DE112008000648B4

DE112008000648B4 - Faseroptischer Sensor

Info

Publication number: DE112008000648B4
Application number: DE112008000648.2T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Nishikawa; Masakazu Takabayashi; Kiichi Yoshiara; Eiji Yagyu; Tateki Mitani; Yutaro Hamatani
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2028-01-08
Also published as: DE112008000648T5; US8285086B2; US20100080502A1; CN101632013B; BRPI0808501A2; WO2008111320A1; CN101632013A; JP4879317B2; JPWO2008111320A1

Abstract

Faseroptischer Sensor, umfassend: eine optische Faser (101), aufweisend einen Kern (104) mit einer Vielzahl von darin geformten Bragg-Gittern (109), die verschiedene Neigungswinkel in Bezug auf eine senkrechte Linie zu einer Längsrichtung der optischen Faser (101) aufweisen, und aufweisend ein Cladding (105), in dem ein Transmissionsverlust durch eine Streuung in einem Cladding-Ausbreitungsmodus an einem Teil dieses Claddings (105) dieses Bragg-Gitter (109) geformt ist, verursacht wird; eine Lichtquelle (102) zum Emittieren von Licht des Wellenlängenbandes in dem genannten Cladding-Ausbreitungsmodus in die genannte optische Faser (101); und ein Lichtempfangsteil (103) zum Empfangen eines transmittierten Lichts oder eines reflektierten Lichts des durch diesen Kern (104) und dieses Cladding (105) an einer Stelle, an dem dieses Bragg-Gitter (109) geformt ist, durchlaufenden Lichts, wobei der genannte faseroptische Sensor auf der Grundlage der Intensität des gesamten Lichts, das von dem genannten Lichtempfangsteil (103) empfangen wird, einen Brechungsindex eines zu messenden Mediums detektiert, das in Kontakt mit dem genannten Cladding (105) ist, und wobei die Vielzahl von Bragg-Gittern (109) die genannten jeweiligen Neigungswinkel aufweist, die so eingestellt sind, dass detektierbare Bereiche von Brechungsindizes des zu messenden Mediums sich teilweise überschneiden, wobei das zu messende und in Kontakt mit dem genannten Cladding (105) stehende Medium auf der Grundlage der Intensität des gesamten von dem Lichtempfangsteil (103) empfangenen Lichts detektiert wird.

Description

Technischer Einsatzbereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Sensor und spezifischer auf einen faseroptischen Sensor, der in der Lage ist, Eigenschaften von Flüssigkeiten durch Verwendung eines Brechungsindex zu detektieren.
Stand der Technik
Reines Benzin, das als Brennstoff für Kraftfahrzeugmotoren verwendet wird, beinhaltet Leichtbenzin, dessen Hauptinhaltsstoff ein Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Heptan, Pentan und dergleichen ist, Schwerbenzin, dessen Hauptinhaltsstoff ein Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Benzol und dergleichen ist, sowie Mittelbenzin (Normalbenzin), das ein Mitteltyp dieser beiden ist. Wenn das Schwerbenzin als Kraftstoff für einen Motor verwendet wird, dessen Zündzeitpunkt und dergleichen gesteuert ist, beispielsweise an Leichtbenzin angepasst zu sein, wird die Zündung des Motors verzögert. In diesem Motor führt dies weiterhin zu einer Verschlechterung der Kaltstarteigenschaften und zu einer Verschlechterung der Fahrleistung wie beispielsweise einem Ansaugphänomen und dergleichen und verursacht dort eine Zunahme toxischer Komponenten in den Abgasen aufgrund unvollständiger Verbrennung.
In den Vereinigten Staaten, in europäischen Ländern und dergleichen wird mit Alkohol gemischtes Benzin als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge immer verbreiteter, um die Menge des verbrauchten Öls zu reduzieren. Wenn dieser mit Alkohol gemischte Kraftstoff für einen Motor verwendet wird, der an das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Benzin angepasst ist, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager, da das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis von Alkohol niedriger ist als das von Benzin und so weiter. Aus diesem Grund ist es erforderlich, wenn der mit Alkohol gemischte Kraftstoff für einen PKW-Motor verwendet wird, ein Stellglied wie beispielsweise ein Kraftstoffeinspritzventil oder dergleichen auf der Grundlage des in dem mit Alkohol gemischten Kraftstoff detektierten Alkoholgehalts zu steuern und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, den Zündzeitpunkt und dergleichen entsprechend dem detektierten Alkoholgehaltverhältnis einzustellen.
Es ist für PKW-Motoren daher erforderlich festzustellen, welche Art von Benzin – Leicht-, Mittel- oder Schwerbenzin – verwendet wird und wie das Alkoholgehaltverhältnis im mit Alkohol gemischten Kraftstoff ist. Es ist darüber hinaus erforderlich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, den Zündzeitpunkt und dergleichen entsprechend dem detektierten Wert zu steuern.
Ob das zu verwendende Benzin Schwer- oder Leichtbenzin ist, steht mit dessen Brechungsindex in Korrelation. Der Brechungsindex des Schwerbenzins ist hoch und der von Leichtbenzin niedrig. Aus diesem Grund wurde als Flüssigkeitseigenschaftensensor für Benzin ein Sensortyp zur Messung der Änderung des Brechungsindex entwickelt.
Das Patentdokument 1 offenbart einen Flüssigkeitseigenschaftensensor, der Licht aus einer Lichtquelle in ein kurzperiodiges, geneigtes Gitter leitet und Spektren des Ausgangslichts durch einen Signalanalysator analysiert. Mit einer Änderung des Brechungsindex eines das Gitter umgebenden Materials ändert sich eine Transmissionsspektrenform in einem in Transmissionsfaktoreigenschaften erscheinenden Cladding-Ausbreitungsmodus. In Patentdokument 1 wird der Brechungsindex der Umgebung des Gitters durch Messung des Transmissionsspektrums und Berechnung einer Änderung der Form einer Umhüllenden detektiert, wodurch die Flüssigkeitseigenschaften detektiert werden.
Patentdokument 2 offenbart einen Flüssigkeitseigenschaftensensor, der Licht aus einer Lichtquelle in ein kurzperiodiges Gitter leitet. Ebenfalls in Patentdokument 2 wird bei einer Änderung des Brechungsindex eines das Gitter umgebenden Materials die Änderung der Form der in den Transmissionsfaktoreigenschaften erscheinenden Transmissionsspektren im Cladding-Ausbreitungsmodus verwendet. In Patentdokument 2 wird der Brechungsindex der Umgebung des Gitters durch Messung einer Änderung der Intensität des Ausgangslichts aufgrund der Änderung der Form der Transmissionsspektren detektiert.

Patentdokument 1: WO 2002/044 697 A1
Patentdokument 2: WO 2006/126 468 A1

Bei der mittels des kurzperiodigen, geneigten Gitters erfolgenden Detektion wird, wie in Patentdokument 1 offenbart, ein teures Messgerät wie beispielsweise ein Lichtspektralanalysegerät oder dergleichen benötigt, da es erforderlich ist, die Spektrenform der Cladding-Ausbreitungsmodus-Verlustspitze mit hoher Wellenlängenauflösung zu messen. Aus diesem Grund ist es in dem Flüssigkeitseigenschaftensensor von Patentdokument 1 schwierig, den Brechungsindex lediglich mit einfacher Detektion der Lichtmenge zu messen.
Weiterhin kann in Patentdokument 1 mit zunehmendem Neigungswinkel des Gitters die Untergrenze des messbaren Bereichs des Brechungsindex in Richtung auf die Seite des niedrigeren Brechungsindex vergrößert werden, wobei sich die Untergrenze jedoch entsprechend verringert. In der Folge hat Patentdokument 1 ein Problem der Beeinträchtigung des Effekts der Vergrößerung des messbaren Bereichs des Brechungsindex.
Da andererseits die Änderung der Spektrenform in der Cladding-Ausbreitungsmodus-Verlustspitze mit der Änderung der Menge transmittierten Lichts bei der mittels des in Patentdokument 2 offenbarten kurzperiodigen Gitters erfolgenden Detektion detektiert wird, ist es möglich, den Brechungsindex lediglich mit einfacher Detektion der Lichtmenge zu messen. Patentdokument 2 hat jedoch das Problem, dass der messbare Bereich des Brechungsindex nicht ausreichend vergrößert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung soll die oben dargestellten Probleme lösen, und ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen faseroptischen Sensor bereitzustellen, der in der Lage ist, mit einer einfachen Konstruktion einen Brechungsindex eines Mediums zu messen, der mit hoher Empfindlichkeit in einem breiten Brechungsindexbereich zu messen ist.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der faseroptische Sensor eine optische Faser auf, aufweisend einen Kern mit einer Vielzahl von darin geformten Bragg-Gittern, die verschiedene Neigungswinkel in Bezug auf eine senkrechte Linie zu einer Längsrichtung der optischen Faser aufweisen, und aufweisend ein Cladding, in dem ein Transmissionsverlust durch eine Streuung in einem Cladding-Ausbreitungsmodus an einem Teil dieses Claddings dieses Bragg-Gitter geformt ist, verursacht wird; eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht des Wellenlängenbandes in dem genannten Cladding-Ausbreitungsmodus in die genannte optische Faser; und ein Lichtempfangsteil zum Empfangen eines transmittierten Lichts oder eines reflektierten Lichts des durch diesen Kern und dieses Cladding an einer Stelle, an dem dieses Bragg-Gitter geformt ist, durchlaufenden Lichts, wobei der genannte faseroptische Sensor auf der Grundlage der Intensität des gesamten Lichts, das von dem genannten Lichtempfangsteil empfangen wird, einen Brechungsindex eines zu messenden Mediums detektiert, das in Kontakt mit dem genannten Cladding ist, und wobei die Vielzahl von Bragg-Gittern die genannten jeweiligen Neigungswinkel aufweist, die so eingestellt sind, dass detektierbare Bereiche von Brechungsindizes des zu messenden Mediums sich teilweise überschneiden, wobei das zu messende und in Kontakt mit dem genannten Cladding stehende Medium auf der Grundlage der Intensität des gesamten von dem Lichtempfangsteil empfangenen Lichts detektiert wird.
In dem obigen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, da das Bragg-Gitter einen zuvor festgelegten Neigungswinkel in Bezug auf eine senkrechte Linie in einer Längsrichtung der optischen Faser aufweist, möglich, einen Brechungsindex eines zu messenden Mediums mit hoher Empfindlichkeit in einem großen Brechungsindexbereich und mit einer einfachen Konstruktion zu messen.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der faseroptische Sensor eine optische Faser einschließlich eines Kerns mit einem darin geformten Bragg-Gitter und ein Cladding, in dem ein Transmissionsverlust durch eine Streuung in einem Cladding-Ausbreitungsmodus am Cladding, an dem das Bragg-Gitter geformt ist, erzeugt wird, eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht des Wellenlängenbandes im Cladding-Ausbreitungsmodus in die optische Faser sowie ein Lichtempfangsteil zum Empfang eines transmittierten Lichts oder eines durch das Cladding an einer Stelle, wo das Bragg-Gitter geformt ist, reflektierten Lichts auf und detektiert auf der Grundlage der Intensität des gesamten, vom Lichtempfangsteil empfangenen Lichts einen Brechungsindex eines zu messenden Mediums, das in Kontakt mit dem Cladding ist, und in dem faseroptischen Sensor der vorliegenden Erfindung ist die optische Faser eine optische Multimoden-Faser, und das Bragg-Gitter weist einen Neigungswinkel von 4,4° oder mehr in Bezug auf eine senkrechte Linie in einer Längsrichtung der optischen Faser auf.
In dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, da der faseroptische Sensor das einen Neigungswinkel von 4,4° oder mehr aufweisende Gitter aufweist, möglich, den Cladding-Ausbreitungsmodus zu veranlassen, und es ist weiter möglich, den Brechungsindex des zu messenden Mediums, das in einer Region, in der das Gitter geformt ist, mit dem Cladding in Kontakt ist, zu detektieren. Da der faseroptische Sensor in der vorliegenden Erfindung eine optische Multimoden-Faser verwendet, ist es weiterhin möglich, die Größe der Veränderung der Intensität des empfangenen Lichts in Bezug auf die Menge des detektierten Lichts und die Änderung des Brechungsindex zu vergrößern.
Diese und andere Gegenstände, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ersichtlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen betrachtet wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung, die einen faseroptischen Sensor entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die eine Beziehung zwischen einem sich ausbreitenden Licht und einem Brechungsindex von Flüssigkeit im faseroptischen Sensor entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die den Neigungswinkel eines Gitters im faseroptischen Sensor entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Zeichnung, die Wellenlängenspektren von Transmissionsverlusten im faseroptischen Sensor entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die eine Beziehung zwischen einem Brechungsindex und der Intensität sich ausbreitenden Lichts im faseroptischen Sensor entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine Zeichnung, die Wellenlängenspektren von Transmissionsverlusten von Luft und Toluol im faseroptischen Sensor entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die eine Beziehung zwischen dem Neigungswinkel und der Änderungsrate im faseroptischen Sensor entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Diagramm, das Änderungen des Transmissionsfaktors entsprechend Wellenlängen in Normalbenzin und hochoktanigem Benzin zeigt.
