FR3052913A1 - Capteur optique comportant un reflecteur optique resonant a multiples couches minces de materiaux dielectriques - Google Patents
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Abstract
Ce capteur optique (10) comporte : un réflecteur optique résonant multicouche (12) ; une source de lumière (18) éclairant une face incidente (16) du réflecteur (12) à l'aide d'un faisceau lumineux (20) pour obtenir une réflexion totale contre cette face incidente (16) ; un détecteur de lumière réfléchie (18) pour la fourniture d'au moins un signal de mesure ; une unité de traitement (22) du signal de mesure pour en extraire une information sur la présence d'au moins une cible dans un milieu à tester. Il comporte en outre un guide d'onde incident (24), conçu et disposé entre la source de lumière (18) et la face incidente (16) du réflecteur (12) pour conduire le faisceau lumineux (20) selon une divergence angulaire et une bande spectrale inférieures à des valeurs prédéterminées souhaitées, et présentant une extrémité inclinée (30), en contact surfacique avec la face incidente (16) du réflecteur (12), selon un angle d'inclinaison suffisant pour engendrer la réflexion totale.
Description
La présente invention concerne un capteur optique de cibles dans un milieu à tester comportant un réflecteur optique résonant à multiples couches minces de matériaux diélectriques.
Le domaine large des capteurs demeure incontournable pour nombre d’enjeux technologiques et sociétaux liés à la sécurité, l’environnement, le vivant ou autres. Les concepteurs dans ce domaine font régulièrement preuve d’une grande inventivité, alliant souvent les principes de la mécanique, de l’électronique, de l’optique, des matériaux et de la chimie pour concevoir et réaliser des capteurs fonctionnalisés extrêmement sensibles à la détection de cibles, par exemple des polluants ou contaminants, dans des milieux divers, notamment des milieux aqueux.
Dans le domaine plus précis des capteurs optiques, de nombreux dispositifs apparaissent aujourd’hui avec des composants dont la fonction est de confiner et exalter les champs électromagnétiques dans l’objectif d’accroître leur sensibilité. Ces composants peuvent prendre la forme d’anneaux résonants, de sphères résonantes, de composants à multiples couches minces métalliques et à résonances de plasmons de surface, ou de réflecteurs optiques résonants à multiples couches minces de matériaux diélectriques.
Les réflecteurs optiques résonants multicouches sont particulièrement intéressants parce qu’ils peuvent avantageusement être optimisés selon un grand nombre de degrés de liberté tels que le choix des matériaux, des épaisseurs et des alternances. Des techniques de synthèse de tels composants sont connues pour obtenir : - des réflecteurs ne contenant que des couches minces de matériaux diélectriques, éliminant ainsi les pertes dissipatives inhérentes à l’utilisation de métaux, - une exaltation décuplée du champ optique, et donc de la sensibilité du capteur, uniquement dépendante de l’inverse des indices imaginaires des matériaux diélectriques employés, ceux-ci pouvant être inférieurs à 10"'*, - une exaltation conçue pour des conditions arbitraires d’illumination, ce qui inclut l’incidence d’éclairement, la polarisation et la longueur d’onde souhaitées, - une exaltation pouvant également être conçue pour des substrats supportant déjà des systèmes multicouches. L'invention s’applique ainsi plus particulièrement à un capteur optique de cibles dans un milieu à tester, comportant : - un réflecteur optique résonant à multiples couches minces successives de matériaux diélectriques, le réflecteur optique résonant présentant une face de substrat destinée à être en contact avec le milieu à tester et une face incidente destinée à être éclairée, - une source de lumière disposée de manière à éclairer la face incidente du réflecteur optique résonant à l’aide d’un faisceau lumineux et à obtenir une réflexion totale de ce faisceaux lumineux contre cette face incidente à toutes les longueurs d’ondes lumineuses y compris dans une bande de résonance du réflecteur optique résonant, - un détecteur de lumière réfléchie pour la fourniture d’au moins un signal de mesure, et - une unité de traitement du signal de mesure pour en extraire une information sur la présence d’au moins une cible dans le milieu à tester.
Le réflecteur optique résonant optimisé est au cœur du principe du capteur optique. L’article de Lereu et al, intitulé « Scattering losses in multidielectric structures designed for giant optical field enhancement », publié dans Applied Optics, volume 53, n° 4, pages A412 à A416, en février 2014, en donne un exemple performant. La bande de résonance qu’il présente est mise en évidence par un minimum de détection dans la mesure de la lumière réfléchie et/ou par un saut dans la phase du signal mesuré. Or tout changement d’indice de réfraction dans le milieu à tester, caractéristique de la présence d’au moins une cible à détecter, engendre une modification de cette résonance, notamment un décalage. Cette modification de résonance peut être mesurée par une variation du faisceau optique réfléchi en intensité, phase, angulaire ou spectrale, ou en polarisation. Les mesures en variation d’intensité, dans lesquelles l’angle d’incidence et la longueur d’onde du faisceau lumineux émis sont invariantes, sont peu exploitées parce qu’elles impliquent l’utilisation d’une résonance qui n’est plus complètement optimisée. En revanche, avec des mesures de décalage de résonance en fonction des caractéristiques spectrales ou angulaires du faisceau lumineux émis, des variations d’indice de réfraction dans le milieu à tester de 10'^ ont pu être détectées. Avec des mesures en phase, des détections de variations de 10'® ont pu être atteintes.
