JP2007093298A - 分光方法及びプローブ - Google Patents

Abstract

【課題】キャビティ内に試料を設けることなく試料の分光分析を行うこと
【解決手段】光を循環させる光ファイバー１０と、この光ファイバー１０に光結合する光伝送路１２とを有し、光ファイバー１０に接続され、伝搬する光と試料とを相互作用させる分光に用いるプローブ２０であって、光を導入するコア２１と、コアの周囲に形成されたクラッド２２と、クラッド２２に形成され、試料を導入する孔２３，２４とを有し、この孔に導入される試料に対して、コアを伝搬する光のエバネッセント波又は近接場光とを相互作用させるようにしたことを特徴とするプローブ２０とを設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバーのコアを伝搬する光のエバネッセント波又は近接場光と試料との相互作用を利用した分光方法及びその方法に用いるプローブ及び装置に関する。また、光ファイバーのコアを中空として、このコアに試料を導入して、光をこのコアに伝搬させて、試料の分光分析を行う方法、プローブ及び装置に関する。この方法、プローブ及び装置は連続光を用いても良いが、パルス光を用いたリングダウンパルスの減衰特性により分光する方法、プローブ及び装置に有効である。

良く知られているように、キャビティリングダウン分光においては、少なくとも２個のミラーによりキャビティを形成し、そのキャビティ内に検査対象物質（試料）を導入し、キャビティ内の試料の光吸収により減衰するリングダウン光を用いて試料を分光分析するものである。キャビティリングダウン分光においては、主として光吸収による光強度の減衰における時定数を測定することで、試料の各波長における吸収係数を求め、試料の同定及び定量が行われる。また、下記特許文献３、４に示すように、キャビティに代えてループファイバーにパルス光を循環させ、又は、端面で反射する直線ファイバーにパルス光を往復進行させて、パルス光のリングダウン特性を測定することで物質の吸収特性を得る方法が知られている。
特開２０００−３３８０３７号公報 特開２００１−１９４２９９号公報 特開２００４−３３３３３７号公報 ＵＳＰ６，８４２，５４８Ｂ２

ところが、キャビティ内に試料を設置したり、ファイバーの伝送路中に試料を挿入したりすることが困難な場合がある。すなわち、測定光の全てが試料を透過する必要があり、試料によっては、試料をキャビティ内部に設けたり、ファイバーの中間に設けることが困難となる場合がある。
本発明者らは、キャビティ内やファイバー中に試料を導入することができないような条件において、試料の吸収特性を測定できる方法を色々と検討した。この結果、試料と測定光とを相互作用させる新たな方法を着想し、本発明を完成するに至った。
そこで、本発明の目的は、試料をキャビティ内やファイバー中に設けることなく、試料の吸収係数などの物性を分光分析により求めることである。

請求項１に記載の発明は、光を循環させる又は両端で反射させて往復進行させる光ファイバーに光を導入して、試料を分光分析する分光方法において、光ファイバーのコアを伝搬する光のエバネッセント波又は近接場光と試料とを相互作用させて、試料を分光分析する分光方法である。
この方法に用いられる光は、連続光でもパルス光でも良い。パルス光には、通常のナノ秒のパルス幅を有したレーザでも、フェムト秒レーザでも良い。波長可変ソリトンパルス光レーザ、広帯域スーパーコンティニュアム光レーザなどを用いることができる。波長可変ソリトンパルス光レーザ、広帯域スーパーコンティニュアム光レーザを用いることで、異なる波長での試料の吸収係数を求めることができる。

また、請求項２に記載のプローブは、 光を循環させる又は両端で反射させて往復進行させる光ファイバーに光を導入して、試料を分光分析する分光方法において、光ファイバーのコアを中空に形成して、この中空のコアに試料と光とを導入して試料を分光分析する分光方法である。
この方法では、コアに試料が導入されて、そのコアに光を伝搬させたことが特徴である。

