JP6535856B2 - Method of detecting refractive index and optical fiber sensor system - Google Patents
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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 an object 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 unit for leaking light in the core is provided in the middle of the optical fiber, and detection of transmission loss due to scattering of leaked light enables detection of variations such as distortion or temperature. (See, for example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2).
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 clad is partially removed from the optical fiber composed of the core and the clad to expose the core, or the core diameter of the sensor part is the core of the optical fiber of the part other than the sensor part It is designed to effectively leak the light guided by the optical fiber by making it smaller or larger than the diameter, or in some cases, making only the cladding without the core.
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 to measure the concentration of surfactant, a color indicator is added to the surfactant solution of the subject, and the energy of the evanescent wave generated in the sensor unit that leaks light is transferred to the color indicator It has been proposed to detect the transmission loss of light depending on the concentration of the surfactant solution to perform concentration measurement by performing the measurement (see, for example, Patent Document 3).
また、この他、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もある。被検体の屈折率を検出する屈折率の検出方法において、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の光ファイバより成り、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より、第２の光ファイバの接続部において起こる光の干渉（マルチモード干渉：MMI）に基づいて屈折率を検出するものである。上記構造を、マルチモード干渉構造と呼ぶ。（例えば、特許文献４参照。） In addition to this, there is also an optical fiber sensor system with less energy loss by utilizing phase change known as goose-Henschen shift. In a method of detecting a refractive index for detecting a refractive index of an object, the other end of a first optical fiber is connected to diffract a laser beam incident from the first optical fiber to produce diffracted light and total reflection. And a second optical fiber whose one end is connected to the first optical fiber and is opposed to the first optical fiber, and is generated by diffracting the incident laser light A waveguide for guiding light while totally reflecting light is disposed in the object, and light interference occurring at the connection of the second optical fiber (multimode interference) due to a phase change occurring in the diffracted light along with total reflection. : MMI) to detect the refractive index. The above structure is called a multimode interference structure. (See, for example, Patent Document 4)
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 a loss of energy, and it is a sensor system with a large amount of energy loss.
また、位相変化を利用する光ファイバセンサシステムでは、屈折率を検出するための位相変化量が大きい方が好ましいが、測定対象物の屈折率変化のみでは、位相変化量が十分大きく取れない場合があった。 Furthermore, in an optical fiber sensor system that uses phase change, it is preferable that the amount of phase change for detecting the refractive index is large, but it may not be possible to obtain a sufficiently large amount of phase change only with the change in the refractive index there were.
このような現状に鑑み、本発明者らは、エバネッセント光と局在表面プラズモン共鳴として知られている光共鳴現象を利用することにより、位相変化量を大きく増大させる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 set forth an optical fiber sensor system that greatly increases the amount of phase change by utilizing the evanescent light and the optical resonance phenomenon known as localized surface plasmon resonance. Through research and development, the present invention has been achieved.
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を利用するが、全反射部に局在表面プラズモン共鳴を誘起する50ｎｍより大きく、エバネッセント波の染み出している深さよりも十分小さい大きさの金属ナノ粒子をその外面に凝集させることで可視光より波長の長い光通信波長領域での吸光度を0.6以上とて、より大きな位相変化を作り出し、これにより屈折率を超高感度に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 a subject, a waveguide guiding light while totally reflecting diffracted light generated by diffracting incident laser light is used. and disposed within the object, but utilizes a phase change caused to the diffracted light with the total reflection, total reflection portion localized surface plasmon resonance rather greater than 50nm to induce deep and exuding of the evanescent wave By aggregating metal nanoparticles of sufficiently smaller size on the outer surface , the absorbance in the optical communication wavelength region longer than visible light is set to 0.6 or more , creating a larger phase change, and thereby the refractive index is exceeded. Ru der detects with high sensitivity.
