SENSORES DE FIBRA OPTICA RECUBIERTA BASADOS EN RESONANCIA ORIGINADA POR MODOS CON PERDIDAS CERCANOS A LA CONDICION DE CORTE.

La invención se refiere a un dispositivo sensor de fibra óptica recubierta basado en resonancia originada por modos con pérdidas cercanos a la condición de corte (en inglés lossy mode resonance - LMR) gracias a la utilización de una película delgada de material absorbente colocada sobre el núcleo de la fibra óptica.

Este dispositivo aúna las ventajas de la eliminación del prisma óptico de la configuración de Kretschmann en favor de un diseño en fibra óptica, portátil, de pequeño tamaño y con posibilidad de realizar medidas remotas y multiplexación. También presenta como ventaja el evitar la necesidad de usar luz polarizada en modo TM, que se requiere con sensores basados en resonancia de plasmones superficiales. En función de la anchura de la película delgada se puede ajustar la sensibilidad del dispositivo y generar múltiples resonancias en el espectro electromagnético, permitiendo además su utilización como filtro óptico.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200930656.

Solicitante: UNIVERSIDAD PUBLICA DE NAVARRA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: MATIAS MAESTRO,IGNACIO RAUL, ARREGUI SAN MARTÍN,Francisco Javier, DEL VILLAR FERNANDEZ,IGNACIO, RUIZ ZAMARREÑO,CARLOS, HERNÁEZ SÁENZ DE ZÁITIGUI,MIGUEL.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01D5/353 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01D MEDIDAS NO ESPECIALMENTE ADAPTADAS A UNA VARIABLE PARTICULAR; DISPOSICIONES PARA LA MEDIDA DE DOS O MAS VARIABLES NO CUBIERTAS POR OTRA UNICA SUBCLASE; APARATOS CONTADORES DE TARIFA; DISPOSICIONES PARA TRANSFERENCIA O TRANSDUCTORES NO ESPECIALMENTE ADAPTADAS A UNA VARIABLE PARTICULAR; MEDIDAS O ENSAYOS NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR.G01D 5/00 Medios mecánicos para la transferencia de la magnitud de salida de un elemento sensor; Medios para la conversión de la magnitud de salida de un elemento sensor en otra variable, en los que la forma o naturaleza del elemento sensor no determinan los medios de conversión; Transductores no especialmente adaptados a una variable específica (G01D 3/00 tiene prioridad; especialmente adaptados para aparatos que dan resultados distintos al valor instantáneo de una variable G01D 1/00). › que influyen en las propiedades de transmisión de una fibra óptica.
  • G01N21/41 G01 […] › G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 21/00 Investigación o análisis de los materiales por la utilización de medios ópticos, es decir, utilizando rayos infrarrojos, visibles o ultravioletas (G01N 3/00 - G01N 19/00 tienen prioridad). › Refracción; Propiedades ligadas a la fase, p. ej. longitud del recorrido óptico (G01N 21/21 tiene prioridad).
SENSORES DE FIBRA OPTICA RECUBIERTA BASADOS EN RESONANCIA ORIGINADA POR MODOS CON PERDIDAS CERCANOS A LA CONDICION DE CORTE.

Fragmento de la descripción:

Sensores de fibra óptica recubierta basados en resonancia originada por modos con pérdidas cercanos a la condición de corte. Campo de la invención