9 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die Eigenschaften gemischten Benzins zeigt.
10 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die den Transmissionsverlust in einem faseroptischen Sensor im faseroptischen Sensor entsprechend der zweiten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die Zustände eines Gitters im faseroptischen Sensor entsprechend der zweiten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die die Spektrenform in einem Cladding-Ausbreitungsmodus zeigt.
13 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die Zustände eines Gitters im faseroptischen Sensor entsprechend der dritten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die Zustände eines Gitters im faseroptischen Sensor entsprechend der dritten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
15 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die Zustände eines Gitters im faseroptischen Sensor entsprechend der vierten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ist eine schematische Darstellung, die den faseroptischen Sensor entsprechend der sechsten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist eine Grafik, die ein Transmissionslichtspektrum zeigt, das vom faseroptischen Sensor entsprechend der sechsten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erhalten wurde.
18 ist eine Grafik, die ein Transmissionslichtspektrum zeigt, das vom faseroptischen Sensor entsprechend der sechsten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erhalten wurde.
19 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die eine Beziehung zwischen dem Neigungswinkel eines Gitters und dem Messbereich des Brechungsindex im faseroptischen Sensor entsprechend der siebten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
20 ist eine schematische Darstellung, die die Gitter des faseroptischen Sensors entsprechend der siebten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
21 ist eine Grafik, die ein Transmissionslichtspektrum zeigt, das vom faseroptischen Sensor entsprechend der siebten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erhalten wurde.
22 ist eine schematische Darstellung, die den faseroptischen Sensor entsprechend der siebten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
23 ist die Grafik, die eine Beziehung zwischen einem Brechungsindex und der Intensität empfangenen Lichts zeigt, das vom faseroptischen Sensor entsprechend der siebten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erhalten wurde.
24 ist eine schematische Darstellung, die Gitter des faseroptischen Sensors entsprechend der achten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
25 ist eine Grafik, die ein Transmissionslichtspektrum zeigt, das vom faseroptischen Sensor entsprechend der achten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erhalten wurde.
26 ist eine Grafik, die eine Beziehung zwischen einem Brechungsindex und der Intensität empfangenen Lichts zeigt, das vom faseroptischen Sensor entsprechend der achten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung erhalten wurde.
Bestes Vorgehen zur Realisierung der Erfindung
(Erste bevorzugte Ausführung)
1 ist eine schematische Darstellung, die einen faseroptischen Sensor entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. Der in 1 dargestellte faseroptische Sensor ist ein Sensor, der in der Lage ist, einen Brechungsindex von Flüssigkeit zu detektieren. In dem faseroptischen Sensor 5 in 1 ist an einem Ende einer optischen Faser 1 eine Lichtquelle 2 und an dessen anderem Ende ein Lichtempfangsteil 3 angeordnet. Die optische Faser 1 umfasst einen Kern 4, der von der Lichtquelle 2 emittiertes Licht leitet, ein Cladding 5, das so vorgesehen ist, dass es den Kern 4 abdeckt, sodass das Licht im Kern 4 eingeschlossen sein kann, und einen Fasermantel 6, der diese Teile abdeckt und schützt.
Weiterhin ist in der optischen Faser 1 zur Messung des Brechungsindex von Flüssigkeit ein Teil des Fasermantels 6 entfernt, sodass eine Flüssigkeit 8, die ein zu messendes Medium ist, in direkten Kontakt mit dem Cladding 5 kommen kann. Darüber hinaus ist in der optischen Faser 1 in 1 ein Bragg-Gitter (nachstehend gelegentlich als „Gitter” bezeichnet) 9 im Kern 4 an einem Teil, an dem ein Teil des Fasermantels 6 entfernt ist, geformt. Diese optische Faser 1 ist in der Nähe einer Bodenfläche eines die Flüssigkeit 8 speichernden Behälters 10 in eine „U”-Form gebogen, und die Lichtquelle 2 und das Lichtempfangsteil 3 sind außerhalb des Behälters 10 angeordnet.
Als Lichtquelle 2 kann beispielsweise eine Leuchtdiode (LED), eine Superlumineszenzdiode (SLD) und dergleichen verwendet werden. Andererseits verwendet das Lichtempfangsteil 3 ein Lichtempfangselement wie beispielsweise eine Fotodiode und dergleichen zum Detektieren der Intensität des empfangenen Lichts. Für den Kern 4 und das Cladding 5 können anorganisches Glas wie beispielsweise Quarzglas und dergleichen oder ein kunststoffbasiertes Material wie beispielsweise Polymethylmethacrylat und dergleichen verwendet werden. Für den Fasermantel 6 kann ein fluorinbasiertes, nylonbasiertes, phenolbasiertes, epoxidbasiertes oder melaminbasiertes Harz verwendet werden.
Sodann wird als Methode zum Formen des Gitters 9 im Kern 4 beispielsweise eine Phasenmaske an dem Teil, an dem der Fasermantel 6 entfernt ist, vorgesehen und mit einem Excimerlaserstrahl bestrahlt, um auf diese Weise ein Gittermuster, das einem Relief der Phasenmaske entspricht, zu formen. Die Phasenmaske ist eine Maske, in der eine Vielzahl von Rillen, als „Relief” bezeichnet, in regelmäßigen Abständen auf einer Seitenfläche auf aus Quarzglas bestehenden parallelen Ebenen geformt ist, und der Laserstrahl wird durch das Relief periodisch moduliert.
Da eine lichtinduzierte Brechungsindexänderung im Kern 4 verursacht wird, wo der Brechungsindex eines mit dem Laserstrahl bestrahlten Teils größer wird als der eines nicht bestrahlten Teils, ist es möglich, das Gitter 9 zu formen, in dem sich der Brechungsindex periodisch im Kern 4 ändert. Durch Verändern der Steigung des Reliefs und der Tiefe der Rille kann das ein gewünschtes Muster aufweisende Gitter 9 im Kern 4 geformt werden. Weiterhin ist es durch Neigen der Phasenmaske in Richtung auf die Innenebene möglich, das einen Neigungswinkel aufweisende Gitter 9 zu formen.
Gitter 9 sind allgemein in ein kurzperiodiges Gitter mit einer Brechungsindexänderungsperiode von ca. 0,1 bis 1 μm und ein langperiodiges Gitter mit einer Periode von 100 bis 1000 μm unterteilt. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Gitter 9 ist auf das Erstere, d. h. das kurzperiodige Gitter, beschränkt, und jedes Gitter in der folgenden Beschreibung bezieht sich auf ein kurzperiodiges Gitter.
Sodann erfolgt eine Diskussion eines Betriebs des faseroptischen Sensors entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung. In einem optischen Kommunikationssystem wird allgemein, um optische Signale einer spezifischen Wellenlänge, die sich in einer faseroptischen Übertragungsstrecke ausbreiten, auszukoppeln, ein Gitter verwendet, das in der Lage ist, lediglich spezifizierte Signale zu reflektieren. Die Transmissionseigenschaften des Gitters weisen einen Cladding-Ausbreitungsmodus auf, der später diskutiert wird, und dieser Cladding-Ausbreitungsmodus wird nachteiligerweise die Verlustwelligkeit. Die vorliegende Erfindung nutzt umgekehrt diesen Cladding-Ausbreitungsmodus, der als nutzlose Eigenschaft im optischen Kommunikationssystem betrachtet wurde.
Das Prinzip zur Messung des Brechungsindex der in 1 dargestellten Flüssigkeit 8 nutzt die Tatsache, dass die Intensität von Licht, als „Cladding-Ausbreitungsmodus” bezeichnet, die verursacht wird, wenn das sich im Kern 4 ausbreitende Licht am Gitter 9 reflektiert wird oder das Gitter 9 passiert, vom Brechungsindex eines Materials, das mit der Außenseite des Cladding 5 in Kontakt ist, abhängt. Insbesondere breitet sich das im Kern 4 ausbreitende Licht ausschließlich im Kern 4 aus, wobei es eine Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kern 4 und dem Cladding 5 in einem Teil, in dem kein Gitter 9 geformt ist, wiederholt. Wenn das sich im Kern 4 ausbreitende Licht das Gitter 9 erreicht, wird das Licht jedoch aufgeteilt in Licht, das das Gitter 9 passieren und sich im Kern 4 ausbreiten soll, in Licht, das am Gitter 9 Bragg-reflektiert und sich in entgegengesetzter Richtung im Kern 4 ausbreiten soll, sowie in sich rückwärts ausbreitendes Licht im Cladding-Ausbreitungsmodus, das den Kern 4 verlassen und sich im Cladding 5 in entgegengesetzter Richtung ausbreiten soll. In dem im faseroptischen Sensor in 1 verwendeten kurzperiodigen Gitter ist der Cladding-Ausbreitungsmodus Rückwärtsausbreitung, während der im langperiodigen Gitter erzeugte Cladding-Ausbreitungsmodus Vorwärtsausbreitung ist.
2(a) und 2(b) sind Ansichten, die ein Verhältnis zwischen dem Licht im Cladding-Ausbreitungsmodus und dem Brechungsindex der Flüssigkeit, die mit der Außenseite des Cladding 5 in Kontakt ist, zeigen. In der folgenden Diskussion wird Wasser als ein Beispiel für Flüssigkeit und Luft als ein Beispiel für Gas verwendet. 2(a) ist eine schematische Darstellung der Ausbreitung von Licht in einem Fall, in dem das Material, das sich mit der Außenseite des Cladding 5 in Kontakt befindet, Luft 21 ist, und 2(b) ist eine schematische Darstellung der Ausbreitung von Licht in einem Fall, in dem das Material, das sich mit der Außenseite des Cladding 5 in Kontakt befindet, Wasser 27 ist. Es wird hierin angenommen, dass sich der Brechungsindex der Luft 21 auf 1,0, der Brechungsindex des Wassers 27 auf 1,3, der Brechungsindex des Kerns 4 auf 1,36 und der Brechungsindex des Cladding 5 auf 1,35 beläuft.
In 2(a) wird ein sich ausbreitendes Licht 22, das sich von der Lichtquelle 2 aus ausbreitet, aufgeteilt in ein reflektiertes Licht 23, das am Gitter 9 Bragg-reflektiert wird, ein transmittiertes Licht 24, das das Gitter 9 passiert und sich im Kern 4 ausbreitet, und ein Licht 25 im Cladding-Ausbreitungsmodus, das im Gitter 9 erzeugt wird. Da die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Cladding 5 und dem der Luft 21 groß ist, 0,35, wird das Licht 25 im Cladding-Ausbreitungsmodus an einer Grenzfläche 26 zwischen dem Cladding 5 und der Luft 21 reflektiert und breitet sich im Cladding 5 aus. Da das Licht 25 im Cladding-Ausbreitungsmodus im Cladding 5 eingeschlossen ist, erscheint in 2(a) eine Verlustwelligkeit, die typisch für den Cladding-Ausbreitungsmodus in den Transmissionseigenschaften ist.
Andererseits wird, ebenfalls in 2(b), das sich ausbreitende Licht 22, das sich von der Lichtquelle 2 aus ausbreitet, aufgeteilt in das reflektierte Licht 23, das transmittierte Licht 24 und das Licht 25 im Cladding-Ausbreitungsmodus. Da jedoch im Fall von 2(b) die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Cladding 5 und dem des Wassers 27 gering ist, 0,05, wird das Licht 25 im Cladding-Ausbreitungsmodus, das an einem Endteil des Gitters 9 erzeugt wird, kaum an einer Grenzfläche 28 zwischen dem Cladding 5 und dem Wasser 27 reflektiert, passiert die Grenzfläche 28 und breitet sich in das Wasser 24 aus. Aus diesem Grund breitet sich das Licht 25 im Cladding-Ausbreitungsmodus kaum im Cladding 5 aus. Aus diesem Grund ist kein Licht 25 im Cladding-Ausbreitungsmodus im Cladding 5 eingeschlossen, und es erscheint keine Verlustwelligkeit, die eine für den Cladding-Ausbreitungsmodus typische Transmissionseigenschaft ist.
