JP6681070B2 - Optical fiber device and sensor system - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバ装置及びセンサシステムに関する。 The present invention relates to fiber optic devices and sensor systems.
本発明者は、光ファイバをセンサとして用いたセンサシステムとして、クラッドを設けないことで光ファイバのコアをむき出しとしてセンサ部を形成し、このセンサ部の一方端には入射光用の第１の光ファイバを接続し、センサ部の他方端には出射光用の第２の光ファイバを接続して使用するセンサシステムを提案した。このセンサシステムでは、第１の光ファイバからセンサ部に入射された光のうち、センサ部の外周面で全反射させた後に第２の光ファイバに入射させる光と、センサ部で全反射させることなくそのまま第２の光ファイバに入射させる光とで干渉光を生じさせ、光の波長を変えながら干渉光の変動を検出することでセンサ部に接触した被検体の屈折率を測定可能としている（例えば、特許文献１参照。）。 The present inventor, as a sensor system using an optical fiber as a sensor, forms a sensor part by exposing the core of the optical fiber by not providing a clad, and at one end of this sensor part, a first part for incident light is formed. A sensor system has been proposed in which an optical fiber is connected and a second optical fiber for outgoing light is connected to the other end of the sensor unit for use. In this sensor system, of the light incident on the sensor unit from the first optical fiber, the light that is totally reflected on the outer peripheral surface of the sensor unit and then is incident on the second optical fiber and the light that is totally reflected by the sensor unit are used. Instead, interference light is generated with the light that is directly incident on the second optical fiber, and the fluctuation of the interference light is detected while changing the wavelength of the light, so that the refractive index of the subject in contact with the sensor unit can be measured ( See, for example, Patent Document 1.).
上記のセンサシステムでは、センサ部を通過した光を受光するためには、第２の光ファイバで受光器まで導く必要があり、２本の光ファイバの取り回しが必要であって、使用形態によっては光ファイバの取り回しが困難なことがあった。 In the above sensor system, in order to receive the light that has passed through the sensor section, it is necessary to guide it to the light receiver by the second optical fiber, and it is necessary to arrange two optical fibers. It was sometimes difficult to handle the optical fiber.
そこで、センサ部において第１の光ファイバから入射された光を反射させて、第１の光ファイバに出射させることを検討した。すなわち、通常では第２の光ファイバを接続するセンサ部の端部に金膜を形成して反射鏡とし、この反射鏡でセンサ部に入射された光を反射させて第１の光ファイバに出射させることした（例えば、非特許文献１参照。）。 Therefore, it was considered to reflect the light incident from the first optical fiber in the sensor unit and emit the light to the first optical fiber. That is, normally, a gold film is formed on the end portion of the sensor unit to which the second optical fiber is connected to form a reflecting mirror, and this reflecting mirror reflects the light incident on the sensor unit and emits it to the first optical fiber. (For example, see Non-Patent Document 1).
上述したセンサ部に反射鏡を設けたセンサシステムは、センサ部への入射光とセンサ部からの出射光とを同一の光ファイバを介して導けるため、取り扱い性が極めて高いセンサシステムとすることができたが、屈折率の計測が可能な干渉光を得るためには、センサ部を比較的長くする必要があった。具体的には、センサ部の長さは、125μｍのファイバ径に対して36.3mmとする必要があり、センサ部はファイバ径の寸法と比較して極めて長い形状とする必要があった。ここで、センサ部に入射させる光はマルチモードであって、光ファイバもマルチモード用のファイバを用いている。 The above-described sensor system in which the sensor section is provided with the reflecting mirror can guide the incident light to the sensor section and the light emitted from the sensor section through the same optical fiber, and thus can be a sensor system with extremely high handleability. However, in order to obtain interference light whose refractive index can be measured, it was necessary to make the sensor section relatively long. Specifically, the length of the sensor portion needs to be 36.3 mm for a fiber diameter of 125 μm, and the sensor portion needs to have an extremely long shape as compared with the dimension of the fiber diameter. Here, the light incident on the sensor unit is multimode, and the optical fiber also uses a multimode fiber.
本発明者は、センサ部をより短くすることができないか検討し、研究を重ねた結果、本発明を成すに至ったものである。 The present inventor has completed the present invention as a result of studying whether or not the sensor unit can be made shorter and conducting repeated research.
本発明の光ファイバ装置は、シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバと、この光ファイバの端部に設けて光ファイバ内を伝搬されてきたレーザ光を反射させるセンサ部とを有する光ファイバ装置であって、センサ部は、光ファイバのコアと同一材料であって、光ファイバのコアよりも太径の円柱状とし、センサ部の先端側には、光ファイバからセンサ部に入射されて入射方向に伝搬する第１の光を反射させる第１の反射面と、光ファイバからセンサ部に入射された際に入射方向から所定の角度の方向に伝搬する第２の光を反射させる第２の反射面を設けるとともに、第１の反射面は、センサ部の先端側の中央部分であって、光の入射方向と直交する平面とし、第２の反射面は、第１の反射面の周囲に設け、光ファイバから入射されてセンサ部内を広がり角を持って伝搬する第２の光を、センサ部の外周面である第３の反射面で全反射させ、第２の反射面で反射させた後、再度、第３の反射面で全反射させて、光ファイバのコア部分に集光させることで、センサ部の入射方向の長さを1ｍｍ以下としている光ファイバ装置とした。
The optical fiber device of the present invention includes an optical fiber that propagates a single-mode laser beam, and a sensor unit that is provided at an end of the optical fiber and that reflects a laser beam propagated in the optical fiber. The sensor part is made of the same material as the core of the optical fiber and has a cylindrical shape with a diameter larger than that of the core of the optical fiber. A first reflecting surface for reflecting the first light propagating in the direction, and a second reflecting surface for reflecting the second light propagating in a direction at a predetermined angle from the incident direction when the sensor unit is incident from the optical fiber. Rutotomoni a reflective surface, the first reflecting surface is a central portion of the tip side of the sensor unit, as the plane perpendicular to the incident direction of light, the second reflecting surface, around the first reflecting surface Is installed on the The second light propagating in the sensor section with a divergence angle is totally reflected by the third reflection surface which is the outer peripheral surface of the sensor section, reflected by the second reflection surface, and then again reflected by the third reflection surface. The optical fiber device has a length of 1 mm or less in the incident direction of the sensor unit by total reflection on the surface and focusing on the core portion of the optical fiber.
