WO2019096751A2 - Method and device for determining the refractive index of a medium - Google Patents

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WO2019096751A2
WO2019096751A2 PCT/EP2018/080981 EP2018080981W WO2019096751A2 WO 2019096751 A2 WO2019096751 A2 WO 2019096751A2 EP 2018080981 W EP2018080981 W EP 2018080981W WO 2019096751 A2 WO2019096751 A2 WO 2019096751A2
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optical element
medium
refractive index
measuring
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Karl Joachim Ebeling
Rainer Michalzik
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Universität Ulm Institut Für Optoelektronik
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G01N21/43Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
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    • GPHYSICS
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings

Definitions

  • the present invention generally relates to a method for measuring at least one feature in a
  • the invention further relates to a device suitable for determining the refractive index of a medium, comprising an optical element suitable for carrying out the method.
  • Refractometer known.
  • the underlying principle of a refractometer generally uses the behavior of light at the junction between a prism with known properties and the medium to be examined.
  • the document DE 10 2008 014 335 A1 describes about a device and a method for determining a
  • the document DE 10 2009 055 737 A1 also describes an optical device for generating a disturbing internal total reflection.
  • a device that is still frequently used for measuring refractive indices is the Abbe refractometer, which, however, even in its newer variants has measuring surfaces of typically well over one square millimeter.
  • the substances to be investigated have refractive indices ranging between 1.3 and 1.7.
  • concentration and temperature-dependent refractive indices of the electrolytic solutions NaCl, KCl and CaCl 2 the concentration and temperature-dependent refractive indices of the electrolytic solutions NaCl, KCl and CaCl 2, the polar glucose solution, the nonpolar ethyl acetate solution and the protein solution bovine serum albumin are common
  • Medium preferably to determine the refractive index of the medium to provide.
  • Material volumes should be possible.
  • the device should also be integrated micro-optically.
  • the method should compensate by scattering or absorption occurring optical losses in the measurement volume by an optical gain in the measuring system.
  • Photon density can be generated in the measurement volume. Finally, a high two-dimensional lateral spatial resolution is to be made possible.
  • This object is surprisingly simple by a method and a device for measuring at least one feature in a medium to be examined, preferably for
  • the device for measuring at least one feature of a medium to be examined preferably for measuring the refractive index of the medium, preferably comprises an optical element according to the invention, which is suitable for the
  • the optical element preferably comprises at least one interface, which is designed to form a flat area of direct contact with the medium to be examined during the measurement, wherein
  • Elements represents a measuring surface
  • this interface of the optical element is equipped with a layer system which acts as a resonator and which acts on an electromagnetic radiation incident obliquely on the boundary surface in the case of the radiation, which is at an angle greater than that
  • Limit angle of the total reflection at the interface between the optical element and the medium to be examined causes multiple reflections of this radiation, so that resonances can form in the layer system.
  • the device for measuring at least one feature of a medium to be examined may comprise, in addition to the optical element, a radiation source and a receiving device, wherein
  • the radiation source is designed to emit electromagnetic radiation and couple it
  • the receiving device is designed to receive electromagnetic radiation reflected at the interface.
  • the method according to the invention for measuring at least one feature of a medium to be investigated may comprise the abovementioned apparatus and the aforementioned optical element.
  • the method can be used for
  • Performing the measurement includes the following steps:
  • the optical element is in direct contact with the medium at the interface
  • electromagnetic radiation is coupled into the optical element in such a way that it impinges at the interface at an angle which is greater than the limit angle of total reflection at the interface, a total reflection of this coupled radiation arises at the interface between the optical element and the medium,
  • Receiving device is measured.
  • an evaluation unit which is used to determine the refractive index of the medium to be examined. This can be integrated in the receiving device. To receive the electromagnetic signal
  • the receiving device with a suitable sensor, such as a photosensor, be equipped.
  • the electromagnetic radiation emitted by the radiation source is also referred to below as light.
  • the radiation source is designed so that it can emit monochromatic light and more preferably a cylindrically divergent or convergent monochromatic light beam in the direction of the optical element.
  • the inventive device uses oblique
  • the optical system layer system may advantageously comprise a Fabry-Perot resonator for this purpose, based on the underlying principle of a Fabry-Perot resonator An incident light beam is guided through these mirrors only if it fulfills the resonance condition of the mirrors In this layer system, a targeted optical loss or gain can be set surprisingly simply, so that the measurement accuracy can be significantly improved. This principle makes use of the invention.
  • This surface can be equipped with a dielectric reflector.
  • reflected light then depends on the wavelength, the angle of incidence and in particular the phase shift in the total reflection.
  • Direction-dependent position allows the determination of the refractive index of the medium to be examined.
  • Measuring volumes are guaranteed. In resonance, there is a significant increase in the photon density or the electric field strength in the evanescent part of the
  • the receiving device is provided, in which the evaluation unit can be integrated, which allows using algorithms stored an evaluation of the received by the receiving device images.
  • the refractive index n j of the high refractive index material of the optical element is assumed to be known.
  • the refractive index of the medium to be examined is advantageously lower than the refractive index of the optical medium
  • n 1.7 are.
  • the layer system can in a preferred
  • Embodiment of the invention optical losses or optical amplification can be introduced selectively.
  • total internal reflection of the coupled electromagnetic radiation occurs at the interface with the low refractive medium.
  • the incidence of light preferably takes place at a predetermined, oblique angle to the optical axis of the optical element.
  • the coupled-in light is incident on the layer system at a predetermined angle, this angle preferably being selected such that the conditions for a total reflection at the interface are given. In this way, the multiple reflection of this radiation can be effected, so that resonances can form in the layer system.
  • the layer system preferably comprises a dielectric mirror, that is to say a Bragg reflector, at the interface of the optical element.
  • the resonator length that is to say the thickness of the layer system forming the resonator, is
  • the medium to be examined may be, for example, a transparent substance and is located in the
  • Receiving device can be received.
  • the measured intensity changes depend on the wavelength, the
  • the layer system at the interface of the optical element may comprise gallium arsenide layers, which are particularly suitable because of their high refractive index.
  • the Bragg reflector can be advantageously made of a semiconductor layer system such as AlGaAs GaAs
  • InGaAsP-InP indium gallium arsenide phosphide indium phosphide
  • InAlGaN GaN indium aluminum gallium nitride gallium nitride
  • Such a Bragg reflector shows a very high reflectivity.
  • a suitable Bragg reflector can use alternating AlGaAs layers
  • Bragg reflector include different Al content.
  • Other embodiments of the Bragg reflector are also conceivable, for example a varying composition from layer to layer or multi-stepped or graduated instead of simply stepped transitions at the interfaces.
  • the layer system may advantageously have a so-called
  • Quantum film include, so a semiconductor layer in the
  • Nanometer thickness range The following is from a
  • the layer thickness is so small that the energy levels of the charge carriers in the film, ie electrons or holes, are appreciably quantized, the particles are thus quantified by the quantum film
  • the quantum film forming layers may be based on the material system InGaAs GaAs, GaAs AlGaAs, InGaAsP InP or InAlGaN GaN and have a small thickness, preferably a thickness of 15 nm or less, more preferably a thickness of 10 nm or less.
  • a thickness of 15 nm or less preferably a thickness of 10 nm or less.
  • the quantum well can also be in the range of the gain, ie in a range of negative absorption, brought.
  • the achievable gain values can range from zero to a few thousand / cm.
  • the quantum film can Accordingly, have an excitation-dependent positive or negative absorption coefficient of, for example +/- 400 / cm, +/- 800 / cm or +/- 1.600 / cm.
  • On the layer system can also be a metallic layer as a contact surface to the medium to be examined
  • the measuring surface comprises a metallic surface coating on which
  • This layer may comprise, for example, gold, silver, copper or aluminum.
  • a gold-containing layer is provided as the metallic layer in the contact region.
  • the optical element can have different shapes
  • the optical includes
  • Element additionally an optical grid for
  • optical element may be formed, for example, plane-parallel, which allows cost-effective production.
  • the interface is not flat, but wavy.
  • the device according to the invention is the optical element directly with the tip of a polarization-maintaining
  • the optical element is directly on an obliquely formed
  • the angle of the oblique light exit surface to the optical axis of the glass fiber is preferably selected so that the conditions for a total reflection at the interface are given.
  • a major advantage of the invention is the fact that the measuring surface of the device can be made very small, for example, less than 1 mm 2 , preferably less than 0.1 mm 2 and more preferably less than 0.01 mm 2 .
  • the depth resolution of the device can be in a range of a few 100 nm up to a range of less than 100 nm.
  • the device according to the invention is very compact to produce and thus versatile.
  • the device according to the invention is particularly suitable for, for example, minimally invasive examinations.
  • the device can also be integrated micro-optically. At a high quality, among which in terms of resonance, a high photon density at the totally reflecting
  • Occurring optical losses in the measuring volume such as by scattering or absorption, can be achieved by an optical
  • Sensitivity can generate a high photon density in the measurement volume.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for illustrating the inventive Measuring method for determining the refractive index of a substance using an exemplary embodiment
  • Fig. 3a, 3b calculated reflection factors R as a function of the phase angle F for different
  • Fig. 4 exemplarily calculated half-widths
  • Fig. 5 exemplifies the intensity reflection spectrum of a Bragg structure with 15 AlAs GaAs
  • Fig. 6 shows the refractive index profile of the AlAs-GaAs Bragg reflector from FIG. 5 and the location-dependent progression of the field strength amplitude in the region of the Bragg reflector
  • FIG. 7 schematically shows a Bragg reflector according to FIG. 6 in front of an interface at which total reflection occurs, in a further embodiment in which a quantum film is inserted into the spacer layer of the Fabry-Perot resonator formed, via which optical losses or amplification to adjust,
  • Fig. 8 exemplarily calculated intensity reflection spectra of the structure of FIG. 7 for different refractive indices n of the adjacent medium to be examined
  • FIG. 10 shows exemplary calculated intensity reflection spectra for a structure according to FIG. 9 with a quantum film with a moderate gain of 400 / cm for different refractive indices of the adjacent medium to be examined, FIG.
  • FIG. 11 shows by way of example calculated intensity reflection spectra for a refractive index profile according to FIG. 9 with an additional gold coating at different thickness
  • FIG. 12 shows exemplary calculated intensity reflection spectra for gold layers on a GaAs Abstands harsh
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a measuring system for the examination of laterally structured bilayers, as they occur, for example, in biological cells or biosensors V ,
  • Fig. 14 calculated intensity reflection spectra of a
  • FIG. 15 shows a refractive index profile and a field distribution in FIG
  • Fig. 17 is a refractive index profile for an AlAs GaAs
  • Fig. 18 calculated intensity reflection spectra for a
  • 19 is a diagram of a measuring system, which a
  • Fig. 20 shows an embodiment of a refractometer
  • Fig. 21 shows schematically a device for measuring the
  • Fig. 22 shows schematically a device for measuring the
  • Fig. 23 schematically shows an embodiment of a
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a
  • Section of a device 1 for measuring at least one feature of a medium to be examined
  • This illustration serves to illustrate the measuring method according to the invention for determining the refractive index of a medium or substance 10 to be examined.
  • Receiving device is intended to provide an optical image of the interface for the determination of the lateral refractive index distribution with high resolution
  • the evaluation can be integrated, which by means of stored algorithms a
  • FIG. 1 To explain the method is shown in FIG. 1
  • the optical element 20 is embodied in the example as a high refractive prism and thus comprises one in the
  • planar interface 24 which is in direct contact with the medium 10 to be examined during the measurement.
  • This boundary surface 24 is formed by the Bragg reflector 22 and also planar in the example
  • Spacer layer 23 is formed.
  • the Bragg reflector 22, the spacer layer 23 and the interface 24 together form a Fabry-Perot resonator 21.
  • Light wave 30 is shown at the reflection point 25.
  • 6 gr is here meant the critical angle to the optical axis 34, under which the condition for a total reflection is given. Accordingly, a reflected light wave 31, which represents the measuring beam, results from the coupled-in light wave 30. In this case, this reflected light wave 31 undergoes a polarization-dependent phase rotation.
  • phase rotation at the interface can be at a known angle of incidence 0 j and known
  • refractive index of the optical element determine the refractive index of the adjacent medium 10.
  • Fig. 2 is an example by total reflection
  • FIGS. 3a and 3b show calculated reflection factors R as a function of the phase angle F for different ones
  • the resonance wavelengths are included
  • Resonator length ie layer thickness, L from.
  • the resonator core is formed by the total reflection interface and the first layer boundary of the Bragg reflector. Due to the penetration depth of the light wave into the Bragg reflector, these adjacent layers can also be counted with the resonator core.
  • negative values of a are in the range
  • Planar layer systems as present in the inventive Fabry-Perot resonator of the optical element 20, are expediently using the transfer matrix method
  • field intensity and intensity reflection spectra as well as spatial characteristics of field strength, intensity and photon density can be used with this method
  • InGaAlAs Indium gallium aluminum arsenide
  • the reflector on the light input side can preferably be realized as an AlAs-GaAs Bragg reflector which is embedded in GaAs as a spacer layer 23.
  • Fig. 5 illustrates the intensity reflection spectrum of such a mirror structure for TE and TM waves
  • TE-wave here means a transverse electric wave
  • TM-wave means a transverse-magnetic wave
  • Propagation direction disappears in the former wave, the electrical component in the propagation direction, while the magnetic component values can assume unequal to 0, in the latter wave disappears only the magnetic component in the propagation direction, while the electrical component can assume values not equal to zero.
  • the reflector is designed in this embodiment for a center wavelength of about 1060 nm and consists of 15 AlAs-GaAs mirror pairs with thicknesses of 110 nm for the individual AlAs layers of refractive index 3.0 and 80 nm for the individual GaAs layers of the refractive index 3.6.
  • FIG. 6 shows the course of the location-dependent electric field strength amplitude calculated in the region of the Bragg reflector 22 for maximum reflection. Also marked is the refractive index profile. The reflection forms in front of and in the Bragg structure
  • Field strength is proportional to the spatial photon density, so that from FIG. 6, the distribution of the temporal
  • FIG. 7 schematically shows a Bragg reflector 22 according to FIG. 6 in a further embodiment of the optical element 30 in front of an interface 24 on which total reflection takes place.
  • the spacer layer 23 of the formed Fabry-Perot resonator 21 a quantum well (QW) 26 may be inserted, which is responsible for optical loss or gain.
  • the spacer layer consists of GaAs and comprises an 8 nm-thick InGaAs-GaAs quantum film.
  • FIG. 8 shows exemplary calculated intensity reflection spectra of the structure of FIG. 7 for FIG.
  • the spacer layer in the present example has a thickness of 25 nm, the quantum film has an absorption coefficient of 600 / cm. There are sharp resonance decays, which become longer with increasing refractive index n
  • FIGS. 9a and 9b show refractive index profiles and typical location-dependent courses of the electric field strength
  • FIG. 9a for a wavelength outside the resonance
  • FIG. 9b for a resonance wavelength
  • Fig. 10 are calculated intensity reflection spectra for a structure of Fig. 9a or 9b with a
  • Refractive index for example, in the range of 1.30 to 1.36, which for many chemical and biological systems of
  • biomolecules are to be functionalized on the surface, a further one is offered
  • Intensity reflectance spectra are shown for a refractive index profile of Figure 9a or 9b with an additional gold coating having a thickness of 0.1 nm, 0.3 nm, 0.6 nm, 1.0 nm and 1.5 nm.
  • Intensity reflection factor R of a gold layer on GaAs semiconductor material shown as a spacer layer from which the increase in losses is derived with increasing metal layer thickness.
  • Layer thicknesses are by way of example still a 2.0 nm thick
  • Fig. 13 shows schematically a representation of a
  • information about the two-dimensional refractive index distribution of the medium to be analyzed near the interface can be obtained.
  • evanescent field allows a depth resolution of a few 100 nm.
  • a prism 20 turns off
  • Z calibrate reference 42 is a projection of the reflected wave 41 shown.
  • the medium 11 to be examined has two regions 12 with a refractive index n to be analyzed. This refractive index n thus differs from the refractive index n buik of the surrounding material of the medium 11 to be investigated, which in the example is a water layer .
  • Fig. 14 shows calculated intensity reflection spectra of a structure of Fig. 13 having a thickness of 100 nm Transitional layer, which is in front of an extended
  • Transition layer may be, for example, a biological cell, the refractive index of which is the medium of the 11th
  • Quantum film of 400 / cm, refractive indices on the surface can be determined significantly better than the third place after the decimal point, ie significantly better than 0.1%.
  • FIG. 1 Field distribution including refractive index profile for such an embodiment of the invention is shown in FIG.
  • Fig. 15 shows a refractive index profile and a
  • a higher gain by the Quantum film provided, which is in the example at 1,500 / cm.
  • Fig. 17 shows a refractive index profile for an AlAs-GaAs Bragg reflector with InGaAs GaAs reinforcing
  • InGaAs indium gallium arsenide
  • the refractive index profile shown is designed for an AlAs GaAs Bragg reflector with 15 mirror pairs, GaAs spacer layer with 10 nm thick InGaAs quantum film and 20 ° light incidence angle and TE polarization.
  • the field distribution of the TE polarized electric field is calculated for resonance.
  • FIG. 18 shows calculated intensity reflectance spectra corresponding to structures of FIG. 17 and various
  • Resonant wavelength of about 33 and 100 .mu.m, which when amplified by the quantum film of 1,550 / cm in
  • Quantum film can still be resolved clearly. It is also possible to prove pressure dependencies. Measurements in the spectral environment of absorption lines additionally provide information about the gas composition.
  • Devices according to the invention for measuring at least one feature of a medium to be examined preferably for measuring the refractive index of the medium, ie resonant refractometers as explained above, are not limited to the incidence of plane light waves.
  • Cylindrical divergent monochromatic light beam 50 used for irradiation in the resonator is Cylindrical divergent monochromatic light beam 50 used for irradiation in the resonator.
  • Fig. 19 shows schematically a representation of a
  • Cylindrical divergent monochromatic light beam 50 for irradiation in the Fabry-Perot resonator 21 uses.