La siguiente invención se refiere a sensores de fibra óptica recubiertos con una película delgada de material absorbente. La técnica de detección está basada en la generación de una o varias resonancias originadas por modos con pérdidas cercanos a la condición de corte (del inglés lossy mode resonance -LMR) . Antecedentes de la invención Durante las últimas décadas se ha trabajado en el estudio de guías-onda recubiertas con películas delgadas de material absorbente de anchura inferior a la longitud de onda de la luz; es decir, con parte imaginaria no nula de su permitividad óptica (Batchman y Me Wright, IEEE J. Quantum Electron., 18:782788, 1982; Yang y Sambles, J. Mod. Opt., 44:11551163, 1997; R. C. Jorgenson y S. S. Yee, Sens. & Actuators. B 12:213, 1993) . Dependiendo de las propiedades de los recubrimientos que forman las películas delgadas se distinguen tres casos diferentes. El primer caso ocurre cuando la parte real de la permitividad del material absorbente es negativa y su valor absoluto es mayor que el valor absoluto de su parte imaginaria y mayor que la parte real de la permitividad del dieléctrico que rodea a la película delgada. En este caso, se produce un acoplamiento entre la luz que se propaga por la guía onda y un plasmón superficial denominado resonancia de plasmón superficial (SPR) . El segundo caso ocurre cuando la parte real de la permitividad del material es positiva y su valor absoluto mayor que el de su parte imaginaria y también mayor que la parte real de la permitividad del dieléctrico que rodea a la película delgada. En este caso se produce un acoplamiento entre la luz que se propaga por la guía onda y lo que algunos autores consideran como modos guiados de largo alcance mientras que otros los denominan como modos con pérdidas. Dichos modos originan una resonancia que consiste en una banda de atenuación que se origina en el espectro en transmisión por acoplo de luz a un modo con la componente eléctrica perpendicular a la dirección de propagación de la luz (modo transversal eléctrico o TE) , a un modo con la componente magnética perpendicular a la dirección de propagación de la luz (modo transversal magnético o TM) o a la combinación entre ellos, ambos con pérdidas y cercanos a la condición de corte. Por ello a la resonancia se le denomina resonancia originada por modos con pérdidas (en inglés lossy mode resonace -LMR) cercanos a la condición de corte. La condición de corte marca el punto a partir del que un modo pasa a ser guiado en el recubrimiento y se controla fundamentalmente a través de dos variables: la longitud de onda de la luz que se propaga por la guía onda y la anchura del recubrimiento. Si por ejemplo la longitud de onda se mantiene fija hay una anchura a partir de la cual se guía un modo en el recubrimiento. Por tanto para anchuras cercanas a este valor se puede decir que los modos se encuentran cercanos a la condición de corte y se produce un transvase de energía entre la guía onda y el recubrimiento que provoca la aparición de la resonancia.

El tercer caso ocurre cuando la parte real del material que forma el recubrimiento delgado se aproxima a cero mientras que su parte imaginaria es elevada. Este caso se conoce como polaritón excitón de largo alcance.

Hasta la fecha el fenómeno que ha dado lugar a mayor número de aplicaciones y que ha centrado el interés de la comunidad científica son los dispositivos basados en SPR (J. Homola, SS. Yee, G. Gauglitz. Sens. Actuators B, 54, 3-15, 1999) . Tradicionalmente, se ha utilizado la configuración de Kretschmann (Kretschmann y Raether, Z. Naturforsch. Teil A 23:2315-2136, 1968) para la medida de SPR. En esta configuración, se deposita una capa fina de un metal altamente reflexivo (por ejemplo, oro o plata) sobre la base de un prisma (U.S. Pat. No. 7015471; U.S. Pat. No. 6738141) . La superficie del metal entra en contacto con la muestra y, mediante la utilización de una luz monocromática polarizada en modo TM que atraviesa el prisma y la medición de la intensidad de luz reflejada en función del ángulo de incidencia, se calcula el espectro de reflexión SPR de la muestra. El ángulo con intensidad de reflexión mínima es el ángulo de resonancia en el cual se origina el acoplamiento máximo entre la luz incidente y las ondas de plasmones superficiales. Este ángulo, junto con el espectro de resonancia y la intensidad en el ángulo en el cual se obtiene la intensidad de reflexión mínima, puede ser utilizado para caracterizar o determinar la muestra en contacto con la superficie metálica.

