JP2012251963A - Refractive index detection method and optical fiber sensor system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバで導波したレーザ光の回折光を利用して被検体の屈折率を検出する検出方法及び光ファイバセンサシステムに関するものである。 The present invention relates to a detection method and an optical fiber sensor system for detecting a refractive index of a subject using diffracted light of laser light guided by an optical fiber.
従来、光ファイバを利用した各種のセンサシステムが提案されている。従来のセンサシステムでは、光ファイバの中途部分にコア内の光をリークさせるセンサ部を設けており、リークさせた光の散乱等による透過損失を検出することにより歪みや温度等の変動を検出可能としている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照。)。
Conventionally, various sensor systems using optical fibers have been proposed. In the conventional sensor system, a sensor part that leaks the light in the core is provided in the middle part of the optical fiber, and it is possible to detect fluctuations in distortion, temperature, etc. by detecting transmission loss due to scattering of the leaked light, etc. (For example, refer to
センサシステムのセンサ部では、コアとクラッドとで構成された光ファイバのクラッドを部分的に除去してコアを露出させたり、あるいは、センサ部のコア径をセンサ部以外の部分の光ファイバのコア径よりも小さくまたは大きくしたり、場合によって、コアを有さずにクラッドだけとしたりして、光ファイバで導波した光を効果的にリークさせるようにしている。 In the sensor part of the sensor system, the optical fiber composed of the core and the clad is partially removed to expose the core, or the core diameter of the sensor part other than the sensor part is the core of the optical fiber. The light guided by the optical fiber is effectively leaked by making it smaller or larger than the diameter, or by using only the clad without the core in some cases.
特に、界面活性剤の濃度測定に用いるセンサシステムでは、被検体の界面活性剤溶液に発色指示薬を添加しておき、光をリークさせているセンサ部において生じたエバネッセント波のエネルギーを発色指示薬に移動させることによって、界面活性剤溶液の濃度に依存した光の透過損失を検出して濃度測定を行うことが提案されている(例えば、特許文献3参照。)。 In particular, in a sensor system used for measuring the concentration of a surfactant, a coloring indicator is added to the surfactant solution of the analyte, and the energy of the evanescent wave generated in the sensor part that leaks light is transferred to the coloring indicator. Thus, it has been proposed to measure the concentration by detecting light transmission loss depending on the concentration of the surfactant solution (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、従来の光ファイバセンサシステムでは、センサ部においてリークさせた光はエネルギーの損失でしかなく、エネルギーロスの多いセンサシステムであった。 However, in the conventional optical fiber sensor system, the light leaked in the sensor unit is only energy loss, and the sensor system has a lot of energy loss.
特に、光ファイバセンサシステムでのセンサ感度を高めるためには、光をできるだけ多くリークさせた方がよく、それだけエネルギーロスが大きくなってしまうという問題があった。 In particular, in order to increase the sensor sensitivity in the optical fiber sensor system, it is better to leak as much light as possible, and there is a problem that energy loss increases accordingly.
このような現状に鑑み、本発明者らは、グースヘンシェンシフトとして知られている位相変化を利用することにより、エネルギーロスの少ない光ファイバセンサシステムを構成すべく研究開発を行って、本発明を成すに至ったものである。 In view of such a current situation, the present inventors have conducted research and development to configure an optical fiber sensor system with less energy loss by utilizing a phase change known as a Goose Henschen shift. It has come to make.
本発明の屈折率の検出方法では、被検体の屈折率を検出する屈折率の検出方法において、入射されたレーザ光を回折させることにより生じさせた回折光を全反射させながら導く導波体を被検体内に配設して、全反射にともなって回折光に生じる位相変化に基づいて屈折率を検出するものである。 According to the refractive index detection method of the present invention, in the refractive index detection method for detecting the refractive index of an object, a waveguide for guiding the diffracted light generated by diffracting incident laser light while totally reflecting it is provided. It is disposed in the subject and detects the refractive index based on the phase change that occurs in the diffracted light due to total reflection.
また、本発明の光ファイバセンサシステムでは、レーザ光を出射する投光器と、投光器に一端を接続してレーザ光を導く第1の光ファイバと、第1の光ファイバの他端を接続して第1の光ファイバから入射されたレーザ光を回折させて回折光を生じさせるとともに全反射させながら導く長手状の導波体と、第1の光ファイバと対向させて導波体に一端を接続した第2の光ファイバと、第2の光ファイバの他端を接続した受光器と、受光器から出力された信号を解析する解析器とを備えた光ファイバセンサシステムであって、導波体をセンサ部として、導波体と接した被検体の屈折率を導波体での全反射によって回折光に生じた位相変化に基づいて検出するものである。 In the optical fiber sensor system of the present invention, a projector that emits laser light, a first optical fiber that guides the laser light by connecting one end to the projector, and a second optical fiber sensor that connects the other end of the first optical fiber are connected. A laser beam incident from one optical fiber is diffracted to generate diffracted light and guided while being totally reflected, and one end is connected to the waveguide facing the first optical fiber. An optical fiber sensor system comprising: a second optical fiber; a photoreceiver connected to the other end of the second optical fiber; and an analyzer for analyzing a signal output from the photoreceiver. As the sensor unit, the refractive index of the subject in contact with the waveguide is detected based on the phase change generated in the diffracted light by total reflection at the waveguide.
