sensores de índice de refracción basados en estructuras

SENSORES DE ÍNDICE DE REFRACCIÓN BASADOS EN ESTRUCTURAS
MULTICAPA DEPOSITADAS SOBRE FIBRAS ÓPTICAS ESTRECHADAS.
F. J. Bueno 1, Ó. Esteban2, N. Díaz-Herrera3, M.C. Navarrete3, E. Bernabeu3, A. González-Cano 3
1
Departamento de Teoría de la Señal. Universidad de Alcalá. Escuela Politécnica.
28871 Alcalá de Henares. Madrid.
Tlf.- 91 885 6721. e-mail: fjavier.bueno@uah.es
2
Departamento de Electrónica. Universidad de Alcalá. Escuela Politécnica.
28871 Alcalá de Henares. Madrid.
1
Departamento de Óptica. Universidad Complutense de Madrid.
28040 Madrid.
1. Introducción.
La excitación de plasmones superficiales en estructuras multicapa es una técnica bien
asentada a lo largo de los últimos años. Las características propias de la excitación de estos
plasmones, hace que sea fuertemente dependiente de los parámetros constructivos de la
multicapa, específicamente del valor del índice de refracción del medio semiinfinito exterior a
la estructura completa.
Diferentes configuraciones se han empleado para la determinación de las
concentraciones de diferentes solutos en soluciones acuosas. En unos casos, la deposición se
realiza sobre prismas, en las configuraciones de Otto o de Kretschmann [1]. La integración de
las capas también se ha llevado a cabo con dispositivos de fibra óptica. En este caso, la
estructura de capas se deposita en una fibra óptica a la que se elimina parte del revestimiento
mediante un pulido lateral del mismo [2-4]. Una evolución de esta configuración consiste en
emplear fibras estrechadas sobre las que realizar el depósito de la estructura multicapa [5].
En este trabajo, presentamos el comportamiento de sensores construidos con esta última
configuración, en los que se deposita una doble capa metal-dieléctrico en uno de los lados de
una fibra óptica estrechada con la técnica de fusión y estiramiento.
2. Fibras ópticas estrechadas
Las fibras ópticas estrechadas se han revelado como unos elementos muy interesantes
en lo que respecta a su posible utilización en sensores ópticos. El procedimiento de estrechado
implica calentar hasta el punto de fusión del vidrio a la fibra despojada de su protección
plástica, mientras que se estira simultáneamente desde ambos extremos para conseguir el
estrechamiento hasta diámetros del orden de unas pocas micras (30 - 40 µm tip.). En esta zona
estrechada, conocida como cuello, el núcleo de la fibra óptica puede considerarse
despreciable, de forma que nos queda una guía de ondas formada por el revestimiento de la
fibra y el medio externo. En este sentido, el campo guiado por esta estructura guiante
remanente puede interaccionar con el medio externo. De forma que si depositamos una
estructura cuyas propiedades varíen con cualquier parámetro medible, el campo guiado se
verá afectado. Podremos entonces medir la respuesta del dispositivo en los cambios en el
campo transmitido.
Estas fibras estrechadas presentan ciertas ventajas sobre otras configuraciones de
sensores de fibra óptica como es la de fibra tipo D, principalmente por la conservación de la
simetría cilíndrica del sensor. Nosotros hemos construido fibras estrechadas con diferentes
valores para el diámetro y longitud del cuello, longitud de la zona de transición, así como
otros parámetros geométricos.
3. Descripción y caracterización del sensor
El mayor interés de la utilización de las fibras estrechadas, es la conservación de la
simetría, como se ha dicho en el apartado anterior, lo que en el caso de excitación de
plasmones superficiales a partir del campo evanescente de una fibra óptica se traduciría en la
independencia con la polarización del campo incidente desde la fibra sobre la estructura. Sin
embargo, como paso intermedio, aquí se ha optado por una estructura mixta entre lo que sería
una estructura completamente cilíndrica, y la estructura híbrida de fibras tipo D.
Utilizando las fibras ópticas estrechadas descritas en el apartado anterior, hemos
realizado sensores de índice de refracción asimétricos por medio de un depósito lateral de un
estructura formada por 8nm de Al y 58 de TiO 2. Una vista esquemática de los sensores puede
verse en la figura 1.
TiO2
Al
Sección del cuello
Figura 1 Esquema del dispositivo
Figura 2 Dispositivo experimental
4. Dispositivo experimental y resultados
Como fuente de radiación se emplea un LED con longitud de onda de pico de 830 nm.
Este tipo de fuentes emite luz no polarizada, pero dado que la estructura de capas no se ha
depositado de manera concéntrica con la fibra óptica, aún permanece la dependencia en la
excitación de plasmones superficiales en la intercara metal-dieléctrico con la polarización del
campo incidente.
Para controlar la polarización se ha empleado un polarizador de fibra óptica y un
dispositivo de loops de Lefèvbre, tal y como aparece en la figura 2. La luz linealmente
polarizada con este método, alcanza el sensor con una polarización perpendicular al eje mayor
de la estructura de la figura 1, donde sufrirá el efecto de los cambios en el medio externo.
Finalmente se detecta la potencia óptica transmitida por el sistema completo por medio de un
detector comercial.
El sensor se sumerge en agua y se varía el índice de refracción de la disolución por
medio de la adición de etilenglicol de manera controlada, con lo que conseguimos un amplio
0,4
0,35
0,35
aire
0,4
Pt / Pt
Pt / Pt aire
rango de índices de refracción en los que evaluar la respuesta del sensor. De esta forma, a
medida que cambia el índice de refracción de la disolución, también lo hace la potencia óptica
transmitida. En las figuras 3 y 4, se muestra el comportamiento de los sensores con las
variaciones del índice de refracción de la disolución. En el primer caso sin efectuar ningún
control sobre la polarización del campo incidente, mientras que en el segundo caso se ajusta el
plano de polarización con el procedimiento descrito en el apartado 4. En ambos casos la
potencia transmitida decrece al aumentar el valor de índice de refracción del medio externo,
aunque en el segundo caso la pendiente de la curva es mayor. Estos resultados confirman la
viabilidad del uso de este tipo de sensores en diferentes aplicaciones que involucren el control
del índice de refracción.
0,3
0,3
0,25
0,25
0,2
1,325 1,345 1,365 1,385 1,405 1,425
n (@ 830 nm)
0,2
1,3 1,3 1,3 1,3 1,4 1,4
3
5 n (@
7 830
9 nm)1
3
Figura 3 a) Comportamiento del sensor sin control de polarización y b) con polarización controlada
Bibliografía
[1]
F. Villuendas, J. Pelayo, Sensors & Actuators A21-23 (1990) 1142
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R. Alonso, J.Subias, J. Pelayo, F. Villuendas, J. Tornos, Appl. Opt. 33 (1994) 5197
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R. Alonso, F. Villuendas , J. Tornos, J. Pelayo, Sensors & Actuators A 37-38 (1993)
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Ó. Esteban, M.C. Navarrete, A. González-Cano, E. Bernabeu, Appl. Opt 38 (1999)
5267
[5]
A. Díez, Dispositivos de fibra óptica metalizada, previamente estrechada por fusión y
estiramiento, Tesis Doctoral, Universidad de Valencia, 1998.