さらに、本発明の光ファイバ装置では、以下の点にも特徴を有するものである。
（１）センサ部の外側をチタン製または酸化チタン製の金属膜で被覆していること。
（２）センサ部の外側を誘電性膜または有機膜で被覆するとともに、センサ部と、このセンサ部を被覆した膜の屈折率が異なり、かつ、センサ部を被覆した膜は、第１の反射面近傍でのレーザ光に対する膜の垂直成分の反射率を、第１の反射面でのレーザ光の反射によって生成される干渉信号を消失させない反射率としていること。
（３）センサ部を被覆した膜の屈折率を、この膜と接する物質の屈折率と等しくしていること。
（４）センサ部を被覆した膜をフッ素樹脂またはフッ素化アクリル樹脂で形成していること。
（５）センサ部に入射させるレーザ光の波長を、センサ部の先端を透過する波長として、透過したレーザ光による発熱を生じさせるとともに、センサ部に、センサ部の先端を透過する波長のレーザ光と、このレーザ光と異なる波長であって、第１と第２の反射面でそれぞれ反射するレーザ光とを入射させていること。
Furthermore, the optical fiber device of the present invention is also characterized by the following points.
( 1 ) The outside of the sensor unit is covered with a metal film made of titanium or titanium oxide .
( 2 ) The outside of the sensor part is covered with a dielectric film or an organic film, and the sensor part and the film covering this sensor part have different refractive indices, and the film covering the sensor part is the first reflection film. The reflectance of the vertical component of the film with respect to the laser light in the vicinity of the surface is set to the reflectance that does not eliminate the interference signal generated by the reflection of the laser light on the first reflecting surface .
( 3 ) The refractive index of the film covering the sensor section should be equal to the refractive index of the substance in contact with the film.
( 4 ) The film that covers the sensor unit is made of fluororesin or fluorinated acrylic resin.
( 5 ) The wavelength of the laser light that is incident on the sensor unit is set to a wavelength that passes through the tip of the sensor unit, and heat is generated by the transmitted laser light. And laser light having a wavelength different from that of the laser light and reflected by the first and second reflecting surfaces, respectively .
また、本発明のセンサシステムでは、シングルモードのレーザ光を出射する投光器と、レーザ光が入射されることで第１の反射光と第２の反射光を生じさせる光ファイバ装置と、光ファイバ装置から出射された第１の反射光と第２の反射光の干渉光を受光する受光器と、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としているものである。 Further, in the sensor system of the present invention, a projector that emits single-mode laser light, an optical fiber device that produces first reflected light and second reflected light when the laser light is incident, and an optical fiber device. It is provided with a light receiver for receiving the interference light of the first reflected light and the second reflected light emitted from, and an analyzer for analyzing the signal output from the light receiver.
特に、光ファイバ装置は、シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバと、この光ファイバの端部に設けて光ファイバ内を伝搬されてきたレーザ光を反射させるセンサ部とを有し、センサ部は、光ファイバのコアと同一材料であって、光ファイバのコアよりも太径の円柱状とし、センサ部の先端側には、光ファイバからセンサ部に入射されて入射方向に伝搬する第１の光を反射させて第１の反射光を生じさせる第１の反射面と、光ファイバからセンサ部に入射された際に入射方向から所定の角度の方向に伝搬する第２の光を反射させて第２の反射光を生じさせる第２の反射面を設けるとともに、第１の反射面は、センサ部の先端側の中央部分であって、光の入射方向と直交する平面とし、第２の反射面は、第１の反射面の周囲に設け、光ファイバから入射されてセンサ部内を広がり角を持って伝搬する前記第２の光を、センサ部の外周面である第３の反射面で全反射させ、第２の反射面で反射させた後、再度、第３の反射面で全反射させて、光ファイバのコア部分に集光させることで、センサ部の入射方向の長さを1ｍｍ以下としているものである。 In particular, the optical fiber device has an optical fiber that propagates a single-mode laser beam, and a sensor unit that is provided at the end of the optical fiber and that reflects the laser beam that has propagated in the optical fiber. Is made of the same material as the core of the optical fiber and has a columnar shape with a diameter larger than that of the core of the optical fiber. The first reflection surface that reflects the light of No. 1 to generate the first reflected light, and the second light that propagates in a direction of a predetermined angle from the incident direction when the light is incident on the sensor unit from the optical fiber. the Te second reflecting surface to produce a second reflected light provided Rutotomoni, the first reflecting surface is a central portion of the tip side of the sensor unit, as the plane perpendicular to the incident direction of light, the second The reflective surface of is provided around the first reflective surface, After the second light, which is incident from the fiber and propagates in the sensor unit with a spread angle, is totally reflected by the third reflecting surface that is the outer peripheral surface of the sensor unit and is reflected by the second reflecting surface, Again, the length in the incident direction of the sensor part is set to 1 mm or less by totally reflecting again on the third reflecting surface and condensing it on the core part of the optical fiber .
本発明によれば、シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバと、この光ファイバの端部に設けて光ファイバ内を伝搬されてきたレーザ光を反射させるセンサ部とを有する光ファイバ装置として、光ファイバからセンサ部に入射されることにより所定の広がり角をもって伝搬する光のうち、入射方向に伝搬する第１の光を反射させて第１の反射光を生じさせる第１の反射面と、入射方向から所定の角度の方向に伝搬する第２の光を反射させて第２の反射光を生じさせる第２の反射面を設けていることで、入射光の広がり角を利用して２種類の反射光を生じさせることができ、この二種類の反射光を利用して干渉光を生じさせることができる。 According to the present invention, as an optical fiber device having an optical fiber for propagating a single-mode laser beam, and a sensor unit provided at an end of the optical fiber for reflecting the laser beam propagated in the optical fiber, A first reflecting surface that reflects the first light propagating in the incident direction among the light propagating with a predetermined divergence angle by being incident on the sensor unit from the optical fiber to generate the first reflected light; By providing the second reflecting surface that reflects the second light propagating in the direction of the predetermined angle from the incident direction to generate the second reflected light, two types can be used by utilizing the spread angle of the incident light. Reflected light can be generated, and interference light can be generated using these two types of reflected light.
