PT97066A - Sensor interferometrico de fibra optica - Google Patents
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Description
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Α presente invenção refere-se a um sistema sensor de fibra optica para usos biomedicos e
'ÍV outros, Mais particularmente, o presente invento diz respeito a um sistema sensor de fibra optica que utiliza uma comparação de fase de um feixe de luz em relação a outro, com um dos feixes sendo sensitivo a um analito, e o outro feixe sendo usado como referencia. A comparação de fase ê realizada por uma técnica de interferência.
Em sistemas sensores de fibra ópti_ ca convencionais, ê transmitida luz. a um ou mais comprimentos de onda. de uma unidade base optoelectronica para um elemento sensor distai, através dum guia de fibra tfptica. 0 elemento sensor distai está situado dentro dum meio a ser analisado. 0 elemento sensor modula a luz entrante em proporção conhecida cam a presença de um ou mais analitos que estão situados dentro do meio. A luz modulada é então reflectida para a unidade base através da mesma fibra de fibra optica de entrada, ou através de uma ou mais fibras alternativas. 0 nivel de analito ou anami-tos pode ser inferido por avaliação quantitativa da intensidade optica reflectida do sensor para a unidade base, em relação à intensidade optica transmitida para o sensor.
Os sistemas que empregam a avaliação quantitativa da intensidade optica são aqui referidos oomo sistemas sensores de intensidade modulada.
Num sistema sensor de intensidade modulada da técnica anterior, o elemeçto sensor consiste num produto químico reactivo que é disposto mesmo inteiramente dentro de um orifício formado dentro da própria extremidade distai duma fibra optica multimodal. ' E transmitida luz. a um ou mais comprimentos de onda. da extremidade proximal da fibra para a extremidade distai perfurada, onde a luz actua recipro-camente com o produto químico reactivo que pode ser compos to duma material fluorescente ou opticamente atenuativo. A intensidade da emissão fluorescente, ou o grau da atenuação optica dada pelo material atenuativo, é geralmente proporcional â concentração dum determinado analitioo que está em contacto com a extremidade distai da fibra. A intensidade fluorescente, ou o grau de atenuação optica pode ser medida por instrumentos situados na extremidade proximal da fibra.
Um problema associado com sistemas sensores de intensidade modulada convencionais deste tipo é a modulação da luz pode ser afectada por factores distintos da concentração do analito. Se a fibra optica multimodal for flectida durante a transdução. alguma da luz transmitida ao sensor pode ser perdida por conversão de modos guiados dentro da fibra para modos de radiação.
Adicionalmente, alguma da luz que volta do censor pode ser perdida pelo menos/mesmo mecanismo. Esta perda de luz pode ser incorporada e incorrectamen-te interpretada como uma alteração na concentração do analito, porque se estabelece uma correlação entre o nivel do analito e o grau de modulação de luz. De facto, todos os factores que afectam a intensidade absoluta da energia optica que se propaga dentro da fibra podem ser incorrecta mente interpretados pelo sistema como alterações na concentração do analito. Estes factores incluem, mas não estão limitados a. variações na intensidade de iluminação, alterações na transmissão em pontos de ligação da fibra e alterações intrínsecas dentro do sensor, tais como branqueamento optico do material iluminado.
Outro problema associado com alguns sistemas sensores de intensidade modulada é o muito baixo rendimento global de funcionamento, frequentemente menor 10 do que 10 . Este rendimento de funcionamento extrema mente baixo coloca aos sistemas sérios constrangimentos. A fim de manter uma relação sinal-ruído adequada nestas condições adversas, têm de ser usados iluminação de alta intensidade (por ex., laser ou lâmpada de arco voltaico) e detectores de alto rendimento (por ex., válvulas fotomul tiplicadoras). São muitas vezes requeridos dispositivos de selecção de comprimento de onda complexos e dispendiosos a fim de conjugar rapidamente e opticamente a iluminação com o material sensor. Por causa das caracteristicas de energia espectral e rendimento exigidas à fonte de detector, as tentativas de converter os componentes de sistemas sensores de intensidade modulada convencionais em dispositivos opticos de esstado sólido nâo têm sido particularmente bem sucedidas no dominio dos sensores bio-medicos.
Alguns dos problemas associados com alguns sistemas sensores de intensidade modulada podem ser vencidos empregando um guia de onda de fibra optica 6- unimodal que preserva a polarização, para formar um sistema sensor interferométrico tal como é apresentado na Pateii te dos EUA. 4.697.876. Num tal sistema, luz proveniente duma fonte coerente, tal como um laser, é dirigida através dum divisor de feixe que envia metade da luz para uma fibra de referencia e a outra metade para uma fibra senso-ra. A fibra sensora está ligada ao meio que se procura medir, de modo que a fase da luz é modulada por um sinal do meio.
A luz das duas fibras ê então re-combinada por um segundo divisor de feixe e alimentada para um fotodetector que responde somente à amplitude do sinal combinado. 0 sistema é ajustado para gerar um nulo exacto, com qualquer alteração nas condições do meio a ser reflectida num sinal não-nulo. Embora um tal sistema goze de sensibilidade a sinais do meio significati vamente elevada em relação aos sistemas sensores de intensidade modulada, o sistema como um todo, apresenta outros problemas devidos à configuração de Mach-Zehnder do sistema, tais como a necessidade de detectores opticos situados nas extremidades distais das fibras, e a necessidade de al goritmos de processamento de sinal muito cpmplexos para proporcionar a quantificação desejada dos sinais não-nulos E portanto um objectivo da presente invenção proporcionar um sistema sensor de fibra optica que não tenha de contar com a modulação de intensidade para determinar a concentração de um ou mais analitos. -7-
Um outro objectivo da presente invenção é proporcionar um sistema sensor de fibra optica que seja insensitivo a fontes de ruído ambientais e outras. -7- i
Ainda outro objectivo da presente invenção é proporcionar um sistema sensor de fibra optica que tenha um nivel de rendimento substancialmente maior do que os sistemas sensores de fibra optica convencionais.
Ainda um outro objectivo da preseni te invenção é proporcionar um sistema sensor de fibra opti ca que empregue algoritmos de processamento de sinal muito simples para quantificar as alterações medidas.
De acordo com a presente invenção, é proporcionado um aparelho proprio para a detecção de uma alteração na concentração de uma ou mais espécies ou analitos num meio fluido. 0 aparelho compreende uma primeira e uma segunda fibra optica unimodal, apresentando pelo menos a primeira fibra optica uma parte sensora que permite uma modulação de fase de uma onda luminosa guiada que se desloca no interior da fibra, pelo meio que se acha situado em torno da referida parte sensora, via componente evanescente da onda. 0 aparelho também compreende uns meios de introdução que são proprios para introduzir uma luz com caracteristicas conhecidas tanto na primeira como na segunda das fibras opticas. Adicionalmente, são providas uns meios para misturar opticamente a luz emitida das primeira e segunda fibras opticas, de maneira a desenvolver uma zona de interferências que é caracteristica da fase mutua entre a luz das duas fibras opticas. 8-
São proporcionados uns meios de observação que são proprios para observar a zona de interferências de maneira que alterações caracteristicas reproduzíveis no padrão da zona possam ser relacionadas com alterações na concentração do analito. Embora o foco central da presente invenção esteja principalmente na d.etecção "in vivo" e na medição da concentração de uma ou mais especies ou analitos, o aparelho pode também ser usado para detectar efeitos físicos, tais como pressão, temperatura, e esforço, e o uso intensional do aparelho não deverá ser encarado como uma limitação ao âmbito da presente invenção.
Diferentemente dos sistemas sen' sores de intensidade modulada convencionais, um sistema sensor de fibra optica da presente invenção não consta com a modulação de amplitude da onda de luz na fibra optica, quer por um analito, quer por qualquer produto quimico reactivo intermédio. Em vez disso, o presente invento mede a concentração do analtito comparando a fase de dois feixes de luz bem caracterizados, um em relação ao outro. A fibra optica que é portadora de um dos feixes de luz é sensível ao analito, assim como a fontes de ruidò, enquanto a fibra optica portadora do outro feixe de luz é sensível âpenas âs fontes de ruido. 0 nivel do analito pode ser inferi_ do sobrepondo opticamente os dois feixes de luz para obter um padrão de zona de interferências apenas dependente da concentração do analito. -9- 0 contributo de ruído aparece como um sinal de modo comum em ambos os feixes de luz e não afecta a zona de interferências.
A compoaragão de fase é realizada dirigindo o padrão de interferências para um detector, ou conjunto de detectores, e a posiçdo espacial relativa das margens correlacionada com a fase entre os feixes misturados. fornecendo a fase uma indicação do nivel do anali-to, Modulando em fase a onda guiada por intereeção com a componente evanescente da onda. a atenuação optica pode ser reduzida para niveis arbritrariamente baixos.
Utilizando medição da fase de pre ferencia a medição de intensidade a medição do nivel do ana-lito é tornada insensível à perda de energia devida a curvatura de fibra e a outros efeitos de modulação de intensi dade. 0 rendimento global do sietema de acordo com a presente invenção é suficientemente alto para permitir o uso generalizado de componentes de estado solido não dispendioso e fiáveis, 0 método de interferencia proporciona sensitividade a niveis que se aproximam dos limites da tecnologia conhecida.
Isto elimina a necessidade de iluminação de alta potência para o sensor. 0 metdodo de medi ção é insensitivo ao oomprimento de onda. pélo menos â primeira ordem, desde qàe o comprimento de onda selecciona^ do seja não proximo de um pico de absorção do analito- per- mitindo assim que díodos laser indravermelhos sejam utilizados como fontes, e fotosensores com base de germânio ou com base de.silicone sejam utilizados como detectores. Dado que estes tipos de componentes de estado solido são largamente usados em vários industrias, incluindo a industria de telecomunicações, o baixo custo de pronta disponibilidade destes elementos tornam-nos altamente desejáveis para uso em sistemas de presente invenção.
Em interferometros tais como são usados na presente invenção, a fase do feixe de luz na fibra sensora será alterada sempre que o comprimento do caminho optico dessa fibra for alterado. Será entendido que o com primento do caminho optico é o produto de indice de refra£ ção e comprimento do caminho fisico.
Uma alteração quer no indice de refracção quer no comprimento do caminho fisico, cria uma alteração no comprimento do caminho optico. Um sensor interferométrico tem portanto de ser capaz de modulação do comprimento do caminho optico em função do nível do analito. Esta modulação do comprimento do caminho optico pode ser realizada por um sensor que seja sensitivo â extensão fisica de um dos braços da fibra para alterar o comprimento do caminho fisico.
