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WO1989007756A1 - Integrated optical interference method - Google Patents

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WO1989007756A1
WO1989007756A1 PCT/EP1988/000108 EP8800108W WO8907756A1 WO 1989007756 A1 WO1989007756 A1 WO 1989007756A1 EP 8800108 W EP8800108 W EP 8800108W WO 8907756 A1 WO8907756 A1 WO 8907756A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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waveguide
layer
light
sample
phase difference
Prior art date
Application number
PCT/EP1988/000108
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Lukosz
Original Assignee
Walter Lukosz
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Walter Lukosz filed Critical Walter Lukosz
Priority to US07/573,190 priority Critical patent/US5120131A/en
Priority to BR888807884A priority patent/BR8807884A/pt
Priority to JP88501812A priority patent/JPH03502726A/ja
Priority to PCT/EP1988/000108 priority patent/WO1989007756A1/de
Priority to EP88901823A priority patent/EP0403468A1/de
Publication of WO1989007756A1 publication Critical patent/WO1989007756A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G—PHYSICS
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G01J2009/0226—Fibres
    • G01J2009/023—Fibres of the integrated optical type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/04—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by beating two waves of a same source but of different frequency and measuring the phase shift of the lower frequency obtained
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
    • G01N2021/7779—Measurement method of reaction-produced change in sensor interferometric

Definitions

  • the present invention relates to an integrated optical interference method according to the preamble of patent claim 1
  • Optical layer waveguides consist of a thin waveguiding layer with a higher refractive index on a substrate with a lower refractive index.
  • Strip waveguides consist of a strip with a higher refractive index, which is attached to a substrate with a lower refractive index or embedded in its surface.
  • the medium called superstrate, with which the layer or strip waveguide is covered, must also have a lower refractive index than the layer or strip waveguide.
  • the optical waves in layer waveguides are guided laterally by total reflection in the plane of the layer, and additionally also laterally in strip waveguides.
  • An important special case of the layered waveguide is the planar waveguide in which the substrate is flat.
  • C is the speed of light in a vacuum and N is the effective refractive index of the mode.
  • the modes are referred to according to their polarization as TE m - (transversely electrical) and TM m - (transversely magnetic) modes.
  • the mode number m 0.1, 2, .. denotes modes with different transverse field distributions.
  • Modes of different polarization and different transverse field distributions also occur with the strip waveguides.
  • the effective refractive indices N depend on the frequency v, the polarization and mode number of the mode and the properties of the waveguide, such as the refractive indices of the substrate and superstrate and waveguiding layer or strip and its layer thickness or thickness and width.
  • Light of the same frequency v can propagate simultaneously in a waveguide in the form of modes of different polarization, for example in a planar waveguide as TE m and as TM m mode with the same
  • Mode number m 0, 1, ...
  • the effective refractive indices N (TE m ) and N (TM m ) are different from each other.
  • a guided wave or mode with a beam splitter is divided into two partial waves 1 and 2, which pass through different paths and then from one Strahlvere iniger be superimposed again.
  • Beam splitters and combiners can e.g. in a planar waveguide. with gratings and with the use of strip waveguides with 3dB couplers.
  • the intensity can be measured photoelectrically. If the interference fringes, ie the maxima and minima of the intensity I, are counted, the values of the phase difference ⁇ 1 - ⁇ 2 result in integer multiples of 2 ⁇ t or ⁇ .
  • the invention has for its object to provide an integrated optical interference method for the selective detection of substances in liquid and gaseous samples, and / or for measuring changes in the refractive index in liquid and gaseous samples, and / or ion concentrations, which despite high sensitivity and large measuring range is simpler and cheaper to implement and does not require waveguides with structures such as beam splitters, gratings, 3dB couplers, etc., but requires only a single layer waveguide or a single strip waveguide, and to provide a device for carrying out this method which is fabricated is easier to manufacture. Another task is to create a device that can be inserted directly into the sample to be measured.
  • the invention achieves the object by a method according to the features of claim 1 and a device according to the features of claim 15.
  • the two modes orthogonally polarized to one another are a TE m and a TM m ' mode, the mode numbers m and m' being either the same or different; the two modes are preferably the TE 0 and the TM 0 mode.
  • the easiest way to couple the laser light into the waveguide is via the end face.
  • the easiest way to disconnect is via an end face.
  • the incident laser light must be linearly polarized at an angle ⁇ with respect to the normal on the waveguide surface, where ⁇ ⁇ 0 and ⁇ 90 0 and is preferably ⁇ 45 0 , or else is elliptical, preferably circular, polarized.
  • the outcoupled laser light has two mutually orthogonal polarization components s and p, the component p being linearly polarized in the direction of the normal on the waveguide by the TM mode and the component s polarized perpendicularly, ie in the plane of the layer, by the TE mode .
  • the sample is placed on at least one measuring point below mentioned - section of the waveguide on its surface, or if this is provided with a chemically selectively sensitive layer - which is hereinafter referred to as chemo-responsive layer - placed on this chemo-responsive layer, or the part of the waveguide with the measuring point introduced into the sample.
  • chemo-responsive layer - placed on this chemo-responsive layer, or the part of the waveguide with the measuring point introduced into the sample.
  • phase difference ⁇ ⁇ (t) The light of the two mutually orthogonal polarization components s and p in the decoupled light is coherent with one another; there is a phase difference ⁇ ⁇ (t) between the two, which depends on the time t if a temporal change occurs in the sample or if the sample is applied to the measuring point.
  • the phase difference ⁇ ⁇ (t) is measured as a function of time t and from this the change in the quantity to be measured is concluded or this is determined quantitatively.
  • Various particularly suitable methods for measuring ⁇ ⁇ (t) are given below.
  • the optical paths ie the path integrals via the product of the local refractive index and path element, are of the same size for the mutually orthogonal polarization components.
  • the phase difference between the two polarization components does not change with the light propagation.
  • the interferometer is largely insensitive to shocks and temperature changes, which result in a change in the optical paths.
  • This property is very advantageous because the mechanical structure does not have to have the great stability that is required with some other interferometers in three-dimensional optics.
  • polarization-optical components such as phase-shifting plates, for example ⁇ / 4 plates, and / or by means of beam splitters, additional phase differences ⁇ 0 can be generated between the two polarization components.
  • phase differences ⁇ 0 which are generated for the purpose of measuring the phase difference ⁇ ⁇ (t), are discussed in more detail below.
  • phase difference ⁇ ⁇ (t) occurs in the light propagation in the waveguide between the mutually orthogonally polarized modes due to the interaction with the sample; this depends on the time when a temporal change occurs in the sample or when the sample is applied to the measuring point.
  • the occurrence of the phase difference ⁇ ⁇ (t) can be understood as follows: the light of the modes is guided by total reflection in the waveguiding layer or in the strip; however, the field distribution extends into the superstrate in the form of a transversely damped wave, i.e. into the chemo-responsive layer and / or sample. The depths of penetration of the fields of the two mutually orthogonally polarized modes differ, and therefore the strength of their interaction with the sample.
  • ⁇ ⁇ (L) 2 ⁇ (L / ⁇ ) [N (TE 0 ) -N (TM 0 )] + ⁇ ⁇ (0), (3) if ⁇ ⁇ (0) is their phase difference at the beginning of the measuring point. If the effective refractive indices change as a function of time t, namely N (TE 0 ) by ⁇ N (t; TE 0 ) and N (TM 0 ) by ⁇ N (t; TM 0 ), the phase difference ⁇ f (L) changes in time
  • the TE o mode decoupled from the waveguide generates the polarization component s
  • the decoupled TM 0 mode generates the polarization component p.
  • the phase difference ⁇ ⁇ (t) + ⁇ ⁇ exists between these polarization components, ⁇ ⁇ being constant.
  • the outcoupled light is directed through a polarizer to a photodetector.
  • the transmission direction of the polarizer is oriented in the direction of the bisector of the polarization directions of the two linearly polarized polarization components s and p.
  • I s and I p are the intensities which the polarization components s and p would produce on their own, ⁇ ⁇ the constant phase difference and ⁇ ⁇ (t) the temporal resulting from the changes in the quantity to be measured are changing phase difference. If the maxima and minima of I (t) are counted, then ⁇ ⁇ (t) with an accuracy of
  • I s I p is preferably selected so that the
  • the sensitivity of the method according to the invention is proportional to the length L of the measuring point.
  • the effective refractive index N depends on the refractive index of the medium with which the waveguide is covered and on the layer thickness of a layer adsorbed on the surface of the waveguiding layer or strip. Changes in ⁇ N (t) and thus the phase difference ⁇ ⁇ (t) occur when
  • the method according to the invention is suitable as a differential refractometer.
  • Examples of this are: With waveguiding layers made of SiO 2 -TiO 2 , changes in the relative humidity, for. B. relative humidity, because water is adsorbed or sorbed on the surface and in the micropores of the SiO 2 -TiO 2 layer.
  • the method according to the invention is suitable as a moisture sensor.
  • chemo-responsive layer on the surface of the measuring point of the wave-guiding layer or the strip, which selectively adsorbs, chemisorbs or binds the substance to be detected and thereby either changes its refractive index or layer thickness, or causes an additional layer to be deposited on the chemoresponsive layer .
  • This chemo-responsive layer can also be present in the micropores of a porous waveguide.
  • the chemo-responsive layer can also be preceded by a semi-permeable membrane, so that only the substances diffusing through the membrane from the sample can interact with the chemo-responsive layer.
  • chemo-responsive layers are as follows: a) The chemo-responsive layer consists of, for example, a monomolecular layer made of molecules of an antibody, which are preferably covalently bound to the waveguiding layer or the strip. If the antigen or skin corresponding to this antibody is contained in the sample, then antigen or hapten molecules bind to the antibodies and thereby form an additional layer, the formation of which is verified by the method according to the invention.
  • the immunoreaction between antigen or hapten and antibody is highly specific and selective, especially when monoclonal Antibodies are used. The same applies if the measuring point is coated with an antigen or anti-antibody. Molecules of the corresponding antibody present in the sample then bind to these fixed molecules.
  • MAK monoclonal antibodies
  • the method according to the invention can thus be used in medical diagnostics for the detection of antibodies or antigens in body fluids, in agro-diagnostics for the detection of plant diseases, in food chemistry for the detection of bacterial contaminants and for the detection of toxic substances.
  • Methods for the covalent binding of antibodies to, for example, glass and SiO 2 surfaces are described in the literature.
  • palladium can be applied to the surface as a chemo-responsive layer or introduced into the pores of the wave-guiding layer.
  • ion concentrations for example of H + ions (pH value) or K + ions, is possible with suitable chemo-responsive layers.
  • Chemo-responsive layers consisting of chemisorbed or bonded indicator dyes or embedded in a polymer layer are suitable for measuring the pH value. Since indicator dyes change their color depending on the pH value, they also have to change their refractive index in the wavelength ranges in which they have low light absorption, which is known to result from the dispersion relationships.
  • a chemo-responsive layer consisting of va- nomyc in molecules embedded in a polymer layer, which absorb K + ions very selectively, is suitable.
