JP2008129020A - 化学的かつ生物学的感知のための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出時間を最小限にする一方で、化学的および／または生物学的作用物質の存在を検出するための高感度のセンサを提供する。
【解決手段】化学的作用物質および生物学的作用物質３０の感知のための装置および方法が提供される。検出装置は、共振周波数を有する共振器１２および１つまたは複数の光ファイバコイル２８を含む。光ファイバコイルは、浸透性クラッディングおよびクラッディングに埋め込まれて作用物質に反応するインジケータを有する。共振器は、コイルを通して入力光を循環させ、かつ中心が共振周波数にあり、入力光によって測定された共振形状を生成する。共振形状の所定の変化は、環境中に作用物質が存在することを示す。発光源から前記入力光を受けて共振器に入力光を伝える第１の反射器２０と、共振器から出力光を受ける第２の反射器２２と、出力光から共振形状を検出する光検出器２６とをさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に環境感知に関し、より詳細には特定物質の存在を検出するための光ベースのシステムおよび方法に関する。

最近は、全国的な家庭保安および市民に対する脅威の検出に大きな重点が置かれている。具体的には、環境中の望ましくない化学物質または生体物質の存在の検出または感知が優先事項になっており、それに応えて様々な検出装置が開発されている。化学センサの１つの例は、コアおよびクラッディングを有する多モード光ファイバ付きのセンサである。クラッディング、またはクラッディング上のコーティングは、検出される所定の物質の存在で変質される光学的性質を有する。光ファイバのコアを通して伝達された光は、検出される物質と相互作用するクラッディングまたはコーティングの光学的性質の変化の関数である。

従来型検出装置のための設計上の配慮の１つは、感度に対するものである。好ましくない物質が低濃度レベルで存在するのを検出することによって、適切な対応が時を得て行われ得る。特定の検出装置については、低濃度レベルの好ましくない物質の存在を検出するために、より多くの時間が一般に必要とされる。

したがって、検出時間を最小限にする一方で、化学的および／または生物学的作用物質（エージェント）の存在を検出するための高感度のセンサを提供することが望ましい。さらに、センサのパッケージサイズを最小限にする一方で、多数の様々な脅威の存在を検出するためのセンサを提供することが望ましい。

そのうえ、本発明の他の望ましい特徴および特性が、添付図面ならびに本発明のこの背景とともに理解され、後続の本発明の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

環境中の１つまたは複数の作用物質を検出するための装置および方法が提供される。例示の一実施形態では、環境中の作用物質を検出するための装置は、共振周波数を有して光ファイバコイルを備える共振器を備えて提供され、光ファイバコイルは、クラッディングおよびクラッディングに埋め込まれたインジケータを備える。インジケータは、１つまたは複数の作用物質の第１の作用物質に反応するように構成される。共振器は、第１のコイルを通して入力光を循環させ、かつ中心が共振周波数にあり、入力光によって測定された共振形状を生成するように構成される。共振形状の所定の変化は、環境中に第１の作用物質が存在することを示す。

別の例示の実施形態では、環境中の１つまたは複数の作用物質を検出するための装置が、マルチプレクサおよびマルチプレクサに結合された１つまたは複数の共振器を備えて提供される。マルチプレクサは、第１の光ビームを受けて、第１の光ビームから１つまたは複数の入力光ビームを生成するように構成される。１つまたは複数の共振器の各々が光ファイバコイルを備える。１つまたは複数の共振器の各々が、光ファイバコイルを通して入力光ビームを循環させ、循環光ビームから共振形状を生成するように構成される。循環光ビームは、第１の光ファイバコイルを通って循環する第１の入力光ビームから導出される。共振形状の所定の変化は、環境中に作用物質のうちの１つが存在することを示す。