Mais bien que l’exaltation électromagnétique obtenue à l’aide de réflecteurs optiques résonants multicouches purement diélectriques puisse atteindre des valeurs inaccessibles avec des composants à résonances de plasmons de surface, la robustesse est moindre. De plus, la divergence angulaire et la bande spectrale du faisceau lumineux émis par la source de lumière sont des facteurs limitants particulièrement majeurs.
Il peut ainsi être souhaité de prévoir un capteur optique à réflecteur résonant multicouche qui permette de s’affranchir d’au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
Il est donc proposé un capteur optique de cibles dans un milieu à tester, comportant : - un réflecteur optique résonant à multiples couches minces successives de matériaux diélectriques, le réflecteur optique résonant présentant une face de substrat destinée à être en contact avec le milieu à tester et une face incidente destinée à être éclairée, - une source de lumière disposée de manière à éclairer la face incidente du réflecteur optique résonant à l’aide d’un faisceau lumineux et à obtenir une réflexion totale de ce faisceaux lumineux contre cette face incidente à toutes les longueurs d’ondes lumineuses y compris dans une bande de résonance du réflecteur optique résonant, - un détecteur de lumière réfléchie pour la fourniture d’au moins un signal de mesure, et - une unité de traitement du signal de mesure pour en extraire une information sur la présence d’au moins une cible dans le milieu à tester, comportant en outre un guide d’onde incident : - conçu et disposé entre la source de lumière et la face incidente du réflecteur optique résonant pour conduire le faisceau lumineux selon une divergence angulaire et une bande spectrale inférieures à des valeurs prédéterminées souhaitées, et - présentant une extrémité inclinée, en contact surfacique avec la face incidente du réflecteur optique résonant, selon un angle d’inclinaison suffisant pour engendrer ladite réflexion totale.
Ainsi, l’utilisation d’un guide d’onde, configuré et disposé de manière à assurer la réflexion totale sous condition de laquelle une résonance à exaltation de champ électromagnétique peut être obtenue dans le réflecteur optique résonant, permet de résoudre de façon simple et efficace le problème de la divergence angulaire et de la largeur de bande spectrale du faisceau lumineux incident dans ce type de capteur. Par ailleurs, le fait que le réflecteur optique résonant se retrouve en extrémité de guide d’onde confère au capteur optique des propriétés avantageuses de miniaturisation et flexibilité possibles.
De façon optionnelle, l’angle d’inclinaison suffisant pour engendrer ladite réflexion totale est choisi pour que l’angle d’incidence du faisceau lumineux conduit par le guide d’onde incident contre la face incidente du réflecteur optique résonant soit supérieur à un angle limite de réfraction incident obtenu en assurant un indice de réfraction dans le guide d’onde incident supérieur à un indice de réfraction du milieu à tester.
De façon optionnelle également, la source de lumière et le guide d’onde incident sont conçus et disposés pour engendrer et conduire le faisceau lumineux avec une divergence angulaire inférieure au milliradian, voire à une fraction de milliradian, et une bande spectrale inférieure au nanomètre, voire à quelques picomètres, à son arrivée contre la face incidente du réflecteur optique résonant.
De façon optionnelle également, un capteur optique selon l’invention peut comporter un guide d’onde supplémentaire : - conçu et disposé entre la face incidente du réflecteur optique résonant et le détecteur de lumière réfléchie pour conduire une réflexion du faisceau lumineux contre la face incidente selon la divergence angulaire et la bande spectrale inférieures aux valeurs prédéterminées souhaitées, et - présentant une extrémité inclinée, disposée de façon symétrique à celle du guide d’onde incident par rapport à la normale à la face incidente du réflecteur optique résonant.
De façon optionnelle également, les deux extrémités inclinées des deux guides d’ondes incident et supplémentaire sont préparées en fabrication : - selon une première surface plane de contact avec la face incidente du réflecteur optique résonant, et - selon une deuxième surface plane de contact entre les deux guides d’ondes, cette deuxième surface plane étant perpendiculaire à la première.
De façon optionnelle également, chaque guide d’onde présente au moins une dimension latérale inférieure à cent fois la longueur d’onde moyenne du faisceau lumineux qu’il est destiné à conduire.
De façon optionnelle également, la bande de résonance du réflecteur optique résonant présente un facteur de qualité supérieur ou égal à 10'^.
De façon optionnelle également, chaque guide d’onde est une fibre optique monomode.
De façon optionnelle également, le réflecteur optique résonant comporte au moins dix couches minces successives de matériaux diélectriques alternés pour une épaisseur totale inférieure à dix micromètres.