しかも、第２の反射光は、第２の反射面の向きを調整することで、効果的にセンサ部の外周面で全反射させる光路を設定しやすく、センサ部の入射方向の長さを短くすることができ、よりコンパクトなセンサ部を備えた光ファイバ装置とすることができる。 Moreover, by adjusting the direction of the second reflecting surface of the second reflected light, it is easy to effectively set an optical path for totally reflecting the outer peripheral surface of the sensor section, and shorten the length of the sensor section in the incident direction. Therefore, the optical fiber device having a more compact sensor unit can be provided.
＜第１実施形態＞
以下において、本発明の第１実施形態について説明する。
<First Embodiment>
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described.
本発明のセンサシステムでは、図１に概略模式図で示すように、シングルモードのレーザ光を出射する投光器10と、レーザ光が入射されることで第１の反射光と第２の反射光を生じさせる光ファイバ装置20と、光ファイバ装置20から出射された第１の反射光と第２の反射光の干渉光を受光する受光器30と、受光器30から出力された信号を解析する解析器40とを備えたとしているものである。 In the sensor system of the present invention, as shown in the schematic diagram of FIG. 1, a projector 10 that emits single-mode laser light and a first reflected light and a second reflected light that are incident on the laser light are generated. An optical fiber device 20 to be generated, a light receiver 30 for receiving the interference light of the first reflected light and the second reflected light emitted from the optical fiber device 20, and an analysis for analyzing the signal output from the light receiver 30. It is said to be equipped with a container 40.
投光器10では、出射する光の波長を調整可能としており、解析器40による制御に基づいて所定の波長の光を出射することとしている。 The light projector 10 is capable of adjusting the wavelength of emitted light, and emits light of a predetermined wavelength under the control of the analyzer 40.
光ファイバ装置20は、後述するように、光ファイバ21とセンサ部22とで構成している。特に、光ファイバ21の中途部分には、光の進行方向によって結合するポートが異なるファイバ型光サーキュレータ23を設けている。光サーキュレータ23は、投光器10から出射されたレーザ光を光ファイバ装置20へ導光し、光ファイバ装置20で生じさせた第１の反射光と第２の反射光の干渉光を、光サーキュレータ23を介して受光器30に入射させている。 The optical fiber device 20 is composed of an optical fiber 21 and a sensor unit 22, as described later. In particular, a fiber type optical circulator 23 having different ports to be coupled depending on the traveling direction of light is provided in the middle of the optical fiber 21. The optical circulator 23 guides the laser light emitted from the light projector 10 to the optical fiber device 20, and the interference light of the first reflected light and the second reflected light generated in the optical fiber device 20 is generated by the optical circulator 23. It is incident on the light receiver 30 via.
受光器30は、光ファイバ装置20で生じさせた第１の反射光と第２の反射光の干渉光を受光して、干渉光の明度を検出し、所定の検出信号として解析器40に入力している。 The light receiver 30 receives the interference light of the first reflected light and the second reflected light generated by the optical fiber device 20, detects the brightness of the interference light, and inputs it to the analyzer 40 as a predetermined detection signal. are doing.
解析器40は、本実施形態ではパーソナルコンピュータで構成し、投光器10から照射する光の波長を変えながら受光器30の出力信号を検出して、後述するように波長シフト量を検出することで屈折率を計測することとしている。本実施形態では、解析器40はパーソナルコンピュータで構成しているが、専用の処理を実行する装置を構築してもよい。また、投光器10からの照射光は広波長帯域の光とし、受光器30を波長に分解（分光）して各波長における光強度を計測できる光スペクトラムアナライザとしても同様に波長シフト量を検出することができる。 The analyzer 40 is configured by a personal computer in the present embodiment, detects the output signal of the light receiver 30 while changing the wavelength of the light emitted from the light projector 10, and detects the wavelength shift amount as described later to refract the light. It is supposed to measure the rate. In the present embodiment, the analyzer 40 is composed of a personal computer, but a device that executes a dedicated process may be constructed. Also, the light emitted from the projector 10 should be light in a wide wavelength band, and the wavelength shift amount should be detected in the same manner as an optical spectrum analyzer that can decompose (spectralize) the light receiver 30 into wavelengths and measure the light intensity at each wavelength. You can
本発明の光ファイバ装置20は、図２に示すように、シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバ21と、この光ファイバ21の端部に設けて光ファイバ内を伝搬されてきたレーザ光を反射させるセンサ部22とで構成している。 As shown in FIG. 2, the optical fiber device 20 of the present invention provides an optical fiber 21 for propagating a single mode laser beam and a laser beam which is provided at the end of the optical fiber 21 and propagated in the optical fiber. It is composed of a sensor unit 22 for reflecting the light.
センサ部22は、光ファイバ21のコアと同一材料であって、光ファイバ21のコアよりも太径の円柱状としている。本実施形態では、光ファイバ21は、コア径が8.2μｍで、クラッド径が125μｍであり、センサ部22は、直径125μｍの円柱状としている。 The sensor portion 22 is made of the same material as the core of the optical fiber 21, and has a cylindrical shape having a diameter larger than that of the core of the optical fiber 21. In the present embodiment, the optical fiber 21 has a core diameter of 8.2 μm and a clad diameter of 125 μm, and the sensor portion 22 has a cylindrical shape with a diameter of 125 μm.
センサ部22の先端側には、光ファイバ21からセンサ部22に入射されて入射方向に伝搬する第１の光を反射させて第１の反射光を生じさせる第１の反射面22aと、光ファイバ21からセンサ部22に入射された際に入射方向から所定の角度の方向に伝搬する第２の光を反射させて第２の反射光を生じさせる第２の反射面22bを設けている。 On the tip side of the sensor unit 22, a first reflecting surface 22a that reflects the first light that is incident on the sensor unit 22 from the optical fiber 21 and propagates in the incident direction to generate the first reflected light; A second reflecting surface 22b that reflects the second light propagating in the direction of a predetermined angle from the incident direction when the light enters the sensor unit 22 from the fiber 21 to generate the second reflected light is provided.
