JP2005512079A - 微量成分の検出および測定のための装置および方法 - Google Patents
微量成分の検出および測定のための装置および方法 Download PDFInfo
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Abstract
寿命を長くし、かつ低コスト化する。ガスまたは液体のサンプル内の微量成分の検出および測定のための装置。光ファイバリングから形成されているリングダウンセルは、サンプルガスまたは液体に曝されている。コヒーレント源は、順番にその出力を受け取る光ファイバリングへ放射を放出する。光ファイバリングは、入力と出力との間に、サンプルガスまたはサンプル液体へ曝される部分を有している。プロセッサは受信機と結合され、光ファイバリング内の放射の減衰率に基づき、ガスまたは液体のサンプル内の微量成分レベルを測定する。
Description
本発明は、概して、吸収分光法に関し、とりわけ、リングダウンキャビティー分光法での光ファイバ共振器の使用に向けられている。
ここで図面を参照すると、全体を通して、同様の要素には同様の参照番号が付されている。図1は、電磁スペクトルを対数スケールで示している。分光法の科学は、スペクトルを研究する。スペクトルの他の部分に関する学問と比べると、光学は、とりわけ可視光およびその可視光近傍-およそ1mmからおよそ1nmまでの波長内に広がる利用可能なスペクトルの、非常に狭い部分に関わっている。可視光の近傍は、赤より赤い色(赤外線)および紫より紫の色(紫外線)を含んでいる。その範囲は、通常の材料で製造されたほとんどのレンズおよび鏡で光が取扱い可能である可視性の、いずれの側にも及んでいる。多くの場合、材料の光学的性質の波長依存性を考慮する必要がある。
吸収タイプ分光法は、高感度、およびマイクロセカンドオーダーの応答時間、および毒作用に対する不感受性、および研究中の種以外の分子種からの干渉の制限を提供する。吸収分光法により、様々の分子種の検出または特定が可能である。従って、吸収分光法は、重要な微量成分を検出する一般的な方法を提供する。気相では、種が、その吸収強度を1組の鮮明なスペクトル線内に集中させるので、この方法の感度および選択性は最適化されている。スペクトル内の狭い線は、最も干渉的な種に対する識別に使用可能である。
多数の工業プロセスでは、流動するガス流および液体内の微量成分の濃度は、高速かつ高精度に測定され、および分析されなければならない。汚染物質濃度は、多くの場合、最終生産物の品質に重大な影響を与えるので、こうした測定および分析が必要である。例えば、N2、O2、H2、Ar、Heなどのガスは、集積回路の製造に使われているが、これらのガス内の不純物の存在は--10億分率(ppb)でさえ--動作回路の収率を損壊し減少させるものとなる。従って、半導体産業で使用される高純度ガスのメーカーにとり、水を分光モニター可能となるような、比較的高い感度が重要となる。他の産業応用においても、様々な不純物が検出されなければならない。さらに、固有の、または意図的な位置のいずれにおいても、液体内の不純物の存在は、近年の特別な関心事となってきた。
分光法により、高純度ガス内の、100万分率(ppm)レベルのガス状汚染物質が検出されてきた。若干の場合には、ppbレベルの検出感度も達成可能である。従って、以下を含む、いくつかの分光方法が、ガス内の量的汚染モニタリングのようなアプリケーションに適用されてきた：伝統的な長い経路長セル内の吸収測定、写真音響分光法、周波数変調分光法、およびキャビティー内レーザ吸収分光法。これらの方法は、その使用を困難にし、産業応用を非実用的にするいくつかの特徴を有しており、レーマン(Lehmann)に対して発行された特許文献１において議論されている。従って、これらは、主に実験室での研究に制限されている。
対照的に、キャビティーリングダウン分光法(CRDS)は、科学、産業用プロセス制御、および大気中微量ガス検出のアプリケーションを伴う、重要な分光技術となっている。CRDSは、従来の方法では感度が不十分な低吸収領域における、優れた光吸収測定技術として実践されてきた。CRDSは、可観測吸収感度として、高フィネス光学共振器内の光子の平均寿命を利用する。
通常、共振器は、安定した光学共振器を形成するよう適切に構成された、1組の名目上同等の、狭帯域、超高反射率誘電性ミラーから形成される。レーザパルスは、光子の往復通過時間、共振器の長さ、吸収断面、および種の数密度、および固有の共振器損失(回折損失が無視し得る場合、主に周波数依存ミラーの反射能に起因する)の主因となるファクターに応じた平均寿命で、ミラーを通して共振器に注入される。従って、光の吸収の測定は、従来のパワー比測定から、減衰時間測定へと変更される。CRDSの極限感度は、超低損失光学装置の製造を可能にする、スーパーポリッシングなどの技術で最小化することが可能な、固有の共振器損失の大きさに従って決定される。
現在のところ、CRDSは、高反射率誘電ミラーを用いることが可能な分光領域に制限されている。このため、現時点では、十分な高反射率を有するミラーが利用可能ではないので、紫外線および赤外線領域の大部分において、この方法の有用性がかなり制限されてきた。適切な誘電ミラーが利用可能な領域においてさえ、ミラーの各セットは、小さな範囲(通常数パーセントの断片的範囲)の波長にわたる動作を可能にするのみである。さらには、多くの誘電ミラーの構造では、特に化学的腐食環境に晒されると時間と共に劣化してしまう材料を使用しなければならない。これらの現存する制限のため、多くの潜在的アプリケーションにおいては、CRDSの使用が制限され、または回避されることになり、共振器構成に関する技術の現状を改良する必要性が明確に認識されている。