別の例示の実施形態では、インジケータが組み込まれた少なくとも１つのファイバ共振器を通して入力光ビームを循環させるステップと、循環光ビームから共振形状を生成するステップと、共振形状における所定の変化を検出するステップとを含む、環境中の１つまたは複数の作用物質を検出するため方法が提供される。インジケータは、１つまたは複数の作用物質のうち１つに反応するように構成される。循環光ビームは入力光ビームから導出される。この所定の変化は、環境中に第１の作用物質が存在することを示す。

本発明は、次に示す図とともに以下で説明されることになり、同じ番号は同じ要素を示す。

本発明の以下の詳細な説明は、本来単なる例示であり、本発明または本発明の用途および使用状態を限定するようには意図されていない。そのうえ、前述の本発明の背景技術または以下の本発明の詳細な説明で提示されたいかなる理論によっても束縛を受けるような意図はない。

環境中の１つまたは複数の化学的／生物学的作用物質を検出するための装置および方法が提供される。一般に、この装置は、所定の化学的／生物学的作用物質に反応するインジケータを埋め込まれた光ファイバコイルを有する共振器を備える。（例えば発光源からの）入力光ビームが共振器に供給され、入力光ビームが１方向（例えばリング共振器の場合は光ファイバコイルの時計回りまたは反時計回りの方向）における光ファイバコイルの共振周波数に同調されたとき、共振周波数の領域で共振ライン形状が生成され、共振器を通って循環する光によって感知される。環境中に検出される作用物質がないと、共振ライン形状は共振器内を循環する光のエネルギー損が低いことに対応する狭いプロファイルを有する。光ファイバコイルの環境中に所定の化学的／生物学的作用物質が存在すると、インジケータがこの作用物質と反応し、その結果、光ファイバコイル内を循環する光の一部分が散乱されるかまたは吸収される。通常は狭い共振ライン形状が、より広くより浅いプロファイルに変化する。共振ライン形状のこの変化は、散乱光または吸収光に起因する大きなエネルギー損を表し、したがって、所定の化学的／生物学的作用物質の存在を示す。複数の光ファイバコイルがセンサ内でともに多重化され得て、複数の化学的／生物学的作用物質の存在を同時検出するための複数の共振器を形成する。検出されるように意図された主要な物質の測定に対して、その存在が悪い方向にバイアスをかける恐れのある他の副次的な物質を感知するために追加の共振器も使用されてよい。このようにして、１つの共振器コイルまたはインジケータの副次的な物質に対する交差感度は、低下されるかまたは解消され得る。

次に図を参照すると、図１は、本発明の例示の実施形態による化学的／生物学的作用物質センサ１０の概略図である。センサ１０は、同調可能な発光源１８（例えばレーザダイオード）、第１の鏡面反射器２０、リサーキュレータ２４（例えば透過率が低いがゼロではない高反射ミラー）、第１の鏡面反射器２０およびリサーキュレータ２４を介して発光源１８からの光を受ける第１の終端３１を有する光ファイバコイル２８、リサーキュレータ２４を介して光ファイバコイル２８の第２の終端から光出力を受ける第２の鏡面反射器２２、光検出器２６（例えばフォトダイオード）、ならびに光検出器２６および発光源１８に結合された電子モジュール１６を備える。リサーキュレータ２４および光ファイバコイル２８は、ともに共振器１２を形成する。共振器は様々な構成を有することができ、いくつかの例示の実施形態が本明細書で説明される。共振器１２に導入された光は単色であり、リサーキュレータ２４を使用して、コイルを通る複数の通路向けに、光ファイバコイル２８の複数の巻回を通って循環する。共振器１２からの光出力は、所定の化学的／生物学的作用物質３０の有／無に応答する。