  • the dependence of the sensitivity of the method according to the invention on the properties of the waveguide used is considered below for a planar waveguide when using the TE 0 and TM 0 modes.
  • the effective changes in refractive index ⁇ N (t; TE 0 ) and ⁇ N (t; TM 0 ) of the two modes themselves are large if their interaction with the sample or with the chemo-responsive layer changed by the sample is strong.
  • the effective layer thickness d eff is defined as the sum of the geometric layer thickness d of the vein-conducting layer and the depth of penetration of the transversely damped fields into the substrate on the one hand and into the sample and / or chemo-responsive layer on the other. It is small if d is small and if the difference n 1 -n 2 of the 3-index numbers of the waveguiding layer (n 1 ) and substrate (n 2 ) is as large as possible, preferably n 1 -n 2 > 0.25.
  • the layer thickness d must of course be greater than the cut-off layer thickness d c (TM 0 ) of the TM 0
  • Modes are selected so that both the TE 0 - and the TE 0 -
  • the range of d, in the sensitivity of the method according to the invention can be determined by the person skilled in the art without difficulty by simple calculations or suitable test series in a specific case; the range depends on the refractive indices n 1 and n 2 and that (n 4 ) of the sample, and on the refractive indices and layer thicknesses of the chemo-responsive ones
  • the layer thickness d at least at the measuring point, to be smaller than the cut-off layer thickness d c (TE 1 ) of the TE 1 mode, so that the guided shaft is only in the TE 0 and TM 0 mode can spread and no modes of higher order m> 1 can spread and possibly cause interference.
  • Pyrex glass substrates with n 2 ⁇ 1.47 resulted in areas with high sensitivity: a) in gaseous samples (n 4 ⁇ 1.0) 220 nm ⁇ d ⁇ 420 nm and b) 150 nm ⁇ d ⁇ 390 nm in aqueous samples ( n 4 ⁇ 1.33) for the measurement of changes in the refractive index of the sample and for the absorption of proteins on the waveguide surface.
  • the specified lower limits of d correspond to approximately 5/3 of the cut-off layer thicknesses d c (TM 0 ) of the TM 0 mode.
  • the waveguiding layers or strips are made of materials, preferably with a high refractive index n 1 , for example mixtures of SiO 2 and TiO 2 (n 1 ⁇ 1.75) or Si 3 N 4 (n 1 ⁇ 2.0), on substrates with a much smaller size
  • Refractive index n 2 preferably made of glass (n 1 ⁇ 1.5), for example made of Pyrex glass.
  • a silicon wafer can also serve as the substrate, the surface of which is covered with a non-light-absorbing spacer layer with a low refractive index, preferably made of SiO 2 , in order to avoid damping the guided wave.
  • the wave-guiding layers or strips can also be produced from polyimide (n 1 ⁇ 1.8) on substrates made from glass or plastic, preferably from PMMA (polymethyl methacrylate) or polycarbonate.
  • Layers of mixtures of SiO 2 and TiO 2 can be produced, for example, with a dipping process from organometallic solutions by the sol-gel process; Layers of Si 3 N 4, for example using the CVD method.
  • 1 is a schematic longitudinal section through a planar waveguide with the measuring point and the sample
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through a planar waveguide with the j measuring point and the sample and with a reflector
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a strip waveguide on a flat substrate
  • Fig. 5 is a schematic representation of a device according to the invention in longitudinal section through the waveguide.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a device according to the invention in longitudinal section through the waveguide with two-way interaction of the guided mode with the sample
  • FIG. 7 shows a schematic longitudinal section through a planar waveguide, the latter having a smaller layer thickness at the measuring point than outside it,
  • FIG. 8 shows an expanded schematic longitudinal section through the waveguide, this being provided outside the measuring point with a protective layer and at the measuring point with a chemo-responsive layer, and with a heating layer between the waveguide and the substrate and a cell above the measuring parts,
  • FIG. 9 shows a schematic perspective illustration of the part of the device according to the invention for measuring the phase difference ⁇ (t) with a measuring channel
  • 10 shows a schematic illustration of the part of the device according to the invention for measuring the phase difference ⁇ (t) with a Wollaston prism for dividing the outcoupled light into two measuring channels
  • 11 shows a schematic representation of the part of the device according to the invention for measuring the phase difference ⁇ ⁇ (t) with a beam splitter and two Wollaston prisms for dividing the outcoupled light into four measuring channels.
  • the guided wave 3 is composed of two coherently excited mutually orthogonally polarized modes, a TE and a TM mode, preferably the TE 0 and the TM 0 mode.
  • the coupling of the shaft 3 into the waveguide 1/2 is not shown.
  • the guided shaft 3 interacts with the sample 4 over a section 1 'of the length L of the waveguide 1, which is referred to below as the measuring point 1'.
  • the coupling of the guided shaft 3 from the waveguide 1/2 is also not shown.
  • FIG. 2 shows a planar waveguide 1/2 with a reflector 5.
  • the coupled-in guided wave 3 interacts with the sample 4 at the measuring point 1 ′ and is then reflected by the reflector 5.
  • the reflected guided wave 3r in turn interacts with the sample 4.
  • the end of the waveguide that is cut off or broken off or polished as sharp as possible can be used as the reflector 5, i.e. whose end face serve, which can preferably be provided with a metal layer or dielectric mirror layers.
  • a grating for example a surface relief grating on the waveguide 1, 2 can serve as a reflector 5 if the Bragg condition is met.
  • the width of the strip can typically be a few ⁇ m to a few mm.
  • the sample 4, which points to the measuring parts 1 'of FIG Length L is applied.
  • the possibility of attaching a plurality of strip waveguides to one another in parallel on the same substrate 2 is not shown.
  • the substrates are typically between 0.1-1 mm thick. Their dimensions can be chosen within wide limits. They are typically a few mm to 75 mm long and a few mm to 25 mm wide.
  • Fig. 4 shows the cross section through a cylindrical substrate 2 and a waveguiding strip 1a attached thereon.
  • the diameter of the substrate 2 can typically be 0.1-10 mm and its length typically a few mm to 100 mm. With a reflector 5 at the end, this waveguide 1a / 2 is particularly suitable for immersion or introduction into a sample (not shown).
  • the width of the waveguiding strip 1a can typically be between 10 ⁇ m and a few mm. However, it is also possible to choose its width equal to the circumference of the substrate 2, i.e. to cover the entire surface of the substrate 2 with a waveguiding layer.
  • the method according to the invention consists in that polarized light emitted by a laser 6, preferably a kelium-neon laser or a calf conductor laser, with a system of spherical and / or cylindrical lenses 7, for example a microscope objective, is focused on the end face 8 of the layer waveguide 1/2 and is coupled into the latter in such a way that the coupled-in guided wave 3 consists of two mutually coherently excited and mutually orthogonally polarized modes, preferably the TE 0 - and the TM 0 mode exists, interacts with the sample 4 in the area of the measuring point 1 'and is coupled out of the waveguide 1/2 via the end face 8', and that the time-dependent phase difference ⁇ ⁇ (t) between the two mutually orthogonal polarization components s and p is measured in the outcoupled light 3a with a device 10.
  • a laser 6 preferably a kelium-neon laser or a calf conductor laser
  • cylindrical compared to spherical lenses 7 is that the light from the cylindrical lens only in the 5, ie focused on the end face of the wave-guiding layer 1, but not in the plane perpendicular to it.
  • a spherical lens 7 also causes a focusing in the plane of the wave-guiding layer 1 and thus a divergence of the coupled-in guided wave 3, which can have a disadvantageous effect. If a laser 6 which emits unpolarized light is used, a polarization filter is placed between the laser 6 and the lens system 7.
  • the light incident on the waveguide 1/2 is preferably first linearly polarized at an angle ⁇ 45 0 to the plane of the drawing, so that the TE and TM modes are excited with approximately the same intensity.
  • the outcoupled light 3a contains two mutually orthogonal polarization components s and p, which are polarized linearly perpendicular (s) and parallel (p) to the plane of the drawing and which correspond to the outcoupled TE or TM mode.
  • the angle ⁇ is preferably readjusted so that the polarization components s and p have the same intensity in the outcoupled light 3a and therefore the interference has maximum modulation.
  • the polarization components s and p are superimposed and thus brought to interference.
  • the method according to the invention requires that the guided wave 3 generated as in the method described in FIG. 5 is reflected by a reflector 5 in the area of the measuring point 1 ′ after the interaction with the sample 4 that the reflected wave 3r also interacts with the sample 4 in the area of the measuring point 1 'and is then coupled out again through the same end face 8 through which the coupling took place, and that the outcoupled light 3a is spatially separated from the incident light 3e by a beam splitter 9 and is supplied to the device 10 for measuring the phase difference ⁇ (t).
  • Advantages of this method are that the waveguide 1/2 can be introduced directly into a sample and, because of the two-way interaction with the sample 4, the sensitivity is twice as great.
  • the in Fig. 5 and 6 schematically shown in layer section waveguide 1/2 can also be viewed as a strip waveguide 1 a / 2; the method according to the invention works in an analogous manner.
  • the incident laser light 3e and the outcoupled light 3a each with a fiber waveguide, preferably with polarization-maintaining monomode fiber waveguides, from the laser 6 to the layer waveguide 1/2 or strip waveguide 1a / 2, and / or to lead away from this to the device 1 0.
  • the fiber waveguide can, for example, be attached directly to the end faces 8 and 8 'of the layered waveguide 1/2 or strip waveguide 1 a / 2.
  • the wave-guiding layer 7 shows a planar wave-guiding layer 1, which has a smaller layer thickness d in the area of the measuring point 1 'than outside it, in particular as in the area of the end faces 8 and 8'.
  • the advantages of this device according to the invention are: 1. ) For the coupling of the laser light 3e in the Wellenlei ter 1/2 over the end face 8, a larger layer thickness d is advantageous because the adjustment of the lenses 7 is easier and the coupling efficiency is higher, and 2nd )
  • the method according to the invention has a greater sensitivity if the layer thickness in the area of the measuring point 1 'is small, as has already been described above. This also applies analogously to waveguides. Strip 1 a.
  • the protective layer 12 must have a refractive index n 12 which must be less than the refractive index n 1 of the wave-guiding layer 1 or strip 1a and also less than the effective refractive index N of the two modes of the guided wave 3.
  • the layer thickness of the protective layer 12 must be greater than the penetration depth ( ⁇ / 2 ⁇ ) [N 2 -n 12 2 ] -1/2 of the transversely damped wave of the field of the guided wave 3 into the protective layer 12.
  • Suitable materials for the protective layer 12 are preferably SiO 2 , glass-resin polymers, or plastics such as FMMA or polycarbonate, which can be applied, for example, using a centrifugal or immersion method.
  • the wave-guiding layer 1 can be covered with a chemo-responsive layer 11.
  • a heating layer 13, for example an indium tin oxide (ITO) layer can be applied between the substrate 2 and the wave-guiding layer 1, at least at the measuring point 1 '.
  • the heating layer 13 can be heated by electric current; The resulting increase in temperature enables the desorption of adsorbed molecules, in particular in the case of gaseous samples, and the measuring point 1 ′ to be cleaned of adsorbates.