  • the projection 52 of the reflected light wave 51 produces, depending on the resonance collapse or resonance peaking in the reflected light wave 51, angle-dependent dark or light stripes. The same applies to a convergent one incident light beam, in particular for
  • Convergent beam path devices 1, 2 can also be used as a reinforcing element in a laser with external mirrors.
  • optical grating structures offer as an optical element, which use diffracted light in a higher order for analysis.
  • FIG. 20 therefore shows schematically a representation of a section of a further embodiment of a
  • Device 3 for measuring at least one feature of a medium to be examined 10, preferably for measuring the refractive index of the medium 10, which with a
  • the optical element 60 is made high-refractive in the example and includes GaAs as the base material.
  • the optical element 60 is further with two
  • the first surface is the one over which during the measurement electromagnetic radiation 70 of the wavelength A t is coupled, and wherein the
  • the second surface accordingly comprises a Fabry-Perot resonator 61.
  • the second surface is additionally formed with an absorber layer 65, which surrounds the Fabry-Perot resonator 61.
  • the first one is
  • Surface of the optical element 60 is provided with an antireflection coating 63, which surrounds the optical grating 62 a, 62 b in the example.
  • the Fabry-Perot resonator 61 can be designed as shown using the exemplary embodiments explained above.
  • it comprises a Bragg reflector and a
  • Quantum film For the optical excitation of the gain or control of the losses in the quantum well, for example, a vertically incident, unpolarized or a TE or TM polarized pump wave l r 75 can be used.
  • the light wave 70 from the radiation source (not limited to
  • Lattice constant is preferably chosen so that the deflection of the light wave 70 is so strong that the
  • deflected light wave at an angle which is greater than the critical angle of total reflection is directed to the Fabry-Perot resonator 61.
  • the reflected light wave becomes two when passing the optical grating 62b
  • Device for measuring at least one feature of a medium to be examined, preferably for measuring the refractive index of the medium
  • fiber optic light guides also as optical fibers
  • optical fibers can guide the electromagnetic radiation from a light source to the optical element 20 and / or from this back to the receiving device. Due to their compact construction, such embodiments are particularly suitable for minimally invasive examinations.
  • FIGS. 21 and 22 two such embodiments are shown purely by way of example.
  • Fig. 21 shows schematically a section of a
  • Device 4 for measuring the refractive index of a medium with a prism as a refractometer at the tip of a single-mode optical fiber and with the return of the measuring beam via a multimode fiber.
  • the optical element 20 according to the invention is at the tip of a single-mode optical fiber 81 in the example
  • the device 4 further has an arrangement for returning the coupled and reflected light wave over a
  • the optical element 20 is formed in this example as a high refractive prism and at the Tip of the polarization-maintaining single-mode optical fiber 81 mounted.
  • the light beam 90 coupled into the single-mode optical fiber 81 is reflected after reflection
  • Measuring beam 91 is fed back via the multimode fiber 84 and can be detected by means of the receiving device (not shown).
  • the optical element 20 is based on the material GaAs.
  • the embodiment based on a GaAs prism also allows optical amplification in the resonator region of the optical element when a pumping wave is irradiated by the single-mode optical fiber 81.
  • the optical element 20 has in the example a Fabry-Perot resonator 21 and an AlGaAs-GaAs Bragg reflector 22. Further, the optical element 20 is at its light entrance and at its
  • Light exit side provided with an anti-reflection layer 87.
  • the single-mode optical fiber 81 comprises a core 82, which is surrounded by a jacket 83.
  • the multi-mode fiber 84 includes a core 85 and a cladding 86.
  • the light entrance surface of the multimode fiber 84 has an angle to the optical axis of the multimode fiber 84 of 45 ° so that radially incoming, reflected light from the optical element 20 can be exactly coupled into the core 85.
  • the reflectivity of this interface can be significantly increased for example by a few nm thick gold layer. If the reflection surface of the GaAs prism has an angle f not equal to 45 ° to the optical axis of the single-mode fiber, the reflection surface of the multimode fiber should be set to the angle 90 ° -cp.
  • Fig. 22 shows schematically a section of a
  • the illustrated device 5 for measuring the refractive index of a medium comes out without an additional optical element.
  • the tip of a single mode optical fiber 101 comprising a core 102 and a cladding 103 is provided with a light exit surface inclined at 45 ° to the optical axis.
  • the light exit surface comprises a directly applied Fabry-Perot resonator 21 and
  • the light exit surface of the single-mode optical fiber 101 is already particularly advantageously the measuring surface of the device 5 available.
  • the return of the measuring beam 91 takes place via a multimode fiber 84.
  • the optical element as a dielectric refractometer is directly on the oblique ground light exit surface of the single-mode glass fiber can be applied. It is advantageous in this embodiment
  • a likewise advantageous development of the invention lies in another embodiment of the interface to the medium to be examined 10. The losses for a
  • totally reflected waves can also be achieved by a relief-like design of the interface
  • the interface is thus not planed in the contact area to the medium to be examined, but for example in the form of a sine wave.
  • Fig. 23 shows schematically a section of a
  • the optical element 120 is formed with a sinusoidally wavy boundary surface 124.
  • the light deflected into the 1st diffraction order can be used to image the interface. If the amplitude a of the sine wave is small, that is to say a l ( ⁇ ⁇ - n) / (nn t ), then the disturbance can be approximated as optical
  • Phase gratings are described. If the period d of the sine wave d ⁇ l / ⁇ 2n), then higher orders of diffraction can be used only propagate in the higher refractive material, so only in reflection.
  • Diffraction order propagates in the direction of the optical axis orthogonal to the Bragg planes. About that in the +1.
  • Diffraction order deflected light can thus be the
  • Concentrate angle of incidence which can be achieved by suitable design of the Bragg reflector, especially by low refractive index differences in the constituent Bragg mirror pairs.
  • the refractive index of the medium preferably for measuring the refractive index of the medium, are designed very small. In the exemplary embodiments according to FIG. 21 or FIG. 22, for example, they can be significantly less than 1 mm 2 . Likewise it is also possible, the
  • the depth resolution of the device is in a range of a few 100 nm up to a range of less than 100 nm.
  • the devices according to the invention explained above are particularly suitable for minimally invasive examinations.
  • the devices can also be integrated micro-optically.
  • the refractive index of the medium to be investigated can be determined with high precision.
  • Sensitivity can generate a high photon density in the measurement volume.

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Abstract

The present invention relates to a method for measuring at least one feature in a medium to be examined, preferably for determining the refractive index of the medium. The invention also relates to a device suitable for determining the refractive index of a medium, comprising an optical element suitable for carrying out the method. The optical element comprises a defining surface which is designed to come into direct contact with the medium to be examined during measurement, said defining surface of the optical element being provided with a layer system acting as a resonator, which enables multiple reflections for incident electromagnetic radiation.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Brechungsindex eines Mediums Method and device for determining the refractive index of a medium
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Messung wenigstens eines Merkmals in einem zu The present invention generally relates to a method for measuring at least one feature in a
untersuchenden Medium, vorzugsweise zur Bestimmung des Brechungsindex des Mediums. Die Erfindung betrifft ferner eine für die Bestimmung des Brechungsindex eines Mediums geeignete Vorrichtung, umfassend ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes optisches Element. investigating medium, preferably for determining the refractive index of the medium. The invention further relates to a device suitable for determining the refractive index of a medium, comprising an optical element suitable for carrying out the method.
Zur Bestimmung des Brechungsindex von transparenten Medien sind verschiedene Vorrichtungen, insbesondere For determining the refractive index of transparent media are various devices, in particular
Refraktometer, bekannt. Das zugrundeliegende Prinzip eines Refraktometers nutzt allgemein das Verhalten von Licht am Übergang zwischen einem Prisma mit bekannten Eigenschaften und dem zu untersuchenden Medium. Refractometer, known. The underlying principle of a refractometer generally uses the behavior of light at the junction between a prism with known properties and the medium to be examined.
Die vielfältigen Einsatzfelder von Refraktometern in der chemischen, pharmazeutischen und optischen Industrie, auch der Mikroelektronik, Fluidik, Biotechnologie und Medizin haben ein breites Spektrum von Verfahren zur Messung des Brechungsindex hervorgebracht. Bekannte Methoden nutzen beispielsweise Lichtablenkung in Prismen, Brewsterwinkel , Grenzwinkel der Totalreflexion, materialabhängige The diverse applications of refractometers in the chemical, pharmaceutical and optical industries, including microelectronics, fluidics, biotechnology and medicine have produced a wide range of refractive index measurement techniques. Known methods use, for example, light deflection in prisms, Brewster angle, critical angle of total reflection, material-dependent
Interferenzeffekte in Fabry-Perot, Mach-Zehnder oder Interference effects in Fabry-Perot, Mach-Zehnder or
Michelson-Anordnungen oder integriert-optischen Michelson arrangements or integrated optical
Wellenleitern, Stoffabhängige Ausbreitung evaneszenter Felder in photonischen Kristallen, dielektrischen Photonic- Bandgap-Wellenleitern oder Mikroresonatoren, schließlich Plasmonenresonanzen in dielektrisch beaufschlagten Waveguides, substance-dependent propagation of evanescent fields in photonic crystals, dielectric photonic bandgap waveguides or microresonators, finally Plasmon resonances in dielectric loaded
metallischen Wellenleitern und Vieles mehr. metallic waveguides and much more.
Die Druckschrift DE 10 2008 014 335 Al beschreibt etwa eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer The document DE 10 2008 014 335 A1 describes about a device and a method for determining a
Brechzahl eines Messobjekts. Hierzu wird ein opto Refractive index of a test object. This is an opto
elektronischer Sensor vorgestellt. presented electronic sensor.
Auch das Dokument DE 10 2009 055 737 Al beschreibt eine optische Vorrichtung zur Erzeugung einer störfähigen internen Totalreflexion. The document DE 10 2009 055 737 A1 also describes an optical device for generating a disturbing internal total reflection.
Ein nach wie vor häufig zur Brechzahlmessung eingesetztes Gerät ist das Abbe-Refraktometer, das allerdings auch in seinen neueren Varianten Messflächen von typisch deutlich über einem Quadratmillimeter aufweist. A device that is still frequently used for measuring refractive indices is the Abbe refractometer, which, however, even in its newer variants has measuring surfaces of typically well over one square millimeter.
Bei vielen Anwendungen in der Chemie, Nahrungsmittel-, Kunststoff-, Papier-, Zellstoff-, oder Pharmaindustrie haben die zu untersuchenden Substanzen Brechungsindizes im Bereich zwischen 1.3 und 1.7. Beispielsweise liegen die konzentrations- und temperaturabhängigen Brechzahlen der elektrolytischen Lösungen NaCl, KCl und CaCl2, der polaren Glukose-Lösung, der unpolaren Ethylacetat-Lösung und der Protein-Lösung Bovin Serum Albumin für gebräuchliche In many applications in the chemical, food, plastics, paper, pulp or pharmaceutical industry, the substances to be investigated have refractive indices ranging between 1.3 and 1.7. For example, the concentration and temperature-dependent refractive indices of the electrolytic solutions NaCl, KCl and CaCl 2, the polar glucose solution, the nonpolar ethyl acetate solution and the protein solution bovine serum albumin are common
Konzentrationen zwischen n = 1.32 und n = 1.42, wie etwa dem Dokument Chan-Yuan Tan, Yao-Xiong Huang: "Dependence of Refractive Index on Concentration and Temperature in Concentrations between n = 1.32 and n = 1.42, such as the document Chan-Yuan Tan, Yao-Xiong Huang: "Dependence of Refractive Index on Concentration and Temperature in
Electrolyte Solution, Polar Solution, Nonpolar Solution, and Protein Solution", J. Chem. Eng. Data, 2015, 60, pagesElectrolyte Solution, Polar Solution, Nonpolar Solution, and Protein Solution, J. Chem. Eng. Data, 2015, 60, pages
2827-2833, zu entnehmen ist. Die Brechungsindizes von biologischem Gewebe können über einen recht weiten Bereich variieren. Graue Zellen im 2827-2833, can be seen. The refractive indices of biological tissue can vary over a fairly wide range. Gray cells in the
Gehirn haben zum Beispiel eine mittlere Brechzahl von n = 1.395 und weiße Zellen liegen bei n = 1.410, wie etwa der Druckschrift Steven L Jacques: "Optical properties of biological tissues: a review", Phys . Med. Biol. 58 (2013)Brain, for example, has an average refractive index of n = 1,395 and white cells are at n = 1,410, such as Steven L Jacques: "Optical properties of biological tissues: a review", Phys. Med. Biol. 58 (2013)
R37-R61, zu entnehmen ist. R37-R61.
Krankheitsbedingt werden auch höhere Brechzahlen bis etwa n = 1.48 beobachtet. Noch höhere Brechzahlen treten zum Due to illness, higher refractive indices up to n = 1.48 are also observed. Even higher refractive indices occur
Beispiel in Gläsern, Keramiken und Halbleitern auf. Bei Metallen ist zusätzlich die starke Absorption von Example in glasses, ceramics and semiconductors. For metals, in addition, the strong absorption of
Bedeutung . Meaning .
Vor diesem Hintergrund ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals in einem zu untersuchenden Against this background, it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for measuring at least one feature in a subject to be examined
Medium, vorzugsweise zur Bestimmung des Brechungsindex des Mediums, zur Verfügung zu stellen. Medium, preferably to determine the refractive index of the medium to provide.
Die Bestimmung des Brechungsindex von extrem kleinen The determination of the refractive index of extremely small
Materialvolumina soll dabei möglich sein. Die Vorrichtung soll zudem mikrooptisch integrierbar sein. Material volumes should be possible. The device should also be integrated micro-optically.
Ferner soll das Verfahren durch Streuung oder Absorption auftretende optische Verluste im Messvolumen durch eine optische Verstärkung im Messsystem kompensieren. Furthermore, the method should compensate by scattering or absorption occurring optical losses in the measurement volume by an optical gain in the measuring system.
Zur Steigerung der Empfindlichkeit soll eine hohe To increase the sensitivity is a high
Photonendichte im Messvolumen generiert werden können. Schließlich soll auch eine hohe zweidimensionale laterale Ortsauflösung ermöglicht werden. Photon density can be generated in the measurement volume. Finally, a high two-dimensional lateral spatial resolution is to be made possible.
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals in einem zu untersuchenden Medium, vorzugsweise zur This object is surprisingly simple by a method and a device for measuring at least one feature in a medium to be examined, preferably for
Bestimmung des Brechungsindex des Mediums, nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Determination of the refractive index of the medium, solved according to one of the independent claims.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Preferred embodiments and further developments of
Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Invention are to be taken from the respective subclaims.
Die Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, umfasst dabei vorzugsweise ein erfindungsgemäßes optisches Element, welches für die The device for measuring at least one feature of a medium to be examined, preferably for measuring the refractive index of the medium, preferably comprises an optical element according to the invention, which is suitable for the
Verwendung in der Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, geeignet ist. Use in the device for measuring at least one feature of a medium to be examined, preferably for measuring the refractive index of the medium, is suitable.
Das optische Element umfasst dabei vorzugsweise zumindest eine Grenzfläche, welche ausgebildet ist, flächig einen direkten Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium während der Messung zu bilden, wobei In this case, the optical element preferably comprises at least one interface, which is designed to form a flat area of direct contact with the medium to be examined during the measurement, wherein
zumindest ein Teil dieser Grenzfläche des optischen at least part of this interface of the optical
Elements eine Messfläche darstellt, und Elements represents a measuring surface, and
wobei diese Grenzfläche des optischen Elements mit einem als Resonator wirkenden Schichtsystem ausgestattet ist, welcher bei einer schräg auf die Grenzfläche auftreffenden elektromagnetischen Strahlung bei derjenigen Strahlung, welche unter einem Winkel, der größer ist als der wherein this interface of the optical element is equipped with a layer system which acts as a resonator and which acts on an electromagnetic radiation incident obliquely on the boundary surface in the case of the radiation, which is at an angle greater than that
Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche, zwischen dem optischem Element und dem zu untersuchenden Medium Mehrfachreflexionen dieser Strahlung bewirkt, so dass sich Resonanzen in dem Schichtsystem ausbilden können. Limit angle of the total reflection at the interface between the optical element and the medium to be examined causes multiple reflections of this radiation, so that resonances can form in the layer system.
Die Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, kann dabei neben dem optischen Element eine Strahlungsquelle und eine Empfangseinrichtung umfassen, wobei The device for measuring at least one feature of a medium to be examined, preferably for measuring the refractive index of the medium, may comprise, in addition to the optical element, a radiation source and a receiving device, wherein
die Strahlungsquelle ausgebildet ist zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung und Einkoppeln dieser the radiation source is designed to emit electromagnetic radiation and couple it
Strahlung in das optische Element, und wobei Radiation in the optical element, and wherein
die Empfangseinrichtung ausgebildet ist, an der Grenzfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen. the receiving device is designed to receive electromagnetic radiation reflected at the interface.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, kann dabei die vorstehend genannte Vorrichtung und das vorstehend genannte optische Element umfassen. Das Verfahren kann zur The method according to the invention for measuring at least one feature of a medium to be investigated, preferably for measuring the refractive index of the medium, may comprise the abovementioned apparatus and the aforementioned optical element. The method can be used for
Durchführung der Messung die folgenden Schritte umfassen: Performing the measurement includes the following steps:
- für die Messung steht das optische Element an der Grenzfläche in direktem Kontakt mit dem Medium,for the measurement, the optical element is in direct contact with the medium at the interface,
- elektromagnetische Strahlung wird in das optische Element derart eingekoppelt, dass sie an der Grenzfläche unter einem Winkel auftrifft, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche, - eine Totalreflexion dieser eingekoppelten Strahlung entsteht an der Grenzfläche zwischen dem optischen Element und dem Medium, electromagnetic radiation is coupled into the optical element in such a way that it impinges at the interface at an angle which is greater than the limit angle of total reflection at the interface, a total reflection of this coupled radiation arises at the interface between the optical element and the medium,
- wodurch es zu Mehrfachreflexionen kommt und wodurch sich Resonanzen in dem Schichtsystem des optischen Elements ausbilden, deren spektrale und  - Which leads to multiple reflections and which forms resonances in the layer system of the optical element whose spectral and
richtungsabhängige Lage durch die  directional situation by the
Empfangseinrichtung gemessen wird.  Receiving device is measured.