Weiterhin ist das Gitter 9 der ersten bevorzugten Ausführung so geformt, dass es einen Neigungswinkel von θ° gegenüber einer senkrechten Linie in einer Längsrichtung der in 1 dargestellten optischen Faser 1 aufweist, um einen Sensorausgang mit hoher Empfindlichkeit zu erhalten und einen Detektionsbereich des Brechungsindex eines zu messenden Mediums zu vergrößern. Der Neigungswinkel 8° wird in einem Bereich bestimmt, der nicht niedriger als –90° und niedriger als 90° ist. 4(a) bis 4(d) zeigen Wellenlängenspektren von Transmissionsverlusten in einem Fall, in dem der Neigungswinkel θ auf 0° gesetzt ist. Die in diesem Fall verwendete optische Faser ist aus quarzbasiertem Material hergestellt und weist einen Cladding-Durchmesser von 125 μm und einen Kerndurchmesser von 2 μm auf.
4(a) zeigt einen Fall, in dem ein zu messendes Medium Luft ist (n = 1,0), und 4(b) zeigt einen Fall, in dem ein zu messendes Medium Ethanol ist (n = 1,362). 4(a) zeigt einen Fall, in dem ein zu messendes Medium eine Flüssigkeit ist (n = 1,429), die 50% Ethanol und 50% Toluol enthält, und 4(d) zeigt einen Fall, in dem ein zu messendes Medium Toluol ist (n = 1,497). Die in 4(a) bis 4(d) dargestellten, zu messenden Medien weisen unterschiedliche Brechungsindizes auf, und in dem Fall, in dem das Medium, dessen Brechungsindex niedrig ist, wie beispielsweise im Fall von Luft oder Ethanol, erscheint der Cladding-Ausbreitungsmodus erkenntlich in dem Bereich, in dem die Wellenlänge im Bereich zwischen 860 nm und 885 nm liegt. Wenn der Brechungsindex jedoch größer wird (4(c) und 4(d)), verschwindet der Cladding-Ausbreitungsmodus von der niedrigen Wellenlängenseite, und im Fall der Verwendung von Toluol (4(d)) verschwindet der Cladding-Ausbreitungsmodus vollständig.
Der in 1 dargestellte faseroptische Sensor weist eine Konstruktion zur Detektion des in 4 dargestellten transmittierten Lichts als Intensität des empfangenen Lichts auf. Der faseroptische Sensor in 1 detektiert daher den Brechungsindex eines zu messenden Mediums anhand der Änderung der Intensität des empfangenen Lichts in Abhängigkeit vom Brechungsindex des zu messenden Mediums, wie in 5 dargestellt. 5 zeigt die Änderung der Intensität des empfangenen Lichts in Bezug auf den Brechungsindex zwischen dem Fall, in dem sich der Neigungswinkel θ des Gitters 9 auf 0° beläuft, und dem Fall, in dem sich der Neigungswinkel θ auf 7,3° beläuft. Wie im Ergebnis in 5 dargestellt, wird der Detektionsbereich des Brechungsindex des zu messenden Mediums vergrößert, und die Änderungsrate erhöht sich in dem Fall, in dem sich der Neigungswinkel θ auf 7,3° beläuft, gegenüber dem Fall, in dem sich der Neigungswinkel θ auf 0° beläuft.
Hinsichtlich des Brechungsindexdetektionsbereichs des zu messenden Mediums beträgt der Brechungsindex, wie in 5 dargestellt, auf der Seite des hohen Brechungsindex ca. 1,46 in beiden Fällen, in denen sich der Neigungswinkel θ auf 0° und auf 7.3° beläuft, während der Brechungsindex auf der Seite des niedrigen Brechungsindex zwar 1,40 in dem Fall beträgt, in dem sich der Neigungswinkel θ auf 0° beläuft, jedoch auf bis zu 1,36 in den Fall erhöht ist, in dem sich der Neigungswinkel θ auf 7,3° beläuft. Daher kann der faseroptische Sensor, in dem sich der Neigungswinkel θ des Gitters 9 auf 7,3° beläuft, verwendet werden, um beispielsweise den gemischten Kraftstoff aus Normalbenzin (n = 1,43) und Ethanol (n = 1,362) zu detektieren. Weiterhin beträgt die Änderungsrate 7%, wenn sich der Neigungswinkel θ auf 0° beläuft, jedoch erhöht sich die Änderungsrate auf bis zu 15%, wenn sich der Neigungswinkel θ auf 7,3 beläuft. Die Erhöhung der Änderungsrate führt zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit des faseroptischen Sensors gegenüber Änderungen der Umgebung wie beispielsweise Schwingung, Temperaturschwankung und dergleichen.
Weiterhin werden durch Vorbereiten faseroptischer Sensoren mit den Gittern 9 mit verschiedenen Neigungswinkeln Wellenlängenspektren von Transmissionsverlusten in den Fällen gemessen, in denen der Cladding-Ausbreitungsmodus erscheint (Luft: n = 1,0) und in denen er verschwindet (Toluol: n = 1,497). 6(a) und 6(b) zeigen beispielsweise die Wellenlängenspektren der Transmissionsverluste in dem Fall, in dem sich der Neigungswinkel des Gitters 9 auf 11,7° beläuft. Während der Cladding-Ausbreitungsmodus in dem Fall erscheint, in dem das zu messende Medium Luft ist, wie in 6(a) dargestellt, verschwindet der Cladding-Ausbreitungsmodus vollständig in dem Fall, in dem das zu messende Medium Toluol ist, wie in 6(b) dargestellt.
Die Änderungsrate der Intensität des empfangenen Lichts wird aus den Wellenlängenspektren des Transmissionsverlustes eines jeden Falles, in dem das zu messende Medium Toluol und Luft ist, berechnet, und die Änderungsrate in Bezug auf den Neigungswinkel des Gitters 9 ist in 7 dargestellt. Aus dem in 7 dargestellten Ergebnis ergibt sich, dass die Änderungsrate zunimmt, wenn der Neigungswinkel θ des Gitters größer wird.
Sodann sind Transmissionswellenlängenspektren von Normalbenzin und hochoktanigem Benzin in 8(a) und 8(b) dargestellt. Wie in 8(a) dargestellt, erscheinen im Falle von Normalbenzin transparente Regionen, wenn die Wellenlänge in den Bereichen von 500 nm bis 1100 nm, von 1250 nm bis 1350 nm und von 1500 nm bis 1600 nm liegt. Wie in 8(b) dargestellt, erscheinen im Falle hochoktanigen Benzins transparente Regionen, wenn die Wellenlänge in den Bereichen von 450 nm bis 1100 nm, von 1250 nm bis 1350 nm und von 1500 nm bis 1600 nm liegt.
Obwohl in der ersten bevorzugten Ausführung die ein 800-nm-Band aufweisende Lichtquelle 2 verwendet wird, können auch die anderen transparenten Regionen des zu messenden Mediums zur Realisierung dieser bevorzugten Ausführung verwendet werden. Beispielsweise können auch eine Lichtquelle 2 und ein Lichtempfangsteil 3, die ein 1500-nm-Band verwenden, das üblicherweise in der optischen Kommunikation verwendet wird, verwendet werden. Da darüber hinaus ein Verlust aufgrund von Lichtabsorption in einer anderen als der transparenten Region auftritt, ist es wünschenswert, eine Detektion in der transparenten Region des zu messenden Mediums durchzuführen.
Obwohl das Gitter 9 vom Brechungsindexmodulationstyp, bei dem sich der Brechungsindex periodisch ändert, in dem faseroptischen Sensor der ersten bevorzugten Ausführung verwendet wird, kann ein Gitter 9 verwendet werden, das so verarbeitet ist, dass Rillen periodisch angeordnet sind.
Wie im Stand der Technik beschrieben, korreliert der Umstand, ob das Benzin schwer oder leicht ist, mit seinem Brechungsindex, und das Schwerbenzin weist einen hohen Brechungsindex und das Leichtbenzin einen niedrigen Brechungsindex auf. Spezifischer zeigt 9 die jeweiligen Relationen zwischen dem Brechungsindexverhältnis in Bezug auf Normalbenzin und die Destillationseigenschaft in den Fällen von Normalbenzin, mit 20% Ethanol gemischtem Normalbenzin und mit 40% Toluol gemischtem Normalbenzin. Wie in 9 dargestellt, ist bei Mischung mit Toluol das Brechungsindexverhältnis groß und die 50-%-Kapazitätstemperatur ist ebenfalls hoch, sodass dieses Benzin Schwerbenzin ist. Andererseits ist, wie in 9 dargestellt, bei Mischung mit Ethanol das Brechungsindexverhältnis gering und die 50-%-Kapazitätstemperatur ist ebenfalls gering, sodass dieses Benzin Leichtbenzin ist.
(Zweite bevorzugte Ausführung)
In dem faseroptischen Sensor der ersten bevorzugten Ausführung wurde dargestellt, dass es wünschenswert ist, dass ein Gitter, das einen Neigungswinkel aufweist, der eine große Änderung der Intensität des empfangenen Lichts verursacht, verwendet wird, um den Brechungsindex des zu messenden Mediums mit ausreichender Empfindlichkeit auch dann zu messen, wenn ein billiger elektrischer Detektionskreis verwendet wird. Weiterhin wird in der zweiten bevorzugten Ausführung ein Gitter diskutiert, das einen Neigungswinkel aufweist, der Bedingungen für eine Erhöhung der Änderung der Intensität des empfangenen Lichts besitzt.
In jedem Fall, in dem der faseroptische Sensor in ein Medium mit einem niedrigen Brechungsindex wie beispielsweise Luft und ein Medium mit einem hohen Brechungsindex wie beispielsweise Toluol eingetaucht ist, sind die Spektren des Cladding-Ausbreitungsmodus in 6(a) und 6(b) dargestellt. In Falle des Mediums mit niedrigem Brechungsindex verschwindet die scharfe Transmissionsverlustspitze, und ein kontinuierliches Transmissionsverlustspektrum erscheint, während im Falle des Mediums mit hohem Brechungsindex eine Vielzahl scharfer Transmissionsverlustspitzen aufgrund des Cladding-Ausbreitungsmodus vorliegt. Im Falle des Mediums mit hohem Brechungsindex ist, da Lichtreflexion an einer Grenzfläche zwischen dem Cladding und dem Medium gering wird, der Kernausbreitungsmodus mit einem kontinuierlichen Emissionsmodus in Richtung auf den umgebenden Raum durch das Gitter 9 und nicht mit dem Cladding-Ausbreitungsmodus gekoppelt, sodass eine kontinuierliche Spektrenform entsteht.
Es besteht eine quantitative Korrelation zwischen dem eine scharfe Spitze des Cladding-Ausbreitungsmodus aufweisenden Transmissionsverlustspektrum im Falle des Mediums mit niedrigem Brechungsindex und dem kontinuierlichen Transmissionsverlustspektrum im Falle des Mediums mit großem Brechungsindex. Spezifisch existiert eine Summenregel, und es ist experimentell bestätigt, dass die durchschnittliche Höhe der Verlustintensität von Spektren über einen bestimmten Wellenlängenbereich fast dieselbe zwischen den jeweiligen Transmissionsverlustspektren dieser Medien ist.
Bei der Messung der Menge transmittierten Lichts mittels einer Lichtquelle mit kontinuierlichem Spektrum und breitem Wellenlängenband ist im Falle des Mediums mit niedrigem Brechungsindex das transmittierte Licht in einem Wellenlängenbereich mit hohem Transmissionsfaktor zwischen benachbarten Transmissionsverlustspitzen ein Hauptelement der Menge transmittierten Lichts. Selbst wenn die lithografische Menge der lithografischen Belichtung des Gitters 9 zunimmt, um die Intensität der Transmissionsverlustspitze zu erhöhen, nimmt die Menge transmittierten Lichts im Wellenlängenbereich mit hohem Transmissionsfaktor kaum ab. Eine Abnahme der Gesamtmenge transmittierten Lichts wird dadurch unterdrückt. Andererseits erhöht im Falle des Mediums mit großem Brechungsindex, da die Menge transmittierten Lichts entsprechend der Intensität des Transmissionsverlustes abnimmt, eine Erhöhung der lithografischen Menge der lithografhischen Belichtung des Gitters 9 den Transmissionsverlust und reduziert die Menge transmittierten Lichts nicht wesentlich in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Menge transmittierten Lichts ist daher im Falle des Mediums mit großem Brechungsindex geringer als im Falle des Mediums mit niedrigem Brechungsindex, das ein nichteinheitliches Transmissionsverlustspektrum aufweist.
Um die Änderung der Menge detektierten Lichts zu erhöhen, um den Brechungsindex mit hoher Empfindlichkeit im faseroptischen Sensor zu messen, ist es daher effektiv, dass die Menge transmittierten Lichts im Falle der Spektren mit einer scharfen Spitze erhöht wird und dass die Transmissionsverlustintensität in dem Falle, in dem die kontinuierliche Spektrenform erscheint, erhöht wird.