  • the sample 4 is applied to the measuring point 1 '.
  • the measuring point 1 ' can also be covered with a cell 14 into which the sample 4 is filled. The walls of the cell 14 are preferably attached to the protective layer 12.
  • 9-11 show examples of the part of the devices according to the invention for measuring the phase difference ⁇ ⁇ (t) between the polarization components s and p in the outcoupled light 3a.
  • 9 shows an arrangement with a measuring channel.
  • the outcoupled light 3a is passed through a polarizer 15, whose transmission direction 16 is oriented in the direction of the bisector between the polarization directions of the polarization components s and p, to the photodetector 17, which measures the intensity I (t), which of the Electronics 20 is detected and evaluated. From G1. (6) it follows that the temporal change in the phase difference ⁇ ⁇ (t) can be determined from I (t), for example by counting the maxima and minima of I (t).
  • FIGS. 10 and 11 show devices for measuring ⁇ i (t) with a plurality of measuring channels.
  • the outcoupled light is divided into M measuring channels using beam splitters and / or Wollaston prisms.
  • the decoupled light 3a is split by the Wollaston prism 18 into two mutually perpendicularly polarized portions 3a1 and 3a2 which fall on the photodetectors 17a and 17b.
  • the outcoupled light 3a is divided into two parts by a beam splitter 19. These are further made vertical by the Wollaston prisms 18a and 18b, each in two parts polarized to each other split up, so that the four parts 3a1-3a4 arise.
  • a ⁇ / 4 plate (20) In front of the Wollaston prism 18b is a ⁇ / 4 plate (20), which generates a phase difference of ⁇ / 2 between the polarization components s and p.
  • phase difference ⁇ ⁇ (t) with only one measuring channel are not shown in the figures; these devices essentially correspond to those according to FIG. 9, but have additional components.
  • phase difference ⁇ 0 (t) is varied periodically with the period T linearly between - ⁇ and + ⁇ with modulators described under point a). It is determined at which value ⁇ 0 'of ⁇ n the measured intensity I (t) becomes minimal; according to Eq. (7) the phase difference can then be determined from:
  • the methods a) and b) have a resolution of 6 ( ⁇ ⁇ ) ⁇ 2 ⁇ / 100.
  • the phase difference ⁇ ⁇ (t) can also be measured using the keterodyne method.
  • a frequency difference Av is generated between the two polarization components of the laser light 3e incident on the waveguide 1 / 2,1a / 2, and thus in the guided wave (3) between the two modes of orthogonal polarization.
  • This can be generated, for example, with a helium-neon laser by a Zeemann splitter, or with an acous-to-optical modulator, or with a ⁇ / 2 plate rotating at a constant angular velocity and a stationary ⁇ / 4 plate.
  • the intensity I (t) measured by the photodetector 17 oscillates at the frequency ⁇ v.
  • the relative phase of this intensity I (t) is measured relative to that intensity, which also oscillates with the frequency .DELTA.v, which is measured by a second photodetector on which a laser light is incident on the waveguide 1 / 2,1a / 2 with a beam splitter 3e branched part of this light is directed.
  • the phase difference ⁇ ⁇ (t) can be measured with a measuring accuracy of ⁇ ( ⁇ ⁇ ) ⁇ 2 ⁇ / 1000.

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Description

Integriert-optisches Interferenz verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein integriert-optisches Interferenzverfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1
Optische Schicht-Wellenleiter bestehen aus einer dünnen wellenleitenden Schicht mit höherer Brechzahl auf einem Substrat mit niedrigerer Brechzahl. Streifen-Wellenleiter bestehen aus einem Streifen höherer Brechzahl, welcher auf einem Substrat niedrigerer Brechzahl angebracht oder in dessen Oberfläche eingelassen ist. Auch das Superstrat genannte Medium mit dem der Schicht- oder Streifen-Wellenleiter überdeckt ist muss eine niedrigere Brechzahl als der Schicht- oder Streifen-Wellenleiter haben. Nach der geometrisch-optischen Theorie werden die optischen Wellen in Schicht-Wellenleitern durch Totalreflexion in der Ebene der Schicht, in Streifen-Wellenleitern zusätzlich auch seitlich geführt. Wichtiger Spezialfall des Schicht-Wellenleiters ist der planare Wellenleiter bei welchem das Substrat plan ist.
Nach der wellenoptischen oder elektrodynamischen Theorie breiten sich die optischen Wellen in Wellenleitern in der Form geführter Moden aus, welche durch ihre Frequenz v bzw. ihre Vakuum-Wellenlänge λ=c/v, ihre Polarisation, ihre transversale Feldverteilung und ihre Phasengeschwindigkeit vP=c/N charakterisiert sind. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und N die effektive Brechzahl des Modes. In planaren Wellenleiter werden die Moden nach ihrer Polarisation als TEm - (transversal elektrische) und TMm - (transversal magnetische) Moden bezeichnet. Die Modenzahl m=0,1 ,2,.. bezeichnet Moden mit verschiedenen transversalen Feldverteilungen. Auch bei den Streifen-Wellenleitern treten Moden verschiedener Polarisation und verschiedener transversaler Feldverteilungen auf. Die effektiven Brechzahlen N hängen von der Frequenz v, der Polarisation und Modenzahl des Modes und den Eigenschaften des Wellenleiters ab, wie den Brechzahlen von Substrat, Superstrat und wellenleitender Schicht oder Streifen und dessen Schichtdicke bzw. Dicke und Breite. Licht derselben Frequenz v kann sich in einem Wellenleiter gleichzeitig in der Form von Moden verschiedener Polarisation ausbreiten, beispielsweise in einem planaren Wellenleiter als TEm- und als TMm- Mode mit derselben
Modenzahl m=0 , 1 , .. . Die effektiven Brechzahlen N(TEm ) und N(TMm ) sind voneinander verschieden.
In integriert-optischen Zweistrahl-Interferometern gemäss dem Stand der Technik, wie dem Michelson- oder dem Mach-Zehnder-Interferometer, wird eine geführte Welle oder Mode mit einem Strahlteiler in zwei Teilwellen 1 und 2 aufgeteilt, welche verschiedene Wege durchlaufen und dann von einem Strahlvere iniger wieder überlagert werden . Strahlteiler und Vereiniger können in einem planaren Wellenleiter z .B . mit Gittern und bei Verwendung von Streifen-Wellenleitern mit 3dB-Kopplern realisiert werden. Die Teilwellen 1 und 2 interferieren mit der Phasendifferenz Փ1 -Փ2={ 2π/λ) [ ∫1N ds - ∫2N ds ] , wobei das Integral ∫jN ds mit dem Wegelement ds das Wegintegral der effektiven Brechzahl über den Weg der Teilwelle j =1 , 2 ist und der Ausdruck in der eckigen Klammer der optische Gangunterschied ist. Die Intensität am Ausgang des Interferometers ist I = I1 + I2 + 2(I1 I2) 1/ 2cos {Փ1-Փ2 }. ( 1 )
Die Intensität kann fotoelektrisch gemessen werden. Werden dabei die Interferenzstreifen, d.h. die Maxima und Minima der Intensität I gezählt, so ergeben sich daraus die Werte der Phasendifferenz Փ1-Փ2auf ganzahlige Vielfache von 2τt bzw von π.
Mit einem integriert-optischen Interferometer nach bekanntem Stand der Technik sind Aenderungen der effektiven Brechzahl N des geführten Modes messbar, wenn entweder die geometrischen Weglängen in den beiden Armen des Interferometers verschieden gross gewählt werden oder N in dem einen Arm sich ändert in dem anderen aber konstant bleibt. Integriert-optischen Interferometer nach bekanntem Stand der Technik haben den Nachteil teuer zu sein; ihre Herstellung ist kompliziert weil dabei Mikrostrukturen sehr präzise erzeugt werden müssen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein integriertoptischen Interferenzverfahren zum selektiven Nachweis von Substanzen in flüssigen und gasförmigen Proben, und/oder zur Messung von Aenderungen der Brechzahlen in flüssigen und gasförmigen Proben, und/oder von Ionenkonzentrationen zu schaffen, welches trotz hoher Empfindlichkeit und grossem Messbereich einfacher und billiger zu realisieren ist und keine Wellenleiter mit Strukturen wie Strahlteiler, Gitter, 3dB-Koppler usw. benötigt, sondern mit einem einzigen Schicht-Wellenleiter oder einem einzigen Streifen-Wellenleiter auskommt, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, die fabrikatorisch leichter herstellbar ist. Eine weitere Aufgabe ist eine Vorrichtung zu schaffen die direkt in die zu messende Probe eingebracht werden kann.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren gemäss den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung gemäss den Merkmalen des Anspruchs 15.
In einem planaren Wellenleiter sind die beiden zueinander orthogonal polarisierten Moden ein TEm- und ein TMm'-Mode, wobei die Modenzahlen m und m' entweder gleich oder aber verschieden sein können; vorzugsweise sind die beiden Moden der TE0- und der TM0-Mode. Das Laserlicht wird am einfachsten über die Stirnfläche des Wellenleiters in diesen eingekoppelt. Auch das Auskoppeln erfolgt am einfachsten über eine Stirnfläche. Das einfallende Laserlicht muss unter einem Winkel ψ gegenüber der Normalen auf der Wellenleiter-Oberfläche linear polarisiert sein, wobei ψ≠0 und ≠900sein muss und vorzugsweise Ψ≈450 beträgt, oder aber elliptisch, vorzugsweise zirkulär, polarisiert sein. Das ausgekoppelte Laserlicht hat zwei zueinander orthogonale Polarisations-Komponenten s und p, wobei die in Richtung der Normalen auf dem Wellenleiter linear polarisierte Komponente p vom TM-Mode und die dazu senkrecht d.h. in der Ebene der Schicht polarisierte Komponente s vom TE-Mode erzeugt wird.
Die Probe wird auf mindestens einen -im Folgenden Messstelle genannten - Abschnitt des Wellenleiters auf dessen Oberfläche, bzw. wenn diese mit einer chemisch selektiv empfindlichen Schicht -welche im Folgenden chemo-responsive Schicht genannt wird - versehen ist, auf diese chemo-responsive Schicht aufgegeben, oder das Teil des Wellenleiters mit der Messstelle wird in die Probe eingebracht.
Das Licht der beiden zueinander orthogonalen Polarisations-Komponenten s und p im ausgekoppelten Licht ist zueinander kohärent; zwischen beiden besteht eine Phasendifferenz ΔՓ(t), welche von der Zeit t abhängt wenn eine zeitliche Aenderung in der Probe auftritt oder wenn die Probe auf die Messstelle aufgebracht wird. Die Phasendifferenz ΔՓ(t) wird als Funktion der Zeit t gemessen und daraus wird auf die Aenderung der zu messenden Grosse geschlossen bzw. diese wird quantitativ bestimmt. Verschiedene besonders geeignete Verfahren zur Messung von ΔՓ(t) werden unten angegeben.