Von Vorteil ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche zur Bestimmung der Brechzahl des zu untersuchenden Mediums verwendet wird. Diese kann in die Empfangseinrichtung integriert sein. Zum Empfang der elektromagnetischen Advantageously, an evaluation unit is provided, which is used to determine the refractive index of the medium to be examined. This can be integrated in the receiving device. To receive the electromagnetic
Strahlung kann die Empfangseinrichtung mit einem geeigneten Sensor, beispielsweise einem Photosensor, ausgestattet sein . Radiation, the receiving device with a suitable sensor, such as a photosensor, be equipped.
Die von der Strahlungsquelle abgegebene elektromagnetische Strahlung wird nachfolgend auch als Licht bezeichnet. The electromagnetic radiation emitted by the radiation source is also referred to below as light.
Sofern also von Licht oder Lichtwellen gesprochen wird, ist hierunter elektromagnetische Strahlung zu verstehen, die damit nicht unbedingt nur im sichtbaren Wellenlängenbereich liegen muss, sondern beispielsweise auch in den  So if one speaks of light or light waves, this is to be understood as electromagnetic radiation, which therefore does not necessarily have to lie only in the visible wavelength range, but for example also in the
angrenzenden Wellenlängenbereichen. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle so ausgebildet, dass sie monochromatisches Licht und besonders bevorzugt ein zylindrisch divergentes oder konvergentes monochromatisches Lichtbündel in Richtung des optischen Elements aussenden kann. adjacent wavelength ranges. Preferably, the radiation source is designed so that it can emit monochromatic light and more preferably a cylindrically divergent or convergent monochromatic light beam in the direction of the optical element.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt schräge The inventive device uses oblique
Lichtwellenausbreitung in dem ultrakurzen, hochbrechenden Resonator des optischen Elements, wobei der Begriff „ultrakurz" in diesem Zusammenhang eine sehr geringe Länge des Resonators meint. Das Schichtsystem des optischen Elements kann hierzu von Vorteil einen Fabry-Perot- Resonator umfassen. Das zugrundeliegende Prinzip eines Fabry-Perot-Resonators beruht darauf, dass ein optischer Resonator aus zwei teildurchlässigen Spiegeln gebildet wird. Ein eintreffender Lichtstrahl wird nur dann durch diese Spiegel geleitet, wenn er die Resonanzbedingung der Spiegel erfüllt. In diesem Schichtsystem kann überraschend einfach ein gezielter optischer Verlust oder Gewinn eingestellt werden, so dass die Messgenauigkeit deutlich verbessert werden kann. Dieses Prinzip macht sich die Erfindung zunutze. Light wave propagation in the ultra-short, high-refractive The term "ultrashort" in this context means a very small length of the resonator, the optical system layer system may advantageously comprise a Fabry-Perot resonator for this purpose, based on the underlying principle of a Fabry-Perot resonator An incident light beam is guided through these mirrors only if it fulfills the resonance condition of the mirrors In this layer system, a targeted optical loss or gain can be set surprisingly simply, so that the measurement accuracy can be significantly improved.This principle makes use of the invention.
Das optische Element kann vorteilhaft eine weitere The optical element may advantageously be another
Oberfläche umfassen, durch die die elektromagnetische Strahlung eingekoppelt werden kann. Diese Fläche kann mit einem dielektrischen Reflektor ausgestattet sein. Include surface through which the electromagnetic radiation can be coupled. This surface can be equipped with a dielectric reflector.
Die Intensität des vom optischen Element insgesamt The intensity of the total optical element
reflektierten Lichts hängt dann ab von der Wellenlänge, dem Einfallswinkel und insbesondere der Phasenverschiebung bei der Totalreflexion. Durch Mehrfachreflexionen können sich in dem Resonator in besonders vorteilhafter Weise reflected light then depends on the wavelength, the angle of incidence and in particular the phase shift in the total reflection. By multiple reflections can be in the resonator in a particularly advantageous manner
Resonanzen ausbilden, deren spektrale und Form resonances, their spectral and
richtungsabhängige Lage die Bestimmung der Brechzahl des zu untersuchenden Mediums gestattet. Direction-dependent position allows the determination of the refractive index of the medium to be examined.
Mit zunehmender Entdämpfung und einhergehender abnehmender Halbwertsbreite der Resonanz wächst dabei in höchst vorteilhafter Weise die Messgenauigkeit der With increasing attenuation and associated decreasing half-width of the resonance grows in the highest Advantageously, the measurement accuracy of the
erfindungsgemäßen Vorrichtung. In das zu untersuchende Medium dringt dabei nur der evaneszente Teil der Device according to the invention. In the medium to be examined penetrates only the evanescent part of
eingekoppelten Lichtwelle ein, womit besonders kleine coupled light wave, which is particularly small
Messvolumina gewährleistet sind. In Resonanz kommt es zu einer signifikanten Erhöhung der Photonendichte bzw. der elektrischen Feldstärke im evaneszenten Teil der Measuring volumes are guaranteed. In resonance, there is a significant increase in the photon density or the electric field strength in the evanescent part of the
Lichtwelle, so dass die Anordnung sehr empfindlich auf grenzflächennahe Änderungen des Brechungsindex reagiert, was insbesondere für Anwendungen im Bereich der Biosensorik von hoher Bedeutung ist. Light wave, so that the arrangement is very sensitive to near-surface changes in the refractive index, which is particularly important for applications in the field of biosensors of great importance.
Durch optische Abbildung der Grenzfläche ist die Bestimmung der lateralen Brechungsindexverteilung mit hoher Auflösung möglich. Hierzu ist die Empfangseinrichtung vorgesehen, in welche die Auswerteeinheit integriert sein kann, welche mittels hinterlegten Algorithmen eine Auswertung der durch die Empfangseinrichtung empfangenen Bilder ermöglicht. By optical imaging of the interface, the determination of the lateral refractive index distribution with high resolution is possible. For this purpose, the receiving device is provided, in which the evaluation unit can be integrated, which allows using algorithms stored an evaluation of the received by the receiving device images.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Brechzahl nj des hochbrechenden Materials des optischen Elements als bekannt angenommen. Unter hochbrechend wird eine Brechzahl nj verstanden, welche wenigstens bei nj = 1.8, bevorzugt bei nj > 3.0 und besonders bevorzugt bei nj > For the application of the method according to the invention, the refractive index n j of the high refractive index material of the optical element is assumed to be known. By high-refractive index is meant a refractive index n j which is at least at n j = 1.8, preferably at n j > 3.0 and more preferably at n j >
3.5 liegt. Die Brechzahl des zu untersuchenden Mediums ist von Vorteil niedriger als die Brechzahl des optischen  3.5 lies. The refractive index of the medium to be examined is advantageously lower than the refractive index of the optical medium
Elements. Daher gilt für das Verhältnis der Brechzahl des zu untersuchenden Mediums n zu der Brechzahl des optischen Elements: n < nj . Die Brechzahl des zu untersuchenden Element. Therefore, for the ratio of the refractive index of the medium to be examined n to the refractive index of the optical element: n <n j . The refractive index of the examined
Mediums kann beispielsweise in einem Bereich zwischen n =Medium can, for example, in a range between n =
1.3 und n =1.7 liegen. In das Schichtsystem können in einer bevorzugten 1.3 and n = 1.7 are. In the layer system can in a preferred
Ausführungsform der Erfindung optische Verluste oder optische Verstärkung gezielt eingebracht werden. An der Grenzfläche zu dem niedrig brechenden Medium tritt unter bestimmten Umständen eine Totalreflexion der eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung auf. Der Lichteinfall erfolgt dabei vorzugsweise unter einem vorbestimmten, schrägen Winkel zur optischen Achse des optischen Elements. Das eingekoppelte Licht fällt also in anderen Worten unter einem vorbestimmten Winkel auf das Schichtsystem, wobei dieser Winkel vorzugsweise so ausgewählt ist, dass die Bedingungen für eine Totalreflexion an der Grenzfläche gegeben sind. Hierdurch kann die Mehrfachreflexion dieser Strahlung bewirkt werden, so dass sich Resonanzen in dem Schichtsystem ausbilden können. Embodiment of the invention optical losses or optical amplification can be introduced selectively. At the interface with the low refractive medium, under certain circumstances, total internal reflection of the coupled electromagnetic radiation occurs. The incidence of light preferably takes place at a predetermined, oblique angle to the optical axis of the optical element. In other words, the coupled-in light is incident on the layer system at a predetermined angle, this angle preferably being selected such that the conditions for a total reflection at the interface are given. In this way, the multiple reflection of this radiation can be effected, so that resonances can form in the layer system.
Bevorzugt umfasst das Schichtsystem an der Grenzfläche des optischen Elements einen dielektrischen Spiegel, also einen Bragg-Reflektor . Die Resonatorlänge, demnach also die Dicke des den Resonator bildenden Schichtsystems , beträgt The layer system preferably comprises a dielectric mirror, that is to say a Bragg reflector, at the interface of the optical element. The resonator length, that is to say the thickness of the layer system forming the resonator, is
bevorzugt nur wenige Mikrometer. preferably only a few microns.
Das zu untersuchende Medium kann beispielsweise eine transparente Substanz sein und befindet sich im The medium to be examined may be, for example, a transparent substance and is located in the
evaneszenten Feld im Fall einer an der Grenzfläche evanescent field in the case of one at the interface
totalreflektierten Lichtwelle. In dem Resonator können während einer Messung Verluste oder Verstärkung auftreten, die zu charakteristischen Intensitätsänderungen im totally reflected light wave. In the resonator, losses or amplification may occur during a measurement resulting in characteristic intensity changes in the resonator
reflektierten Messstrahl führen und so die lead reflected measuring beam and so the
Auswertemöglichkeiten verbessern. Als Messstrahl wird dabei dasjenige Licht verstanden, welches nach Reflexion an der Grenzfläche das optische Element verlässt und von der Improve evaluation options. As a measuring beam is doing understood that light which leaves the optical element after reflection at the interface and of the
Empfangseinrichtung empfangen werden kann. Die gemessenen Intensitätsänderungen hängen von der Wellenlänge, dem Receiving device can be received. The measured intensity changes depend on the wavelength, the
Einfallswinkel der Lichtwelle und insbesondere von der brechungsindexabhängigen Phasenverschiebung der Lichtwelle bei der Totalreflexion ab. Angle of incidence of the light wave and in particular of the refractive index-dependent phase shift of the light wave in the total reflection from.
Das Schichtsystem an der Grenzfläche des optischen Elements kann Galliumarsenid-Schichten umfassen, die aufgrund ihrer hohen Brechzahl besonders geeignet sind. Der Bragg- Reflektor kann von Vorteil aus einem Halbleiter- Schichtsystem wie zum Beispiel AlGaAs-GaAs The layer system at the interface of the optical element may comprise gallium arsenide layers, which are particularly suitable because of their high refractive index. The Bragg reflector can be advantageously made of a semiconductor layer system such as AlGaAs GaAs
(Aluminiumgalliumarsenid-Galliumarsenid) , InGaAsP-InP ( Indiumgalliumarsenidphosphid-Indiumphosphid) oder InAlGaN- GaN ( Indiumalluminiumgalliumnitrid-Galliumnitrid) gebildet sein und demnach über GaAs-Schichten und/oder AlAs- Schichten verfügen. Ein derartiger Bragg-Reflektor zeigt eine sehr hohe Reflektivität . InGaAsP-InP (indium gallium arsenide phosphide indium phosphide) or InAlGaN GaN (indium aluminum gallium nitride gallium nitride) may be formed and thus have GaAs layers and / or AlAs layers available (aluminum gallium arsenide gallium arsenide). Such a Bragg reflector shows a very high reflectivity.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann er auf der Basis des Materialsystems GaAs-AlAs (AlAs = Aluminiumarsenid) ausgebildet sein und beispielsweise über 15 GaAs-AlAs Bragg-Spiegelpaare verfügen. Allgemein kann ein geeigneter Bragg-Reflektor alternierende AlGaAs-Schichten mit In a preferred embodiment, it may be formed on the basis of the material system GaAs-AlAs (AlAs = aluminum arsenide) and have, for example, 15 GaAs-AlAs Bragg mirror pairs. In general, a suitable Bragg reflector can use alternating AlGaAs layers
unterschiedlichem Al-Gehalt umfassen. Es sind auch andere Ausführungsformen des Bragg-Reflektors denkbar, etwa eine variierende Zusammensetzung von Schicht zu Schicht oder aber mehrfach gestufte oder graduierte statt einfach gestufte Übergänge an den Grenzflächen. Das Schichtsystem kann vorteilhaft einen sogenannten include different Al content. Other embodiments of the Bragg reflector are also conceivable, for example a varying composition from layer to layer or multi-stepped or graduated instead of simply stepped transitions at the interfaces. The layer system may advantageously have a so-called
Quantenfilm umfassen, also eine Halbleiter-Schicht im Quantum film include, so a semiconductor layer in the
Nanometer-Dickenbereich. Nachfolgend wird von einem Nanometer thickness range. The following is from a
Quantenfilm gesprochen, wenn die Schichtdicke so gering ist, dass die Energieniveaus der sich im Film befindlichen Ladungsträger, also Elektronen oder Löcher, in merklicher Weise quantisiert sind, die Teilchen also durch das If the layer thickness is so small that the energy levels of the charge carriers in the film, ie electrons or holes, are appreciably quantized, the particles are thus quantified by the quantum film
Vorhandensein der Grenzflächen nicht mehr jeden Presence of interfaces no longer everyone
Energiezustand einnehmen können. Bei den erfindungsgemäß verwendeten Halbleiter-Materialsystemen für die Schicht ist dies in etwa für Dicken unterhalb von 15 nm der Fall. Can take energy state. In the case of the layered semiconductor material systems used according to the invention, this is the case for thicknesses below 15 nm.
Die den Quantenfilm bildenden Schichten können auf dem Materialsystem InGaAs-GaAs, GaAs-AlGaAs, InGaAsP-InP oder InAlGaN-GaN basieren und eine geringe Dicke aufweisen, bevorzugt eine Dicke von 15 nm oder weniger, besonders bevorzugt eine Dicke von 10 nm oder weniger. Durch den Quantenfilm, also die den Quantenfilm bildenden Schichten, kann ein Absorptionskoeffizient in dem Schichtsystem eingestellt werden. Der Absorptionskoeffizient ist dabei abhängig von der Wellenlänge der elektromagnetischen The quantum film forming layers may be based on the material system InGaAs GaAs, GaAs AlGaAs, InGaAsP InP or InAlGaN GaN and have a small thickness, preferably a thickness of 15 nm or less, more preferably a thickness of 10 nm or less. By the quantum film, that is, the layers forming the quantum film, an absorption coefficient in the layer system can be adjusted. The absorption coefficient is dependent on the wavelength of the electromagnetic
Strahlung. Für hohe Wellenlängen beispielsweise sinkt der Wert auf quasi Null, dann ist das Material transparent. Für Wellenlängen deutlich kürzer als die Bandkantenwellenlänge kann er auf einige 10.000 / cm steigen. Durch Radiation. For high wavelengths, for example, the value drops to almost zero, then the material is transparent. For wavelengths significantly shorter than the band edge wavelength, it can rise to some 10,000 / cm. By
Energiezufuhr, beispielsweise durch ein optisches Pumpen mit einer externen Laserquelle, kann der Quantenfilm aber auch in den Bereich der Verstärkung, also in einen Bereich einer negativen Absorption, gebracht werden. Die dabei erreichbaren Verstärkungswerte können in einem Bereich von Null bis wenige 1.000 / cm betragen. Der Quantenfilm kann demnach einen anregungsabhängigen positiven oder negativen Absorptionskoeffizienten von beispielsweise +/-400 / cm, +/-800 / cm oder +/-1.600 / cm aufweisen. Energy supply, for example by optical pumping with an external laser source, but the quantum well can also be in the range of the gain, ie in a range of negative absorption, brought. The achievable gain values can range from zero to a few thousand / cm. The quantum film can Accordingly, have an excitation-dependent positive or negative absorption coefficient of, for example +/- 400 / cm, +/- 800 / cm or +/- 1.600 / cm.
Auf das Schichtsystem kann ferner eine metallische Schicht als Kontaktfläche zu dem zu untersuchenden Medium  On the layer system can also be a metallic layer as a contact surface to the medium to be examined
aufgebracht sein. In anderen Worten, die Messfläche umfasst eine metallische Oberflächenbeschichtung, an der sich be upset. In other words, the measuring surface comprises a metallic surface coating on which
Biomoleküle leicht anlagern und funktionalisieren lassen. Diese Schicht kann beispielsweise Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium umfassen. Bevorzugt ist als metallische Schicht im Kontaktbereich eine goldhaltige Schicht vorgesehen. Lightly attach and functionalize biomolecules. This layer may comprise, for example, gold, silver, copper or aluminum. Preferably, a gold-containing layer is provided as the metallic layer in the contact region.
Das optische Element kann unterschiedliche Formen The optical element can have different shapes
aufweisen. Von Vorteil ist etwa eine Ausbildung als Prisma, da hier eine besonders einfache Strahlungslenkung möglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das respectively. An advantage is about training as a prism, since a particularly simple radiation control is possible here. In a preferred embodiment, the
Prisma plane Oberflächen, also auch eine plane Grenzfläche. Prisma plane surfaces, so also a plane interface.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das optische In another embodiment, the optical includes
Element zusätzlich ein optisches Gitter zur Element additionally an optical grid for
Strahlungslenkung. Dieses kann auf der Lichteintrittsseite aufgebracht sein und das eingekoppelte Licht in dem  Radiation steering. This can be applied to the light entrance side and the coupled light in the
vorbestimmten Winkel zu der Grenzfläche des optischen predetermined angle to the interface of the optical
Elements führen. In dieser Ausführungsform kann das Lead element. In this embodiment, the
optische Element beispielsweise planparallel ausgebildet sein, was eine kostengünstige Fertigung ermöglicht. optical element may be formed, for example, plane-parallel, which allows cost-effective production.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Grenzfläche nicht plan ausgeführt, sondern wellenförmig. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der In one embodiment of the invention, the interface is not flat, but wavy. In a particularly preferred embodiment of the
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das optische Element direkt mit der Spitze einer polarisationserhaltenden The device according to the invention is the optical element directly with the tip of a polarization-maintaining
Einmoden-Glasfaser verbunden, was eine sehr kompakte Single-mode optical fiber connected, which is a very compact
Bauform ermöglicht. Design allows.