Sodann erfolgt eine Diskussion des Ergebnisses einer quantitativen Versuchsrechnung der Änderung der Menge des detektierten Lichts unter Annahme eines Modells. Zunächst wird unter Bezugnahme auf 10 die Prämisse des betrachteten Modells diskutiert. 10 ist eine Ansicht, die einen Parameter des Cladding-Ausbreitungsmodus schematisch darstellt. Zunächst wird, da es erforderlich ist, einen Brechungsindex eines weiteren Bereichs einschließlich des vom zu messenden Medium verlangten Brechungsindexbereichs zu detektieren, angenommen, dass die Größe des Brechungsindexbereichs ein Detektionsbereich Δn ist. Es wird angenommen, dass der Cladding-Ausbreitungsmodus einheitlich in dem Bereich zwischen den Wellenlängen, die der Untergrenze und der Obergrenze des Detektionsbereichs Δn entsprechen, erscheint.
Durch Verwendung einer Lichtquelle kontinuierlicher Wellenlänge einschließlich der Wellenlängen im Detektionsbereich Δn wird die gesamte transmittierte Lichtintensität detektiert. Es wird angenommen, dass in Bezug auf alle im Detektionsbereich Δn enthaltenen Cladding-Ausbreitungsmoden eine durchschnittliche Größe der Transmissionsverlustspitzen AdB, ein Durchschnittswert der vollen Breiten bei halbem Maximum der Verlustspitzen ΔBnm und ein durchschnittliches Wellenlängenintervall der Verlustspitzen Bnm ist. Im Falle eines eine scharfe Spitze aufweisenden Spektrums wird zur Vereinfachung angenommen, dass die Verlustspitze im Cladding-Ausbreitungsmodus und die Spektrenform der Lichtquelle eine rechteckige Form und dieselbe Verlustintensität aufweisen und dass der Transmissionsverlust in einer Transmissionswellenlängenregion zwischen den Verlustspitzen der benachbarten Cladding-Ausbreitungsmoden null ist.
Unter der obigen Annahme ist die Erscheinensrate des Transmissionsverlustes im Cladding-Ausbreitungsmodus ΔB/B und die Erscheinensrate eines transparenten Wellenlängenbereichs 1 – ΔB/B. Im Falle des Mediums mit niedrigem Brechungsindex wird, da der Cladding-Ausbreitungsmodus des Transmissionsverlustes AdB und der transparente Wellenlängenbereich koexistieren, die Intensität des transmittierten Lichts durch Gleichung 1 angegeben:
Andererseits wird im Falle des Mediums mit hohem Refraktionsindex, da der gemittelte Transmissionsverlust im gesamten Wellenlängenbereich gleich A × ΔB/BdB ist, die Intensität des transmittierten Lichts durch Gleichung 2 angegeben:
Aus Voranstehendem ergibt sich die Änderungsrate der Menge transmittierten Lichts zu I = (I₁ – I₂)/I₁.
11 zeigt ein Ergebnis einer Berechnung des Änderungsverhältnisses I der Menge des transmittierten Lichts im Bereich von 1 ≤ A ≤ 15 und 0,05 ≤ ΔB/B ≤ 0,4. Aus in Bezug auf verschiedene Werte von A und ΔB/B durchgeführten numerischen Berechnungen ergibt sich, dass das Änderungsverhältnis I der Menge transmittierten Lichts fast von A × A × ΔB/B abhängig ist. Dies entspricht dem Ausdruck niedrigster Ordnung A × A × ΔB/B in dem Falle, in dem die Gleichung für das Änderungsverhältnis I der Menge transmittierten Lichts in eine Serie in Bezug auf A und ΔB/B erweitert wird.
Die obige Diskussion erfolgt zum Ergebnis der Berechnung für das Änderungsverhältnis I der Menge transmittierten Lichts in den Fällen des Mediums mit niedrigem Brechungsindex (wo alle Cladding-Ausbreitungsmodusspitzen erscheinen) und des Mediums mit hohem Brechungsindex (wo alle Cladding-Ausbreitungsmodusspitzen verschwinden). Im Falle des zu messenden Mediums, das einen mittleren Brechungsindex aufweist, verschwindet der Cladding-Ausbreitungsmodus von der kurzen Wellenlängenseite, wenn der Brechungsindex zunimmt, und die Menge transmittierten Lichts ändert sich einfach und kontinuierlich zwischen dem Ergebnis im Falle des Mediums mit niedrigem Brechungsindex und dem im Falle des Mediums mit hohem Brechungsindex. Daher ist es selbst im Falle des zu messenden, einen mittleren Brechungsindex aufweisenden Mediums möglich, den Brechungsindex des zu messenden Mediums von der Detektion der Menge transmittierten Lichts zu kennen, indem vorab korrigierte Daten erhalten werden.
Die Empfindlichkeit der Messung für den Brechungsindex ist proportional zum Änderungsverhältnis I der Menge transmittierten Lichts. Obwohl es möglich ist, die Messung im Prinzip durch präzise Messung einer Ausgangssignalspannung durchzuführen, selbst wenn ein Gitter mit niedriger Empfindlichkeit mit einem kleinen Änderungsverhältnis I der Menge transmittierten Lichts verwendet wird, wird ein elektrischer Messkreis teurer, und eine Messungszeit verlängert sich, da Integration nötig ist. Wenn weiterhin das Gitter mit geringer Empfindlichkeit und dem kleinen Änderungsverhältnis I der Menge transmittierten Lichts verwendet wird, verursacht dies einige Probleme wie beispielsweise die Notwendigkeit einer regelmäßigen Überarbeitung, da sich das Ausgangssignal selbst im Lauf der Zeit ändert, und dergleichen. Wenn ein Änderungsverhältnis I der Menge transmittierten Lichts von 5% oder mehr erhalten wird, wird gedacht, dass das obige Problem vermieden werden kann. Aus 11 ergibt sich, dass das Änderungsverhältnis I der Menge transmittierten Lichts = 5% A × A × ΔB/B = 3,5 entspricht.
Obwohl die obige Diskussion anhand eines vereinfachten Modells erfolgt, bestätigt sich, dass das Ergebnis der tatsächlichen Messung gut reproduziert wird. So beläuft sich beispielsweise das Änderungsverhältnis I der Menge transmittierten Lichts auf ca. 7% bei einem real hergestellten Gitter mit ΔB/B ≤ 0,3, einem Transmissionsverlust ≤ 4 dB und einem Neigungswinkel von 0°. Dieser Wert ist fast identisch mit dem durch Berechnung erhaltenen Wert, und dies bestätigt die Validität dieses Modells.
In dem faseroptischen Sensor der zweiten bevorzugten Ausführung hat daher das Gitter ein Verhältnis von A × A × ΔB/B ≥ 3,5, um das Änderungsverhältnis I der Menge detektierten Lichts, mit dem der Brechungsindex des zu messenden Mediums mit ausreichender Empfindlichkeit gemessen werden kann, auch dann zu haben, wenn ein billiger elektrischer Detektionskreis verwendet wird. In 11 ist der die Bedingung A × A × ΔB/B ≥ 3,5 erfüllende Bereich schraffiert dargestellt.
Hinsichtlich der vollen Breite bei halbem maximalen ΔB der Verlustspitze im Cladding-Ausbreitungsmodus ist, obwohl Einflüsse einer nicht einheitlichen Form der optischen Faser bestehen können und abhängig davon, ob die Länge des Gitters lang oder kurz ist und dergleichen, tatsächlich eine nicht einheitliche Strichbreite aufgrund der Qualität des einstrahlenden Lichts, Positionsschwankungen, Verzerrungen der optischen Faser in der Belichtung und dergleichen vorherrschend. Man denkt daher, dass ein Cladding-Ausbreitungsmodus mit schmaler Strichbreite erhalten werden kann, indem ein einheitliches Gitter mit unterdrückter Schwankung geformt wird.
Das Intervall B zwischen jeder Verlustspitze der Cladding-Ausbreitungsmoden hängt generell vom Cladding-Durchmesser und der in der optischen Faser verwendeten Wellenlänge ab, und es wird gedacht, dass das Modenintervall je kleiner ist, desto kürzer die verwendete Wellenlänge oder desto größer der Cladding-Durchmesser wird. Wenn eine optische Faser mit einem Durchmesser von 125 μm, der allgemein vorherrschend ist, verwendet wird, wird der Cladding-Durchmesser festgelegt. Hinsichtlich der verwendeten Wellenlänge wird, da die volle Breite bei halbem maximalen ΔB klein ist, wie das Intervall B, auch wenn die Wellenlänge kurz ist, gedacht, dass es keine große Differenz in ΔB/B gibt.
Der Transmissionsverlust A der Verlustspitze im Cladding-Ausbreitungsmodus nimmt zu, wenn die Menge der lithografischen Belichtung im Gitter zunimmt und allgemein gesättigt wird. Weiterhin nimmt der Transmissionsverlust A zu, wenn die Länge des Gitters zunimmt. Hinsichtlich des Verhältnisses zu ΔB/B nimmt in Bezug auf das Gitter mit einer gewissen Menge lithografischer Belichtung der Transmissionsverlust A zu, wenn die volle Breite bei halbem maximalen ΔB im Cladding-Ausbreitungsmodus kleiner wird, und es wird gedacht, dass A × ΔB/B generell konstant ist.
Aus der obigen qualitativen Studie ist es möglich, ein hochempfindliches Gitter mit großem A × A × ΔB/B zu erhalten, indem bei der Herstellung des Gitters durch Erhöhen der Menge lithografischer Belichtung eine in hohem Maße einheitliche Belichtung mit unterdrückter Schwankung und Steigerung der Länge des Gitters durchgeführt wird.
Verglichen mit einem Fall von Verwendung des Gitters mit einem Neigungswinkel von 0° ist es, da die zulässige Zahl von Cladding-Moden zunimmt und ΔB/B zunimmt, möglich, durch geeignete Wahl des Neigungswinkels des Gitters die Brechungsindex-Detektionsempfindlichkeit proportional dazu weiter zu erhöhen. Als Lichtquelle kann eine Leuchtdiode (LED) verwendet werden, und dies eignet sich für eine Größenreduzierung der Lichtquelle und eine Erhöhung der Zuverlässigkeit. Weiterhin kann zum Detektieren des transmittierten Lichts eine Fotodiode verwendet werden. Wenn eine hochintensive Lichtquelle wie beispielsweise eine Superlumineszenzdiode (SLD) oder dergleichen verwendet wird, ist es möglich, den Brechungsindex mit höherer Präzision zu messen. Dieses Licht emittierende Element und das Licht empfangende Element können optisch mit der optischen Faser mittels eines geeigneten optischen Kopplungssystems entsprechend der numerischen Apertur der optischen Faser gekoppelt und als Modul geringer Größe konstruiert werden.
Auf der Grundlage der obigen Studie ist es bei der Herstellung eines Gitters mit einer verwendeten Wellenlänge des 800-nm-Bandes durch Verwendung einer optischen Faser mit einem Kerndurchmesser von beispielsweise 2 μm nur wenn die Gitterlänge 5 mm oder mehr beträgt, möglich, ein Gitter mit einem Verhältnis von A × A × ΔB/B ≥ 3,5 durch Kontrolle der Belichtungsbedingungen herzustellen. Wenn die Gitterlänge auf bis zu 10 mm oder dergleichen erhöht wird, ist es möglich, ein Gitter mit höherer Empfindlichkeit zu erhalten und die Toleranz der Belichtungsbedingungen zu vergrößern.
(Dritte bevorzugte Ausführung)
In der dritten bevorzugten Ausführung erfolgt nachstehend eine Diskussion der für die Herstellung des Gitters 9 mit hoher Empfindlichkeit erforderlichen Bedingungen.
In dem faseroptischen Sensor der dritten bevorzugten Ausführung ist es möglich, die Verlustspitzen aufgrund vieler Cladding-Ausbreitungsmoden mit den Transmissionsspektren ungeachtet dessen, ob das Gitter eine Neigung aufweist oder nicht, zu beobachten. Diese Cladding-Ausbreitungsmoden sind mit Kernausbreitungsmoden mit verschiedenen Kopplungsstärken gekoppelt, und jeder zeigt eine die Kupplungsstärke widerspiegelnde Verlustintensität. Um den Brechungsindex des von der in 1 dargestellten optischen Faser zu messenden Mediums zu messen, ist es erforderlich, dass die Cladding-Ausbreitungsmoden kontinuierlich im Detektionsbereich des Brechungsindex ohne bemerkenswerte Abnahme der Verlustintensität erscheinen sollten.
Die Spektrenform des Cladding-Ausbreitungsmodus kann durch Berechnung durch Vorgabe von Parametern für die optische Faser wie beispielsweise den Kerndurchmesser und den Kernbrechungsindex, den Cladding-Durchmesser und den Cladding-Brechungsindex und dergleichen sowie von Parametern für das Gitter wie beispielsweise den Neigungswinkel, die Steigung, die Höhe der Änderung des Brechungsindex und dergleichen erhalten werden.