Für das erfindungsgemässe Verfahren ist Folgendes wesentlich: Bei der Lichtausbreitung in nicht-doppelbrechenden Medien wie Luft und optischen Komponenten wie Linsen sind für die zueinander orthogonalen Polarisations-Komponenten die optischen Wege,d.h. die Wegintegrale über das Produkt von lokaler Brechzahl und Wegelement gleich gross. Die Phasen-differenz zwischen den beiden Polarisations-Komponenten ändert sich bei der Lichtausbreitung nicht. Diese Aussagen gelten für das erfindungsgemässe Verfahren für die Ausbreitung des Lichts vor und hinter dem Wellenleiter, d.h. für die Wege zwischen Laser und Wellenleiter und zwischen Wellenleiter und den Fotodetektoren. Die Phasendifferenz ΔՓ(t) zwischen den beiden Folarisations-Komponenten im ausgekoppelten Licht ist somit überall gleich gross. Deshalb ist das Interferometer auch gegenüber Erschütterungen und Temperaturänderungen, welche eine Aenderung der optischen Wege zur Folge haben weitgehend unempfindlich. Diese Eigenschaft ist sehr vorteilhaft, weil der mechanische Aufbau nicht die grosse Stabilität aufweisen muss die bei einigen anderen Interferometern in der dreidimensionalen Optik erforderlich ist. Mit polarisations-αptischen Bauteilen, wie phasenschiebenden Platten, beispielsweise λ/4-Platten, und/oder durch Strahlteiler, lassen sich zusätzliche Phasendifferenzen Փ0 zwischen den beiden Polarisations-Komponenten erzeugen. Auf solche Phasendifferenzen Փ0, welche zum Zwecke der Messung der Phasendifferenz ΔՓ(t) erzeugt werden, wird unten näher eingegangen.
Sehr überraschend ist nun, dass bei der Lichtausbreitung im Wellenleiter zwischen den zueinander orthogonal polarisierten Moden durch die Wechselwirkung mit der Probe eine Phasendifferenz ΔՓ(t) auftritt; diese hängt von der Zeit ab, wenn eine zeitliche Aenderung in der Probe auftritt oder wenn die Probe auf die Messstelle aufgebracht wird. Das Auftreten der Phasendifferenz ΔՓ(t) kann wie folgt verstanden werden: Das Licht der Moden wird durch Totalreflexion in der wellenleitenden Schicht oder im Streifen geführt; die Feldverteilung reicht aber in der Form einer quergedämpften Welle in das Superstrat, d.h. in die chemo-responsive Schicht und/oder Probe heraus. Dabei sind die Eindringtiefen der Felder der beiden zueinander orthogonal polarisierten Moden verschieden, und daher auch die Starke ihrer Wechselwirkung mit der Probe.
Quantitativ kann dieses Verhalten mit den effektiven Brechzahlen der beiden orthogonal polarisierten Moden beschrieben werden, was für die TE0- und TM0-Moden planarer Wellenleiter näher ausgeführt wird. Die effektiven Brechzahlen N(TE0) und N(TM0) der beiden Moden sind verschieden. Auch die effektiven Brechzahländerungen ΔN(TE0) und ΔN(TM0), welche bei der Wechselwirkung der Moden mit der Probe auftreten sind voneinander verschieden. Ueberraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Differenz ΔN=ΔN(TE0)-ΔN(TM0) recht grosse Werte, beispielsweise 30-50% der Werte von ΔN(TE0) selbst, erreichen kann.
Beim Durchlaufen der Messstelle mit der Länge L ändert sich die Phase eines der Moden um
Փ(L)-Փ(0)=2π(L/λ)N. (2) Für die Phasendifferenz ΔՓ(L) der beiden Moden am Ende der Messstelle folgt aus G1. (2)
ΔՓ(L)=2π(L/λ)[N(TE0)-N(TM0)] + ΔՓ(0), (3) wenn ΔՓ(0) ihre Phasendifferenz am Anfang der Messstelle ist. Aendern sich die effektiven Brechzahlen als Funktion der Zeit t, und zwar N(TE0) um ΔN(t;TE0) und N(TM0) um ΔN(t;TM0), so ändert sich die Phasendifferenz Δf(L) zeitlich um
ΔՓ(t)≡2π(L/λ)ΔN(t), (4) wobei ΔN(t)≡ΔN(t;TE0)-ΔN(t;TM0) (5) ist. Die Gründe warum die effektiven Brechzahlen und damit die Phasendifferenz ΔՓ(t) sich zeitlich ändern, wenn die Probe sich zeitlich ändert oder auf die Messstelle aufgebracht wird, werden unten erläutert.
Im Fall des planaren Wellenleiters erzeugt der aus dem Wellenleiter ausgekoppelte TEo -Mode die Polarisations-Komponente s, und der ausgekoppelte TM0-Mode die Polarisations-Komponente p. Zwischen diesen Polarisations-Komponenten besteht die Phasendifferenz ΔՓ(t) + ΔՓ, wobei ΔՓ konstant ist. Die Phasendifferenz ΔՓ(t) kann mit verschiedenen Verfahren gemessen werden. Diesen Verfahren ist gemeinsam, dass die beiden zueinander orthogonal polarisierten Komponenten des ausgekoppelten Lichts durch einen Polarisator oder einen anderen polarisations-optischen Bauteil zur üeberlagerung und damit zur Interferenz gebracht werden und die resultierenden Intensitäten Ij(t) in einem oder mehreren Messkanälen j=1,...M (M=1,2,3 oder 4) gemessen werden. Bei Verwendung von nur einein Messkanal wird das ausgekoppelte Licht durch einen Polarisator auf einen Fotodetektor geleitet. Die Durchlassrichtung des Polarisators ist in Richtung der Winkelhalbierenden der Polarisationsrichtungen der beiden linear polarisierten Polarisations-Komponenten s und p orientiert. Die von einem
Fotodetektor gemessene Intensität ist I = Is + Ip + 2(IsIp)1/2 cos{ΔՓ+ΔՓ(t)} (6) wobei Is und Ip die Intensitäten welche die Polarisations- Komponenten s und p für sich allein erzeugen würden sind, ΔՓ die konstante Phasendifferenz und ΔՓ(t) die von den Aenderungen der zu messenden Grosse herrührende sich zeitlich ändernde Phasendifferenz sind. Werden die Maxima und Minima von I(t) gezählt, so ist ΔՓ(t) mit einer Genauigkeit von
6(ΔՓ)=π messbar. Vorzugsweise wird Is=Ip gewählt, damit die
Interferenzen maximale Modulation erhalten.
Die Empfindlichkeit des erf indungsgemässen Verfahrens ist proportional zur Länge L der Messstelle. Ein Vorteil ist, dass L in weiten Grenzen gewählt werden kann, beispielsweise zwischen einigen mm bis zu einigen cm. Ist die Länge der Messstelle beispielsweise L=15 mm, wird bei der Wellenlänge des Helium-Neon Lasers λ=633 nmn (bzw. bei der Wellenlänge λ=750 nm eines Kalbleiter-Lasers) eine effektive Brechzahlänclerung von nur ΔN=4·10-5 (bzw. von ΔN=5·10-5) eine Phasenänderung ΔՓ=2π verursachen. Je nach dem zur Phasenmessung eingesetzten Verfahren sind Phasenänderungen ΔՓ(t) mit einer Auflösung von 5(ΔՓ)=π bis 6(ΔՓ) =2π/ 100 und sogar bis S( ΔՓ) ≤2π/1000 messbar. In dem genannten Beispiel sind somit
Aenderungen der effektiven Brechzahl ΔN von δ(ΔN)=2-10-5 bis
6(ΔN)=4·10-7 und sogar bis 6(ΔN)=4·10-8 auflösbar.
Die effektive Brechzahl N ist abhängig von der Brechzahl des Mediums mit dem der Wellenleiter bedeckt ist und von der Schichtdicke einer auf der Oberfläche der wellenleitenden Schicht oder Streifens adsorbierten Schicht. Aenderungen von ΔN(t) und damit der Phasendifferenz ΔՓ(t) treten auf, wenn
A) sich die Brechzahl des Mediums mit dem die Messstelle der wellenleitenden Schicht oder Streifens bedeckt ist sich ändert, oder
B) sich Substanzen, d.h. Moleküle, Atome oder Ionen sich a) an der Messstelle an der Oberfläche der wellenleitenden Schicht oder Streifens durch unspezifische Adsorption, Chernisorption oder Bindung anlagern, also eine angelagerte Zusatzschicht entsteht, oder b) falls die wellenleitenden Schicht oder der Streifen mikroporös ist, sich in diesen Mikroporen anlagert. Daher kann mit dem erf indungsgemässen Verfahren Folgendes gemessen werden: 1 . ) Aenderungen der Brechzahl der Probe , insbesondere bei flüssigen Proben. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich als Differential-Refraktometer.
2. ) die Adsorption von Substanzen aus der gasförmigen oder flüssigen Probe . Das erfindungsgemässe Verfahren i st so empfindlich , dass sub-monomolekularen Schichten adsorbierter Moleküle nachgewiesen werden können.
Beispiele dafür sind: Mit wellenleitende Schichten aus SiO2-TiO2 können Aenderungen der relativen Feuchtigkeit , z . B . der relativen Luftfeuchtigkeit, gemessen werden, da Wasser an der Oberfläche und in den Mikroporen der SiO2 -TiO2 Schi cht adsorbiert bzw sorbiert wird. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich als Feuchte-Sensor.
3 . ) Spezif ischen Substanzen in der Probe können selektiv nachgewiesen werden. Dazu ist eine chemo-responsive Schicht auf der Oberfläche der Messstelle der wellenleitenden Schicht oder des Streifens erforderlich , welche die nachzuweisende Substanz selektiv adsorbiert , chemisorbiert oder bindet und dadurch entweder ihre Brechzahl oder ihre Schichtdicke ändert, oder eine Anlagerung einer Zusatzschicht auf der chemoresponsiven Schicht bewirkt . Diese chemo-responsive Schicht kann auch in den Mikroporen eines porösen Wellenleiter vorhanden sein. Der chemo-responsiven Schicht kann auch eine semi- permeable Membran vorgelagert sein, sodass nur die durch die Membran hindurch diffundierenden Substanzen aus der Probe mit der chemo-responsiven Schicht in Wechselwirkung treten kann.