Geralmente, essa extensão fisica é efectuada por alterações de pressão, temperatura, etc. 0 sensor preferido é, contudo, um sensor em que a alteração no comprimento do caminho optico é devida a uma altera ção de indice de refracção dum meio externo. -11- -11-
Uma caracteristicá de sistemas de presente invenção é que a primeira fibra optica compreende uma parte sensora que permite que uma parte evanescente da onda guiada que se desloca no interior da primeira fibra tenha uma interacção com qualquer meio que rodeie esta parte sensora. A componente evanescente da onda lumi nosa experimentará uma alteraçao de velocidade com qualquer alteração no indice de refracção do meio que rodeia a parte sensora. Esta alteração de velocidade é necessariamente expressa como uma alteração de fase da onda luminosa guiada, como um todo, relativamente ao feixe não pertur bado que se desloca na segunda fibra.
Como as alterações de concentração do analito são normalmente acompanhadas por alterações de indice de refracção dentro de certos limites lineares, o sistema é portanto tornado sensitivo ao nivel de analito presente no meio circundante.
Uma vantagem desta caracteristica é que, expondo somente a parte evanescente da onda luminosa guiada ao meio circundante, o feixe de luz permanece preso dentro dos limites da geometria do núcleo da fibra e não tende a espalhar-se para dentro do meio como é o caso que se verifica com geometrias convencionais de radiação longitudinal.
Outra vantagem desta caracteristica é que a profundidade de penetração limitativa da onde evanescente no meio circundante reduz a atenuação optica que está associada com a passagem de luz através de qualquer meio, permitindo assim uma iluminação inicial de menor potência. e - e -
Ainda uma outra vantagem desta caracteristica é que o fluxo de energia diminuído e a pouca profundidade de penetração causam menos degradaçãp optica-mente induzida do meio circundante, um efeito geralmente . atribuído â formação de radicais livres durante o processo de fluorescência e geralmente denominado fotobranqueamento A redução deste coeficiente de fotobranqueamento permite o uso de especies indicadoras de baixa concentração e prolon ga o tempo de duração Otil do produto químico sensor.
Uma vantagem de maior importância do invento e que podem também ser usados produtos químicos analíticos que apresentam mais alterações de absorção do que proporcionam propriamente alterações de fluorescência, dado que as alterações de absorção causam alterações no indice de refracçáo
Os produtos quimicos absorventes são muito mais prevalescentes do que o sao os produtos quimicps fluorescentes, e são deste modo mais facilmente incorporados em projectos de sistemas.
Além disso, a comprimentos de onda associados com picos de absorção no espectro, o indice de refcaçção pode alterar-se violentamente com pequenas alterações em produto quimico na região de dispersão anóma la, 13-
Outra caracteristicasde sistemas da presente invenção é que são propriamente uns meios para introduzir luz de caracter conhecido em ambas as fibras unimodais, principalmente derivando cada feixe da mesmo fonte coerente- por ex., um laser. Uma vantagem desta ca-racteristica é que qualquer alteração de fase não pode ser devida a uma flutuação das fontes de luz e tem de ser devida a uma alteração no meio que circunda a parte senso-ra que pode ser relacionada com uma alteração na concentrá çào do analito
Em realizações preferidas da presente invenção pelo menos uma primeira fibra optica contem um núcleo elíptico e um revestimento rotacionalmente assimétrico Uma caracteristica da estrutura precedente ê que, proporcionando um núcleo elíptico, é preservada a polariza ção da onda guiada dentro da fibra. Uma caracteristica adicional da estrutura precedente é que proporcionando um revestimento rotacionalmente assimétrico, o revestimento pode ser gradualmente removido duma maneira simétrica que vai expor um lado do núcleo enquanto ainda mantém uma parte do revestimento em volta do resto do núcleo, para reter a necessária integridade estrutural da fibra.
Também de acordo com a presente in venção é proporciooado um método de detecçáo de uma altera^ ção na concentração de um analito num meio fluido. 0 meto do inclui as fases do: 14- - submergir uma parte de uma fibra Optica num meio fluido; - introduzir uma luz de caracteristicas conhecidas no interior da fibra optica; e - observar a fase da luz na fibra optica. de modo a de tectar uma alteração de fase devida a uma alteração na concentração do analito num meio fluido.
Assim, a presente invenção proporciona um aparelho e método para determinar a concentração dum analito, utilizando um sistema sensor de fibra optica, que se baseia na comparação de fases para determinar a concentração do analito 0 sistema utiliza a parte de onda evanescente da onda guiada para permitir que a onda guiada seja sensível a alteraçbes do indice de refracçáo no meio externo A onda evanescente tem portanto uma interecção com o meio para produzir uma diferença de fase da onda guiada, a qual é analisada para determinar a concentração do analito,
Objõctivos- caracteristicas e vantagens adicionais da invenção, tornar-se-ão evidentes para oe especializados na técnica, ao examinarem a seguinte descrição detalhada de realizações preferidas que exemplificam o melhQMiiodo de levar a efeito a invenção como actual-mente entendida. 15-
Fig. 1 é uma vista esuematica de um sensor interferometrico de fibra optica de acordo com a presente invenção A Fig.,2 é uma vista muito ampliada duma fibra optica submetida a ataque quimico, com uma onda de luz esquematicamente apresentada em relação â mesma,
Fig 3 e uma vista de peomenor da parte com ataque quimico da fibra mostrada na Fig.2
Fig 4 é uma vista em corte de uma realização para um sensor destinado a uso na presente invenção
Fig 5a é uma vista em perspectiva de uma fibra optica preferida para uso na presente invenção. com a espessa capa separadora ou protectora polimerica não representada.
Fig.5b e uma vista em perspectiva de uma técnica de ataque quimico que pode ser usada para modificar a fibra optica mostrada na Fig,5a.
Fig.5c é uma vista em perspectiva da fibra mostrada na FIG:5a a seguir a um processo de ataque quimico
Fig 6 e uma vista esquemática dum sensor interferometrico de fibra optica de acordo com a presente invenção, empregando múltiplos comprimentos de onda»
Fig.7 é uma vista muito ampliada duma fibra optíca submetida a ataqee químico, com duas ondas de luz esquematicamente apresentadas em relação âs mesma
Fig 8 é uma vista esquemática dum sensor interferométrico de fibra optica de acordo com a presente invenção, empregando múltiplos comprimentcd de onda.
Fig9 é uma vista esquemática dum sensor interferométrico de fibra optica de acordo com a presente invenção, empregando aparelho para isolamento optico de fonte.
Fig 10 é uma vista esquemática dum sensor interferométrico de fibra optica de acordo com a presente invenção empregando outro aparelho para isolamento optico da fonte A fig 11 é uma vista esquemática dum sensor interferométrico de fibra optica de acordo com a presente invenção, empregando ainda outro aparelho para isolamento optico da fonte A Fig.12 é uma vista esquemática dum sistema de fibra optico para desenvolver um campo de interferências do qual pode ser determinada a direcção da alteração de fase
Fig 12b ê uma vista esquemática dum sistema de fibra optica para desenvolver outro campo -17- de interferências do qual pode ser determinada a direcção da alteração de fase.
Fig. 13 é uma vista esquematicamen te dum sensor interferometrico de fibra optica de acordo com a presente invenção, empregando sinais interferometri-cos, não $o Mach-Zehnder, mas também Michelson, para avaH ar. não sô a fonte, mas também o analito, A Fig. 1 ilustra esquematicamente um sistema sensor interferometrico de fibra optico básico í10)de acordo oom a presente invenção. 0 sistema (10) é baseado nos principios dum interferômetro do tipo Michel son^ 0 sistema (10) incluí uma fonte constituída por um díodo emissor de raios Laser (12) que, na realização preferida pode ser um díodo estado solido emissor de raios laiser na banda dos infravermelhos.
Tais díodos laser infravermelhos podem geralmente ser obtidos na industria de telecomunicações sendo vários deles adaptaeeis para uso com o presente sistema (10) Esses díodos laser infravermelhos apresentam geralmente um alto rendimento baixa necessiidade de potência, longa duração, alguea capacidade de sintonização de comprimento de onda. coerência optica. polarízaçao intrínseca alta densidade (intensidade) de brilho, base compacta é baixo custo E praporcionada uma fibra optica unimodal 16.. que recebe a saidada fonte com díodo laser (12). -18-
Esta fibra optica (16) da fonte esta ligada a um ligador de fibra óptica (20), comercialmente disponível, o qual, como será' compreendido pelos especializados na técnica, distribui o feixe de entrada para o interior de duas ou mais fibras de saida. 0 ligador (20) preserva informação de fase e frequenc.ia de feixe de entrada, mas com amplitude reduzida, porque a luz de entrada ê dividida por cada uma das fibras de saida. Na realização ilustrativa, há duas fibras de saida(24)e(26). Especificamente, a fibra 24) é deseignada como fibra sensora e a fibra(26)é deseig-nada como fibra de referencia. Ambas as fibras (24) e (26) são fibras opticas unimodais semelhantes, embora não necessariamente idênticas em construção â primeira fibra optica (16).
Adicionalmente, todas as fibras (16), (24) e (26) são preferivelmente fibras que preservam a polarização, isto é, fibras em que a polarização do feixe laser é preservada. Uma configuração particular para as fibras (16), (24) e (26) para conseguir esta caracteristica preservadora de polarização, será discutida mais adiante relativamente â Fig.5a. A fibra sensora (24) tem um elemento sensor (30) situado na sua extremidade distai. No senM do mais lato, o elemento sensor (30) pode ser algum tipo de meio sensor que fique posicionado adjacente à extremida^ de distai da fibra sensora (24), e que reaja com um anali-to, duma maneira conhecida, para efectuar uma alteração do índice de refracção no meio sensor. Alternativamente, o elemnto sensor (30) pode ser um volume adjacente dum fluido que tenha um índice de refacção que se vá alterar» duma maneira conhecida, & medida que a concentração do ana lito se altere.
Em qualquer dos casos, esta altera çâo do indioe de refracçào no meio sensor ou no elemento sensor <30) pode ser detectada expondo a parte evanescente do feixe de luz ao meio sensor. 0 uso de apenas a parte evanescente da onda e suas caracterixticas será discutido mais adiante na discussão relacionada com as Figs(2 e 3). A fibra de referencia (26) tem um elemento de referencia (32) situada na sua extremidade distai Tanto a fibra de referencia (26) como a fibra sensora (24) sao geralmente termiandas por reflectores de face extrema (nao mostrados), que intermem a direcçao do feixe transportado no interior de cada fibra e passam a dirigir os feixes de volta para o ligador (20) No liga dor (20), os dois feixes de retorno sao misturados ou. mais correctamente sobrepostos um em relação ao outro, de modo que pode ser feitas uma comparação de fases A relação de fases e caracterizada por um campo de interferências gerado pela autocorrelaçào dos dois feixes de retorno. Como os dois feixes de eetor-no estão limitados em fibras unimodais. nao há inclinação relativa entre os dois feixes, e o campo de ínterferâncias gerado apresenta um aspecto mais de "ponto recombinante" do que de "franja paralela".
E incluida uma unidade detectora (36) que é ligada a uma saida do ligador (20) pela fibra optica (34). que não precisa ser preservadora de polarização.