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前記レーザ光を導く第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、導波体での全反射によって回折光に生じる位相変化を利用するが、全反射部に局在表面プラズモン共鳴を誘起する50ｎｍより大きく、エバネッセント波の染み出している深さよりも十分小さい大きさの金属ナノ粒子をその外面に凝集させることで可視光より波長の長い光通信波長領域での吸光度を0.6以上として、より大きな位相変化を作り出し、これにより導波体と接した被検体の屈折率を超高感度に検出するものである。 Further, in the optical fiber sensor system of the present invention, a projector for emitting laser light, a first optical fiber connecting one end to the projector to guide the laser beam, and another end of the first optical fiber are connected. A longitudinal waveguide guided by diffracting the laser light from the first optical fiber to produce diffracted light and totally reflecting it, and connecting the one end to the waveguide with the first optical fiber facing it An optical fiber sensor system comprising a second optical fiber, an optical receiver connected to the other end of the second optical fiber, and an analyzer for analyzing a signal output from the optical receiver, comprising: a waveguide as the sensor section, utilizes a phase change caused to diffracted light by total reflection at the waveguide, rather greater than 50nm to induce localized surface plasmon resonance on the total reflection portion, than the depth that exudation evanescent wave Too small There the size of the metal nanoparticles and the absorbance at longer optical communication wavelength region in wavelength than visible light by agglomerating on its outer surface as at least 0.6, creates a larger phase change, the subject in contact Thereby the waveguide The ultra-high sensitivity of the refractive index of
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、局在表面プラズモン共鳴を誘起する金属ナノ粒子をその外面に配置した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手法において、金属ナノ粒子を配置することにより、より大きな位相変化を作り出し、極めて高感度な検出方法とすることができる。 According to the refractive index detection method of the present invention, localized surface plasmon resonance-inducing metal nanoparticles are disposed on the outer surface of the diffracted light that is generated by diffracting the incident laser light and is guided while being totally reflected. In the method of disposing the above-described waveguide in the object and detecting the refractive index based on the phase change occurring in the diffracted light upon total reflection, by arranging the metal nanoparticles, a larger phase change can be achieved. It is possible to create an extremely sensitive detection method.
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、その外面に局在表面プラズモン共鳴を誘起する金属ナノ粒子を配置し、局在表面プラズモン共鳴を誘起する金属ナノ粒子をその外面に配置した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、極めて高感度に検出する光ファイバセンサシステムとすることができる。 Further, according to the optical fiber sensor system of the present invention, the longitudinal waveguide guided by diffracting the laser light incident from the first optical fiber to generate diffracted light and guiding it while totally reflecting is used as the sensor unit, A metal nanoparticle that induces localized surface plasmon resonance is disposed on the outer surface, and a refractive index of an object in contact with a waveguide on which the metal nanoparticle that induces localized surface plasmon resonance is disposed on the outer surface is a waveguide The optical fiber sensor system can detect extremely highly sensitively based on the phase change generated in the diffracted light due to the total reflection in the.
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 method of detecting the refractive index of the present invention and the optical fiber sensor system using this method of detecting the refractive index do not use the transmission loss as in the conventional optical fiber sensor system, but the phase generated upon total reflection of light. The change is used to detect the refractive index of the subject.
すなわち、本発明での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に一端を接続してレーザ光を導く第１のファイバと、この第１のファイバの他端を接続した長手状の導波体と、第１光ファイバと対向させて導波体に一端を接続した第２のファイバと、第２のファイバの他端を接続した受光器を備え、投光器から出射されたレーザ光を導波体で全反射させた際に生じる位相変化を利用している。 That is, in the optical fiber sensor system according to the present invention, a first fiber connecting one end to a projector emitting laser light to guide the laser light, and a longitudinal waveguide connecting the other end of the first fiber Body, a second fiber whose one end is connected to the waveguide facing the first optical fiber, and a light receiver whose other end is connected to the second fiber, the laser light emitted from the projector is guided It uses the phase change that occurs when it is totally reflected by the body.
導波体の全反射界面では、エバネッセント波が生じる。これは、図１に定性的に示すように、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、電磁波の染み出しが生じ、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。これと共に位相遅れが生じる。 An evanescent wave is generated at the total reflection interface of the waveguide. This is because, as shown qualitatively in Figure 1, the light L in the material A in the refractive index n 1 is totally reflected at the boundary surface P with a substance B having a refractive index n 2 with the substance A having a refractive index n 1 In this case, the electromagnetic wave exudes, and it is reflected after a little delay as if it is reflected by the virtual reflecting surface P ′ on the material B side of the refractive index n 2 with respect to the boundary surface. Along with this, a phase delay occurs.