非特許文献１は、改良された共振器構成に対するアプローチの1つを提示している。このアプローチは、安定性をもたらす少なくとも1つの凸ファセットを備えた、通常の多角形形状(例えば、正方形および八角形)の、モノリシック、全反射(TIR)リング共振器を用いる。光パルスは、共振器の外部および近傍に位置する第1のプリズムにより全反射されて、エバネッセント波を引き起こし、エバネッセント波は、共振器に入り、光子トンネリングを通して共振器の安定モードを励起する。光が、臨界角より大きな角度で、より低い屈折率の伝播媒体表面に衝突すると、光は全反射する。非特許文献２。しかしながら、フィールドは、非伝播性の、インタフェースからの距離に対して指数関数的に減衰する反射点の向こうに存在している。このエバネッセントフィールドは、純粋な誘電性媒体内のパワーを全く担持しないが、反射波の減衰によって、エバネッセントフィールド領域内の吸収種の存在が観測可能となる。非特許文献３。
共振器の全反射表面に位置する物質の吸収スペクトルは、第2プリズム(また、共振器外部ではあるが、近接して配置された、全反射プリズム) との外部カプリングにより、検知器が受け取った信号の時間依存性から抽出された、モノリシック共振器内の光子の平均寿命から得られる。従って、光学放射は、入出力カップリングの正確な制御を可能にする光子トンネリングにより、共振器に出入りする。CRDS結果およびTIR‐リング共振器のミニチュア共振器の実現により、CRDS概念は凝縮物質分光法にまで広げられる。TIRの広帯域性質により、従来の気相CRDS内の誘電ミラーにより課される、狭帯域幅の制限が回避される。エー・ピピノ(A. Pipino)他の研究は、短い総合吸収経路長、従って強力な吸収強度に本質的に制限される、TIR分光法にのみ適用可能である。対照的に、本発明は、長い吸収経路長を提供し、その結果、弱い吸収強度の検出が可能とする。
ミラーベースのCRDSシステムに対する種々の新規なプローチには、この参照により本願明細書に組み込まれる、レーマン(Lehmann)他に発行された、特許文献2、特許文献3、特許文献4、および特許文献5がある。これらのアプローチは、2つの反射要素またはプリズム要素により形成された隣接共焦点共振器の使用を教示する。
図2は、従来技術CRDS装置10を示している。図2に示されるように、光は、狭帯可同調連続波ダイオードレーザ20から生成される。レーザ20は、検体の所望されるスペクトル線上にその波長を置くよう、温度調節器30により温度調整されている。アイソレータ40は、レーザ20から放出される放射の正面に、および直線的に位置決めされる。アイソレータ40は、放射をレーザ20から離れる方向へは進めるが、放射が逆方向に進行するのを防げる、一方向伝達経路を提供する。シングルモードファイバカプラ(F.C.)50は、レーザ20から放出される光を光ファイバ48へ結合する。ファイバカプラ50は、アイソレータの正面に、および直線的に位置決めされる。ファイバカプラ50は、光ファイバ48を受けて、保持し、レーザ20から放出された放射を第1のレンズ46へ方向付け、それを通過させる。第1のレンズ46は、放射を集め、焦点を合わせる。レーザ20により放出されるビームパターンは、光ファイバ48内で伝播する光のパターンに完全に合致するわけではないので、必然的にミスマッチロスが生じる。
レーザ放射は、リングダウンキャビティー(RDC)セル60へ、ほぼモードマッチしている。反射ミラー52は、放射をビームスプリッタ54へ方向付ける。ビームスプリッタ54は、第2のレンズ56を通して、放射のおよそ90%を方向付ける。第2のレンズ56は、セル60内に放射を集め、焦点を合わせる。残余の放射は、ビームスプリッタ54を通過して、反射ミラー58により検体対照セル90内へ方向付けられる。
検体対照セル90を通して伝達された放射は、第4のレンズ92へ方向付けられ、それを通過する。第4のレンズ92は、検体対照セル90と第2の光検出器94(PD 2)との間に整列される。光検出器94は、コンピュータおよび制御エレクトロニクス100へ入力を供給する。
セル60は、軸aに沿う近傍共焦点エタロンとして整列された、2つの高反射ミラー62、64から製造されている。ミラー62、64は、セル60の入出力ウィンドウを構成している。研究下のサンプルガスは、セル60の光軸ａと同軸にある、細長いチューブ66を通過して流れる。ミラー62、64は、セル60の光学的整列を調整可能とするよう、空密ベローズで密封された、調整可能なフランジまたはマウント上に設置されている。
ミラー62、64は、高反射率誘電コーティングを施され、セル60により形成されたキャビティー内部に面したコーティングを伴って方向付けられている。レーザ光の微少部分は、前部ミラー62を通してセル60に入り、セル60のキャビティー内部を前後に「リングする」。セル60の後部ミラー64(反射体)を通過して伝達された光は、第3のレンズ68へ方向付けられ、それを通過し、順番に、第1の光検出器70(PD 1)上へ画像化する。光検出器70、94の各々は、入射する光ビームを電流に変換し、それにより、入力信号をコンピュータおよび制御エレクトロニクス100に供給する。入力信号は、キャビティーリングダウンの減衰定数を表す。