さらに、本発明の光ファイバセンサシステムでは、以下の点にも特徴を有するものである。
(1)導波体は、第1及び第2の光ファイバのコアと同材質とするとともに、導波体の径方向の寸法を第1の光ファイバのコア及び第2の光ファイバのコアの寸法よりも大きくしていること。
(2)第2の光ファイバのコアの寸法を、第1の光ファイバのコアの寸法よりも大きくしていること。
(3)導波体は、第1の光ファイバ側から第2の光ファイバ側にかけて径方向の寸法を漸次拡大または漸次縮小させたテーパ状としていること。
(4)導波体は、第1の光ファイバ側の端部の外周形状を第1の光ファイバの端部の外周形状と一致させているとともに、第2の光ファイバ側の端部の外周形状を第2の光ファイバの端部の外周形状と一致させていること。
(5)導波体は、第1の光ファイバ側の端部における径方向の寸法を、第1の光ファイバの径寸法よりも大きくまたは小さくしていること。
(6)導波体は、第2の光ファイバ側の端部における径方向の寸法を、第2の光ファイバの径寸法よりも大きくまたは小さくしていること。
(7)導波体は、径方向と平行な断面の形状を、断面の中心を回転対称軸とする対称性を有する形状としていること。
(8)導波体は、径方向と平行な断面の形状を楕円形状としていること。
Furthermore, the optical fiber sensor system of the present invention is also characterized by the following points.
(1) The waveguide is made of the same material as the cores of the first and second optical fibers, and the radial dimension of the waveguide is the same as that of the cores of the first optical fiber and the second optical fiber. It must be larger than the dimensions.
(2) The size of the core of the second optical fiber is larger than the size of the core of the first optical fiber.
(3) The waveguide has a tapered shape in which the radial dimension is gradually enlarged or gradually reduced from the first optical fiber side to the second optical fiber side.
(4) The waveguide has the outer peripheral shape of the end portion on the first optical fiber side matched with the outer peripheral shape of the end portion of the first optical fiber, and the outer periphery of the end portion on the second optical fiber side The shape is matched with the outer peripheral shape of the end of the second optical fiber.
(5) In the waveguide, the radial dimension at the end portion on the first optical fiber side is larger or smaller than the radial dimension of the first optical fiber.
(6) In the waveguide, the radial dimension at the end portion on the second optical fiber side is larger or smaller than the radial dimension of the second optical fiber.
(7) The waveguide has a cross-sectional shape parallel to the radial direction and a shape having symmetry with the center of the cross-section as the rotational symmetry axis.
(8) The waveguide has an elliptical cross-sectional shape parallel to the radial direction.
本発明の屈折率の検出方法によれば、入射されたレーザ光を回折させることにより生じさせた回折光を全反射させながら導く導波体を被検体内に配設して、全反射にともなって回折光に生じるグースヘンシェンシフトの位相変化に基づいて屈折率を検出することにより、光をリークさせる必要がなく、エネルギーロスの小さい検出方法とすることができる。 According to the refractive index detection method of the present invention, a waveguide that guides the diffracted light generated by diffracting the incident laser light while totally reflecting it is disposed in the subject, and the total reflection is caused. Thus, by detecting the refractive index based on the phase change of the Goose-Henschen shift that occurs in the diffracted light, it is not necessary to leak light, and a detection method with low energy loss can be obtained.
また、本発明の光ファイバセンサシステムによれば、第1の光ファイバから入射されたレーザ光を回折させて回折光を生じさせるとともに全反射させながら導く長手状の導波体をセンサ部として、導波体と接した被検体の屈折率を導波体での全反射によって回折光に生じたグースヘンシェンシフトの位相変化に基づいて検出することにより、光をリークさせる必要がなく、エネルギーロスの小さい光ファイバセンサシステムとすることができる。 In addition, according to the optical fiber sensor system of the present invention, the longitudinal waveguide that guides the laser light incident from the first optical fiber while diffracting the light and generating the diffracted light as a total reflection is used as the sensor unit. By detecting the refractive index of the subject in contact with the waveguide based on the phase change of the Goose-Henschen shift caused in the diffracted light due to total reflection at the waveguide, there is no need to leak light and energy loss Of the optical fiber sensor system.
本発明の屈折率の検出方法、及びこの屈折率の検出方法を利用した光ファイバセンサシステムでは、従来の光ファイバセンサシステムのような透過損失を利用するものではなく、光の全反射時に生じるグースヘンシェンシフトの位相変化を利用して、被検体の屈折率を検出しているものである。 The refractive index detection method of the present invention and the optical fiber sensor system using this refractive index detection method do not use transmission loss as in the conventional optical fiber sensor system, but goose generated during total reflection of light. The refractive index of the subject is detected using the phase change of the Henschen shift.
グースヘンシェンシフトとは、図1に示すように、屈折率n1の物質A中の光Lが、屈折率n1の物質Aと屈折率n2の物質Bとの境界面Pで全反射する場合に位相遅れが生じて、境界面よりも屈折率n2の物質B側の仮想反射面P'で反射しているかのように、少し遅れてから反射する状態となることである。ここで、屈折率n2の物質B側に染み出しているのは、光Lの伝搬にともなう電磁界であって、この電磁界によってエバネッセント波が生じている。 The Goos Shen shift, as shown in FIG. 1, the total reflection at the boundary surface P of the light L in the material A in the refractive index n 1 is a substance A having a refractive index n 1 and the substance B having a refractive index n 2 In this case, a phase delay occurs, and reflection occurs after a slight delay as if it is reflected by the virtual reflection surface P ′ on the side of the substance B having the refractive index n 2 from the boundary surface. Here, what oozes out toward the substance B having the refractive index n 2 is an electromagnetic field accompanying the propagation of the light L, and an evanescent wave is generated by this electromagnetic field.