Beispiele von chemo-responsiven Schichten sind folgende: a ) Die chemo-responsive Schicht besteht aus einer beispielsweise monomolekularen Schicht aus Molekülen eines Antikörpers , welche vorzugsweise kovalent an die wellenleitende Schicht oder den Streifen gebunden werden. Falls das diesem Antikörper entsprechende Antigen oder Hauten in der Probe enthalten ist, so binden sich Antigen- oder Hapten-Moleküle an die Anti körper und bi lden dadurch eine Zusatzschicht, deren Bildung mit dem erfindungsgemässen Verfahren nachgewiesen wird . Die Immunoreaktion zwischen Antigen oder Hapten und Antikörper ist hoch spezifisch und selektiv , insbesondere wenn monoklonale Antikörper verwendet werden. Analoges gilt wenn die Messstelle mit einem Antigen oder Anti-antikörper beschichtet wird. An diese fixierten Moleküle binden sich dann in der Probe vorhandene Moleküle des entsprechenden Antikörpers. Aus der Literatur sind Techniken zur Herstellung monoklonaler Antikörper (MAK) bekannt; MAK gegen viele Antigene wie 3akterien, Pilze und Viren, und Fragmente davon, und Haptene, beispielsweise Hormone und toxische Substanzen, sind hergestellt worden. Damit ist das erfindungsgemässe Verfahren einsetzbar in der medizinischen Diagnostik zum Nachweis von Antikörpern oder Antigenen in Körperflüssigkeiten, in der Agro-Diagnostik zum Nachweis von Planzenkrankheiten, in der Lebensmittelchemie zum Nachweis von bakteriellen Verunreinigungen, und zum Nachweis toxischer Substanzen. Verfahren zur kovalenten Bindung von Antikörpern an z.B. Glas- und SiO2- Oberflächen sind in der Literatur beschrieben. b) Aus der Literatur [A. Kindlund and I. Lundstrδm, Sensors and Actuators, 3,63-77(1982/83); M.S. Nieuwenhuizen and A.W. Barends, Sensors and Actuators, 11,45-62 (1987); Liedberg, Nylander and Lundstrδm, Sensors and Actuators, 4, 299-304 (1983)] sind Verbindungen bekannt, welche selektiv gewisse Gase absorbieren oder binden und dabei ihre Brechzahl ändern. Beispiele sind Silikonöle welche halogenierte Kohlenwasserstoffe absorbieren. Werden diese Verbindungen als chemo-responsive Schichten beim erf indungsgemässen Verfahren verwendet lassen sich die Gase, beispielsweise toxische oder gefährliche Gase, sehr empfindlich nachweisen.
Für den Nachweis von Wasserstoff kann Palladium als chemo-responsive Schicht auf die Oberfläche aufgebracht oder in die Poren der wellenleitenden Schicht eingebracht werden. c) Mit einer organophilen chemo-responsiven Schicht, welche Kohlenwasserstoffverbindungen adsorbiert oder bindet, sind Verunreinigungen wie Oel, oder Dieselkraftstoff in Wasser nachweisbar. Aus der Literatur [F.K. Kawakara und R.A. Fiutem, Analytica Chimica Acta 151,315(1983)] ist bekannt, dass Silane diese organophile Eigenschaft haben. d ) Die Messung von Ionen-Konzentrationen, beispielsweise von H+-Ionen (pH-Wert ) oder K+ -Ionen , ist mit geeigneten chemo-responsiven Schichten möglich. Zur Messung des pH-Werts eignen sich chemo-responsive Schichten bestehende aus chemisorbierten oder gebundenen oder in einer Polymer-Schicht eingelagerte Indikator-Farbstoffe. Da Indikator-Farbstoffe in Abhängigkeit vom pH-Wert ihre Farbe ändern, müssen sie auch in Wellenlängenbereichen in welchen sie eine geringe Licht-Absorption haben, ihre Brechzahl ändern, was bekanntlich aus den Dispersions-Relationen folgt . Zur Mes sung der K+ -lonenkonzentration eignet sich beispielsweise eine chemo-responsive Schicht bestehend aus in eine Polymer-Sch icht eingelagerten Va l i nomyc i n -Mo lekü len , welche sehr selektiv K+ -lonen aufnehmen.
Die Abhängigkeit der Empfindlichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens von den Eigenschaften des verwendeten Wellenleiters wird im Folgenden für einen planaren Wellenleiter bei Verwendung des TE0- und des TM0-Modes betrachtet . Die Empfindlichkeit ist zur von der Probe erzeugten zeitlichen Aenderung der Differenz ΔN(t)=ΔN( t;TE0 ) -ΔN( t;TM0 ) der effektiven Brechzahlen der beiden Moden proportional . Die effektiven Brechzahländerungen ΔN( t ; TE0) und ΔN( t ; TM0 ) der beiden Moden selbst sind dann gross , wenn ihre Wechselwirkung mit der Probe bzw mit der durch die Probe geänderten chemo-responsiven Schicht s tark ist . Dies ist dann der Fall , wenn ihr Feld räumlich stark konzentriert ist, d.h. wenn die effektive Schichtdicke d eff möglichst klein ist. Die effektive Schichtdicke deff ist definiert als Summe von geometrischer Schichtdi cke d der welienleitenden Schicht und der Eindringtiefen der quergedämpften Felder ins Substrat einerseits und in die Probe und/ oder chemo-responsive Schicht andererseits . Sie ist klein, wenn d klein ist und wenn die Differenz n1-n2 der 3rechzahlen von wellenleitender Schicht (n1) und Substrat (n2) möglichst gross, vorzugsweise n1 -n2 >0.25 ist. Die Schichtdicke d muss natürlich grösser als die cut-off-Schichtdicke dc(TM0) des TM0
Modes gewählt werden, damit sich sowohl der TE0- wie der TE0 -
Mode im Wellenleiter aυsbreiten können. Der Bereich von d , in welchem die Empfindlichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens gross ist, kann ohne Schwierigkeiten vom Fachmann durch einfache Berechnungen oder geeignete Versuchsreihen im konkreten Fall bestimmt werden; der Bereich ist abhängig von den Brechzahlen n1 und n2 und jener (n4) der Probe, und von den Brechzahlen und Schichtdicken der chemo-responsiven
Schicht und einer angelagerten Zusatzschicht. Vorteilhaft ist es, die Schichtdicke d -mindestens an der Messstelle- kleiner als die cut-off-Schichtdicke dc(TE1) des TE1-Modes zu wählen , damit sich die geführte Welle nur als TE0- und TM0-Mode ausbreiten kann und sich keine Moden höherer Ordnung m>1 ausbreiten und gegebenenfalls Störungen verursachen können.
Für wellenleitende Schichten aus SiO2 und TiO2 mit n1 ≈1.75 auf
Pyrex-Glas-Substraten mit n2≈1.47 ergaben sich als Bereiche mit hoher Empfindlichkeit: a) in gasförmigen Proben (n4≈1.0) 220 nm<d<420 nm und b) 150 nm<d<390 nm in wässrigen Proben (n4≈1.33) für die Messung von Brechzahländerungen der Probe und für die Absorption von Proteinen auf der Wellenleiter-Oberfläche. Die angegebenen unteren Grenzen von d entsprechen etwa 5/3 der cut-off-Schichtdicken dc(TM0) des TM0-Modes.
Die wellenlei tenden Schichten oder Streifen werden aus Materialien vorzugsweise mit einer hohen Brechzahl n1 , beispielsweise aus Mischungen aus SiO2 und TiO2 (n1≈1.75) oder aus Si3N4 (n1≈2.0), auf Substraten mit wesentlich kleinerer
Brechzahl n2, vorzugsweise aus Glas (n1<1.5), beispielsweise aus Pyrex-Glas, hergestellt. Als Substrat kann auch ein Siliziumwafer dienen, dessen Oberfläche mit einer nicht lichtabsorbierenden Abstandsschicht mit niedriger Brechzahl, vorzugsweise aus SiO2, bedeckt ist, um eine Dämpfung der geführten Welle zu vermeiden. Die wellenleitenden Schichten oder Streifen können auch aus Polyimid (n1≈1.8) auf Substraten aus Glas oder Kunststoff, vorzugsweise aus PMMA (Polymethyl¬methacrylate) oder Polykarbonat, hergestellt werden. Schichten aus Mischungen von SiO2 und TiO2 können beispielsweise mit einem Tauch-Verfahren aus organo-metallischeα Lösungen durch den Sol-Gel-Prozess hergestellt werden; Schichten aus Si3N4 beispielsweise mit CVD-Verfahren. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schema tischen Längsschnitt durch einen planaren Wellenleiter mit der Messstelle und der Probe,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen planaren Wellenleiter mit der jMess stelle und der Probe und mit einem Reflektor,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch einen Streifen- Wellenleiter auf einem planen Substrat,
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Streifen- Wellenleiter auf einem zylindrischen Substrat,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässe Vorrichtung im Längsschnitt durch den Wellenleiter.
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässe Vorrichtung im Längsschnitt durch den Wellenleiter mit zweimaliger Wechselwirkung des geführten Modes mit der Probe,
Fig. 7 einen Schematischen Längsschnitt durch einen planaren Wellenleiter wobei dieser an der Messstelle eie geringere Schichtdicke als ausserhalb davon aufweist,
Fig. 8 einen erweiterten schematischen Längsschnitt durch den Wellenleiter, wobei dieser ausserhalb der Messstelle mit einer Schutzschicht und an der Messstelle mit einer chemo-responsiven Schicht versehen ist, und wobei zwischen Wellenleiter und Substrat eine Heizschicht, und oberhalb der Messteile eine Zelle angebracht ist,
Fig. 9 eine schematische perspektivische Darstellung des Teils der erf indungsgemässen Vorrichtung zur Messung der Phasendifferenz ΔՓ(t) mit einem Messkanal,
Fig.10 eine schematische Darstellung des Teils der erf indungsgemässen Vorrichtung zur Messung der Phasendifferenz ΔՓ(t) mit einem Wollaston-Prisma zur Aufteilung des ausgekoppelten Licht auf zwei Messkanäle, Fig.11 eine schematische Darstellung des Teils der erf indungsgemässen Vorrichtung zur Messung der Phasendifferenz ΔՓ(t) mit einem Strahlteiler und zwei Wollaston-Prismen zur Aufteilung des ausgekoppelten Lichts auf vier Messkanälen.
Fig. 1 zeigt einen planaren Wellenleiter, welcher aus der wellenleitenden Schicht 1 auf dem Substrat 2 besteht. Die geführte Welle 3 ist aus zwei kohärent angeregten zueinander orthogonal polarisierten Moden, einem TE und einem TM-Mode, vorzugsweise dem TE0- und dem TM0-Mode zusammengesetzt. Das Einkoppeln der Welle 3 in den Wellenleiter 1/2 ist nicht dargestellt. Die geführte Welle 3 wechselwirkt über einen Abschnitt 1' der Länge L des Wellenleiters 1, welcher im folgenden Messstelle 1' genannt wird, mit der Probe 4. Auch das Auskoppeln der geführten Welle 3 aus dem Wellenleiter 1/2 ist nicht dargestellt.
Fig. 2 zeigt einen planaren Wellenleiter 1/2 mit einem Reflektor 5. Die eingekoppelte geführte Welle 3 wechselwirkt an der Messstelle 1 ' mit der Probe 4 und wird dann vom Reflektor 5 reflektiert. Die reflektierte geführte Welle 3r wechselwirkt wiederum mit der Probe 4. In Fig. 2 ist weder das Einkoppeln der geführten Welle 3 noch das Auskoppeln der geführten Welle 3r dargestellt. Als Reflektor 5 kann die möglichst scharfkantig abgeschnittene oder abgebrochene oder polierte Ende des Wellenleiters, d.h. dessen Stirnfläche dienen, die vorzugsweise mit einer Metallschicht oder dielektrische Spiegelschichten versehen werden kann.