図3は、従来技術CRDS共振器100内の光路を示している。図3に示されるように、CRDSのための共振器100は、2つのブルースター角度再帰反射器プリズム50、52の使用に基づいている。偏光またはブルースター角ΘBは、プリズム50に対して示されている。入射光12および出射光14は、それぞれプリズム52の入力および出力として示されている。共振光ビームは、各プリズム50、52における損失なく、およそ45°で2つの全反射を受けるが、その角度は、石英ガラス、およびほとんどの他の一般光学プリズムの材料に対する臨界角より大きな角度である。光は、プリズム50、52の間を光軸54に沿って伝達される。
米国特許第5,528,040号明細書
米国特許第5,973,864号明細書
米国特許第6,097,555号明細書
米国特許第6,172,823 B1号明細書
米国特許第6,172,824 B1号明細書
エー・ピピノ（A. Pipino）他による論文、「全反射小キャビティーを備えたエバネッセント波キャビティーリングダウン分光法(Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total -internal reflection minicavity)」レブ・エスシーアイ・インストラム(Rev. Sci. Instrum.)(1997年8月)
ジェー・ディー・ジャクソン（J. D. Jackson）、「古典的電気力学(Classical Electrodynamics)」、第7章、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ・インク(John Wiley & Sons, Inc.): ニューヨーク、エヌ・ワイ(NY)(1962年)
ピー・エム・ミラベラ（P. M. Mirabella）編、「内部反射分光法(Internal Reflection Spectroscopy)」、第2章、マルセル・デッカー・インク(Marcel Dekker, Inc.):ニューヨーク，エヌ・ワイ(NY) (1993年)
他の分光方法と比べると、リングダウンキャビティー分光法は実装がより簡単で、さほど高価ではないが、リングダウンキャビティー分光法システムは、まだ1ユニットあたり何千ドルものオーダーの費用がかかり得る高価なものである。加えて、従来のCRDS装置は、使用中と同様に、製造中に、光学要素間の整列不良となりがちである。
未確認共振器構成への既知のアプローチにおける短所を克服するために、 CRDSのための新規な光ファイバベースの光学的共振器が提供されている。本発明の目的は、従来の誘電ミラーまたはプリズム再帰反射器を取り替え、それにより、より寿命の長く、低コストの共振器を提供することである。
この、さらに他の目的を達成するため、また、その目的に鑑みると、本発明は、サンプルガス内の微量成分の検出および測定のための改良された装置を提供する。本装置は、以下のものを含む。サンプルガスまたはサンプル液体へ曝された部分を有する受動光ファイバケーブル。放射のコヒーレント源。i) コヒーレント源により、受動光ファイバリングへ放出された放射の一部分を導入し、およびii) 受動光ファイバリング内へ導入された放射の一部分を受けるためのカプラ。カップリング手段により受け取られた放射レベルを検出し、さらに、それへの応答信号を生成する検知器。そして、検知器により生成された信号に基づき、ガスサンプルまたは液体サンプル中の微量成分のレベルを測定する、検知器に結合されたプロセッサ。
本発明の他の態様に従って、微量成分のレベルは、検知器手段により生成される信号の減衰率に基づいて測定される。
本発明のさらなる態様に従って、フィルタは、選択的に受動的光ファイバループから検知器までの放射の部分を通過させるためにカップリング手段と検知器の間に配置される。
本発明のさらに他の態様に従って、カプラは、i) コヒーレント源により光ファイバリングの第1のセクションに放出された放射エネルギーの部分を導入する第1のカプラ、および、ii) その第2のセクションで、放射の部分を受動光ファイバリングに受けさせる第2のカプラを含んでいる。
本発明のさらに他の態様に従って、ファイバの曝された部分がファイバのクラッドである。
本発明のさらなる他の態様に従って、ファイバの曝された部分はファイバの内部コアである。
本発明の他の態様に従って、コヒーレント源は、光学パラメトリックジェネレータ、光学パラメトリック増幅器、またはレーザである。
本発明のさらに他の態様に従って、ファイバ内を進む放射のエバネッセントフィールドは、サンプルガスまたはサンプル液体に曝されている。
本発明のさらに他の態様に従って、ファイバからの放射の吸収は、放射の減衰率を増加させる。
本発明のさらなる他の態様に従って、受動的共振ファイバは中空コアを有している。
本発明のさらに他の態様に従って、本装置は、さらに、筒状ボディーから形成され、および、微量成分へのエバネッセントフィールドの露出は、エバネッセントフィールドの浸透の深さを増加させることにより高められるような形で、共振ファイバの露出部分のセクションでラップされたセンサを含んでいる。
本発明のさらなる態様に従って、受動的光ファイバリングの少なくとも一部分は、光ファイバリングのコーティング部分で微量成分の濃度を選択的に増加させる材料でコーティングされている。