例示の一実施形態では、発光源１８は、周波数安定度、実質的に狭い線幅および比較的高出力を有する同調可能レーザである。発光源１８は、光ファイバコイル２８を通して光伝搬の時計回り（ＣＷ）または反時計回り（ＣＣＷ）の方向に、共振周波数に一致する周波数ｆ_０を含む周波数領域を通して同調される。一般に、リサーキュレータ２４は、光ファイバコイル２８の一端から出現する光をファイバコイル２８の他端へ再導入する任意の光学要素でよく、したがって、光ファイバコイル２８を通して光を何度も伝搬させる。リサーキュレータ２４用に光ファイバ結合器の代わりに入力ミラーを使用することは、センサ１０の１つの利点である。というのは、このミラーが偏波誤差および他の誤差の仕組みを弱めるために使用され得て、欠陥を導入する恐れが小さいからである。しかし、光ファイバ結合器はある用途において適当であり得る。

１つの例では、光ファイバコイル２８は、そのコアが一般にガラスを基材とし、一般にポリマーを基材とするクラッディングがコアを取り巻くファイバで作られており、所定の化学的／生物学的作用物質３０に反応するインジケータがクラッディングに埋め込まれている。別のタイプのファイバは、ガラスコア、光結晶構造のクラッディング、および外側のポリマーを基材とするクラッディングを含む。このタイプのファイバでは、インジケータは外側クラッディング内に含まれる。いずれの場合も、好ましくは屈曲損失が非常に低い光ファイバが使用され、光ファイバコイル２８は、好ましくは実質的に小さな領域のまわりに比較的多数の巻回を有する。例えば、コイル２８は、１センチメートルの直径のまわりに、光ファイバの約２０〜４０の巻回があり得る。一般に、光ファイバコイル２８によって与えられたものなど、光路が長いと、センサ１０の信号対雑音比は大きい。センサ１０の信号対雑音比を改善するために、光路は、光ファイバコイル１０の巻回数を増加することにより増加され得る。光ファイバコイル２８では、リサーキュレータ２４によって導入された光は、多くははガラスの内側を横断し、光ファイバのポリマークラッディング部分のガラスには光エネルギーのおよそ数パーセントしか含まれていない。インジケータは、１つまたは複数の化学的／生物学的物質（例えば硫化水素、シアン化物、塩素、神経ガス、セリンなど）に反応して、例えば色、光損失、屈折率またはポリマークラッディング内部の同種のものである光学的特性が変化する化学物質または他の物質でよい。ポリマークラッディングは、好ましくは検出される物質に対して浸透性であるように作られる。

作動中、発光源１８によって生成された光は、次にリサーキュレータ２４へこの光を導く第１の鏡面反射器２０に導かれる。対応する伝搬方向（例えば時計回り方向）に共振器１２の共振周波数を通って走査される、第１の鏡面反射器２０からの光の第１の部分は、リサーキュレータ２４を通って、光ファイバコイル２８の第１の終端３１へ伝達される。第２の部分（すなわち反射された部分）は、リサーキュレータ２４から第２の鏡面反射器２２へ反射される。光ファイバコイル２８を通るＣＷおよびＣＣＷの各経路についての共振周波数は、各光路で次々に循環されるビームの強め合う干渉に基づく。光の第１の部分が光ファイバコイル２８のコアを通って伝搬した後に、光は、光ファイバコイル２８の第２の終端３２から出現する。この例示の実施形態では、第２の終端３２から出現する光は、リサーキュレータ２４に導かれる。この光の一部はリサーキュレータ２４によって第１の終端３１へ反射されて戻り、一方、別の部分は、リサーキュレータ２４によって第２の鏡面反射器２２に伝達される（すなわち透過波）。透過波は、共振器１２の内部の再循環する光波の一部であり、この光波から導出される。透過波および反射波は、第２の鏡面反射器２２によって光検出器２６に導かれ、これらの光波はここで干渉される。光の周波数が共振から遠ざけて離調されるので、伝達される部分は非常に小さくなって、反射された部分だけが光検出器２６に当り、弱め合う干渉は極めて小さく、最大の強度を示す。光の周波数が共振の中心を通して走査されるので、透過波が最大化されて反射波との最大の弱め合う干渉を生じ、したがって、共振中心を示す最小値を有する共振のくぼみをもたらす。