De façon optionnelle également : - chaque guide d’onde est une fibre optique monomode dont le cœur conducteur du faisceau lumineux est en silice, et - le réflecteur optique résonant comporte des couches minces successives alternées de pentoxyde de tantale et de dioxyde de silicium. L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement la structure générale d’un capteur optique selon un premier mode de réalisation de l’invention, - la figure 2 représente schématiquement la structure générale d’un capteur optique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, - la figure 3 illustre à l’aide d’un diagramme les performances en détection du capteur optique de la figure 2, - la figure 4 représente schématiquement la structure générale d’un premier exemple de réflecteur optique résonant multicouche pour le capteur optique de la figure 1 ou 2, - la figure 5 illustre à l’aide d’un diagramme les performances en exaltation électromagnétique du réflecteur optique résonant de la figure 4, - la figure 6 représente schématiquement la structure générale d’un deuxième exemple de réflecteur optique résonant multicouche pour le capteur optique de la figure 1 ou 2, et - la figure 7 illustre à l’aide d’un diagramme les performances en exaltation électromagnétique du réflecteur optique résonant de la figure 6.
Le capteur optique 10 représenté schématiquement sur la figure 1 comporte un réflecteur optique résonant 12 à multiples couches minces successives de matériaux diélectriques. Le réflecteur optique résonant 12 présente notamment une face de substrat 14 destinée à être en contact avec un milieu à tester et une face incidente 16 destinée à être éclairée. Avantageusement, il comporte au moins dix couches minces successives de matériaux diélectriques alternés, par exemple des couches de pentoxyde de tantale et de dioxyde de silicium, pour une épaisseur totale inférieure à dix micromètres. Ces couches minces sont disposées sur un substrat dont l’épaisseur peut être très grande devant celle des couches minces, par exemple de l’ordre du centimètre. En régime de réflexion totale, le réflecteur optique résonant 12 présente une résonance produisant une exaltation électromagnétique en son sein, le champ étant évanescent au-delà du substrat.
Le capteur optique 10 comporte en outre un dispositif 18 d’émission/réception de lumière, incluant une source de lumière disposée de manière à éclairer la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12 à l’aide d’un faisceau lumineux 20 et à obtenir une réflexion totale de ce faisceaux lumineux contre cette face incidente 16 à toutes les longueurs d’ondes lumineuses y compris dans la bande de résonance du réflecteur optique résonant 12. Il est nécessaire pour cela que le faisceau lumineux 20 atteigne la face incidente 16 avec un angle d’incidence supérieur à un angle limite de réfraction incident obtenu en assurant un indice de réfraction dans le milieu incident supérieur à un indice de réfraction du milieu à tester. C’est aussi une condition suffisante puisque le régime de réflexion totale est indépendant de l’empilement de couches minces constituant le réflecteur optique résonant 12 : il ne dépend que des indices de réfraction des milieux incident et à tester.
Le dispositif 18 d’émission/réception inclut aussi un détecteur de lumière réfléchie pour la fourniture d’au moins un signal de mesure. Une unité de traitement 22 est couplée avec le détecteur pour extraire du signal de mesure une information sur la présence éventuelle d’au moins une cible dans le milieu à tester.
Le capteur optique 10 comporte en outre avantageusement un guide d’onde incident 24 dont une première extrémité 26 est couplée au dispositif d’émission/réception 18 de façon connue en soi, à l’aide d’un connecteur dédié 28 assurant un bon rendement en transmission, et dont une deuxième extrémité 30 est en contact surfacique avec la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12. Le guide d’onde incident 24 est plus précisément disposé pour conduire le faisceau lumineux 20 de la source lumineuse du dispositif d’émission/réception 18 jusqu’à la face incidente 16. Il assure par conception une divergence angulaire et une bande spectrale du faisceau lumineux qui restent inférieures à des valeurs prédéterminées souhaitées, par exemple 1 milliradian, ou de préférence une fraction de milliradian, pour la divergence angulaire et 1 nanomètre, ou de préférence quelques picomètres, pour la bande spectrale. Avec ces valeurs limites, un réflecteur optique résonant d’une quinzaine de couches diélectriques minces, tel que divulgué dans son principe dans l’article de Lereu et al cité précédemment, peut atteindre dans le visible une exaltation électromagnétique de trois décades.
De plus, pour assurer le contact surfacique tout en garantissant une réflexion totale contre le réflecteur optique résonant 12, la deuxième extrémité 30 du guide d’onde incident 24 est inclinée selon un angle suffisant pour que l’angle d’incidence du faisceau lumineux 20 à l’arrivée contre la face incidente 16 soit supérieur à l’angle limite de réfraction incident. Par conservation des angles en rotation de π/2, l’angle d’inclinaison de la deuxième extrémité 30, mesuré à partir d’une section droite du guide d’onde 24, est suffisant lorsqu’il est lui-même supérieur à l’angle limite de réfraction incident, mesuré à partir de la normale à la face incidente 16. Cet angle limite est par exemple de 63 degrés lorsque le cœur conducteur du guide d’onde incident 24 est en silice avec un milieu à tester d’indice de réfraction égal à 1,3 typique d’une solution aqueuse à température ambiante ou d’une solution tampon phosphate salin PBS (de l’anglais « Phosphate Buffered Saline »). On notera que l’angle limite peut être significativement réduit en choisissant un autre matériau que la silice pour le guide d’onde 24. Le domaine technique de l’invention étant moins exigeant que le domaine des télécommunications par transmissions optiques sur ce point compte tenu des distances de transmissions optiques envisagées, il est tout à fait possible de remplacer la silice par un matériau d’indice de réfraction supérieur.