第１の反射面22aは、光ファイバ21からセンサ部22に入射された光の入射方向と直行する平面として、センサ部22の先端側の中央部分に設けている。 The first reflecting surface 22a is provided in the central portion on the tip end side of the sensor portion 22 as a plane orthogonal to the incident direction of the light that has entered the sensor portion 22 from the optical fiber 21.
第２の反射面22bは、第１の反射面22aの周囲に設けており、本実施形態では、丸みを帯びた略球面形状としている。この略球面形状は、センサ部22の先端側端部を融解させることで形成している。なお、第２の反射面22bは略球面形状に限定するものではなく、後述する光学的条件を満たすように形状を調整可能であれば、第１の反射面22aと所定の角度を成す傾斜面としてもよい。 The second reflecting surface 22b is provided around the first reflecting surface 22a, and has a rounded and substantially spherical shape in the present embodiment. This substantially spherical shape is formed by melting the end portion of the sensor portion 22 on the front end side. The second reflecting surface 22b is not limited to a substantially spherical shape, and if the shape can be adjusted so as to satisfy the optical condition described later, an inclined surface forming a predetermined angle with the first reflecting surface 22a. May be
ここで、センサ部22には、以下のような光学的条件がある。
まず、光ファイバ21からセンサ部22に入射されたシングルモードの光は広がり角をもってセンサ部22内を伝搬し、1ｍｍ程度以下の伝搬長でセンサ部22の径寸法よりも広がることとなっている。このセンサ部22内での光の広がりは、波長λにおける光のスポットサイズw0のガウシアンビームで近似でき、センサ部22の屈折率をnとすると、広がり角θは、
θ＝tan-1（λ/ｎπw0）
として表される。
Here, the sensor unit 22 has the following optical conditions.
First, single-mode light that has entered the sensor unit 22 from the optical fiber 21 propagates in the sensor unit 22 with a divergence angle, and spreads beyond the diameter of the sensor unit 22 with a propagation length of about 1 mm or less. . The spread of light in the sensor unit 22 can be approximated by a Gaussian beam having a light spot size w 0 at the wavelength λ, and assuming that the refractive index of the sensor unit 22 is n, the spread angle θ is
θ = tan −1 (λ / nπw 0 )
It is expressed as
光ファイバ21からセンサ部22に入射された光であって、広がり角をもってセンサ部22内を伝搬する光は、図２に示すように、第２の反射面22bに到達する前に少なくとも１回はセンサ部22において反射した光としている。説明の便宜上、第２の反射面22bに到達する前にセンサ部22で生じる反射の反射面を「第３の反射面」と呼ぶ。 The light that has entered the sensor unit 22 from the optical fiber 21 and propagates in the sensor unit 22 with a divergence angle is at least once before reaching the second reflecting surface 22b, as shown in FIG. Is the light reflected by the sensor unit 22. For convenience of description, the reflection surface of the reflection that occurs in the sensor unit 22 before reaching the second reflection surface 22b is referred to as a "third reflection surface".
さらに、第２の反射面22bで反射した後に、再度、第３の反射面で反射させて、光ファイバ21のコア部分に集光させることとしている。第３の反射面での反射は、全反射となっている。 Further, after being reflected by the second reflecting surface 22b, it is reflected again by the third reflecting surface and condensed on the core portion of the optical fiber 21. The reflection on the third reflecting surface is total reflection.
本実施例では、センサ部22を直径125μｍの円柱状としていることから、センサ部22の入射方向の長さＬ＝0.81 mmとしている。センサ部22の長さＬと、そのときの第２の反射面22bの形状は、第２の反射面22bからの反射成分がちょうど光ファイバ21のコア部分に戻る条件とすることが重要である。 In this embodiment, since the sensor portion 22 has a cylindrical shape with a diameter of 125 μm, the length L of the sensor portion 22 in the incident direction is L = 0.81 mm. It is important that the length L of the sensor portion 22 and the shape of the second reflection surface 22b at that time are conditions under which the reflection component from the second reflection surface 22b returns to the core portion of the optical fiber 21. .
上述したように、光ファイバ21のコアからの垂直反射成分が生じるように、センサ部22の先端部分に設けた第１の反射面22aは、先端部分の中央であって、平坦としているため、センサ部22の先端部分は単純な先球構造とはしていない。 As described above, the first reflecting surface 22a provided at the tip portion of the sensor portion 22 is flat at the center of the tip portion so that the vertical reflection component from the core of the optical fiber 21 is generated. The tip portion of the sensor unit 22 does not have a simple front spherical structure.
このように、第２の反射面22bで反射した光は、第１の反射面22aで反射した光とは異なり、センサ部22の外周面である第３の反射面で全反射するが、全反射点においてエバネッセント波となっている。したがって、第２の反射面22bで反射した光は、第３の反射面の周囲の外部物質の屈折率の影響を受けて位相が変化するため、第１の反射面22aで反射した光との位相差が生じることで干渉を起すこととなっている。 Thus, unlike the light reflected by the first reflecting surface 22a, the light reflected by the second reflecting surface 22b is totally reflected by the third reflecting surface which is the outer peripheral surface of the sensor unit 22, It becomes an evanescent wave at the reflection point. Therefore, the phase of the light reflected by the second reflecting surface 22b changes due to the influence of the refractive index of the external material around the third reflecting surface, so that the light reflected by the first reflecting surface 22a The phase difference causes interference.
図３は、センサ部22が空気と接した状態での干渉スペクトルのグラフである。２光波による周期的な干渉が見られている。 FIG. 3 is a graph of an interference spectrum when the sensor unit 22 is in contact with air. Periodic interference due to two light waves is observed.
純水とエタノールとの混合液は、純水とエタノールの混合比を調整することで屈折率が変わることが知られており、具体的には、純水に対するエタノールの重量混合比を0〜99.5％まで9.95％刻みで変えることで、屈折率は1.3326〜1.3643まで変化する。 It is known that the refractive index of a mixed solution of pure water and ethanol is changed by adjusting the mixing ratio of pure water and ethanol. Specifically, the weight mixing ratio of ethanol to pure water is 0 to 99.5. % By changing in 9.95% steps, the refractive index changes from 1.3326 to 1.3643.
