards the d detector, keeping the angular divergence and the spectral band of the reflected beam 36 below the desired predetermined values, for example 1 milliradian and 1 nanometer.
More specifically, the additional waveguide 34 has a first end 38 coupled to the receiving device 32 in a manner known per se, with the aid of a dedicated connector 40 similar to the connector 28, and a second inclined end 42 in contact surface surface with the incident face 16 of the resonant optical reflector 12. This second end 42 is symmetrically disposed at the second end 30 of the incident waveguide 24 relative to the normal to the incident face 16 of the resonant optical reflector 12, in order to completely recover the reflection 36 of the incident light beam 20 in the heart of the additional waveguide 34. The diffraction phenomenon is thus avoided. Specifically, the two inclined ends 30 and 42 of the two incident waveguides 24 and supplementary 34 are each prepared in manufacture, by cleavage, polishing or other: - according to a first flat surface contact with the incident face 16 of the resonant optical reflector 12, and - according to a second flat surface contact between the two waveguides 24 and 34, the second flat surface being perpendicular to the first.
Note that the positioning and possible gluing of the two ends 30, 42 of waveguides 24, 34 against the incident face 16 and between them are well known techniques.
The detection performance of the optical sensor 10 'is illustrated in Figure 3, in accordance with the results of an experimental test that has been performed. Two single-mode silica optical fibers were used to form the incident waveguides 24 and additional 34 of the sensor 10 '. It was immersed in a solution SI of refractive index equal to 1.3 and in a solution S2 of refractive index equal to 1.301 (presence of a polluting or contaminating target).
The solid line curve shows a resonance of the resonant optical reflector 12 at an average wavelength λι = 633 nm (more generally of the visible or near-infrared range for example) in the SI solution, while the dotted curve shows a resonance of the resonant optical reflector 12 at a mean wavelength λ2 = 636.8 nm (close to λι, the offset being smaller as the resonance is piqued) in the solution S2. These two wavelengths are easily distinguishable because the sensitivity of the optical sensor 10 'makes it possible to detect a difference Δλ = λ2 - λι of the order of the picometer. The two curves further show that the resonant optical reflector resonance band 12 has a very high quality factor: it can in particular be of the order of 10 '*, or even greater than or equal to this value.
It should also be noted that the optical sensor 10 ', as realized using optical fibers in the experimental framework of FIG. 3, can be easily miniaturized and has a flexibility (due to the extreme adiabatic flexibility of the optical fibers ) which allows to consider multiple applications. In particular, the resonant optical reflector 12 at the end of the fibers can be increased by a microfluidic system similar to existing systems using the plasmons or be immersed directly in the solution to be analyzed. As a result, such an optical sensor can be used to access hostile locations without risk to a user, single mode optical fibers allowing transmissions over tens or hundreds of kilometers. In vivo applications, for example in endoscopy, can also be imagined.
It clearly appears that an optical sensor such as one of those described above makes it possible to optimally exploit the electromagnetic exaltation properties of a resonant optical reflector by driving the incident optical beam, or even the reflected optical beam, optimally using at least one inclined end waveguide. The use of optical fibers to form the waveguides further enhances the properties of such a sensor. Indeed, the coated fibers can be manufactured in large quantities and at low cost. They can also be placed in a vacuum chamber in which the resonant optical reflector is manufactured. It should also be noted that the obtained optical sensor can optionally be easily cleaned after use at the end of optical fiber by ultraviolet wave injection.
Note also that the invention is not limited to the embodiments described above.
In particular, it is possible to have a large amount of incident and additional waveguides, in the form of incident and additional beams. For example, it is possible to use a bundle of incident fibers covered with the same multilayer coating or with different coatings, which can be functionalized. It is possible to envisage so up to nearly a thousand optical fibers arranged in incident beam.
In particular also, the resonant optical reflector 12 used in the sensor can be designed in accordance with the teaching of the Lereu et al article cited above. It can also be improved as will now be detailed, according to a second aspect of the present invention, with reference to Figures 4 to 7.
The reflector 12 illustrated in FIG. 4 is arranged in such a way that its substrate face 14 is its lower face and that its incident face 16 is its upper face. It comprises a dielectric substrate 44, whose lower face is the substrate face 14, and a plurality 46 of successive thin layers of dielectric materials disposed on this substrate 44, between a first thin layer 48 in contact with the substrate 44 and a last thin layer 50 whose upper face is the incident face 16 to be illuminated. As FIG. 4 is only diagrammatic for a clear understanding of the invention, it should be noted that the scales of relative dimensions of the different layers are not respected.
According to the second aspect of the present invention, for an angle of incidence τ and a predetermined wavelength Aq of illumination of the incident face 16 in the total reflection mode of the resonant optical reflector 12: the refractive index Up and the thickness βρ of the first thin layer 48 are chosen so that it constitutes, with the substrate 44, a new equivalent substrate 52 of zero admittance, and - said successive thin layers from the second, identified by the reference 54, are tuned together to form a quarter-wave mirror 56.