In einer weiteren, ebenfalls besonders bevorzugten In another, also particularly preferred
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das optische Element direkt auf eine schräg ausgebildete Embodiment of the device according to the invention, the optical element is directly on an obliquely formed
Lichtaustrittsfläche einer polarisationserhaltenden Light exit surface of a polarization-maintaining
Einmoden-Glasfaser aufgebracht. Der Winkel der schrägen Lichtaustrittsfläche zur optischen Achse der Glasfaser ist dabei vorzugsweise so ausgewählt, dass die Bedingungen für eine Totalreflexion an der Grenzfläche gegeben sind. Single-mode fiber applied. The angle of the oblique light exit surface to the optical axis of the glass fiber is preferably selected so that the conditions for a total reflection at the interface are given.
Ein großer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Messfläche der Vorrichtung dabei sehr klein gestaltet sein kann, etwa kleiner als 1 mm2, bevorzugt kleiner als 0,1 mm2 und besonders bevorzugt kleiner als 0,01 mm2. Die Tiefenauflösung der Vorrichtung kann dabei in einem Bereich von wenigen 100 nm liegen bis hin zu einem Bereich von weniger als 100 nm. A major advantage of the invention is the fact that the measuring surface of the device can be made very small, for example, less than 1 mm 2 , preferably less than 0.1 mm 2 and more preferably less than 0.01 mm 2 . The depth resolution of the device can be in a range of a few 100 nm up to a range of less than 100 nm.
Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kompakt herstellbar und damit vielseitig verwendbar. Vor diesem Hintergrund ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet für beispielsweise minimalinvasive Untersuchungen. Die Vorrichtung ist auch mikrooptisch integrierbar . Bei einer hohen Güte, worunter in Bezug auf die Resonanz eine hohe Photonendichte an der totalreflektierenden In this way, the device according to the invention is very compact to produce and thus versatile. Against this background, the device according to the invention is particularly suitable for, for example, minimally invasive examinations. The device can also be integrated micro-optically. At a high quality, among which in terms of resonance, a high photon density at the totally reflecting
Grenzfläche gemeint ist, ergeben sich scharfe Interface, sharp results
Resonanzkurven mit geringer Halbwertsbreite, aus denen sich bei gegebener Wellenlänge des eingekoppelten Lichtes und bekanntem Einfallswinkel der Brechungsindex des zu Resonance curves with low half-width, from which the refractive index of the zu. For a given wavelength of the injected light and known angle of incidence of
untersuchenden Mediums hochpräzise ermitteln lässt. can be determined with high precision.
Durch eine optische Abbildung der totalreflektierenden Grenzfläche lässt sich eine hohe laterale Auflösung erzielen. Durch die geringe Eindringtiefe der evaneszenten Welle in das zu untersuchende Medium sind extrem geringe Substanzmengen ausreichend, um eine By an optical image of the total reflecting interface, a high lateral resolution can be achieved. Due to the low penetration depth of the evanescent wave in the medium to be examined extremely small amounts of substance are sufficient to a
Brechungsindexbestimmung vorzunehmen . Make refractive index determination.
Auftretende optische Verluste im Messvolumen, etwa durch Streuung oder Absorption, können durch eine optische Occurring optical losses in the measuring volume, such as by scattering or absorption, can be achieved by an optical
Verstärkung im Messsystem kompensiert werden. Hierzu ist von Vorteil, dass die Vorrichtung zur Steigerung der Gain can be compensated in the measuring system. For this purpose, it is advantageous that the device for increasing the
Empfindlichkeit eine hohe Photonendichte im Messvolumen generieren kann. Sensitivity can generate a high photon density in the measurement volume.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung wird auf die nachfolgend dargestellten bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren verwiesen. To further illustrate the invention, reference is made to the preferred embodiments shown below with reference to the accompanying figures.
Die Zeichnungen zeigen: The drawings show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Messmethode zur Bestimmung des Brechungsindex einer Substanz anhand eines Ausführungsbeispiels,Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for illustrating the inventive Measuring method for determining the refractive index of a substance using an exemplary embodiment,
Fig . 2 beispielhaft die durch Totalreflexion Fig. 2 exemplified by total reflection
hervorgerufene Abhängigkeit der Phasendrehung DF vom Brechungsindex n eines zu untersuchenden Mediums ,  caused dependence of the phase rotation DF of the refractive index n of a medium to be examined,
Fig. 3a, 3b berechnete Reflexionsfaktoren R als Funktion des Phasenwinkels F für verschiedene  Fig. 3a, 3b calculated reflection factors R as a function of the phase angle F for different
Gewinnfaktoren,  Profit factors
Fig. 4 exemplarisch berechnete Halbwertsbreiten und  Fig. 4 exemplarily calculated half-widths and
Resonanzeinbrüche bzw. Resonanzüberhöhungen als Funktion des Gewinnfaktors in einem  Resonance dips or resonance peaks as a function of the gain factor in one
Ausführungsbeispiel ,  Embodiment,
Fig . 5 exemplarisch das Intensitäts-Reflexionsspektrum einer Bragg-Struktur mit 15 AlAs-GaAs  Fig. 5 exemplifies the intensity reflection spectrum of a Bragg structure with 15 AlAs GaAs
Spiegelpaaren, eingebettet in GaAs, für TE- und TM-Wellen bei Lichteinfall unter 30°,  Mirror pairs, embedded in GaAs, for TE and TM waves with light incidence below 30 °,
Fig . 6 das Brechungsindexprofil des AlAs-GaAs Bragg- Reflektors aus Fig. 5 und den ortsabhängigen Verlauf der Feldstärkeamplitude im Bereich des Bragg-Reflektors ,  Fig. 6 shows the refractive index profile of the AlAs-GaAs Bragg reflector from FIG. 5 and the location-dependent progression of the field strength amplitude in the region of the Bragg reflector,
Fig. 7 schematisch einen Bragg-Reflektor nach Fig. 6 vor einer Grenzfläche, an der Totalreflexion erfolgt, in einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem in die Abstandsschicht des gebildeten Fabry-Perot Resonators ein Quantenfilm eingefügt ist, über den sich optische Verluste bzw. Verstärkung einstellen,  FIG. 7 schematically shows a Bragg reflector according to FIG. 6 in front of an interface at which total reflection occurs, in a further embodiment in which a quantum film is inserted into the spacer layer of the Fabry-Perot resonator formed, via which optical losses or amplification to adjust,
Fig. 8 exemplarisch berechnete Intensitäts- Reflexionsspektren der Struktur nach Fig. 7 für verschiedene Brechzahlen n des angrenzenden, zu untersuchenden Mediums, Fig. 8 exemplarily calculated intensity reflection spectra of the structure of FIG. 7 for different refractive indices n of the adjacent medium to be examined,
Fig .9a 9b Brechzahlprofile und typische ortsabhängige  Fig. 9a 9b refractive index profiles and typical location-dependent
Verläufe der elektrischen Feldstärke für eine Wellenlänge außerhalb der Resonanz und für eine Resonanzwellenlänge,  Waveforms of the electric field strength for a wavelength outside the resonance and for a resonance wavelength,
Fig. 10 exemplarisch berechnete Intensitäts- Reflexionsspektren für eine Struktur nach Fig. 9 mit einem Quantenfilm mit moderater Verstärkung von 400 / cm für verschiedene Brechzahlen des angrenzenden, zu untersuchenden Mediums, 10 shows exemplary calculated intensity reflection spectra for a structure according to FIG. 9 with a quantum film with a moderate gain of 400 / cm for different refractive indices of the adjacent medium to be examined, FIG.
Fig. 11 exemplarisch berechnete Intensitäts- Reflexionsspektren für ein Brechzahlprofil nach Fig. 9 mit einer zusätzlichen Goldbeschichtung bei verschiedener Dicke, FIG. 11 shows by way of example calculated intensity reflection spectra for a refractive index profile according to FIG. 9 with an additional gold coating at different thickness, FIG.
Fig. 12 exemplarisch berechnete Intensitäts- Reflexionsspektren für Goldschichten auf einer GaAs-AbStandsSchicht,  FIG. 12 shows exemplary calculated intensity reflection spectra for gold layers on a GaAs Abstandsschicht,
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Messsystems zur Untersuchung lateral strukturierter Doppelschichten, wie sie beispielsweise in biologischen Zellen oder Biosensoren Vorkommen,13 shows a schematic representation of a measuring system for the examination of laterally structured bilayers, as they occur, for example, in biological cells or biosensors V ,
Fig. 14 berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren einer Fig. 14 calculated intensity reflection spectra of a
Struktur nach Fig. 13 mit einer 100 nm dicken Übergangsschicht mit verschiedenen Brechzahlen auf Wasser mit n = 1.330 ,  Structure according to FIG. 13 with a 100 nm thick transition layer with different refractive indices on water with n = 1,330,
Fig. 15 ein Brechzahlprofil und eine Feldverteilung in  FIG. 15 shows a refractive index profile and a field distribution in FIG
Resonanz für ein AlAs-GaAs Schichtsystem, welches mit einer 0,2 nm dicken Goldschicht ( n = 0.26) ausgebildet ist, und angrenzender wasserbasierter ÜbergangsSchicht, Fig. 16 berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren von einem Refraktometer nach Fig. 15 mit einer 100 nm dicken Übergangsschicht für Brechzahlen zwischen n = 1.330 und n = 1.350, Resonance for an AlAs-GaAs layer system, which is formed with a 0.2 nm thick gold layer (n = 0.26), and adjoining water-based transition layer, FIG. 16 shows intensity reflection spectra calculated from a refractometer according to FIG. 15 with a 100 nm thick transition layer for refractive indices between n = 1,330 and n = 1,350, FIG.
Fig. 17 ein Brechungsindexprofil für einen AlAs-GaAs  Fig. 17 is a refractive index profile for an AlAs GaAs
Bragg-Reflektor mit verstärkender InGaAs-GaAs Abstandsschicht und Quasi-Wellenleiter sowie berechnete Feldverteilung in Resonanz, Bragg reflector with InGaAs-GaAs reinforcing spacer layer and quasi-waveguide as well as calculated field distribution in resonance,
Fig. 18 berechnete Intensitätsreflexionsspektren für eine Fig. 18 calculated intensity reflection spectra for a
Struktur nach Fig. 17 mit Vakuum, Luft und CO2 im evaneszenten Feld,  Structure according to FIG. 17 with vacuum, air and CO2 in the evanescent field,
Fig. 19 ein Schema eines Messsystems, welches ein  19 is a diagram of a measuring system, which a
zylindrisch divergentes monochromatisches  cylindrical divergent monochromatic
Lichtbündel zur Einstrahlung in den Resonator nutzt,  Uses light bundles for irradiation into the resonator,
Fig. 20 eine Ausführungsform eines Refraktometers mit  Fig. 20 shows an embodiment of a refractometer with
Lichteinkopplung in das hoch brechende Material über ein optisches Gitter,  Light coupling into the highly refractive material via an optical grating,
Fig. 21 schematisch eine Vorrichtung zum Messen des  Fig. 21 shows schematically a device for measuring the
Brechungsindex eines Mediums mit einem Prisma als Refraktometer an der Spitze einer Einmoden- Glasfaser und mit Rückführung des Messstrahls über eine Multimodenfaser,  Refractive index of a medium with a prism as a refractometer at the tip of a single-mode glass fiber and with feedback of the measuring beam via a multimode fiber,
Fig. 22 schematisch eine Vorrichtung zum Messen des  Fig. 22 shows schematically a device for measuring the
Brechungsindex eines Mediums mit einem direkt aufgebrachten Refraktometer an der Spitze einer Einmoden-Glasfaser und mit Rückführung des  Refractive index of a medium with a directly applied refractometer at the tip of a single-mode glass fiber and with the return of the
Messstrahls über eine Multimodenfaser, und  Measuring beam via a multi-mode fiber, and
Fig. 23 schematisch eine Ausführungsform eines  Fig. 23 schematically shows an embodiment of a
Refraktometers mit sinusförmig gewellter Grenzfläche . Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Refractometer with sinusoidal wavy interface. Detailed description of preferred embodiments
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung In the following detailed description
bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen um der Klarheit willen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile in oder an diesen Ausführungsformen. Zur besseren For the sake of clarity, preferred embodiments denote substantially identical parts in or on these embodiments. For better
Verdeutlichung der Erfindung sind die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht immer maßstabsgerecht gezeichnet. Clarification of the invention, however, the preferred embodiments shown in the figures are not always drawn to scale.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fig. 1 shows a schematic representation of a
Ausschnitts einer Vorrichtung 1 zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, Section of a device 1 for measuring at least one feature of a medium to be examined,
vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese Darstellung dient der Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Messmethode zur Bestimmung des Brechungsindex eines zu untersuchenden Mediums bzw. einer Substanz 10. preferably for measuring the refractive index of the medium, according to a first embodiment of the invention. This illustration serves to illustrate the measuring method according to the invention for determining the refractive index of a medium or substance 10 to be examined.
Allein der Übersichtlichkeit halber sind in den Figuren die Strahlungsquelle und die Empfangseinrichtung nicht For the sake of clarity alone, the radiation source and the receiving device are not in the figures
dargestellt, ebenso die Auswerteeinheit. Die shown, as well as the evaluation unit. The
Empfangseinrichtung ist dazu vorgesehen, eine optische Abbildung der Grenzfläche für die Bestimmung der lateralen Brechungsindexverteilung mit hoher Auflösung zu Receiving device is intended to provide an optical image of the interface for the determination of the lateral refractive index distribution with high resolution
ermöglichen. In diese kann die Auswerteeinheit integriert sein, welche mittels hinterlegten Algorithmen eine enable. In this, the evaluation can be integrated, which by means of stored algorithms a
Auswertung der durch die Empfangseinrichtung empfangenen Bilder ermöglicht. Die weiter unten beschriebenen mathematischen Zusammenhänge und Regeln zur Analyse sind von Vorteil in die Auswerteeinheit integriert. Evaluation of the images received by the receiving device allows. The ones described below Mathematical relationships and rules for analysis are advantageously integrated into the evaluation unit.
Zur Erläuterung des Verfahrens wird nach der Fig. 1 To explain the method is shown in FIG. 1
angenommen, dass eine einfallende linear polarisierte monochromatische ebene Lichtwelle 30 der Lichtquelle der elektrischen Feldstärke Ei (x, y, z) in einem verlustfreien optischen Element 20 mit hoher Brechzahl
Figure imgf000021_0001
nach Passieren eines Bragg-Reflektors 22 mit Amplitudenreflexionsfaktor rBund Amplitudentransmissionsfaktor tB und einer planen Abstandsschicht 23 der Dicke L unter dem Einfallswinkel 0j bei z=0 von oben auf eine im Beispiel ebene Grenzfläche 24 zu einem an diese Grenzfläche 24 angrenzendes, zu
For example, assume that an incident linearly polarized monochromatic plane light wave 30 of the electric field intensity light source Ei (x, y, z) in a high refractive index lossless optical element 20
Figure imgf000021_0001
after passing through a Bragg reflector 22 with amplitude reflection factor r B and amplitude transmission factor t B and a plane spacer layer 23 of thickness L at the angle of incidence 0 j at z = 0 from above onto an in the example flat boundary surface 24 adjacent to this interface 24, too
untersuchendes Medium 10 geringerer Brechzahl n
Figure imgf000021_0002
trifft.
investigating medium 10 of lower refractive index n
Figure imgf000021_0002
meets.
Das optische Element 20 ist im Beispiel als hochbrechendes Prisma ausgeführt und umfasst demnach eine in dem The optical element 20 is embodied in the example as a high refractive prism and thus comprises one in the
abgebildeten Ausführungsbeispiel ebene Grenzfläche 24, welche während der Messung in direktem Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium 10 steht. illustrated embodiment, planar interface 24, which is in direct contact with the medium 10 to be examined during the measurement.
Diese Grenzfläche 24 wird durch den Bragg-Reflektor 22 und die im Beispiel ebenfalls planar ausgebildete This boundary surface 24 is formed by the Bragg reflector 22 and also planar in the example
Abstandsschicht 23 gebildet. Der Bragg-Reflektor 22, die Abstandsschicht 23 und die Grenzfläche 24 bilden zusammen einen Fabry-Perot-Resonator 21. Spacer layer 23 is formed. The Bragg reflector 22, the spacer layer 23 and the interface 24 together form a Fabry-Perot resonator 21.
Für hinreichend große Einfallswinkel 0j > 9gr mit sm 6gr = n/n i wird die einfallende Welle an der Grenzfläche 24 For sufficiently large angles of incidence 0 j > 9 gr with sm 6 gr = n / n i , the incident wave at the interface 24
totalreflektiert, wie es in der Darstellung mit der totally reflected, as in the presentation with the
Lichtwelle 30 an dem Reflexionspunkt 25 dargestellt ist. Mit 6gr ist hier der Grenzwinkel zur optischen Achse 34 gemeint, unter dem die Bedingung für eine Totalreflexion gegeben ist. Aus der eingekoppelten Lichtwelle 30 entsteht demnach eine reflektierte Lichtwelle 31, die den Messstrahl darstellt. Dabei erfährt diese reflektierte Lichtwelle 31 eine polarisationsabhängige Phasendrehung. Light wave 30 is shown at the reflection point 25. By 6 gr is here meant the critical angle to the optical axis 34, under which the condition for a total reflection is given. Accordingly, a reflected light wave 31, which represents the measuring beam, results from the coupled-in light wave 30. In this case, this reflected light wave 31 undergoes a polarization-dependent phase rotation.