グースヘンシェンシフトによる位相変化の大きさは屈折率n2と相関を有するので、本発明では、グースヘンシェンシフトにより生じた位相変化の影響を光の干渉を利用して検出し、屈折率n2の特定を可能としている。 Since the magnitude of the phase change due to the Goose Henschen shift has a correlation with the refractive index n 2 , in the present invention, the influence of the phase change caused by the Goose Henschen shift is detected using light interference, and the refractive index n 2 can be specified.
特に、効果的にグースヘンシェンシフトを生じさせるために、本発明では、センサ部となる導波体において回折光を全反射させながら導くこととし、しかも、導波体に接続した光ファイバからレーザ光を導波体に入射させる際に回折を生じさせて、回折光を得ることとしている。 In particular, in order to effectively cause the Goose Henschen shift, in the present invention, the diffracted light is guided while being totally reflected in the waveguide serving as the sensor unit, and the laser is emitted from the optical fiber connected to the waveguide. When light enters the waveguide, diffraction is generated to obtain diffracted light.
この導波体を被検体内に配設することにより導波体と被検体とを接触させ、導波体内を導かれる回折光にグースヘンシェンシフトによる位相変化を生じさせている。ここで、被検体は、一般的には液体や気体であるが、導波体と緊密に接触できるのであれば固体であってもよく、あるいは屈折率を測定する時だけ固体状となっていたりするものであってもよい。 By arranging the waveguide in the subject, the waveguide and the subject are brought into contact with each other, and a phase change due to the Goose Henschen shift is caused in the diffracted light guided through the waveguide. Here, the subject is generally a liquid or a gas, but may be solid as long as it can be in close contact with the waveguide, or it may be solid only when measuring the refractive index. You may do.
以下において、図面を用いながら本発明の光ファイバセンサシステムを詳説する。図2は、本発明の光ファイバセンサシステムの概略模式図である。 Hereinafter, an optical fiber sensor system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic diagram of the optical fiber sensor system of the present invention.
光ファイバセンサシステムは、レーザ光を出射する投光器11と、投光器11に一端を接続してレーザ光を導く第1光ファイバ12と、第1光ファイバ12の他端を接続した長手状の導波体13と、第1光ファイバ12と対向させて導波体13に一端を接続した第2光ファイバ14と、第2光ファイバ14の他端を接続した受光器15と、受光器15から出力された信号を解析する解析器16とを備えている。
The optical fiber sensor system includes a
投光器11は、所定の波長のレーザ光を出射できるレーザ光源である。投光器11は、単一の波長のレーザ光を出射できるレーザ光源であってもよいし、所定の帯域の波長のレーザ光を出射できるレーザ光源であってもよい。なお、所定の帯域の波長のレーザ光を出射できるレーザ光源を用いる場合には、解析器16からの制御信号の入力を可能として、解析器16の制御に基づいてレーザ光を出射するようにすることが望ましい。
The
第1光ファイバ12は、投光器11から出射されたレーザ光を導くことができる光ファイバであり、コア12aと、クラッド12bと、図示しない被腹膜とで構成している。第1光ファイバ12のコア12aは、導波体13に入射した光に強い回折を生じさせることができるように、できるだけ径寸法の小さいものを用いることが望ましい。
The first
導波体13は、第1光ファイバ12のコア12aと同材質の透光材料で形成しており、第1光ファイバ12から入射されたレーザ光を回折させて回折光を生じさせるとともに全反射させながら導くこととしている。導波体13と第1光ファイバ12のコア12aとを同材質とすることにより、第1光ファイバ12から導波体13に入射されたレーザ光はリークすることなく導波体13に入射させることができる。なお、導波体13は、必ずしも第1光ファイバ12のコア12aと同材質である必要はなく、第1光ファイバ12から導波体13に入射されたレーザ光を、できるだけ少ないリークで導波体13内に導くことができればよい。
The
導波体13は、最も簡単には円柱体としてよいが、円柱体に限定するものではなく、径方向と平行な断面の形状を、断面の中心を回転対称軸とする対称性を有する形状としてもよい。具体的には、断面の形状が長方形または正方形となっている四角柱体や、断面の形状が六角形となっている六角柱体や、断面の形状が楕円形となっている楕円柱体等であってもよい。
The
導波体13は、必ずしも長手方向に一様な断面を有する棒状となっているものに限定するものではなく、図3に示すように、第1光ファイバ12側から第2光ファイバ14側にかけて径方向の寸法を漸次拡大させたテーパ状としてもよいし、逆に、図4に示すように、第1光ファイバ12側から第2光ファイバ14側にかけて径方向の寸法を漸次縮小させたテーパ状としてもよい。
The
導波体13は、第1光ファイバ12のコア12aと同材質の材料を用いて、第1光ファイバ12とは別に形成しており、放電を利用した既存の融着接続器を用いて第1光ファイバ12と接続している。
