JP2020527703A - フルオロフォア増強多次元フォトニックセンサ - Google Patents

Abstract

フォトニック変位センサは、ａ）延出した長手方向軸に沿って整列した第１のバンドギャップを有するコア区分と、ｂ）第２のバンドギャップを有するコア区分を囲むクラッド区分とを含む、フォトニックファイバを備える。第１のバンドギャップは、長手方向軸に沿って向けられる第１の波長を中心とする放射のスペクトルバンドをブロックするように適合され、第２のバンドギャップは、長手方向軸に対して横方向に向けられる第２の波長を中心とする放射のスペクトルバンドをブロックするよう適合され、変位は、フォトニックファイバの第１のバンドギャップおよび第２のバンドギャップのうちの少なくとも１つのシフトに基づいて検出され、フォトニックファイバの変位に比例する放射の強度を検出することを可能にする。

Description

本発明は、フォトニックセンサに関し、具体的には、フルオロフォアによって生成された放射を利用する構造変形を検出するための多次元フォトニックセンサに関する。

石油およびガス産業で使用されるパイプラインおよび容器構造は、経時的に応力にさらされ、それが蓄積されて、構造内に欠陥をもたらす可能性がある。あいにく、容易に観察可能な欠陥が発生するまでに、このような構造が損傷応力を受けているかどうかを判定することは、一般的に困難である。

例えば、パイプラインで使用される非金属パイプ等の構造材料の非破壊検査技術の利用は限られている。ほとんどの場合、これまでに利用可能な技術は、材料を破壊するものか、または実験的かつ信頼性の低いものである。非破壊検査の現在の実験技術を考慮しても、現在の技術では、欠陥の形成を確実に予測することはできず、通常、既存の欠陥のみを検出するために使用される。

より具体的には、既存の建築材料、ならびに材料の検査に対応するシステムおよび技術は、引張応力または圧縮応力等の材料上またはその内部の応力の存在を、欠陥が発生する前に予測され得るように、十分な精度および正確度で検出するには不十分である。材料の欠陥を検知するために現在利用可能な技術は、通常、１次元ファイバブラッググレーティングに基づいている。これらのファイバは、１次元の情報を提供する。すなわち、それらは、ファイバの長さに沿って発生する応力のみ、および構造材料に重大な亀裂や破断を伴う既に損傷した材料に対応する実質的な応力のみを検出することができる。

迅速かつ非破壊的に実行可能な大きな構造の摂動を正確に検出するための方法が必要である。

本明細書でなされた開示が提示するのは、これらおよび他の考察に関するものである。

本発明のいくつかの実施形態によると、ａ）延出した長手方向軸に沿って整列した第１のバンドギャップを有するコア区分と、ｂ）第２のバンドギャップを有するコア区分を囲むクラッド区分とを含む、フォトニックファイバを備える、フォトニック変位センサが提供される。第１のバンドギャップは、長手方向軸に沿って向けられる第１の波長を中心とする放射のスペクトルバンドをブロックするように適合され、第２のバンドギャップは、長手方向軸に対して横方向に向けられる第２の波長を中心とする放射のスペクトルバンドをブロックするよう適合され、変位は、フォトニックファイバの第１のバンドギャップおよび第２のバンドギャップのうちの少なくとも１つのシフトに基づいて検出され、フォトニックファイバの変位に比例する放射の強度を検出することを可能にする。

いくつかの実施形態では、フォトニックファイバのコア区分は、ファイバブラッググレーティングを備え、クラッド区分は、フォトニック結晶ファイバから構成される。

他の実施形態では、フォトニック変位センサは、クラッド区分内に埋め込まれた複数のフルオロフォアをさらに備える。

フォトニック変位センサの実施形態は、クラッドを通して漏れた放射を受けるように、フォトニックファイバのクラッドに隣接して位置付けられた収集ファイバも備え得る。

いくつかの実装では、フォトニック変位センサは、第３のバンドギャップを有するコア区分と、コア区分を囲むクラッド区分とを含む第２のフォトニックファイバをさらに備え、第１のフォトニックファイバは張力を検知し、第２のフォトニックファイバは圧縮を検知し、またはその逆であるように適合されている。このような実装は、第１のフォトニックファイバおよび第２のフォトニックファイバのうちの少なくとも１つを通して漏れた放射を受けるように、フォトニックファイバのクラッドに隣接して位置付けられた収集ファイバも含み得る。

