Expresiones analíticas para sensores de interfaces dieléctricas basados en el haz reflejado: sensibilidad en amplitud y fase

CARO GERMÁN EDUARDO; LILIANA INÉS PEREZ; ACOSTA EDUARDO; VEIRAS, FRANCISCO E.

Tandil

Congreso; TOPFOT 2022; 2022

Las características del haz reflejado en una o varias interfaces puede usarse para elsensado de variaciones del índice de refracción de uno de los medios. Este tipo de sensorespuede ser usado para refractometría, detección de ondas ultrasónicas, detección de compuestos biológicos, etc. Un cambio en el índice de refracción de los medios afecta la fasey/o la intensidad del haz reflejado, por lo que se pueden diseñar dos tipos de sensores.El cambio en la señal obtenida cuando varía el índice de refracción determina la sensibilidad del dispositivo. Por lo tanto, este parámetro es clave en el diseño de sensores juntocon la relación señal/ruido.En este trabajo se analiza la sensibilidad de un sistema compuesto por dos mediosdieléctricos isótropos separados por una interfaz plana. La incidencia se realiza desde elmedio de mayor índice n1 (por ejemplo, vidrio) y se estudia los cambios en el medio demenor índice n2 (por ejemplo, agua). Para este tipo de geometría se estudian dos casos:cuando el ángulo de incidencia es menor que el ángulo crítico de reflexión total αC (dondese detectan cambios en la intensidad del haz reflejado) y cuando es mayor (se detectancambios en la fase). A partir de los coeficientes de Fresnel (para ambos modos propiosde polarización) se determinan las expresiones analíticas de la sensibilidad para ambosmodos de detección. De este modo, se pone en evidencia que los ángulos de incidenciamás cercanos al ángulo crítico proporcionan las mayores sensibilidades. Además, paraángulos de incidencia más cercanos al ángulo crítico la sensibilidad puede ser aproximadamediante una serie de Taylor. Así, la expresión obtenida revela con claridad cómo dependela sensibilidad de los parámetros de diseño (ángulo de incidencia e índices de refracción).Se presentan resultados numéricos para interfaces formadas por vidrios de distintosíndices (primer medio) y medios acuosos (segundo medio). Estos resultados muestran quecon estos materiales la sensibilidad es muy baja para ángulos de incidencia alejados másde un grado respecto de αC.Adicionalmente, el estudio de las expresiones analíticas y sus aproximaciones nos permite concluir que en general la sensibilidad es mayor para valores más altos de ambosíndices de refracción. Asimismo, la sensibilidad es mayor para ángulo de incidencia y n2cercanos a αC y n1, respectivamente.