エバネッセント波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、この位相変化の影響を光の干渉を利用して検出し、屈折率n2の特定することが可能となる。 Magnitude of the phase change due to the evanescent waves, because it has a correlation with the refractive index n 2, the influence of the phase variation detected by utilizing the interference of light, it is possible to specify the refractive index n 2.
ここで、導波体の全反射界面に特定の金属ナノ粒子の状態を形成すると、エバネッセント波は、この金属ナノ粒子中の電子のプラズマ振動を励起することができ、その結果、局在表面プラズモン共鳴現象が起きる。エバネッセント波の染み出している深さは、波長程度であるが、金属ナノ粒子は、それより十分小さいため、エバネッセント波は、局在表面プラズモン共鳴現象が起きる波長の前後で、金属ナノ粒子を含む等価的な屈折率の大きな変化を受け、それによって大きな位相変化を起こす。このため、感度が大きく向上する。 Here, when a specific metallic nanoparticle state is formed at the total reflection interface of the waveguide, the evanescent wave can excite plasma vibration of electrons in the metallic nanoparticle, as a result, localized surface plasmons A resonance phenomenon occurs. The penetration depth of the evanescent wave is about the wavelength, but since the metal nanoparticles are sufficiently smaller, the evanescent wave contains the metal nanoparticles before and after the wavelength at which the localized surface plasmon resonance phenomenon occurs. It receives a large change in the refractive index equivalently, which causes a large phase change. For this reason, the sensitivity is greatly improved.
局在表面プラズモン共鳴現象が起きる金属ナノ粒子の典型的なものとして、金ナノ粒子がある。この共鳴波長は、約520ｎｍと短波長領域にある。この可視光領域では、光ファイバに導光する強度の十分大きな光源や波長可変光源は特殊で、高価である。一方、光通信波長帯では、光通信技術の進歩に合わせて、ファイバ出力の広波長帯域の光源や、波長可変光源が比較的安価に利用できる。 Gold nanoparticles are typical metal nanoparticles in which localized surface plasmon resonance phenomenon occurs. This resonant wavelength is in the short wavelength region of about 520 nm. In this visible light region, a light source with a sufficiently high intensity for guiding light into an optical fiber or a variable-wavelength light source is special and expensive. On the other hand, in the optical communication wavelength band, according to the progress of the optical communication technology, a wide wavelength band light source of fiber output and a wavelength variable light source can be used at relatively low cost.
孤立した金ナノ粒子では、局在表面プラズモン共鳴波長は、短波長にあるため、この局在表面プラズモン共鳴波長を光通信波長帯に拡大することを試みた。金ナノ粒子径は、塩化金酸水溶液(HAuCl4・4H2O)へ異なる濃度のクエン酸ナトリウム水溶液 (C6H5O7Na3)を加える手法で、制御でき、クエン酸ナトリウム水溶液を0.4，0.07，0.03％の場合でその平均値は、それぞれ、15，37，53ｎｍとなっていた。 In isolated gold nanoparticles, since the localized surface plasmon resonance wavelength is at a short wavelength, an attempt was made to extend this localized surface plasmon resonance wavelength to the optical communication wavelength band. The gold nanoparticle size can be controlled by adding sodium citrate aqueous solution (C 6 H 5 O 7 Na 3 ) of different concentration to chloroauric acid aqueous solution (HAuCl 4 · 4 H 2 O), and 0.4 sodium citrate aqueous solution can be used. , 0.07 and 0.03%, the average values were 15, 37 and 53 nm, respectively.
図２は、前述の第１のファイバと第２のファイバのコア径が極めて大きく、導光体の間で回折がほぼ起きないセンサ構造ファイバで、金ナノ粒子をこのファイバセンサ部にシランカップリング剤で固定した場合の透過光強度の吸光度スペクトルの測定結果である。この構造では、金ナノ粒子の吸光特性のみが評価できる。ここで、吸光度は、センサファイバへの入力光強度をI0、センサを透過した光強度をIとした時、-log10(I/I0)で与えられる光吸収の大きさを表す量である。 FIG. 2 shows a sensor structure fiber in which the core diameter of the first fiber and the second fiber described above is extremely large and almost no diffraction occurs between the light guides, and gold nanoparticles are silane coupled to this fiber sensor portion It is a measurement result of the light absorbency spectrum of transmitted light intensity at the time of fixing with a medicine. In this structure, only the light absorption properties of the gold nanoparticles can be evaluated. Here, absorbance, the input light intensity of the sensor fiber I 0, when the light intensity transmitted through the sensor was set to I, in an amount representing the magnitude of light absorption given by -log 10 (I / I 0) is there.