これまでの説明および以下の詳細な説明の双方は典型的なものであり、本発明を制限するものではないことは、理解されるべきである。
本発明は、添付図面に関連付けて以下の詳細な説明を読まれるなら、最もよく理解される。一般的な習慣に従い、図面の様々な機構は、正しい縮尺でないことを強調しておく。逆に、様々な機構の大きさは、明快さのために、任意に拡大され、または縮小されている。
図4は、本発明の第1の典型的実施例に従う、それを用いてガスおよび液体中の微量成分または検体が検出され得る、光ファイバベースのリングダウン装置400を示している。図4では、装置400は、光ファイバケーブル402、および光ファイバケーブル402の長さに沿って分配されたセンサ500(以下で、詳細に説明)を有する、共振光ファイバリング408を含んでいる。共振光ファイバリング408の長さは、例えば、施設の様々なセクションを検出し、または通過するペリメータとして、様々な捕捉状況に容易に適合可能である。センサ500は、図示のように、光ファイバリング408の長さに沿って分配されるが、本発明は、所望されるなら、1つのセンサ500のみを用いて実行されてもよい。1つ以上のセンサ500を分配することにより、設置部位の全体の様々なポイントでの微量成分のサンプリングが可能となる。また、本発明は、センサ500と、サンプル液体または気体に曝されたファイバ402の直線セクションとの組み合わせ、または、サンプル液体または気体に曝されたファイバ402の直線セクションのみを用いて実行されてもよい。共振光ファイバリングの長さは、およそ1メートル程度の小さなものであるか、または数キロメートル程度の大きなものであってもよいと考えられる。
例えば、光学パラメトリックジェネレータ(OPG)、光学パラメトリック増幅器(OPA)、 またはレーザなどの放射404のコヒーレント源は、注目する検体または微量成分の吸収周波数と一致する波長で、放射エネルギーを放出する。コヒーレント源404は、注目する微量成分に基礎づけられた狭帯を有する、調整可能なダイオードレーザであってもよい。商業的に利用可能な光学パラメータ増幅器の例は、カリフォルニア州マウンテンビューのスペクトラフィジックス(Spectra Physics)から利用可能なモデルNo. OPA-800Cである。
コヒーレント源404の周波数と検体との関係の例は、表1に概説されている。表1は単に説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。さらに、本発明は、人間および/または動物に有害な、様々な化学的および生物学的な薬品の検出に使用され得ると考えられる。また、こうした検出は、所望する抗原を明確に縛る抗体を用いて、受動光ファイバリングの表面をコーティングすることにより、機能アップされ得ると考えられる。
第1の典型的実施例では、コヒーレント源404からの放射は、任意の光アイソレータ406、カプラ410、およびエバネッセント入力カプラ412を通して、共振光ファイバリング408に供給される。コヒーレント源404がダイオードレーザである場合、光学アイソレータ406を用いることは、レーザに戻る反射を防ぐことにより、レーザの雑音を最小にすることに役立つ。エバネッセント入力カプラ412は、共振光ファイバリング408に、コヒーレント源404からの固定割合の放射を供給可能、または、共振光ファイバリング408全体の現在の損失に基づき調整可能である。エバネッセント入力カプラ412により共振光ファイバリング408に提供される放射の量は、光ファイバケーブル402およびコネクタ(図示せず)における現在の損失に匹敵するのが好ましい。市販の放射の1%カプリング(99%/1%の分割比カプリング)を提供するエバネッセントカプラは、ニュージャージー州ニュートンのトルラブス(ThorLabs)で製造されている、部品番号10202A-99である。好ましい実施例では、エバネッセント入力カプラ412は、コヒーレント源404からの放射の1%未満をファイバ402内へ結合する。
1つの典型的実施例では、微量成分または検体を検出するよう、光ファイバケーブル402を覆うジャケット402aの一部は、光ファイバケーブル402の内部コア402cを囲むクラッド402bを露出するために取り除かれている。代替的に、ジャケット402aおよび被覆402bの両者のいずれかが、内部コア402cを露出するために取り除かれたり、または、光ファイバ402のジャケット部分が、サンプル液体またはガスに露出していてもよい。後者のアプローチは、例えば、エバネッセントフィールド(以下に議論する)が、(ジャケット内へ吸収され、または溶解した)微量成分との相互作用のためのジャケット内へ広がる場合に役立つこともある。しかしながら、ジャケットおよびクラッドの双方を取り除くことは、特定タイプの光ファイバケーブルで用いられる内部コア402cのもろい性質のために、最も好適とは言えないかもしれない。典型的な光ファイバケーブルの断面は、図5Aに示されている。
