Capteur à fibre optique à gradient d'indice inversé basé sur la résonance plasmon de surface : applications à la détection d'espèces chimiques
Résumé
This work presents the study of a Surface Plasmon Resonance (SPR) chemical sensor using an optical fibre with an inverted graded index profile. SPR sensing structures based on the use of a bulk dielectric prism or a silica standard optical fibre are currently commercialised. The aim of this study has been to investigate theoretically and experimentally a new kind of optical fibre with an inverted graded index allowing to enhance the performances of this sensor and to simplify its instrumentation. A review of SPR sensors is first presented. Structures based on an optical fibre (single-mode and multimode) are detailed, showing the characteristics of the used devices as well as their performances. A new structure is approached. To make the relatively wide range of core-cladding incident angles as narrow as possible, whatever the incident angles on the input-face of the fibre are, a novel kind of refractive index profile of the core of a multimode fibre has been determined. It has been realised by using a monochromatic point light source suitably positioned on the fibre axis. The ideal profile is an Inverted Graded Index (IGI) profile, close to an inverted parabolic profile. A description of the characteristics of the propagation in such a fibre is given. SPR is then generally described, and its excitation conditions in the IGI fibre are studied. Experimental and theoretical approaches have been investigated to follow the influence of main parameters (nature and thickness of the metallic layer, distance of the source...). The presentation of two practical applications (detection of toluene in water and study in-situ of the growth of a self-assembled monolayer) shows the large fields of applications of the compact and simple optical device developed .
Ce mémoire présente l'étude d'un capteur chimique à fibre optique à gradient d'indice inversé basé sur la résonance de plasmons de surface. Des dispositifs optiques à prisme ou mettant en jeu des fibres optiques classiques en silice utilisant cette technique de mesure sont déjà commercialisés. L'objectif de notre travail a été de caractériser théoriquement et expérimentalement un nouveau type de fibre optique permettant d'accroître les performances de ce capteur et d'en simplifier l'instrumentation. Un état de l'art des capteurs à plasmons de surface est présenté. Les structures basées sur une fibre optique (unimodale, multimodale) font l'objet d'une présentation détaillée mettant en évidence les caractéristiques des montages employés ainsi que leurs performances respectives. Nous avons cherché à déterminer le profil d'indice de réfraction du cœur de la fibre rendant les angles d'incidence à l'interface cœur-gaine quasiment égaux quels que soient les rayons se propageant dans la fibre. Ceci a été réalisé en utilisant une source lumineuse ponctuelle monochromatique positionnée dans l'axe et à une distance définie de l'entrée de la fibre. Le profil idéal présente un gradient d'indice inversé très proche d'un profil parabolique inversé pour lequel l'indice est minimal au centre du cœur de la fibre. Une description des caractéristiques de cette fibre comprenant l'étude de la propagation des rayons a été réalisée. Le phénomène de plasmon de surface est ensuite décrit, de manière générale puis ses conditions d'excitation dans la fibre employée sont étudiées. Une étude expérimentale et théorique a été menée sur les paramètres les plus influents du capteur (nature et épaisseur du métal, position de la source ...). La présentation de deux applications pratiques (détection de traces de toluène dans un milieu aqueux et étude en temps réel du mécanisme de formation d'une monocouche auto-assemblée) montre les champs d'applications du dispositif optique simple développé.
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