Bei einer verlustfreien Grenzfläche 24 und verlustfreiem Medium 10 mit schwach x-abhängiger Brechzahl n(x) ist der komplexe Amplitudenreflexionsfaktor als Phasenfaktor r (x) = bίDf(c) = b ί2AftE(c) zu schreiben, wobei für transversal elektrische For a lossless interface 24 and lossless medium 10 with weakly x-dependent refractive index n (x) the complex amplitude reflection factor is to be written as phase factor r (x) = b ίDf (c) = b ί2Af tE (c) , where for transversal electrical
Polarisation, also für TE-Wellen, DF und DF· durch Polarization, ie for TE waves, DF and DF T £
Figure imgf000022_0001
gegeben sind und wie es beispielsweise in der Druckschrift K. J. Ebeling: Integrated Optoelectronics , in: Springer, Berlin 1992, beschrieben ist.
Figure imgf000022_0001
and as described, for example, in the publication KJ Ebeling: Integrated Optoelectronics, in: Springer, Berlin 1992.
Durch Messung der Phasendrehung an der Grenzfläche lässt sich bei bekanntem Einfallswinkel 0j und bekannter By measuring the phase rotation at the interface can be at a known angle of incidence 0 j and known
Brechzahl
Figure imgf000022_0002
des optischen Elements der Brechungsindex des angrenzenden Mediums 10 bestimmen.
refractive index
Figure imgf000022_0002
of the optical element determine the refractive index of the adjacent medium 10.
In Fig. 2 ist beispielhaft die durch Totalreflexion In Fig. 2 is an example by total reflection
hervorgerufene Abhängigkeit der Phasendrehung DF vom caused dependence of the phase rotation DF of
Brechungsindex n des angrenzenden Mediums 10 dargestellt, wobei rii = 3.6 (z.B. für GaAs) , 0j = 30° und TE-Polarisation für die einfallende Welle angenommen wurde. Refractive index n of the adjacent medium 10 is shown where rii = 3.6 (eg for GaAs), 0 j = 30 ° and TE polarization was assumed for the incident wave.
Eine schräg einfallende monochromatische Welle der An obliquely incident monochromatic wave
ortsabhängigen elektrischen Feldstärke
Figure imgf000023_0001
mit den Wellenvektorkomponenten /g. = /c sin0j und kz = k cos 9i r der Wellenzahl im Medium k = 2ph; /l und der Vakuumwellenlänge l wird im Fabry-Perot-Resonator 21 vielfach reflektiert, wodurch sich Interferenzphänomene ausbilden, die sich in charakteristischer Weise im Intensitätsverlauf der
location-dependent electric field strength
Figure imgf000023_0001
with the wave vector components / g. = / c sin0 j and k z = k cos 9 ir the wavenumber in the medium k = 2ph ; / l and the vacuum wavelength l is reflected many times in the Fabry-Perot resonator 21, whereby interference phenomena form, which are characteristic in the intensity curve of the
reflektierten Lichtwelle 31 niederschlagen . Das elektrische Feld der resultierenden, insgesamt vom Resonator precipitate reflected light wave 31. The electric field of the resulting, total of the resonator
zurücklaufenden ebenen Lichtwelle 31 lässt sich schreiben als returning plane light wave 31 can be written as
Er = Er (x,z) = Er0 ei k^-i k^ , wobei die komplexe elektrische Feldamplitude Er0 von der Umlaufphase der Welle im Resonator E r = E r (x, z) = E r0 e ik ^ - ik ^, where the complex electric field amplitude E r0 of the orbital phase of the wave in the resonator
4 pP; L COS Q 4 pp; L COS Q
F = - - - + DF  F = - - - + DF
l und dem Intensitätsreflexionskoeffizienten des Bragg- Reflektors RB = |r| | abhängt. Wird zusätzlich noch eine optische Dämpfung oder Verstärkung im Inneren des l and the intensity reflection coefficient of the Bragg reflector R B = | r | | depends. In addition, an optical damping or gain inside the
Resonators durch einen positiven bzw. negativen Resonator by a positive or negative
Intensitäts-Absorptionskoeffizienten a berücksichtigt, dann ergibt sich für die komplexen Feldamplituden die Beziehung
Figure imgf000024_0001
wie es beispielsweise der Druckschrift Eugene Hecht, Alfred Zajak: Optics (S. 305). Addison-Wesley, London 1974, zu entnehmen ist. Der Absorptionskoeffizient, auch als
Considers intensity absorption coefficient a, then gives the complex field amplitudes, the relationship
Figure imgf000024_0001
as, for example, the publication Eugene Hecht, Alfred Zajak: Optics (p. 305). Addison-Wesley, London 1974, can be seen. The absorption coefficient, also as
Dämpfungskonstante bekannt, ist ein Maß für die Damping constant known, is a measure of the
Verringerung der Intensität elektromagnetischer Strahlung bei einem Durchgang durch ein gegebenes Medium. Durch Reducing the intensity of electromagnetic radiation when passing through a given medium. By
Betragsquadratbildung erhält man mit den Intensitäten Ir = \EA2, h = 2 für den Intensitätsreflexionsfaktor R die Formel Squared squaring is obtained with the intensities I r = \ EA 2 , h = 2 for the intensity reflection factor R the formula
Figure imgf000024_0002
Figure imgf000024_0002
Die Figuren 3a und 3b zeigen berechnete Reflexionsfaktoren R als Funktion des Phasenwinkels F für verschiedene FIGS. 3a and 3b show calculated reflection factors R as a function of the phase angle F for different ones
Gewinnfaktoren g = exp(—aV), in Fig. 3a für RB = 0.99 und in Fig. 3b für RB = 0.999 . Gain factors g = exp (-aV), in Fig. 3a for R B = 0.99 and in Fig. 3b for R B = 0.999.
Im verlustfreien Fall a = 0 gilt erwartungsgemäß ff = /r //j = l für alle Phasenwinkel F. Für geringe Verluste 0 < aL « 1 und hoch reflektierende Bragg-Strukturen mit RB ~ 1 treten scharfe Resonanzeinbrüche im Reflexionsspektrum bei In the lossless case a = 0 ff = / r // j = l is valid for all phase angles F. For small losses 0 <aL «1 and highly reflective Bragg structures with R B ~ 1, sharp resonance decays occur in the reflection spectrum
Phasenwinkeln
Figure imgf000024_0003
mit ganzzahligem m auf. Bei vorgegebenen Parametern ni e L und A hängt die bei einer Änderung der Brechzahl der zu untersuchenden angrenzenden Schicht auftretende
phase angles
Figure imgf000024_0003
with integer m up. For given parameters n i e L and A, the occurring at a change in the refractive index of the adjacent layer to be examined depends
Verschiebung der Resonanzphasenlage άFth/άh nur von der differentiellen Änderung der Phasendrehung bei der Shift of the resonance phase position άF th / άh only by the differential change of the phase rotation at the
Totalreflexion ab. Es gilt άFpi / dn = άAF / dn . Damit lässt sich aus der Phasenverschiebung άFth die Total reflection off. We have άF pi / dn = άAF / dn. This makes it possible to use the phase shift άF th
Brechungsindexänderung dn der angrenzenden Schicht Refractive index change dn of the adjacent layer
unmittelbar bestimmen. determine directly.
Die Resonanzwellenlängen liegen bei
Figure imgf000025_0001
The resonance wavelengths are included
Figure imgf000025_0001
Die relative Verschiebung der Resonanzwellenlänge bei Änderung der Phasendrehung άAF nimmt gemäß
Figure imgf000025_0002
mit zunehmender Ordnung m, also auch zunehmender
The relative shift of the resonance wavelength with change of the phase rotation άAF increases
Figure imgf000025_0002
with increasing order m, so also increasing
Resonatorlänge, also Schichtdicke, L ab. Resonator length, ie layer thickness, L from.
Für exp(-aL) < l, also vorherrschende Verluste im Resonator, gilt für das Reflexionsminimum For exp (-aL) <l, ie predominant losses in the resonator, the reflection minimum applies
Figure imgf000025_0003
Figure imgf000025_0003
Die Höhe des Resonanzeinbruchs ist h = l— d0/b0 , und für die Phasenlage F172 der halben Höhe (h1/2 = h/2 ) des Resonanzeinbruchs (ί?(Fi/2) = l— h/2 ) folgt mit The height of the resonance dip is h = d 0 l / b 0, and for the phase position F 172 to half the height (h 1/2 = h / 2) of the Resonance collapse (ί? (Fi / 2 ) = lh / 2) follows
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000026_0001
Damit ist die Phase der halben Halbwertsbreite durch Thus, the phase of half the half width is through
Figure imgf000026_0002
gegeben, und für die volle Halbwertsbreite gilt
Figure imgf000026_0002
given, and applies to the full width at half maximum
Figure imgf000026_0003
Figure imgf000026_0003
Im Grenzfall angepasster Verluste, also exp(—aL) -» RB In the limiting case adapted losses, ie exp (-aL) - »R B
(„matched losses") , verschwindet mit Rmin^ 0 die Intensität der reflektierten Welle, und es folgt ("Matched losses"), the intensity of the reflected wave disappears with R min ^ 0, and it follows
F1/2 F1 / 2
sin2 (1 - RB)2 sin 2 (1 - RB) 2
2 4 RB Die volle Halbwertsbreite bei angepassten Verlusten ist damit
Figure imgf000026_0004
wobei die Näherung auf der rechten Seite für RB « 1
2 4 R B The full half width with adjusted losses is thus
Figure imgf000026_0004
where the approximation on the right for R B « 1
zutrifft. Für die Halbwertsbreite auf der Wellenlängenskala erhält man entsprechend näherungsweise
Figure imgf000027_0001
true. For the half-width on the wavelength scale one obtains accordingly approximately
Figure imgf000027_0001
Durch D F/2 bzw. AA172 sind im klassischen Sinne By DF / 2 or AA 172 are in the classical sense
Auflösungsgrenzen definiert, mit denen Änderungen άAF/άh der Phasendrehung durch Totalreflexion an der angrenzenden Schicht noch detektiert werden können. Defined resolution limits with which changes άAF / άh the phase rotation by total reflection at the adjacent layer can still be detected.
Für hohe Auflösung sind geringe Verluste (durch Streuung oder Absorption) im Resonatorkern und gleichzeitig Bragg- Strukturen mit hohem Reflexionsfaktor erforderlich. Der Resonatorkern wird durch die Grenzfläche mit Totalreflexion und die erste Schichtgrenze des Bragg-Reflektors gebildet. Aufgrund der Eindringtiefe der Lichtwelle in den Bragg- Reflektor können auch diese angrenzenden Schichten mit zum Resonatorkern gezählt werden. For high resolution, low losses (due to scattering or absorption) in the resonator core and at the same time Bragg structures with a high reflection factor are required. The resonator core is formed by the total reflection interface and the first layer boundary of the Bragg reflector. Due to the penetration depth of the light wave into the Bragg reflector, these adjacent layers can also be counted with the resonator core.
Bei angepassten Verlusten ergeben sich mit RB = 0.99 ,
Figure imgf000027_0002
=
For adjusted losses R B = 0.99,
Figure imgf000027_0002
=
3.6 , 0j = 30° , L = 1 mhi und A = 1 mhi Halbwertsbreiten von D F172 = 0.02 und AAXj2 ~ 0.5 nm und entsprechend kleinere Werte für höhere Reflexionsfaktoren RB . 3.6, 0 j = 30 °, L = 1 mhi and A = 1 mhi half-widths of DF 172 = 0.02 and AA Xj2 ~ 0.5 nm and correspondingly smaller values for higher reflection factors R B.
Für optische Verstärkung im Resonatorkern sind negative Werte von a im Bereich For optical amplification in the resonator core, negative values of a are in the range
1/jRÜ > e~aL > 1 heranzuziehen. Im Reflexionsspektrum treten statt 1 / jRÜ> e ~ aL > 1 consulted. In the reflection spectrum occur
Resonanzeinbrüchen nun Resonanzspitzen mit Maximalwerten Rmax = dp/bp bei den Wellenlängen Xm auf. Die Resonance breaks now resonant peaks with maximum values R max = d p / b p at the wavelengths X m . The
Resonanzüberhöhung ist Resonance overshoot is
Figure imgf000028_0001
sie geht im Grenzfall der Selbsterregung, also für
Figure imgf000028_0001
it goes in the limit of self-excitation, so for
exp(—aL) -» 1/j RB , gegen Unendlich. Die Phase bei der halbenexp (-aL) - »1 / j R B , towards infinity. The phase at half
Halbwertsbreite, bestimmt durch R F1/2) = l + h/2 , liefert wieder
Figure imgf000028_0002
und entsprechend
Half-value width determined by RF 1/2) = l + h / 2, supplies again
Figure imgf000028_0002
and accordingly
Figure imgf000028_0003
Figure imgf000028_0003
Mit zunehmender Verstärkung nimmt die Halbwertsbreite immer weiter ab, bis sie im Grenzfall für exp(—aL) -» 1/^J RB über die klassische Auflösungsgrenze hinausgeht und gemäß As the gain increases, the half-value width decreases more and more, until, in the limit, it goes beyond the classical resolution limit for exp (-αL) - »1 / ^ JR B and according to
D F1/2 0 gegen Null strebt, was mit (im Idealfall grenzenlos) wachsender Auflösung einhergeht. Praktische Grenzen ergeben sich durch die beugungsbedingte Divergenz einer endlich ausgedehnten Welle, die nicht perfekte lineare Polarisation und die endliche spektrale Breite des Messstrahls. Als ein Maß für die mögliche Messgenauigkeit oder die Güte der Messung kann das Verhältnis von Resonanzüberhöhung bzw. Resonanzeinbruch zu Halbwertsbreite, also Q = h/ D F1/2 , DF 1/2 0 tends to zero, which (endless ideally) is associated with increasing resolution. Practical limits result from the diffraction-related divergence of a finite extended wave, the not perfect linear polarization and the finite spectral width of the measuring beam. As a measure of the possible measurement accuracy or the quality of the measurement, the ratio of resonance peaking or resonance breakdown to full width at half maximum, ie Q = h / DF 1/2 ,
herangezogen werden. be used.
Berechnete Halbwertsbreiten und Resonanzeinbrüche bzw. Calculated half-widths and resonance decays or
Resonanzüberhöhungen sind in Fig. 4 für RB = 0.99 als Resonance peaks are in Fig. 4 for R B = 0.99 as
Funktion des Gewinnfaktors g = exp(—aV) dargestellt. Function of the gain factor g = exp (-aV).
Physikalische Bedeutung haben nur die Kurvenäste, für die g < l/ HH = 1.0101 gilt. Die in den Graphen dargestellten Markierungen mit Kreis und Pfeil geben den Bezug zu der korrespondierenden Ordinatenachse an, d.h. der Pfeil zeigt auf die geltende Ordinatenachse. Only the branches of the curve, for which g <l / HH = 1.0101, have physical significance. The circle and arrow markers shown in the graphs indicate the reference to the corresponding ordinate axis, i. the arrow points to the current ordinate axis.
Planare Schichtsysteme, wie sie im erfindungsgemäßen Fabry- Perot-Resonator des optischen Elements 20 vorliegen, werden zweckmäßigerweise mit der Transfer-Matrix-Methode Planar layer systems, as present in the inventive Fabry-Perot resonator of the optical element 20, are expediently using the transfer matrix method
analysiert, vgl. etwa R. Michalzik: VCSELs : Fundamentals, Technology and Applications of Vertical-Cavity Surface- Emitting Lasers, Springer-Verlag, 2013. analyzed, cf. R. Michalzik: VCSELs: Fundamentals, Technology and Applications of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Springer-Verlag, 2013.
Mit der Methode lassen sich insbesondere Feldstärke- und Intensitäts-Reflexionsspektren sowie räumliche Verläufe der Feldstärke, der Intensität und der Photonendichte In particular, field intensity and intensity reflection spectra as well as spatial characteristics of field strength, intensity and photon density can be used with this method
berechnen. Die im Folgenden vorgestellten numerischen to calculate. The following numerical
Rechnungen beziehen sich beispielhaft und ohne Beschränkung auf das Ausführungsbeispiel auf Schichtstrukturen in einem InGaAlAs-GaAs Halbleitermaterialsystem (InGaAlAs = Indiumgalliumaluminiumarsenid) . Sie können in gleicher Weise für andere Materialsysteme durchgeführt werden. By way of example and without limitation, calculations relate to layer structures in an InGaAlAs-GaAs semiconductor material system (InGaAlAs = Indium gallium aluminum arsenide). They can be carried out in the same way for other material systems.
In einem InGaAlAs-Schichtsystem lässt sich der Reflektor auf der Lichteinkoppelseite bevorzugt als AlAs-GaAs Bragg- Reflektor realisieren, der in GaAs als Abstandsschicht 23 eingebettet ist. In an InGaAlAs layer system, the reflector on the light input side can preferably be realized as an AlAs-GaAs Bragg reflector which is embedded in GaAs as a spacer layer 23.
Fig. 5 zeigt das Intensitäts-Reflexionsspektrum einer solchen Spiegelstruktur für TE- und TM-Wellen bei Fig. 5 illustrates the intensity reflection spectrum of such a mirror structure for TE and TM waves
Lichteinfall unter 30°. Mit dem Begriff TE-Welle ist hier eine transversal-elektrische Welle und mit dem Begriff TM- Welle eine transversal-magnetische Welle gemeint. In Light incidence below 30 °. The term TE-wave here means a transverse electric wave and the term TM-wave means a transverse-magnetic wave. In
Ausbreitungsrichtung verschwindet bei der erstgenannten Welle die elektrische Komponente in Ausbreitungsrichtung, während die magnetische Komponente Werte ungleich 0 annehmen kann, bei der letztgenannten Welle verschwindet nur die magnetische Komponente in Ausbreitungsrichtung, während die elektrische Komponente Werte ungleich 0 annehmen kann. Propagation direction disappears in the former wave, the electrical component in the propagation direction, while the magnetic component values can assume unequal to 0, in the latter wave disappears only the magnetic component in the propagation direction, while the electrical component can assume values not equal to zero.
Der Reflektor ist in diesem Ausführungsbeispiel für eine Mittenwellenlänge von etwa 1.060 nm ausgelegt und besteht aus 15 AlAs-GaAs Spiegelpaaren mit Dicken von jeweils 110 nm für die einzelnen AlAs-Schichten der Brechzahl 3.0 und von jeweils 80 nm für die einzelnen GaAs-Schichten der Brechzahl 3.6. The reflector is designed in this embodiment for a center wavelength of about 1060 nm and consists of 15 AlAs-GaAs mirror pairs with thicknesses of 110 nm for the individual AlAs layers of refractive index 3.0 and 80 nm for the individual GaAs layers of the refractive index 3.6.