A fibra optica (34) e a unidade de tectora (36) recebem a onda recombinada gerada pela sobreposição dos feixes sensor e de referencia no ligador (20) A amplitude da onda sobrepostas detectada pela unidade detectora (36). a qualquer instante no tempo, representa a fase relativa entre os feixes sensor e de referencia, para um dado ângulo de polarização de cada feixe. Se o comrpimento de caminho optico percorrido por um dos feixes for suavemente alterado de meio comprimento de onda. a fase relativa entre os dois feixes mover se-ã de 0 a 2 radianos. duma maneira sinusoidal Este facto vai causar uma alteraçao na amplitude da onda sobreposta detectada pela unidade detectoraí36) analoga a que seria detectada atravessabdo o campo de franja sinouoidal observado em interferogramas de onda inclinada. 0 período de repetição de meio comprimento de odda é devido à natureza de dupla passagem dos interferOmetros Michelson
Para feixes sensor de referencia completamente coerentes de igual potência a ângulos de polarização idênticos, teria lugar interferencia "perfeita mente" destrutiva e construtiva, com a resultante intensidade da onda sobreposta a mover-se entre 0 e a intensidade de entrada da fonte de/em função da fase Convencional -mente ê usado um coeficiente de visibilidade oomo medida do rendimento ou "grau de perfeição" da sobreposição. -21- 0 coeficiente de visibilidade é a unidade para perfeita interferência construtiva e destrutiva e reduz-se para zero ã medida que o rendimento diminui. Qualquer diminuição no rendimento de sobreposição pode geralmente ser atribuída a ângulos de polarização não-alínha dos., potência desigual, ou desequilíbrio de coerência entre os dois feixes 0 feixe de saida transportado na fibra (34). que representa a sobreposição optica dos feixes sensor e de referencia chega ao detector (36). que desenvolve um sinal electrico de saida (38) proprocional â intensidade optica dO feixe sobreposto de entrada no detector.
Uma alteraçao no comprimento do caminho optico de um dos feixes resulta numa alteração na saida (38) da unidade detectora (36) que também é um sinal de valor que varia sinusoidalmente. reflectindo a relação de fase de meio comprimento de onda do inteVferóme tro Como anteriormente indicado, uma alteraçao de compri mento do caminho optico e experimentada pelo feixe sensor em resultado de qualquer alteraçao no indice de refracção do elemento sensor (30). Assim a aletração no indice de refracçee. e oonsequentemente uma medição do nivel ou presença de um arialito- podem ser obtidas a partir da sãída de sinal (38) 22- 22-
•ν 0 projecto de interferdmetro Michel-son ilustrado na Fig. 1, tem vantagens sobre ou1*os tipos de interferómetros. Primeira, o facto de ter reflectores de face extrema, que invertem o sentido de propagação do feixe e passam a dirigi-lo de volta para a fonte, permite que as extremidades da fibra estejam situadas numa tina de analito enquanto a unidade base optoelectrõnica (por exemplo o díodo laser 12 e do detector 36) pode localizar-se num lugar afastado Esta disposição esta em contraste com uma oonfiguraçào Mach-Zehnder. em que os detectores op-ticos têm de ficar situados nes extremidades distais das fibras Segunda pelo facto de no interferdmetro tipo Michelson a luz atravesssar duas vezes o mesmo comprimento de fibra, o caminho optico torna-se duplamente sensível a perturbações comparando com o projecto de um so caminho do interferdmetro Mach-Zehnder Terceira- todo o comprimento de fibra ebtre o ligador 20 e o elemento sensor 30 ou o elemento de referencia 32 respectivamente. e ou pode ser tornado interferometricamente sensitivo permitindo que tipos de sensores de bobina enrolada apresentem sensitivi-dade melhorada em comparação com cavidades curtas Fabry--Perot de passagem múltipla de concepção alternativa Quarta o padrão de interferências gerado oor uma configuração Michelson e uma sinusoide bem caracterizada
Outros tipos de configuração de interferómetros dáo como resultado padrões mais complexos, que requerem a utilização de algoritmos de processamento de sinal mais complexos para proporeionar a medição deseja da
Como anteriormente indicado, ê possível construir um sensor para uso na presente invenção no qual uma alteração de comprimento do caminho óptico é efectuada por uita alteração de comprimento do caminho físico, Por exemplo, se um enzima ê unido á fibra num braço dam interferômetro de fibra optica e se se o permite que o enzima converta substrato em produto, a reacção geralmente exotermica causará uma elevaçao da tepperatura local.. Este aumento de temperatura dara origem a que a fibra se expanda, efectuando desse modo uma alteração de comprimento do caminho físico
Isto sacede. por exemplo, com a Λ oxidação de glicose livre ou natural para peroxido de hidrogénio e acido glicõnico em presença de oxidase de glicose ligada à fibra Contudo, como se pode compreender da discussão anterior um sensor interferométrico que conta unicamente com alteraçao de comprimento do caminho físico está limotado a detectar alterações em propriedades físicas tais como pressão, temperatura e esforço de flexão ou tracçao
Um sensor baseado na modulação do Índice de refracçao nao esta limitado a alterações circundante, mas pode também ser aplicado a medição da concentra çao de uma especies química ou analito Assim pode ser medida qualquer alteraçao no nível de analito que resulte numa alteração no índice de refracçao dum meio sensor
Um projecto particularmente vantajoso é um sensor *anterferometr ico baseado na modulação do indice de refracçao utilizando a parte evanescente da onda de luz guiada. E sabido que a parte evanescente duma onda guiada unimodal consiste numa onda em propagação que se estende além do limite núcleo/revestimento para o interior de um meio menos denso propagandoáe como uma onda móvel na direcção longitudinal da fibra óptica. A parte evanescente tem uma amplitude de campo electrico de função Bessel-K ou Mathieu, que se aproxima assimptoticamente de zero dentro de um ou dois comprimentos de onda na direc ção transversal. Isto estâ em contraste com os campos evanescentes discretizados associados com guias de onda multimodâis de indice escalonado da técnica anterior, em que a densidade evanescente baixa exponencialmente no meio menos denso, a cada reflexo de revestimento e, com excepção da pequena deslocação finita de Goos-Hanchen, não se propaga como uma onda móvel na direcção longitudinal. 0 acesso à onda evanescente pode ser conseguido sem entrada no núcleo da fibra optica. A Fig. 2 ilustra uma secção de uma fibra óptica unimodal (44), que inclui um revestimento exterior (46) e um núcleo interio r (48). E ilustrada uma zona^ (50) submetida a ataque quimico, onde uma maior parte do revestimento (46) foi removida por ataque quimico para deixar apenas uma pequena camada de revestimento rodeando o núcleo (48).
Uma frente de onda simples 52 duma onda de luz ê esquemati camente mostrada para ilustrar a distribuição, através do diâmetro da fibra, da energia óptica que é transmitida pela fibra (44). A Fig. 3 ilustra com maior detalhe uma parte da zona (50) atacada quimicamente, que é mostrada na Fig. 2. Especificamente, a Fig. 3 de modo esquemático ilustra a distribuição de energia optica dentro da onda de -25- luz (52). A parte de energia fora do núcleo (48) é definida como o campo evanescente, estã identificada pelo numero (58). 0 campo guiado (60) é a parte da onda de luz contida dentro do núcleo (48). E geralmente entendido que cerca de 30¾ de uma energia optica que passa numa fibra optica unimodal está presente no campo evanescente (58), enquanto cerca de 70¾ da energia optica está contida no campo guiado (60), dependendo do desenvolvimento de um modo guiado estável, abertura numérica da fibra, comprimento de onda de corte, e parâmetro V. A profundidade de penetração de campo evanescente pode ser controlada por um certo numero de factores incluindo comprimento de onda, indice de refracção externo, revestimentos de reflectrância selecti-va, potência de fonte, etc.
Como se pode ver nas figuras 2 e 3 para ter acesso â parte de onda evanescente da onda de luz dentro da fibra 44, a fibra (44) tem de ser submetida a ataque quimico, ou para expor o proprio núcleo, ou submeti_ da a ataque quimico até um ponto em que a maior parte do revestimento tenha sido removida, de tal modo que a onda evanescente se estende através do revestimento restante e fica portanto acessível. Com acesso â parte evanescente (58), alterações de indice de refracção no meio circundante podem afectar a parte de onda evanescente (58) da onda de luz (52). Com uma alteração de indice de refracção no meio circundante assim a resultar numa alteração de comprimento do caminho ôptico para a parte evanescente da 'onda, toda a onda de luz (52) dentro da fibra (44) é afectada, criando assim uma diferença de fase que pode ser medida pelo sistema 10 ilustrado na Fig. 1. -26-
Dado que o indice de refrãcção tem um efeito intrínseco sobre o comprimento de caminho 0ptico aquele e mais sensitivo e por isso mensurável com maior fiabilidade pelo sistema (10) do que efeitos indirectos ou extrínsecos, tais como a expansão térmica discutida anteri-ormente com respeito ao sensor de oxidades de glicose, A Fig 4 ilustra uma configuração típica de sensor intrínseco que pode ser utilizada no sistema 10 ilustrado na Fig 1 Especificamente. a Fig,4 ilustra um sensor de pressão (84) que como se compreenderá representa o elemento sensor (30) da Fig.1 0 sensor de pressão (84) inclui um elemento sensor (88) que está munido a uma parte terminal (86) da fibra (24), Como se pode ver na Fig 4 uma parte importante do revestimento (90) em volta da parte terminal (86) da fibra foi retirada por ataque quimico ou outro meio e o elemento sensor (88) foi colocado na area de onde o revestimento (90) foi retira do Compreender-se-a que uma parte suficiente do revestimento (90) foi retirada para expor a componente de onda evanescente da onda guiada transportada pela fibra (24)
Na realização ilustrativa, um elemnto fotoelastico (96) foi colocado em redor da area atacada para formar o elemen to sensor (88) Um refiector (98) esta posicionado na extremidade do núcleo (92) para reflectir o feixe de luz de volta para o ligador (20)
Está eplicada uma pánta de enchimento (100) para dar integridade estruturak ao sensor de pressão (84), proteger o refiector (98) e proporcionar uma secção transversal suavemente variável para ojbtimizacáo de parâmetros de fluxo hemodinâmico 27- A titulo ilustrativo, o elemento fotoelástico (96) composto. por exemplo, dé um material tal como fosfato de glaio (GaP), experimenta uma alteração de constante de propagação ao ser exposto a pressaò. A pajr te evanescente ds onda transportada pela fibra (24) penetra no elemento fotoelástico (96). onde é sujeita â constante de propagação intrínseca do material Na ausência de uma pressão aplicada o índice de refraccao efectivo da parte sensora (30) e determinado pelas contribuições integradas do indice do núcleo (92). indice de revestimento residual (90) e indice do elemento fotoelástico circundante (96) A onda sensora que se desloca na Fibra (24) assume, portanto, uma fase estacionária relativamente à onda de referencia que se desloca na fibra (26) Ao ser aplicada uma presão ao sensor a constante fotoelastica do material sensor é modulada de um avlro proporcional â grandeza e direccão da pressão aplicada 0 indice de refraccão intergado através do qual passa a onda sensora ê portanto alterado, produzin do uma correspondentes alteração na -fase relativa entre as ondas sensora e de referencia A alteração na relação de fases pode ser detectada na unidade 36 apos a mistura das duas ondas no ligador (20)- como anteriormente discutido, e a alteração de fase cor^e1acionada com a presao aplicada. 0 elemento (96) pode também ser seleccionado para ser permeável a gases, a um ou mais gases de interesse, tais como dioxido de carbono Num mpolimero tal como poliacrilamida, o indice de refracçao de massa pode tornar-se função de concentração ou pressão parcial de gás.