フォトニック変位センサの実施形態は、第１のバンドギャップと重複する発光波長を有するコア区分に位置付けられた複数のフルオロフォアをさらに備え得る。いくつかの実装では、複数のフルオロフォアは、第１の種類のフルオロフォアおよび第２の種類のフルオロフォアを含み、第２の種類のフルオロフォアは、第１の種類のフルオロフォアの発光によって励起可能である。第１の種類のフルオロフォアは、ツリウム（Ｔｍ＋３）イオンを含み得、第２の種類のフルオロフォアは、ジスプロシウム（Ｄｙ＋３）イオンを含み得る。

フォトニック変位センサのさらなる実施形態は、クラッド内の第２のコア区分を含み、第２のコア区分は、第１のコア区分の第１のバンドギャップとは異なる第３のバンドギャップを有する。いくつかの実装では、フォトニック変位センサは、クラッド区分に位置付けられた複数のフルオロフォアを含み得る。収集ファイバは、クラッドから放射を受けるように、クラッドに隣接して位置付けられ得る。収集ファイバは、複数のフルオロフォアも含み得る。

本発明の実施形態は、構造における変位を判定する方法も含み得、この方法は、構造内にフォトニックセンサを埋め込むことを含み、フォトニックセンサは、延出した長手方向軸に沿って整列した第１のバンドギャップを有するコア区分と、第２のバンドギャップを有するコア区分を囲むクラッド区分と、を有する、フォトニックファイバを含み、第１のバンドギャップは、長手方向軸に沿って向けられる第１の波長を中心とする放射のスペクトルバンドをブロックするように適合され、第２のバンドギャップは、長手方向軸に対して横方向に向けられる第２の波長を中心とする放射のスペクトルバンドをブロックするよう適合されている。この方法は、フォトニックファイバを通して、第１のバンドギャップ付近に調整された波長の検査放射を透過させることと、コア区分およびクラッドのうちの少なくとも１つを通して検出された放射の量に応じて構造内の変位を判定することとも含む。

いくつかの実装では、フルオロフォアは、クラッド内に埋め込まれる。

本発明の方法のいくつかの実施形態は、フォトニックファイバのクラッドに隣接して収集ファイバを位置付けることと、収集ファイバの出力で放射を監視することと、をさらに含む。

いくつかの実装では、この方法は、構造内に第２のフォトニックファイバを埋め込むことであって、第２のフォトニックファイバが、第１のバンドギャップとは異なる第３のバンドギャップを有するコア区分を有する、埋め込むことと、収集ファイバの出力で検出された放射の波長に応じて、変位が圧縮または伸縮であるかを判定することと、を含む。監視することは、フォトニックセンサから遠隔で実行される。

さらなる実施形態では、本発明の方法は、コア区分内に第１および第２種類のフルオロフォアを埋め込むことをさらに含み、第２種類のフルオロフォアは、第１種類のフルオロフォアの発光によって励起可能である。コア区分は、ファイバブラッググレーティングを備え得、クラッド区分は、フォトニック結晶ファイバから構成される。

これらおよび他の態様、特徴、および利点は、本発明の特定の実施形態の以下の説明、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から理解され得る。図面は例証および例示であり、描かれている要素の絶対的な意味または相対的な意味のいずれかで、必ずしも正確に縮尺を示しているわけではない。

本発明のある実施形態による、２つの１次元バンドギャップを有するフォトニック材料の概略図である。 本発明によるフォトニック変位センサのある実施形態の概略斜視図である。 収集ファイバを含む本発明によるフォトニック変位センサの別の実施形態の概略斜視図である。 ２つのファイバセンサを含む本発明によるフォトニック変位センサの別の実施形態の概略斜視図である。 ファイバコアにフルオロフォアを含む本発明によるフォトニック変位センサの別の実施形態の概略斜視図である。 コアに２つの種類のフルオロフォアを有する本発明によるフォトニック変位センサの別の実施形態の概略斜視図である。 デュアルコアファイバを含む本発明によるフォトニック変位センサの別の実施形態の概略斜視図である。

フォトニックバンドギャップファイバ等のフォトニックデバイスは、屈折率または誘電率等の光学特性の空間的周期変調を含む材料を含む。光学特性の変調は、スペクトル感度を材料に与える。具体的には、選択された変調は、「バンドギャップ」と呼ばれる限られたスペクトルバンド内の入射放射を材料に反射させ、スペクトルの他の全ての部分を透過させる。このような材料は「バンドギャップ」材料と呼ばれる。バンドギャップ材料を含むフォトニックデバイスは、材料の伸縮または圧縮によって光学特性の周期変調が対応して変化し、次にバンドギャップがより高いまたはより低い波長にシフトすることから、ひずみおよび変位センサの有用な検出要素である。このシフトは、「放射の検査」を使用してバンドギャップ材料を「調べる」ことによって測定可能である。次に、検査放射が材料によって反射され、および／または材料を透過する方式によって、材料の変位または変形を明らかにすることができる。