ＣＷ方向またはＣＣＷ方向のいずれかにおいて共振器１２の共振中心周波数を観測するために、光検出器２６での強度が測定されるか、または標準的な同期検波技術が使用され得る。同期検波の場合には入力光ビームが正弦波状に位相変調され、したがって、周波数は、周波数（ｆ_ｍ）で変調され、入力ビーム周波数を、光検出器２６によって測定された共振ライン形状にわたってディザ処理する。例えば、光検出器２６に結合された電子モジュール１６は、光検出器２６の出力をｆ_ｍで復調することができ、循環光ビームの光出力で示された共振中心を測定する。共振ライン形状の線の中心、すなわち共振中心では、光検出器２６は、基本検出周波数ｆ_ｍで最小出力を検出し、ライン形状の傾斜が最大であるライン形状の両側で最大出力を検出する。

共振器が共振外れであるとき、強度信号の最大が観測されるが、ｆ_ｍでの信号は実質的にゼロである。共振ライン形状の線幅を観測するために、発光源１８の周波数は、発光源１８の周波数が単調に走査されるとき、光検出器２６上の光の強度信号が、半分の最大、次に最小、次いでもう１つの半分の最大というように、すべてを観測する順序で少なくとも走査される。あるいは、ライン形状の幅の第２の測定は、発光源１８の周波数が単調に走査されるとき、ｆ_ｍで復調された信号の両最大間の周波数差を監視することにより測定され得る。この場合、両最大傾斜ポイント間の共振の周波数幅の測定値は、共振器の線幅に比例し、したがって共振器の損失に比例する。発光源１８の半分の最大から半分の最大への（例えば両最大傾斜ポイント間の）周波数偏位は、共振器の線幅（例えば共振器の線幅に比例する）であり、ファイバコイル２８内の損失を示し、したがって、化学的作用物質、化学物質または生体物質の存在の測定である。線幅が広くなることは、化学的作用物質または問題物質の存在を表す。

発光源１８の周波数偏位は、光検出器２６が最大信号の半分の１つを観測したときと、光検出器２６が第２の最大信号の半分を観測したときの間の、発光源１８の周波数の差を記録することにより測定される。それら２つの時点の各々での発光源１８の周波数は、直接または間接的に測定され得る。直接測定の１つの例は、走査されていない別の発光源で発光源１８の周波数を続けざまに打ち、２つの時点間のうなり周波数の差を測定することを含む。（それほど費用がかからないはずの）間接測定の一例は、発光源１８を走査するために使用される電気信号入力に対する発光源１８の周波数を、あらかじめ較正することである。発光源１８にレーザを使用すると、この電気信号入力は、レーザの注入電流を変化させる電流駆動信号、レーザの温度を変化させる熱電冷却器への電流駆動信号またはレーザ空洞の経路長を変化させてレーザ周波数を変化させる圧電変換器への電圧駆動信号であり得る。これらの例では、駆動信号に対するレーザ周波数偏移が工場で較正され得て、したがって、駆動信号偏位は、動作中の周波数編位の測定である。

ｆ_０がＣＷ方向における共振器１２の共振周波数から遠ざけて調整されるとき、例えば、ＣＷビームからのエネルギーは光ファイバに入らず、光はリサーキュレータ２４の高反射ミラーから反射されて、光検出器２６で最大の強度をもたらす。ｆ_０がＣＷ方向における共振器１２の共振周波数で同調されるとき、ＣＷビームは光ファイバコイル２８に入り、光検出器２６に当る光は最小出力になり、それによって共振中心を示す。同様に、光がＣＣＷ方向に注入されると（図示せず）、ＣＣＷビームがＣＣＷ方向における共振器１２の共振周波数に同調されるとき、ＣＣＷビームが光ファイバコイル２８に入ることになる。両方向への伝搬光の１つの利点は、例えばレーザダイオード故障の光検出器故障の場合には、冗長性を増すこと、したがって故障許容を増すことであり得る。