The
したがって、導波体13では、図3及び図4に示すように、導波体13の第1光ファイバ12側の端部の外周形状を第1光ファイバ12の端部の外周形状と一致させて連続的とした方が、融着接続器による接続作業を確実に行うことができるが、場合によっては、図5に示すように、導波体13の第1光ファイバ12側の端部における径方向の寸法を、第1光ファイバ12の径寸法よりも大きくしてもよいし、逆に、図6に示すように、導波体13の第1光ファイバ12側の端部における径方向の寸法を、第1光ファイバ12の径寸法よりも小さくしてもよい。
Therefore, in the
第2光ファイバ14は、第1光ファイバ12と対向させて導波体13に一端を接続して、導波体13内の回折光を後段の受光器15に導く光ファイバであり、コア14aと、クラッド14bと、図示しない被腹膜とで構成している。
The second
第2光ファイバ14のコア14aは、導波体13及び第1光ファイバ12のコア12aと同材質の透光材料で形成しており、導波体13と第2光ファイバ14のコア14aとの界面で反射を生じさせることなく、導波体13内の回折光を第2光ファイバ14のコア14aに導けるようにしている。なお、第1光ファイバ12の場合と同様に、導波体13と第2光ファイバ14のコア14aとは、必ずしも同材質である必要はなく、導波体13内の光をできるだけ損失させることなく第2光ファイバ14のコア14aに入射させることができればよい。
The core 14a of the second
ここで、導波体13から第2光ファイバ14のコア14aに導かれた光は干渉光となっている。すなわち、第2光ファイバ14で導かれる光は、第1光ファイバ12のコア12aから第2光ファイバ14のコア14aまで導波体13内を直線的に進んだ直進光と、導波体13内で全反射することによりグースヘンシェンシフトの位相変化を受けた回折光とが干渉した光となっており、この干渉光が受光器15に導かれることとなっている。
Here, the light guided from the
そのため、第2光ファイバ14のコア14aの径寸法を小さくすると、直進光と干渉する回折光の第2光ファイバ14への入射が制限されることにより、直進光からの位相ズレの小さい回折光だけが第2光ファイバ14に入射することとなって、波の重ね合わせにより直進波を増幅したような回折波が受光器15に導かれることとなっている。
Therefore, if the diameter of the core 14a of the second
一方、第2光ファイバ14のコア14aの径寸法を大きくすると、直進光からの位相ズレの大きい回折光も第2光ファイバ14に入射することとなって、波の重ね合わせにおいて位相ズレの大きい回折光の成分による緩和を受けた干渉光が受光器15に導かれることとなっている。
On the other hand, when the diameter of the core 14a of the second
この直進光からの位相ズレの大きい回折光の影響は、第2光ファイバ14のコア14aの寸法で調整でき、センサ部に要求される感度に応じて、適宜とすることができる。
The influence of the diffracted light having a large phase shift from the straight light can be adjusted by the dimension of the core 14a of the second
なお、第2光ファイバ14のコア14aの寸法を第1光ファイバ12のコア12aの寸法よりも大きくした場合には、第2光ファイバ14の寸法を第1光ファイバ12の寸法よりも大きくしてもよいし、第2光ファイバ14のクラッド14bで調整して、第2光ファイバ14の寸法を第1光ファイバ12の寸法に一致させてもよい。
When the dimension of the core 14a of the second
第2光ファイバ14は、導波体13と融着接続器を用いて接続しており、図3及び図4に示すように、導波体13の第2光ファイバ14側の端部の外周形状を第2光ファイバ14の端部の外周形状と一致させて連続的とした方が、融着接続器による接続作業を確実に行うことができる。
The second
ただし、場合によっては、図5に示すように、導波体13の第2光ファイバ14側の端部における径方向の寸法を、第2光ファイバ14の径寸法よりも大きくしてもよいし、逆に、図6に示すように、導波体13の第2光ファイバ14側の端部における径方向の寸法を、第2光ファイバ14の径寸法よりも小さくしてもよい。
However, in some cases, as shown in FIG. 5, the radial dimension at the end of the
また、必要に応じて、例えば図7に示すように、導波体13は、第1光ファイバ12側の端部における径方向の寸法を第1光ファイバ12の径寸法よりも大きくし、第2光ファイバ14側の端部における径方向の寸法を第2光ファイバ14の径寸法よりも小さくしてもよい。
If necessary, for example, as shown in FIG. 7, the
受光器15は、フォトセンサ等の光電変換素子を備えており、第2光ファイバ14によって導かれた光を受けて、光の強度、すなわち透過光量に対応した信号を出力することとしている。
The
解析器16は、受光器15から出力された信号から透過光量を特定し、透過光量から屈折率を特定する。
The
ここで、投光器11が単一の波長のレーザ光を出射するレーザ光源である場合には、予め解析器16に登録された透過光量と屈折率の相関テーブルに基づいて、屈折率を特定することとしている。
Here, when the
また、投光器11が所定の帯域の波長のレーザ光を出射するレーザ光源である場合には、出射する波長を変えながら透過光量を検出し、透過光量が最大となる波長を特定し、特定された波長と屈折率の相関テーブルに基づいて、屈折率を特定することとしている。
Further, when the
さらに、例えば糖度等のように屈折率との相関性を有している物性の相関テーブルがある場合には、その相関テーブルを用いて物性値を特定することもできる。すなわち、被検体の糖度変化を検出することもできる。 Further, when there is a physical property correlation table having a correlation with the refractive index, such as sugar content, the physical property value can be specified using the correlation table. That is, a change in the sugar content of the subject can also be detected.