Zunächst wird unter der Annahme, dass der Cladding-Durchmesser 125 μm und die Bragg-Wellenlänge λ = 880 ± 5 nm beträgt, die Spektrenform des Cladding-Ausbreitungsmodus im Falle einer Änderung des Kerndurchmessers und des Neigungswinkels des Gitters berechnet, um einen Erscheinungs-Wellenlängenbereich des Cladding-Ausbreitungsmodus zu erhalten, und der Bereich wird in den Bereich des Brechungsindex umgerechnet und verglichen. Die Spektrenform des Cladding-Ausbreitungsmodus weist eine Umhüllende der Spitze mit einer leicht unimodalen Form auf, und die Wellenlänge, die ein Zehntel des Maximalwerts des Cladding-Ausbreitungsmodusverlustes ist, wird als Obergrenzen- und Untergrenzenwellenlängen im Erscheinungs-Wellenlängenbereich betrachtet. Eine beispielhafte Spektrenform des durch die Berechnung erhaltenen Cladding-Ausbreitungsmodus (wobei der Kerndurchmesser 4 μm, der Neigungswinkel 6 und die Bragg-Wellenlänge 880 nm ist) ist in 12 dargestellt. Es wird angenommen, dass der Brechungsindex des Cladding 1,4533 ist, und der Brechungsindex des Kerns wird unter Bezugnahme auf Spezifikationen von im Handel erhältlichen kommerziellen optischen Fasern aus dem Bereich von 1,4830 bis 1,4563 ausgewählt.
Der durch die obige Rechnung erhaltene messbare Bereich des Brechungsindex ist in 13 als Funktion des Neigungswinkels θ dargestellt. 13 zeigt Beziehungen zwischen den messbaren Bereichen des Brechungsindex und den Neigungswinkeln in Bezug auf verschiedene Kerndurchmesser. Aus 13 ergibt sich, dass der Untergrenzen-Brechungsindex im Messbereich für alle Kerndurchmesser abnimmt, wenn der Neigungswinkel θ zunimmt. Weiterhin ergibt sich aus 13 für die Kerndurchmesserabhängigkeit, dass der Untergrenzenbrechungsindex signifikanter abnimmt, wenn der Kerndurchmesser kleiner wird.
Andererseits nimmt im Falle eines kleinen Neigungswinkels, wie in 13 dargestellt, der Obergrenzenbrechungsindex im Messbereich einen Wert von etwa dem Brechungsindex des Cladding ungeachtet des Kerndurchmessers an, nimmt jedoch ab, wenn der Neigungswinkel zunimmt. Weiterhin ist eine Abnahme des Obergrenzenbrechungsindex im Messbereich klein, wenn, wie in 13 dargestellt, der Kerndurchmesser d ≤ 4 μm ist, er wird jedoch größer, wenn der Kerndurchmesser mehr als 4 μm wird. Wenn der Kerndurchmesser größer wird, gleicht die Abnahme des Obergrenzenbrechungsindex im Messbereich die Vergrößerung des Messbereichs durch eine Verringerung des Untergrenzenbrechungsindex im Messbereich aus, und die Messempfindlichkeit in Bezug auf den Brechungsindex in der Nähe des Brechungsindex des Cladding nimmt ab, und es wird schwierig, eine Messung in der Nähe des Brechungsindex durchzuführen.
In dem Fall, in dem das Gitter so geformt ist, dass die Bragg-Wellenlänge λ ≤ 880 nm sein kann, braucht der Kerndurchmesser lediglich d ≤ 4 μm sein, um die Abnahme des Obergrenzenbrechungsindex im Messbereich zu unterdrücken und den Brechungsindex in einem weiten Bereich zu messen.
Sodann werden in dem Fall, in dem die Bragg-Wellenlänge des Gitters in λ ≤ 1570 nm geändert wird, mit der eine Lichtquelle problemlos im Wellenlängenbereich für optische Kommunikation verfügbar ist, der Obergrenzenbrechungsindex und der Untergrenzenbrechungsindex im Messbereich auf dieselbe Weise berechnet. Das Ergebnis dieser Berechnung ist in 14 als Funktion des Neigungswinkels dargestellt. In 14 werden zwei Typen von Kerndurchmessern, 4 μm und 8 μm, verwendet.
Im Vergleich zum Fall in 13, bei dem die Bragg-Wellenlänge λ ≤ 880 nm beträgt, stellt man fest, dass im Ergebnis von 14 die Eigenschaften zwischen den Daten, deren d/λ ungefähre Werte aufweisen, ähnlich sind. Insbesondere sind das Ergebnis (d/λ = 2,3) von (d, λ) = (2 μm, 880 nm) und das Ergebnis (d/λ = 2,6) von (d, λ) = (4 μm, 1570 nm) ähnlich. Weiterhin stellt man fest, dass das Ergebnis (d/λ = 4,5) von (d, λ) = (4 μm, 880 nm) und das Ergebnis (d/λ = 5,2) von (d, λ) = (8 μm, 1570 nm) ähnlich sind.
Weiterhin ist das Ergebnis einer ähnlichen Berechnung in dem Fall, in dem die Bragg-Wellenlänge λ ≤ 1570 nm ist, was doppelt so viel wie in 13 ist, in 15 dargestellt. In dem in 15 dargestellten Fall haben die Ergebnisse von (d, λ) = (2 μm, 880 nm) und (d, λ) = (4 μm, 1670 nm) dasselbe d/λ, und die Ergebnisse von (d, λ) = (4 μm, 880 nm) und (d, λ) = (8 μm, 1670 nm) haben dasselbe d/λ. Wie aus dem in 15 dargestellten Ergebnis ersichtlich, fallen, wenn der Wert von d/λ derselbe ist, der Obergrenzenbrechungsindex und der Untergrenzenbrechungsindex im Messbereich gut zusammen, selbst wenn die Kerndurchmesser unterschiedlich sind.
Aufgrund des obigen Ergebnisses wird gedacht, dass die Umhüllende der Spektrenform im Cladding-Ausbreitungsmodus fast vom Wert von d/λ abhängt, der das Verhältnis überwiegend zwischen dem Kerndurchmesser und der Bragg-Wellenlänge ist. Andererseits hat, obwohl sich die Verhältnisse des Kerndurchmessers und der Bragg-Wellenlänge in Bezug auf den Cladding-Durchmesser ändern, der Cladding-Durchmesser, da der Cladding-Durchmesser auf 125 μm festgelegt ist, einen relativ geringen Einfluss auf die Umhüllende der Spektrenform im Cladding-Ausbreitungsmodus, da die Spektrenformen eine große Ähnlichkeit aufweisen.
Um daher das Gitter zu formen, wobei die Abnahme des Obergrenzenbrechungsindex im Messbereich unterdrückt und es möglich ist, den Brechungsindex in einem weiten Bereich zu messen, braucht die den Kerndurchmesser d aufweisende optische Faser lediglich so gewählt zu werden, dass das Verhältnis zwischen dem Kerndurchmesser und einer zuvor festgelegten Bragg-Wellenlänge λ zu d/λ ≤ 4,5 wird.
Um entsprechend das Gitter zu formen, wobei die Abnahme des Obergrenzenbrechungsindex im Messbereich unterdrückt und es möglich ist, den Brechungsindex in einem weiten Bereich zu messen, braucht das die Bragg-Wellenlänge λ aufweisende Gitter lediglich so geformt werden, dass das Verhältnis zwischen einem zuvor festgelegten Kerndurchmesser d und der Bragg-Wellenlänge λ zu d/λ ≤ 4,5 wird.
Obwohl das Gitter somit unter Berücksichtigung des Berechnungsergebnisses in dem Fall, in dem der Cladding-Durchmesser 125 μm beträgt, erhalten wird, wird das Gitter nicht durch die Größe des Cladding-Durchmessers begrenzt, da der Cladding-Durchmesser einen relativ geringen Einfluss auf die Umhüllende der Spektrenform im Cladding-Ausbreitungsmodus hat. Weiterhin ist in der dritten bevorzugten Ausführung, obwohl der Brechungsindex von Quarzglas als Brechungsindex des Cladding verwendet wird, die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern es kann eine einen anderen Brechungsindex aufweisende optische Faser verwendet werden.
Da das die Bedingung d/λ ≤ 4,5 erfüllende Gitter im faseroptischen Sensor der dritten bevorzugten Ausführung geformt ist, kann die Untergrenze des detektierbaren Bereichs des Brechungsindex (Detektionsbereich) in dem Fall, in dem der Neigungswinkel des Gitters zunimmt, auf einen großen Bereich erweitert werden, und gleichzeitig kann die Abnahme der Obergrenze des Detektionsbereichs unterdrückt werden, und es ist daher möglich, den Brechungsindex in einem weiteren Bereich mittels einfacher Konstruktion zu messen, indem der Kerndurchmesser, die Bragg-Wellenlänge und der Neigungswinkel des Gitters gewählt werden.
(Vierte bevorzugte Ausführung)
In der vierten bevorzugten Ausführung erfolgt nachstehend eine Diskussion der Bedingungen, die erforderlich sind, um den Neigungswinkel θ° des Gitters geeignet einzustellen.
In der dritten bevorzugten Ausführung wurde diskutiert, dass der detektierbare Bereich des Brechungsindex mit zunehmendem Neigungswinkel größer wird. In 13 kann der detektierbare Bereich des Brechungsindex (Detektionsbereich) erhalten werden, indem der Neigungswinkel θ und das Verhältnis d/λ zwischen dem Kerndurchmesser und der Bragg-Wellenlänge bestimmt wird. Umgekehrt kann der Neigungswinkel θ aus dem Verhältnis d/λ und dem erforderlichen Detektionsbereich Δn erhalten werden. Tatsächlich kann ein näherungsweiser Ausdruck Gleichung 3 aus dem Berechnungsergebnis von 13 in Bezug auf die Daten mit d/λ ≤ 4,5 (d = 2, 3, 4 μm) erhalten werden. 0 ≥ 70 × Δn + 1,8 × d/λ – 8 (Gleichung 3)
Weiterhin gilt, wie in 15 gezeigt, der näherungsweise Ausdruck Gleichung 3 entsprechend, da die Abhängigkeit des Detektionsbereichs für den Neigungswinkel fast vom Wert von d/λ auch im Falle einer unterschiedlichen Bragg-Wellenlänge und eines unterschiedlichen Kerndurchmessers gilt. Durch Verwendung des in Gleichung 3 gegebenen Neigungswinkels θ ist es möglich, einen Brechungsindexbereich, der größer als der erforderliche Detektionsbereich Δn ist, zu messen.
In dem faseroptischen Sensor der vierten bevorzugten Ausführung wird daher, um einen zuvor festgelegten Detektionsbereich durch Verwendung einer zuvor festgelegten optischen Faser zu erhalten, das Gitter geformt, wobei dessen Neigungswinkel θ° eingestellt ist, um die Bedingung der Gleichung 3 zu erfüllen. Das Gitter der vierten bevorzugten Ausführung kann daher die Untergrenze des Detektionsbereichs auf einen größeren Bereich vergrößern, und gleichzeitig kann die Abnahme der Obergrenze des Detektionsbereichs unterdrückt werden. Weiterhin ist es durch Verwendung von Gleichung 3 möglich, problemlos einen optimalen Neigungswinkel des Gitters in dem Fall zu wählen, in dem der Kerndurchmesser und die Bragg-Wellenlänge gegeben sind, und ein optimiertes Gitter zu erhalten.
(Fünfte bevorzugte Ausführung)
In der fünften bevorzugten Ausführung erfolgt eine Diskussion einer Konstruktion eines faseroptischen Brechungsindexsensors (faseroptischer Sensor), der auf einen Flüssigkeitseigenschaftensensor, der in der Lage ist, ein Mischungsverhältnis von mit Ethanol gemischtem Benzin zu detektieren, angewandt werden kann.
Zuerst weist das mit Ethanol gemischte Benzin einen Brechungsindex im Bereich vom Brechungsindex von mit 0% Ethanol gemischten Benzin bis zu ca. 1,42 auf. Proportional zu einer Erhöhung des Mischungsverhältnisses von Ethanol fällt der Brechungsindex monoton ab und nähert sich einem Bereich vom Brechungsindex von Ethanol bis 1,36. Wenn daher der Brechungsindexbereich von 1,36 bis 1,42 bei Raumtemperatur gemessen werden kann, kann das Mischungsverhältnis des mit Ethanol gemischten Benzins geschätzt werden.
Der Brechungsindexbereich ist jedoch ein Wert bei Raumtemperatur, und es wird erwartet, dass sich eine Änderung des Brechungsindex von ca. 0,02 pro 50°C ergibt, wenn sich die Temperatur der Messumgebung ändert. Wenn daher der Brechungsindex in einem Bereich von 1,34 bis 1,44 gemessen werden kann, kann das Mischungsverhältnis des mit Ethanol gemischten Benzins in einem praktisch ausreichenden Temperaturbereich gemessen werden.