図４は、エタノール混合比を約20％づつ増大させた時のスペクトルの変化を示している。スペクトルがエタノールの濃度増大（屈折率の増大）と共に、長波長側にシフトしていることがわかる。 FIG. 4 shows the change in the spectrum when the ethanol mixing ratio was increased by about 20%. It can be seen that the spectrum shifts to the longer wavelength side as the concentration of ethanol increases (the refractive index increases).
この屈折率変化に対するスペクトルのディップ波長の変化量を、周囲が純水の場合を基準（0）とし、縦軸に波長シフト量としてプロットしたものを図５に示す。屈折率変化に対して波長が線形的に増大しており、この傾きで与えられる感度は139 nm/RIU（RIUはRefractive Index Unitの略）であった。非特許文献1に示されている金膜の反射鏡を用いた場合では147 nm/RIUであって、遜色ない値が得られている。特に、非特許文献1に示されている金膜の反射鏡を用いた場合ではセンサ長が36.3 mmであり、本実施例では、約45分の１の0.81 mmのセンサ長で同等の感度が得られている。 FIG. 5 shows the amount of change in the dip wavelength of the spectrum with respect to the change in the refractive index, which is plotted as the amount of wavelength shift on the vertical axis with reference to (0) when the surroundings are pure water. The wavelength increased linearly with the change in the refractive index, and the sensitivity given by this slope was 139 nm / RIU (RIU stands for Refractive Index Unit). In the case where the gold film reflecting mirror shown in Non-Patent Document 1 is used, the value is 147 nm / RIU, which is comparable to the value obtained. In particular, the sensor length is 36.3 mm when the reflecting mirror of the gold film shown in Non-Patent Document 1 is used, and in this embodiment, a sensor length of 0.81 mm, which is about 1/45, gives an equivalent sensitivity. Has been obtained.
上述した実施形態では、センサ部22には何の被覆も施していないが、各種の被覆を施すことで性能向上を果たすことができる。 In the above-described embodiment, the sensor unit 22 is not covered with any coating, but the performance can be improved by applying various coatings.
図６は、センサ部22に100 nmのチタン膜を形成した場合において、エタノール混合比を約20％づつ増大させた際のスペクトルの変化を示している。 FIG. 6 shows a change in the spectrum when the ethanol mixing ratio is increased by about 20% in the case where a 100 nm titanium film is formed on the sensor unit 22.
注目すべき点の１つは、チタン膜の無い場合では、図４に示したように、屈折率の増大と共に、スペクトルの山谷の深さが顕著に浅くなっていくが、チタン膜がある場合は、図６に示すように、屈折率が増大しても、スペクトルの山谷の深さが十分大きな状況に維持できることである。このことは、センサ部22をチタン膜等の適宜の金属膜で被覆することで、さらに大きな屈折率の測定まで可能となることを意味する。 One of the points to be noted is that when the titanium film is not present, as shown in FIG. 4, the depth of the peaks and troughs of the spectrum becomes significantly shallower as the refractive index increases, but when the titanium film is present. That is, as shown in FIG. 6, even if the refractive index increases, the depth of the peaks and valleys of the spectrum can be maintained in a sufficiently large state. This means that by coating the sensor section 22 with an appropriate metal film such as a titanium film, it is possible to measure a larger refractive index.
この金属膜による被覆の効果は、金属膜の形成によって垂直成分の光の反射率が増大できているためと考えられる。 It is considered that the effect of the coating with the metal film is that the reflectance of the light of the vertical component can be increased by the formation of the metal film.
注目すべき２つ目の点は、チタン膜の形成により波長のシフト量が大きくなることである。 The second point to be noted is that the amount of wavelength shift increases due to the formation of the titanium film.
図７は、センサ部22に100 nmのチタン膜を形成した場合と、センサ部22に150 nmのチタン膜を形成した場合のエタノールの濃度増大（屈折率の増大）に対する波長のシフト量をプロットしたものである。比較のために，チタン膜を設けていない場合も表示している。 FIG. 7 is a plot of the wavelength shift amount with respect to the ethanol concentration increase (refractive index increase) when a 100 nm titanium film is formed on the sensor part 22 and when a 150 nm titanium film is formed on the sensor part 22. It was done. For comparison, the case where no titanium film is provided is also shown.
図７に示すように、チタン膜が厚くなると共に、波長のシフト量が明瞭に大きくなっている。図７において、各データの示す傾きで与えられる感度は、チタン膜が無い場合に139 nm/RIUであるのに対して、100 nmのチタン膜を形成した場合は229 nm/RIU、150 nmのチタン膜を形成した場合は312 nm/RIUであり、チタン膜の増大と共に感度が大幅に大きくなっている。 As shown in FIG. 7, as the titanium film becomes thicker, the amount of wavelength shift clearly increases. In Fig. 7, the sensitivity given by the slope of each data is 139 nm / RIU when there is no titanium film, whereas it is 229 nm / RIU and 150 nm when a 100 nm titanium film is formed. When a titanium film is formed, it is 312 nm / RIU, and the sensitivity is significantly increased as the titanium film is increased.
チタン薄膜を150 nmとした場合の感度は、チタン薄膜が無い場合の感度より2.2倍増大しており、非特許文献1に示されている金膜の反射鏡を用いた場合の感度（147 nm/RIU）と比べても２倍以上となっている。 The sensitivity when the titanium thin film is set to 150 nm is 2.2 times higher than the sensitivity when there is no titanium thin film, and the sensitivity (147 nm / RIU shown in Non-Patent Document 1) using the gold film reflecting mirror is used. ) Is more than double.
このようなチタン膜による感度の向上効果は、チタン膜により全反射時のエバネッセント波の浸み出しが大きくなって、外部の屈折率変化に対して光路長の変化が大きくなるためと考えているが、詳細は今後の研究で明らかにする必要がある。 It is considered that such an effect of improving the sensitivity due to the titanium film is that the evanescent wave seeping out at the time of total reflection is large due to the titanium film, and the change of the optical path length becomes large with respect to the change of the refractive index of the outside. However, details will need to be clarified in future studies.