特に、解析器16は、パーソナルコンピュータで構成しており、光ファイバセンサシステムの動作プログラムに基づいてCPUを制御部として機能させるとともに、透過光量と屈折率の相関テーブルや波長と屈折率の相関テーブル、さらには屈折率と糖度等の物性値の相関テーブルを予めハードディスクに記憶させておくことにより、屈折率だけでなく所定の物性値を検出できる光ファイバセンサシステムとすることができる。
In particular, the
ここで、センサ部としての導波体13は、気体状または液体状の被検体内、あるいは固体状の被検体内に配設することにより被検体を導波体13に接触させ、導波体13と接触した被検体の屈折率あるいは所定の物性値を検出している。
Here, the
第1実施例として、コア径が典型値8.2μm、クラッド径が125μmである第1光ファイバと、この第1光ファイバと同じコア径が典型値8.2μm、クラッド径が125μmの第2光ファイバを用い、径寸法が125μmで、長さが100mmの円柱状とした導波体の端部にそれぞれ融着接続器を用いて接続することによりセンサ部を作成した。 As a first embodiment, a first optical fiber having a typical core diameter of 8.2 μm and a cladding diameter of 125 μm, and a second optical fiber having the same core diameter as the first optical fiber of a typical value of 8.2 μm and a cladding diameter of 125 μm The sensor part was created by connecting each end of a cylindrical waveguide having a diameter of 125 μm and a length of 100 mm using a fusion splicer.
このセンサ部を用い、空気中と水中での入射光波長に対する透過光量を測定した結果を図8に示す。 FIG. 8 shows the result of measuring the amount of transmitted light with respect to the incident light wavelength in air and water using this sensor unit.
図8に示すように、ある特定の波長(図8においては空気中(図8中の実線)で約921nm、水中(図8中の破線)で約925nm)において直線光と回折光の重ね合わせによるピークが存在し、空気中と水中というセンサ部周りの屈折率の違いによりピークの波長のシフトが生じていることが分かる。 As shown in FIG. 8, superposition of linear light and diffracted light at a specific wavelength (in FIG. 8, about 921 nm in air (solid line in FIG. 8) and about 925 nm in water (dashed line in FIG. 8)). It can be seen that there is a peak wavelength shift due to the difference in refractive index around the sensor part between air and water.
第2実施例として、コア径が典型値8.2μm、クラッド径が125μmである第1光ファイバと、コア径が約50μm、クラッド径が125μmの第2光ファイバを用い、径寸法が125μmで、長さが100mmの円柱状とした導波体の端部にそれぞれ融着接続器を用いて接続することによりセンサ部を作成した。 As a second embodiment, a first optical fiber having a core diameter of 8.2 μm typical and a cladding diameter of 125 μm and a second optical fiber having a core diameter of about 50 μm and a cladding diameter of 125 μm are used. A sensor part was created by connecting each end of a cylindrical waveguide having a length of 100 mm using a fusion splicer.
このセンサ部を用い、空気中と水中での入射光波長に対する透過光量を測定した結果を図9に示す。 FIG. 9 shows the result of measuring the amount of transmitted light with respect to the incident light wavelength in air and water using this sensor unit.
図9に示すように、ある特定の波長(図9においては空気中(図9中の実線)で約909nm、水中(図9中の破線)で約913nm)において直線光と回折光の重ね合わせによるピークが存在し、空気中と水中というセンサ部周りの屈折率の違いによりピークの波長のシフトが生じていることが分かる。 As shown in FIG. 9, linear light and diffracted light are superimposed at a specific wavelength (in FIG. 9, about 909 nm in the air (solid line in FIG. 9) and about 913 nm in water (dashed line in FIG. 9)). It can be seen that there is a peak wavelength shift due to the difference in refractive index around the sensor part between air and water.
また、図8と図9の比較から分かるように、第2光ファイバのコア径を大きくすることにより、透過光量のピーク前及びピーク後の光強度の変化率が小さくなっており、第2光ファイバのコア径によってセンサ部の感度が調整可能であることがわかる。 Further, as can be seen from the comparison between FIG. 8 and FIG. 9, by increasing the core diameter of the second optical fiber, the rate of change of the light intensity before and after the peak of the transmitted light amount is reduced. It can be seen that the sensitivity of the sensor part can be adjusted by the fiber core diameter.
図8及び図9でのピークの位置は、導波体の径寸法や長さによって変動するものであり、所定の波長部分にピークが生じるように導波体の径寸法や長さ、さらには形状を調整してよい。 The position of the peak in FIGS. 8 and 9 varies depending on the diameter and length of the waveguide, and the diameter and length of the waveguide so that a peak occurs at a predetermined wavelength portion. The shape may be adjusted.
また、図9の図中に示す約915nm近くに表示した縦軸と平行な一点鎖線に注目すると、約915nmの波長の光に対して、水中での光強度が空気中での光強度よりも7dB程度大きくなっていることから、この光強度の変動を利用した光ファイバセンサシステムとすることもできる。 Further, when attention is paid to the one-dot chain line parallel to the vertical axis displayed near about 915 nm shown in FIG. 9, the light intensity in water is higher than the light intensity in air for light having a wavelength of about 915 nm. Since it is increased by about 7 dB, an optical fiber sensor system using this fluctuation in light intensity can be obtained.
第3実施例として、第1実施例のセンサ部を用い、エタノールと水の混合溶液の混合比の検出を行ってみた。 As a third example, detection of the mixing ratio of a mixed solution of ethanol and water was performed using the sensor unit of the first example.
エタノールと水の混合溶液は、図10に示すように混合比に応じて屈折率が変動することが知られており、これを用いて本発明の光ファイバセンサシステムの実用性の検証を行った。 As shown in FIG. 10, it is known that the refractive index of the mixed solution of ethanol and water varies depending on the mixing ratio. Using this, the practicality of the optical fiber sensor system of the present invention was verified. .