Le guide d’onde incident 24 est par exemple une fibre optique monomode de section circulaire. Dans ce cas, l’inclinaison de sa deuxième extrémité 30 peut être obtenue par clivage et/ou polissage. Il peut aussi être conçu sous la forme d’un guide d’onde plan de section rectangulaire, la propagation de la lumière dans ce type de guide d’onde étant très similaire à celle dans une fibre optique. Dans ce cas, il est obtenu par empilement d’une ou plusieurs couches minces sur un substrat plan : le dépôt de couche(s) mince(s) peut s’effectuer selon de nombreuses technologies, comme l’évaporation, le dépôt assisté par faisceau d’ions, la pulvérisation, le dépôt par vapeur chimique, etc., avec des matériaux comme les oxydes, les nitrures, les fluorures ou autres. Dans ce cas également, l’inclinaison de sa deuxième extrémité 30 peut être obtenue d’un grand nombre de façons connues, telles que le clivage, le polissage, mais aussi par recouvrement du substrat, avant le dépôt de la ou des couches minces, à l’aide d’un cache mécanique orienté pour obtenir l’inclinaison désirée. D’une façon générale, le guide d’onde incident 24 présente une dimension latérale qui peut aller de quelques fois la longueur d’onde moyenne du faisceau lumineux 20 qu’il est destiné à conduire, jusqu’à quelques millimètres ou centimètres, en restant inférieure à cent fois cette longueur d’onde.
Le fonctionnement du capteur optique de la figure 1 est assuré de la façon suivante. Une partie du faisceau lumineux 20 réfléchi contre la face incidente 30 est retournée par le guide d’onde 24 vers le dispositif d’émission/réception 18 et plus précisément vers son détecteur de lumière réfléchie. L’angle d’incidence étant fixé, on choisit tout d’abord la longueur d’onde donnant lieu à une résonance en l’absence de cible (polluant ou contaminant) dans le milieu à tester, et on étalonne le signal de mesure. Puis, lorsque la présence d’une cible modifie l’indice de réfraction du milieu à tester, la résonance est modifiée, ce qui modifie également le signal de mesure. Cette modification peut être analysée en intensité ou en phase. Le cas échéant, si la source de lumière en entrée de guide d’onde est accordable, plusieurs longueurs d’ondes peuvent être émises jusqu’à retrouver une nouvelle résonance : dans ce cas, c’est le décalage en longueur d’onde de la résonance qui décèle et caractérise la présence de cible. De façon équivalente, si un spectre de raies peut être émis par la source de lumière, il suffit d’en observer la modification spectrale à l’aide d’un spectrophotomètre formant alors le détecteur de lumière réfléchie.
Pour limiter les effets de la diffraction, le capteur optique 10 peut être amélioré comme illustré sur la figure 2.
Le capteur optique amélioré 10’ représenté schématiquement sur cette figure comporte les mêmes éléments 12, 22, 24 et 28 que le capteur optique 10, mais s’en distingue par les éléments suivants : - le dispositif 18 d’émission/réception de lumière est remplacé par un dispositif d’émission 18’ n’incluant qu’une source de lumière sans détecteur, - un dispositif de réception 32 incluant un détecteur de de lumière réfléchie et indépendant du dispositif d’émission 18’ est ajouté, - l’unité de traitement 22 est couplée avec le détecteur du dispositif de réception 32 pour extraire du signal de mesure qu’il fournit une information sur la présence éventuelle d’au moins une cible dans le milieu à tester, - un guide d’onde supplémentaire 34 est conçu et disposé entre la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12 et le détecteur du dispositif de réception 32 pour conduire une réflexion 36 du faisceau lumineux 20 contre la face incidente 16 vers le détecteur, en maintenant la divergence angulaire et la bande spectrale du faisceau réfléchi 36 inférieures aux valeurs prédéterminées souhaitées, par exemple 1 milliradian et 1 nanomètre.
Plus précisément, le guide d’onde supplémentaire 34 présente une première extrémité 38 couplée au dispositif de réception 32 de façon connue en soi, à l’aide d’un connecteur dédié 40 similaire au connecteur 28, et une deuxième extrémité inclinée 42 en contact surfacique avec la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12. Cette deuxième extrémité 42 est disposée de façon symétrique à la deuxième extrémité 30 du guide d’onde incident 24 par rapport à la normale à la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12, de manière à récupérer complètement la réflexion 36 du faisceau lumineux incident 20 dans le cœur du guide d’onde supplémentaire 34. Le phénomène de diffraction est ainsi évité. Concrètement, les deux extrémités inclinées 30 et 42 des deux guides d’ondes incident 24 et supplémentaire 34 sont préparées chacune en fabrication, par clivage, polissage ou autre : - selon une première surface plane de contact avec la face incidente 16 du réflecteur optique résonant 12, et - selon une deuxième surface plane de contact entre les deux guides d’ondes 24 et 34, cette deuxième surface plane étant perpendiculaire à la première.
On notera que le positionnement puis le collage éventuel des deux extrémités 30, 42 de guides d’ondes 24, 34 contre la face incidente 16 et entre elles relèvent de techniques bien connues.
Les performances en détection du capteur optique 10’ sont illustrées en figure 3, conformément aux résultats d’un test expérimental qui a été réalisé. Deux fibres optiques monomodes en silice ont été utilisées pour former les guides d’ondes incident 24 et supplémentaire 34 du capteur 10’. Celui-ci a été plongé dans une solution SI d’indice de réfraction égal à 1,3 puis dans une solution S2 d’indice de réfraction égal à 1,301 (présence d’une cible polluante ou contaminante).