なお、センサ部22はチタン膜で被覆する場合だけでなく、Si，Ni，Auなどの他の金属膜や、SiNx，TiO2，Al2O3などの窒化膜や酸化膜などの薄膜の他、有機薄膜などでも同様の効果が得られる。 The sensor portion 22 is not limited to the case of being covered with a titanium film, but is also applicable to other metal films such as Si, Ni, Au, and thin films such as nitride films and oxide films of SiNx, TiO 2 , Al 2 O 3 The same effect can be obtained with an organic thin film.
上述した実施形態は、屈折率センサとして利用することを想定しているが、例えば、後述するようにセンサ部22を温度によって屈折率が変化する材料で被覆することで、屈折率変化と温度変化を関連づけることが可能であり、温度センサとして利用できる。 Although the above-described embodiment is intended to be used as a refractive index sensor, for example, by covering the sensor portion 22 with a material whose refractive index changes with temperature as described later, the refractive index change and the temperature change Can be associated with each other and can be used as a temperature sensor.
また、被覆材の屈折率が圧力によって変化するものとすれば、屈折率変化と圧力変化を関連づけることが可能であり、圧力センサとして利用できる。同様に、屈折率と物理量が関連する材料を被覆することにより、各種センサとして応用できることが可能である。 Further, if the refractive index of the covering material changes with pressure, it is possible to associate the refractive index change with the pressure change, and it can be used as a pressure sensor. Similarly, by coating a material whose refractive index and physical quantity are related, it can be applied as various sensors.
なお、上述した第１実施形態では、センサ部22は、光ファイバ21のコアと同一材料としているが、一方の材料中に多少の不純物が添加されていても上述の特性への影響はほぼなく、上述した特性を損なわない程度の不純物の添加は許容範囲であって、その場合も同一材料と見なす。 In the first embodiment described above, the sensor part 22 is made of the same material as the core of the optical fiber 21, but even if some impurities are added to one of the materials, there is almost no effect on the above characteristics. The addition of impurities to the extent that the above-mentioned characteristics are not impaired is within an allowable range, and in that case, the same material is considered.
＜第２実施形態＞
以下において、本発明の第２実施形態について説明する。
<Second Embodiment>
The second embodiment of the present invention will be described below.
第２実施形態では、センサ部22を温度によって屈折率が変化する材料で被覆することで、屈折率変化と温度変化を関連づけ、温度センサとして利用するものである。 In the second embodiment, the sensor section 22 is coated with a material whose refractive index changes with temperature, and the refractive index change and the temperature change are associated with each other and used as a temperature sensor.
その一例として、センサ部22の表面にチタン皮膜を形成し、さらにフッ素化アクリル樹脂で被覆して、温度センサとするものである。チタン皮膜の厚さは150 nmとし、水中において温度を変化させた時の測定結果を図８に示す。 As an example, a temperature sensor is formed by forming a titanium film on the surface of the sensor unit 22 and further coating it with a fluorinated acrylic resin. The thickness of the titanium film is 150 nm, and the measurement results when the temperature is changed in water are shown in FIG.
ここで、センサ部22を被覆する被覆膜は、以下の３つの要件を満たすことが望ましい。 Here, it is desirable that the coating film that covers the sensor unit 22 satisfies the following three requirements.
第１の要件は、センサ部22のファイバの屈折率と、被覆膜の屈折率の差が適度な大きさで異なっていることである。ここで、適度な大きさとは、センサ部22のファイバと被覆膜との界面でのレーザ光の透過率が10％以下となる屈折率の組み合わせをすることである。 The first requirement is that the difference between the refractive index of the fiber of the sensor section 22 and the refractive index of the coating film is different by an appropriate amount. Here, “suitable size” means a combination of refractive indices that make the transmittance of laser light at the interface between the fiber of the sensor unit 22 and the coating film 10% or less.
さらに、第２の要件は、センサ部22の第１の反射面22a近傍での垂直成分の被覆膜のレーザ光に対する反射率が、第１の反射面22aでのレーザ光の反射によって生成される干渉信号を消失させない反射率とすることである。すなわち、被覆膜のレーザ光に対する反射率が大きい場合には、干渉信号が得られなくなることで温度の計測が困難となるおそれがあるためである。 Furthermore, the second requirement is that the reflectance of the coating film of the vertical component in the vicinity of the first reflection surface 22a of the sensor unit 22 with respect to the laser light is generated by the reflection of the laser light on the first reflection surface 22a. That is, the reflectance is set so as not to eliminate the interference signal. That is, when the reflectance of the coating film with respect to the laser light is large, it may be difficult to measure the temperature because the interference signal cannot be obtained.
さらに、第３の要件は，被覆膜の屈折率が、その外側で被腹膜と接している物質の屈折率とほぼ等しいことである。ここで、「ほぼ等しい」とは、屈折率の差が、10％以内ということである。 Furthermore, the third requirement is that the refractive index of the coating film is substantially equal to the refractive index of the substance that is in contact with the peritoneum outside the coating film. Here, “substantially equal” means that the difference in refractive index is within 10%.
例えば、被腹膜をフッ素化アクリル樹脂で形成した場合には、上記の要件を満たし、被腹膜として好適な材料となっている。特に、温度センサとしてのみの動作を要求する時は、センサ部22は被覆膜で十分厚く被覆された状態としてもよく、最表面からの反射光が、センサ部22へ戻らないように最表面に凹凸があるような構造とすることが望ましい。また、フッ素化アクリル樹脂の屈折率は水の屈折率とほぼ一致するため、ディップ波長は水中においても波形が変形することなく、図８に示すように、温度上昇と共にスムースに短波長側にシフトしている。 For example, when the peritoneal membrane is formed of a fluorinated acrylic resin, the above requirements are satisfied, and the material is suitable as the peritoneal membrane. In particular, when the operation only as a temperature sensor is required, the sensor portion 22 may be in a state of being sufficiently thickly coated with a coating film, and the reflected light from the outermost surface may be prevented from returning to the sensor portion 22. It is desirable to have a structure with unevenness. Moreover, since the refractive index of the fluorinated acrylic resin is almost the same as the refractive index of water, the waveform of the dip wavelength does not change even in water, and as shown in FIG. 8, it smoothly shifts to the short wavelength side as the temperature rises. are doing.