全反射(TIR)要素を曲げると、入射電磁波が反射表面にコンタクトする角度は変化する。筒状ボディーの周りで光ファイバを曲げる場合、ボディーに対向するファイバコア表面上の反射角度は法線により近づき、エバネッセントフィールドの浸透深度が増加する。筒状コア構成要素502(図5B参照)に光ファイバ402を数回巻きつけることにより、エバネッセントフィールド浸透深度は増加し、よりわずかな物理体積で、より長いファイバを検出流体に曝すことができる。実験的な、異なる湾曲半径を通して検出する光ファイバ内における改良の確認は、ディー・リトルジョン(D. Littlejohn)他の、「近赤外線分光法のための曲げシリカファイバエバネッセント吸収センサ(Bent Silica Fiber Evanescent Absorption Sensors for Near Infrared Spectroscopy)」アプライトスペクトロスコピー(Applied Spectroscopy) 53: 845‐849ページ(1999年)により議論されている。
図5Bは、液体またはガスサンプル内の微量成分の検出に用いられる、典型的センサ500を示している。図5Bに示されるように、センサ500は、クラッド402bが露出(この例では)されている光ファイバケーブル402の一部を、所定の長さ506にわたり、コア構成要素502に巻きつけられたマンドレルなどの、筒状コア構成要素502(中実、中空、またはそうでなければ、透過性となり得る)を含んでいる。また、センサ500は、光ファイバケーブル402のコア402cが露出している箇所で、コア構成要素502を巻くことによっても製造可能である。コア構成要素502の直径は、ファイバコア402cがコア構成要素502と外接すると、過剰放射がファイバコア402cを通して失われてしまう、またはファイバ保全性が損なわれてしまうポイントである臨界半径r未満で、ファイバコア402cを形成するようなものである。臨界半径rは、光ファイバケーブル402を通過する放射の周波数、および/または、ファイバの組成に依存する。本発明の好ましい実施例では、コア構成要素502の半径は、およそ1cmから10cmの間、最も好ましくは少なくともおよそ1cmである。図示のように、ファイバ402からの放射は、入力504で提供され、出力508で取り出される。筒状コア構成要素502はその表面上に、ファイバ402を筒状コア構成要素502へ固定する手段と同様にファイバ402を配置する、らせん状の溝を有していてもよい。こうした固定手段は、筒状コア構成要素502にタップされたねじ、エポキシやシリコンゴムなどの接着剤など、多くの形を取ることが可能である。本発明は、センサ500がファイバ402と一体となった、または、市販の光ファイバコネクタを利用してファイバ402に結合された箇所で実行され得る。
図6Aは、典型的な光ファイバケーブルを通して、放射がどのように伝播するかを示している。図6Aに示されるように、放射606は、内部コア402cとクラッド402bとの間の境界で全反射(TIR)している。放射が反射されずクラッド402bに吸収される、若干の無視し得る損失(図示せず)がある。図6Aは光ファイバケーブルとして説明されているが、図6Aおよび本発明の典型的実施例は、クラッド402bが中空コアを囲んでいる中空導波管などの中空ファイバにも、等しく適用可能である。
図6Bは、コア構成要素502の周囲に光ファイバケーブル402を巻きつける効果を示す、センサ500の1つの典型的実施例の断面図である。図6Bに示されるように、光ファイバケーブル402からは、ジャケット402aのみが除去されている。放射606は、コア402c内部を進み、無視し得る損失609を伴って、内部コア402cと、コア構成要素502に隣接するクラッド402b‐1の部分との間の境界で全反射する。他方、微量成分または検体610が存在する場合、エバネッセントフィールド608は、内部コア402cとクラッド402b‐2の露出部分との境界面を通過する。これは、本質的に、存在する微量成分610の量に基づいて放射606を減衰させ、減衰全反射(ATR)と呼ばれる。放射の波長に適合する吸収バンドを有する微量成分が存在しない場合、放射606は (ファイバの固有損失を除き) 減衰しないことに留意すべきである。
図6Cは、ジャケット402aの部分を完全な状態で残して、光ファイバケーブル402をコア構成要素502の周囲に巻きつけた効果を示す、センサ500の他の典型的実施例の断面図である。図6Dに示されるように、光ファイバケーブル402から、ジャケット402aの上の部分のみが取り除かれている。センサ500の第1の典型的実施例と同様に、放射606は、コア402c内部を進み、無視し得る損失609を伴って、内部コア402cと、コア構成要素502に隣接するクラッド402b‐1の部分との間の境界で全反射する。他方、微量成分または検体610が存在する場合、エバネッセントフィールド608は、内部コア402cとクラッド402b‐2の露出部分との境界面を通過する。
ジャケット402aの取り外し(センサ500のいずれかの例)は、従来の光ファイバ剥離用工具などの機械的手段により、または、クラッド402bおよび内部コア402cに作用することなく、ジャケット402aを腐食し、および溶解する溶剤に、ファイバケーブルの部分を浸すことにより、実行されてもよいと考えられる。ジャケット402aの部分的除去の場合は、溶剤によるアプローチは、除去するよう意図されたジャケット部分に、溶剤を選択的に適用することに変更されてもよい。
液体サンプル内の微量成分の検体分子の誘引を高めるよう、受動光ファイバリングのジャケットのない部分は、光ファイバリングのコーティング部分において微量成分の濃度を選択的に増加させる材料でコーティングされていてもよい。こうしたコーティング材料の一例はポリエチレンである。加えて、高い特異性で必要な生物学的検体を引き付けるよう、抗原の特定バインダーが、ファイバのコーティングに用いられてもよい。