Im Wellenlängenbereich von 900 nm bis 1.200 nm ist die Absorption zu vernachlässigen. Die verminderte In the wavelength range from 900 nm to 1200 nm, the absorption is negligible. The diminished
Maximalreflexion für TM-Wellen ist auf die bei schrägem Einfall im Vergleich zu TE-Wellen geringere Reflexion an den AlAs-GaAs Grenzflächen zurückzuführen. Bei Maximum reflection for TM waves is at oblique Incidence compared to TE waves due to lower reflection at the AlAs-GaAs interfaces. at
vernachlässigbarer Absorption gilt für den spektralen negligible absorption applies to the spectral
Intensitätstransmissionsfaktor T die Beziehung T(l) = 1— R(A) sowohl für TE- wie für TM-Polarisation . Intensity transmission factor T is the relationship T (l) = 1 R (A) for both TE and TM polarization.
In Fig. 6 ist der für maximale Reflexion berechnete Verlauf der ortsabhängigen elektrischen Feldstärkeamplitude im Bereich des Bragg-Reflektors 22 dargestellt. Eingezeichnet ist auch das Brechungsindexprofil. Durch die Reflexion bildet sich vor und in der Bragg-Struktur ein FIG. 6 shows the course of the location-dependent electric field strength amplitude calculated in the region of the Bragg reflector 22 for maximum reflection. Also marked is the refractive index profile. The reflection forms in front of and in the Bragg structure
Stehwellenfeld aus, dessen Fluktuationen mit zunehmender Eindringtiefe in den Bragg-Reflektor 22 abnehmen. Die Standing wave field whose fluctuations decrease with increasing penetration into the Bragg reflector 22. The
Fluktuationen verschwinden gänzlich beim Austritt der Welle aus dem Bragg-Bereich . Das Quadrat der elektrischen Fluctuations completely disappear when the shaft exits the Bragg area. The square of the electrical
Feldstärke ist proportional zur räumlichen Photonendichte, so dass aus Fig. 6 auch die Verteilung der zeitlich Field strength is proportional to the spatial photon density, so that from FIG. 6, the distribution of the temporal
gemittelten Photonenverteilung in der Struktur hervorgeht. averaged photon distribution in the structure.
Fig. 7 zeigt schematisch einen Bragg-Reflektor 22 nach Fig. 6 in einer weiteren Ausführungsform des optischen Elements 30 vor einer Grenzfläche 24, an der Totalreflexion erfolgt. FIG. 7 schematically shows a Bragg reflector 22 according to FIG. 6 in a further embodiment of the optical element 30 in front of an interface 24 on which total reflection takes place.
In die Abstandsschicht 23 des ausgebildeten Fabry-Perot Resonators 21 kann ein Quantenfilm (QW) 26 eingefügt sein, der für optische Verluste oder Verstärkung verantwortlich ist. Im Beispiel besteht die Abstandsschicht aus GaAs und umfasst einen 8 nm dicken InGaAs-GaAs Quantenfilm. In the spacer layer 23 of the formed Fabry-Perot resonator 21, a quantum well (QW) 26 may be inserted, which is responsible for optical loss or gain. In the example, the spacer layer consists of GaAs and comprises an 8 nm-thick InGaAs-GaAs quantum film.
Die Höhe der Verluste bzw. Verstärkung kann beispielsweise durch optisches Pumpen oder bei Einbettung der Struktur in einen pn-Heteroübergang wie bei einem VCSEL (VCSEL = „vertical-cavity surface-emitting laser"; The amount of loss or gain, for example, by optical pumping or embedding of the structure in a pn-heterojunction as in a VCSEL (VCSEL = vertical-cavity surface-emitting laser);
Vertikallaserdiode) auch durch elektrische Anregung Vertical laser diode) also by electrical stimulation
eingestellt werden. be set.
Fig. 8 zeigt beispielhaft berechnete Intensitäts- Reflexionsspektren der Struktur nach Fig. 7 für FIG. 8 shows exemplary calculated intensity reflection spectra of the structure of FIG. 7 for FIG
verschiedene Brechzahlen n des angrenzenden Mediums 10. Die Abstandsschicht hat im vorliegenden Beispiel eine Dicke von 25 nm, der Quantenfilm weist einen Absorptionskoeffizienten von 600 / cm auf. Es treten scharfe Resonanzeinbrüche auf, die sich mit zunehmender Brechzahl n zu längeren different refractive indices n of the adjacent medium 10. The spacer layer in the present example has a thickness of 25 nm, the quantum film has an absorption coefficient of 600 / cm. There are sharp resonance decays, which become longer with increasing refractive index n
Wellenlängen verschieben. Move wavelengths.
In den Figuren 9a und 9b sind Brechzahlprofile und typische ortsabhängige Verläufe der elektrischen Feldstärke FIGS. 9a and 9b show refractive index profiles and typical location-dependent courses of the electric field strength
dargestellt, in Fig. 9a für eine Wellenlänge außerhalb der Resonanz und in Fig. 9b für eine Resonanzwellenlänge. in FIG. 9a for a wavelength outside the resonance and in FIG. 9b for a resonance wavelength.
Außerhalb der Resonanz kann eine für Bragg-Reflektoren charakteristische Dämpfung des Wellenfeldes mit zunehmender Eindringtiefe gefunden werden. Dagegen kommt es in Resonanz zu einem Anwachsen der Feldstärke mit einem Maximum in der Nähe der Grenzfläche. Die Resonanzüberhöhung führt zu einer hohen Photonendichte im evaneszenten Feld im angrenzenden, zu untersuchenden Medium, die im Sinne einer Outside the resonance, a characteristic of Bragg reflectors attenuation of the wave field with increasing penetration depth can be found. In contrast, the field strength increases with a maximum in the vicinity of the interface in resonance. The resonance peaking leads to a high photon density in the evanescent field in the adjacent, to be examined medium, which in the sense of
Störungstheorie maßgeblich ist für die empfindliche Perturbation theory is decisive for the sensitive
Abhängigkeit der Resonanzwellenlänge von der Brechzahl des angrenzenden Mediums 10. In Fig. 10 sind berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren für eine Struktur nach Fig. 9a oder 9b mit einem Dependence of the resonance wavelength on the refractive index of the adjacent medium 10. In Fig. 10 are calculated intensity reflection spectra for a structure of Fig. 9a or 9b with a
Quantenfilm mit moderater Verstärkung von 400 / cm für verschiedene Brechzahlen des angrenzenden Mediums 10 dargestellt. Es ergeben sich erhebliche Verstärkungen in der Resonanz. Die resultierenden äußerst geringen Quantum film with a moderate gain of 400 / cm for different refractive indices of the adjacent medium 10 shown. There are significant gains in resonance. The resulting extremely low
Halbwertsbreiten erlauben eine präzise Bestimmung des Halfwidths allow a precise determination of the
Brechungsindex beispielsweise im Bereich von 1.30 bis 1.36, der für viele chemische und biologische Systeme von Refractive index, for example, in the range of 1.30 to 1.36, which for many chemical and biological systems of
besonderem Interesse ist. is of particular interest.
Zur präzisen Einstellung von Verlusten kann das For precise adjustment of losses, the
Halbleitermaterial in einer bevorzugten Ausführungsform in der Abstandsschicht n- oder vorzugsweise p-dotiert werden. Zum selben Zweck kann alternativ eine wenige Nanometer dicke, schwach absorbierende Passivierungsschicht, Semiconductor material in a preferred embodiment in the spacer layer n- or preferably p-doped. For the same purpose, alternatively, a few nanometers thick, weakly absorbing passivation layer,
beispielsweise aus Siliziumoxynitrid, in einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform verwendet werden, die die For example, be used from silicon oxynitride, in a further preferred embodiment, the
Halbleiteroberfläche gleichzeitig gegen den Angriff Semiconductor surface simultaneously against the attack
aggressiver Substanzen schützt. protects against aggressive substances.
Wenn auf der Oberfläche Biomoleküle funktionalisiert werden sollen, bietet sich in einer nochmals weiteren If biomolecules are to be functionalized on the surface, a further one is offered
Ausführungsform an, eine dünne metallische Embodiment, a thin metallic
Oberflächenbeschichtung zum Beispiel aus Gold an, deren Auswirkung auf das Resonanzverhalten aus Fig. 11 Surface coating, for example of gold, whose effect on the resonance behavior of FIG. 11
hervorgeht. Es sind auch andere metallische evident. There are also other metallic ones
Oberflächenbeschichtungen der Messfläche möglich, umfassend die Materialien Silber, Kupfer oder Aluminium. Bei einer goldhaltigen Oberflächenbeschichtung ist eine deutliche Blauverschiebung der Resonanzwellenlänge und erhöhte Dämpfung mit zunehmender Dicke der Goldschicht zu beobachten. Die in Fig. 11 exemplarisch berechneten Surface coatings of the measuring surface possible, comprising the materials silver, copper or aluminum. In the case of a gold-containing surface coating, a clear blue shift of the resonance wavelength and increased attenuation can be observed with increasing thickness of the gold layer. The example calculated in FIG. 11
Intensitäts-Reflexionsspektren sind dargestellt für ein Brechzahlprofil nach Fig. 9a oder 9b mit einer zusätzlichen Goldbeschichtung, welche eine Dicke von 0,1 nm, 0,3 nm, 0,6 nm, 1,0 nm und 1,5 nm aufweist. Intensity reflectance spectra are shown for a refractive index profile of Figure 9a or 9b with an additional gold coating having a thickness of 0.1 nm, 0.3 nm, 0.6 nm, 1.0 nm and 1.5 nm.
Zum Vergleich ist in Fig. 12 der For comparison, in FIG
Intensitätsreflexionsfaktor R einer Goldschicht auf GaAs- Halbleitermaterial als Abstandsschicht dargestellt, aus der die Zunahme der Verluste mit wachsender Metallschichtdicke abzuleiten ist. Zusätzlich zu den oben genannten  Intensity reflection factor R of a gold layer on GaAs semiconductor material shown as a spacer layer, from which the increase in losses is derived with increasing metal layer thickness. In addition to the above
Schichtdicken ist exemplarisch noch eine 2,0 nm dicke Layer thicknesses are by way of example still a 2.0 nm thick
Goldbeschichtung dargestellt. Zu bemerken ist, dass die Rechnungen zu Fig. 11 und 12 wie auch zu Fig. 8, 9 und 10 für TE-Polarisation und 30° Einfallswinkel durchgeführt wurden . Gold coating shown. It should be noted that the calculations for FIGS. 11 and 12 as well as FIGS. 8, 9 and 10 for TE polarization and 30 ° angle of incidence have been performed.
Die vorstehend erläuterten Ausführungsformen eines Fabry- Perot-Resonators 21 mit verstärkenden Quantenfilmen 26 und totalreflektierender Grenzfläche 24 sind geeignet zur The above-described embodiments of a Fabry-Perot resonator 21 with amplifying quantum films 26 and totally reflecting interface 24 are suitable for
Untersuchung vertikal und lateral strukturierter Examination vertically and laterally structured
Schichtsysteme, wie sie beispielsweise bei Biosensoren, biologischen Zellen oder Biochips Vorkommen, und wie sie beispielsweise in H. H. Nguyen, J. Park, S. Rang, M. Kim: Surface Plasmon Resonance: A Versatile Technique for Layer systems as orkommen example in biosensors, biological cells or biochips V, and as described for example in HH Nguyen, J. Park, S. rank, M. Kim: Surface Plasmon Resonance: A Versatile Technique for
Biosensor Applications, Sensors 2015, 15, 10481-10510, oder in L. K. Chin, A. Q. Liu, C. S. Lim, X. M. Zhang, J. H. Ng, J. Z. Hao, S. Takahashi : Differential single living cell refractometry using grating resonant cavity with optical trap, Applied Physics Letters 91, 243901 (2007), Biosensor Applications, Sensors 2015, 15, 10481-10510, or in LK Chin, AQ Liu, CS Lim, XM Zhang, JH Ng, JZ Hao, S. Takahashi: Differential single living cell refractometry using grating resonant cavity with optical trap, Applied Physics Letters 91, 243901 (2007),
beschrieben sind. are described.
Fig. 13 zeigt schematisch eine Darstellung eines Fig. 13 shows schematically a representation of a
Ausschnitts einer Vorrichtung 1 zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums 10, Section of a device 1 for measuring at least one feature of a medium 10 to be examined,
vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums 10, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche geeignet ist zur Untersuchung lateral strukturierter preferably for measuring the refractive index of the medium 10, according to a further embodiment of the invention, which is suitable for examining laterally structured
Doppelschichten 11 wie sie beispielsweise in biologischen Zellen oder Biosensoren Vorkommen. Durch Projektion oder Abbildung lässt sich Information über die zweidimensionale Brechungsindexverteilung des zu analysierenden Mediums nahe der Grenzfläche gewinnen. Der rasche Abfall des Double layers 11 as they come for example in biological cells or biosensors V. By projection or imaging, information about the two-dimensional refractive index distribution of the medium to be analyzed near the interface can be obtained. The rapid decline of
evaneszenten Feldes ermöglicht eine Tiefenauflösung von wenigen 100 nm. evanescent field allows a depth resolution of a few 100 nm.
Im abgebildeten Beispiel wird in ein Prisma 20 aus In the example shown, a prism 20 turns off
hochbrechendem Material eine kollimierte, ebene high-refractive material a collimated, even
monochromatische Welle 40 eingekoppelt . Mit dem monochromatic shaft 40 coupled. With the
BezugsZeichen 42 ist eine Projektion der reflektierten Welle 41 dargestellt . Das zu untersuchende Medium 11 weist in der beispielhaften Darstellung zwei Bereiche 12 mit einer zu analysierenden Brechzahl n auf . Diese Brechzahl n unterscheidet sich damit von der Brechzahl nbuik des umgebenden Materials des zu untersuchenden Mediums 11, welches im Beispiel eine Wasserschicht ist. Z calibrate reference 42 is a projection of the reflected wave 41 shown. In the exemplary illustration, the medium 11 to be examined has two regions 12 with a refractive index n to be analyzed. This refractive index n thus differs from the refractive index n buik of the surrounding material of the medium 11 to be investigated, which in the example is a water layer .
Fig. 14 zeigt berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren einer Struktur nach Fig. 13 mit einer 100 nm dicken Übergangsschicht, die sich vor einer ausgedehnten Fig. 14 shows calculated intensity reflection spectra of a structure of Fig. 13 having a thickness of 100 nm Transitional layer, which is in front of an extended
Wasserschicht mit nbuik = 1.330 befindet. Diese Water layer with n buik = 1,330 is located. These
Übergangsschicht kann beispielsweise eine biologische Zelle sein, deren Brechzahl sich von der des Mediums 11  Transition layer may be, for example, a biological cell, the refractive index of which is the medium of the 11th
unterscheidet. Für die Übergangsschicht werden different. For the transitional layer
unterschiedliche Brechzahlen von n = 1.330 bis n = 1.350 different refractive indices from n = 1,330 to n = 1,350
angenommen. Bei sehr moderater Verstärkung durch den accepted. At very moderate gain by the
Quantenfilm von 400 / cm lassen sich Brechungsindizes an der Oberfläche deutlich besser als auf die dritte Stelle nach dem Komma, also deutlich besser als 0.1 % genau bestimmen . Quantum film of 400 / cm, refractive indices on the surface can be determined significantly better than the third place after the decimal point, ie significantly better than 0.1%.
Ähnlich präzise Ergebnisse können erzielt werden, wenn auf der Halbleiteroberfläche zusätzlich beispielsweise eine nur etwa 0,2 nm dicke (absorbierende) Goldschicht aufgebracht wird, an der sich Biomoleküle leicht anlagern und Similarly precise results can be obtained if, for example, an approximately only 0.2 nm thick (absorbing) gold layer is applied to the semiconductor surface, on which biomolecules readily accumulate and
funktionalisieren lassen. Eine typische resonante functionalize. A typical resonant
Feldverteilung samt Brechzahlprofil für eine derartige Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 15 dargestellt. Field distribution including refractive index profile for such an embodiment of the invention is shown in FIG.
Fig. 15 zeigt ein Brechzahlprofil und eine Fig. 15 shows a refractive index profile and a
Feldverteilung in Resonanz für eine Vorrichtung mit einem AlAs-GaAs Schichtsystem, welches mit einer 0,2 nm dicken Goldschicht der Brechzahl n = 0.26 ausgebildet ist, und einer angrenzenden wasserbasierten Übergangsschicht.  Field distribution in resonance for a device with an AlAs-GaAs layer system, which is formed with a 0.2 nm thick gold layer of refractive index n = 0.26, and an adjacent water-based transition layer.
Fig. 16 zeigt - ähnlich wie Fig. 14 - ein berechnetes Intensitäts-Reflexionsspektren von 100 nm dicken Schichten mit Brechzahlen von n = 1.330 bis n = 1.350 auf Wasser. Um die Absorption der Goldschicht zu kompensieren, ist in dieser Ausführungsform eine höhere Verstärkung durch den Quantenfilm vorgesehen, welche im Beispiel bei 1.500 / cm liegt . Fig. 16 shows - similar to Fig. 14 - a calculated intensity reflection spectra of 100 nm thick layers with refractive indices of n = 1,330 to n = 1,350 on water. In order to compensate for the absorption of the gold layer, in this embodiment, a higher gain by the Quantum film provided, which is in the example at 1,500 / cm.