一方、被覆膜の屈折率が、その外側の物質の屈折率と大きく異なって、屈折率の差が大きい場合には、その界面での反射成分が発生するため、スペクトル波形の変形が起こるが、本実施形態ではそのようなことが起きていない。 On the other hand, when the refractive index of the coating film is significantly different from the refractive index of the substance outside the coating film and the difference in the refractive index is large, a reflection component is generated at the interface, which causes deformation of the spectral waveform. In the present embodiment, such a thing does not occur.
すなわち、水分がほとんどである人体などの動物の温度測定には、被覆膜としてフッ素化アクリル樹脂を用いることで、測定精度の向上にも大変有効である。ディップ波長の温度依存性を図９に示す。図９に示すように、30〜50℃の範囲で線形性に優れ、温度分解能が0.065 ℃と高分解能で測定できることがわかった。 That is, for the temperature measurement of an animal such as a human body, which has almost the same water content, the use of a fluorinated acrylic resin as the coating film is very effective in improving the measurement accuracy. FIG. 9 shows the temperature dependence of the dip wavelength. As shown in FIG. 9, it was found that the linearity was excellent in the range of 30 to 50 ° C., and the temperature resolution was 0.065 ° C. and high resolution measurement was possible.
なお、フッ素化アクリル樹脂の代わりとして、溶剤が揮発することで被覆膜が形成されるタイプであるフッ素樹脂を用いて被覆膜を形成した場合の測定も行った。フッ素樹脂も屈折率が水に近いため、スペクトル波形の変形がほぼ起こらなかった。この場合のディップ波長の温度依存性を図１０に示す。図１０に示すように、温度に対する波長シフト量は小さいが、0.63 ℃の分解能で測定できることがわかった。 It should be noted that, in place of the fluorinated acrylic resin, measurement was also performed when the coating film was formed using a fluororesin which is a type in which the coating film is formed by volatilization of the solvent. Since the fluororesin also has a refractive index close to that of water, almost no deformation of the spectral waveform occurred. FIG. 10 shows the temperature dependence of the dip wavelength in this case. As shown in FIG. 10, it was found that the wavelength shift amount with respect to temperature was small, but measurement could be performed with a resolution of 0.63 ° C.
＜第３実施形態＞
以下において、第３実施形態について説明する。
<Third Embodiment>
The third embodiment will be described below.
上述した第２実施形態のように、センサ部22をフッ素化アクリル樹脂で被覆した光ファイバ装置を用い、水における光吸収が大きい波長1.48μmの半導体レーザ光をセンサ部22の入力端から入射すると、センサ部22の先端部を透過して、センサ部22の外に光を射出させることができる。しかも、センサ部22を水に浸漬させた状態で光を射出させると、射出された光によりセンサ部22の周囲の水を発熱させて暖めることができた。すなわち、センサ部22をヒーターとして用いるものである。 As in the second embodiment described above, when an optical fiber device in which the sensor unit 22 is coated with a fluorinated acrylic resin is used and a semiconductor laser beam having a wavelength of 1.48 μm, which has a large light absorption in water, is incident from the input end of the sensor unit 22. Light can be emitted to the outside of the sensor unit 22 through the tip of the sensor unit 22. Moreover, when light was emitted while the sensor unit 22 was immersed in water, the water around the sensor unit 22 could be heated and warmed by the emitted light. That is, the sensor unit 22 is used as a heater.
図１１は、入射光パワーに対する水の温度上昇幅の関係をプロットしたグラフである。約43 mWの比較的低い光パワーで14℃の昇温が実現できることわかった。 FIG. 11 is a graph in which the relationship between the temperature rise width of water and the incident light power is plotted. It was found that a temperature rise of 14 ° C can be realized with a relatively low optical power of about 43 mW.
人体の体温を36 ℃とした場合、50 ℃にするには、14 ℃の温度上昇幅があればよく、センサ部22をヒーターとして比較的低い光パワーで50 ℃まで昇温できることになる。 When the body temperature of the human body is 36 ° C., a temperature rise width of 14 ° C. is enough to reach 50 ° C., and the sensor unit 22 can be used as a heater to raise the temperature to 50 ° C.
さらには、センサ部22の先端を融解して、端面を適宜の曲面構造とすることで集光効果を生じさせることができ、センサ部22の先端部が平坦なものと比べて温度上昇幅を10％向上させることができた。 Furthermore, the tip of the sensor part 22 is melted and the end face is formed into an appropriate curved surface structure, so that a light-collecting effect can be produced. I was able to improve by 10%.
上述した第２実施形態の温度センサでは、感度向上のためにチタン膜が形成されているが、150 nmと極めて薄く、このようなチタン膜が存在する状況であっても、波長1.48 μmの光は95％透過することを確認した。 In the temperature sensor of the second embodiment described above, the titanium film is formed for the purpose of improving the sensitivity, but it is extremely thin at 150 nm, and even if such a titanium film is present, light with a wavelength of 1.48 μm is emitted. Was confirmed to be 95% transparent.
また、センサ部22に入射させる光として波長1577μm付近の光を波長多重装置を用いて合波して入射し、1577μm付近の波長成分を有する光の先端表面からの反射光のスペクトル変化を計測すると、先端部の温度を測定することができた。すなわち、加熱用の光と、温度計測用の光とを重ね合わせた２波長の光入射により、先端部の昇温とその温度計測を同時に光のみで実現できる。 Further, as the light to be incident on the sensor unit 22, the light having a wavelength near 1577 μm is multiplexed and incident using a wavelength multiplexer, and the spectral change of the reflected light from the tip surface of the light having a wavelength component near 1577 μm is measured. , The temperature of the tip could be measured. That is, the temperature rise of the tip portion and the temperature measurement thereof can be simultaneously realized only by light by the incidence of light of two wavelengths in which the heating light and the temperature measurement light are superposed.