図２の(A),(B),(C)は、それぞれ、クエン酸ナトリウム水溶液が0.4，0.07，0.03％の場合の金ナノ粒子を固定した場合に対応している。(A),(B),(C)の順に、通信波長帯(1.3-1.6μｍ)まで、吸光度がブロードに拡大していき、同時に、その大きさも大きくなっている。 (A), (B) and (C) in FIG. 2 correspond to the case where gold nanoparticles are fixed when the aqueous solution of sodium citrate is 0.4, 0.07 and 0.03%, respectively. The absorbance broadens to the communication wavelength band (1.3 to 1.6 μm) in the order of (A), (B), and (C), and at the same time, the magnitude also increases.
実施例として、第１のファイバと第２のファイバは、それぞれコア径が典型値8.2μｍ、クラッド径が125μｍの光ファイバであり、導波体は、径寸法が125μｍで、長さが80ｍｍの円柱状とし、第１のファイバと導波体、及び導波体と第２のファイバはそれぞれ融着接続器を用いて接続したものを用い、ファイバセンサ部となる導波体の外周面にシランカップリング剤で金ナノ粒子を固定した（図１２）。同時に、通常のマルチモード干渉構造ファイバセンサのみ（金ナノ粒子が付いていない）のものも作製し，特性の比較を行った。 As an example, the first fiber and the second fiber are optical fibers having a core diameter of 8.2 μm and a cladding diameter of 125 μm, respectively, and the waveguide has a diameter of 125 μm and a length of 80 mm. The first fiber and the waveguide, and the waveguide and the second fiber are respectively connected using a fusion splicer, and the outer peripheral surface of the waveguide serving as a fiber sensor portion is made of silane. The gold nanoparticles were immobilized with a coupling agent (FIG. 12). At the same time, we also made only conventional multimode interference structured fiber sensors (without gold nanoparticles) and compared their properties.
マルチモード干渉構造ファイバセンサのみの場合と図２の(C)に対応する状態の金ナノ粒子が付着固定したファイバの周囲を水とエタノールとした場合の透過光スペクトルを図３(a)と(b)に示す。通信波長帯まで、吸光度がブロードに拡大したファイバで、ディップの波長シフト量が大きくなっていることがわかる(図３(b))。 Fig. 3 (a) and (b) show transmitted light spectra when water and ethanol are used around the fiber to which the gold nanoparticles attached and fixed in the state corresponding to (C) of Fig. shown in b). It can be seen that the wavelength shift amount of the dip is large in the fiber where the absorbance is broadened to the communication wavelength band (FIG. 3 (b)).
図４は、それぞれのサイズの金ナノ粒子を導波体に固定したファイバセンサ部に対し、周囲媒質を水からエタノールまでエタノール水溶液の濃度を変化させることで、周囲媒質の屈折率を変化させた場合のスペクトルディップの波長シフト量をまとめたものである。図１１は、別途報告されているエタノール水溶液の割合と屈折率の関係を示したものである。屈折率と波長シフト量が良く対応していることがわかる。 FIG. 4 shows that the refractive index of the surrounding medium is changed by changing the concentration of the aqueous ethanol solution from water to ethanol for the fiber sensor unit in which gold nanoparticles of each size are fixed to the waveguide. It is what put together the wavelength shift amount of the spectrum dip in the case. FIG. 11 shows the relationship between the ratio of the ethanol aqueous solution and the refractive index which has been reported separately. It can be seen that the refractive index and the wavelength shift amount correspond well.