Fig. 17 zeigt ein Brechungsindexprofil für einen AlAs-GaAs Bragg-Reflektor mit verstärkender InGaAs-GaAs Fig. 17 shows a refractive index profile for an AlAs-GaAs Bragg reflector with InGaAs GaAs reinforcing
Abstandsschicht, wobei der Quantenfilm auf dem Spacer layer, wherein the quantum film on the
Schichtmaterial InGaAs (InGaAs = Indiumgalliumarsenid) basiert, nachfolgend auch als InGaAs-Quantenfilm Layer material InGaAs (InGaAs = indium gallium arsenide), hereinafter also referred to as InGaAs quantum film
bezeichnet, und Quasi-Wellenleiter sowie die berechnete Feldverteilung in Resonanz. Es kann nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Fig. 17 auch vorteilhaft sein, auf der Halbleiteroberfläche eine verlustlose, niedriger brechende dielektrische Quasi-Wellenleiter-Schicht von einigen hundert Nanometer Dicke vorzusehen, in der sich eine resonanzartig überhöhte Photonendichte einstellt, die auch in das evaneszente Feld des angrenzenden, noch and quasi-waveguides and the calculated field distribution in resonance. It may also be advantageous, according to the illustrated embodiment in FIG. 17, to provide on the semiconductor surface a lossless, lower refractive dielectric quasi-waveguide layer several hundred nanometers thick, in which a resonant-like excessive photon density is established, also in the evanescent field of the adjacent, yet
niedriger brechenden Mediums hineinwirkt. of lower refracting medium.
Das dargestellte Brechungsindexprofil ist für einen AlAs- GaAs Bragg-Reflektor mit 15 Spiegelpaaren, GaAs- Abstandsschicht mit 10 nm dicken InGaAs-Quantenfilm und 20° Licht-Einfallswinkel und TE-Polarisation ausgelegt. Die Feldverteilung des TE-polarisierten elektrischen Feldes ist für Resonanz berechnet. The refractive index profile shown is designed for an AlAs GaAs Bragg reflector with 15 mirror pairs, GaAs spacer layer with 10 nm thick InGaAs quantum film and 20 ° light incidence angle and TE polarization. The field distribution of the TE polarized electric field is calculated for resonance.
Fig. 18 zeigt berechnete Intensitäts-Reflexionsspektren, die für Strukturen nach Fig. 17 und verschiedene FIG. 18 shows calculated intensity reflectance spectra corresponding to structures of FIG. 17 and various
Brechzahlen des angrenzenden Mediums, im Beispiel Vakuum, Luft und CO2, im evaneszenten Feld berechnet wurden. Im Vergleich zu Vakuum ergeben sich für Luft (n = 1.0003) bzw. CO2 (n = 1.001) bei Normaldruck Verschiebungen der Refractive indices of the adjacent medium, in the example vacuum, air and CO2, were calculated in the evanescent field. Compared to vacuum, air (n = 1,0003) or CO2 (n = 1,001) at normal pressure results in displacements of the
Resonanzwellenlänge von etwa 33 bzw. 100 pm, die bei einer Verstärkung durch den Quantenfilm von 1.550 / cm im Resonant wavelength of about 33 and 100 .mu.m, which when amplified by the quantum film of 1,550 / cm in
Quantenfilm noch deutlich aufgelöst werden können. Es lassen sich auch Druckabhängigkeiten nachweisen. Messungen in der spektralen Umgebung von Absorptionslinien liefern zusätzlich Information über die Gaszusammensetzung. Quantum film can still be resolved clearly. It is also possible to prove pressure dependencies. Measurements in the spectral environment of absorption lines additionally provide information about the gas composition.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, also resonante Refraktometer wie vorstehend erläutert, sind nicht auf den Einfall ebener Lichtwellen beschränkt. Devices according to the invention for measuring at least one feature of a medium to be examined, preferably for measuring the refractive index of the medium, ie resonant refractometers as explained above, are not limited to the incidence of plane light waves.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird daher ein In one embodiment of the invention is therefore a
zylindrisch divergentes monochromatisches Lichtbündel 50 zur Einstrahlung in den Resonator genutzt. Cylindrical divergent monochromatic light beam 50 used for irradiation in the resonator.
Fig. 19 zeigt schematisch eine Darstellung eines Fig. 19 shows schematically a representation of a
Ausschnitts einer Vorrichtung 2 zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums 10, Section of a device 2 for measuring at least one feature of a medium 10 to be examined,
vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums 10, gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, welche ein preferably for measuring the refractive index of the medium 10, according to an embodiment of the invention, which
zylindrisch divergentes monochromatisches Lichtbündel 50 zur Einstrahlung in den Fabry-Perot-Resonator 21 nutzt. Cylindrical divergent monochromatic light beam 50 for irradiation in the Fabry-Perot resonator 21 uses.
Die Projektion 52 der reflektierten Lichtwelle 51 ergibt je nach Resonanzeinbruch oder Resonanzüberhöhung in der reflektierten Lichtwelle 51 winkelabhängig dunkle oder helle Streifen. Ähnliches gilt für ein konvergentes einfallendes Lichtbündel, das sich insbesondere zum The projection 52 of the reflected light wave 51 produces, depending on the resonance collapse or resonance peaking in the reflected light wave 51, angle-dependent dark or light stripes. The same applies to a convergent one incident light beam, in particular for
lateralen Scannen des Messobjektes 10 anbietet. lateral scanning of the measurement object 10 offers.
Vorrichtungen 1, 2 mit konvergentem Strahlengang können auch als verstärkendes Element in einem Laser mit externen Spiegeln Verwendung finden. Convergent beam path devices 1, 2 can also be used as a reinforcing element in a laser with external mirrors.
Neben Prismen zur Einkopplung des Lichts unter einem vorbestimmten Einfallswinkel Qir welcher erfindungsgemäß vorzugsweise größer ist als der Grenzwinkel der In addition to prisms for coupling the light at a predetermined angle of incidence Q ir which according to the invention is preferably greater than the critical angle of the
Totalreflexion, bieten sich optische Gitterstrukturen als optisches Element an, die in eine höhere Ordnung gebeugtes Licht zur Analyse verwenden. Total reflection, optical grating structures offer as an optical element, which use diffracted light in a higher order for analysis.
Fig. 20 zeigt daher schematisch eine Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform einer FIG. 20 therefore shows schematically a representation of a section of a further embodiment of a
Vorrichtung 3 zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums 10, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums 10, welche mit einer Device 3 for measuring at least one feature of a medium to be examined 10, preferably for measuring the refractive index of the medium 10, which with a
Lichteinkopplung in das hoch brechende Material des optischen Elements 60 über ein optisches Gitter 62a, 62b. Das optische Element 60 ist im Beispiel hochbrechend ausgebildet und umfasst GaAs als Basismaterial. Light coupling into the high refractive index material of the optical element 60 via an optical grating 62a, 62b. The optical element 60 is made high-refractive in the example and includes GaAs as the base material.
Das optische Element 60 ist ferner mit zwei sich The optical element 60 is further with two
gegenüberliegenden, bevorzugt planparallelen Oberflächen ausgebildet, wobei die erste Oberfläche diejenige ist, über welche während der Messung elektromagnetische Strahlung 70 der Wellenlänge At eingekoppelt wird, und wobei die formed on opposite, preferably plane-parallel surfaces, wherein the first surface is the one over which during the measurement electromagnetic radiation 70 of the wavelength A t is coupled, and wherein the
gegenüberliegende, zweite Oberfläche während der Messung die Grenzfläche 64 zu dem zu untersuchenden Medium (nicht dargestellt) umfasst. Die zweite Oberfläche umfasst demnach einen Fabry-Perot-Resonator 61. In der abgebildeten opposite, second surface during the measurement, the interface 64 to the medium to be examined (not shown). The second surface accordingly comprises a Fabry-Perot resonator 61. In the illustrated
Ausführungsform ist die zweite Oberfläche zusätzlich mit einer Absorberschicht 65 ausgebildet, welche den Fabry- Perot-Resonator 61 umgibt. Embodiment, the second surface is additionally formed with an absorber layer 65, which surrounds the Fabry-Perot resonator 61.
Um unerwünschte Strahlung durch Reflexion der Strahlung 70 an der ersten Oberfläche zu vermeiden, ist die erste To avoid unwanted radiation by reflection of the radiation 70 at the first surface, the first one is
Oberfläche des optischen Elements 60 mit einer Antireflex- Beschichtung 63 versehen, welche im Beispiel das optische Gitter 62a, 62b umgibt. Surface of the optical element 60 is provided with an antireflection coating 63, which surrounds the optical grating 62 a, 62 b in the example.
Der Fabry-Perot-Resonator 61 kann dabei ausgebildet sein wie anhand der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele dargestellt. Insbesondere umfasst er in einer bevorzugten Ausführungsform einen Bragg-Reflektor und einen In this case, the Fabry-Perot resonator 61 can be designed as shown using the exemplary embodiments explained above. In particular, in a preferred embodiment, it comprises a Bragg reflector and a
Quantenfilm. Zur optischen Anregung der Verstärkung oder Steuerung der Verluste im Quantenfilm kann beispielsweise eine senkrecht einfallende, unpolarisierte oder eine TE- oder TM-polarisierte Pumpwelle lr 75 dienen. Quantum film. For the optical excitation of the gain or control of the losses in the quantum well, for example, a vertically incident, unpolarized or a TE or TM polarized pump wave l r 75 can be used.
Die Lichtwelle 70 aus der Strahlungsquelle (nicht The light wave 70 from the radiation source (not
dargestellt) trifft im Beispiel senkrecht auf das optische Gitter 62a auf und erfährt hier eine Beugung. Die shown) applies in the example perpendicular to the optical grating 62a and undergoes a diffraction here. The
Gitterkonstante ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Ablenkung der Lichtwelle 70 so stark ist, dass die Lattice constant is preferably chosen so that the deflection of the light wave 70 is so strong that the
abgelenkte Lichtwelle in einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, auf den Fabry-Perot- Resonator 61 gerichtet wird. Die reflektierte Lichtwelle wird bei Passieren des optischen Gitters 62b in zwei deflected light wave at an angle which is greater than the critical angle of total reflection, is directed to the Fabry-Perot resonator 61. The reflected light wave becomes two when passing the optical grating 62b
Teilwellen 71, 72 aufgeteilt, wobei die Teilwelle 71 mit der Empfangseinrichtung (nicht dargestellt) detektiert werden kann. Split part waves 71, 72, wherein the partial wave 71 with the receiving device (not shown) can be detected.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen einer Particularly preferred embodiments of a
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, können Device according to the invention for measuring at least one feature of a medium to be examined, preferably for measuring the refractive index of the medium
faseroptische Lichtleiter, auch als Lichtleitfasern fiber optic light guides, also as optical fibers
bezeichnet, umfassen. Diese Lichtleitfasern können die elektromagnetische Strahlung von einer Lichtquelle zu dem optischen Element 20 hinführen und/oder von diesem wieder zurück zu der Empfangseinrichtung. Aufgrund ihres kompakten Aufbaus sind derartige Ausführungsformen besonders für minimalinvasive Untersuchungen geeignet. designated include. These optical fibers can guide the electromagnetic radiation from a light source to the optical element 20 and / or from this back to the receiving device. Due to their compact construction, such embodiments are particularly suitable for minimally invasive examinations.
In den Figuren 21 und 22 sind rein exemplarisch zwei derartige Ausführungsformen dargestellt. In FIGS. 21 and 22, two such embodiments are shown purely by way of example.
Fig. 21 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Fig. 21 shows schematically a section of a
Vorrichtung 4 zum Messen des Brechungsindex eines Mediums mit einem Prisma als Refraktometer an der Spitze einer Einmoden-Glasfaser und mit Rückführung des Messstrahls über eine Multimodenfaser. Device 4 for measuring the refractive index of a medium with a prism as a refractometer at the tip of a single-mode optical fiber and with the return of the measuring beam via a multimode fiber.
Das erfindungsgemäße optische Element 20 ist dabei an der Spitze einer im Beispiel als Einmoden-Glasfaser 81 The optical element 20 according to the invention is at the tip of a single-mode optical fiber 81 in the example
ausgebildeten Lichtleitfaser angeordnet. Die Vorrichtung 4 verfügt ferner über eine Anordnung zur Rückführung der eingekoppelten und reflektierten Lichtwelle über eine trained optical fiber arranged. The device 4 further has an arrangement for returning the coupled and reflected light wave over a
Multimodenfaser 84. Das optische Element 20 ist in diesem Beispiel als hochbrechendes Prisma ausgebildet und an der Spitze der polarisationserhaltenden Einmoden-Glasfaser 81 montiert. Der in die Einmoden-Glasfaser 81 eingekoppelte Lichtstrahl 90 wird nach Reflexion als reflektierter Multimode fiber 84. The optical element 20 is formed in this example as a high refractive prism and at the Tip of the polarization-maintaining single-mode optical fiber 81 mounted. The light beam 90 coupled into the single-mode optical fiber 81 is reflected after reflection
Messstrahl 91 über die Multimodenfaser 84 zurückgeführt und kann mittels der Empfangseinrichtung (nicht abgebildet) detektiert werden. Measuring beam 91 is fed back via the multimode fiber 84 and can be detected by means of the receiving device (not shown).
Das optische Element 20 basiert auf dem Material GaAs . Die Ausführung auf der Basis eines GaAs-Prismas ermöglicht bei Einstrahlung einer Pumpwelle durch die Einmoden-Glasfaser 81 auch optische Verstärkung im Resonatorbereich des optischen Elements. Das optische Element 20 verfügt im Beispiel über einen Fabry-Perot-Resonator 21 und einen AlGaAs-GaAs Bragg-Reflektor 22. Ferner ist das optische Element 20 an seiner Lichteintritts- und an seiner The optical element 20 is based on the material GaAs. The embodiment based on a GaAs prism also allows optical amplification in the resonator region of the optical element when a pumping wave is irradiated by the single-mode optical fiber 81. The optical element 20 has in the example a Fabry-Perot resonator 21 and an AlGaAs-GaAs Bragg reflector 22. Further, the optical element 20 is at its light entrance and at its
Lichtaustrittsseite mit einer Antireflexionsschicht 87 versehen . Light exit side provided with an anti-reflection layer 87.
Die Einmoden-Glasfaser 81 umfasst dabei einen Kern 82, welcher von einem Mantel 83 umgeben ist. Ähnlich verhält es sich bei der Multimodenfaser 84, die einen Kern 85 und einen Mantel 86 umfasst. Um einen Eindruck von den The single-mode optical fiber 81 comprises a core 82, which is surrounded by a jacket 83. Similarly, the multi-mode fiber 84 includes a core 85 and a cladding 86. To get an impression of the
erreichbaren, geringen Abmessungen des Miniatur- Refraktometers zu erhalten, sind in der Fig. 21 wesentliche Größen mit den Buchstaben A, B und C angegeben. Ohne achievable, small dimensions of the miniature refractometer, in Fig. 21 essential sizes are indicated by the letters A, B and C. Without
Beschränkung auf das angegebene Ausführungsbeispiel stellen sich relevante Größenverhältnisse wie folgt dar: A = 10 ym, B = 50 ym und C = 250 ym. Restriction to the given embodiment, relevant size ratios are as follows: A = 10 ym, B = 50 ym and C = 250 ym.
Die Lichteintrittsfläche der Multimodenfaser 84 weist einen Winkel zur optischen Achse der Multimodenfaser 84 von 45° auf, so dass radial eintretendes, reflektiertes Licht aus dem optischen Element 20 exakt in den Kern 85 eingekoppelt werden kann. Die Reflektivität dieser Grenzfläche kann beispielsweise durch eine wenige nm dicke Goldschicht signifikant erhöht werden. Wenn die Reflexionsfläche des GaAs-Prismas einen Winkel f ungleich 45° zur optischen Achse der Einmodenfaser aufweist, ist die Reflexionsfläche der Multimodenfaser entsprechend auf den Winkel 90° - cp einzustellen . The light entrance surface of the multimode fiber 84 has an angle to the optical axis of the multimode fiber 84 of 45 ° so that radially incoming, reflected light from the optical element 20 can be exactly coupled into the core 85. The reflectivity of this interface can be significantly increased for example by a few nm thick gold layer. If the reflection surface of the GaAs prism has an angle f not equal to 45 ° to the optical axis of the single-mode fiber, the reflection surface of the multimode fiber should be set to the angle 90 ° -cp.
Fig. 22 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Fig. 22 shows schematically a section of a
Weiterbildung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 12. Die abgebildete Vorrichtung 5 zum Messen des Brechungsindex eines Mediums kommt dabei ohne ein zusätzliches optisches Element aus. Further, the illustrated device 5 for measuring the refractive index of a medium comes out without an additional optical element.
Stattdessen ist die Spitze einer Einmoden-Glasfaser 101, umfassend einen Kern 102 und einen Mantel 103, mit einer um 45° zur optischen Achse geneigten Lichtaustrittsfläche versehen. Die Lichtaustrittsfläche umfasst einen direkt aufgebrachten Fabry-Perot-Resonator 21 und Instead, the tip of a single mode optical fiber 101 comprising a core 102 and a cladding 103 is provided with a light exit surface inclined at 45 ° to the optical axis. The light exit surface comprises a directly applied Fabry-Perot resonator 21 and
zweckmäßigerweise einen planaren dielektrischen Bragg- Reflektor 22 aus TiCg-SiCg l/4-Schichtpaaren und eine expediently a planar dielectric Bragg reflector 22 of TiCg SiCg l / 4-layer pairs and a
Abstandsschicht aus SiC>2, in die beispielsweise durch Distance layer of SiC> 2, in the example by
Dotierung mit Silberionen optische Verluste eingebracht werden. Auf diese Weise stellt die Lichtaustrittsfläche der Einmoden-Glasfaser 101 bereits besonders vorteilhaft die Messfläche der Vorrichtung 5 zur Verfügung. Die Rückführung des Messstrahls 91 erfolgt über eine Multimodenfaser 84.Doping with silver ions optical losses are introduced. In this way, the light exit surface of the single-mode optical fiber 101 is already particularly advantageously the measuring surface of the device 5 available. The return of the measuring beam 91 takes place via a multimode fiber 84.
Bei dieser Ausführungsform ist das optische Element als dielektrisches Refraktometer unmittelbar auf der schräg angeschliffenen Lichtaustrittsfläche der Einmoden-Glasfaser aufgebracht werden. Vorteilhaft ist bei dieser In this embodiment, the optical element as a dielectric refractometer is directly on the oblique ground light exit surface of the single-mode glass fiber can be applied. It is advantageous in this
Ausführungsform die mögliche bessere Anpassung der Embodiment the possible better adaptation of the
Brechungsindizes des Resonators an das Glasfasermaterial. Refractive indices of the resonator to the glass fiber material.