Membranas permeáveis a ioes ou membranas semi-permeáveis a espécies seleccionadas podem ser
juntas ao elemento sensor (96) Revestimentos completamente impermeáveis por ex metais são preferidos no caso dum sensor de temperatura em que o elemento (96) consistiria num composto séieccionado para alta variação de indice de refracçào com temperatura aplicada Especificamente o elemento poderia consistir num ou mais solventes òrgarícos tais como diclorometano. tricloroetileno ou tetrahídrofu-rano os quais possuem todos coeficientes indice de refra£ çáo/temperatura razoavelmente elevados
Sao conhecidas varias outras reac-çôes químicas e bioquímicas que causam alteração no indice de refracçao de massa de materais que podem ser usados na presente invenção Em geral, o comprimento de onda da luz usada em relação a qualquer desses sensores pode ser seleccionado para se situar nas regiões espectrais de dispersão normal ou anómala, mas não deve ser postos exac-tamente em correspondência com picos de absorvência- dado que o coeficiente de dispersão anõmaia experimenta pouca aietraçao com o coeficiente de absorçao a este comprimento de onda 0 oomprimento de onda de operaçao preferível situa--se no grau de alteração máximo de adsorvência química com 0 comprimento de onda que geralirente ooorre entre cerca de 1 a 25 manómetros para cada lado dum pico de absorvência espectral
Um problema associado com o ataque quimico a uma fibra como ilustrado na Figs 2-4 é que. quando o revestimento (46) e removido por ateque quimico para revelar o núcleo (48) a fibra perde substancialmente toda a sua resistência e fica quebradiça com facilidade. -29-
Compreender-se-â que o núcleo (48) é extremamente pequeno em diâmetro, e quase não tem resistência quando sem apoio. Assim, o atque suimico como ilustrado na Fig. 2 é geralmente, indesejável, particularmente no caso em que a fibra atacada (44) tenha de ser usada dentro dum corpo humano para medir o nivel dum componente fludio do corpo, etc., Um modo de obter acesso à parte evanescente da onda que se desloca dentro duma fibra é começar aom uma fibra em forma de D, como ilustrada na Fig. 5a.
Especificamente, a Fig.5a ilustra uma fibra (64) em forma de D, que inclui uma camada de revestimento (66) e um núcleo (68) de forma elíptica. A fibra (64) tem um lado plano (70) que está mais proximo do núcleo (68) do que o lado curvo (72) oposto. Pelo facto de estar presente menos material de revestimento (66) entre o núcleo (68) e o lado plano (70), o ataque químico da fibra (64) num banho de ataque quimico, tal como um banho de ataque quimico de acido fluorídrico, resulta numa exposição assimétrica do núcleo. A parte plana (70) é atacada até ao núcleo (68), de modo a permitir expor uma parte da parte evanescente da onda guiada, enquanto o resto da fibra não é significativamente enfraquecido neste processo de ataque quimico.
Uma fibra em forma de D pode ser obtida da Andrew Corporation, orland Park, Illinois, EUA, fibra essa que é adequada para esta aplicação.
A Fig.5b ilustra o processo de ataque quimieo e, especificamente, ilustra uma solução de ataque quimieo (74) contida num recipiente não-cerâmico (76). A titulo ilustrativo, a solução de ataque (74) é uma solução de ácido fluoridrico a 10%-40%. para realizar o ataque quimieo, um troço de fibra em forma de D 64 é imerso na solução de ataque quimieo (74) por um período de tempo que pode. ser entre cerca de (5) e (45) minutos, dependendo da concentração do acido, temperatura, etc., este período de tempo é ditado pelo tempo necessário para remover por ataque quimieo o revestimento (66) do lado plano (70) da fibra (64) pelo e até ficar exposta uma parte suficiente de núcleo (68), ou pelo menos até o revestimento (66) ser removido até que se possa ter acesso â parte evanescente desejada da onda guiada.
Um método para determinar a quantidade de tempo apropriada para manter a fibra (64) na solução de ataque quimieo (74) é usar o sistema sensor interfero métrico (10) ilustrado na Fig. 1 como anteriormente descrito. Assim, se a fibra (64), a ser submetida a ataque quimieo, for utilizada como a fibra sensora (24) da Fig.1, antes da onda evanescente ser exposta, os feixes de luz em ambas as fibras (24) e (26) estarão numa relação de fases fixa. Logo que a parte da onda evanescente é exposta pelo processo de ataque quimieo a relação de fases sofrerá alteração. -31-
Esta alteração nâ relação de fases será caisada pelo facto da parte da onde evanescente ser exposta a- e ser afectada por uma alteração do indice de refracçao criada pela solução de ataque quimico (74). Deste modo logo que a atteraçao de relacao de fases e identificada. pode-se cetirar a fibra (64) da solução de ataque químico (74) e parart o processo de ataque químico, por imersão pum alcali diluido ta) como bicarbonato de sedio aquoso seguido por agua destilada 0 processo de ataque quimico pode desta maneira ser levado a qualquer profundidade arbitrária assegurando que a parte requerida da onda evanescente tenha sido exposta A Fig 5c ilustra uma fibra atacada (78) que to! submetida a ataque químico de acordo com o procedimento acima descrito Embora a Fig 5c mostre que o núcleo (68) foi exposto compreender-se-â que uma pequena parte do revestimento (66) pode ficar sobre o núcleo (68) e ainda ter acessível a parte de onda evanescente
Um sensor de um tipo anteriormente discutido com respeito a Fig 4. pode ser junto a fibra em forma de D atacada Aiternativamente. apõs inclusão de um reflector Í98) a fibra em forma, de D atacada pode simplesmente ser mergâlhada num meio ambiente de interesse que se espere venha a sofrer alterações no indice de refraeção de mâasa. com o resultado de que as alterações podem ser detectadas directamente pela parte evanescente exposta da onda guiada 2-
Embora as realizações acima descritas se refiram a um sistema sensor pratico que pode ser uti lizado para medir a concentração ou nível do analito dentro do corpo, ou em muitos outros tipos de meios ambientes, há certos problemas associados com tal sistema sensor.
Um problema associado com interferó metros de fibra Ôptica unimodal é a extrema sensibilidade a alterações de comprimento do caminho optico, devido â transdução que é realizada comparando a fase de dois feixes de ultra-alta frequência. Vários efeitos ambientais podem causar alterações de fase de proveniência externa, incluindo alterações de pressão atmosférica e temperatura, movimento deligador optico, e indesejáveis variações da fonte de luz Estas alterações de fase externas são colectivamente denomi nadas "ruido de fase". A maior parte do ruído de fase pode ser minimizada expondo ao mesmo meio ambiente ambos os braços (24) e (26) do interferómetro mostrado na Fig.1.
Esta exposição pode ser realizada envolvendo ambos o braços (24) e (26), que são de preferebcia de comprimento idêntico numa bainha ou cobertura comum, ou ligando o revestimento dos dois braços (24) e (26) juntos. Além disso, todas as modificações físicas efectuadas em relação ao braço sensor (24) devem ser efectuadas em relação ao braço de referencia (26), Essas modificações incluem qualquer usinagem química ou alsque quimico para expor a parte evanescente da onda guiada, que devem ser feitas a ambos os braços. Ambas as partes sujeitas a usinagem quimica ou ataque quimico devem ser encerradas em material de indice de refracção de estado constante semelhante, com coeficientes de difusão semelhantes para o analito de interesse, temperatura, coefi cientes de indice de refracção, etc. Só o material no braço sensor (24) deve ser tratado para possuir a activida-de especifica do analito requerida para acentuar a alterações de indice de refracção na presença do analito. .Isto geralmente assegura que ambos os braços ficarão expostos a efeitos ambientais semelhantes, tais como alterações de pres_ são e temperatura.
Isto não elimina os problemasde ruido de -fese em ambientes onde se pode esperar curvatura da fibra, por exemplo, em dispositivos monitores de cabeceira de cama de hospital, em que as fibras opticas ligam a unidade de base optoelectrónica ao paciente. A curvatura da fibra dentro dos bra ços dum interferómetro pode causar ruído de fase grande bastante para ocultar alterações de comprimento do caminho óptico induzidas pelo analito. Apesar da ligação ou envol^ vimento por bainha comum dos dois braços, as fibras são suseptiveis de ruido de curvatura sempre que as fibras são deformadas.