Die Bedingung für die Messung des Brechungsindex im Bereich von 1,34 bis 1,44 kann aus 13 abgelesen werden. 13 zeigt ein Rechenbeispiel der optischen Faser, die ein Quarz-Cladding aufweist, das in einer billigen optischen Faser für allgemeine Zwecke verwendet wird, und der Brechungsindexbereich von 1,34 bis 1,44 ist schraffiert dargestellt. Wenn die Bragg-Wellenlänge beispielsweise im Bereich 800 nm ≤ λ ≤ 900 nm liegt, braucht der Kerndurchmesser d lediglich im Bereich 2 μm d ≤ 4 μm zu liegen.
Zu diesem Zeitpunkt muss der Neigungswinkel entsprechend dem Kerndurchmesser geändert werden, und der minimale Wert des Neigungswinkels kann aus der obigen Gleichung 3 erhalten werden. Da der zu messende Obergrenzenbrechungsindex nahe dem Brechungsindex des Quarz-Cladding ist, braucht der maximale Wert des Neigungswinkels nicht größer als 10° zu sein, wo die Abnahme des Obergrenzenbrechungsindex in der Messung schwierig herbeizuführen ist, wenn d ≤ 4 μm. Weiterhin ist nach dem obigen Ergebnis ein geeigneter Neigungswinkel 4° bei d = 2 μm, 6° bei d = 3 μm und 8° ≤ θ ≤ 10° bei d = 4 μm.
Da der obige faseroptische Sensor aus billigen Teilen wie beispielsweise der das Quarz-Cladding aufweisenden optischen Faser, einer Leuchtdioden-Lichtquelle, einem Fotodioden-Lichtdetektor und dergleichen aufgebaut werden kann, ist es möglich, eine Kostenreduktion zu erreichen. Wenn weiterhin die Leuchtdioden-Lichtquelle verwendet wird, wird die Menge einkoppelbaren Lichts größer, wenn der Kerndurchmesser im Bereich 2 μm ≤ d ≤ 4 μm größer wird, und es ist daher vorteilhaft möglich, eine Messung mit höherer Präzision durchzuführen.
Für ein Phänomen, bei dem sich der Brechungsindex in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz der zu messenden Medien ändert, wird eine derartige Messung wie nachstehend diskutiert durchgeführt. Insbesondere werden zuvor in einem angenommenen Temperaturbereich Messdaten der Brechungsindizes für verschiedene Temperaturen erfasst, und es wird eine korrigierte Datenliste der Brechungsindizes und des Mischungsverhältnisses von Ethanol bei verschiedenen Temperaturen erstellt. Die Temperatur wird von einem anderen Temperatursensor gemessen, und es erfolgt ein Abgleich mit Daten des vom faseroptischen Sensor gemessenen Brechungsindex, um das Mischungsverhältnis zu erhalten. Die obige korrigierte Datenliste kann in einem elektronischen Schaltkreis kleiner Größe wie beispielsweise einem Mikrocomputer oder dergleichen enthalten sein. Weiterhin ist es durch Verwendung eines vorhandenen Temperatursensors kleiner Größe möglich, einen faseroptischen Sensor kleiner Größe zur Messung des Mischungsverhältnisses von mit Ethanol gemischtem Benzin mit hervorragender Praktikabilität zu realisieren.
Da der faseroptische Sensor der fünften bevorzugten Ausführung das die obige Bedingung (insbesondere d/λ ≤ 4,5, 2 μm ≤ d ≤ 4 μm und 800 ≤ λ ≤ 900 nm) erfüllende Gitter verwendet, ist es möglich, das Mischungsverhältnis von mit Ethanol gemischtem Benzin in einem praktisch ausreichenden Temperaturbereich auch dann zu messen, wenn die das Quarz-Cladding aufweisende optische Faser verwendet wird. Wenn beispielsweise der faseroptische Sensor der fünften bevorzugten Ausführung verwendet wird, ist dessen Teil mit dem Gitter in einem Rohr einer Benzinpumpe eines PKW-Motors enthalten.
(Sechste bevorzugte Ausführung)
Wie im Stand der Technik diskutiert, korreliert der Umstand, ob das Benzin schwer oder leicht ist, mit seinem Brechungsindex, und das Schwerbenzin weist einen hohen Brechungsindex und das Leichtbenzin einen niedrigen Brechungsindex auf. Spezifischer zeigt 9 die jeweiligen Relationen zwischen dem Brechungsindexverhältnis in Bezug auf Normalbenzin und die Destillationseigenschaft in den Fällen von Normalbenzin, mit 20% Ethanol gemischtem Normalbenzin und mit 40% Toluol gemischtem Normalbenzin. Wie in 9 dargestellt, ist bei Mischung mit Toluol das Brechungsindexverhältnis groß und die 50-%-Destillatstemperatur ist ebenfalls hoch, sodass dieses Benzin Schwerbenzin ist. Andererseits ist, wie in 9 dargestellt, bei Mischung mit Ethanol das Brechungsindexverhältnis gering und die 50-%-Destillatstemperatur ist ebenfalls gering, sodass dieses Benzin Leichtbenzin ist.
16 ist eine schematische Darstellung, die einen faseroptischen Sensor entsprechend der sechsten bevorzugten Ausführung zeigt. Der in 16 dargestellte faseroptische Sensor ist ein Sensor zur Beurteilung der Eigenschaft (ob Benzin beispielsweise schwer oder leicht ist oder dergleichen) des zu messenden Mediums durch Detektion des Brechungsindex der Flüssigkeit, die das zu messende Medium ist. In dem faseroptischen Sensor in 16 ist an einem Ende einer optischen Faser 101 eine Lichtquelle 102 und an dessen anderem Ende ein Lichtempfangsteil 103 angeordnet. Die optische Faser 101 umfasst einen Kern 104, der von der Lichtquelle 102 emittiertes Licht leitet, ein Cladding 105, das so vorgesehen ist, dass es den Kern 104 abdeckt, sodass das Licht im Kern 104 eingeschlossen sein kann, und einen Fasermantel 106, der diese Teile abdeckt und schützt. Als optische Faser 101 wird ein Kern einer Ge-dotierten optischen Multimoden-Quarzfaser vom Gradiententyp mit einem Kerndurchmesser von 62,5 μm und einem Cladding-Durchmesser von 125 μm verwendet.
Weiterhin ist in der optischen Faser 101 zur Messung des Brechungsindex ein Teil des Fasermantels 106 entfernt, sodass eine Flüssigkeit 108, die ein zu messendes Medium ist, in direkten Kontakt mit dem Cladding 105 kommen kann. Darüber hinaus ist in der optischen Faser 101 in 16 ein Bragg-Gitter (nachstehend gelegentlich als „Gitter” bezeichnet) 109, in dem sich der Brechungsindex mit einer Periode A von 0,3 μm im Kern 104 an einem Teil, an dem ein Teil des Fasermantels 106 entfernt ist, geformt. Das einen Neigungswinkel von 7,3° gegenüber einer senkrechten Linie in einer Längsrichtung der optischen Faser aufweisende Gitter 109 ist im Bereich von 10 mm geformt. Die optische Faser wird zwei Wochen einer Verarbeitung in einer Hochdruck-Wasserstoffatmosphäre (bei einem atmosphärischen Druck von 100) unterzogen und mit einem Nd-YAG-Laser (Leistung 200 mW, Wellenlänge 266 nm) bestrahlt, um das Gitter 109 darin zu formen. Der Neigungswinkel wird in einem Bereich bestimmt, der nicht niedriger als –90° und niedriger als 90° ist.
Die in 16 dargestellte optische Faser 101 ist in der Nähe einer Bodenfläche eines die Flüssigkeit 108 speichernden Behälters 110 in eine „U”-Form gebogen, und die Lichtquelle 102 und das Lichtempfangsteil 103 sind außerhalb des Behälters 110 angeordnet. Als Lichtquelle 102 wird eine Leuchtdiode (LED) verwendet, und als Lichtempfangsteil 103 wird eine Fotodiode verwendet.
17 ist ein Transmissionslichtspektrum des faseroptischen Sensors entsprechend der sechsten bevorzugten Ausführung. Das in 17 dargestellte Transmissionslichtspektrum ist das Spektrum des faseroptischen Sensors, der eine Konstruktion aufweist, bei der die optische Multimodenfaser als optische Faser 101 verwendet wird und das den Neigungswinkel von 7,3° aufweisende Gitter 109 geformt ist. In dem Transmissionslichtspektrum in 17 ergibt sich kein starker Transmissionsverlust aufgrund von Bragg-Reflexion, die ein Modus ist, bei dem Licht im Kern 104 in der Nähe der Bragg-Wellenlänge (ca. 0,9 μm), die durch Multiplikation der Periode Λ mit 2n/cos θ erhalten wird (der Brechungsindex des Kerns 104 ist n, der Neigungswinkel ist θ), eingeschlossen ist und reflektiert wird.
Darüber hinaus ändert sich in den Transmissionslichtspektren in 17 der Modus, in dem sich Licht einer spezifischen Wellenlänge in der Nähe der Wellenlänge von 0,88 μm, die kürzer als die Bragg-Wellenlänge ist, im Kern 104 ausbreitet, in den Cladding-Ausbreitungsmodus (im Folgenden einfach als „Cladding-Modus” bezeichnet), in dem das Licht im Cladding 105 eingeschlossen ist, und es ergibt sich mithin eine periodische und scharfe Transmissionsverlustspitze.
Da sich der Brechungsindex der Flüssigkeit 108, die das zu messende Medium ist, dem Brechungsindex des Cladding 105 annähert, wird es schwieriger, das Licht im Cladding 105 einzuschließen. In den Transmissionslichtspektren in 17 verschwindet der Cladding-Modus von der Seite der niedrigen Wellenlänge, wenn sich der Brechungsindex dem Brechungsindex des Cladding 105 annähert. In den Transmissionslichtspektren des Falles, in dem, wie in 17 dargestellt, das einen Brechungsindex von 1,497 aufweisende Toluol als zu messendes Medium verwendet wird, gibt es keine scharfe Spitze, und es entsteht ein geringer Strahlungsverlust mit einer geringen Wellenlängenabhängigkeit.
Ein Ausgang des Lichtempfangsteils 103 steht im Verhältnis zum Produkt der Transmissionslichtspektren der optischen Faser 101 und einem in den Kern 104 eintretenden Lichtintensitätsspektrum der Lichtquelle 102. In einem Fall der Verwendung der Lichtquelle 102, die das Lichtintensitätsspektrum aufweist, das die im Cladding-Modus erzeugte Wellenlänge überschneidet, ändert sich die Intensität des empfangenen Lichts des Lichtempfangsteils 103 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Cladding-Modus und dem Strahlungsmodus, und die Intensität des empfangenen Lichts wird stärker, wenn es einen Cladding-Modus gibt. Aus der Änderung der Intensität des empfangenen Lichts des Lichtempfangsteils 103 ist es daher möglich, den Brechungsindex der Flüssigkeit 108, die das zu messende Medium ist und die in einer Region, in der das Gitter 109 geformt ist, mit dem Cladding 105 in Kontakt ist, zu erhalten.
Sodann zeigt 18 ein Transmissionslichtspektrum des faseroptischen Sensors in einem Fall, in dem der Neigungswinkel 4,4° ist. In dem Transmissionslichtspektrum in 18, ändert sich, wenn das zu messende Medium Luft ist, ein Kernreflexionsmodus in den Cladding-Modus, und es erscheinen scharfe Transmissionsverlustspitzen in einem Wellenlängenbereich von ca. 0,888 bis 0,891 μm. Weiterhin erscheinen in dem Transmissionslichtspektrum in 18 scharfe Transmissionsverlustspitzen aufgrund von Reflexion im Kern in einem Wellenlängenbereich von ca. 0,892 bis 0,896 μm. Da im Falle von Toluol keine Änderung der Spektren erfolgt, ist es offensichtlich, dass dies der Reflexionsmodus im Kern ist.
Aus dem obigen Ergebnis stellt man fest, dass es keine scharfe Transmissionsverlustspitze des Reflexionsmodus im Kern in dem Fall, in dem sich der Neigungswinkel des Gitters 109 auf 7,3° beläuft, gibt, aber dass scharfe Transmissionsverlustspitzen aufgrund des Reflexionsmodus im Kern in dem Fall auftreten, in dem sich der Neigungswinkel auf 4,4° beläuft. Daher entsteht in dem Fall, in dem die optische Faser 101 eine optische Multimodenfaser ist, der Kernreflexionsmodus, wenn der Neigungswinkel des Gitters 109 zumindest nicht kleiner als 0° und kleiner als 4,4° ist. Da weiterhin scharfe Transmissionsverlustspitzen aufgrund des Reflexionsmodus im Kern auftreten und da scharfe Transmissionsverlustspitzen aufgrund des Cladding-Modus auch auftreten, wenn sich der Neigungswinkel des Gitters 109 auf 4,4° beläuft, ergibt sich der Cladding-Modus, wenn der Neigungswinkel zumindest nicht kleiner als 4,4° ist.