従って、屈折率と波長シフト量の対応表を作っておけば、波長シフト量より、屈折率が求まり、また、波長シフト量が大きいほど、高感度となる。この図４では、同時に、金ナノ粒子が付いていない通常のマルチモード干渉構造ファイバセンサの結果も合わせて示している。図２の(A)に対応するファイバセンサの結果は、通常のマルチモード干渉構造ファイバセンサの結果とほぼ一致しているが、図２の(C)に対応するファイバセンサの結果は、通常のマルチモード干渉構造ファイバセンサの結果に比べ、波長シフト量がほぼ２倍となっており、感度が大きく増大していることがわかる。 Therefore, if a correspondence table of the refractive index and the wavelength shift amount is made, the refractive index can be obtained from the wavelength shift amount, and the sensitivity becomes higher as the wavelength shift amount is larger. At the same time, FIG. 4 also shows the results of a conventional multimode interference structure fiber sensor without gold nanoparticles. The result of the fiber sensor corresponding to FIG. 2A is substantially identical to the result of the normal multi-mode interference structure fiber sensor, but the result of the fiber sensor corresponding to FIG. The wavelength shift amount is almost doubled as compared with the result of the multimode interference structure fiber sensor, and it can be seen that the sensitivity is greatly increased.
マルチモード干渉構造ファイバセンサに金ナノ粒子を付けた場合、局在表面プラズモン共鳴による光吸収により、スペクトルの強度変化が大きくなることは我々の実験結果として、(PS-7-18) International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2013)に示した。この時に比べ、金ナノ粒子径が大きく、また、粒子が凝集することによって吸光度が0.6より大きくなった今回の場合、明瞭に、スペクトルの波長シフトが観測された。この結果から、金ナノ粒子径が50ｎｍより大きく、また、粒子が凝集することによって吸光度が0.6より大きくなるようなファイバ構造を特徴とすることで、周囲媒質の屈折率変化によるスペクトル波長シフト量が大きく増大でき、波長シフト量を利用する屈折率センサとしての感度が大幅に増大できる。 When gold nanoparticles are attached to a multimode interference structure fiber sensor, the increase in spectral intensity change due to light absorption by localized surface plasmon resonance is a result of our experiments. (PS-7-18) International Conference on It is shown in Solid State Devices and Materials (SSDM 2013). In this case, where the gold nanoparticle diameter is larger and the absorbance is larger than 0.6 due to the aggregation of the particles, the wavelength shift of the spectrum is clearly observed. From this result, it is characterized by the fiber structure that the gold nanoparticle diameter is larger than 50 nm and the absorbance becomes larger than 0.6 by particle aggregation, so that the spectral wavelength shift amount due to the refractive index change of the surrounding medium is This can be greatly increased, and the sensitivity as a refractive index sensor utilizing the amount of wavelength shift can be greatly increased.
ここで、局在表面プラズモン共鳴現象が起きる金属ナノ粒子は、測定に応用する波長域において、大きな吸光度を示すことができるような金属ナノ粒子であれば、Ag,CuやAl等、どのようなものであってもよく、また、それらの合金や層構造体などを含めた、どのような形状、形態であってもよい。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。また、ここでは、マルチモード干渉法が光の位相変化の検出に利用されているが、これに限定するものではなく、マイケルソン干渉法など他の光干渉法を利用しても、同様の効果が得られる。 Here, metal nanoparticles in which localized surface plasmon resonance phenomenon occurs are Ag, Cu, Al, etc., as long as the metal nanoparticles can exhibit a large absorbance in the wavelength range applied to measurement. It may be of any shape or form, including alloys and layer structures thereof. Here, the subject is generally liquid or gas, but may be solid as long as it can be in close contact with the waveguide, or it is solid only when measuring the refractive index. It may be Furthermore, although multi-mode interferometry is used here to detect phase change of light, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained even if other optical interferometry such as Michelson interferometry is used. Is obtained.
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の構成を詳説する。図５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, the configuration of the optical fiber sensor system of the present invention will be described in detail using the drawings. FIG. 5 is a schematic view 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。なお、導波体13の表面には、金属ナノ粒子17が付着固定されている。 The optical fiber sensor system includes a projector 11 for emitting a laser beam, a first optical fiber 12 having one end connected to the projector 11 for guiding the laser beam, and a longitudinal waveguide having the other end of the first optical fiber 12 connected. Body 13, a second optical fiber 14 facing the first optical fiber 12 and having one end connected to the waveguide 13, a light receiver 15 having the other end of the second optical fiber 14 connected, and an output from the light receiver 15 And an analyzer 16 for analyzing the received signal. Metal nanoparticles 17 are attached and fixed to the surface of the waveguide 13.