Diversos tipos de sensores basados en SPR han sido descritos en la literatura, sensibles a cambios tanto del índice de refracción como del espesor de las muestras. Estos sistemas, junto con los recubrimientos químicos sensibles adecuados han originado el desarrollo de una gran variedad de sensores químicos basados en SPR (así por ejemplo C. Nylander, B. Liedberg y T. Lindt, Sens. & Actuators, 4:299, 1983 utilizan el barrido angular; K. Matsubara, S. Kawata y S, . Minami, Appl. Opt., 27:1160, 1988 utilizan un detector lineal múltiple; L. M. Zhang y D. Uttamchandani, Electron. Lett., 24:1469, 1988 hacen un barrido en longitud de onda; Liedberg et al., Sens. & Actuators, 4:299, 1983; Daniels et al., Sens. & Actuators, 15:11, 1988; Jorgenson et al., IEEE/Engineering Medicine and Biology Society Proceedings, 12:440, 1990 fabrican sensores para ensayos inmunológicos) .

A pesar de que la configuración de Kretschmann para sensores químicos basados en SPR ofrece una sensibilidad considerable, presenta inconvenientes derivados de su configuración geométrica que han restringido enormemente su aplicación. Como un claro ejemplo de limitación, cabe citar la necesidad de incluir un prisma relativamente grande, caro e inapropiado para aplicaciones remotas. Además, tales dispositivos requieren un instrumental preciso o bien una elaboración complicada de los datos obtenidos; esto hace que sean dispositivos no portátiles y de difícil implantación en ambientes industriales. Asimismo, emplean en su mayoría una fuente de luz monocromática debido a las limitaciones de la configuración (como la presencia del prisma) , y necesitan que la luz incidente realice un barrido en un rango amplio de ángulos incidentes debido a que utilizan, en su mayoría, como parámetro de medida el ángulo al cual se produce la máxima atenuación de la intensidad de reflexión.

A partir de las necesidades expuestas anteriormente se han desarrollado nuevos tipos de sensores basados en SPR sobre fibra óptica que proporcionan una sensibilidad razonable mejorando las limitaciones de los sistemas con la configuración de Kretschmann expuestas anteriormente, como la necesidad de utilización de un prisma o la utilización de una fuente de luz monocromática y posibilitando las aplicaciones de detección remota. Estos nuevos dispositivos utilizan una luz incidente de amplio espectro como fuente de excitación del dispositivo sensor, el cual está compuesto por una fibra óptica con una parte del núcleo expuesta y una fina capa de un metal altamente reflexivo (comúnmente oro o plata) depositado sobre el núcleo, que propicia el efecto de plasmones superficiales. De esta manera, midiendo la intensidad de la luz para cada longitud de onda a la salida de la fibra después de haber atravesado la zona sensible podemos determinar o caracterizar la muestra en contacto (U.S. Pat. No. 5327225; Esp. Pat. No. 2114175) . Al igual que anteriormente en la configuración de Kretschmann, este sistema también permite la utilización de capas o recubrimientos de partículas adheridos a la capa metálica y sensibles a diferentes sustancias

o compuestos químicos en función de la aplicación tanto en la configuración en transmisión (A. Diez, M.

V. Andrés y J. L. Cruz, Sens. & Actuators B, 73:95, 2001) como en reflexión (R. Slavik, J. Homola, Z. Manikova & J. Ctyroky, Sens. & Actuators B, 51:311, 1998) . Por otro lado, son interesantes las aplicaciones que se derivan de la aparición de varias resonancias originadas por plasmones superficiales, lo que posibilita la generación de filtros en múltiples longitudes de onda adecuados para comunicaciones ópticas además de que permite disponer de varios puntos de referencia para su utilización en aplicaciones con sensores. (Monzón-Hernández et al. App Opt., 43:12161220, 2004) . No obstante cabe destacar la problemática que supone la fabricación de un dispositivo basado en la generación de múltiples SPR adecuado para que ocurra este fenómeno debido a la dificultad de...