It can be seen that in this case, surprisingly, it is possible to achieve very high levels of electromagnetic exaltation at the level of the first thin layer 48, particularly well beyond the three decades mentioned above. The result obtained on an exemplary embodiment is illustrated in FIG. 5 and shows a giant amplification of the order of one million. Such a performance can be achieved in the event that the reflector component is not itself degraded by this high value, and for ideal illumination conditions with negligible angular divergence and spectral width. The abscissa axis common to the two illustrated diagrams represents the depth in nanometers in the resonant optical reflector 12 from its incident face 16. The ordinate axis of the upper diagram represents the electromagnetic exaltation and that of the lower diagram the variations of 'refractive index.
This surprising result can still be demonstrated.
Considering that each thin layer of the plurality 46 is linear, isotropic, homogeneous and nonmagnetic, the electric fields E and magnetic H tangential to two successive interfaces (i-1) and (i) are connected by the following relation:
where Ui and Si are respectively the refractive index and the thickness of the i-th thin layer starting with the incident layer, is the angle of incidence at the upper interface of this i-th thin layer and n ; is the effective index of refraction equal to Ui cos θί in electric transverse propagation mode TE and to rij / cosdi in TM transverse magnetic propagation mode.
The fact that the thin layers of the plurality 46, at least starting from the second layer 54, are tuned together so as to form the quarter-wave mirror 56 simplifies the writing of the matrix Mj by imposing = π / 2, that is Πι cos θί βί = Aq / 4:
Several layer structures can then be considered to form the resonant optical reflector 12 including the quarter-wave mirror 56 tuned to the angle of incidence st at the wavelength λq. A first structure is denoted by = (LH) ^ S and comprises: the substrate layer 44 denoted by S and N successive layer pairs respectively denoted by H and L to distinguish the H layers of the highest refractive index uh and the L layers. refractive index nor the lowest. By convention in the following description, the first thin layer 48 has the index P = 2N and is refractive index Up = η ^. According to the same notations, a second possible structure is noted Q2 = (HL) ^ S and comprises: the substrate layer 44 denoted by S and N pairs of successive layers L and H. The first thin layer 48 then carries the index p = 2N and has a refractive index = nl. A third possible structure is noted 33 = H (LH) S S and comprises: the substrate layer 44 denoted S, N successive pairs of layers H and L and a final layer H. The first thin layer 48 then carries the index p = 2N + 1 and is of refractive index Πρ = n ^. A fourth possible structure is denoted by C4 = L (HL) ^ S and comprises: the substrate layer 44 denoted by S, N successive layer pairs L and H and a last layer L. The first thin layer 48 then bears the P = 2N + 1 index and is of refractive index = n ^.
By noting o = kismei the Snell-Descartes invariant with kt = (2π / λο) ϊΐί, the quarter-wave agreement of the thin layers also imposes σ <ki <k ^.
Furthermore, given the simplified writing of the matrix Mj, the product of matrices of two successive layers is written:
Thus, by noting β = η ^ / τΐι ^, we obtain, for a pair of LH layers:
and for a pair of HL layers:
He comes :
By noting Ys the admittance of the substrate 44, it is deduced from all the previous relations that:
- for - for - for, and - for
The value of electromagnetic exaltation is more precisely given by the ratio
with
In accordance with the notations, 7o is the admittance at the interface with the incident medium.
It follows that
Knowing further that:
- for - for - for - to deduce the following magnetic exaltation relationships:
- for - for - for, and - for
Note that if we could cancel the admittance of the substrate Y ^, we would obtain:
- pout - pout - pout, and - pout
This would achieve very high levels of electromagnetic exaltation at the substrate. In particular, for the structures Qi and Ç3, this result can be achieved with β <1. For structures Q2 and Ç4, this result can be reached with /? > 1.
Now the relation of recurrence from one layer to another for admittance is written:
which vanishes with the aid of the first thin layer 48 of index p ensuring: either:
Such a relation can be verified when the admittance Ys is pure imaginary, which is the case in total internal reflection, ie when σ> k ^, ie ks <σ <kl <k [i so that the tuning of the quarter-wave thin films is also verified.
In this case, the cancellation of the admittance using the first thin layer is obtained by checking the equation:
What can be achieved by choosing good values of refractive index iip and thickness of the first thin layer 48.
Under these conditions, the new equivalent substrate 52 may exhibit zero admittance for the upper layers of the quarter-wave mirror 56 and electromagnetic exaltation levels as mentioned above and as shown in FIG. new equivalent substrate 52.
In propagation mode TE, β> 1, so that the structures Q2 and C4 are appropriate for obtaining a magnified electromagnetic exaltation.
In TM propagation mode, this depends on the position of the invariant σ with respect to the parameter
If σ <σ ^., then β> 1, so that the structures Q2 and Q4 are suitable for obtaining a magnified electromagnetic exaltation. If σ> Oc, then β <1, so that the structures and Q3 become appropriate. In addition, plus σ is close to σ ^., Plus β tends to 0 or infinity, so that the resulting electromagnetic exaltation is high.
