Calibration du capteur

Pour tester le capteur réalisé, le courant de la diode laser est réglé en dessous du seuil ce qui donne un faisceau de faible puissance (quelques µW ) et une largeur spectrale d’environ 10 nm centrée sur 640 nm. Ainsi, le guide d’onde ne s’efface pas et la lumière peut-être considérée comme incohérente. En effet, la largeur spectrale de la source (de l’ordre de 10 nm) est plus large que l’intervalle spectral libre de la cavité (de l’ordre de 1.024 nm) formée par le canal ce qui permet d’éviter les variations de transmissions liées à l’effet de Fabry-Perot. Pour cela, la longueur de cohérence de la source (quelques µm) est très petite par rapport de la longueur de la cavité (200µm). Le faisceau est donc en accord avec l’hypothèse d’une source incohérente qui est nécessaire pour la transmission donnée par les équations (4.10) et (4.19).

Nous avons utilisé l’éthanol comme liquide de référence pour tester le capteur. À partir du puissance-mètre placé à la sortie du capteur, nous avons mesuré le coefficient de transmission. La mesure du coefficient de transmission est obtenue en effectuant le rapport de la puissance optique mesurée en sortie de guide en présence de liquide sur la puissance optique mesurée sans liquide (respectivement Pmes

liq et Pairmes). Ce rapport correspond au

coefficient de transmission global normalisé ¯Ttot.

Pmes liq Pmes air = Ttot T0 = ¯Ttot (4.20)

La figure 4.23 présente l’évolution de la transmission normalisée ¯Ttot lors d’une ex-

périence. Tout d’abord, le canal est vide ce qui correspond à la transmission T0. Une goutte d’éthanol est ensuite placée dans le canal fluidique à l’instant t = 14 secondes ce qui augmente la transmission à la valeur moyenne 1.230. La température du cristal est volontairement gardée à 40o_{C de telle sorte que l’éthanol s’évapore progressivement du}

canal. À l’instant t = 24 s, le ménisque présent à la surface du liquide se trouve au niveau du guide. La transmission chute alors radicalement en raison de la diffraction subie par le faisceau sur le ménisque. La transmission est presque nulle. Ce comportement permet d’imaginer l’utilisation de fluide pour de la commutation de faisceau, ce qui correspond au principe utilisé dans la référence [240]. Enfin, lorsque le niveau du liquide est descendu en dessous du guide, la transmission retrouve sa valeur initiale (t > 30 s).

4.6. Réalisation du capteur optofluidique

Figure 4.23 – Évolution de la transmission normalisée mesurée lors d’une expérience avec de

l’éthanol.

Nous avons mesuré expérimentalement une augmentation de la transmission pour l’éthanol d’un facteur 1.230, cette valeur est obtenue en moyennant la valeur de la trans- mission mesurée de 15 s à 24 s. La précision (incertitude relative) est calculée en faisant le rapport entre la transmission moyenne (1.230) et l’écart-type (4 × 10−3_{), ce qui donne} une précision d’environ 4 × 10−3_{. Donc, la transmission de l’éthanol est mesurée avec une} précision de 0.4% s’exprime par 1.230 ∓ 0.004. L’incertitude principalement est liée aux fluctuations d’intensité de la source laser utilisée.

La courbe de la figure 4.24 présente la transmission globale normalisée ¯Ttot pour une

largeur du mode guidé Wguide = 6.8µm. Le choix de cette largeur de mode guidé est

cohérent avec la valeur déduite de l’expérience (figure 4.10) puisqu’il correspond à en un spot circulaire d’environ 8.5µm (FWHM) (W = 0.849 FWHM). La valeur de 6.8µm donne une courbe calibre grâce à la valeur de transmission 1.23 obtenu avec l’éthanol (nliq = 1.36 [260,261]). On peut montrer que la contribution de ¯TC se réduit à un facteur

de 1.029.

En conclusion, la courbe de la figure 4.24 donne la réponse de notre dispositif qui a été obtenue en utilisant la calibration avec l’éthanol. Donc, le point (1.360, 1.230) est considéré comme un point de calibration du capteur.

Figure 4.24 – Transmission normalisée en fonction de l’indice de réfraction du fluide présent

dans le canal correspondant au dispositif réalisé. Paramètres : L = 200µm, λ = 640 nm, Wguide= 6.8µm, polarisation extraordinaire.

mesurant l’indice du méthanol puis nous comparerons la valeur obtenue expérimentale- ment avec la valeur théorique donnée dans la littérature. Une expérience similaire à celle de l’éthanol est donc réalisée. Le résultat obtenu est donné sur la figure 4.25.

Figure 4.25 – Réponse du détecteur avec du méthanol.

4.6. Réalisation du capteur optofluidique précision d’environ 0.4%. La courbe de la calibration du capteur (figure4.24) nous indique un indice de réfraction de 1.317. Compte tenu de l’incertitude sur la mesure du coefficient de transmission et de la courbe de calibration, nous évaluons l’incertitude sur la valeur de l’indice du méthanol à 4 × 10−3_.

Par ailleurs, nous constatons dans l’expérience de la figure 4.25 que la transmission sur la courbe de la transmission ne retrouve pas immédiatement sa valeur initiale (t > 40 s) après évaporation du méthanol. Cela est dû soit à l’instabilité de puissance de la source laser, ou à un résidu de méthanol présent sur les parois du canal.

L’indice de réfraction du méthanol obtenu expérimentalement est de nex

meth = 1.317±0.004.

Cette valeur est en accord avec la valeur théorique de ntheo

meth = 1.320 [262,263].

La précision de la mesure est principalement limitée par la stabilité en puissance de la source utilisée (diode laser). Une précision plus élevée peut facilement être obtenue en améliorant la méthode de détection. Ainsi l’utilisation d’une source plus stable ou d’une détection synchrone permettrait d’atteindre une précision de mesure plus grand.

Le capteur réalisé n’est pas très sensible, mais son étendu de mesure est large avec des mesures d’indice possible entre 1 et 1.8.

La sensibilité S du capteur est calculée en dérivant la courbe de la calibration (figure

4.24). Cette sensibilité est donnée par :

S = ∂ ¯Ttot

∂n (4.21)

La figure 4.26 présente la sensibilité S en fonction de nliq.

La courbe de la figure 4.26 montre que nous travaillons avec une sensibilité d’envi- ron de 0.55. Cette sensibilité sera améliorée si nous utilisons un liquide ayant un indice plus petit que 1.36. De plus, nous remarquons que la sensibilité du dispositif devient très faible lorsque l’indice est proche de 2.2 (l’indice de matériau). Afin d’augmenter la sensi- bilité de notre dispositif une solution est de diminuer le waist du mode guidé (Wguid) ou

d’augmenter la largeur du canal.

Pour réaliser un capteur très sensible, il faut avoir une grande variation de transmission pour une petite variation de l’indice du liquide présent dans le canal. Cependant, dans ce dernier cas, le capteur ne permettra pas de réaliser des mesures sur une plage étendue.

Figure 4.26 – Sensibilité du capteur en fonction de nliq. Paramètres : λ = 640 nm, Wguide =

6.8µm, polarisation extraordinaire.