化学的／生物学的作用物質３０が、光ファイバコイル２８存在のもとにあるとき、光ファイバコイル２８のクラッディングに埋め込まれたインジケータが化学的／生物学的作用物質３０に対して反応（例えば結合）し、光ファイバコイル２８の光学的性質を変える。例えば、光ファイバコイル２８の光学的性質の変化は、屈折率の変化、光吸収率の向上または低下、あるいは光ファイバコイル２８の螢光を含むが、必ずしもこれらに限定されない。

例示の一実施形態では、センサ１０は、電子装置（例えば電子モジュール１６）と光学部品を集積して２つの間の効率的かつ都合のよいインターフェイスをもたらす、シリコンを基材とする微小光学台１４上に構成される。鏡面反射器２０、２２、およびリサーキュレータ２４など、わずかに１０ミクロンと小さなフィーチャサイズを有する光学部品は、たとえ光波が自由空間中を進むとしても、大型で大量の光学系を無くすために、シリコン表面に取り付けられ得る。これら光学的機能のうちのいくつかも、シリコン物質中に存在する導波路内に埋め込まれ得る。この例示の実施形態では、発光源１８および関連する周波数同調要素ならびに光検出器２６も、光学台に取り付けられ得る。これらの技術を使用すると、シリコンプラットホーム中またはプラットホーム上の光学部品の製作が可能になり、したがって電子工学を用いて集積される。

発光源１８は、微小光学台１４上に取り付けられるかまたは形成され得るいくつかの要素を有する複合的な構造体でよい。例えば、発光源１８は、微小光学台１４の基体上に形成または配置された、２つの反射面間に配置された外部空洞レーザダイオードでよい。そのうえ、周波数選択性の空洞内要素がレーザダイオード空洞内に形成されるかまたは配置され得て、回折格子またはエタロンなど単一周波数のレーザをもたらす。そのうえ、１つまたは複数のレンズなどレーザ空洞の外部に取り付けられるかまたは形成される要素が発光源１８に含まれ得て、レーザビームを形づくるかまたは視準する。

図２は、本発明の別の例示の実施形態により線形共振器４１を有する化学的／生物学的作用物質センサ４０の概略図である。センサ４０は、入力光ビームを合成し、線形の共振器４１へ入力光ビームを導入する同調可能レーザ４２（例えばＨｅ−Ｎｅレーザまたは外部空洞レーザダイオード）を備える。センサ４０は、ビームスプリッタ４４（例えば５０〜５０％のビームスプリッタ）、入力要素４６、光ファイバコイル２８、出力ミラー６０および光検出器６２を備える。ビームスプリッタ４４は、別の実施形態では、複数の共振器へ入力光ビームを多重化するために使用され得る。入力要素４６は、入力ミラー４８（例えば９５〜５％のミラー）を含むが、必ずしもこれには限定されず、入力ミラー４８はファイバグレーティングで置換され得る。そのうえ、入力要素４６は、ビームスプリッタ４４から光を光ファイバコイル２８の第１の終端５２へ導くため、かつ光ファイバコイル２８の同じ終端５２からの光をビームスプリッタ４４へ導くためのレンズ５０を含むことができる。光ファイバコイル２８は、所定の化学的／生物学的作用物質（例えば光ファイバコイル２８に埋め込まれたインジケータに関連するもの）を検出するための浸透性の容器５４（例えば浸透性の外側クラッディング）に収容される。反射器４８、ファイバコイル２８および反射器６０は、ともに線形の共振器４１を形成する。低損失共振器を実現するために、ミラー４８および６０は、ファイバチップまたはファイバ端５２および５６上に直接形成されるかまたは蒸着され得る。