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 light projector 11 is a laser light source capable of emitting laser light of a predetermined wavelength. The light projector 11 may be a laser light source capable of emitting laser light of a single wavelength, or may be a laser light source capable of emitting laser light of a wavelength in a predetermined band. When a laser light source capable of emitting a laser beam of a predetermined band wavelength is used, the control signal from the analyzer 16 can be input, and the laser beam is emitted based on the control of the analyzer 16. Is desirable.
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 optical fiber 12 is an optical fiber capable of guiding the laser light emitted from the light projector 11, and is composed of a core 12a, a cladding 12b, and a non-periphery (not shown). The core 12 a of the first optical fiber 12 is preferably made as small in diameter as possible so as to cause strong diffraction of light incident on the waveguide 13.
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 waveguide 13 is formed of the same light transmitting material as the core 12 a of the first optical fiber 12, and diffracts the laser light incident from the first optical fiber 12 to produce diffracted light and is totally reflected. It is supposed to lead while doing. By making the waveguide 13 and the core 12 a of the first optical fiber 12 the same material, the laser light incident on the waveguide 13 from the first optical fiber 12 can be incident on the waveguide 13 without leakage. be able to. The waveguide 13 does not necessarily have to be made of the same material as the core 12 a of the first optical fiber 12, and the laser light incident on the waveguide 13 from the first optical fiber 12 can be guided with as little leakage as possible. It should just be able to lead in the body 13.
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。 Although the waveguide 13 may be a cylinder in the simplest way, it is not limited to a cylinder, and the shape of the cross section parallel to the radial direction has a symmetry with the center of the cross as the rotational symmetry axis. It is also good. Specifically, a quadrangular prism whose cross-sectional shape is rectangular or square, a hexagonal prism whose cross-sectional shape is hexagonal, an elliptical prism whose cross-sectional shape is elliptical, etc. It may be
導波体13の表面に付着固定されている金属ナノ粒子17は、導波体13の表面部のエバネッセント波と局在表面プラズモン共鳴を起こす物質であり、その共鳴波長域が、マルチモード干渉波長と重なるような粒子径や粒子の凝集状態となっている。また、測定に用いる波長域で、十分大きな局在表面プラズモン共鳴が起きる状態であることが重要である。 The metal nanoparticles 17 attached and fixed to the surface of the waveguide 13 are substances that cause localized surface plasmon resonance with evanescent waves on the surface portion of the waveguide 13, and the resonant wavelength range is a multimode interference wavelength. It is in a state of particle diameter and particle aggregation that overlaps with the above. In addition, it is important that a sufficiently large localized surface plasmon resonance occurs in the wavelength range used for measurement.
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６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７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 waveguide 13 is not necessarily limited to a rod-like member having a uniform cross section in the longitudinal direction, and as shown in FIG. 6, from the first optical fiber 12 side to the second optical fiber 14 side It may be a tapered shape in which the dimension in the radial direction is gradually expanded, or conversely, as shown in FIG. 7, the taper in which the dimension in the radial direction is gradually reduced from the first optical fiber 12 side to the second optical fiber 14 side. It may be in the form of
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 waveguide 13 is formed separately from the first optical fiber 12 using the same material as the core 12 a of the first optical fiber 12, and the existing fusion splicer using discharge is used to form the waveguide 13. 1 is connected to the optical fiber 12.
したがって、導波体13では、図６及び図７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８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９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 waveguide 13, as shown in FIGS. 6 and 7, the outer peripheral shape of the end of the waveguide 13 on the first optical fiber 12 side is made to match the outer peripheral shape of the end of the first optical fiber 12. If it is continuous, the connection work by the fusion splicer can be surely performed, but in some cases, as shown in FIG. 8, at the end of the first optical fiber 12 side of the waveguide 13 The dimension in the radial direction may be larger than the diameter dimension of the first optical fiber 12, or conversely, as shown in FIG. 9, the radial direction at the end of the waveguide 13 on the first optical fiber 12 side. Of the first optical fiber 12 may be smaller than the diameter of the first optical fiber 12.
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 optical fiber 14 is an optical fiber facing the first optical fiber 12 and having one end connected to the waveguide 13 to guide diffracted light in the waveguide 13 to the light receiver 15 in the subsequent stage, and the core 14 a And the clad 14b, and the to-be-permeated (not shown).