Nicht dargestellt ist, dass auch ein Gitter, zum Beipiel ein Oberflächen-reliefgitter auf dem Wellenleiter 1,2 bei Einhaltung der Bragg-Bedingung als Reflektor 5 dienen kann.
Fig. 3 zeigt einen wellenleitenden Streifen 1a auf einem planen Substrat 2. Die Breite des Streifens kann typischerweise einige μm bis einige mm betragen. Im Querschnitt nicht dargestellt sind die Probe 4, welche auf die Messteile 1' der Länge L aufgebracht wird. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit mehrere Streifenwellenleiter zueinander parallel auf demselben Substrat 2 anzubringen. Die Substrate sind typischerweise zwischen 0.1-1 mm dick. Ihre Abmessungen können in weiten Grenzen gewählt werden. Typischerweise sind sie einige mm bis 75 mm lang, und einige mm bis 25 mm breit.
Fig. 4 zeigt den Querschnitt durch eine zylindrisches Substrat 2 und einen darauf angebrachten wellenleitenden Streifen 1a. Der Durchmesser des Substrats 2 kann typischerweise 0.1 -10 mm betragen und seine Länge typischerweise einige mm bis 100 mm. Mit einem Reflektor 5 am Ende eignet sich dieser Wellenleiter 1a/2 insbesondere zum Eintauchen oder Einbringen in eine nicht dargestellte Probe. Die Breite des wellen leitenden Streifens 1a kann typischerweise zwischen 10 μm und einigen mm liegen. Es ist aber auch möglich seine Breite gleich dem Umfang des Substrats 2 zu wählen, d.h. die ganze Oberfläche des Substrats 2 mit einer wellenleitenden Schicht zu bedecken.
Das erfindungsgemässe Verfahren wie es in Fig.5 schematisch dargestellt ist besteht darin, dass von einem Laser 6, vorzugsweise einem Kelium-Neon-Laser oder einem Kalbleiter-Laser, emittiertes polarisiertes Licht mit einem System von sphärischen und/oder zylindrischen Linsen 7, beispielsweise einem Mikroskop-Objektiv, auf die Stirnfläche 8 des Schicht-Wellenleiters 1/2 fokussiert wird und so in diesen eingekoppelt wird, dass die eingekoppelte geführte Welle 3 aus zwei zueinander kohärent angeregten und zueinander orthogonal polarisierten Moden, vorzugsweise dem TE0- und dem TM0-Mode besteht, mit der Probe 4 im Bereich der Messstelle 1' wechselwirkt und aus dem Wellenleiter 1/2 über die Stirnfläche 8' ausgekoppelt wird, und dass die zeitabhängige Phasendifferenz ΔՓ(t) zwischen den beiden zueinander orthogonalen Polarisations-Komponenten s und p im ausgekoppelten Licht 3a mit einer Vorrichtung 10 gemessen wird. Der Vorteil von zylindrischen gegenüber von sphärischen Linsen 7 besteht darin, dass das Licht von der zylinder ischen Linse nur in der Zeichenebene der Fig. 5, d.h. auf die Stirnfläche der wellenleitenden Schicht 1, fokussiert wird, nicht aber in der Ebene senkrecht dazu. Eine sphärische Linse 7 bewirkt auch eine Fokussierurig in der Ebene der wellenleitenden Schicht 1 und damit eine Divergenz der eingekoppelten geführten Welle 3, welche sich nachteilig auswirken kann. Wird ein Laser 6 der unpolarisiertes Licht aussendet verwendet, wird ein Polarisationsfilter zwischen Laser 6 und Linsensystern 7 angebracht.
Das auf den Wellenleiter 1/2 einfallende Licht wird vorzugsweise zunächst unter einem Winkel ψ≈450 zur Zeichenebene linear polarisiert, sodass der TE- und der TM-Mode mit etwa gleicher Intensität angeregt werden. Das ausgekoppelte Licht 3a enthält zwei zueinander orthogonale Polarisations-Komponenten s und p, welche linear senkrecht (s) und parallel (p) zur Zeichenebene polarisiert sind, und die dem ausgekoppelten TE- bzw dem TM-Mode entsprechen. Der Winkel ψ wird vorzugsweise so nachjustiert, dass die Polarisations-Komponenten s und p im ausgekoppelten Licht 3a dieselbe Intensität haben und daher die Interferenzen maximale Modulation haben. In der Vorrichtung 10, die aus polarisations-optischen Bauteilen, Fotodetektoren und elektronischen Komponenten zur Messwerterfassung und Auswertung besteht, werden die Polarisations-Komponenten s und p zur Ueberlagerung und damit zur Interferenz gebracht. Die resultierenden Intensitäten Ij(t) werden in einem oder mehreren Messkanälen j =1,....M gemessen, wobei M=1,2,3 oder 4 ist. Aus den Intensitäten Ij(t), welche cosinusf örmig von der Phasendifferenz ΔՓ(t) abhängig sind, wird ΔՓ(t) als Funktion der Zeit t bestimmt. Das ist unten bei Fig. 9-11 näher ausgeführt.
Das erfindungsgemässe Verfahren wie es in Fig.6 schematisch dargestellt ist, bestellt darin, dass die wie bei dem in Fig. 5 beschriebenen Verfahren erzeugte geführte Welle 3 nach der Wechselwirkung mit der Probe 4 im Bereich der Messstelle 1' von einem Reflektor 5 reflektiert wird, dass die reflektierte Welle 3r ebenfalls im Bereich der Messstelle 1' mit der Probe 4 wechselwirkt und dann durch dieselbe Stirnfläche 8 durch welche die Einkopplung erfolgte wieder ausgekoppelt wird, und dass das ausgekoppelte Licht 3a mit einem Strahltei ler 9 vom einfallenden Licht 3e räumlich getrennt wird und der Vorrichtung 10 zur Messung der Phasendifferenz ΔՓ( t) zugeleitet wird. Vorteile dieses Verfahrens sind , dass der Wellenleiter 1 /2 direkt in eine Probe eingebracht werden kann und däss wegen der zweimaligen Wechselwirkung mi t der Probe 4 ist die Empfindlichkeit doppelt so gross ist . Der in Fig . 5 und 6 im Längsschnitt schematisch dargestellte Schicht-Wellenleiter 1 /2 kann auch als Streifen-Wellenleiter 1 a/2 angesehen werden ; das erfindungsgemässe Verfahren funktioniert in analoger Weise.
Nicht dargestellt sind die Möglichkeiten das einfallende La serlicht 3e und das ausgekoppelte Licht 3a mit j e einem Faserwellenleiter , vorzugsweise mit Polarisations-erhaltenden Monomode-Faserwellenleitern, vom Laser 6 zum Schicht-Wellenleiter 1 /2 oder Streifen-Wellenleiter 1 a/2 hinzuleiten , und/ oder von diesem zur Vorrichtung 1 0 wegzuleiten. Die Faserwellenleiter können beispielsweise direkt an die Stirnflächen 8 und 8 ' der Schicht-Wellenleiter 1 /2 oder Streifen-Wellenleiter 1 a/2 angebracht werden.
Ebenfalls nicht dargestellt sind die Möglichkeiten das Licht über Prismen- , Gitter- oder Taper-Koppler in den Wellenleiter 1 /2 oder 1 a/2 einzukopplen und aus diesem auszukoppeln.
Fig.7 zeigt eine planare wellenleitende Schicht 1 , welche im Bereich der Messtelle 1 ' eine geringere Schichtdicke d aufweist als ausserhalb davon , insbesondere als im Bereich der Stirnflächen 8 und 8 ' . Die Vorteile dieser erf indungsgemässen Vorrichtung sind : 1 . ) Für das Einkoppeln des Laserlichts 3e in den Wellenlei ter 1 /2 über die Stirnfläche 8 ist eine grössere Schichtdicke d vorteilhaft, weil die Justierung der Linsen 7 einfacher und der Einkoppelwirkungsgrad höher ist, und 2 . ) das erfindungsgemässe Verfahren hat eine grössere Empfindlichkei t wenn d ie Schichtdicke im Bereich der Messstelle 1 ' klein ist, wie dies bereits oben beschrieben wurde. Dies gilt analog auch für wellenleitende. Streifen 1 a. Fig.8 zeigt eine Schutzschicht 12, mit welcher die wellenleitende Schicht 1 überall mit Ausnahme der Messstelle 1' bedeckt ist, um unerwünschte Beeinflussungen der geführten Welle 3 mit der Umgebung zu verhindern. Die Schutzschicht 12 muss eine Brechzahl n12 haben, welche kleiner als die Brechzahl n1 der wellenleitenden Schicht 1 oder Streifens 1a und auch kleiner als die effektiven Brechzahlen N der beiden Moden der geführten Welle 3 sein muss. Die Schichtdicke der Schυtz-schicht 12 muss grösser als die Eindringtiefe (λ/2π) [N2-n12 2]-1/2 der quergedämpften Welle des Feldes der geführten Welle 3 in die Schutzschicht 12 sein. Als Material für die Schutzschicht 12 eignen sich vorzugsweise SiO2, glass-resin-Polymere, oder Kunststoffe wie FMMA oder Polykarbonat, welche beispielsweise mit Schleuder- oder Tauch-Verfahren aufgebracht werden können. An der Messstelle 1' kann die wellenleitende Schicht 1 mit einer chemo-responsiven Schicht 11 bedeckt sein. Zwischen dem Substrat 2 und der wellenleitenden Schicht 1 kann eine Heizschicht 13, zum Beispiel eine Indium-Zinn-Oxyd (ITO) Schicht, zumindest an der Messεtelle 1' angebracht werden. Durch elektrischen Strom kann die Heizschicht 13 erhitzt werden; durch die resultierende Temperaturerhöhung kann die Desorption von adsorbierten Molekülen insbesondere bei gasförmigen Proben erreicht und die Messstelle 1' von Adsorbaten gereinigt werden. Die Probe 4 wird auf die Messstelle 1' aufgebracht. Die Messstelle 1' kann aber auch mit einer Zelle 14 bedeckt werden, in welche die Probe 4 eingefüllt wird. Die Wände der Zelle 14 sind vorzugsweise an der Schutzschicht 12 befestigt.
Die Fig. 9-11 zeigen Beispiele von dem Teil der erfindungsgemässen Vorrichtungen zur Messung der Phasendifferenz ΔՓ(t) zwischen den Polarisations-Komponenten s und p im ausgekoppelten Licht 3a. Fig. 9 zeigt eine Anordnung mit einem Messkanal. Das ausgekoppelte Licht 3a wird durch einen Polarisator 15, dessen Durch-lassrichtung 16 in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den Polarisationsrichtungen der Polarisations-Komponenten s und p orientiert ist, auf den Fotodetektor 17 geleitet, der die Intensität I(t) misst, welche von der Elektronik 20 erfasst und ausgewertet wird. Aus G1.(6) folgt, dass die zeitliche Aenderung der Phasendifferenz ΔՓ(t) aus I(t) bestimmt werden können, beispielsweise indem die Maxima und Minima von I(t) gezählt werden.