Sob qualquer esforço de flexão, as fibras ligadas experimentam necessariamente esforços diferen tes, dado que cada fibra está situada numa posição radial ligeiramente diferente em relação ao centro de curvatura da flexão. Os diferentes esforços traduzem-se em diferentes alterações do comprimento de caminho óptico para cada fibra no mesmo estado de flexão, conduzindo a ruído de fase. -34- E impossível eliminar efectívamente dum interferâmetro de fibra optica so por conformação mecânica todo o ruído de fase mecanicamente induzido, mesmo quando os braços estão enrolados em volta um do outro ou estão formados como um guia de onda coaxial co-extrusado
Um metddo para compensar ftiíd:o de" fase ambientalmente induzido é o de usar uma multip icida-de de fontes de iluminação cada uma muitipJexada para o interferometro a fim de efectuar uma medição raciometrica A desmultiplexaçao das diferentes ondas depois de as sobrepor no ligador (20) conta com vários diferentes atributos das propKas ondas Os três atributos primários dura onda electromagnetica amplitude, frequeência e angulo de polarização, sendo todos os outros atributes ípor exemplo comprimento de onda velocidade num dado meio etc ) denreeíos em certos sentido, dos três atributos primários f»or· consequência uma onda ou uma combinação de ondas multi plexadas para o interferometro. com um ou mais atributos conhecidos podem ser usadas num esquema de estabilização raciometrica com desmultiplexaçao efectuada via componentes opticos ou electronicos destinada a extrair uma determinada onda. baseada no atributo que define essa onda Qualquer dos atributos definidores duma onda electromagnetica pode ser usado para setectivamente multiplexar e desmultiplexar o interferograma associado dependendo da disponibilidade de um esquema ou dispositivo optoelectronico capaz de discriminar entre as varias ondas multiplexadas com base nesse atributo
Por exemplo dois feixes provenientes de duas fontes diferentes cada qual a uma frequência diferente ("cor ) directamente relacionada com comprimento -35- de onda), podem ser traduzidos juntos para o mesmo interfe-rometro via fibra de fonte (16) Ambos os feixes sáo submetidos a reflexão nos reflectores terminais 98 e recombí-nam-se no ligador (201 como antes, onde se dã interferência a cada frequência resultando dm dois interferogramas colineares sobrepostos cada um no comprimento de onda da respectiva fonte de iluminação
Ambos os interferogramas colinea-res sao então paasados a unidade detectora Í36) via fibra (34) Se um filtro selectivo de comprimento de onda tendo ura passa-banda nominalmente situado no comprimento de onda do centro de una das duas fontes estiver colocado em frente da unidade detectora f36) então o detector torpa-se sensível somente para o interferograma derivado da fonte associada e nao para o interfcronrama colinea^ 0 principio da sobreposição garante que nao pode ocorrer interferência mutua entre as duas ondas colineares que se propagam no interferometro Assim, a colocação dum filtro selecttvo de comprimento de onda no detector elimina totalmente a contribuição do interfero-grarna colinear
Se o passa-banda do fUtro ê altera do de tal modo que o segundo comprimento de onda pode pro-pagar-se para o detector enquanto o primeiro fica bloqueado então a mesma situaçao e própria em relaçeo ao segundo interferograma
Um sistema raciometrico praticável pode ser obtido dividindo a fibra (34) como mostrado na Fig.6. pela unidade ligadora (42), nas fibras (33) e (35) que iluminam respectivamente as unidades detectoras separadas (37) e (36) As unitícides detectoras (36) e (37) incorporam um filtro seiectivo de comprimento de onda (41) e (43) respectivamente destinado a aceitar um comprimento de onda mas a rejeitar o outro Ondas provenientes de duas fontes (12) e (13) sao ligadas à fibra de fonte M6) pela unidade ligadora (22) e pelas fibras (14) e (15) respectivamente As ondas vindas das duas fontes propegam--se através do sistema e a diferentes comprimentos de onda dando origem a que sejam desenvolvidos interferogramas a esses comprimentos de onda.
Cada detentor (361 ç. (371 recebendo apenas um dos dois interferogramas através dos filtros (41) e (43) deseneolve um sinal electrico (38) e (35) indicativo do interfprograme de um determinado comprimento de onda 0 ruído de fase ambientai afecta ambos os interferogramas (ides1mente de modo igual> ao passo que a parte sonora (30) podo ser construída d« modo a afectar diferencialmente apenas um dos interferogramas A relação instantânea, dos dois sinais de interferencia resuita na recuperação do sinal diferencial induzido pelo analito- enquanto e suprimido 0 reuido de fase ambiental de modo comum A supressão quase exacta do ruido de curvatura pode ser realizada, porque as ondas colineares se poo-pagaro agora no mesmo núcleo de fibra garantindo raio de curvatura de flexão idêntico para cada umaadas ondas(duas). -37-
Na pratica encontra-se que a sensibilidade de fase (isto e aíteraçac de fase para una dada aíteraçao do comprimento de caminho Optico) é linear-mente dependente do comprimento de onda A sensibilidade diferencial de um comprimento de onda em relação ao outro é controlada em parte de/pela profundidade de penetração evanescente dessa determinada onda Uma parte de onda eva nescente profundamente penetrante dará origem a uma maior mudança de fase para uma dada alteração de índice de refraeçáo do q: :* a originada por uma parte de onda evanescente pouca .profunda
Como ant^normente indicado, a profundidade de penetração do onda evanescente pode ser controlada por um certo numero de factores, incluindo com-primetú de onda sfectivo desequilibrio externo de índices revestimentos de refiectânc>a seiectiva . potência de fontes atc A Fíg 7 representa csauematlcamen te um exemplo de profundidade de pen^traçao evanescente diferencial numa secção de fibra (150) A secção de fibra (150) inclui um núcleo (152) e revestimento (154) que foi submetido a ataque quimico numa parte atacada (156)
Para fins ilustrai.'vos esta representada uma primeira frente de onda (160) que tem uma profundidade de penetração evanescente pouco funda e esta representada uma seguia da frente de onda (162) que tem uma profundidade de penetração evanescente relativamente funda
Compreender-se-à que a segunda onda (162) seria utilizada como onda do analito. e experimenta-
ria, para uma dada alteração de índice de refracção, maior mudança de fase do que a pouco funda frente de onda penetrante (160).
Um sistema raciometrico baseado em duas fontes de comprimentos de onda diferentes não produzirá de modo consistente um cancelamento perfeito do ruído de fase ambiental, por causa das diferentes sensibilidades dadas pelos proprios comprimentos de onda diferentes. E portanto, preferível usar fontes do mesmo comprimento de onda, a fim de eliminar este erro e confiar noutro atributo para discriminação. Um meio para discriminação entre ondas do mesmo comprimento de onda é a sua polarização. Duas ondas derivadas da mesma fonte podem ser multi-plexadas para, e desmultiplexadas de, um interferómetro se o ângulo de polarização de cada onda difere de um valor mensurável, e se essa diferença é mantida em todo o sistema interferométrico. E sabido que a fibra em forma de D, anteriormente discutida, é capaz de propagar luz alinhada ao longo, não sô do eixo maior, mastambém do eixo de menor elipse do núcleo. Se a luz emitida duma úni ca fonte de laser for dividida em dois feixes que estejam polarizados a 90° em relação um ao outro, a fibra em forma de D propagará as duas polarizações ao longo dos dois eixos ortogonais sem permitir que ocorra interferencia de polarização cruzada. Mesmo em condições de flexão alta mente adversas, a mistura da luz que se propaga ao longo dessa fibra com estas duas polarizações ortogonais é insig nificahte. A tendencia de separação é tão forte que a própria fibra fará a separação dum sõ feixe, lançado com uma orientação de 45° em relação a um ou outro eixo, em
componentes polarizados iguais que se estarei propaaando independentenie-nte alinhados cor os eixos maior o menor Isto elimine a escuridade de q».viqusr dispositivo separado para criar dois feixes de entrada ortogonalmente polarizados vindos da fonte laser Podem ser usadas duas unidades deter, toras como mostrado na Fia 6 com a excepcao de que os elementos de f: 3tro (41 ‘ e (^3) são agora ma is profunda_ mente sensíveis á poIarízaçao do que sensíveis ao comprimento de onda
Alem disso os comprimentos de onda e as sensib·* J idades, das duas polarizações à condi coes ambientes dependentes do comprimento de onda são idênticos
Como antes a part'-· sensora *30) tem de ser construída de modo a efectar diferenc*a1mente es duas poiarizaçoes Este porto * fac?)mente velaízado po:!s a profundidade de penetrarão e onr-scente do polarizacoo alinhada cor o eixo menor e maior que d*"' outra po’ariza-çá.O onde as duas polarizações sao de igual potência
Pode sere efectuada variaçao no nível de potência relativo das duas poUrzaçoes modificando o ângulo de lançamento inicial para s»r diferer**- de 45° Assim· o feixe alinhado com o eixo menor e i s' do para detectar sinais induzidos pelo analito que sao medidos então comparando a fase dos sinais electricos(381 e ?39) representam os interferogramas das duas polarizações ortogonais Dado que os comprimentos de onda das duas polarizações sao idênticos e eliminado o problema da diferente determinação de racio de comprimentos de onda anterior-mente discutido 40-
Λ5terna+J-emente poder» sf·' usados tres fontes de ihirnncaao cada uma. a un diferente compri-íricnto do onda escolhido para compensar as divergentes sensibilidades de fase para cada comprimento de onda A Fig 8 ilustra em diagrama uni exonsplo de um sistema inter-ferometrico (HO) que utiliza tres comprimentos de onda diferentes derivados de tres fontes laser M12) (114) e (116) Nesta realizacao a pr»me-ira fonte laser (1121 produz luz de um primeiro comprimento de onda.·-.·'o segundo diodo laser (114) produz luz de um segundo comprimento de onda o e o terceiro diodo laser (116) produz laser luz de um terceiro comprimento dc onda i
Os tres comprimentos de onda ; - - o e >,+ sao encaminhados atrases de um ílgador de fibra optica Í126) e deposs atrases do *ioador r20) para a fibra sensora (24) c para a fibra de refe>'anc<a (26) Embora a iuz n todos os tres comprimentos de onda. o ,s 1 esteia confinada dentro das mestras fibras -uni-modais (24). (26' nao ha 1ntereccâo entre os propr'os três comprimentos de onda diferentes por causa da /a1 ta de coerência mutua A iuz a cada comprimento de onda e sujeita a comutacao de fase induzida ρβΐο esforço dentro das fibras 1 24 > (26) de'jdo a. fic-xao e outros facto^es ambientais E inciuido um ligador de fibra optica (128) que pode proporcionar uma desmuHiplicaçao dos tres comprimentos de onda ^o e sendo os comprimentos de onda separados eritao dirigidos para uma primeira unidade dete£ tora (132). uma segunda unidade detectora (134) e uma ter ceira unidade detectora (136) respectivamente -41- A desmultiplexação pode ocorrer no ligador (128), que pode propriamente ser um desmulti-plexador com divisão de comprimento de onda, ou nos detec-tores. (132), (134) e (136) cada um dos quais pode conter filtros passa-banda apropriados, como anteriormente discutido. As saidas D1, D3 e D5 são então proporcionadas pela primeira, segunda e terceira unidades detectoras (132) (134) e (136), respectivamente. Uma técnica de determinação do racio pode então ser utilizada para computar um fac-tor de compensação, para perturbações induzidas, pelo esfor ço dentro das fibras (24) e (26). A fim de eliminar efectivamente erros induzidos pelo esforço, incluindo erros por flexão, todos os tres comprimentos de onda têm de ser expostos âs alterações de comprimento de caminho induttoras de ruído, tais como por flexão, mas sõ um dos comprimentos de onda será exposto a alteração de comprimento de caminho induzida pelo analito.
Em geral os atributos dos tres comprimentos de onda usados no método ilustrado na Fig.8 deverão ser controlados de modo que a profundidade de pene tração da onda evanescente do comprimento de onda central "λο", seja maior do que a amplitude de qualquer dos outros comprimentos de onda, "λ+", e Por exemplo, o atri buto de polarização do comprimento de onda central pode ser escolhido ortogonal aos outros comprimentos de onda, de modo que a transmissão do comprimento de onda central é obrigada ao segundo eixo maior do núcleo de fibra preservador de polarização electrica, enquanto os outros dois comprimentos de onda se propagam ao longo do primeiro eixo. 2-
Também computar a compensarão exige que todos os tres comprimentos de onda estejam igualmente espaçados uns dos outros, embora não se coloque restrição ao valor absoluto do comprimento de onda. Uma monitoriza ção e autocorrecçâo dos comprimentos de onda pode ser efec-tuada posicionando os fotodetectores (142) (144) e (146) na extremidade da fibra (148), Os fotodetectores sâo ligados pelo menos â fonte (114) através do circuito de controlo de retorno (149). para assegurar que são mantidas as adequadas relações de comprimentos de onda das tres fontes.