同期検波が使用され得るように、変調器５８（例えば圧電変換器）が光ファイバコイル２８に結合され得て、共振線幅を求めている間、光ファイバコイル２８を通って循環する光の経路長を変調（例えば正弦波状の変調）する。例えば、レーザ４２によって生成された入力光ビームが、共振周波数ｆ_０を通って走査されるか、または共振器４１および変調器５８が、光ファイバコイル２８を通って循環する光の経路長を正弦波状に変調する。別の例示の実施形態では、レーザ４２がそれに統合された周波数変調能力を有するとき、変調器５８は省略される。別の例示の実施形態では、レーザ周波数が固定され、周波数の走査と変調の両方が変調器５８によって実施される。後の例では、共振器の共振周波数は、レーザ周波数の領域を通してスキャンされるが、このことは、共振器４１の一定の共振周波数にわたってレーザ周波数を走査することと基本的に同等である。

レーザ４２からの入力光ビームは、ビームスプリッタ４４によって、光ファイバコイル２８の第１の終端５２へ入力光ビームを導く入力要素４６へ導かれる。共振器４１に関連した共振周波数に同調されたとき、入力光ビームのほとんどは光ファイバコイル２８に入る。光ファイバコイル２８を通って伝搬した後に、光は、光ファイバコイル２８の第２の終端５６から出現し、第２の終端５６で、光ファイバコイル２８内へ光を反射して戻す出力ミラー６０上に当る。光出力は、光ファイバコイル２８の第１の終端５２で、光ファイバコイル２８中を前後に伝搬する光からもたらされ、これが入力要素４６によってビームスプリッタ４４へ導かれる。ビームスプリッタ４４は、光検出器６２に出力された光の一部を反射するが、これは、図１に示された電子モジュール１６などの電子装置に結合され得る。

図３は、本発明の別の例示の実施形態によりリング共振器７１を有する化学的／生物学的作用物質センサ７０の概略図である。この例示の実施形態では、レーザ４２は、リング共振器７１へ入力光ビームを導入する。化学的／生物学的センサ７０は、レーザ４２、ビームスプリッタ４４、入力ミラー４８、入力要素４６、光ファイバコイル２８、出力要素７２、出力ミラー７６および光検出器６２を備える。光ファイバコイル２８は、浸透性かまたはなかば開いた容器５４に収容され、変調器５８（例えば圧電変換器）は、光ファイバコイル２８に結合され得て、共振線幅を求めている間、光ファイバコイル２８を通って循環する光の経路を変調（例えば正弦波状の変調および／または共振周波数の走査）する。ミラー４８および７６、光ファイバコイル２８、入力要素４６ならびに出力要素７２は、ともに共振器７１を形成する。一実施形態では、ミラー４８および７６が十分な曲率を有して、その結果、入力要素４６および出力要素７２が省略され得る。別の実施形態では、ミラー４８および７６、入力要素４６ならびに出力要素７２は、光ファイバコイル２８に接合された１つまたは複数の光ファイバ結合器で置換される。

レーザ４２からの入力光ビームは、入力要素４６に入力光ビームの一部を伝達する入力ミラー４８に導かれる。入力要素４６は、入力ミラー４８からの光を光ファイバコイル２８の第１の終端５２へ導く。共振器７１の共振周波数に同調されたとき、入力光ビームのほとんどは光ファイバコイル２８の第１の終端５２に入る。光は、光ファイバコイル２８を通って伝搬した後に、光ファイバコイル２８の第２の終端５６から出現し、出力要素７２に導かれる。出力要素７２は、光ファイバコイル２８の第２の終端５６からの光を出力ミラー７６へ導くためのレンズ７４を含むことができる。出力ミラー７６は、出力要素７２からの光を入力ミラー４８へ反射し、入力ミラー４８は、この光のほとんどを入力要素４６に導いて、共振器７１の光路を完成する。光出力は、光ファイバコイル２８を含む光路のまわりで循環する光から、共振器７１内で循環する比較的小さな部分の光を光検出器６２へ渡す出力ミラー７６においてもたらされる。