バンドギャップ材料は、材料の光学特徴の摂動または変動が直交軸に沿って空間的に変動し得ることから、１次元、２次元、または３次元であり得る。例えば、多次元バンドギャップ材料では、誘電率の周期変調は、互いに対する角度における異なる空間軸に沿って異なる。図１は、本発明のある実施形態による２つの異なる１次元バンドギャップを有するフォトニック材料１００の概略図である。フォトニック材料は、例えば、長手方向軸（Ｌ１）に沿って整列した１０４、１０６、１０８、１１０の多数の変調区分を含む中央コア１０２を含む。コア区分は、隣接する部分、例えば１０４、１０６が交互誘電率を有するように製作される。交互区分によって、フォトニック材料に、軸（Ｌ１）に沿った第一の波長λ_１を中心とするバンドギャップが与えられる。すなわち、軸Ｌ１に沿ってコア１０２を通って伝播する多色光が、反射した波長λ_１を中心とするスペクトル部分を有し得る一方で、残りのスペクトル成分は、軸Ｌ１に沿って透過され得る。フォトニック材料１００は、横断軸（Ｌ２）に沿って配置された交互区分、例えば１１２、１１４、１１６、１１８も含む。横断面１１２、１１４、１１６、１１８も、交互誘電率を有する。これは、異なる技術を使用して達成され得る。いくつかの実装では、フォトニック材料は、ガラス材料と交互になって交互誘電率効果を生み出す中空管を含むフォトニック結晶ファイバを含む。横断面によって、フォトニック材料に、横軸（Ｌ２）に沿った第２の波長λ_２を中心とするバンドギャップが与えられる。軸Ｌ２に沿ったフォトニック材料を通って伝播する光は、反射した波長λ_２を中心とするスペクトル部分を有し得る一方で、残りのスペクトル成分は、軸Ｌ２に沿って透過され得る。

典型的な用途では、フォトニック材料は、一般的に、特定の軸（例えばＬ１）に沿って細長くなり、ファイバまたはケーブル等の透過経路としての役割を果たす。この幾何学的形状では、細長い軸に沿った周期変調は、他の方向に沿ったものよりも大幅に拡張される。検査放射は、標準の条件下では妨害されることなく、長手方向に沿って伝播することができる。

図２は、フォトニックバンドギャップファイバとして実装される、本発明によるフォトニック変位センサ２００のある実施形態を示す。センサ２００は、コア２１０および周囲のクラッド２２０を含み、長手方向軸（Ｌ）に沿って延出する。コア２１０は、例えば、軸Ｌに沿って長手方向に配置された区分２１２、２１４、２１６、２１８の周期的に交互の屈折率の区分を含む。コア２１０は、監視目的のために、デバイスの長さに沿って検査放射の大部分を透過させることを意図している。コア２１０は、ガラスまたはポリマー材料から製作されてもよい。クラッド２２０は、コアを囲み、パターン化結晶構造を有する。クラッド２２０のパターン化構造は、コアの周りにほぼ対称的なパターンで配置された細管、例えば２２２、２２４、２２６を含む。細管は、中空（すなわち、空気を含有することができる）であるか、または結晶構造の周囲の基材とは異なる屈折率を有する別の材料を含有することができる（例えば、ポリマーシリカ）。この構成では、半径方向に沿って見ると、細管の領域と基材との交互により、半径方向軸に沿ってバンドギャップが生み出される。クラッド２２０に交互屈折率の領域を提供するための代替構成も使用することができる。クラッド２２０の基材の屈折率も、コアの屈折率よりも高くなるように選択される。フォトニックバンドギャップファイバでは、単にコアとクラッドとの屈折率の違いよりはむしろ、クラッドのバンドギャップによってコア内に放射を誘導することができる。透過放射の波長がバンドギャップ内にあるように選択されるとき、それにより、ファイバクラッドのバンドギャップは、標準の条件の間にコア２１０内に透過放射を誘導し、高い透過効率を促進する。