La courbe en trait plein montre une résonance du réflecteur optique résonant 12 à une longueur d’onde moyenne λι = 633 nm (plus généralement du domaine du visible ou proche infrarouge par exemple) dans la solution SI, tandis que la courbe en pointillés montre une résonance du réflecteur optique résonant 12 à une longueur d’onde moyenne Â2 = 636,8 nm (proche de λι, le décalage étant d’autant moins grand que la résonance est piquée) dans la solution S2. Ces deux longueurs d’ondes sont aisément distinguables car la sensibilité du capteur optique 10’ permet de déceler une différence Δλ = Â2 - λι de l’ordre du picomètre. Les deux courbes montrent en outre que la bande de résonance du réflecteur optique résonant 12 présente un facteur de qualité très élevé : il peut notamment être de l’ordre de 10'*, voire supérieur ou égal à cette valeur.
Il convient également de remarquer que le capteur optique 10’, tel que réalisé à l’aide de fibres optiques dans le cadre expérimental de la figure 3, peut être aisément miniaturisé et présente une souplesse (due à l’extrême flexibilité adiabatique des fibres optiques) qui permet d’envisager de multiples applications. En particulier, le réflecteur optique résonant 12 en bout de fibres peut être augmenté par un système micro fluidique similaire aux systèmes existants utilisant les plasmons ou bien être plongé directement dans la solution à analyser. Il en résulte qu’un tel capteur optique peut être employé pour accéder à des endroits hostiles sans risques pour un utilisateur, les fibres optiques monomodes permettant des transmissions sur plusieurs dizaines ou centaines de kilomètres. Des applications in vivo, en endoscopie par exemple, peuvent aussi être imaginées.
Il apparaît clairement qu’un capteur optique tel que l’un de ceux décrits précédemment permet d’exploiter de façon optimale les propriétés d’exaltation électromagnétique d’un réflecteur optique résonant en conduisant le faisceau optique incident, voire également le faisceau optique réfléchi, de façon optimale à l’aide d’au moins un guide d’onde à extrémité inclinée. L’usage de fibres optiques pour former les guides d’ondes améliore encore les propriétés d’un tel capteur. En effet, les fibres recouvertes peuvent être fabriquées en grande quantité et à bas coût. Elles peuvent en outre être placées dans une enceinte à vide dans laquelle est fabriqué le réflecteur optique résonant. Il convient en outre de noter que le capteur optique obtenu peut éventuellement être facilement nettoyé après usage en extrémité de fibre optique par injection d’ondes à fréquences ultraviolettes.
On notera par ailleurs que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment.
En particulier, il est possible de disposer une grande quantité de guides d’ondes incidents et supplémentaires, sous forme de faisceaux incidents et supplémentaires. On peut par exemple utiliser un faisceau de fibres incidentes recouvertes d’un même revêtement multicouche ou de revêtements différents, ceux-ci pouvant être fonctionnalisés. Il est possible d’envisager ainsi jusqu’à près d’un millier de fibres optiques disposées en faisceau incident.
En particulier également, le réflecteur optique résonant 12 employé dans le capteur peut être conçu conformément à l’enseignement de l’article de Lereu et al cité précédemment. Il peut lui aussi être amélioré comme cela va maintenant être détaillé, selon un deuxième aspect de la présente invention, en référence aux figures 4 à 7.
Le réflecteur 12 illustré sur la figure 4 est disposé de telle sorte que sa face de substrat 14 est sa face inférieure et que sa face incidente 16 est sa face supérieure. Il comporte un substrat diélectrique 44, dont la face inférieure est la face de substrat 14, et une pluralité 46 de couches minces successives de matériaux diélectriques disposée sur ce substrat 44, entre une première couche mince 48 en contact avec le substrat 44 et une dernière couche mince 50 dont la face supérieure est la face incidente 16 destinée à être éclairée. La figure 4 n’étant que schématique pour une compréhension claire de l’invention, il convient de noter que les échelles de dimensions relatives des différentes couches ne sont pas respectées.
Conformément au deuxième aspect de la présente invention, pour un angle d’incidence ©t une longueur d’onde Aq prédéterminés d’éclairage de la face incidente 16 en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant 12 : - l’indice de réfraction Up et l’épaisseur βρ de la première couche mince 48 sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec le substrat 44, un nouveau substrat équivalent 52 d’admittance nulle, et - lesdites couches minces successives à partir de la deuxième, identifiée par la référence 54, sont accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde 56.
On constate en effet que dans ce cas, de façon surprenante, il est possible d’atteindre des niveaux d’exaltation électromagnétique très élevés au niveau de la première couche mince 48, notamment largement au-delà des trois décades mentionnées précédemment. Le résultat obtenu sur un exemple de réalisation est illustré par la figure 5 et montre une amplification géante de l’ordre du million. Une telle performance peut être atteinte dans l’hypothèse où le composant réflecteur n’est pas lui-méme dégradé par cette valeur élevée, et pour des conditions d’illumination idéales avec divergence angulaire et largeur spectrale négligeables. L’axe des abscisses commun aux deux diagrammes illustrés représente la profondeur en nanomètres dans le réflecteur optique résonant 12 à partir de sa face incidente 16. L’axe des ordonnées du diagramme supérieur représente l’exaltation électromagnétique et celui du diagramme inférieur les variations d’indice de réfraction.