再び図4を参照すると、センサ500を通過した後に残る放射は、ファイバループ402を通過し続ける。この残余放射部分は、エバネッセント出力カプラ416により、光ファイバループ402から外部へ結合される。エバネッセント出力カプラ416は、検知器418および信号ライン422を通してプロセッサ420に結合される。プロセッサ420は、例えば、処理のために検知器418のアナログ出力をディジタル信号に変換する手段を有するPCであってもよい。また、プロセッサ420は、制御ライン424を通して、コヒーレント源404を制御する。いったん信号が検知器418からプロセッサ420により受信されると、プロセッサは、受信した放射の減衰率に基づき、存在する微量成分の量およびタイプを決定し得る。
任意に、波長セレクタ430を、エバネッセント出力カプラ416と検知器418との間に配置してもよい。波長セレクタ430は、所定の範囲内にない放射が、検知器418に入力されるのを防ぐフィルタとして機能する。
検知器414は、入力カプラ412の出力と結合される。検知器414の出力は、信号ライン422を通してプロセッサ420に提供され、共振光ファイバリング402が、微量成分分析の実行に十分な放射をいつ受けたか決定する際に用いられる。
液体内の微量成分または検体の検出の場合、液体の屈折率は、光ファイバケーブルの屈折率より低くなければならない。例えば、n＝1.46の屈折率を有する光ファイバケーブルが与えられる場合、本発明は、水(n＝1.33)、および、例えば、メタノール(n＝1.326)、n‐ヘキサン(n＝1.372)、ジクロロメタン(n＝1.4242)、アセトン(n=1.3588)、ジエチルエーテル(n＝1.3526)、およびテトラヒドロフラン(n＝1.404) を含む、多くの有機溶媒に溶解した微量成分の検出に使用されてもよい。化学物質およびそれらのそれぞれの屈折率の大規模なリストは、参照により本願明細書に組み込まれるオハイオ州クリーブランド、ザ・ケミカル・ラパー社（The Chemical Rubber Company）のウィースト・ロバー・シー（Weast、Rober C.） 編「化学および物理学CRCハンドブック（CRC Handbook of Chemistry and Physics）」第52版、E‐201ページ、1971年、において見出すことが出来る。屈折率の異なる利用可能な光ファイバの他のタイプも存在し、本発明は、光ファイバが双方とも液体より高い屈折率を有し、事実上目標の検体による吸収バンドの領域で光を放出すると仮定して、所与の液体マトリクスに適合させることができる。
現在利用可能な、多くの異なるタイプの光ファイバがある。一例は、テレコミュニケーションアプリケーションでの標準的用法を有する、コーニング(Corning)のSMF-28e石英ガラスファイバである。専用ファイバは、テキサス州オースティンの3M製の488nm/514nmシングルモードファイバ(パート番号FS-VS-2614)、テキサス州オースティンの3M製630nm可視波長シングルモードファイバ(パート番号FS-SN-3224)、テキサス州オースティンの3M製820nm標準シングルモードファイバ(パート番号FS-SN-4224)、および日本のケーディーディーファイバーラボ(KDD Fiberlabs)製4マイクロン伝達を伴う0.28-NAフルオリドグラスファイバ(パート番号GF-F-160) など、光を多くの異なる波長で伝達するものが存在する。さらに、上に述べたように、光ファイバケーブル402は中空ファイバであってもよい。
そのファイバ402は、遥かに高い検体吸収強度を有するスペクトル領域へのアクセスを可能にする中赤外線伝達ファイバであってもよく、それにより、装置400の感度が増加すると考えられる。この領域内の放射を伝達するファイバは、通常フッ化ガラスから製造される。
図7は、ガスおよび液体内の微量成分または検体を検出可能な、本発明の第2の典型的実施例を示している。図7についての説明では、第1の典型的実施例に関して説明されたものと同様の機能を実行する要素に、同一参照数字が用いられている。図7では、装置700は、光ファイバケーブル402およびセンサ500を含む、同様の共振光ファイバリング408を使用する。コヒーレント源404からの放射は、任意の光学アイソレータ406、カプラ410、およびエバネッセント入力/出力カプラ434を通して、共振光ファイバリング408に供給される。エバネッセント入力/出力カプラ434は、コヒーレント源404からの固定割合の放射を共振光ファイバリング408へ供給してもよいし、または、共振光ファイバリング404全体での現在の損失に基づいて調整可能であってもよい。典型的実施例では、エバネッセント入力/出力カプラ434は、本質的には、第1の典型的実施例に関して上で議論した、エバネッセント入力カプラ412の再構成である。好ましい実施例では、エバネッセント入力/出力カプラ434は、レーザ404からの放射の1%未満をファイバ402へ結合する。
微量成分の検出は、第1の典型的実施例について説明したのと同様であるため、ここでは繰り返さない。