クラッド２２０は、第１の波長の放射の吸収による励起時に、より長い波長の放射を再発光する材料を構成する、埋め込み型フルオロフォア、例えば２３２、２３４、２３６も含む。フルオロフォア２３２、２３４、２３６は、選択可能な吸収および発光バンドを有する有機分子、遷移金属、またはランタニドイオン、量子ドット、または半導体ナノ結晶であり得る。図１の実施形態の目的のために、フルオロフォア２３２、２３４、２３６は、コア２１０のフォトニック材料のバンドギャップと重複する吸収バンドを有するように選択することができる。

動作中、検査放射を使用して、デバイス２００が妨害され、ひずみを受けているかどうかを判定する。コア２１０のバンドギャップのわずかに外側の選択された波長の検査放射は、軸（Ｌ）に沿って透過される。妨害がない場合、検査放射は、影響を受けないコアを通って伝播する。クラッド２２０の圧縮または引張の摂動は、クラッド２２０のバンドギャップの屈折率およびエネルギーの周期変調を変化させる。これらの変化により、コア２１０とクラッド２２０との間の界面は、全ての内部反射を維持しなくなり、コアからの放射がクラッドに漏れ得る。漏れた放射の量は、摂動の程度にほぼ比例する。漏れた放射は、直接検出することができるか、またはその放射は、フルオロフォア２３２、２３４、２３６を励起することによって増幅することができる。次に、フルオロフォア２３２、２３４、２３６の得られた発光は、それらが吸収する放射の量、ひいては摂動のレベルにもほぼ比例する。フルオロフォア２３２、２３４、２３６からの発光は、多数の異なる方式で検出することができる。いくつかの実装では、発光は、直接観察することができる。代替として、発光は、ファイバの長さを通って連続して監視することができる。

図３に示すフォトニック変位センサの別の実施形態では、追加のファイバ２５０が、センサ２００に隣接して位置付けられ、クラッド２２０を通してフルオロフォア２３２、２３４、２３６により発光された放射を収集するために使用される。追加のファイバ２５０は、通常の光ファイバであり得、フォトニック結晶ファイバである必要はなく、またはファイバブラッググレーティング特徴を含む必要はない。追加のファイバ２５０によって捕捉された放射は、ファイバの長さにわたって妨害されずに伝播し得るため、センサ２００の摂動は、ファイバ２５０の出力で遠隔的に検出され得る。遠隔地での放射の存在は、摂動が発生したことを示す。監視される放射の強度は、摂動の大きさ（距離）または位置に対応する。

ファイバの軸に沿った摂動の場合に、コアバンドギャップの関連するシフトが検査放射の波長と重複することができるように、検査放射をコア２１０のバンドギャップの近くに調整することが好ましい。しかしながら、正しい種類の摂動、膨張対収縮が発生した場合にのみ、正しいシフトが発生し、これは、膨張および収縮によりバンドギャップが反対方向にシフトする傾向があるためである。ゆえに、両方の種類の変位の構造を包括的に監視することができるようにするために、図４に示すように、２つの変位センサ４００、４５０を使用することができる。センサ４００、４５０はそれぞれ、形状が同一であり、構造化クラッドおよびフルオロフォアを含む、図２に示す同じ種類のフォトニック結晶ファイバを有し得る。センサ４００は、コア区分４１０を有し、センサ４５０は、コア区分４６０を有する。コア区分４１０は、第１のバンドギャップＢＧ１を有する一方で、コア区分４６０は、第２のバンドギャップＢＧ２を有し、この場合、ＢＧ１とＢＧ２とは同等ではない。具体的には、ＢＧ１が検査波長よりわずかに高く、ＢＧ２が検査波長よりわずかに低い場合に（その逆も同様）有用である。例えば、検査波長は、５３０ｎｍ付近の緑色のどこかの可視スペクトラムを中心とすることができ、ＢＧ１は、５００ｎｍの検査波長よりわずかに下に設定し、ＢＧ２は、例えば５６０ｎｍの検査波長よりわずかに上に設定することができる。検査波長の伝播がＢＧ１でブロックされている場合、ファイバの圧縮が示され、検査波長がＢＧ２でブロックされている場合、ファイバの伸縮が示される。

この場合、ＢＧ１を有するセンサ４００は、引張応力に敏感である一方で、ＢＧ２を有するセンサ４５０は、圧縮応力に敏感である。本実施形態では、収集ファイバ４８０も使用することができる。各センサに収集ファイバを使用することは可能であるが、いくつかの実施形態では、単一の収集ファイバを使用して、センサ４００、４５０の両方から漏れた放射およびフルオロフォア発光を受けることができる。