 


Reivindicaciones:

1. Sensor de fibra óptica recubierta basado en el fenómeno de resonancia por modos con pérdidas cercanos a la condición de corte, que comprende:

- una fibra óptica (3) con un núcleo guía-onda

(6) y al menos una película de material absorbente (9) situada en una zona sensible en contacto directo con al menos una parte del núcleo guía-onda de la fibra,

- una fuente de radiación electromagnética (1) de amplio espectro cuya salida es aplicable a uno de los extremos del núcleo guía-onda de la fibra óptica de manera que la radiación se propague a través de la fibra y salga de la fibra óptica y

- un dispositivo detector (2) para la medida de la radiación que sale a través de la fibra,

caracterizado porque la película (9) en contacto directo con al menos una parte del núcleo guía-onda de la fibra está formada por un material absorbente en el que la parte real de su permitividad es positiva y su valor absoluto es mayor que el valor absoluto de su parte imaginaria y mayor que la parte real de la permitividad de la fibra (3) y capaz de producir al menos un modo cercano a la condición de corte.

2. Sensor según la reivindicación 1 caracterizado porque la fuente de radiación es aplicable al extremo de entrada del núcleo de la fibra óptica de manera que la radiación se propague a través de la fibra por reflexión total interna desde el extremo de entrada hasta el extremo de salida.

3. Sensor según la reivindicación 1 caracterizado porque comprende un extremo en reflexión (11) definido por una capa especular (12) en contacto con el extremo del núcleo guía onda.

4. Sensor según la reivindicación 3 caracterizado porque la película delgada de material absorbente está situada en el extremo en reflexión de la fibra óptica.

5. Sensor según las reivindicaciones3º4, caracterizado porque la capa especular comprende un material con alta reflectividad.

6. Sensor según la reivindicación 5, caracterizado porque que la capa especular comprende oro, plata, cromo, aluminio o platino.

7. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque sobre la película delgada de material absorbente se deposita al menos una capa adicional (14) de partículas sensibles específicamente a la especie a detectar.

8. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la película delgada comprende un óxido metálico conductor transparente de un elemento escogido entre los elementos zinc, indio, estaño, iridio, cadmio, itrio, escandio y níquel, o aleaciones, dopados o combinaciones binarias, ternarias o cuaternarias de los óxidos de los elementos anteriores entre ellos mismos, con otros elementos como flúor, cobre, galio, magnesio, calcio, estroncio o aluminio o combinaciones de estos últimos entre ellos.

9. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1-7 caracterizado porque la película delgada comprende un material polimérico depositado mediante las técnicas de autoensamblado electrostático monocapa o la Langmuir Blodgett.

10. Sensor según la reivindicación 9 caracterizado porque la película delgada comprende uno de los compuestos poli (vinilpirrolidona) , poli (vinilalcohol) , poliacrilamida, ácido poliacrílico, poliestireno sulfato, polianilina sulfato, poli (tiofeno-3-acético ácido) , polianilina, polipirrol, poli (3-hexil tiofeno) , poli (3, 4etilendioxitiofeno) y poli (dimetil amonio dicloruro) o combinaciones de los mismos.

11. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque incorpora otra fibra óptica capaz de generar una señal de referencia de salida.

12. Sensor de fibra óptica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la fuente de radiación electromagnética es una del grupo consistente en uno o varios LED, un láser de semiconductor o una lámpara halógena y donde el sistema de detección de luz está adaptado para detectar las longitudes de onda producidas por la fuente escogida.

13. Sensor de fibra óptica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo detector (2) comprende un espectrómetro.

14. Sensor de fibra óptica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la película es de un espesor adaptado para generar múltiples resonancias.

15. Uso de un sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1-14 como filtro en comunicaciones ópticas.

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 200930656

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 07.09.2009

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : G01N21/41 (2006.01) G01D5/353 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría Documentos citados Reivindicaciones afectadas A GB 2198844 A (UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY) 22.06.1988, todo el documento. 1-6, 8, 10, 12, 13 A GB 2210685 A (UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY) 14.06.1989, resumen; página 1, líneas 5-12; página 1, líne.

27. página 3, línea 13; página 3, líne.