Ce résultat surprenant peut malgré tout être démontré.
En considérant que chaque couche mince de la pluralité 46 est linéaire, isotrope, homogène et amagnétique, les champs électriques E et magnétiques H tangentiels à deux interfaces successives (i-1) et (i) sont reliés par la relation suivante :
où Ui et Si sont respectivement l’indice de réfraction et l’épaisseur de la i-ème couche mince en commençant par la couche incidente, est l’angle d’incidence à l’interface supérieure de cette i-ème couche mince et n; est l’indice effectif de réfraction égal à Ui cos θί en mode de propagation transverse électrique TE et à rij /cosdi en mode de propagation transverse magnétique TM.
Le fait que les couches minces de la pluralité 46, au moins à partir de la deuxième couche 54, soient accordées entre elles de manière à former le miroir quart-d’onde 56 simplifie l’écriture de la matrice Mj en imposant = π/2, c’est-à-dire Πι cos θί βί = Aq/4 :
On peut alors considérer plusieurs structures de couches pour former le réflecteur optique résonant 12 incluant le miroir quart-d’onde 56 accordé à l’angle d’incidence st à la longueur d’onde Àq. Une première structure est notée = (LH)^S et comporte : la couche de substrat 44 notée S et N paires de couches successives notées respectivement H et L pour distinguer les couches H d’indice de réfraction uh le plus élevé et les couches L d’indice de réfraction ni le plus bas. Par convention dans la suite de la description, la première couche mince 48 porte l’indice P = 2N et est d’indice de réfraction Up = η^. Selon les mêmes notations, une deuxième structure possible est notée Q2 = (HL)^S et comporte : la couche de substrat 44 notée S et N paires de couches successives L et H. La première couche mince 48 porte alors l’indice p = 2N et est d’indice de réfraction = ni. Une troisième structure possible est notée Ç3 = H(LH)^S et comporte : la couche de substrat 44 notée S, N paires de couches successives H et L ainsi qu’une dernière couche H. La première couche mince 48 porte alors l’indice p = 2N + 1 et est d’indice de réfraction Πρ = n^. Une quatrième structure possible est notée Ç4 = L(HL)^S et comporte : la couche de substrat 44 notée S, N paires de couches successives L et H ainsi qu’une dernière couche L. La première couche mince 48 porte alors l’indice P = 2N + 1 et est d’indice de réfraction = n^.
En notant o = kismei l’invariant de Snell-Descartes avec kt = (2π/λο)ϊΐί, l’accord quart-d’onde des couches minces impose également σ < ki < k^.
Par ailleurs compte tenu de l’écriture simplifiée de la matrice Mj, le produit de matrices de deux couches successives s’écrit :
Ainsi, en notant β = η^/τΐι^, on obtient, pour une paire de couches LH :
et pour une paire de couches HL :
Il vient :
En notant Ys l’admittance du substrat 44, on déduit de toutes les relations précédentes que :
- pour - pour - pour , et - pour
La valeur d’exaltation électromagnétique est plus précisément donnée par le ratio
avec
Conformément aux notations, 7ο ®st l’admittance à l’interface avec le milieu incident.
Il en résulte que
Sachant en outre que :
- pour - pour - pour - pour on en déduit les relations d’exaltation magnétique suivantes :
- pour - pour - pour , et - pour
On remarque que, si on pouvait annuler l’admittance du substrat Y^, on obtiendrait :
- pout - pout - pout , et - pout
Ceci permettrait d’atteindre des niveaux d’exaltation électromagnétique très élevés au niveau du substrat. En particulier, pour les structures Qi et Ç3, ce résultat peut être atteint avec β <1. Pour les structures Q2 et Ç4, ce résultat peut être atteint avec/? > 1.
Or la relation de récurrence d’une couche à l’autre pour l’admittance s’écrit :
ce qui s’annule à l’aide de la première couche mince 48 d’indice p en assurant : soit :
Une telle relation peut être vérifiée lorsque l’admittance Ys est imaginaire pure, ce qui est le cas en réflexion totale interne, c’est-dire lorsque σ > k^, soit ks < σ < kl < k[i pour que l’accord des couches minces en miroir quart-d’onde soit aussi vérifié.
Dans ce cas, l’annulation de l’admittance à l’aide de la première couche mince s’obtient en vérifiant l’équation :
Ce qu’il est possible d’obtenir en choisissant de bonnes valeurs d’indice de réfraction iip et d’épaisseur de la première couche mince 48.
Dans ces conditions, le nouveau substrat équivalent 52 peut présenter une admittance nulle pour les couches supérieures du miroir quart-d’onde 56 et l’on obtient des niveaux d’exaltation électromagnétique tels que mentionnés précédemment et comme illustrée sur la figure 5 au niveau du nouveau substrat équivalent 52.
En mode de propagation TE, β > 1, de sorte que les structures Q2 et Ç4 sont appropriées pour l’obtention d’une exaltation électromagnétique décuplée.