また、請求項３の発明は、光ファイバーに接続され、伝搬する光と試料とを相互作用させる分光に用いるプローブであって、光を導入するコアと、コアの周囲に形成されたクラッドと、クラッドに形成され、試料を導入する孔とを有し、この孔に導入される試料に対して、コアを伝搬する光のエバネッセント波又は近接場光とを相互作用させるようにしたことを特徴とするプローブである。
このプローブは、両端面を反射鏡にして、プローブ自体をキャビティとして構成しても良い。また、このプローブをループ状の光ファイバーの経路中に設けて、光をループ状の光ファイバーを循環させるようにして、使用しても良い。また、このプローブを両端で反射される線状の光ファイバーの経路中に設けて、光を光ファイバー中を往復進行させるようにして、使用しても良い。さらに、このプローブ自体をループに構成して、光を循環させる光ファイバーとしても良い。

また、請求項４の発明は、光ファイバーの側面に接続され、伝搬する光と試料とを相互作用させる分光に用いるプローブであって、光ファイバーのクラッドの側面に接続されるクラッドと、このクラッドに光の伝搬方向に平行に形成された孔とを有し、この孔に導入される試料に対して、光ファイバーのコアを伝搬する光のエバネッセント波又は近接場光とを相互作用させるようにしたことを特徴とするプローブである。
このプローブは、線状又はループ状の光ファイバーの経路の一部の側面、又は、全周のクラッドの側面に接合するようにしても良い。

また、請求項５の発明は、光ファイバーに接続され、伝搬する光と試料とを相互作用させる分光に用いるプローブであって、光を導入する中空のコアと、コアの周囲に形成されたクラッドとを有し、中空のコアに試料と光を導入して光と試料とを相互作用させることを特徴とする分光に用いるプローブである。
本プローブでは、中空のコアを伝搬する光が試料により吸収されることを利用して、試料を分光分析するのに用いるプローブである。

また、請求項６の発明は、光ファイバーに光を導入して、試料を分光分析する分光装置において、光を循環させる又は両端で反射させて往復進行させる光ファイバーと、この光ファイバーに光結合する光伝送路とを有し、請求項３に記載のプローブを、光ファイバーの経路中に挿入又はプローブで光ファイバーを構成したことを特徴とする分光装置である。
本装置は、光ファイバーのコアを伝搬する光のエバネッセント波又は近接場波の試料による吸収特性により、試料の分光特性を得るようにした装置である。

また、請求項７の発明は、光ファイバーに光を導入して、試料を分光分析する分光装置において、光を循環させる又は両端で反射させて往復進行させる光ファイバーと、この光ファイバーに光結合する光伝送路とを有し、請求項４に記載のプローブを、光ファイバーの経路の少なくとも一部のクラッドの側面に接続したことを特徴とする分光装置である。 本装置は、光ファイバーのコアを伝搬する光のエバネッセント波又は近接場波の試料による吸収特性により、試料の分光特性を得るようにした装置である。

上記のプローブ、及び、装置においても、用いられる光に関してしては、請求項１、２において説明した連続、パルス、波長可変、フェムト秒などのレーザを用いることができる。

コアを伝搬する光は、クラッド部に一部、染み出している。この波がエバネッセント波又は近接場光である。この光の染み出した範囲のクラッド部に、試料を導入してエバネッセント波又は近接場光と試料とを相互作用させることにより、コアを伝搬する光を減衰させる。この原理を用いれば、光を直接、試料に入射させることが必要でないために、キャビティやファイバー中に、試料を設けることができない場合にも、有効に、試料の分光特性を測定することができる（請求項１、３、４、６、７）。光の波長が固定であれば、その波長での試料の吸収係数や基準試料の吸収係数などを測定できる。波長を変化させれば、試料の波長吸収特性を測定することができる。
また、請求項２、５の発明においては、コアを中空として、このコアに試料を導入して、このコアに光を伝搬させるようにしていることから、装置を小型化することができる。

本発明を具体的な実施例に基づいて説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１に示すように、ループ状の光ファイバー１０に対して、光を導入する第１光伝送路１２が、光方向性結合器３６により光結合している。また、このループ状の光ファイバー１０の伝送路中に本発明に係るプローブ２０が挿入されている。光ファイバー１０とプローブ２０との接続は、それぞれのコア同士を溶着させる方法や、無損失の光コネクタを用いる方法が採用できる。第１光伝送路１２は、光ファイバーで構成されており、その光ファイバーの一端にはパルスレーザ光を出力できるレーザ装置３０が接続されており、他端には受光素子３２、受光素子３２で受光されたパルスレーザ光から減衰係数を演算する処理装置３４が設けられている。