図５Ａは、本発明によるフォトニック変位センサの別の実施形態を示す。センサ５００も、コア区分５１０およびクラッド５２０を含む。本実施形態では、コア５１０は、フルオロフォア、例えば５３２（集合的）を含み、スペクトルバンドギャップＢＧ３を有する。クラッドも、フルオロフォア、例えば５４２を含む。フルオロフォア５３２の発光波長は、標準の条件下（変位または変形を含まない）でバンドギャップＢＧ３と重複する。したがって、標準の条件下では、コア５１０を通る任意のフルオロフォア発光は、バンドギャップＢＧ３によってブロックされる。センサの動作中、コア５１０に応力が発生する場合、バンドギャップＢＧ３は、フルオロフォア５３２、５３４、５３６の発光波長と一致しない交互のバンドギャップＢＧ３’にシフトする。次に、フルオロフォアからの発光は、ブロックされなくなり、コア５１０を通って伝播し、ファイバセンサの出力で遠隔的に監視することができる。発光の強度は、コアの摂動のレベルに正比例する。

図５Ｂは、フォトニックセンサ５５０が相互作用可能な２つの種類のフルオロフォアを含む、図５Ａの実施形態の変形例を示す。第１の種類のフルオロフォア、例えば５６２（集合的）は、コア区分５６０に位置付けられ、第２の種類のフルオロフォア、例えば５７２（集合的）も、コア区分５６０に位置付けられる。フルオロフォア５７２は、フルオロフォア５６２の発光により励起可能になるように選択される。コアに応力がかかり、フルオロフォア５６２からの発光がコア５６０の内外に移動すると、フルオロフォア５７２へのエネルギー転移があり、次にフルオロフォア５７２が放射を発光する。このようにして、フルオロフォア５７２からの発光は、コア５６０の応力の大きさに比例する。コア５６０のバンドギャップＢＧ４は、フルオロフォア５６２とフルオロフォア５７２との間のエネルギー転移波長（すなわち、フルオロフォア５６２、５７２の発光波長）に調整される。したがって、フルオロフォア５６２は、標準の非応力条件下でコア５６０を通って進行する検査放射波長によって継続的に励起され得る一方で、バンドギャップＢＧ４は、フルオロフォア５６２の得られた発光がフルオロフォア５７２に移動することを少なくとも部分的に妨げる。コア５６０が摂動し、コアのバンドギャップＢＧ４が対応してシフトすると、フルオロフォア５６２からの発光がフルオロフォア５７２に移動してフルオロフォア５７２を励起し得る。加えて、フルオロフォア５７２からの得られた放射は、ファイバに沿ってより自由に進行することができ、これにより、捕捉できる蛍光および放射の全体の強度が増加する。

同じ実施形態の別の変形例では、フルオロフォア間のエネルギー転移は必要とされない。フルオロフォア５６２の発光は、コアのバンドギャップの波長よりわずかに短い波長である一方で、他方のフルオロフォア５７２の発光は、わずかに長い波長である。標準の動作条件では、両方の発光が、励起波長とともにファイバを通って伝播する。圧縮変形の場合、コアブラッググレーティングのバンドギャップは、より短い波長のフルオロフォアと重複する一方で、引張変形の場合、より長い波長のフルオロフォアと重複する。ゆえに、どの発光波長が欠落しているかを観察することによって、変形を監視することが可能である。

この機構に適切なフルオロフォアの例として、フルオロフォア５６２についてランタニドイオンＴｍ^３＋（ツリウム）と、フルオロフォア５７２についてＤｙ^３＋（ジスプロシウム）とが挙げられる。検査放射波長は、^１Ｇ_４レベルを超える任意のエネルギーレベル、例えば３７０ｎｍで^１Ｄ_２レベルを励起するように調整され得る。コア５６０内で検査放射を維持するために、クラッド５７０も同じエネルギーレベルに調整することが有利である。Ｔｍ^３＋とＤｙ^３＋の間のエネルギー転移がレベル^１Ｇ_４→^４Ｆ_９／２で発生するため、バンドギャップＢＧ４は、５００ｎｍの転移エネルギーで調整される。摂動が発生するとき、単位または摂動毎により大きな強度の放射が透過されるため、本実施形態は、監視信号の増幅を提供する。適切に調整された励起波長で、多数の他の適切なフルオロフォアの組み合わせを使用することもできる。具体的には、別の例のフルオロフォアシステムは、１５５０ｎｍの近赤外波長を利用してコアを通って伝播する。この波長は、一般的に光ファイバ通信で利用され、従来のＣバンドとして定義される。これは、エルビウム（Ｅｒ^３＋）を使用して生成される。このフルオロフォアシステムには、ほとんどの光ファイバがこの波長で機能するように最適化されているという利点がある。この場合、考慮されるエネルギー転移機構は、アップコンバージョンであるため、発光は、可視領域内のはるかに高いエネルギーで発光するフルオロフォアに転移される。この機構により、不可視放射が、ひずみの存在下で可視放射に変換される。Ｙｂ^３＋の９８０ｎｍ波長をコアで使用して、同様の結果を得ることができる。