各混合比としたエタノールと水の混合溶液にセンサ部を浸漬させ、入射光波長を変動させながら透過光量が最大となる波長の特定を行った結果、図11に示すように、エタノールと水の混合溶液の混合比と、透過光量が最大となる波長との間に相関があることが確かめられた。このことから、本発明の光ファイバセンサシステムは、少なくともエタノールと水の混合溶液の混合比のセンサとして利用できることが分かる。 As a result of immersing the sensor part in a mixed solution of ethanol and water with each mixing ratio and specifying the wavelength that maximizes the amount of transmitted light while varying the incident light wavelength, as shown in FIG. It was confirmed that there was a correlation between the mixing ratio of the mixed solution and the wavelength at which the amount of transmitted light was maximum. From this, it can be understood that the optical fiber sensor system of the present invention can be used as a sensor of a mixing ratio of at least a mixed solution of ethanol and water.
第4実施例として、上述した第1実施例や第2実施例よりも広帯域での測定を行ってみた。 As a fourth embodiment, measurement was performed in a wider band than the first and second embodiments described above.
ここで、センサ部は、コア径が約50μm、クラッド径が125μmである第1光ファイバと、この第1光ファイバと同じコア径が約50μm、クラッド径が125μmの第2光ファイバを用い、径寸法が125μmで、長さが98mmの円柱状とした導波体の端部にそれぞれ融着接続器を用いて接続して作成した。 Here, the sensor unit uses a first optical fiber having a core diameter of about 50 μm and a cladding diameter of 125 μm, and a second optical fiber having the same core diameter as the first optical fiber of about 50 μm and a cladding diameter of 125 μm. It was created by connecting each end of a cylindrical waveguide having a diameter of 125 μm and a length of 98 mm using a fusion splicer.
被検体は空気であって、センサ部を空気中に置き、700〜1700nmの波長の光を入射させ、入射光波長に対する透過光量を測定した。 The subject was air, the sensor unit was placed in the air, light with a wavelength of 700 to 1700 nm was incident, and the amount of transmitted light with respect to the incident light wavelength was measured.
図12は、測定結果を示すグラフであり、複数のピークが存在していることが分かる。 FIG. 12 is a graph showing the measurement results, and it can be seen that there are a plurality of peaks.
これらのピークの出現に関し、図13を用いながら具体的に説明する。ここで、導波体の径寸法をd、長さをLとし、導波体における光の入射点をS、後述する仮想の光の入射点をS'とする。導波体には、第1光ファイバによって、導波体の中心に光を入射させるものとしており、説明の便宜上、導波体の中心を入射点Sとしている。 The appearance of these peaks will be specifically described with reference to FIG. Here, the diameter dimension of the waveguide is d, the length is L, the incident point of light in the waveguide is S, and the incident point of virtual light to be described later is S ′. In the waveguide, light is incident on the center of the waveguide by the first optical fiber. For convenience of explanation, the center of the waveguide is the incident point S.
導波体内を直線的に進んだ直進光と、導波体内で1回だけ全反射した回折光の干渉は、図13(a)に示すように、入射点Sから照射された光と、仮想の入射点S'から照射された光の干渉と考えることができる。ここで、入射点S'の位置は、入射点Sから導波体の径寸法であるdだけ離れた位置となっている。 As shown in FIG. 13 (a), the interference between the straight traveling light linearly traveling in the waveguide and the diffracted light that is totally reflected once in the waveguide is the same as the light irradiated from the incident point S and the virtual light. It can be considered as interference of light irradiated from the incident point S ′. Here, the position of the incident point S ′ is a position away from the incident point S by d which is the diameter dimension of the waveguide.
同様に、導波体内を直線的に進んだ直進光と、導波体内で2回だけ全反射した回折光の干渉は、図13(b)に示すように、入射点Sから照射された光と、仮想の入射点S'から照射された光の干渉と考えることができる。ここで、入射点S'の位置は、入射点Sから導波体の径寸法であるdの2倍だけ離れた位置となっている。 Similarly, the interference between the straight traveling light linearly traveling in the waveguide and the diffracted light totally reflected twice in the waveguide is the light irradiated from the incident point S as shown in FIG. And interference of light emitted from the virtual incident point S ′. Here, the position of the incident point S ′ is a position away from the incident point S by twice the diameter d of the waveguide.
同様に、導波体内を直線的に進んだ直進光と、導波体内で3回だけ全反射した回折光の干渉は、図13(c)に示すように、入射点Sから照射された光と、仮想の入射点S'から照射された光の干渉と考えることができる。ここで、入射点S'の位置は、入射点Sから導波体の径寸法であるdの3倍だけ離れた位置となっている。 Similarly, the interference between the straight traveling light linearly traveling in the waveguide and the diffracted light totally reflected three times in the waveguide is the light irradiated from the incident point S as shown in FIG. And interference of light emitted from the virtual incident point S ′. Here, the position of the incident point S ′ is a position separated from the incident point S by 3 times d which is the diameter dimension of the waveguide.
このように、導波体内では回折光の全反射を生じさせていることにより、複数の入射点が存在していると見なせることとなっている。 As described above, since the diffracted light is totally reflected in the waveguide, it can be considered that there are a plurality of incident points.
上記の複数のピークは、導波体に入射させる光の波長が変わることにより、導波体内を直線的に進む直進光と互いに強め合う干渉を生じる光を入射させている仮想の入射点S'の位置が変わっていることに対応している。 The plurality of peaks described above is a virtual incident point S ′ where light that causes interference that reinforces the linearly traveling light linearly traveling in the waveguide is incident by changing the wavelength of the light incident on the waveguide. This corresponds to the change of the position.
すなわち、各ピークは、導波体内を直線的に進む直進光と互いに強め合う干渉を生じる光の、導波体内での全反射の各回数に対応して出現するものである。 That is, each peak appears corresponding to each number of times of total reflection in the waveguide, which causes interference that reinforces the linearly traveling light linearly traveling in the waveguide.