次に、図２を参照して、プローブ２０の構成を説明する。プローブ２０はレーザ光を伝搬するコア２１とその周囲に位置するクラッド２２とから成る。そのクラッド２２には、コア２１の軸方向に平行に多数の孔２３が設けられており、その孔２３に垂直なコアの法線方向に孔２３に連通する導入孔２４が設けられている。コア２１の側面と孔２３の側面との最短距離ｈは、孔２３にエバネッセント波が染み出し得る距離である。コア２１とクラッド２２との屈折率差にも依存するが、コア２１を伝搬する光の波長程度である。孔２３には、導入孔２４から導入された試料物質（ガス、液体など）が充填される。

このプローブ２０のクラッド２２の外径は、光ファイバー１０のクラッドの外径と同一でも、それよりも十分に大きく構成しても良い。孔２３と導入孔２４の形成は、レーザ光を照射して、材料を蒸発させるレーザ加工法を用いることができる。その他、エッチングなどを用いることができる。また、孔２３としては、光ファイバー１０に軸方向に元々、多数の孔が形成されているホーリファイバーの孔を用いることができる。孔２３と導入孔２４とが、請求項の孔に該当する。

上記の装置において、レーザ装置３０から、パルスレーザ光を第１光伝送路１２に出力すると、光方向性結合器３０を介して、そのパルスレーザ光はループ状の光ファイバー１０に、一部分岐される。その分岐したパルスレーザ光は、その光ファイバー１０を循環することになる。この循環するパルスレーザ光は、光方向性結合器３０を通過する毎に、第１光伝送路１２に、一部、分岐し、受光素子３２において受光される。光ファイバー１０をパルスレーザ光が巡回する時、プローブ２０をパルスレーザ光が通過する度に、孔２３に存在する試料によりエバネセント波又は近接場波が吸収されて、その吸収分だけ、光ファイバー１０を循環するパルスレーザ光は減衰することになる。この循環するパルスレーザ光は、光方向性結合器３０を介して、一部が第１光伝送路１２に分岐されて、受光素子３２により受光される。このパルスレーザ光のリングダウン係数を、受光素子３２、処理装置３４で測定することで、試料のこのレーザ光の波長における減衰係数を測定することが可能となる。この測定をパルスレーザ光の波長を変化させて、実行することで、試料の波長吸収特性を得ることができ、試料の原子、分子構造を特定することが可能となる。

例えば、光ファイバー１０の全長を６ｃｍとすると、２×１０^-10 sec 毎に、リングダウンパルスが出力されるので、パルスレーザ光の繰り返し周波数５０ＭＨｚ（周期２×１０^-8 ec）のパルスレーザ光を用いると、１パルス周期の間に１００回のリングダウンパルスを許容することができる。繰り返し周波数５ＭＨｚにすれば、１０００回のリングダウンパルスを許容することができる。また、光ファイバー１０の全長を６ｍとすると、２×１０^-8 ec毎にリングダウンパルスが出力されるので、１パルス周期の間に１００回のリングダウンパルスを許容するのであれば、レーザ光のパルス周期を５００ｋＨｚとする必要があり、１パルス周期の間に１０００回のリングダウンパルスを許容するのであれば、レーザ光のパルス周期を５０ｋＨｚとする必要がある。一方、レーザ光のパルス幅は、リングダウンパルスの周期よりも短いことが必要となるので、光ファイバー１０の全長を６ｃｍとした場合には、２×１０^-10 sec よりも短いことが必要となる。また、光ファイバー１０の全長を６ｍとすると、レーザ光のパルス幅は２×１０^-8 ecより短ければ良いことになる。したがって、レーザ光のパルス幅を短くすることは、光ファイバー１０の全長を短くすることにつながり、装置構成を小型化することができる。その意味で、１００ｆｓ程度のフェムト秒レーザを用いることで、装置を極めて小型することができる。