図６は、コンパクトな設計を有する本発明によるフォトニック変位センサ６００の別の実施形態を示す。センサ６００は、クラッド６３０に囲まれた２つのコア６１０、６２０を有するフォトニック結晶ファイバ６０５を備える。追加の収集ファイバ６４０が、ファイバ６０５に隣接して位置付けられる。コア６１０は、バンドギャップＢＧＤＣ１を有し、コア６２０は、バンドギャップＢＧＤＣ１を有し、クラッド６３０は、バンドギャップＢＧＤＣ３を有する。放射は、主にクラッドＢＧＤＣ３のフォトニックバンドギャップによって判定されるように、コア６１０、６２０内で誘導される。検査放射の波長は、バンドギャップＢＧＤＣ１よりも高く、バンドギャップＢＧＤＣ２よりも低く、またはその逆になるように調整される。コア６１０の圧縮応力は、ＢＧＤＣ１をシフトさせ、検査放射の波長放射と重複させ、ひいては放射消光を引き起こす。コア６２０の引張応力は、ＢＧＤＣ１をシフトさせ、検査放射の波長放射と重複させ、ひいては放射消光も引き起こす。加えて、ファイバの方向に垂直な方向に沿った圧縮応力または引張応力は、クラッド６３０の周期構造の変化を引き起こすため、コアを透過した放射がクラッド６３０を通して漏れ得る。漏れた放射の検出は、クラッドの応力の存在を直接示す。漏れた放射の検出を容易にするために、いくつかの実装では、クラッド６３０は、検査放射によって励起可能なフルオロフォア、例えば６３５を含み得る。次に、任意のフルオロフォア発光の強度は、放射漏れの大きさとクラッドの摂動とに正比例する。

放射の漏れまたはフルオロフォア６３５の発光は、第３のコアまたは追加のファイバ６４０を通して収集され得る。追加のファイバ６４０は、通常の光ファイバであり得、フォトニック結晶ファイバである必要はなく、またはファイバブラッググレーティング特徴を含む必要はない。ファイバ６４０の機能は、漏れた放射またはフルオロフォア発光を、近接または遠隔の監視設備に大幅に損失することなく運ぶことである。いくつかの実装では、フルオロフォア、例えば６４５も、収集ファイバ６４０のコアに組み込まれ得る。フォトニックファイバ６０５のフルオロフォアから漏れた放射は、収集ファイバ６４０のフルオロフォア６４５を励起させ、それにより出力信号を強化し得る。このセンサ６００では、フルオロフォア６３５、６４５の両方を同時に使用することもでき、フルオロフォア６３５が、任意の摂動により引き起こされる漏れを検出および増強し、より大きな強度の放射が収集ファイバ６４０に到達するようにする。この結果、フルオロフォア６４５は、収集ファイバ６４０で受けた放射を検出および増強する。

一般に、透過される検査放射の波長は、監視を監視することが望まれる構造の最小変位または摂動のサイズに基づいて選択され得る。望ましい監視される摂動サイズは、フォトニック構造の周期性の次元と、関連するバンドギャップの波長領域とを判定する。

記載の実施形態は、いくつかの有利な特徴を提供する。フォトニック結晶バンドギャップファイバを使用すると、多次元変位検出が提供される。フルオロフォアを追加すると、変位および変形によって引き起こされる放射の漏れおよび／または発光を強化することによって、検出の容易さが増強される。フルオロフォアは、発光の有無によってフォトニック材料の応力およびひずみの検出を増強する。２次元バンドギャップの追加により、放射軸または横軸に沿った感度が追加される。加えて、調整可能なバンドギャップ波長が高エネルギー（短波長）であるという事実により、センサの感度はサブミクロンの領域で非常に高くなり得る。

本明細書に開示されたいずれの構造および機能の細目も、システムおよび方法を限定するものとして解釈されるべきではなく、むしろ、当業者に、方法を実装するための１つ以上の方式を教示するための代表的な実施形態および／または構成として提供されていることを理解されたい。