図４は、本発明の別の例示の実施形態により多重化された化学的／生物学的作用物質センサ８０の概略図である。センサ８０は、シリコンを基材とする微小光学台８２、微小光学台８２に結合された複数の光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２を備える。微小光学台８２は、電子装置（例えば図１に示された電子モジュール１６）、および光学部品（例えばビームスプリッタ４４、入出力ミラー４８、６０、７６、入出力要素４６、７２、および図２および図３に示された光検出器６２）を集積する。例えば、電子モジュール１６、光検出器２６、発光源１８、鏡面反射器２０、２２、および図１に示された入力ミラー２４は、微小光学台８２を用いて統合され得る。センサ８０は、（例えば１つまたは複数のファイバのＶ字形溝および／または入力ミラーによって）各光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２に結合された微小光学台８２上に形成されたマルチプレクサ８３をさらに含むが、必ずしもこれに限定されない。

例示の一実施形態では、マルチプレクサ８３は、入力光ビームを各光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２に導き、かつ各光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２を通って循環した出力光ビームを光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２から受ける。マルチプレクサ８３は、各光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２への同時伝送のために複数の入力光ビームを生成してよく、または、入力光ビームを各光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２へ時分割多重化してもよい。出力光ビームの各々は、１つまたは複数の入力ミラーに導かれて光出力（これから共振ライン形状が求められ得る）を生成し、かつ対応する光ファイバコイルに導き戻され得て共振器光路を完成する。各入力光ビームは、対応する光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２の共振周波数にわたって走査される。前述のように、これも、一定の平均入力光周波数を使用し、各共振器経路長を走査して（したがって共振ライン形状を通して走査して）達成され得る。各光ファイバコイルは、そこに埋め込まれて様々な化学的／生物学的作用物質に反応するインジケータを有する。別の例示の実施形態では、光ファイバコイル（例えば光ファイバコイル９２）のうちの１つは、核放射線で照射されたとき薄黒くなるドーパントを埋め込まれる。特定の光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２の光出力に関連した共振ライン形状幅の変化は、対応する化学的／生物学的作用物質の存在または核放射線の存在を示す。センサ８０を使用すると、共通の出力インターフェイスを有する単一デバイスを使用して複数の化学的／生物学的作用物質および核放射線が検出され得る。センサ８０は、検出データの伝達のためにさらに無線送信機を含むことができる。

図５は、本発明の別の例示の実施形態によって環境中の１つまたは複数の作用物質を感知するための方法１００の流れ図である。ステップ１０５に示されるように、入力光ビームは、少なくとも１つの共振器を通って循環される。各共振器は、光ファイバコイル（例えば図４に示される光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２）を有する。各光ファイバコイルは、様々な作用物質（例えば化学的／生物学的作用物質）と反応するインジケータが組み込まれているか、または核放射線で薄黒くなるドーパントを有する。例示の一実施形態では、第１の光ビームは第１の光ファイバコイルを通って循環され、第２の光ビームは第２の光ファイバコイルを通って循環される。第１の光ファイバコイル内には、第１の作用物質（例えばセリン）と反応する第１のインジケータが埋め込まれており、第２の光ファイバコイルは核放射線で薄黒くなるドーパントを有する。別の例示の実施形態では、光は光ファイバコイルの第１の終端へ導かれて光ファイバコイルの第２の終端から出現し、ここで光は図２に示された出力ミラー６０によるなどして、第１の光ファイバコイルの第２の終端へ反射して戻される。光ファイバコイルの第１の終端から出現する光の一部は、図２に示された入力ミラー４８によるなどして、光ファイバコイルの第１の終端へ導き戻される。別の例示の実施形態では、光は入力ミラーによって光ファイバコイルの第１の終端へ導かれて光ファイバコイルの第２の終端から出現し、ここで光は光学要素（例えば図３に示された出力要素７２）によって受けられる。光学要素は、光ファイバコイルの第２の終端から出現する光を出力ミラー（例えば図３に示された出力ミラー７６）へ導き、出力ミラーは、光学要素から入力ミラーへ光を反射する。入力ミラーは、出力ミラーからの光の一部を第１の光ファイバコイルの第１の終端へ導く。