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 14 a of the second optical fiber 14 is formed of a translucent material of the same material as the waveguide 13 and the core 12 a of the first optical fiber 12, and the waveguide 13 and the core 14 a of the second optical fiber 14 The diffracted light in the waveguide 13 can be guided to the core 14 a of the second optical fiber 14 without causing reflection at the interface of As in the case of the first optical fiber 12, the waveguide 13 and the core 14a of the second optical fiber 14 do not necessarily have to be the same material, and the light in the waveguide 13 should be lost as much as possible. And the core 14a of the second optical fiber 14 can be made incident.
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内で局在表面プラズモン共鳴現象が起きる波長の前後で、17の金属ナノ粒子を含む等価的な屈折率の大きな変化を受け、それによって大きな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 waveguide 13 to the core 14 a of the second optical fiber 14 is interference light. That is, the light guided by the second optical fiber 14 is straight light that linearly travels in the waveguide 13 from the core 12 a of the first optical fiber 12 to the core 14 a of the second optical fiber 14, and the waveguide 13 Within and around the wavelength where the localized surface plasmon resonance phenomenon occurs, it is subjected to a large change in equivalent refractive index including 17 metal nanoparticles, thereby resulting in light that interferes with the diffracted light that has undergone a large phase change This interference light is to be guided to the light receiver 15.
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光強度分布の急峻な干渉光が受光器15に導かれることとなっている。 Therefore, if the diameter dimension of the core 14a of the second optical fiber 14 is reduced, the incidence of diffracted light that interferes with straight traveling light on the second optical fiber 14 is restricted, and diffracted light with a small phase shift from the straight traveling light Only enters the second optical fiber 14, and the steep interference light of the light intensity distribution is led to the light receiver 15 by the superposition of the waves.
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 dimension of the core 14a of the second optical fiber 14 is increased, diffracted light having a large phase shift from straight traveling light is also incident on the second optical fiber 14, and the phase shift is large in wave superposition. The interference light which has been relaxed by the component of the diffracted light is to be guided to the light receiver 15.
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 diffracted light having a large phase shift from this rectilinear light can be adjusted by the dimension of the core 14 a of the second optical fiber 14, and can be made appropriate according to the sensitivity required of the sensor unit.
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 size of the core 14 a of the second optical fiber 14 is made larger than the size of the core 12 a of the first optical fiber 12, the size of the second optical fiber 14 is made larger than the size of the first optical fiber 12. Alternatively, the dimensions of the second optical fiber 14 may be matched with the dimensions of the first optical fiber 12 by adjusting the cladding 14 b of the second optical fiber 14.
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６及び図７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 optical fiber 14 is connected to the waveguide 13 using a fusion splicer, and as shown in FIGS. 6 and 7, the outer periphery of the end of the waveguide 13 on the second optical fiber 14 side If the shape is made to conform to the outer peripheral shape of the end of the second optical fiber 14 so as to be continuous, the connection work by the fusion splicer can be performed with certainty.
ただし、場合によっては、図８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９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, depending on the case, as shown in FIG. 8, the radial dimension of the end of the waveguide 13 on the second optical fiber 14 side may be larger than the diameter of the second optical fiber 14. Conversely, as shown in FIG. 9, the radial dimension of the end of the waveguide 13 on the second optical fiber 14 side may be smaller than the diameter of the second optical fiber 14.
また、必要に応じて、例えば図１０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。 In addition, as shown in FIG. 10, for example, the waveguide 13 makes the dimension in the radial direction at the end on the first optical fiber 12 larger than the diameter of the first optical fiber 12 as necessary, and The dimension in the radial direction at the end on the side of the two optical fibers 14 may be smaller than the diameter of the second optical fiber 14.
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 light receiver 15 is provided with a photoelectric conversion element such as a photo sensor, and receives the light guided by the second optical fiber 14 and outputs a signal corresponding to the intensity of the light, that is, the transmitted light amount.
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 analyzer 16 identifies the amount of transmitted light from the signal output from the light receiver 15, and identifies the refractive index from the amount of transmitted light.
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 light projector 11 is a laser light source for emitting laser light of a single wavelength, the refractive index is specified based on the correlation table of the transmitted light amount and the refractive index registered in advance in the analyzer 16. And
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。 In addition, when the light projector 11 is a laser light source for emitting laser light of a wavelength of a predetermined band, the transmitted light amount is detected while changing the emitted wavelength, and the wavelength at which the transmitted light amount is maximum is identified and identified. The refractive index is specified based on the correlation table of the wavelength and the refractive index.