図面中の類似の数字が、いくつかの図を通して類似の要素を表すこと、および図に関連して説明され、示された構成要素および／またはステップの全てが、全ての実施形態または構成に必要とされるわけではないことをさらに理解されたい。簡潔にするために、多数のある特定の要素が、「ｅ．ｇ．」の初期使用を含むサブセットで参照されているが、その後の場合では、「ｅ．ｇ．」を使用せずに参照されている。「ｅ．ｇ．」で参照されているサブセットは、全ての同様の要素を指すと理解されるべきであり、「ｅ．ｇ．」なしのサブセットのその後の使用は限定的であるべきではなく、また全てのそのような同様の要素を表すと理解されるべきである。

本明細書に使用されている専門用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のものであり、本発明を限定することを意図しない。本明細書で使用する単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上他の意味を示すことが明らかな場合を除き、複数形も含むことを意図する。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える）」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」という用語が、本明細書で使用する際、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。

向きの用語は、本明細書では、単に慣例および参照の目的で使用され、限定するものとして解釈されるべきではない。しかしながら、これらの用語が見る人を基準にして使用されている可能性があることが分かる。したがって、限定が暗に意味されることもなく、推察されるべきでもない。

また、本明細書に使用されている表現および専門用語は、説明目的のものであり、限定するものと見なされるべきではない。本明細書における「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、または「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含有する）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（伴う）」、およびそれらの異形の使用は、それ以降に挙げられた項目、およびその同等物、ならびに追加項目を包含することを目的としている。

例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行い、その要素を等価物で置き換えることができることを当業者は理解するであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の機器、状況、または材料を本発明の教示に適合させるための多くの修正が当業者には理解されよう。したがって、本発明が、本発明を実施するのに向けて考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれる全ての実施形態を含むようになることが意図されている。

１００ フォトニック材料
１０２ 中央コア
１０４、１０６、１０８、１１０ コア区分
１１２、１１４、１１６、１１８ 交互区分、横断面
Ｌ１ 長手方向軸
Ｌ２ 横断軸
２００ フォトニック変位センサ
２１０ コア
２１２、２１４、２１６、２１８ 区分
２２０ クラッド
２２２、２２４、２２６ 細管
２３２、２３４、２３６ フルオロフォア
２５０ 追加のファイバ
４００、４５０ 変位センサ
４１０、４６０ コア区分
ＢＧ１ 第１のバンドギャップ
ＢＧ２ 第２のバンドギャップ
５００ センサ
５１０ コア区分
５２０ クラッド
５３２、５３４ フルオロフォア
ＢＧ３、ＢＧ３’ バンドギャップ
５５０ フォトニックセンサ
５６０ コア区分
５６２ 第１の種類のフルオロフォア
５７２ 第２の種類のフルオロフォア
ＢＧ４ バンドギャップ
６００ フォトニック変位センサ
６０５ ファイバ
６１０、６２０ コア
６３０ クラッド
６３５、６４５ フルオロフォア
６４０ 追加の収集ファイバ
ＢＧＤＣ１、ＢＧＤＣ２、ＢＧＤＣ３ バンドギャップ

Claims (21)