センサ500を通過した後の放射の残余は、ファイバループ402を通過し続ける。この残余放射の部分は、エバネッセント入力/出力カプラ434により、光ファイバループ402の外部へ結合される。エバネッセント入力/出力カプラ434は、検知器418および信号ライン422を通してプロセッサ420に結合される。また、第1の典型的実施例のように、プロセッサ420は、制御ライン424を通してコヒーレント源404を制御する。いったん信号が検知器418からプロセッサ420により受信されると、プロセッサは、受信した放射の減衰率に基づき、存在する微量成分の量およびタイプを決定し得る。
任意に、波長セレクタ430を、エバネッセント入力/出力カプラ434と検知器418との間に配置してもよい。波長セレクタ430は、所定の範囲内にない放射が、検知器418に入力されるのを防ぐフィルタとして機能する。波長セレクタ430はまた、コヒーレント源404からの放射がファイバ402へ結合された後、期間の間、コヒーレント源404からの放射が検知器418を「盲目」にすることを回避するよう、プロセッサ420により制御されてもよい。
本願明細書では、特定の実施例に関して例示され、および説明されているが、それにもかかわらず、本発明は、示されたディテールに限定されることを意図していない。むしろ、様々な変更は、請求項の同等物の範囲内のディテール内で、さらに本発明の精神から逸脱することなく、達成可能である。
４００ リングダウン装置、４０４ 放射、４０２ 光ファイバケーブル、４０６ 光アイソレータ、４０８ 光ファイバリング、４１０ カプラ、４１２ エバネッセント入力カプラ、５００ センサ。
Claims (56)
- サンプルガスおよびサンプル液体のうちの少なくとも1つ内の微量成分の検出および測定のための装置であって、
サンプルガスまたはサンプル液体への曝される部分を有する受動光ファイバリングと、
放射のコヒーレント源と、
i) コヒーレント源により、受動光ファイバリングへ放出された放射の一部分を導入し、ii) 受動光ファイバリング内の放射共振の一部分を受けるためのカプリング手段と、
カプリング手段により受け取られた放射のレベルを検出し、さらに、それへの応答信号を生成する検知器と、
検知器により生成された信号に基づき、ガスサンプルまたは液体サンプル内の微量成分のレベルを測定する、検知器に結合されたプロセッサとを含む装置。 - 微量成分のレベルが、検知器により生成された信号の減衰率に基づいて決定される、請求項1に記載の装置。
- カプリング手段が、単一の光カプラである、請求項1に記載の装置。
- 放射の受け取られた部分を、受動光ファイバループから検知器へ選択的に通過させるよう、カプリング手段と検知器との間の光路内に配置されたフィルタをさらに含む、請求項3に記載の装置。
- フィルタが、放射の波長に基づいて、放射を検知器へ通過させる、請求項4に記載の装置。
- カプリング手段が、i) コヒーレント源により光ファイバリングの第1のセクションへ放出された放射の一部分を導入するための第1のカプラ、および、ii) 受動光ファイバリング内の第2のセクションで、放射の一部分を受ける第2のカプラを含む、請求項1に記載の装置。
- 露出部分がファイバのクラッドである、請求項1に記載の装置。
- 露出部分がファイバの内部コアである、請求項1に記載の装置。
- 放射のコヒーレント源が光学パラメトリックジェネレータである、請求項1に記載の装置。
- 放射のコヒーレント源が光学パラメトリック増幅器である、請求項1に記載の装置。
- 放射のコヒーレント源がレーザである、請求項1に記載の装置。
- 放射のコヒーレント源がパルスレーザである、請求項1に記載の装置。
- 放射のコヒーレント源が持続波レーザである、請求項1に記載の装置。
- レーザが光ファイバレーザである、請求項11、請求項12または請求項13に記載の装置。
- 持続波レーザが、狭帯域を有するチューナブルダイオードレーザーである、請求項13に記載の装置。
- レーザとカプリング手段との間、およびレーザから放出される放射に直線的に結合され、レーザ内の雑音を最小にするアイソレータをさらに含む、請求項15に記載の装置。
- ファイバ内を進む放射のエバネッセントフィールドが、サンプルガスまたはサンプル液体に曝されている、請求項1に記載の装置。
- ファイバからの放射の吸収が、カプリング手段により受け取られる放射の減衰率を増加させる、請求項17に記載の装置。
- 受動共振ファイバが、石英ガラス、サファイア、およびフッ化物ベースのガラスの1つから形成されている、請求項1に記載の装置。
- 受動共振ファイバが、中空ファイバから形成されている、請求項1に記載の装置。
- 受動共振ファイバが、シングルモードファイバである、請求項19または請求項20に記載の装置。
- 受動共振ファイバが、マルチモードファイバである、請求項19または請求項20に記載の装置。
- 所定の直径を有し、光ファイバの露出部分で巻かれた、少なくとも1つの筒状ボディーをさらに含み、エバネッセントフィールドの浸透深度を増加させることにより、微量成分へのエバネッセントフィールドの露出が高められる、請求項1に記載の装置。
- それぞれ所定の直径を有し、共振ファイバの露出部分のそれぞれのセクションにより巻かれた、多数の筒状のボディーをさらに含む、請求項1に記載の装置。
- 管状構造がマンドレルである、請求項23または請求項24に記載の装置。
- マンドレルが、少なくともおよそ1cmの断面半径を有する、請求項25に記載の装置。
- マンドレルが、およそ1cmから10cmの断面半径を有する、請求項25に記載の装置。
- 微量成分が、水、アセチレン、およびアンモニアのうちの少なくとも1つである、請求項1に記載の装置。