Todos os vários sistemas para tr*-tar do ruidé de fase assumem a fonte de/ouyfontes de luz de caracter conhecido e estável. Contudo, cada aparelho mostrado nas Figs, 1, 6 e 8 envia um interferograma de volta á fonte·, assim como aos vários detectores, 0 interferograma de retorno entrará na fonte ou fontes em condições arbitrárias de fase e amplitude, dependendo do rudio de fase externo, de fase e amplitude, dependendo do ruido de fase externo, assim como da modulação de fase induzida pelo analito.
Em geral, é sabido que essa introdução arbitraria de energia numa fonte de laser vai insta-bilizar a fonte, causando saltos de modo. alargamento e/ou estreitamento de linhas, e grandes flutuações de amplitude. Isto é particularmente verdadeiro com fontes de banda estreita, que sâo geralmente preferidas ga presente invenção, em que o comprimento total de fibra percorrido pela onda é muito mais curto do que o comprimento de coerencia longitudinal da própria onda, A fim de evitar esta situação inde sejável, tem de ser empregado algum meio de isolamento para proteger a integridade espectral de fonte.
A Fig. 9 ilustra uma realização em que a fonte, laser (12) pode ser isolada de qualquer potência de retorno proveniente do sistema interferómetri-co da Fig. 1. Na realização preferida, a fonte de laser (12) é um diodo laser. Para impedir o retorno de qualquer parte de energia reflectida para a fonte, inclui-se uma unidade isoladora (170) consistindo num dispositivo magne-tóptico (174) e nos polarizadores (172) e (176) que juntos têm a capacidade de transmitir luz com baixa perda numa direcção mas bloqueiam efectivamente a luz na direcção oposta. Racios de extinção de -30 dB sao possíveis com uni dades isoladoras deste tipo, simples ou dispostas em cascata. Assim, a fonte laser funciona geralmente como se nenhuma luz estivesse fazendo retorno do sistema interfero-metrico.
Outro método de isolar a fonte de diodo laser da radiação de retorno ê utilizar um laser de pulsação ou fornecer algum meio pelo qual a energia é retida entre o laser 512) e a fibra de entrada (16).
Na realização mostrada na Fig.10, a energia do laser é retida entre o laser (12) e o interferometro por um longo comprimento de fibra optica unimodal (182), preservadora de polarização, actuando como elementoi retardador (180). 0 laser (12) é pulsado ou retido de modo que o laser volta a um estado "bloqueado" antes de a energia laser ter atravessado a linha de retardamento e o interferometro em ambos os sentidos de avançore inverso. 0 laser é portanto tornado insensi^ vel â radiação de retorno, mesmo que a energia de retorno invada a cavidade de laser do díodo (12). Para um comprimento de pulsação de 0,1 microsegundos, que é o tipico de díodos convencionais de classe comunicações, um comprimento -44- de linha de retardamento de cerca de 10 metros seria sufic^ ente para impedir a reflexão para trás de entrar no díodo activo. A Fig. 11 mostra um método alternativo que usa um modulador ou interruptor electro-optico ultra-rapido (184). Este tipo de modulador é geralmente composto de uma serie implantada de guias de ondas em nioba_ to de litio ou outro substacto electro-optico. Tempos de comutação de picosegundos podem ser alcançados por um modulador deste tipo, o que permitiria 0 uso de elementos de linha e de retardamento curtos. Uma fibra de entrada (16) tendo um comprimento de alguns centímetros podia actuar sendo o elemento de retardamento. Cada uma das Figs.9-11 mostra um sistema de frequência simples, mas há-de avaliar--se que um sistema de frequência múltipla poderia ser construída usando qualquer dos princípios ilustrados. Vários meios para isolar a fonte diferentes dos discutidos com res peito âs Figs. 9-11 podem também ser evidentes para.quem for versado na técnica.
Um outro problema apresentado pelos sistemas sensores da presente invenção refere-se ao fluxo de informação bidireccional inerente que ocorre em interfero metros Michelson. 0 interferograma produzido por uma fonte coerente de banda estreita, tal como um laser de gás ou díodo laser, é composto de uma variação de intensidade sinusoidal de amplitude constante, como anteriormente discutido. Se se deixar cair esta saida para um unico detector, so pode ser derivada uma representação escalar da informação de fase, isto é, um valor de que representa a diferença de fase relativa entre as ondas sensora e de referencia. >-45- E necessidade para juntar ao sistema um segundo detector. a fim de deduzir-uma representação vectorial da informação de fase, isto ê, tanto a diferença de fase relativa como a direcção em que a fase está mudando. Este procedimento permite a medição des ou diferenciação entre, variaveis que podem aumentar ou dimiu-nuir em relação a um valor de eitado firme. 0 segundo de-tector, embora exposto ao mesmo igterferograma que o primei ro, tem de estar posicionado 90 graus afastado em fase do primeiro detector, a fim de deduzir convenientemente a informação direccional. A fase de separação de 90 graus é geralmente denominada uma condição de "quadratura". No entanto" desde que os dois feixes sensor e de referencia de retorno estejam confinados em fibras unimodais, o campo de interferências gerado exibe um aspecto mais propriamente de "ponto recombinente" do que de "franja paralela", e a desmodulaçãú de quadratura não é possível, A fig* 12a ilustra râm método de desenvolver um interferograma do qual pode ser obtida informação direccional. Os feixes sensor e de referencia de retorno são dirigidos paralelos um ao outro por duas fibras(200 e 2Q2)separadas geralmente por menos de cerca de 1 mm. Os feixes coerentes de retorno emitidos das fibras (200) e (202) combinam-se em espaço para format um campo de interferências tridimensional, em que os detectores (204) e (206) podem ser posicionados para detectar a direcção da alteração de fase. -46-
Para um interferograma^sínusoidal com distancia entre franjas de<£mm. uma condição de quadratura corresponde a um espaçamento de detectores no campo de franjas de n^V4, em que n é um múltiplo inteiro 1. 2... Embora a largura e espaçamento das franjas de interferencia possam ser modificados variando a separação e inclinação entre as extremidades das fibras, a zona de mistura de espaço livre prejudica um tanto a exactidão da informação quando as mudanças de fase são pequenas, devido a inf 1 uênci_ as ambientais.
Alternadamente, pode ser gerado um interferograma tridimensional posicionando as duas fibras (200) e (202) de modo que os feixes de radiação longitudinal se interceptem num espelho parcialmente reflector (210) como mostrado na Fig 12b- desenvolvendo desse modo dois campos de interferências Michelson A e B
Os detectores (204) e (206) podem ser posicionados num ou noutro campo para detectar a dire£ ção da alteração de fase. Em ambos os métodos, os dois detectores são posicionados em relação um ao outro e ao cam po de interferências de modo que tenham uma relação de fese de quadratura um para o outro, como acima detalhado.
Embora só sejam mostrados dois detectores podem ser incluídos detectores adicionais nos campos, para melhorar a resolução e exactidão das medições. Ha-de tambe.m: avaliar-se que a informação de fase direccio-nal pode ser obtida da fonte assim como do analito. -47- A Fig. 13 mostra um interferõmetro hibfcido Michelson/Mach-Zenher (186), no qual são empregados interferogramas tridimensionais para obter a assinatura espe£ trai da fonte (12) assim como o sinal de retorno. No aparelho ilustrado, a divisão do sinal proveniente da fonte (12) ocorre no ligaddr (20), enquanto a extracção dos sinais tanto da fonte de como de retorno ocorre nos ligado-res 5190) e (192). No caso de uma fonte de diOdo laser (12) a fase relativa entre as ondas sensora e de referencia que se propagem no interferometro pode ser controlada por corrente de injecçâo e modulação de temperatura. Contudo, tal modulaçoáo afecta a assinatura da fonte duma maneira conhecida e reproduzível A assinatura espectral pode ser completamente, caracterizada pela transformação Fourier dos sinais de quadratura-fase nas saídas M3 e M4 tiradas do campo de interferências Mach-Zehhder (194). Esta técnica é semelhante â usada em espectroscopia infravermelha â de transformaçâp Fourier (FTIR). uma vez que as funções de autocorrelação e densidade espectral são um par de trans formação Fourier como descrito pelo teorema de Wíener-Khintchine. Informação contínua respeitante ao espectro de fonte é importante quando é necessário ajustamento de fase interferométrico em-linha- -48-
Na direcção inversa, ondas propagando-se de volta para o ligador primário (20), após refle xâo nas partes eensora e de referencia (30), (32) sao parci^ almente extraídas pelos ligadores (190) e (192) para formar um segundo campo de interferências (196), doí qual podem ser obtidos sinais de quadrattrra-fase M1 e M2. Estas ondas fizeram uma dupla passagem através das partes sensora e de referencia: (30) e (32) e assim os sinais M1 e M2 reflectem esta situaçáo de dupla passagem.
Os sinais M1 e M2 podem ser usados para desmodulação direccional de alta-resolução, com meios raciometricos, acrescentados ao sistema de/para supressão de rudido de fase ambiental como anteriormente discutido. 0 resto de energia que se propiga de volta para a fonte ao longo dos braços sensor e de referencia é misturado coerentemente no ligador (20) e um inte_r ferograma Michelson primário, de "ponto recombinante", é formado no deteetor (36).
Este interferograma primário pode ser usado de acordo com a informação direccional acima descrita. para fornecer determinação de alta resolução da modulação de fase induzida pelo analito
Todo o sistema interferometrico (10), exceptuando os braços sensor e de referencia (24) e (26) pode ser construído usando tecnologia de guias de onda implantados, com fontes de díodo fcaser. detectores ligadores, e outros lementos integrados no mesmo substracto -49
Esta "pastilha” ("chip") electro--optica seria entõo ligada às fibras sensora e de referencia. sendo as outras ligações apenas as entradas e saídas electricas requeridas pelos fontes de /e detectores. Do mesmo modo, embora só as Figs. 12 e 13 tenham ilustrado um sistemíade acordo com esta invenção usando desmodulação de quadratura para determinar a direcção de alteração sentida em comprimento de caminho optico devida a uma alteração de indice de refracçâo. outros sistemas podem também usar esta mesma técnica para obter esta e outra informação.