1. フォトニック変位センサであって、
   延出した長手方向軸に沿って整列した第１のバンドギャップを有するコア区分と、
   第２のバンドギャップを有する前記コア区分を囲むクラッド区分と、を含む、フォトニックファイバ、を備え、
   前記第１のバンドギャップが、前記長手方向軸に沿って向けられる第１の波長を中心とする放射のスペクトルバンドをブロックするように適合され、前記第２のバンドギャップが、前記長手方向軸に対して横方向に向けられる第２の波長を中心とする放射のスペクトルバンドをブロックするよう適合され、
   変位が、前記フォトニックファイバの前記第１のバンドギャップおよび前記第２のバンドギャップのうちの少なくとも１つのシフトに基づいて検出され、前記フォトニックファイバの前記変位に比例する放射の強度を検出することを可能にする、フォトニック変位センサ。
2. 前記コア区分が、ファイバブラッググレーティングを備え、前記クラッド区分が、フォトニック結晶ファイバから構成される、請求項１に記載のフォトニック変位センサ。
3. 前記クラッド区分内に埋め込まれた複数のフルオロフォアをさらに備える、請求項１に記載のフォトニック変位センサ。
4. 前記クラッドを通して漏れた放射を受けるように、前記フォトニックファイバの前記クラッドに隣接して位置付けられた収集ファイバをさらに備える、請求項１に記載のフォトニック変位センサ。
5. 第３のバンドギャップを有するコア区分と、前記コア区分を囲むクラッド区分とを含む第２のフォトニックファイバをさらに備え、前記第１のフォトニックファイバが張力を検知し、前記第２のフォトニックファイバが圧縮を検知し、またはその逆であるように適合されている、請求項１に記載のフォトニック変位センサ。
6. 前記第１のフォトニックファイバおよび前記第２のフォトニックファイバのうちの少なくとも１つを通して漏れた放射を受けるように、前記フォトニックファイバの前記クラッドに隣接して位置付けられた収集ファイバをさらに備える、請求項５に記載のフォトニック変位センサ。
7. 前記コア区分に位置付けられた複数のフルオロフォアをさらに備え、前記複数のフルオロフォアが、前記第１のバンドギャップと重複する発光波長を有する、請求項１に記載のフォトニック変位センサ。
8. 前記複数のフルオロフォアが、第１の種類のフルオロフォアおよび第２の種類のフルオロフォアを含み、前記第２の種類の前記フルオロフォアが、前記第１の種類のフルオロフォアの発光によって励起可能である、請求項７に記載のフォトニック変位センサ。
9. 前記第１の種類のフルオロフォアが、前記コアの前記第１のバンドギャップよりわずかに短い発光波長を有し、前記第２の種類のフルオロフォアが、前記コアの前記第１のバンドギャップよりわずかに長い発光波長を有する、請求項８に記載のフォトニック変位センサ。
10. 前記第１の種類の前記フルオロフォアが、ツリウム（Ｔｍ^＋３）イオンを含み、前記第２の種類の前記フルオロフォアが、ジスプロシウム（Ｄｙ^＋３）イオンを含む、請求項８に記載のフォトニック変位センサ。
11. 前記クラッド内に第２のコア区分をさらに備え、前記第２のコア区分が、前記第１のコア区分の前記第１のバンドギャップとは異なる第３のバンドギャップを有する、請求項１に記載のフォトニック変位センサ。
12. 前記クラッド区分に位置付けられた複数のフルオロフォアをさらに備える、請求項１１に記載のフォトニック変位センサ。
13. 前記クラッドから放射を受けるように、前記クラッドに隣接して位置付けられた収集ファイバをさらに備える、請求項１１に記載のフォトニック変位センサ。
14. 前記収集ファイバが、複数のフルオロフォアを含む、請求項１３に記載のフォトニック変位センサ。
15. 構造における変位を判定する方法であって、
    前記構造内にフォトニックセンサを埋め込むことであって、前記フォトニックセンサが、延出した長手方向軸に沿って整列した第１のバンドギャップを有するコア区分と、第２のバンドギャップを有する前記コア区分を囲むクラッド区分と、を有する、フォトニックファイバを含み、前記第１のバンドギャップが、前記長手方向軸に沿って向けられる第１の波長を中心とする放射のスペクトルバンドをブロックするように適合され、前記第２のバンドギャップが、前記長手方向軸に対して横方向に向けられる第２の波長を中心とする放射のスペクトルバンドをブロックするよう適合されている、埋め込むことと、
    前記フォトニックファイバを通して、前記第１のバンドギャップ付近に調整された波長の検査放射を透過させることと、
    前記コア区分および前記クラッドのうちの少なくとも１つを通して検出された放射の量に応じて前記構造内の変位を判定することと、を含む、方法。
16. 前記クラッド内にフルオロフォアを埋め込むことをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記フォトニックファイバの前記クラッドに隣接して収集ファイバを位置付けることと、
    前記収集ファイバの出力で放射を監視することと、をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記構造内に第２のフォトニックファイバを埋め込むことであって、前記第２のフォトニックファイバが、前記第１のバンドギャップとは異なる第３のバンドギャップを有するコア区分を有する、埋め込むことと、
    前記収集ファイバの前記出力で検出された放射の波長に応じて、変位が圧縮または伸縮であるかを判定することと、をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記監視することが、前記フォトニックセンサから遠隔で実行される、請求項１７に記載の方法。
20. 前記コア区分内に第１および第２種類のフルオロフォアを埋め込むことをさらに含み、前記第２種類の前記フルオロフォアが、前記第１種類の前記フルオロフォアの発光によって励起可能である、請求項１５に記載の方法。
21. 前記コア区分が、ファイバブラッググレーティングを備え、前記クラッド区分が、フォトニック結晶ファイバから構成される、請求項１５に記載の方法。

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