In dem faseroptischen Sensor der sechsten bevorzugten Ausführung kann selbst dann der Cladding-Modus verursacht werden, wenn eine optische Multimodenfaser als optische Faser 101 verwendet wird, da das einen Neigungswinkel von nicht weniger als 4,4° aufweisende Gitter 109 vorgesehen ist. In dem faseroptischen Sensor der sechsten bevorzugten Ausführung ist es daher möglich, den Brechungsindex des zu messenden Mediums, das sich in einer Region, in der das Gitter 109 geformt ist, mit dem Cladding 105 in Kontakt befindet, aus der Änderung der Intensität des empfangenen Lichts des Lichtempfangsteils 103 zu detektieren.
Da der Kerndurchmesser der optischen Multimodenfaser größer ist als der einer optischen Einmodenfaser, ist es auch dann, wenn eine Leuchtdiode (LED) mit einer größeren Lichtemissionsfläche und geringerer Direktivität der Lichtemission im Vergleich zu einer Laserdiode verwendet wird, möglich, die Lichtquelle problemlos mit dem Kern 104 der optischen Faser 101 zu koppeln. In dem faseroptischen Sensor der sechsten bevorzugten Ausführung ist es daher möglich, die Größe der Veränderung der Intensität des empfangenen Lichts in Bezug auf die Menge des detektierten Lichts und die Änderung des Brechungsindex zu vergrößern. Allgemein ist der Kerndurchmesser der optischen Einmodenfaser ca. 10 μm oder kleiner, während der Kerndurchmesser der optischen Multimodenfaser 10 μm oder größer ist, und üblicherweise wird der Wert von 50 μm oder 62,5 μm verwendet. Da in der sechsten bevorzugten Ausführung die einen größeren Kerndurchmesser aufweisende optische Multimodenfaser verwendet wird, ist es möglich, Licht von 1 μW oder mehr, das für die Durchführung von hochpräzisen Messungen erforderlich ist, auch dann zu erhalten, wenn eine einfache Methode zum optischen Koppeln der Lichtquelle 102 und der optischen Faser 101 verwendet wird, bei der die Endflächen der Lichtquelle 102 und der optischen Faser 101 direkt zueinander geführt werden, ohne auf eine normale Kopplung mittels Linsen zurückzugreifen.
Da weiterhin in dem faseroptischen Sensor der sechsten bevorzugten Ausführung der Kernreflexionsmodus, der sich nicht in Abhängigkeit vom Brechungsindex des zu messenden Mediums, das mit dem Cladding 105 in Kontakt ist, ändert, vermieden wird, indem ein Neigungswinkel von mehr als 5,8° gegeben ist, beseitigt dies die Notwendigkeit der Berücksichtigung der Überschneidung zwischen der Wellenlänge der als Lichtquelle 102 verwendeten Leuchtdiode (LED) und der des Kernreflexionsmodus und macht es möglich, Einflüsse einer Steigerung der Menge des detektierten Lichts und des zurückgestrahlten Reflexionslichts auf die Eigenschaften der Lichtquelle zu verhindern.
(Siebte bevorzugte Ausführung)
Der faseroptische Sensor der sechsten bevorzugten Ausführung kann keinen ausreichenden detektierbaren Bereich des Brechungsindex erlauben, wenn der Kerndurchmesser der verwendeten optischen Faser 101 größer wird. Dann ist in dem faseroptischen Sensor der siebten bevorzugten Ausführung eine Vielzahl von Neigungswinkel aufweisenden Gittern 109 vorgesehen, um einen detektierbaren Bereich des Brechungsindex zu vergrößern.
In den Transmissionslichtspektren aufgrund des Cladding-Modus im Gitter 109 hängt dessen Wellenlängenbereich, in dem eine Verlustspitze auftritt, von dem Neigungswinkel und dem Verhältnis zwischen der Bragg-Wellenlänge und dem Kerndurchmesser ab. In dem einen einzigen Neigungswinkel aufweisenden Gitter 109 nimmt mit größer werdendem Kerndurchmesser die Obergrenzenwellenlänge im Wellenlängenbereich des Cladding-Modus ab, und die Untergrenzenwellenlänge nimmt im Vergleich zu dem Fall, in dem der Kerndurchmesser klein ist, zu. Entsprechend dem Brechungsindex des zu messenden Mediums, das das Cladding 105 umgibt, ändert sich die Spektrenform des Cladding-Modus kontinuierlich, und die Intensität des Transmissionslichts ändert sich in einem Bereich, der nicht größer als die Wellenlänge ist, die einem effektiven Brechungsindex des Cladding-Modus entspricht. Der Wellenlängenbereich des Cladding-Modus entspricht somit dem Messbereich des Brechungsindex.
Der Messbereich des Brechungsindex tendiert demgegenüber dazu, schmaler zu werden, wenn der Kerndurchmesser vergrößert wird, um eine große Menge gemessenen Lichts zu erhalten. 19 ist eine schematische Darstellung eines Verhältnisses zwischen dem Messbereich des Brechungsindex und dem Neigungswinkel in einem Fall, in dem die optische einen Kerndurchmesser von 62,5 μm aufweisende Multimodenfaser in der Nähe einer Wellenlänge von 880 nm verwendet wird. 19 zeigt die obere Grenze und die untere Grenze des Messbereichs des Brechungsindex in Bezug auf den Neigungswinkel, und da sich der Bereich in Richtung auf die Seite des niedrigen Brechungsindex in der Reihenfolge A, B und C bewegt, wenn der Neigungswinkel größer wird, ist es nicht möglich, die Brechungsindizes auf der Seite des niedrigen Brechungsindex und auf der Seite des hohen Brechungsindex gleichzeitig lediglich mittels des einzigen Gitters 109 zu messen.
Sodann werden als das Gitter 109 der siebten bevorzugten Ausführung die in 20 dargestellten Gitter 109 verwendet. 20 ist eine schematische Darstellung, die eine optische Faser darstellt, in der eine Vielzahl von verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gittern 109 in unterschiedlichen Regionen des Kerns 104 geformt ist. In diesen Gittern 109 werden aufgrund jeweiliger Cladding-Moden, die von den verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gittern 109 erhalten wurden, Transmissionslichtspektren beispielsweise der in 21 dargestellten Art beobachtet und übereinander gelegt. Es wird daher festgestellt, dass der Messbereich des Brechungsindex, der ein Wellenlängenband ist, in dem die Cladding-Moden erscheinen, in dem Fall der Verwendung der verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gitter 109 im Vergleich zu dem Fall, in dem ein einen einzigen Neigungswinkel aufweisendes Gitter 109 verwendet wird, vergrößert wird. Wie aus der schematischen Darstellung in 19 ersichtlich, haben die verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gitter 109 die Messbereiche A, B und C jeweils verschiedener Brechungsindizes, und durch Formen der Gitter 109 auf die in 20 dargestellte Weise wird der Messbereich vergrößert wie der Messbereich D des Brechungsindex.
In dem faseroptischen Sensor der siebten bevorzugten Ausführung wird eine einen Cladding-Durchmesser von 125 μm und einen Kerndurchmesser von 62,5 μm aufweisende optische Multimodenfaser als optische Faser 101 verwendet, und die Länge jedes Gitters 109 ist 10 mm. In der Formung der Gitter 109 im Kern 104 wird die optische Multimodenfaser mit einem ultravioletten Laserstrahl durch eine Phasenmaske bestrahlt. Durch Kontrollieren des Neigungswinkels der Phasenmaske können beliebige Neigungswinkel aufweisende Gitter 109 geformt werden. Weiterhin kann die Phasenmaske, die so geformt ist, dass eine Vielzahl von Gittern 109 durch eine einzige Belichtung geformt werden kann, verwendet werden. Der Neigungswinkel des Gitters bezieht sich auf einen tatsächlichen Neigungswinkel eines Teils, bei dem der Brechungsindex durch Belichtung im Kern verändert wird. Der Neigungswinkel unterscheidet sich wegen des Brechungseffekts auf einer Faseroberfläche bisweilen von einem Winkel zwischen dem Phasenmaskenmuster und der optischen Faser. Aus diesem Grund erfolgt die Belichtung, um das einen gewünschten Neigungswinkel aufweisende Gitter zu formen, unter Verwendung eines Winkels als Winkel zwischen dem Phasenmaskenmuster und der optischen Faser, dessen Wert zuvor korrigiert wird und der vom Neigungswinkel des Gitters verschieden ist. Der Grad der Korrektur ist abhängig vom Brechungsindex eines Fasermaterials und dem Brechungsindex des die optische Faser umgebenden Mediums, und wenn die Belichtung beispielsweise auf einer quarzbasierten Glasfaser in der Luft erfolgt, braucht lediglich ein Wert, der durch Multiplikation des gewünschten Neigungswinkels des Gitters mit ca. 0,69 erhalten wird, als der Winkel zwischen dem Phasenmaskenmuster und der optischen Faser verwendet zu werden.
Das in 21 dargestellte Transmissionslichtspektrum wird in einem Fall erhalten, in dem das erste Gitter 109 geformt ist, einen Neigungswinkel von 7,3° aufzuweisen, das nächste Gitter 109 ist geformt, einen Neigungswinkel von 8,8° in einer anderen Region aufzuweisen, und das letzte Gitter 109 ist geformt, einen Neigungswinkel von 10,2° in wieder einer anderen Region aufzuweisen. In den Transmissionslichtspektren in 21 erscheint der Cladding-Modus in einem weiten Bereich von 25 nm von 865 bis 890 nm, und so kann der Messbereich des Brechungsindex im Vergleich zu dem Fall, in dem lediglich ein Gitter 109 geformt ist, erweitert werden. Die jeweiligen Messbereiche des Brechungsindex für die verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gitter 109 sind miteinander gekoppelt, und eine Konstruktion kann erreicht werden, bei der sich der Cladding-Modus kontinuierlich in Bezug auf das zu messende Medium über einen weiten Messbereich des Brechungsindex ändert.
Durch Verwendung einer Vielzahl von die in 21 dargestellten Transmissionslichtspektren aufweisenden Gittern 109 wird ein faseroptischer Sensor zum Detektieren eines Brechungsindex von Flüssigkeit, wie in 22 dargestellt, konstruiert. In dem faseroptischen Sensor in 22 ist an einem Ende der optischen Faser 101 die Lichtquelle 102 und an dessen anderem Ende das Lichtempfangsteil 103 angeordnet. Die optische Faser 101 umfasst den Kern 104, der von der Lichtquelle 102 emittiertes Licht leitet, das Cladding 105, das so vorgesehen ist, dass es den Kern 104 abdeckt, sodass das Licht im Kern 104 eingeschlossen sein kann, und den Fasermantel 106, der diese Teile abdeckt und schützt. Weiterhin ist in der optischen Faser 101 zur Messung des Brechungsindex von Flüssigkeit ein Teil des Fasermantels 106 entfernt, sodass das Cladding 105 in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit 108 kommen kann. In dem Kern 105 ist an einem Teil, wo ein Teil des Fasermantels 106 entfernt ist, eine Vielzahl von Gittern 109 (nachstehend gelegentlich als „mehrfach geneigte Gitter 109a” bezeichnet) in jeweils verschiedenen Regionen geformt.
Als Lichtquelle 102 kann beispielsweise eine Leuchtdiode, eine Superlumineszenzdiode und dergleichen verwendet werden, und als Lichtempfangsteil 103 kann ein Licht empfangendes Element wie beispielsweise eine Fotodiode und dergleichen verwendet werden, um die Intensität des empfangenen Lichts zu detektieren. Für den Kern 104 und das Cladding 105 können anorganisches Glas wie beispielsweise Quarzglas und dergleichen oder ein kunststoffbasiertes Material wie beispielsweise Polymethylmethacrylat und dergleichen verwendet werden. Für den Fasermantel 106 kann ein fluorinbasiertes, nylonbasiertes, phenolbasiertes, epoxidbasiertes oder melaminbasiertes Harz und dergleichen verwendet werden.
23 zeigt die Intensität des empfangenen Lichts in Bezug auf einen Brechungsindex von Flüssigkeit im faseroptischen Sensor der siebten bevorzugten Ausführung. In der Kurve in 23 wird der Brechungsindex von Flüssigkeit durch Verändern des Mischungsverhältnisses zwischen Methanol (n = 1,329) und Toluol (n = 1,497) eingestellt. Wie in der Kurve in 23 dargestellt, ändert sich die Intensität des empfangenen Lichts in Abhängigkeit vom Brechungsindex von Flüssigkeit. Daher kann der in 22 dargestellte faseroptische Sensor den Brechungsindex von Flüssigkeit durch Auslesen der Intensität des empfangenen Lichts durch das Lichtempfangsteil 103 detektieren.