Adicionalmente, a desmodulação de quadratura descrita num/em relação às Figs. 12 e 13 pode ser ligada com· a redução de ruído de fase de triplo comprimento de onda descrita em relação â Fig 8 para isolar e medir com precisão alterações de índice de refracçâo de analitoi sentidas pela parte de fibra óptica
Embora a invenção tenha sido descrita em detalhe com referencia a certas realizações preferidas e exemplos específicos- existem variações e modificações dentro do âmbito e espirito da invenção como descrita ê como definida nas reivindicações apresentadas-
Claims (1)
- 50- REIVINDICA Ç~0 E S 1*.- Método de detecção de uma alteração verificada numa amostra, caracterizado por compreender as seguintes fases: a) proporcionar uma fibra optica unimodal com um segmento que permite ligar uma onda evanescente a um meio contíguo; b) unir o segmento da fibra optica ã amostra, a fim de permitir a interacção da onda evanescente com a referida amostra; c) introduzir no interior da fibra optica luz com caracteristicas conhecidas- de maneira a que esta vã passar através do segmento reflectir-se num reflector e voltar a passar através do segmento; d) construir um interferograma com a luz depois desta ter passado através do segmento; e e) observar o interferogtama. de maneira a detectar-se qualquer modulação na fase da luz que seja provocada por um alteração no comprimento do caminho òptico no seio da amostra. 2a.- Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender também as seguintes fases: introduzir no interior de uma segunda fibra optica a refe rida luz com caracteristicas conhecidas: e sobrepor opticamente a luz nas duas fibras opticas de maneira a que se vá formar o interferograma, 3a,- Método de acordo com a reivin dicação 2 caracterizado por compreender também as seguintes fases: envolver tanto a primeira como a segunda fibra optica numa cobertura: e expor tanto a primeira como a segunda fibra optica aos mesmos efeitos ambienteis, a fim de minimizar os ruídos de fase, 4a - Método de acordo com a reivin dicação 1. caracterízadc por compreender também as seguin tes fases: introduzir no interior da fibra optica a luz que tem dois diferentes valores dum atributo comum: observar os interferogramas formados para ambos os valores do atributo comum de maneira a detectar-se qualquer 52- modulação na fase da luz; e examinar raciometricamente as modulações de fase que fo ram observadas, a fim de se detectar uma alteração no comprimento do caminho optico no seio da amostra, 5#,- Método de acordo com a reivindicação 1. caracterizado por compreender também as seguintes fases: introduzir no interior da fibra optica a luz que tem tres diferentes valores de um atributo comum: observar os interferogramas formados para todos os valores do atributo comum de maneira a detectar-se qualquer modulação na fase de luz: calcular um factor de compensação para quaisquer perturbações induzidas por esforços ou tensões mecanicas que tenham sido observadas no seio da fibra optica; e aplicar raciometricamente o factor de compensação calculado às modulações de fase que foram observadas, a fim de se detectar uma alteração no comprimento do caminho Optico no seio da amostra -53-6I.- Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender também as seguintes fases: introduzir no interior da fibra optica a luz com caracté risticas conhecidas, de mabeira a que se vão formar dois componentes polarizados ortogonalmente que se vão propagar duma maneira independente um em relação ao outro; permitir que a onda evanescente de um dos componentes và ter uma interacçao com a amostra; e sobrepor opticamente a luz proveniente dos dois componentes com um feixe de referencia de dois componentes * de maneira a que se.vá formar o interferograma. 7* - Método de acordo com a reivindicação 1. caracterizado por compreender também as seguintes fases: submergir o segmento da fibra optica no seio de uma amostra de um fluido contendo um analito (substancia que se pretende analisar); e observar o interferograma. de maneira a detectar-se qualquer alteração na fase que seja provocada por uma alteração na concentração do analito no seio da amostra de flui do. 8*,- Método de acordo com a reiviji dicação 7, caracterizado por compreender também a seguinte fase: introduzir transdermicamente o segmento da fibra optica no seio de uma amostra de um fluido a fim de se proceder à detecção intervivos de uma alteração na concentração do analito 9*.- Método de supressão de ruido num sistema interferomátrico de fibra optica proprio para detectar uma alteração na concentração de um analito no seio de um meio fluido, caracterizado por compreender as seguintes fasee: a) alimentar o sistema de/com luz que tem uma pluralidade de comprimentos de onda que se acham afastados uns dos outros o suficiente para permitir fazer a separação optica dos comprimentos de onda uns em relação aos outros: b) permitir que uma parte evanescente de apenas um dos comprimentos de onda de luz vá ter uma interacção com o referido meio ao mesmo tempo que todos os comprimentos de onda são expostos a alterações no comprimento dp caminho optico induzidas por ruídas que se verificam no sistema; c) gerar um interferograma para cada comprimento de onda; e d) comparar a diferença no movimento dos interferogramas a fim de se detectar a alteração no comprimento do caminho õptico induzida pelo analito10*.- Método de acordo com a reivin dicação 9. caracterizado por os comprimentos de onda escolhidos consistirem essencialmente num comprimento de onda central e em dois comprimentos de ondaA+ e λ , que se acham afastados igualmente, dum e doutro lado. do comprimento de onda central- 11*,- Método de acordo com a reivin dicação 10- caracterizado por o comprimento de ondaA+ ser escolhido de maneira a que a energia da sua parte evanescen te bo seio do meio circundante seja maior do que a. dos outros comprimentos de onda e λ + 12*- Método de acordo com a reivin dicação 9, caracterizado por as amplitudes dos comprimentos de ondaescolhidos serem de maneira a que a amplitude do comprimento de onda central ^ seja maior do que a amplitude de qualquer um dos outros comprimentos de onda.^^ e X+*13*.- Método de separação de uma fibra optica própria para ser utilizada em sistemas inter ferométricos, caracterizado por compreender as seguintes fases: a) escolher uma fibra unimodal que preserva a polarização e que apresenta um revestimento assimétrico; b) introduzir no interior da fibra optica uma luz com caractetísticas conhecidas e observar a luz na fibra optica;c) introduzir uma parte escolhida da fibra optica no seio de um meio capaz de remover p revestimento por meio de um processo de ataque químico: e d) retirar a fibra de dentro do referido meio depois de se ter detectado uma interacção entre a luz que foi introduzida no interior da fibra optica e o referido meio 14a - Método de acordo com a reivin dicacão 13 caracterizado por compreender também a fase que consiste em dotar uma das extremidades da fibra com uma superfície própria para reflectir a luz que seja guiada pela fibra 15* - Método de acordo com a reivin dicação 13, caracterizado por a fase b) compreender também a fase que consiste em introduzir a luz com caracteristicas conhecidas no interior do uma segunda fibra optica. 16a - Método de acordo com a reivin dicação 15. caracterizado por a fase b) compreender também as seguintes fases: sobrepor opticamente a luz nas duass fibras opticas de maneira a que se vã formar uma zona de ínterferencias: e observar a referida zona, de maneira a detectar-se qualquer alteração na fase que seja provocada por uma inte£ acção optica entre a luz que foi introduzida no interior da fibra optica e o referido meio- 17* - Método de acordo com a reiviji dicação 13. caracterizado por a operaçãí que consiste em retirar a fibra de dentro do referido meio e que é realizada na fase d), ser realizada com um atraso em relação ao momento em que é feita a detecção inicial da interacção optica. devendo esse atrao ser suficiente para fazer com que a operação de remoção do revestimento que e realizado por meio do referido processo de ataque quimico se faça de maneira a que se consiga obter um óptimo grau de remoção do revestimento de um dos lados do núcleo da fibra sem que o proprio núcleo vá ser materialmente afectado. 18* - Método de acordo com a reivin dicação 13 caractetizado por compreender também a fase que consiste em envolver a referida parte escolhida da fibra optica num involucro contendo um material, com um fndice de refracçâo conhecido. 19*.- Aparelho proprio para a detec çâo de uma alteraçao verificada num meio. caracteerizado por compreender: 58- a) uma primeira e uma segunda fibra óptica, apresentando pelo menos a primeira fibra optica uma parte que permite que uma parte evanescente de uma onda luminosa que se deslo ca no interior da fibra vá ter uma interacção com o meio que se acha situado em torno da referida parte da primeira fibra: b) uns meiod de introduzção que são próprios para introduzir uma luz com cacacteristicas conhecidas no interior das fibras dpticas: c) uns meios de reflexão que se acham situados numa das extremidades das fibras opticas e que são próprias para fazer com que a luz vâ ser reflectida a partir da referida extremidade e ser enviada novamente em direcção aos referidos meios de introdução: d) uns meios que sao proprios para sobrepor a luz reflec tida nas duas fibras opticas. de maneira a que se vá formar uma zona de interferências; e e) uns meios de observaçào que sao proprios para observar a referida zona de interferências de maneira a detec-tar-se qualquer alteração na fase que seja provocada por uma alteração no referido meio fluido. -59-20aAparelho de acordo - com a reivindicação 19, caracterizado por pelo menos a primeira fibra optica consistir essencialmente numa fibra unimodal. 21a.- Aparelho de acordo com a reivindicação 205 caracterizado por a referida fibra unimodal compreender uma fibra que preserva a polarização. 22a - Aparelho de acordo com a reivindicação 21. caractetizado por a rferida fibra que preserva a polarização compreender um núcleo elíptico e um revestimento rotacionalmente assimétrico. 23a - Aparelho de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por o referido revestimento compreender uma parede exterior que apresenta um segmento plano em ligação com um segmento cilíndrico de maneira a determinar a formação de uma secção transversal com a forma genérica de um "D" encontrando-se o núcleo elíptico situado mais proximo do segmento plano da parede exterior 24a-- Aparelho de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por a referida parte da refeH da primeira fibra apresentar uma secção transversal de dimensdes reduzidas. 25*.- Dispositivo sensor proprio para determinar a concentração de um analito no seio de um meio fluido, caracterizado por compreender: a) uma fonte de luz que produz pelo menos um sinal luminoso com um comprimento de onda distinto: b) um primeiro elemento que é constituído por uma fibra unimodal, que se acha ligado à fonte de luz que é proprio para receber e transmitir o sinal luminoso proveniente da fonte de luz; c) uma parte sensora que se acha disposta ao longo do pri meiro elemento e que é própria para ter uma interacção com um analito." de maneira a modular a fase do sinal luminoso; d) um segundo elemento que ê constituído por uma fibra unimodal, que se acha ligado à fonte de luz e que é proprio para guiar o sinal luminoso proveniente da fonte de luz: e) uns meios de reflexão que se acham situados numa das extremidades dos elementos que são constituídos por uma fibra optica, e que são proprios para fazer com que a luz vá ser reflectida a partir de referida extremidade e ser ensiada novamente em direcção fonte de luz: e f) uns meios de comparação que são proprios para comparar a fase do sinal luminoso que é transportado peio ptimeiro elmmento que é constituído por uma fibra", depois de se ter realizado a interacÇão com o analito. com a fase do sinal luminoso que e transportado pelo segundo elemento que é constituído por uma fibra, a fim de se determinar a concentração do analito.26*.,- Dispositivo sensor, de acordo com a rezlização 25, caracterizado por a fonte de luz compreender uma fonte de sinais luminosos que tem pelo menos dois atributos distintos que são transmitidos tanto através do primeiro elemento que ê constitiádõ por uma fibra como do segundo elemento que ê constituído por uma fibra. 