Fig.10 und 11 zeigen Vorrichtungen zur Messung von Δi(t) mit mehreren Messkanälen. Das ausgekoppelte Licht wird mit Strahlteilern, und/oder Wollaston-Prismen auf M Messkanäle aufgeteilt. Zwischen den Polarisations-Komponenten s und p wird mit polarisations-optischen Bauteilen wie Wollaston-Prismen, und phasenschiebenden Platten, beispielsweise λ/4-Platten, in den Messkanälen j=1,2,....M verschiedene zusätzliche Phasendifferenzen (Փ0)j erzeugt, und die beiden Polarisations-Komponenten durch Wollaston-Prismen oder Polar isatoren überlagert und zur Interferenz gebracht. Die resultierende Intensität I = Is + Ip + 2(IsIp)1/2cos{ΔՓ+ΔՓ(t)+(Փ0)j} (7) wird von einem Fotodetektor gemessen. Dabei sind Is und Ip die
Intensitäten welche die Polarisations-Komponenten s und p für sich allein erzeugen würden, ΔՓ die konstante Fhasendifferenz, und ΔՓ(t) die sich zeitlich ändernde Phasendifferenz.
Die gezeigten Längsschnitte Fig.10 und 11 sind gegenüber den Längsschnitten Fig. 5 und 6 um 45 um die optische Achse des ausgekoppelten Lichts 3a gedreht. Fig.10 zeigt eine Anordnung 10 mit zwei Messkanälen (M=2). Das ausgekoppelte Licht 3a wird vom Wollaston-Prisma 18 in zwei zueinander senkrecht polarisierte Anteile 3a1 und 3a2 aufgespalten, welche auf die Fotodetektoren 17a und 17b fallen. In den beiden Kanälen j=1 und j=2 sind die Polarisations-Komponenten s und p mit den Phasendifferenzen (Փ0)1=0 und (Փ0)2=π überlagert und zur Interferenz gebracht. Aus G1.(7) folgt, dass die Differenz der Intensitäten I1(t)-I2(t) zu cos(ΔՓ+ΔՓ(t)} proportional ist, welches Signal von der Elektronik 21 gebildet und ausgewertet wird, beispielsweise indem die Nulldurchgänge gezählt werden.
Fig. 11 zeigt eine Anordnung 10 mit vier Messkanälen (M=4). Das ausgekoppelte Licht 3a wird mit einem Strahlteiler 19 in zwei Anteile aufgeteilt. Diese werden weiter durch die Wollaston-Prismen 18a und 18b wiederum in je zwei senkrecht zueinander polarisierte Anteile aufgespalten, sodass die vier Anteile 3a1-3a4 entstehen. Vor dem Wollaston-Prisma 18b befindet sich eine λ/4-Platte (20) , welche eine Phasendifferenz von π/2 zwischen den Polari-sations-Komponenten s und p erzeugt. In den Kanälen 1-4 interferieren die Polarisations-Komponenten s und p mit folgenden Werten der Phasendifferenz Փ0; nämlich ( Փ0)1 =0 , ( Փ0)2 = π, ( Փ0)3 = π/2 und (Փ0)4 = 3π/2. Aus G1.(7) folgt, dass die Differenz I1(t)-I2(t) proportional zu cos (ΔՓ+ΔՓ(t)}, und die Differenz I4(t)-I3(t) proportional zu sin{ΔՓ+ΔՓ(t)} ist. In der Elektronik 22 werden diese Differenzen und der Quotient [I4(t)-I3(t)]/[I1(t)-I2(t]=tan{ΔՓ+ΔՓ(t) } gebildet, aus welchem die Phasendifferenz ΔՓ+ΔՓ(t) bestimmt wird. Die Phasendifferenz ΔՓ(t) kann mit einer Geauigkeit von δ(ΔՓ)=2π/100 bestimmt werden. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit das ausgekoppelte Licht 3a auf M=3 Messkanäle aufzuteilen, und in den Messkanälen j die Polarisations-Komponenten s und p mit zusätzlichen Phasendifferenzen (Փ0)j, nämlich ( Փ0)1=0, (Փ0)2=2π/3, und (Փ0)2=4π/3, oder (Փ0).1=0, (Փ0)2 = π/2, und (Փ0)3= π zur Interferenz zu bringen und die mit Fotodetektoren gemessenen Intensitäten I1(t), I2(t), und I3(t) elektronisch zu erfassen und daraus die Phasendifferenz ΔՓ+ΔՓ(t) zu bestimmen.
Folgende Verfahren zur Messung der Phasendifferenz ΔՓ(t) mit nur einem Messkanal sind nicht in Figuren dargestellt; diese Vorrichtungen entsprechen im wesentlichen denjenigen gemäss Fig. 9, weisen aber zusätzliche Komponenten auf. a) Bei den "quasi-Heterodyn-Verfahren" wird beispielsweise mit einem elektro-opti sehen oder elasto-optischen Modulator oder durch Verschieben eines Babinets-Kompensators (diese Komponenten fehlen in Fig. 9) , eine periodisch zeitabhängige zusätzliche Phasendifferenz Փ0(t) zwischen den beiden Polarisations-Komponenten erzeugt, und zwar wird Փ0(t) während einer Periode T in M=3 oder 4 diskreten Stufen geändert. Im Beispiel mit M=3 werden die Werte (Փ0)1=0, (Փ0)2=2π/3 und (Փ0)3 = 4π/3 im 1.,2. und 3. Drittel der Periode T gewählt. Aus dem Tripel der Messwerte der Intensität I1(t), I2(t) und I3(t) in den drei Teilperioden wird ΔՓ(t) nach folgender Bezieliung bestimmt: ΔՓ+ΔՓ(t)=arctan {√3[I3{t)-I2(t)]/[2I1(t)-I2(t)-I3(t)], welche aus G1.(7) ableitbar ist. Im Beispiel mit M=4 werden die Werte (Փ0)1=0, (Փ0)2=π, (Փ0)3=π/2 und (Փ0)4=3π/2 im 1.,2., 3. und 4. Viertel der Periode T gewählt. Aus dem Quadrupel der Messwerte der Intensitäten I1(t), I2(t), I3(t) und I4(t) in den vier Teilperioden kann ΔՓ(t) nach der aus G1.(7) folgenden 'Beziehung ΔՓ(t)+ΔՓ=arctan{[I4(t)-l3(t)]/[I1(t)+I2(t)]} bestimmt werden. b.) Die Phasendifferenz Փ0(t) wird periodisch mit der Periode T linear zwischen -π und +π mit unter Punkt a) beschriebenen Modulatoren variiert . Bestimmt wird, bei welchem Wert Փ0' von Փn die gemessene Intensität I(t) minimal wird; nach G1.(7) lässt sich dann die Phasendifferenz bestimmen aus:
ΔՓ(t) + ΔՓ = π - Փ0'. Die Verfahren a) und b) haben eine Auflösung von 6(ΔՓ) ≤2π/100. c.) Die Phasendifferenz ΔՓ(t) kann auch mit Keterodyn-Verfahren gemessen werden. Dabei wird zwischen den beiden Polarisations-Komponenten des auf den Wellenleiter 1/2,1a/2 einfallenden Laserlichts 3e, und damit in der geführten Welle (3) zwischen den beiden Moden orthogonaler Polarisation, eine Freguenzdiff erenz Av erzeugt. Diese kann beispielsweise mit einem Helium-Neon Laser durch eine Zeemann-Aufspaltung, oder mit einem akus to-optischen Modulator, oder mit einer mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotierenden λ/2-Platte und einer stationären λ/4-Platte erzeugt werden. Die vom Fotodetektor 17 gemessene Intensität I(t) oszilliert mit der Frequenz Δv. Gemessen wird die relative Phase dieser Intensität I(t) relativ zu jener ebenfalls mit der Frequenz Δv zeitlich oszillierenden Intensität die von einem zweiten Fotodetektor gemessen wird, auf welchen ein mit einem Strahlteiler aus dem auf den Wellenleiter 1/2,1a/2 einfallenden Laserlichts 3e abgezweigter Teil dieses Licht geleitet wird. Die Phasendifferenz ΔՓ(t) kann mit einer Messgenauigkeit von δ(ΔՓ)≤2π/1000 gemessen werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 ) Integriert-optisches Interferenzverfahren insbesondere zum selektiven Nachweis von Substanzen in flüssigen, gasförmigen oder festen Proben, und/oder zur Messung von Aenderungen der Brechzahlen von flüssigen und gasförmigen Proben, und/oder von Ionen-Konzentrationen, dadurch gekennzeichnet, dass polarisiertes Laserlicht (3e) in einen optischen SchichtWellenleiter (1/2) oder einen Streifen-Wellenleiter (1a/2) derart eingekoppelt wird, dass zwei zueinander kohärente und orthogonal polarisierte Moden angeregt werden, welche sich im Wellenleiter (1/2,1a/2) als geführte Welle (3) gemeinsam auf demselben Wege ausbreiten und dabei mindestens einmal mit der auf die Oberfläche der Messstelle (1') des Wellenleiters (1/2,1a/2) aufgebrachten zu messenden Probe (4) wechselwirken und dass diese geführte Welle (3) aus dem Wellenleiter (1/2,1a/2) ausgekoppelt wird, und die Phasendifferenz ΔՓ(t) zwischen den beiden zueinander orthogonalen PolarisationsKomponenten s und p des ausgekoppelten Lichts (3a), welche von den beiden zueinander orthogonal polarisierten Moden erzeugt werden, als Funktion der Zeit t gemessen wird.
2) Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Messstelle (1') zusätzlich mit einer chemo-responsiven Schicht (11) versehen ist, welche chemisch selektiv Moleküle, oder Atome, oder Ionen aus der zu messenden Probe (4) absorbiert, oder chemisorbiert, oder bindet.
3) Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einfallende polarisierte Laserlicht (3e) direkt über die Stirnfläche (8) des Wellenleiters (1/2,1a/2) in diesen eingekoppelt wird und vorzugsweise auch über eine der beiden Stirnflächen (8,8') ausgekoppelt wird.
4) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einfallendes Laserlicht (3e) entweder linear unter einem Winkel Ψ≠0 und Ψ≠900, vorzugsweise aber unter ψ≈450, zur Normalen auf dem Wellenleiter (1/2;1a/2) oder aber elliptisch, vorzugsweise zirkulär, polarisiert ist und mit einer oder mehreren sphärischen und/oder zylindrischen Linsen (7) auf die Stirnfläche (8) des Wellenleiters (1/2,1a/2) fokussiert wird.
5) Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Wellenleiter (1/2,1a/2) eingekoppelte Welle (3) nach Wechselwirkung mit der Probe (4) von einem Reflektor (5) reflektiert wird und nach nochmaliger Wechselwirkung mit der Probe (4) auf der derselben Seite des Wellenleiters (1/2,1a/2) wieder ausgekoppelt wird, auf welcher sie eingekoppelt wurde, und dass das ausgekoppelte Licht (3a) mit einem Strahlteiler (9) vom einfallenden Laserlicht (3e) räumlich getrennt wird.
6) Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass polarisiertes Laserlicht (3e) in einen planaren optischen Wellenleiter (1/2) derart eingekoppelt wird, dass die eingekoppelte geführte Welle (3) aus einem TE- und einem TM-Mode, die zueinander kohärenten angeregt sind, besteht, vorzugsweise aus dem TE0- und dem TM0-Mode, und dass die Schichtdicke der wellenleitenden Schicht (1} im Bereich der Messteile (1') vorzugsweise grösser als etwa 5/3 der cut-off-Dicke dc(TM0) des TM0-Modes gewählt wird und kleiner als die cut-off-Dicke dc(TE1) des TE1 -Modes gewählt wird.
7) Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass polarisiertes Laserlicht (3e) mit einem Faserwellenleiter, vorzugsweise einem Polar isations-erhaltenden Monomode-Faserwellenleiter, in einen Schicht- oder Streifen-Wellenleiter (1/2,1a/2) eingekoppelt wird, und/ oder das ausgekoppelte Licht (3a) mit einem Faserwellenleiter, vorzugsweise einem Polarisations-erhaltenden Monomode-Faserwellenleiter, aus dem Wellenleiter (1/2,1a/2) ausgekoppelt und der Vorrichtung zur Messung der Phase ΔՓ(t) zugeleitet wird.
8) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenz ΔՓ(t) als Funktion der Zeit t bestimmt wird, indem die beiden orthogonalen Polarisations- Komponenten s und p des ausgekoppelten Lichts (3a) durch einen Polarisator (15), dessen Durchlassrichtung (16) in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den Folarisationsrichtungen der Polarisations-Komponenten s und p steht, zur Interferenz gebracht werden und die resultierende Intensität I(t) von einen Fotodetektor (17) als Funktion der Zeit t gemessen werden, und indem die Aenderungen von I(t) elektronisch erfasst werden, vorzugsweise die Maxima und Minima von I(t) gezählt werden.
9) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenz ΔՓ(t) als Funktion der Zeit t bestimmt wird, indem die Polarisations-Komponenten s und p des aus dem Wellenleiter (1/2,1a/2) ausgekoppelten Lichts (3a) mit einem Wollaston-Prisma (18) zur Ueberlagerung und damit zur Interferenz gebracht werden, wobei gleichzeitig das ausgekoppelte Licht (3a) in zwei gleich starke Teilstrahlen (3a1 und 3a2) aufgeteilt wird, deren Intensitäten L(t) und I2(t) von zwei Fotodetektoren (17a, 17b) gemessen werden, und indem die Intensitäten I1(t) und I2(t) und ihre Differenz I1(t)-I2(t) elektronisch erfasst und weiter ausgewertet werden, vorzugsweise indem die Maxima, Minima und Nullstellen von I1(t)-I2(t) gezählt werden.
10) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenz ΔՓ(t) als Funktion der Zeit t bestimmt wird, indem das aus dem Wellenleiter (1/2,1a/2) ausgekoppelte Licht (3a) mit einem Strahlteiler (19) und zwei Wollaston-Prismen (18a, 18b) in vier vorzugsweise etwa gleich starke Teilstrahlen j=1,2,3 und 4 (3a1 - 3a4) aufgeteilt wird, die Polarisations-Komponenten s und p in den vier Teilstrahlen j=1-4 durch die Wirkung der Wollaston-Prismen (18a, 18b) zur Ueberlagerung und damit zur Interferenz gebracht werden, wobei zwischen ihen folgende zeitlich konstante Phasendifferenzen (Փ0)j durch die Wollaston-Prismen (18a, 18b) und eine λ/4-Platte (20) erzeugt werden, nämlich (Փ0)1=0, (Փ0)2 =π, (Փ0)3 = π/2 und (Փ0)4=3 π/2, die resultierenden Intensitäten I1 (t), I2(t), I3(t) und I4(t) in den vier Kanälen von den Fotodetektoren (17a - 17d ) gemessen werden, und elektronisch die Intensitäts-Differenzen I1(t)-I2(t) und I4(t)-I3(t) und deren Quotient [I4(t)-I3(t)]/[I1(t)-I2(t)] gebildet und mit einem Algorithmus weiter ausgewertet werden.
11) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenz ΔՓ(t) fortlaufend in gleichabständigen Zeitabständen T bestimmt wird, indem in dein aus dem Wellenleiter (1/2,1a/2) ausgekoppelten Licht (3a) zwischen den Polarisations-Komponenten s und p in dem 1., 2., und 3. Drittel jeder Periode T nacheinander bestimmte verschiedene zusätzliche Phasendifferenzen (Փ0)j, vorzugsweise (Փ0)1=0, (Փ0)2=π/2, und (Փ0)3=π, oder (Փ0)1=0, (Փ0)2=2π/3, und (Փ0)3=4π/3, erzeugt werden, beispielsweise mit einem elektrooptischen oder elasto-optischen Modulator oder durch Verschieben eines Babinet-Kompensators, und die Polarisations-Komponenten s und p mit einem Polarisator (15), dessen Durchlassrichtung (16) in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den linearen Polarisationsrichtungen der Polarisations-Komponenten s und p steht, zur Ueberlagerung und damit zur Interferenz gebracht wird, die resultierende Intensität I(t) von einen Fotodetektor (17) gemessen wird, und indem die in den Teilperioden der Länge T/3 gemessenen Intensitäten I1(t), I2(t) und I3(t) elektronisch erfasst werden und daraus mit einem Algorithmus weiter ausgewertet werden.
12) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenz ΔՓ(t) in gleichabständigen Zeitabständen T bestimmt wird, indem zwischen den Polarisations-Komponenten s und p des ausgekoppelten Lichts (3a) eine zusätzliche zeitabhängige Phasenschiebung Փ0(t) erzeugt wird, vorzugsweise mit einem elektro-optischen oder elasto-optischen Modulator oder durch Verschieben eines Babinet-Kompensators, wobei Փ0(t) zeitlich vorzugsweise linear zwischen -π und π variiert wird, und zwar periodisch mit der Periode T, und indem das ausgekoppelte Licht (3a) durch einen Polarisator (15),dessen Durchlassrichtung (16) in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den Polarisationsrichtungen der Polarisations-Komponenten s und p steht, zur Ueberlagerung und damit zur Interferenz gebracht wird, die resultierende Intensität I(t) von einen Fotodetektor (17) gemessen wird, und der Verlauf von I(t) insbesondere die Extrema von I(t) während der Periode T elektronisch erfasst und weiter ausgewertet wird, und dieses Vorgehen periodisch mit der Periode T wiederholt wird.
13) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet dass, die Phasendifferenz ΔՓ(t) mit einem Heterodyn-Verfahren gemessen wird.
14) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet dass, die zu untersuchende Probe (4) entweder auf die Messstelle (1 ') aufgebracht wird oder in eine die Messstelle (1 ' ) bedeckende Zelle (14) gefüllt, oder dass das Teil des Wellenleiters mit der Messstelle (1 ') in die gasförmige, flüssige oder feste Probe (4) hineingebracht wird.
15) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass sie
A) einen Schicht-Wellenleiter (1/2) oder einen Streifen-Wellenleiter ( 1a/2) , in welchen sich mindestens zwei orthogonal zueinander .polarisierte Moden ausbreiten können müssen, wobei das Substrat (2) vorzugsweise plan oder zylindrisch ist, und
B) vorzugsweise eine oder mehrere sphärische oder zylindrische Linsen (7) im Strahlengang des einfallenden Laserlichts (3e), und/oder Faserwellenleiter, vorzugsweise Polarisationserhaltende Monomode Faser-Wellenleiter zur Zuleitung des einfallenden Laserlicht (3e) und/oder zur Ableitung des ausgekoppelten Lichts (3a), und
C) polarisationsoptische Bauteile - beispielsweise Polarisatoren (15), Wollaston-Prismen (18,18a,18b) und phasenschiebende Platten (20) - ferner Strahlteiler (19), und Fotodetektoren (17,17a-17d) im Strahlengang des ausgekoppelten Lichts (3a) zur Messung der Phasendifferenz ΔՓ(t) zwischen den orthogonalen Polarisations-Komponenten s und p, umfasst. 16) Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass am Wellenleiter (1/2,1a/2) ein Reflektor (5) für die geführte Welle (3) angebracht ist, wobei der Reflektor (5) beispielsweise aus dem scharfkantig abgeschnittenen oder polierten Ende (8') des Wellenleiters (1/2,1a/2) besteht, auf das vorzugsweise eine Metallschicht oder dielektrische Spiegelschicht aufgebracht ist.
17) Vorrichtung nach Ansprüchen 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Linse (7) und der Stirnfläche (8) des Wellenleiters (1/2,1a/2) eine Immersionsflüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Oel, befindet.
18) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenleitende Schicht (1,1a) mindestens an der Messstelle (1') mit einer chemo-responsiven Schicht (11) bedeckt ist, und/oder diese in ihren Poren enthält, welche selektiv die in der zu untersuchenden Probe (4) nachzuweisende Substanz chemisch bindet und/oder bevorzugt adsorbiert oder chemisorbiert, oder die ihre Brechzahl ändert mit der Ionenkonzentration in der Probe (4) oder mit der chemischen Wirkung der nachzuweisenden Substanz in der Probe (4).
19) Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die chemo-responsive Schicht (11) aus einer an die wellenleitende Schicht (1) oder den Streifen (1a) vorzugsweise durch kovalente Bindung gebundenen Schicht von Molekülen entweder A) eines Antigens oder vorzugsweise monoklonalen Anti-antikörpers besteht zum Nachweis der entsprechenden Antikörper in der Probe (4), oder B) eines vorzugsweise monoklonalen Antikörpers besteht zum Nachweis des entsprechenden Antigens oder Haptens in der Probe (4).
20) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenleitende Schicht (1,1a) ausserhalb der Messstelle (1') mit einer Schutzschicht (12) vorzugsweise aus Siliziumdioxyd, Glasharz oder Kunststoffen versehen ist, welche eine unerwünschte Beeinflussung der geführten Welle (3) durch die Umgebung verhindert.
21) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der wellenleitenden Schicht (1,1a) und dem Substrat (2) mindestens an der Messstelle (1 ') eine Heizschicht (13) angebracht ist.
22) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 - 21, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenleitenden Schichten (1) oder Streifen (1a) aus A) Mischungen von Siliziumdioxyd und Titandioxyd oder aus Siliziumnitrid auf Substraten (2) aus Glas, vorzugsweise aus Fyrex-Glas, oder aus Silizium-Waf ern mit einer nicht absorbierenden Abstandsschicht vorzugsweise aus Siliziumdioxyd, oder B) Kunststoffen, beispielsweise aus Folyimid, auf Substraten (2) aus Glas oder Kunststoff, beispielsweise aus Plexiglas (FMMA) oder Polykarbonat, bestehen.
23) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 - 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines höheren Einkopplungs-Wirkungsgrades und zur Erleichterung des Justierens des einfallenden Laserstrahls (3e) die planare wellenleitende Schicht (1) oder der Streifen (1a) ausserhalb der Messstelle (1 ') eine grössere Schichtdicke besitzen als an der Messteile (1') selbst.
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