また、測定系自体の減衰があるので、現実には、試料が存在しない場合のパルスレーザ光のリングダウン特性を基準特性として測定しておいて、試料を測定した場合のパルスレーザ光のリングダウン特性の基準特性に対する偏差の減衰特性を用いて、試料の吸収係数を測定することになる。この吸収係数は、横軸をリングダウン回数、縦軸をリングダウンパルスの振幅とした指数関数の減衰係数から演算すれば良い。また、レーザ光の波長を変化させて、同様にリングダウン特性の減衰係数を測定することで、波長吸収特性が得られる。この特性は、吸収係数の絶対値が不明であっても、波長特性として相対的な吸収特性が得られれば、試料を同定することができる。

上記のプローブ２０は光ファイバー１０の一部に挿入するようにしているが、プローブ２０をループ状に形成して、そのプローブ１０で、ループ状の光ファイバー１０を兼用しても良い。その場合には、ループ状のプローブ２０の全周から試料が孔２３に導入されることになる。

上記の実施例では、孔２３として、コアに平行な多数の柱状の孔としたが、コア２１の円周方向に連続したリング状の孔としても良い。

また、図３に示すように、コア２１の軸に垂直な方向に形成された導入孔２５だけで試料を導入する孔を形成しても良い。この導入孔２５の直径は、レーザ光の伝搬特性を劣化させないために、レーザ光の波長よりも短く構成されている。この場合には、導入孔２５の先端がコア２１の側面に接触することになり、コア２１を伝搬するレーザ光が、直接、試料により吸収される場合のリングダウン特性を測定することになる。また、コア２１を中空とした中空ファイバーを用いて、このコア２１に試料を充填させて、この中をレーザ光を伝搬させるようにしても良い。この場合にも、コア２１を伝搬するレーザ光が、直接、試料により吸収される場合のリングダウン特性を測定することになる。この場合には、通常は、試料の屈折率がクラッド２２の屈折率よりも大きいことが必要となる。しかし、フォトニックバンドギャップ型の中空ホーリーファイバーを使用すれば、屈折率が低い試料の測定も可能である。

また、上記の実施例において、光方向性結合器３６は、一般に良く知られたものである。この方向性結合器により、レーザ光のリングダウンパルスを受光素子３２へ取り出すことができる。また、結合率を変化させることで、光ファイバー１０、１０１を循環する光の強度を調整することができる。これにより、受光素子３２で受光される光の減衰幅を調整できるので、同一のダイナミックレンジにより減衰係数を測定することが可能となり、精度を向上させることができる。

次に、本発明の具体的な実施例である実施例２について説明する。図４において、第１光伝送路１２、レーザ装置３０、受光素子３２、処理装置３４の構成は、実施例１と同一である。ループ状の光ファイバー１０１は、これだけで、完全にループに構成されている。そして、本実施例のプローブ２００が光ファイバー１０１と、図５に示すように光結合している。光ファイバー１０１のコア１２１中をレーザ光は伝搬する。その周囲のクラッド１２２と、プローブ２２３のクラッド２２２とが、同一屈折率の同一材料で、相互に接合している。そして、クラッド２２２の中心部に軸に平行に孔２２３が形成されており、その孔２２３の中に試料が導入される。コア１２１の側面と孔２２３の側面との最短距離ｈは、コア１２１を伝搬するレーザ光のエバネッセント波が、孔２２３まで染み出してコア２２３に存在し得るように構成されている。例えば、レーザ光の波長の程度である。
また、このプローブ２００は、シングルモードファイバーでもマルチモードファイバーであっても良い。また、このプローブ２００の孔２２３には、一方から吸引して試料を流通させるようにしても良い。試料としては、ＤＮＡ、タンパク、血液、ガス、排ガス、液体などを用いて、これらを孔２２３内を流動させるようにしても良い。また、このプローブでは、孔２２３に充填される試料の屈折率により孔２２３に染み出す光の量が変化し、リングダンウ特性が得られるので、その原理によっても分光分析を行うことができる。