En mode de propagation TM, cela dépend de la position de l’invariant σ par rapport au paramètre
Si σ < σ^., alors β > 1, de sorte que les structures Q2 et Q4 sont appropriées pour l’obtention d’une exaltation électromagnétique décuplée. Si σ > Oc, alors β <1, de sorte que ce sont les structures et Q3 qui deviennent appropriées. En outre, plus σ est proche de σ^., plus β tend vers 0 ou l’infini, de sorte que plus l’exaltation électromagnétique résultante est élevée.
Ainsi, les seules structures pouvant convenir en modes de propagations TE et TM sont les structures Q2 et Q4.
On notera que les résultats démontrés précédemment sont valables quelle que soit la structure de la couche de substrat 44. En particulier, le substrat diélectrique peut lui-même être constitué d’une pluralité de couches minces successives de matériaux diélectriques. Il peut aussi être constitué d’un unique matériau diélectrique d’indice de réfraction n^. Dans ce cas, l’admittance est égale à l’indice effectif de réfraction de cet unique matériau diélectrique, de sorte que l’annulation de l’admittance du nouveau substrat équivalent 52 est obtenue lorsque la relation suivante est vérifiée :
D’une façon plus générale, un réflecteur optique résonant selon l’invention peut comporter plusieurs pluralités de couches minces successives de matériaux diélectriques telles que la pluralité 46, disposées sur un substrat. Soit M, M > 2, ce nombre de pluralités de couches minces successives. Chaque pluralité de couches minces successives, notée Pm où 1 < m < M, comporte : - une première couche mince inférieure dont l’indice de réfraction et l’épaisseur sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec chaque autre pluralité de couches minces éventuellement disposée entre elle et le substrat, un nouveau substrat équivalent d’admittance nulle, et - plusieurs autres couches minces supérieures accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde, pour un angle d’incidence et une longueur d’onde prédéterminés d’éclairage de la face incidente en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant qui sont propres et spécifiques à cette pluralité Pm de couches minces successives.
Ainsi, il est possible d’obtenir plusieurs couples {Àm, ^m). 1 ^ m < M, pour lesquels des exaltations électromagnétiques sont engendrées à différentes profondeurs du réflecteur optique résonant. Il est en effet particulièrement intéressant de pouvoir optimiser les exaltations électromagnétiques à plusieurs incidences et plusieurs longueurs d’ondes, mais il est également important de pouvoir maîtriser la position de chaque exaltation dans la profondeur de l’empilement de couches minces du réflecteur optique résonant.
Un exemple est illustré sur la figure 6 pour M = 2. Cette figure n’étant que schématique pour une compréhension claire de l’invention, il convient de noter que les échelles de dimensions relatives des différentes couches ne sont pas respectées.
Le réflecteur 12’ de cette figure est disposé de telle sorte que sa face de substrat 14’ est sa face inférieure et que sa face incidente 16’ est sa face supérieure. Il comporte un substrat diélectrique 58, dont la face inférieure est la face de substrat 14’, et une première pluralité Pi de couches minces successives de matériaux diélectriques disposée sur ce substrat 58, entre une première couche mince 60 en contact avec le substrat 58 et une dernière couche mince 62. Il comporte en outre une deuxième pluralité P2 de couches minces successives de matériaux diélectriques disposée sur la première pluralité Pi, entre une première couche mince 64 en contact avec la couche mince 62 et une dernière couche mince 66 dont la face supérieure est la face d’incidence 16’ destinée à être éclairée.
Pour un premier angle d’incidence et une première longueur d’onde prédéterminés d’éclairage de la face incidente 16’ en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant 12’ : - l’indice de réfraction Πρ ^ et l’épaisseur βρ ^ de la première couche mince 60 sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec le substrat 58, un nouveau substrat équivalent 68 d’admittance nulle, et - les autres couches minces successives de la pluralité Pi à partir de la deuxième, identifiée par la référence 70, sont accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde 72.
Il est ainsi possible d’atteindre une exaltation électromagnétique très élevée au niveau de la première couche mince 60 de la pluralité Pi.
Pour un deuxième angle d’incidence 02 ©t une deuxième longueur d’onde I2 prédéterminés d’éclairage de la face incidente 16’ en régime de réflexion totale du réflecteur optique résonant 12’ : - l’indice de réfraction Πρ 2 et l’épaisseur βρ 2 de la première couche mince 64 sont choisis de sorte qu’elle constitue, avec le substrat 58 et la première pluralité Pi, un nouveau substrat équivalent 74 d’admittance nulle, et - les autres couches minces successives de la pluralité P2 à partir de la deuxième, identifiée par la référence 76, sont accordées entre elles de manière à constituer un miroir quart-d’onde 78.
Il est ainsi possible d’atteindre une exaltation électromagnétique très élevée au niveau de la première couche mince 64 de la pluralité P2.
Le résultat obtenu sur un exemple de réalisation est illustré par la figure 7 et montre deux amplifications géantes supérieures au million. L’axe des abscisses commun aux deux diagrammes illustrés représente la profondeur en nanomètres dans le réflecteur optique résonant 12’ à partir de sa face incidente 16’. L’axe des ordonnées du diagramme supérieur représente l’exaltation électromagnétique et celui du diagramme inférieur les variations d’indice de réfraction.