共振形状は、ステップ１１０に示されるように、入力光ビームから導出された循環光ビームから生成される。光ファイバコイル内を循環する光から共振ライン形状を求めるとき、入力光ビームは、高感度光ファイバコイルを含む共振器の共振ライン形状にわたって走査される。ステップ１１５に示されるように、共振形状の所定の変化が検出される。この変化は、共振ライン形状で表されたエネルギー損の所定量であり得る。この所定の変化は、環境中に作用物質が存在することを示す。

前述の本発明の詳細な説明で少なくとも１つの例示の実施形態が示されたが、多数の変形形態が存在することを理解されたい。１つまたは複数の例示の実施形態が単なる例であり、本発明の範囲、適用可能性または構成を限定するようには少しも意図されていないことも理解されたい。むしろ、前述の詳細な説明は、当業者に、本発明の１つまたは複数の例示の実施形態を実施するための都合のよいロードマップを提供するであろう。添付の特許請求の範囲で明らかにされた本発明の範囲から逸脱することなく、例示の実施形態で説明された要素の機能および配置において様々な変更が加えられ得ることが理解される。

本発明の例示の実施形態による化学的／生物学的作用物質センサの概略図である。 本発明の別の例示の実施形態により線形共振器を有する化学的／生物学的作用物質センサの概略図である。 本発明の別の例示の実施形態によりリング共振器を有する化学的／生物学的作用物質センサの概略図である。 本発明の例示の実施形態により多重化された化学的／生物学的作用物質センサの概略図である。 本発明の例示の実施形態によって環境中の１つまたは複数の化学的／生物学的作用物質を感知するための方法の流れ図である。

符号の説明

１０、４０、７０、８０ 化学的／生物学的作用物質センサ
１２、４１、７１ 共振器
１４、８２ 微小光学台
１６ 電子モジュール
１８ 発光源
２０、２２ 鏡面反射器
２４ リサーキュレータ
２６、６２ 光検出器
２８、８４、８６、８８、９０、９２ 光ファイバコイル
３０ 化学的／生物学的作用物質
３１、３２、５２、５６ 終端
４２ レーザ
４４ ビームスプリッタ
４６ 入力要素
４８、６０、７６ ミラー
５０ レンズ
５４ 容器
５８ 変調器
７２ 出力要素
８３ マルチプレクサ
１００ 方法
１０５、１１０、１１５ ステップ

Claims (3)

1. 共振周波数を有し、かつ光ファイバコイル（２８）を備えた共振器（１２）を備える、環境中の作用物質を検出するための装置であって、
   前記光ファイバコイル（２８）は、クラッディングおよび前記クラッディングに埋め込まれたインジケータを備え、前記インジケータは、１つまたは複数の作用物質の第１の作用物質（３０）に反応するように構成され、前記共振器（１２）は、
   前記光ファイバコイル（２８）を通して入力光を伝搬させ、かつ
   前記共振周波数に中心がある共振形状を生成するように構成され、前記共振形状が前記入力光によって測定され、前記共振形状の所定の変化は、環境中に第１の作用物質（３０）が存在することを示す、
   装置。
2. 前記入力光を生成するように構成された発光源（１８）と、
   前記発光源（１８）から前記入力光を受けて前記共振器（１２）に前記入力光を伝えるように構成された第１の反射器（２０）と、
   前記共振器（１２）から出力光を受けるように構成された第２の反射器（２２）と、
   前記出力光から前記共振形状を検出するように構成された光検出器（２６）とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. １つまたは複数の作用物質のうち１つの作用物質（３０）と反応するように構成されたインジケータが組み込まれる少なくとも１つのファイバ共振器（１２）を通して入力光ビームを伝搬させるステップと、
   前記入力光ビームから導出された循環光ビームから共振形状を生成するステップと、
   環境中に前記第１の作用物質（３０）が存在することを示す前記共振形状の所定の変化を検出するステップとを含む、
   環境中の１つまたは複数の作用物質を検出するための方法。

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