〔変形例〕
上記実施例では、光ファイバー１０、１０１をループ状に構成しているが、これを直線にしても良い。この場合には、直線状の光ファイバーの両端は鏡面として、光を反射させるようにする。このようにしても、直線状の光ファイバーを往復進行する光を受光素子３２側に出力することができる。
上記実施例では、光方向性結合器３６は、第１光伝送路１２から光ファイバー１０、１０１への光の導入と、光ファイバー１０、１０１から第１光伝送路１２を介して受光素子３２側への光の導出とを共用させている。しかし、光方向性結合器を、それぞれ、光ファイバー１０、１０１の別の位置に設けて、光の導入用と、光の導出用とに分けて設置しても良い。
試料の分光特性はリングダウンパルスの減衰特性から求めているが、連続光としても良い。この場合には、光方向性結合器を１つだけ用いる場合には、偏光特性を利用して、導出された光と、導入される光とを分離して検出するようにする。または、方向性結合器に結合率を高速に変化させることのできる素子を用いて、連続光をパルス光にして、光ファイバーを伝搬させるようにして、このパルスのリングダウンパルスの減衰特性から、試料の吸収特性を求めるようにしても良い。または、導入用と導出用と２つの光方向性結合器を用いるようにする。連続光の場合には、試料が存在しないと時の受光素子３２での受光量と、試料が存在する時の受光素子３２での受光量とが比較されて、この偏差からその波長における試料の相対的な吸収係数が求められる。

本発明は、光吸収が小さな液体、気体、ＤＮＡ、タンパクなどの生体物質や薄膜の分光分析に有効である。

本発明の具体的な実施例１に係る装置を示した構成図。 本発明の具体的な実施例１に係るプローブを示した構成図。 他の例に係るプローブを示した構成図。 本発明の具体的な実施例２に係る装置を示した構成図。 本発明の具体的な実施例２に係るプローブを示した構成図。

符号の説明

１０，１０１…光ファイバー
２０，２００…プローブ
２１…コア
２２，１２２，２２２…クラッド
２３，２２３…孔
２４…導入孔
３６…光方向性結合器

Claims (7)

1. 光を循環させる又は両端で反射させて往復進行させる光ファイバーに光を導入して、試料を分光分析する分光方法において、
   前記光ファイバーのコアを伝搬する光のエバネッセント波又は近接場光と試料とを相互作用させて、試料を分光分析する分光方法。
2. 光を循環させる又は両端で反射させて往復進行させる光ファイバーに光を導入して、試料を分光分析する分光方法において、
   前記光ファイバーのコアを中空に形成して、この中空のコアに試料と光とを導入して試料を分光分析する分光方法。
3. 光ファイバーに接続され、伝搬する光と試料とを相互作用させる分光に用いるプローブであって、
   光を導入するコアと、
   前記コアの周囲に形成されたクラッドと、
   前記クラッドに形成され、試料を導入する孔と
   を有し、
   この孔に導入される試料に対して、コアを伝搬する光のエバネッセント波又は近接場光とを相互作用させるようにしたことを特徴とするプローブ。
4. 光ファイバーの側面に接続され、伝搬する光と試料とを相互作用させる分光に用いるプローブであって、
   前記光ファイバーのクラッドの側面に接続されるクラッドと、
   このクラッドに光の伝搬方向に平行に形成された孔と
   を有し、
   この孔に導入される試料に対して、前記光ファイバーのコアを伝搬する光のエバネッセント波又は近接場光とを相互作用させるようにしたことを特徴とするプローブ。
5. 光ファイバーに接続され、伝搬する光と試料とを相互作用させる分光に用いるプローブであって、
   光を導入する中空のコアと、
   前記コアの周囲に形成されたクラッドと
   を有し、
   前記中空のコアに試料と光を導入して光と試料とを相互作用させることを特徴とする分光に用いるプローブ。
6. 光ファイバーに光を導入して、試料を分光分析する分光装置において、
   光を循環させる又は両端で反射させて往復進行させる光ファイバーと、
   この光ファイバーに光結合する光伝送路とを有し、
   請求項３に記載の前記プローブを、前記光ファイバーの経路中に挿入又は前記プローブで前記光ファイバーを構成したことを特徴とする分光装置。
7. 光ファイバーに光を導入して、試料を分光分析する分光装置において、
   光を循環させる又は両端で反射させて往復進行させる光ファイバーと、
   この光ファイバーに光結合する光伝送路とを有し、
   請求項４に記載の前記プローブを、前記光ファイバーの経路の少なくとも一部のクラッドの側面に接続したことを特徴とする分光装置。