Il apparaît clairement qu’un réflecteur optique résonant optimisé tel que l’un de ceux décrits précédemment permet d’atteindre des niveaux d’exaltation électromagnétique inégalés sans aucune absorption.
On notera par ailleurs que le deuxième aspect de l’invention n’est pas limité aux modes de réalisation décrits précédemment. L’exemple des figures 6 et 7 pour M = 2 peut notamment être étendu à M supérieur à 2.
Il apparaîtra plus généralement à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Capteur optique (10; 10’) de cibles dans un milieu à tester (SI, S2), comportant : un réflecteur optique résonant (12 ; 12’) à multiples couches minces successives de matériaux diélectriques, le réflecteur optique résonant présentant une face de substrat (14 ; 14’) destinée à être en contact avec le milieu à tester et une face incidente (16 ; 16’) destinée à être éclairée, une source de lumière (18 ; 18’) disposée de manière à éclairer la face incidente (16 ; 16’) du réflecteur optique résonant (12 ; 12’) à l’aide d’un faisceau lumineux (20) et à obtenir une réflexion totale de ce faisceaux lumineux (20) contre cette face incidente à toutes les longueurs d’ondes lumineuses y compris dans une bande de résonance du réflecteur optique résonant (12 ; 12’), un détecteur de lumière réfléchie (18; 32) pour la fourniture d’au moins un signal de mesure, et une unité de traitement (22) du signal de mesure pour en extraire une information sur la présence d’au moins une cible dans le milieu à tester, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un guide d’onde incident (24) : conçu et disposé entre la source de lumière (18; 18’) et la face incidente (16 ; 16’) du réflecteur optique résonant (12 ; 12’) pour conduire le faisceau lumineux (20) selon une divergence angulaire et une bande spectrale inférieures à des valeurs prédéterminées souhaitées, et présentant une extrémité inclinée (30), en contact surfacique avec la face incidente (16 ; 16’) du réflecteur optique résonant (12 ; 12’), selon un angle d’inclinaison suffisant pour engendrer ladite réflexion totale.
- 2. Capteur optique (10; 10’) selon la revendication 1, dans lequel l’angle d’inclinaison suffisant pour engendrer ladite réflexion totale est choisi pour que l’angle d’incidence du faisceau lumineux (20) conduit par le guide d’onde incident (24) contre la face incidente (16 ; 16’) du réflecteur optique résonant (12 ; 12’) soit supérieur à un angle limite de réfraction incident obtenu en assurant un indice de réfraction dans le guide d’onde incident (24) supérieur à un indice de réfraction du milieu à tester (S1, S2).
- 3. Capteur optique (10 ; 10’) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la source de lumière (18 ; 18’) et le guide d’onde incident (24) sont conçus et disposés pour engendrer et conduire le faisceau lumineux (20) avec une divergence angulaire inférieure au milliradian, voire à une fraction de milliradian, et une bande spectrale inférieure au nanomètre, voire à quelques picomètres, à son arrivée contre la face incidente (16 ; 16’) du réflecteur optique résonant (12 ; 12’).
- 4. Capteur optique (10’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comportant un guide d’onde supplémentaire (34) : conçu et disposé entre la face incidente (16 ; 16’) du réflecteur optique résonant (12 ; 12’) et le détecteur de lumière réfléchie (32) pour conduire une réflexion (36) du faisceau lumineux (24) contre la face incidente (16 ; 16’) selon la divergence angulaire et la bande spectrale inférieures aux valeurs prédéterminées souhaitées, et présentant une extrémité inclinée (42), disposée de façon symétrique à celle (30) du guide d’onde incident (24) par rapport à la normale à la face incidente (16 ; 16’) du réflecteur optique résonant (12 ; 12’).
- 5. Capteur optique (10’) selon la revendication 4, dans lequel les deux extrémités inclinées (30, 42) des deux guides d’ondes incident (24) et supplémentaire (34) sont préparées en fabrication : selon une première surface plane de contact avec la face incidente (16 ; 16’) du réflecteur optique résonant (12 ; 12’), et selon une deuxième surface plane de contact entre les deux guides d’ondes (24, 34), cette deuxième surface plane étant perpendiculaire à la première.
- 6. Capteur optique (10 ; 10’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque guide d’onde (24, 34) présente au moins une dimension latérale inférieure à cent fois la longueur d’onde moyenne du faisceau lumineux (20, 36) qu’il est destiné à conduire.
- 7. Capteur optique (10 ; 10’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la bande de résonance du réflecteur optique résonant (12 ; 12’) présente un facteur de qualité supérieur ou égal à 10“*.
- 8. Capteur optique (10 ; 10’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chaque guide d’onde (24, 34) est une fibre optique monomode.
- 9. Capteur optique (10 ; 10’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le réflecteur optique résonant (12 ; 12’) comporte au moins dix couches minces successives de matériaux diélectriques alternés pour une épaisseur totale inférieure à dix micromètres.
- 10. Capteur optique (10 ; 10’) selon les revendications 8 et 9, dans lequel : chaque guide d’onde (24, 34) est une fibre optique monomode dont le cœur conducteur du faisceau lumineux (20, 36) est en silice, et le réflecteur optique résonant (12 ; 12’) comporte des couches minces successives alternées de pentoxyde de tantale et de dioxyde de silicium.
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