このことをヤングの実験に当てはめて考えてみると、入射点Sと入射点S'はヤングの実験におけるスリットに相当し、導波体に波長λの光を入射させた場合に、光が強め合って明線を生じることとなる条件は、屈折率n中の光の波長がλ/n=λ'であることから、
x=m'Lλ'/d'
となる。
When this is applied to Young's experiment, the incident point S and the incident point S ′ correspond to the slit in Young's experiment, and the light is strengthened when light of wavelength λ is incident on the waveguide. The condition that results in a bright line is that the wavelength of light in the refractive index n is λ / n = λ ′.
x = m'Lλ '/ d'
It becomes.
ここで、m'は、任意の整数、d'は、入射点Sと入射点S'の間隔であり、xは、入射点Sと入射点S'の中間点から干渉縞が投影される仮想のスクリーンまで垂線を下ろした場合の垂線の足の位置からの距離である。 Here, m ′ is an arbitrary integer, d ′ is an interval between the incident point S and the incident point S ′, and x is a virtual image where an interference fringe is projected from an intermediate point between the incident point S and the incident point S ′. It is the distance from the position of the foot of the perpendicular when the perpendicular is lowered to the screen.
この場合、明線の間隔をΔxとすると、
Δx=(m'+1)Lλ'/d'−m'Lλ'/d'=Lλ'/d'
である。
In this case, if the bright line interval is Δx,
Δx = (m ′ + 1) Lλ ′ / d′−m′Lλ ′ / d ′ = Lλ ′ / d ′
It is.
一方、回折光の全反射を生じさせている導波体では、全反射を生じさせている周面が鏡面となって、上述したように複数の入射点が存在しているのと同様に、第2ファイバとの接続部分である出射点も鏡面の影響を受け、複数の出射点が存在していると見なすことができる。 On the other hand, in a waveguide that causes total reflection of diffracted light, the peripheral surface that causes total reflection is a mirror surface, and as described above, there are a plurality of incident points. The exit point that is the connection portion with the second fiber is also affected by the mirror surface, and can be regarded as having a plurality of exit points.
しかも、複数の出射点は、各出射点との間隔が、鏡面条件のために導波体の径寸法であるdとなっており,Δxがちょうどdとなっていれば,干渉縞の明線がすべて出力されることとなる。ここで、説明の便宜上、干渉縞の周期をDとする。したがって、D=dである。 Moreover, the distance between each of the plurality of emission points is d which is the diameter of the waveguide due to the mirror surface condition, and if Δx is exactly d, the bright lines of the interference fringes Will be output. Here, for convenience of explanation, let D be the period of the interference fringes. Therefore, D = d.
このことから、明線の間隔Δxは、干渉縞の周期であって、Δx=Dであることから、
D=Lλ'/d'=L(λ/n)/d'
となる。
From this, the bright line interval Δx is the period of the interference fringes, and Δx = D.
D = Lλ ′ / d ′ = L (λ / n) / d ′
It becomes.
さらに、d'は、導波体の径寸法であるdの整数倍であるので、mを任意の整数として、d'=mdと表すことができるので、
λ=(Dmd/L)×n
の関係式が得られることとなる。
Furthermore, since d ′ is an integral multiple of d, which is the radial dimension of the waveguide, it can be expressed as d ′ = md, where m is an arbitrary integer.
λ = (Dmd / L) × n
The following relational expression is obtained.
ここで、
λ:波長
D:干渉縞の周期
m:鏡像の次数に対応する任意の整数(1,2,3,・・・)
d:導波体の径寸法
L:導波体の長さ寸法
n:導波体の屈折率
である。
here,
λ: wavelength D: period of interference fringes m: arbitrary integer corresponding to the order of the mirror image (1, 2, 3,...)
d: Diameter dimension of the waveguide L: Length dimension of the waveguide n: Refractive index of the waveguide.
上式から、導波体の形状が特定されると、図12で出現している各ピークの波長が特定できることがわかる。なお、図12中の「○に4」の符号は、m=4に対応したピークであることを、「○に5」の符号は、m=5に対応したピークであることを、「○に6」の符号は、m=6に対応したピークであることを、「○に7」の符号は、m=7に対応したピークであることを示している。 From the above equation, it can be seen that when the shape of the waveguide is specified, the wavelength of each peak appearing in FIG. 12 can be specified. In FIG. 12, the symbol “◯ to 4” indicates that the peak corresponds to m = 4, and the symbol “◯ to 5” indicates that the peak corresponds to m = 5. The sign “6” indicates that the peak corresponds to m = 6, and the sign “◯ = 7” indicates that the peak corresponds to m = 7.
このことから、導波体の長さを異ならせて、入射光波長に対する透過光量のピークが生じる波長の測定を行ったところ、図14に示すように、上式に対応する波長においてピークが見られた。 Accordingly, when the length of the waveguide was varied and the wavelength at which the peak of the transmitted light amount occurred with respect to the incident light wavelength was measured, as shown in FIG. 14, the peak was observed at the wavelength corresponding to the above equation. It was.