30. página 4, línea 10. 1, 7, 12, 13 A EP 0489274 A1 (CORNING INCORPORATED) 10.06.1992, todo el documento. 1-15 A EP 0359705 A2 (CENTRE SUISSE D'ELECTRONIQUE ET DE MICROTECHNIQUE S.A.) 21.03.1990, todo el documento. 1-15 A US 7167615 B1 (WAWRO, D. ET AL.) 23.01.2007, -Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº : Fecha de realización del informe 13.07.2011 Examinador Ó. González Peñalba Página 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 200930656

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) G01N, G01D, G02B Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, INSPEC

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200930656

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 13.07.2011

Declaración

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Reivindicaciones Reivindicaciones 1-15 SI NO Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Reivindicaciones Reivindicaciones 1-15 SI NO

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Consideraciones:

La presente Solicitud se refiere, en su primera reivindicación, a un sensor de fibra óptica recubierta basado en el fenómeno de resonancia por modos con pérdidas cercanos a la condición de corte, que comprende una fibra óptica con un núcleo de guía-onda y al menos una película de material absorbente que la reviste en una zona sensible, destinada a ser influida por el fenómeno a medir, y que funciona midiendo en un detector la radiación propagada a través de la fibra óptica desde una fuente de radiación de amplio espectro aplicada a uno de los extremos del núcleo de guía-onda, en el cual el material absorbente de la película situada en la zona sensible tiene una permitividad cuya parte real es positiva y de valor absoluto mayor que el valor absoluto de la parte imaginaria y mayor que la parte real de la permitividad de la fibra, y que es capaz de producir al menos un modo cercano a la condición de corte. Las restantes reivindicaciones 2-15, todas ellas dependientes directa o indirectamente de esta primera, detallan elementos o características constructivas y de materiales adecuados para un funcionamiento óptimo del sensor, así como una aplicación particular de éste como filtro en comunicaciones ópticas (reivindicación 15) .

Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200930656

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

Documento Número Publicación o Identificación Fecha Publicación D01 GB 2198844 A (UNITED KINGDOM ATOMIC AUTHORITY) ENERGY 22.06.1988 D02 GB 2210685 A (UNITED KINGDOM ATOMIC AUTHORITY) ENERGY 14.06.1989

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración Se considera que la presente invención definida en las reivindicaciones 1-15 de esta Solicitud tiene novedad y actividad inventiva por no estar comprendida en el estado de la técnica ni poder ser deducida de este de un modo evidente por un experto en la materia. Se han encontrado en el estado de la técnica diversos documentos que describen sensores constituidos por una fibra óptica recubierta, en una zona de medida, de un material de propiedades ópticas susceptibles de verse afectadas por la presencia de la sustancia que se pretende medir. Así, por ejemplo, el documento D01, citado en el Informe sobre el Estado de la Técnica (IET) con la categoría A para las reivindicaciones 1-6, 8, 10, 12 y 13, describe un sensor de gas que incluye un dispositivo óptico, materializable, en una realización, como una fibra óptica, que tiene un revestimiento de un material cuya permitividad (en este caso, eléctrica) y, por tanto, su índice de refracción, son susceptibles de experimentar un cambio cuando el material está en presencia del gas que se desea detectar. Este documento recoge también la alternativa de funcionamiento en modo de reflexión en un extremo de la fibra, así como compuestos químicos análogos para la fabricación del material de revestimiento, pero no especifica las mismas condiciones matemáticas para la permitividad de dicho material que las del objeto de la presente invención. Por su parte, el documento D02, también citado en el IET con la categoría A para ciertas reivindicaciones, divulga un sensor que comprende una fibra óptica que tiene un núcleo y un revestimiento, de tal manera que dicha fibra óptica tiene una porción conformada con una forma tal, que la luz puede fugarse en un campo evanescente en las inmediaciones de esa porción e interactuar con un entorno en comunicación con la fibra. La medición se efectúa detectando, por medios adecuados, la variación en la intensidad de la luz transmitida por la fibra. Tampoco en este documento se detallan condiciones de permitividad para el material del revestimiento coincidentes con las del sensor de la presente invención. Puede concluirse, en consecuencia, que el objeto definido en todas las reivindicaciones de la presente invención tiene novedad y actividad inventiva de acuerdo con los Artículos 6 y 8 de la LP.

Informe del Estado de la Técnica Página 4/4


 

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