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。 Furthermore, when there is a correlation table of physical properties having a correlation with the refractive index, such as sugar content, for example, the physical property values can also be specified using the correlation table. That is, it is also possible to detect changes in sugar content of the subject.
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 analyzer 16 is configured by a personal computer, and causes the CPU to function as a control unit based on the operation program of the optical fiber sensor system, and also correlates the transmitted light amount with the refractive index and the correlation table with the wavelength and the refractive index Further, by storing in advance a correlation table of physical property values such as refractive index and sugar content in the hard disk, it is possible to provide an optical fiber sensor system capable of detecting not only the refractive index but also predetermined physical property values.
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、あるいは固体状となる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 waveguide 13 as the sensor unit is placed in the gaseous or liquid analyte or in the solid analyte to bring the analyte into contact with the waveguide 13, The refractive index or a predetermined physical property value of the subject in contact with the body 13 is detected.
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かつ高感度に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 the subject in real time, for example, the sugar content change of the material solution during the process of producing a soft drink Can be monitored in real time and with high sensitivity.
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。また、極めて高感度とできるため、バイオセンサなどの、極微量の生体物質検知などにも応用できる。 Moreover, it can be used as a sensor system which detects the physical-property value which has correlation with refractive index like the mixing ratio in not only sugar content but the mixed solution of ethanol and water. In addition, since the sensitivity can be extremely high, the present invention can be applied to detection of a very small amount of biological substance such as a biosensor.
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
17 局在表面プラズモン共鳴を起こす金属ナノ粒子
11 Floodlight
12 First optical fiber
12a core
12b clad
13 Waveguide
14 Second optical fiber
14a core
14b clad
15 Receiver
16 Analyzer
Metal nanoparticles causing localized surface plasmon resonance
Claims (2)
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であって、局在表面プラズモン共鳴を誘起する50ｎｍより大きく、エバネッセント波の染み出している深さよりも十分小さい大きさの金属ナノ粒子を、その外面に凝集させることで可視光より波長の長い光通信波長領域での吸光度を0.6以上とした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 a refractive index detection method for detecting a refractive index of a subject,
The diffracted light caused by diffraction of the incident laser beam to a waveguide that guides while total reflection, rather greater than 50nm to induce localized surface plasmon resonance, than the depth that exudation evanescent wave Also , by aggregating metal nanoparticles of a sufficiently small size on the outer surface, a waveguide with an absorbance of 0.6 or more in the optical communication wavelength range longer than visible light is disposed in the subject, The refractive index detection method which detects a refractive index based on the phase change which arises in a diffracted light with reflection.
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、A first optical fiber connecting one end to the light projector to guide the laser light;
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局在表面プラズモン共鳴を誘起する金属ナノ粒子をその外面に配置した導波体と、The other end of the first optical fiber is connected to diffract the laser light incident from the first optical fiber to generate diffracted light and induce longitudinal localized surface plasmon resonance to be guided while being totally reflected. A waveguide having disposed on its outer surface metal nanoparticles to be
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、A second optical fiber opposite to the first optical fiber and having one end connected to the waveguide;
前記第２の光ファイバの他端を接続した受光器と、A light receiver connected to the other end of the second optical fiber;
前記受光器から出力された信号を解析する解析器とAn analyzer for analyzing the signal output from the light receiver
を備えた光ファイバセンサシステムであって、A fiber optic sensor system comprising
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局在表面プラズモン共鳴を誘起する50ｎｍより大きく、エバネッセント波の染み出している深さよりも十分小さい大きさの金属ナノ粒子をその外面に凝集させることで可視光より波長の長い光通信波長領域での吸光度を0.6以上とした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。The refractive index of the object in contact with the waveguide is larger than 50 nm for inducing the localized surface plasmon resonance, and the depth is sufficiently smaller than the depth where the evanescent wave exudes. Light detected based on the phase change generated in the diffracted light by total reflection of the waveguide with an absorbance of 0.6 or more in the optical communication wavelength range longer than visible light by aggregating metal nanoparticles on its outer surface Fiber sensor system.
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