図14中の右下がりの実線は、各mの値でのλ=(Dmd/L)×nによる理論曲線であり、白丸印はm=1の場合に対応する実測のピーク、白四角印はm=2の場合に対応する実測のピーク、白ひし形印はm=3の場合に対応する実測のピーク、バツ印はm=4の場合に対応する実測のピーク、プラス印はm=5の場合に対応する実測のピーク、白三角印はm=6の場合に対応する実測のピーク、黒丸印はm=7の場合に対応する実測のピークを示している。 The solid line on the lower right in FIG. 14 is a theoretical curve with λ = (Dmd / L) × n at each value of m. The white circles indicate the measured peaks corresponding to m = 1, and the white squares indicate Actual measurement peak corresponding to the case of m = 2, white diamond mark is the actual measurement peak corresponding to the case of m = 3, cross mark is the actual measurement peak corresponding to the case of m = 4, plus mark is m = 5 An actual measurement peak corresponding to the case, a white triangle mark indicates an actual measurement peak corresponding to m = 6, and a black circle mark indicates an actual measurement peak corresponding to m = 7.
図12に示すように、各mの値に対応して出現するピークでは、ピーク前後の形状が同一となることはなく、様々な形状となっている。 As shown in FIG. 12, the peaks appearing corresponding to each value of m do not have the same shape before and after the peak, and have various shapes.
導波体をセンサ体として用いる場合には、高感度であることが望ましいため、ピーク前後においてそれぞれ変化率が大きい方がセンサ体として好適であると思われる。 When a waveguide is used as a sensor body, it is desirable to have high sensitivity, and therefore, it is considered that a sensor having a large change rate before and after the peak is preferable as the sensor body.
したがって、図12の場合であれば、m=4となる形状の導波体とすることにより、高感度のセンサ体を提供することができる。なお、この場合、使用するレーザ光の波長も特定されることとなる。 Therefore, in the case of FIG. 12, a highly sensitive sensor body can be provided by using a waveguide having a shape of m = 4. In this case, the wavelength of the laser beam to be used is also specified.
mが大きいと全反射の回数も増え,外部との相互作用回数が増えるため,高感度化に有利である。しかし,mが大きすぎるとセンサファイバの曲がりやわずかな非対称性などから干渉がぼけることが考えられ,m=4程度が最適となる。本実施例では、導波体を円柱状としているため、m=4が好適であると思われるが、導波体が円柱状以外の形状であれば、必ずしもm=4の場合が好適であるとはかぎらず、別のmの値であってもよい。 When m is large, the number of total reflections increases and the number of external interactions increases, which is advantageous for high sensitivity. However, if m is too large, interference may be blurred due to the bending of the sensor fiber or slight asymmetry, and m = 4 is optimal. In this embodiment, since the waveguide is cylindrical, m = 4 seems to be suitable. However, if the waveguide has a shape other than the cylinder, the case of m = 4 is always preferable. However, it may be a different value of m.
本発明の屈折率の検出方法、及びこの屈折率の検出方法を利用した光ファイバセンサシステムでは、被検体の屈折率をリアルタイムで検出でき、例えば、清涼飲料の製造工程中における材料溶液の糖度変化をリアルタイムでモニタリングできる。 The refractive index detection method of the present invention and the optical fiber sensor system using this refractive index detection method can detect the refractive index of a subject in real time, for example, change in sugar content of a material solution during the process of producing a soft drink Can be monitored in real time.
また、糖度だけでなくエタノールと水の混合溶液における混合比のように、屈折率との相関性を有する物性値を検出するセンサシステムとして用いることができる。 Moreover, it can be used as a sensor system that detects not only the sugar content but also a physical property value having a correlation with a refractive index, such as a mixing ratio in a mixed solution of ethanol and water.
11 投光器
12 第1光ファイバ
12a コア
12b クラッド
13 導波体
14 第2光ファイバ
14a コア
14b クラッド
15 受光器
16 解析器
11 Floodlight
12 First optical fiber
12a core
12b cladding
13 Waveguide
14 Second optical fiber
14a core
14b cladding
15 Receiver
16 analyzer
Claims (10)
入射されたレーザ光を回折させることにより生じさせた回折光を全反射させながら導く導波体を被検体内に配設して、全反射にともなって回折光に生じる位相変化に基づいて屈折率を検出する屈折率の検出方法。 In the refractive index detection method for detecting the refractive index of the subject,
A waveguide that guides the diffracted light generated by diffracting the incident laser light while totally reflecting it is arranged in the subject, and the refractive index is based on the phase change that occurs in the diffracted light due to total reflection. Refractive index detection method.
前記投光器に一端を接続して前記レーザ光を導く第1の光ファイバと、
前記第1の光ファイバの他端を接続して前記第1の光ファイバから入射されたレーザ光を回折させて回折光を生じさせるとともに全反射させながら導く長手状の導波体と、
前記第1の光ファイバと対向させて前記導波体に一端を接続した第2の光ファイバと、
前記第2の光ファイバの他端を接続した受光器と、
前記受光器から出力された信号を解析する解析器と
を備えた光ファイバセンサシステムであって、
前記導波体をセンサ部として、前記導波体と接した被検体の屈折率を前記導波体での全反射によって回折光に生じた位相変化に基づいて検出する光ファイバセンサシステム。 A projector that emits laser light;
A first optical fiber for guiding the laser beam by connecting one end to the projector;
A longitudinal waveguide for connecting the other end of the first optical fiber to diffract the laser light incident from the first optical fiber to generate diffracted light and to guide it while totally reflecting;
A second optical fiber having one end connected to the waveguide facing the first optical fiber;
A receiver connected to the other end of the second optical fiber;
An optical fiber sensor system comprising an analyzer for analyzing a signal output from the light receiver,
An optical fiber sensor system that uses the waveguide as a sensor unit and detects a refractive index of a subject in contact with the waveguide based on a phase change generated in diffracted light by total reflection at the waveguide.
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