- コヒーレント源が、およそ1390nmおよび1513nmの波長領域内で可同調のシングルモードレーザである、請求項28に記載の装置。
- 受動光ファイバリングが、可視から電磁スペクトルの中赤外線へ間の波長で共振する、請求項1に記載の装置。
- 受動光ファイバリングの少なくとも一部が、液体サンプル内の微量成分の存在を決定するために、液体サンプル内に配列される、請求項1に記載の装置。
- 受動光ファイバリングの少なくとも一部が、光ファイバリングのコーティング部分で微量成分の濃度を、選択的に増加させる材料でコーティングされている、請求項1に記載の装置。
- 材料が、微量成分の検体分子を引き付ける、請求項32に記載の装置。
- 材料がポリエチレンである、請求項33に記載の装置。
- 受動光ファイバリングの少なくともコーティング部分が、液体サンプル内の微量成分の存在を決定するために、液体サンプル内に配列される、請求項32に記載の装置。
- レーザからのエネルギーが、いつ光ファイバリングに供給されたかを決定する入力検知器をさらに含む、請求項1に記載の装置。
- レーザが光ファイバリングにエネルギーを供給したのを入力検知器が測定した後に、光ファイバリングからの放射を受け取る受信手段に基づいてレーザを、非活動状態にする制御手段をさらに含む、請求項36に記載の装置。
- 制御手段および入力検知器が、処理手段と結合されている、請求項37に記載の装置。
- ファイバの屈折率が、サンプル液体の屈折率より大きい、請求項1に記載の装置。
- ファイバの屈折率が、サンプルガスの屈折率および微量成分の吸収バンドに基づいている、請求項1に記載の装置。
- 光ファイバリング内へ結合された放射の部分が、カプリング手段に供給される放射のおよそ1%未満である、請求項1に記載の装置。
- 光ファイバリング内へ結合される放射の部分が可変である、請求項1に記載の装置。
- 光ファイバリング内へ結合された放射の部分が、受動光ファイバループ内の損失に基づいて変更される、請求項1に記載の装置。
- 受動光ファイバループ内の損失が、少なくともコネクタの損失およびファイバの損失に基づいている、請求項43に記載の装置。
- 光ファイバリングが、少なくともおよそ1メートルの長さである、請求項1に記載の装置。
- 光ファイバリングが、少なくともおよそ10メートルの長さである、請求項1に記載の装置。
- 光ファイバリングが、少なくともおよそ1kmの長さである、請求項1に記載の装置。
- サンプルガスおよびサンプル液体のうちの少なくとも1つ内の微量成分の検出および測定のための装置であって、
サンプルガスまたはサンプル液体へ曝される部分を有する受動共振光ファイバリングと、
放射を放出するコヒーレント源と、
コヒーレント源により、受動共振ファイバリングの第1のセクションへ放出される、放射の少なくとも一部分を供給する第1の光カプラと、
露出した光ファイバリングの一部分を所定の半径で形成するよう、露出した光ファイバリングの一部と結合した、少なくとも1つの筒状ボディーであって、サンプル液体またはサンプルガスの少なくとも一部分は、光ファイバリングの形成部分に接触するものと、
共振ファイバリングの第2のセクションから受動共振ファイバリング内の放射の部分を受け取る第2の光カプラと、
第2の光カプラにより受け取られた放射の減衰率に基づき、ガスまたは液体サンプル内の微量成分のレベルを測定するために、第2の光カプラと結合されたプロセッサとを含む装置。 - 第2の光カプラにより受け取られた放射に応答する信号を生成するよう、第2の光カプラとプロセッサとの間に結合された、第1の光検知器をさらに含む、請求項48に記載の装置。
- レーザからのエネルギーが、いつ受動光ファイバリングに供給されるかを決定する、第1の光カプラとプロセッサとの間に結合された第2の光検知器をさらに含む、請求項48に記載の装置。
- 第2の光検知器が、コヒーレント源からの放射の受け取りに応答するプロセッサへのトリガー信号を発生させる、請求項50に記載の装置。
- 第1および第2の光カプラが、ユニタリーカプラである、請求項48に記載の装置。
- サンプルガスおよびサンプル液体のうちの少なくとも1つ内の微量成分を検出し、測定するための方法であって、
受動光ファイバリングの光ファイバの一部を、サンプルガスまたはサンプル液体に曝すことと、
コヒーレント源から放射を放出することと、
コヒーレント源から放出される放射の少なくとも一部分を、光ファイバリングに結合することと、
光ファイバリング内を進む放射の一部分を受け取ることと、
光ファイバリング内の放射の減衰率に基づいて、ガスまたは液体サンプル内の微量成分のレベルを決定することとを含む方法。 - 受動光ファイバリングの露出部分の少なくとも一部分を、微量成分の吸収周波数に基づき、所定の半径で形成するステップと、
ファイバの形成部分を、サンプル液体またはサンプルガスに曝すステップとをさらに含む、請求項53に記載の方法。 - ファイバ内を進む放射のエバネッセントフィールドを、サンプルガスまたはサンプル液体に曝すステップをさらに含む、請求項54に記載の方法。
- 微量成分による放射の吸収レベルに応答するファイバ内の放射の減衰率に基づき、サンプルガスまたはサンプル液体内の微量成分のレベルを決定するステップをさらに含む、請求項55に記載の方法。
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