Thus, the only structures that may be suitable for propagation modes TE and TM are the structures Q2 and Q4.
It will be noted that the results demonstrated above are valid whatever the structure of the substrate layer 44. In particular, the dielectric substrate may itself consist of a plurality of successive thin layers of dielectric materials. It can also consist of a single dielectric material of refractive index n ^. In this case, the admittance is equal to the effective refractive index of this single dielectric material, so that the cancellation of the admittance of the new equivalent substrate 52 is obtained when the following relation is verified:
More generally, a resonant optical reflector according to the invention may comprise several pluralities of successive thin layers of dielectric materials such as the plurality 46, arranged on a substrate. Let M, M> 2 be that number of pluralities of successive thin layers. Each plurality of successive thin layers, denoted Pm where 1 <m <M, comprises: - a first lower thin layer whose refractive index and thickness are chosen so that it constitutes, with each other plurality of thin layers possibly disposed between it and the substrate, a new substrate equivalent to zero admittance, and several other upper thin layers tuned together to form a quarter-wave mirror, for a predetermined angle of incidence and wavelength of illumination of the incident face in reflection mode total of the resonant optical reflector which are clean and specific to this plurality Pm of successive thin layers.
Thus, it is possible to obtain several pairs {λm, m m). 1 m <M, for which electromagnetic exaltations are generated at different depths of the resonant optical reflector. It is indeed particularly advantageous to be able to optimize the electromagnetic exaltations at several incidences and several wavelengths, but it is also important to be able to control the position of each exaltation in the depth of the thin film stack of the resonant optical reflector.
An example is illustrated in Figure 6 for M = 2. This figure being only schematic for a clear understanding of the invention, it should be noted that the scales of relative dimensions of the different layers are not respected.
The reflector 12 'of this figure is arranged such that its substrate face 14' is its lower face and its incident face 16 'is its upper face. It comprises a dielectric substrate 58, the lower face of which is the substrate face 14 ', and a first plurality Pi of successive thin layers of dielectric materials disposed on this substrate 58, between a first thin layer 60 in contact with the substrate 58 and a last thin layer 62. It further comprises a second plurality P2 of successive thin layers of dielectric materials disposed on the first plurality Pi, between a first thin layer 64 in contact with the thin layer 62 and a last thin layer 66 whose face upper is the incidence face 16 'intended to be illuminated.
For a first angle of incidence and a first predetermined wavelength of illumination of the incident face 16 'in total reflection regime of the resonant optical reflector 12': - the refractive index Πρ ^ and the thickness βρ ^ of the first thin layer 60 are chosen so that it constitutes, with the substrate 58, a new equivalent substrate 68 of zero admittance, and - the other successive thin layers of the plurality Pi from the second, identified by the reference 70, are tuned together to form a quarter-wave mirror 72.
It is thus possible to achieve a very high electromagnetic exaltation at the first thin layer 60 of the plurality Pi.
For a second angle of incidence 02 and a second predetermined wavelength I2 of illumination of the incident face 16 'in total reflection mode of the resonant optical reflector 12': the refractive index Πρ 2 and the thickness βρ 2 of the first thin layer 64 are chosen so that it constitutes, with the substrate 58 and the first plurality Pi, a new equivalent substrate 74 of zero admittance, and - the other successive thin layers of the plurality P2 to from the second, identified by the reference 76, are tuned together to form a quarter-wave mirror 78.
It is thus possible to achieve a very high electromagnetic exaltation at the first thin layer 64 of the plurality P2.
The result obtained on an exemplary embodiment is illustrated in FIG. 7 and shows two giant amplifications greater than one million. The abscissa axis common to the two illustrated diagrams represents the depth in nanometers in the resonant optical reflector 12 'from its incident face 16'. The y-axis of the upper diagram represents the electromagnetic exaltation and that of the lower diagram the refractive index variations.
It is clear that an optimized resonant optical reflector such as one of those described above achieves unrivaled electromagnetic exaltation levels without any absorption.
Note also that the second aspect of the invention is not limited to the embodiments described above. The example of FIGS. 6 and 7 for M = 2 may in particular be extended to M greater than 2.
It will be apparent more generally to those skilled in the art that various modifications may be made to the embodiments described above, in light of the teaching just disclosed. In the following claims, the terms used are not to be construed as limiting the claims to the embodiments set forth in this specification, but should be interpreted to include all the equivalents that the claims are intended to cover because of their formulation and whose prediction is within the reach of those skilled in the art by applying his general knowledge to the implementation of the teaching that has just been disclosed to him.
Claims (10)
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| FR1656157A FR3052914A1 (en) | 2016-06-20 | 2016-06-30 | OPTICAL SENSOR COMPRISING AN OPTICAL REFLECTOR RESONANT TO MULTIPLE THIN LAYERS OF DIELECTRIC MATERIALS |
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