27* - Dispositivo sensor, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado por compreender também uns meios de ligação proprios para ligar a fonte de luz a primeira fibra unimodal de fflaneira a que a luz vá ser separada em dois feixes que sáo polarizados a 90° um em relação ao outro 28* - Dispositivo sensor, de acordo com a reivindicação 27 caracterizado por a parte sensora do primeiro elemento que é constituído por uma fibra compee ender meios proprios para permitir apenas um unico feixe polarizddo possa ter uma ínteracção com o analito, de maneira a modular a fase do sinal luminoso. 29* - Dispositivo sensor de acor do com a reivindicação 27. caracterizado por os meios de ligação compreenderem meios proprios para modífícat o ângulo de lançamento inicial da luz para o interior da primeira fibra unimodal. a fim de se modificar o nivel de energia reiatitoo das duas polarizações30*.- Sistema interferometrico de fibra optica. caracterizado por compreender: a) uma fibra unimodal que preserva a polarização e que apresenta um revestimento assimétrico,, tendo uma parte escolhida do revestimento sido removida a fim de deixar exposto pelo menos um dos lados do núcleo: b) uns meios de envolvimento proprios para fazer com que a rferida parte escolhida do revestimento vá ficar envolvida num material com um indice de refracção conhecido; c) uma segunda fibra unimodal que se preserva a polariza ção e uns meios de introdução que são proprios para introduzir uma luz com caracteristicas conhecidas no interior das fibras opticas; d) uns meios reflectores que se acham situados numa das extremidades das fibras opticas e que são proprios para fazer com que a luí vá ser reflectida a partir da referida extremidade e ser enviada novamente mm direcçâo aos referidos meios de introdução da luz: e) uns meios que sáo proprios para sobrepor a luz reflec tida nas duas fibras opticas de maneira a que se vá formar uma zona de interferências: e f) uns meios de observação que são proprios para observar a referida zona de interferências, de maneira a detec-tar-se qualquer alteração no indice de refracção do referido material 31*.- Sistema interferomêtrico de fibra óptíca, de acordo com a reivindicação 30, caracteriza^ do por o material de que sâú formados os referidos meios de envolvimento serem escolhidos de maneira a que uma alterji çâo fisica que se verifique na vizinhança dos referidos meios de envolvimento ir provocar uma alteração no indice de refracçao do referido material. 32*- Sistema interferomêtrico de fibra pptica, de acordo com a reivindicação 31, carac-terizado por o comprimento de onda da luz ser escolhido de maneira a ficar situado numa região espectral de dispersão anómala do material de que sào formados os referidos meio* de envolvimento 33* - Sistema interferomêtrico de fibra optica de acordo com a reivindicação 31 caracteriza do por o comprimento de onda de luz ser escolhido de maneira a corresponder ao grau máximo de alteração da absor vencia química com o comprimento de onda para o material de que são formados os referidos meios de envolvimento. 34* - Dispositivo sensor proprto para determinar a concentração de um analito no seio de um meio fluido, caracterizado por compreender: a) uma primeira fibra optica que inclui um núcleo e um revestimento de que se acha aplicado em torno de núcleo, encontrando-se uma parte do revestimento removida a fim de deixar exposta uma parte do núcleo;b) uma segunda fibra optica: c) uns meios de introdução que sao proprios para introduzir uma luz com caracteristicas conhecidas no interior da primeira e da segunda fibras opticas, de maneira a que a luz na primeira fibra optica vá ser influenciada pe!a concentração do analito; d) uns meios reflectores que se acham situados numa das extremidades das fibras opticas e que sáo proprios para fazer com que aluz vá ser reflectida a partir da referida extremidade e ser enviada novamente em direcção aos referidos meios de introdução da iuz: e) uns meios de comparação que são proprios para comparara a fase da Juz reflectida na primeira fibra óptica depois da referida luz t^r sido influenciada pela concentração do analito com a fase da luz segunda fibra optica, de maneira a que possa ser determinada a concentracào do analito 35* - Dispositivo de acordo com a reivindicação 34. caracterizado por compreender também uns meios de bloqueamento que sao proprios para fazer com que a luz reflectida va ser impedida de entrar nos referidos meios de introdução 36* - Dispossitivo de acordo com a reivindicação 35. caracterizado por os referidos meios de bloqueamento compreenderem uma nnidade isoladora Optico--magnetica que vai orientar magneticamente uma caracteris-tica de polarização da luz. de maneira a fazer com que a luz reflectida vá ser impedida de entrar nos referidos meios de introdução 37* - Dispositivo de acordo com a rei'/indicação 35 caracterizado por os referidos meios de introdução compreenderem um díodo emissor de raios laser 38* - Dispositivo de acordo com a reivindicação 37. caracterizado por os referidos meios de introdução compreenderem também uma unidade ligadora de fibra óptica que vai ligar o díodo emissor de raios laser â primeira fibra õptica 39* - Dispositivo de acordo com a reivindicação 37. caracterizado por os referidos meios de bioqueamento compreenderem uns meios de retardamento que sáo proprios para atrasar a luz depois desta ter saído do diodo emissor de raios laser e antes de ter entrado no interior da primeira fibra õptica. 40* - Dispositivo de acordo com a reivindicação 355. caracterizado por os referidos meios de bioqueamento compreenderem também um interruptor de fibra õptica que vai actuar de maneira a controlar a luz que ê emitida pelo díodo emissor de raios laser. 41*,“ Sistema interferométrico de fibra ôptica, caracterizado por compreender: a) um par de fibras unimodais que preservam a polarização tendo uma parte escolhida do revestimento de uma das fibras sido removida a fim de permitir que umaaparte eva-nescente de uma onda luminosa que se desloca no interior da fibra possa ir ter uma interaccão com qualquer meio no seio do qual se ache mergulhada a fibra, apresentando as duas fibras ópticas uma extremidade distai e uma extremidade proxímal; b) uma fonte de luz própria para produzir uma luz com caracteristicas conhecidas e cm Hgador de fibra óptica que vai unir a fonte de luz as extremidades proximais dôu duas fibras opticas; c) uns meios reflectores que se acham situados nas extre midades distais das fibras opticas e que sâo proprios para fazer com que a luz va ser reflectida a partir das referidas extremidades distais e ser enviada novamente em direc-çao â fonte de luz; d) uns meios que sao proprios para sobrepor a luz reflec-tida nas duas fibras ôpticas de maneira a que se vá formar uma zona de interferências? e e) uns meios de observações que são proprios para obser var a referida zona de interferências de maneira a detec-tar-se qualquer alteração no índice de refracção do referida meio no seio do qual se acha mergulhada a referida parte escolhida , 67- 42*,- Aparelho de acordo com a reivindicação 41. caracterizado por a fonte de luz compreender uns meios de emissão proprios para emitir uma pluralidade de comprimentos de onda escolhidos 43a,- Aparelho de acordo com a reivindicação 42 caracterizado por os meios de observação que são próprios para observar a luz compreenderem meios proprios para desmultiplexar a luz nos vários comprimentos de onda escolhidos. 44a - Aparelho de acordo com a reivindicação 43 caracterizado por os comprimentos de onda escolhidos consistirem essencialmente num comprimento de onda central Λe em dois comprimentos de onda.λ . e λ , que se acham afastados igualmente dum e doutro lado. do comprimento de onda centrai 45a- Aparelho de acordo com a reivindicação 44- caracterizado por o comprimento de onda λ 0 ser escolhido de maneira a que a energia da sua parte evanescente no seio do meio circundante seja maior do que a dos outros comprimentos de onda * _ e «. 4. 46a.- Aparelho de acordo com a reivindicação 44, caracterizado por um atributo mensurável de cada um dos comprimentos de onda escolhidos ser de manei ra a que o atributo do comprimento de onda central seja maior do que o atributo de qualquer um dos outros comprimen tos de onda,λ _ βλ + , -68- 47s. - Sistema interferométrico de fibra óptica. caracterizado por compreender: a) um par de fibras unimodais que preservam a polarização tendo o revestimento de uma parte escolhida de uma das fibras sido rerrõvido a fim de permitir que uma parte eva nescente de uma onda luminosa que se desloca no interior da fibra possa ir ter uma interaccoo com qualquer meio no seio do qual se ache mergàlhada a parte escolhida da fibra apresentando o par de fibras ópticas uma extremidade distai e uma extremidade proximal; b) uma fonte de luz própria para produzir uma luz com caracteristicas conhecidas: c) um primeiro ligador de fibra óptica que vai unir a fonte de luz âs extremidades proximais do par de fibras õpU css a fim de apresentar o sinal da fonte ao pa>” de fibras: d) uns meios refelctores que se acham situados nas extremidades distais das fibras Opticas e que são proprioa para fazer com que a luz vá ser reflectida a partir das referidas extremidades distais e ser enviada novamente em direcçâo â fonte de luz: e e) uns meios de observação que são proprios para observar o sinal de retorno no primeiro ligador. a fim de se detectar qualquer alteração no indice de refracção do referido meio no seio do qual se acha mergulhada a referida parte escolhida 48*,- Aparelho de acordo com a reivindicação 47. caracterizado por compreender também um segundo ligador de fibra ôptica que vai unir a fonte de luz ao primeiro ligador de fibra óptica, 49a - Aparelho de acordo com a reivindicação 48. caracterizado por compreender também uns meios de monitoragem que se acham ligados ao segundo ligador de fibra õptica e que sao proprios para efectuar a moni_ toragem das caracteristicas de emissão da fonte de luz. 50a-- Aparelho de acordo com a reivindicação 48, caracterizado por compreender também uns meios de extracção que se acham ligados ao segundo ligador de fibra óptica e que sâo proprios para proceder à extrac ção de um sinal de quadratura proprio para detectar a dire£ cao da alteração no indice de refracção do referido meio no seio do qual se acha mergulhada a referida parte escolhi da 51a,- Aparelho de acordo com a reivindicação 47, caracterizado por a fonte de luz compreebder também uns meios de isolamento que sao próprios para isolar a fonte de luz que e reflectida a partir das extremidades distais do par de fibras 52a - Aparelho de acordo com a reivindicação 57. caracterizado por compreender tambeih um ligador de fibra ôptica adicional situado em cada um dos referidos pares de fibras sendo cada um dos referidos iigadores proprios para promover a divisão entre o sinal da 70- fonte e o sinal de retorno. 53a.- Aparelho de acordo com a rei vindicação 52 caracterizado por compreender também uns meios que se achara ligados a ambos os referidos ligado res de fibra optica adicionais e que sao proprios para formar um interferograma do sinal da fonte. 54β - Aparelho de acordo com a reivindicação- 53 caracterizado por compreender também uns meios que se acham ligados a ambos os referidos liga-dores de fibra Optica adicionais e que sáo proprios para formar um interferograma do sinal de retorno, Lisboa 18 de Março de 1991J. PEREIRA DA CRUZ Agente Oficial da Propriedade industrial RUA VICTOR CORDON, 10-A 3.a 1200 LISBOA
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