10 投光器
20 光ファイバ装置
21 光ファイバ
22 センサ部
22a 第１の反射面
22b 第２の反射面
23 光サーキュレータ
30 受光器
40 解析器
10 Floodlight
20 fiber optic equipment
21 optical fiber
22 Sensor section
22a First reflective surface
22b Second reflective surface
23 Optical circulator
30 receiver
40 analyzer
Claims (7)
この光ファイバの端部に設けて前記光ファイバ内を伝搬されてきたレーザ光を反射させるセンサ部と
を有する光ファイバ装置であって、
前記センサ部は、前記光ファイバのコアと同一材料であって、前記光ファイバのコアよりも太径の円柱状とし、
前記センサ部の先端側には、前記光ファイバから前記センサ部に入射されて入射方向に伝搬する第１の光を反射させる第１の反射面と、前記光ファイバから前記センサ部に入射された際に入射方向から所定の角度の方向に伝搬する第２の光を反射させる第２の反射面を設けるとともに、
前記第１の反射面は、前記センサ部の先端側の中央部分であって、光の入射方向と直交する平面とし、
前記第２の反射面は、前記第１の反射面の周囲に設け、
前記光ファイバから入射されて前記センサ部内を広がり角を持って伝搬する前記第２の光を、前記センサ部の外周面である第３の反射面で全反射させ、前記第２の反射面で反射させた後、再度、前記第３の反射面で全反射させて、光ファイバのコア部分に集光させることで、前記センサ部の前記入射方向の長さを1ｍｍ以下としている光ファイバ装置。 An optical fiber that propagates single-mode laser light,
An optical fiber device having a sensor unit provided at an end of the optical fiber for reflecting the laser light propagated in the optical fiber,
The sensor portion is made of the same material as the core of the optical fiber, and has a cylindrical shape having a diameter larger than that of the core of the optical fiber,
On the tip side of the sensor unit, a first reflection surface that reflects the first light that is incident on the sensor unit from the optical fiber and propagates in the incident direction, and is incident on the sensor unit from the optical fiber. the second reflecting surface provided Rutotomoni for reflecting the second light propagating from the incident direction in the direction of a predetermined angle in,
The first reflecting surface is a central portion on the tip side of the sensor portion, and is a plane orthogonal to the light incident direction,
The second reflecting surface is provided around the first reflecting surface,
The second light, which is incident from the optical fiber and propagates in the sensor unit with a divergence angle, is totally reflected by a third reflecting surface that is an outer peripheral surface of the sensor unit, and is then reflected by the second reflecting surface. An optical fiber device in which the length in the incident direction of the sensor unit is set to 1 mm or less by causing the light to be totally reflected again on the third reflecting surface and condensed on the core portion of the optical fiber after being reflected .
前記センサ部に、前記センサ部の先端を透過する波長のレーザ光と、このレーザ光と異なる波長であって、前記第１と第２の反射面でそれぞれ反射するレーザ光とを入射させている光ファイバ装置。 In the optical fiber device according to any one of claims 3 to 5, the wavelength of the laser light incident to the sensor unit as the wavelength for transmitting the tip of the sensor unit, with resulting generation of heat due to the transmitted laser beam ,
Laser light having a wavelength that passes through the tip of the sensor portion and laser light having a different wavelength from the laser light and reflected by the first and second reflecting surfaces are made incident on the sensor portion. Fiber optic equipment.
前記レーザ光が入射されることで第１の反射光と第２の反射光を生じさせる光ファイバ装置と、
前記光ファイバ装置から出射された前記第１の反射光と前記第２の反射光の干渉光を受光する受光器と、
前記受光器から出力された信号を解析する解析器と
を備えたセンサシステムであって、
前記光ファイバ装置は、
前記シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバと、
この光ファイバの端部に設けて前記光ファイバ内を伝搬されてきたレーザ光を反射させるセンサ部と
を有し、
前記センサ部は、前記光ファイバのコアと同一材料であって、前記光ファイバのコアよりも太径の円柱状とし、
前記センサ部の先端側には、前記光ファイバから前記センサ部に入射されて入射方向に伝搬する第１の光を反射させて前記第１の反射光を生じさせる第１の反射面と、前記光ファイバから前記センサ部に入射された際に入射方向から所定の角度の方向に伝搬する第２の光を反射させて前記第２の反射光を生じさせる第２の反射面を設けるとともに、
前記第１の反射面は、前記センサ部の先端側の中央部分であって、光の入射方向と直交する平面とし、
前記第２の反射面は、前記第１の反射面の周囲に設け、
前記光ファイバから入射されて前記センサ部内を広がり角を持って伝搬する前記第２の光を、前記センサ部の外周面である第３の反射面で全反射させ、前記第２の反射面で反射させた後、再度、前記第３の反射面で全反射させて、光ファイバのコア部分に集光させることで前記センサ部の前記入射方向の長さを1ｍｍ以下としているセンサシステム。 A projector that emits single-mode laser light,
An optical fiber device for generating a first reflected light and a second reflected light when the laser light is incident,
A light receiver for receiving the interference light of the first reflected light and the second reflected light emitted from the optical fiber device,
A sensor system comprising an analyzer for analyzing a signal output from the light receiver,
The optical fiber device,
An optical fiber for propagating the single mode laser light,
And a sensor unit provided at the end of the optical fiber for reflecting the laser light propagated in the optical fiber,
The sensor portion is made of the same material as the core of the optical fiber, and has a cylindrical shape having a diameter larger than that of the core of the optical fiber,
A first reflecting surface on the front end side of the sensor unit, which reflects the first light that is incident on the sensor unit from the optical fiber and propagates in the incident direction to generate the first reflected light; Rutotomoni provided a second reflecting surface which causes by reflecting the second light propagating from the incident direction in the direction of a predetermined angle in the optical fiber is incident to the sensor unit generate the second reflected light,
The first reflecting surface is a central portion on the tip side of the sensor portion, and is a plane orthogonal to the light incident direction,
The second reflecting surface is provided around the first reflecting surface,
The second light, which is incident from the optical fiber and propagates in the sensor unit with a divergence angle, is totally reflected by a third reflecting surface that is an outer peripheral surface of the sensor unit, and is then reflected by the second reflecting surface. A sensor system in which the length in the incident direction of the sensor unit is set to 1 mm or less by causing the light to be totally reflected again on the third reflecting surface and then condensed on the core portion of the optical fiber after being reflected .
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