Obwohl drei Neigungswinkel von 7,3°, 8,8° und 10,2° aufweisende Gitter in dem faseroptischen Sensor der siebten bevorzugten Ausführung verwendet werden, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt; vielmehr können mit einem weiteren einen Neigungswinkel von 11,7° aufweisenden Gitter 109 vier Gitter 109 verwendet werden oder mit noch einem weiteren einen Neigungswinkel von 13,1° aufweisenden Gitter 109 können fünf Gitter 109 verwendet werden. Weiterhin sind in dem faseroptischen Sensor der siebten bevorzugten Ausführung die verwendeten Neigungswinkel nicht auf 7,3°, 8,8° und 10.2° beschränkt, sondern andere Winkel können verwendet werden.
Wenn die optische Faser 101 einen kleinen Kerndurchmesser aufweist, ist es möglich, dass das Intervall der Neigungswinkel vergrößert und die Anzahl der zu verwendenden Neigungswinkel reduziert wird. Wenn im Gegenteil die optische Faser 101 einen großen Kerndurchmesser aufweist, wird das Intervall der Neigungswinkel reduziert, und die Anzahl der zu verwendenden Neigungswinkel wird vergrößert, um auf diese Weise dieselben Transmissionslichtspektren des Cladding-Modus zu erhalten. Weiterhin wird es im Falle der Verwendung eines großen Kerndurchmessers möglich, die Menge des vom Lichtempfangsteil 103 detektierten Lichts auch dann zu erhöhen, wenn eine Lichtquelle geringer Intensität wie beispielsweise eine Leuchtdiode oder dergleichen verwendet wird. Obwohl weiterhin die Gitter 109 die Neigungswinkel +7,3°, +8,8° und +10,2° in dem faseroptischen Sensor der siebten bevorzugten Ausführung aufweisen, können Neigungswinkel mit entgegengesetzten Vorzeichen wie beispielsweise +7,3°, –8,8° und +10,2° gemischt werden, um denselben Effekt zu haben. Die Vorzeichen (+, –) des Neigungswinkels beziehen sich auf die Ausrichtung des Gitters 109, und wenn alle Neigungswinkel dasselbe Vorzeichen haben, weisen die Gitter 109, wie in 20 dargestellt, dieselbe Ausrichtung auf. Die Reihenfolge der verschiedene Neigungswinkel in der optischen Faser 101 aufweisenden Gitter 109 ist nicht spezifisch beschränkt und braucht nicht, wie oben, eine ansteigende Reihenfolge von Neigungswinkeln zu sein.
In den Spektren der verwendeten Lichtquelle 102 wie beispielsweise der Leuchtdiode oder dergleichen schwankt die Lichtintensität gewöhnlich in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Damit der faseroptische Sensor der siebten bevorzugten Ausführung als Brechungsindexsensor die Linearität der Veränderung des Ausgangs in Bezug auf den Brechungsindex verbessert, braucht lediglich die Intensität des Cladding-Modus im Wellenlängenbereich der Lichtquelle mit schwacher Lichtintensität kompensiert zu werden. Diese Kompensation kann durch Kontrolle der Längen der verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gitter 109 oder der Belichtungsintensität durchgeführt werden.
Als Nächstes erfolgt eine Diskussion der Steigung der Gitter 109. Der Messbereich des Brechungsindex für jedes der verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gitter 109 ist von dessen Neigungswinkel und nicht von dessen Steigung abhängig. Aus diesem Grund kann hinsichtlich des Messbereichs des Brechungsindex die Steigung eines jeden Gitters 109 beliebig gewählt werden. Da die Steigung des Gitters 109 im Verhältnis zur Erscheinungs-Wellenlänge des Cladding-Modus steht, ist es jedoch möglich, die Erscheinungs-Wellenlänge des Cladding-Modus für jedes Gitter 109 einzustellen.
In dem faseroptischen Sensor der siebten bevorzugten Ausführung erscheint, da die Belichtung mit der Steigung derselben Phasenmaske durchgeführt wird, die Erscheinungs-Wellenlänge des Cladding-Modus auf der Seite der kurzen Wellenlänge in der Größenordnung der Neigungswinkel. Aus diesem Grund ist der Wellenlängenbereich des Cladding-Modus in der Gesamtheit der Gitter 109 vom Bereich der Neigungswinkel abhängig. Es ist wünschenswert, dass der Wellenlängenbereich der verwendeten Lichtquelle 102 fast gleich dem Wellenlängenbereich des obigen Cladding-Modus sein sollte. Aus diesem Grund wird, wenn der Wellenlängenbereich der Lichtquelle schmaler als der des Cladding-Modus ist, die Steigung des Gitters 109, das den Neigungswinkel aufweist, der der Seite der kurzen Wellenlänge des Wellenlängenbereichs des Cladding-Modus entspricht, erhöht, und die Steigung des Gitters 109, das den Neigungswinkel aufweist, der der Seite der langen Wellenlänge des Wellenlängenbereichs des Cladding-Modus entspricht, wird reduziert. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Wellenlängenbereichs des Cladding-Modus in der Gesamtheit der Gitter 109 und ermöglicht es, den Wellenlängenbereich des Cladding-Modus anzupassen, um fast gleich dem Wellenlängenbereich der Lichtquelle 102 zu sein. Es ist daher selbst dann, wenn die einen schmalen Wellenlängenbereich aufweisende Lichtquelle 102 verwendet wird, möglich, die Linearität in Bezug auf den gemessenen Brechungsindex der Intensität des Transmissionslichts zu verbessern.
Es ist daher in dem faseroptischen Sensor der siebten bevorzugten Ausführung möglich, durch Formen einer Vielzahl verschiedene Neigungswinkel in verschiedenen Regionen aufweisender Gitter 109 den Wellenlängenbereich des Cladding-Modus zu vergrößern und den Brechungsindex der Flüssigkeit, das das zu messende Medium ist, in einem weiteren Bereich zu detektieren. Weiterhin ist es in dem faseroptischen Sensor der siebten bevorzugten Ausführung möglich, da eine einen großen Kerndurchmesser aufweisende optische Faser verwendet werden kann, die Menge des vom Lichtempfangsteil 103 detektierten Lichts problemloser zu erhöhen.
(Achte bevorzugte Ausführung)
In einem faseroptischen Sensor der achten bevorzugten Ausführung wird eine optische Multimodenfaser als optische Faser 101 verwendet, und in einer Region davon wird eine Vielzahl verschiedene Neigungswinkel aufweisender Gitter 109 multipel geformt.
Der faseroptische Sensor der achten bevorzugten Ausführung weist fast dieselbe Konstruktion wie die in 22 dargestellte auf, wobei eine optische, einen Cladding-Durchmesser von 125 μm und einen Kerndurchmesser von 62,5 μm aufweisende Multimodenfaser als optische Faser 101 verwendet und ein mehrfach geneigtes, eine Länge von 10 mm aufweisendes Gitter 109 geformt wird. In dem mehrfach geneigten Gitter 109a der achten bevorzugten Ausführung wird jedoch im Gegensatz zu dem in 22 dargestellten mehrfach geneigten Gitter 109a eine Vielzahl verschiedene Neigungswinkel aufweisender Gitter 109 mehrfach in einer Region des Kerns 104 in der Region, in der ein Teil des Fasermantels 106 entfernt ist, geformt. In der Formung der Gitter 109 wird die optische Multimodenfaser mit einem ultravioletten Laserstrahl durch eine Phasenmaske bestrahlt. Sodann können durch Kontrollieren des Neigungswinkels der Phasenmaske beliebige Neigungswinkel aufweisende Gitter 109 geformt werden.
In dem in 24 dargestellten mehrfach geneigten Gitter 109a der achten bevorzugten Ausführung wird zuerst das einen Neigungswinkel von 7,3° aufweisende Gitter 109 geformt, anschließend wird das einen Neigungswinkel von 8,8° aufweisende Gitter 109 geformt, und abschließend wird das einen Neigungswinkel von 10,2° aufweisende Gitter 109 geformt. 25 zeigt ein Transmissionslichtspektrum des hergestellten, mehrfach geneigten Gitters 109a. In dem Transmissionslichtspektrum in 25 erscheint der Cladding-Modus in einem weiteren Bereich von 25 nm von 865 bis 890 nm. Obwohl die verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gitter 109 in jeweils verschiedenen Regionen geformt sind, sind in dem mehrfach geneigten Gitter 109a der siebten bevorzugten Ausführung die verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gitter 109 mehrfach in einer Region in dem mehrfach geneigten Gitter 109a der achten bevorzugten Ausführung geformt. Ebenfalls im Falle des mehrfach geneigten Gitters 109a der achten bevorzugten Ausführung kann, wie im Falle des mehrfach geneigten Gitters 109a der siebten bevorzugten Ausführung der Wellenlängenbereich des Cladding-Modus im Vergleich zu dem faseroptischen Sensor mit lediglich einem geformten Gitter 109 vergrößert werden.
26 zeigt ein Ergebnis einer Messung der Intensität des empfangenen Lichts in Bezug auf den Brechungsindex der Flüssigkeit, die das zu messende Medium ist, die unter Verwendung des faseroptischen Sensors der achten bevorzugten Ausführung durchgeführt wurde. Der Brechungsindex von Flüssigkeit wird durch Verändern des Mischungsverhältnisses zwischen Methanol (n = 1,329) und Toluol (n = 1,497) eingestellt. In der Kurve in 26 ist wie in der in der siebten bevorzugten Ausführung diskutierten Kurve in 23 die Intensität des empfangenen Lichts vom Brechungsindex von Flüssigkeit abhängig. Daher kann der faseroptische Sensor der achten bevorzugten Ausführung auch den Brechungsindex von Flüssigkeit, die das zu messende Medium ist, durch Auslesen der Lichtintensität detektieren.
In dem faseroptischen Sensor der achten bevorzugten Ausführung ist es daher möglich, da eine Vielzahl von verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gittern 109 mehrfach in einer Region geformt ist, den Wellenlängenbereich des Cladding-Modus zu vergrößern und den Brechungsindex der Flüssigkeit, die das zu messende Medium ist, wie in dem Fall, in dem eine Vielzahl von verschiedene Neigungswinkel aufweisenden Gittern 109 in verschiedenen Regionen geformt ist, zu detektieren. Weiterhin ist es in dem faseroptischen Sensor der achten bevorzugten Ausführung möglich, da eine Vielzahl verschiedene Neigungswinkel aufweisender Gitter 109 mehrfach in einer Region geformt ist, die Größe einer Region, in der die als ein Sensorteil dienenden Gitter 109 geformt sind, zu reduzieren.
Während die Erfindung im Detail dargestellt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung in jeder Hinsicht veranschaulichend und nicht einschränkend. Es versteht sich mithin, dass zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen entwickelt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Faseroptischer Sensor, umfassend: eine optische Faser (101), aufweisend einen Kern (104) mit einer Vielzahl von darin geformten Bragg-Gittern (109), die verschiedene Neigungswinkel in Bezug auf eine senkrechte Linie zu einer Längsrichtung der optischen Faser (101) aufweisen, und aufweisend ein Cladding (105), in dem ein Transmissionsverlust durch eine Streuung in einem Cladding-Ausbreitungsmodus an einem Teil dieses Claddings (105) dieses Bragg-Gitter (109) geformt ist, verursacht wird; eine Lichtquelle (102) zum Emittieren von Licht des Wellenlängenbandes in dem genannten Cladding-Ausbreitungsmodus in die genannte optische Faser (101); und ein Lichtempfangsteil (103) zum Empfangen eines transmittierten Lichts oder eines reflektierten Lichts des durch diesen Kern (104) und dieses Cladding (105) an einer Stelle, an dem dieses Bragg-Gitter (109) geformt ist, durchlaufenden Lichts, wobei der genannte faseroptische Sensor auf der Grundlage der Intensität des gesamten Lichts, das von dem genannten Lichtempfangsteil (103) empfangen wird, einen Brechungsindex eines zu messenden Mediums detektiert, das in Kontakt mit dem genannten Cladding (105) ist, und wobei die Vielzahl von Bragg-Gittern (109) die genannten jeweiligen Neigungswinkel aufweist, die so eingestellt sind, dass detektierbare Bereiche von Brechungsindizes des zu messenden Mediums sich teilweise überschneiden, wobei das zu messende und in Kontakt mit dem genannten Cladding (105) stehende Medium auf der Grundlage der Intensität des gesamten von dem Lichtempfangsteil (103) empfangenen Lichts detektiert wird.
Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, wobei die genannte Vielzahl der die genannten verschiedenen Neigungswinkel aufweisenden Bragg-Gitter (109) an einer Vielzahl jeweiliger Region geformt ist.
Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, wobei die genannte Vielzahl der die genannten verschiedenen Neigungswinkel aufweisenden Bragg-Gitter (109) an einer Region geformt ist.