Bezüglich des Winkels f und der Verbesserung der Regarding the angle f and the improvement of the
Reflektivität gilt das Gleiche wie vorstehend zu dem Reflectivity is the same as above to the
Ausführungsbeispiel unter Fig. 21 ausgeführt. Embodiment executed under Fig. 21.
Eine ebenfalls vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt in einer anderen Ausgestaltung der Grenzfläche zu dem zu untersuchenden Medium 10. Die Verluste für eine A likewise advantageous development of the invention lies in another embodiment of the interface to the medium to be examined 10. The losses for a
totalreflektierte Welle lassen sich beispielsweise auch durch eine reliefartige Ausführung der Grenzfläche For example, totally reflected waves can also be achieved by a relief-like design of the interface
erzeugen. Die Grenzfläche ist damit im Kontaktbereich zu dem zu untersuchenden Medium nicht plan ausgebildet, sondern beispielsweise in Form einer Sinuswelle. produce. The interface is thus not planed in the contact area to the medium to be examined, but for example in the form of a sine wave.
Fig. 23 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Fig. 23 shows schematically a section of a
Vorrichtung 6 einer derartigen Ausführungsform eines Device 6 of such an embodiment of a
Refraktometers. Im abgebildeten Beispiel ist das optische Element 120 mit sinusförmig gewellter Grenzfläche 124 ausgebildet . Refractometer. In the example shown, the optical element 120 is formed with a sinusoidally wavy boundary surface 124.
Das in die 1. Beugungsordnung abgelenkte Licht kann dabei zur Abbildung der Grenzfläche genutzt werden. Wenn die Amplitude a der Sinuswelle klein ist, also a « l( ϊΐί— n)/(nnt ) gilt, kann die Störung näherungsweise als optisches The light deflected into the 1st diffraction order can be used to image the interface. If the amplitude a of the sine wave is small, that is to say a l (ϊΐ ί - n) / (nn t ), then the disturbance can be approximated as optical
Phasengitter beschrieben werden. Gilt für die Periode d der Sinuswelle d < l/{2n), können sich höhere Beugungsordnungen nur im höher brechenden Material, also nur in Reflexion ausbreiten . Phase gratings are described. If the period d of the sine wave d <l / {2n), then higher orders of diffraction can be used only propagate in the higher refractive material, so only in reflection.
Weiterhin lässt sich für Gitterkonstanten im Bereich Furthermore, for lattice constants in the range
l/(2hi ) < d < l/(2ή) der Einfallswinkel 0j > 9gr so groß und die Gitterkonstante gleichzeitig so klein wählen, dass nur positive Beugungsordnungen auftreten und sich die +1. l / (2hi) <d <l / (2ή) the angle of incidence 0 j > 9 gr, and the lattice constant at the same time so small that only positive orders of diffraction occur and the +1.
Beugungsordnung in Richtung der optischen Achse orthogonal zu den Bragg-Ebenen ausbreitet. Über das in die +1. Diffraction order propagates in the direction of the optical axis orthogonal to the Bragg planes. About that in the +1.
Beugungsordnung abgelenkte Licht lässt sich damit die Diffraction order deflected light can thus be the
Grenzfläche hochaufgelöst scharf abbilden. Sharpen interface with high resolution.
Hohe Photonendichte an der Grenzfläche und damit hohe High photon density at the interface and thus high
Intensität in der +1. Beugungsordnung erhält man nur im Resonanzfall. Wenn sich der Brechungsindex im evaneszenten Feld des angrenzenden Mediums in lateraler x- bzw. y- Richtung nur schwach ändert, also | grad n(x,y) | « n(x,y)/(5ln;) gilt, erfolgt merkliche Lichtstreuung in die +1. Intensity in the +1. Diffraction order is obtained only in case of resonance. If the refractive index in the evanescent field of the adjacent medium changes only slightly in the lateral x or y direction, ie | degree n (x, y) | «N (x, y) / (5ln ; ), noticeable light scattering takes place in the +1.
Beugungsordnung nur an solchen Stellen in der x, y- Grenzflächenebene, an denen die Resonanzbedingung Diffraction order only at those points in the x, y interface plane at which the resonance condition
hinreichend gut erfüllt ist. Damit ließen sich durch is satisfactorily fulfilled. This could be through
Abbildung der Grenzfläche in Richtung der optischen Achse Orte (x,y) gleicher Brechzahl identifizieren, wie es Figure the interface in the direction of the optical axis Locations (x, y) Identify the same refractive index as it does
beispielsweise für die Untersuchung von biologischem Gewebe oder auch histologischen Schnitten von Interesse sein kann. Zur Vermeidung von optischen Abbildungsfehlern durch das Bragg-Gitter sollte sich dessen Stopp-Band um den For example, for the study of biological tissue or histological sections may be of interest. To avoid optical aberrations caused by the Bragg grating, its stop band should surround the
Einfallswinkelbereich konzentrieren, was durch geeignete Auslegung des Bragg-Reflektors , vor allem durch geringe Brechzahlunterschiede in den konstituierenden Bragg- Spiegelpaaren erreicht werden kann. Die Messflächen der Vorrichtungen zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, Concentrate angle of incidence, which can be achieved by suitable design of the Bragg reflector, especially by low refractive index differences in the constituent Bragg mirror pairs. The measuring surfaces of the devices for measuring at least one feature of a medium to be examined,
vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, sind sehr klein gestaltet. In den Ausführungsbeispielen etwa gemäß Fig. 21 oder Fig. 22 können sie deutlich weniger als 1 mm2 betragen. Ebenso ist es auch möglich, die preferably for measuring the refractive index of the medium, are designed very small. In the exemplary embodiments according to FIG. 21 or FIG. 22, for example, they can be significantly less than 1 mm 2 . Likewise it is also possible, the
Messfläche kleiner als 1 mm2, bevorzugt kleiner als 0,1 mm2 und besonders bevorzugt kleiner als 0,01 mm2 zu gestalten, wobei die Tiefenauflösung der Vorrichtung in einem Bereich von wenigen 100 nm liegt bis hin zu einem Bereich von weniger als 100 nm. Measuring surface smaller than 1 mm 2 , preferably smaller than 0.1 mm 2 and more preferably smaller than 0.01 mm 2 to make, the depth resolution of the device is in a range of a few 100 nm up to a range of less than 100 nm.
Vor diesem Hintergrund sind die vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Vorrichtungen besonders geeignet für minimalinvasive Untersuchungen. Die Vorrichtungen sind auch mikrooptisch integrierbar. Against this background, the devices according to the invention explained above are particularly suitable for minimally invasive examinations. The devices can also be integrated micro-optically.
Bei einer bekannten Wellenlänge des eingekoppelten Lichtes und bekanntem Einfallswinkel kann der Brechungsindex des zu untersuchenden Mediums hochpräzise ermittelt werden. With a known wavelength of the coupled-in light and known angle of incidence, the refractive index of the medium to be investigated can be determined with high precision.
Durch eine optische Abbildung der totalreflektierenden Grenzfläche lässt sich weiterhin eine hohe laterale By an optical image of the total reflecting interface can still be a high lateral
Auflösung erzielen. Durch die geringe Eindringtiefe der evaneszenten Welle in das zu untersuchende Medium sind extrem geringe Substanzmengen ausreichend, um eine Achieve resolution. Due to the low penetration depth of the evanescent wave in the medium to be examined extremely small amounts of substance are sufficient to a
Brechungsindexbestimmung vorzunehmen . Auftretende optische Verluste im Messvolumen, etwa durch Streuung oder Absorption, können durch eine optische Verstärkung im Messsystem kompensiert werden. Hierzu ist von Vorteil, dass die Vorrichtung zur Steigerung derMake refractive index determination. Occurring optical losses in the measuring volume, such as by scattering or absorption, can be compensated by an optical gain in the measuring system. For this purpose, it is advantageous that the device for increasing the
Empfindlichkeit eine hohe Photonendichte im Messvolumen generieren kann. Sensitivity can generate a high photon density in the measurement volume.

Claims

Patentansprüche claims
1. Optisches Element zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, wobei 1. An optical element for use in a device for measuring at least one feature of a medium to be examined, preferably for measuring the refractive index of the medium, wherein
das optische Element zumindest eine Grenzfläche umfasst, welche ausgebildet ist, flächig einen direkten Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium während der Messung zu bilden,  the optical element comprises at least one interface which is designed to form a flat contact with the medium to be examined during the measurement,
zumindest ein Teil dieser Grenzfläche des optischen Elements eine Messfläche darstellt, und  at least a part of this interface of the optical element is a measuring surface, and
wobei diese Grenzfläche des optischen Elements mit einem als Resonator wirkenden Schichtsystem  this interface of the optical element with a layer system acting as a resonator
ausgestattet ist, welcher bei einer schräg auf die Grenzfläche auftreffenden elektromagnetischen  which is at an obliquely impinging on the interface electromagnetic
Strahlung bei derjenigen Strahlung, welche unter einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der  Radiation at that radiation, which at an angle which is greater than the critical angle of
Totalreflexion an der Grenzfläche, zwischen dem optischem Element und dem zu untersuchenden Medium Mehrfachreflexionen dieser Strahlung bewirkt, so dass sich Resonanzen in dem Schichtsystem ausbilden.  Total reflection at the interface between the optical element and the medium to be examined causes multiple reflections of this radiation, so that form resonances in the layer system.
2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch 2. Optical element according to claim 1, characterized
gekennzeichnet, dass die Messfläche kleiner als 1 mm2, bevorzugt kleiner als 0,1 mm2 und besonders bevorzugt kleiner als 0,01 mm2 ist. characterized in that the measuring surface is less than 1 mm 2 , preferably less than 0.1 mm 2, and more preferably less than 0.01 mm 2 .
3. Optisches Element nach einem der vorstehenden 3. Optical element according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der  Claims, characterized in that the
einfallende Strahl aus einem Medium der Brechzahl in den Resonator eindringt, so dass gilt: n <
Figure imgf000049_0001
, wobei n die Brechzahl des zu untersuchenden Mediums ist .
incident beam from a medium of refractive index penetrates the resonator so that n <
Figure imgf000049_0001
, where n is the refractive index of the medium to be examined.
4. Optisches Element nach einem der vorstehenden 4. Optical element according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein hochbrechendes Material umfasst, bevorzugt mit einer Brechzahl nj , welche wenigstens bei nj = 1.8, bevorzugt bei nj > 3.0 und besonders bevorzugt bei nj > 3.5 liegt. Claims, characterized in that the optical element comprises a high refractive index material, preferably with a refractive index n j , which is at least at n j = 1.8, preferably at n j > 3.0 and particularly preferably at n j > 3.5.
5. Optisches Element nach einem der vorstehenden 5. Optical element according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das  Claims, characterized in that the
Schichtsystem einen Bragg-Reflektor umfasst.  Layer system comprises a Bragg reflector.
6. Optisches Element nach dem vorstehenden Anspruch, 6. Optical element according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dass der Bragg-Reflektor aus einem Halbleiter-Schichtsystem gebildet ist, bevorzugt AlGaAs-GaAs, InGaAsP-InP oder InAlGaN-GaN.  characterized in that the Bragg reflector is formed of a semiconductor layer system, preferably AlGaAs GaAs, InGaAsP InP or InAlGaN GaN.
7. Optisches Element nach einem der vorstehenden 7. Optical element according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das  Claims, characterized in that the
Schichtsystem mindestens einen Quantenfilm umfasst.  Layer system comprises at least one quantum film.
8. Optisches Element nach dem vorstehenden Anspruch, 8. Optical element according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenfilm bevorzugt auf dem Materialsystem InGaAs-GaAs, GaAs-AlGaAs, InGaAsP-InP oder InAlGaN-GaN basiert und eine geringe Dicke aufweist, bevorzugt eine Dicke von 15 nm oder weniger, besonders bevorzugt von 10 nm oder weniger. characterized in that the quantum film is preferably based on the material system InGaAs-GaAs, GaAs-AlGaAs, InGaAsP-InP or InAlGaN-GaN and has a small thickness, preferably a thickness of 15 nm or less, more preferably 10 nm or less.
9. Optisches Element nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der 9. Optical element according to one of the two preceding claims, characterized in that the
Quantenfilm einen anregungsabhängigen positiven oder negativen Absorptionskoeffizienten von beispielsweise +/-400 / cm, +/-800 / cm oder +/-1.600 / cm aufweist.  Quantum film has an excitation-dependent positive or negative absorption coefficient of, for example +/- 400 / cm, +/- 800 / cm or +/- 1.600 / cm.
10. Optisches Element nach einem der vorstehenden 10. Optical element according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das  Claims, characterized in that the
Schichtsystem einen Fabry-Perot-Resonator umfasst.  Layer system comprises a Fabry-Perot resonator.
11. Optisches Element nach einem der vorstehenden 11. Optical element according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche eine metallische Oberflächenbeschichtung umfasst, bevorzugt umfassend Gold, Silber, Kupfer oder  Claims, characterized in that the measuring surface comprises a metallic surface coating, preferably comprising gold, silver, copper or
Aluminium.  Aluminum.
12. Optisches Element nach einem der vorstehenden 12. Optical element according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element zur Strahlungslenkung ein Prisma umfasst.  Claims, characterized in that the optical element for radiation steering comprises a prism.
13. Optisches Element nach einem der vorstehenden 13. Optical element according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element zur Strahlungslenkung ein optisches Gitter umfasst .  Claims, characterized in that the optical element for radiation steering comprises an optical grating.
14. Vorrichtung zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, umfassend eine Strahlungsquelle, 14. Device for measuring at least one feature of a medium to be examined, preferably for measuring the refractive index of the medium, comprising a radiation source,
ein optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, und eine Empfangseinrichtung, an optical element according to any one of claims 1 to 13, and a receiving device,
wobei  in which
die Strahlungsquelle ausgebildet ist zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung und Einkoppeln dieser Strahlung in das optische Element,  the radiation source is designed to emit electromagnetic radiation and to couple this radiation into the optical element,
und wobei  and where
die Empfangseinrichtung ausgebildet ist, an der  the receiving device is formed at the
Grenzfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen.  Interface to receive reflected electromagnetic radiation.
15. Vorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, 15. Device according to the preceding claim,
ferner umfassend eine Auswerteeinheit, welche mittels hinterlegten Algorithmen eine Auswertung der durch die Empfangseinrichtung empfangenen Bilder ermöglicht.  Furthermore, comprising an evaluation unit, which allows using algorithms stored an evaluation of the received by the receiving device images.
16. Vorrichtung nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die 16. Device according to one of the two preceding claims, characterized in that the
Tiefenauflösung der Messung in einem Bereich von wenigen 100 nm liegt bis hin zu einem Bereich von weniger als 100 nm.  Depth resolution of the measurement in a range of a few 100 nm is up to a range of less than 100 nm.
17. Vorrichtung nach einem der drei vorstehenden 17. Device according to one of the three preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die  Claims, characterized in that the
Strahlungsquelle ausgebildet ist zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung, bevorzugt zum Aussenden von monochromatischem Licht und besonders bevorzugt zum Aussenden eines zylindrisch divergenten oder konvergenten monochromatischen Lichtbündels.  Radiation source is designed for emitting electromagnetic radiation, preferably for emitting monochromatic light and particularly preferably for emitting a cylindrically divergent or convergent monochromatic light beam.
18. Vorrichtung nach einem der vier vorstehenden 18. Device according to one of the four above
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element direkt mit der Spitze einer Einmoden-Glasfaser verbunden ist. Claims, characterized in that the optical Element is connected directly to the tip of a single-mode optical fiber.
19. Vorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, 19. Device according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem direkt auf eine schräge Lichtaustrittsfläche einer Einmoden- Glasfaser aufgebracht ist.  characterized in that the layer system is applied directly to an oblique light exit surface of a single-mode glass fiber.
20. Verwenden einer Vorrichtung nach einem der 20. Using a device according to one of
vorstehenden Ansprüche 14 bis 19 für minimalinvasive Untersuchungen .  preceding claims 14 to 19 for minimally invasive examinations.
21. Verfahren zur Messung wenigstens eines Merkmals eines zu untersuchenden Mediums, vorzugsweise zur Messung des Brechungsindex des Mediums, umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden 21. A method for measuring at least one feature of a medium to be examined, preferably for measuring the refractive index of the medium, comprising a device according to one of the preceding claims, with a device according to one of the preceding
Ansprüche 14 bis 19, umfassend die folgenden Schritte: für die Messung steht das optische Element an der Grenzfläche in direktem Kontakt mit dem Medium, elektromagnetische Strahlung wird in das optische Element derart eingekoppelt, dass sie an der  Claims 14 to 19, comprising the following steps: for the measurement, the optical element at the interface in direct contact with the medium, electromagnetic radiation is coupled into the optical element such that it at the
Grenzfläche unter einem Winkel auftrifft, welcher größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche,  Impinges at an angle greater than the critical angle of total reflection at the interface,
eine Totalreflexion dieser eingekoppelten Strahlung entsteht an der Grenzfläche zwischen dem optischen Element und dem Medium,  a total reflection of this coupled radiation arises at the interface between the optical element and the medium,
wodurch es zu Mehrfachreflexionen kommt und wodurch sich Resonanzen in dem Schichtsystem des optischen Elements ausbilden, deren spektrale und richtungsabhängige Lage durch die Empfangseinrichtung gemessen wird. which results in multiple reflections and whereby resonances are formed in the layer system of the optical element whose spectral and direction-dependent position is measured by the receiving device.
22. Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche zur Bestimmung der Brechzahl des zu untersuchenden Mediums verwendet wird und eine 22. The method according to the preceding claim, characterized in that an evaluation unit is provided, which is used to determine the refractive index of the medium to be examined and a
Auswertung der durch die Empfangseinrichtung  Evaluation of the by the receiving device
empfangenen Bilder ermöglicht.  images received.
23. Verfahren nach einem der beiden vorstehenden 23. Method according to one of the two preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die  Claims, characterized in that the
Empfangseinrichtung mit einem geeigneten Sensor, vorzugsweise einem Photosensor, ausgestattet ist.  Receiving device with a suitable sensor, preferably a photosensor, is equipped.
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