JPH0359439A

JPH0359439A - 光ファイバセンサ

Info

Publication number: JPH0359439A
Application number: JP2197585A
Authority: JP
Inventors: Yuste Francisco Villuendas; フランシスコ・ビリュテンダス・ユステ; Zueco Francisco Javier Pelayo; フランシスコ・ハビエル・ベラヨ・スェッコ
Original assignee: CABLES DE COMMUN SA; Cables de Comunicaciones SA
Current assignee: CABLES DE COMMUN SA; Cables de Comunicaciones SA
Priority date: 1989-07-25
Filing date: 1990-07-24
Publication date: 1991-03-14
Also published as: EP0410505A2; EP0410505A3; US5245410A; ES2015430A6

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕本願明細書の標題に示すように、以下に示す発明は、表
面プラズマの励起に基づく光ファイバセンサで構成され
ており、化学検出、生化学分析などの使用に有効なもの
である。

その装置は、薄い金属フィルムと調整された外側の誘電
媒体との間に存在する界面上の表面プラズマの光学的共
鳴に基づいている。

本発明の目的は、移動部分がなく、しかも光ファイバに
よって集中遠隔制御が可能な小型携帯用センサ装置を提
供することにある。

〔発明の背景〕

表面プラズマ又は５ＰＯ（ｉ面プラズマ振動）は、金属
媒体と別の誘電媒体との間に存在する界面を伝わる電磁
波に限られる。平坦な表面の光学的励起は、全反射条件
の下で、上記表面上において、偏光Ｐが発生するときに
限り生じる。また、入射ビームと表面プラズマとの間の
エネルギの共鳴結合は、無限大の場、Ｋｅｎ　　ｓｅｎ
　　θ（θは入射角）の波動ベクトルの金属と誘電体と
の界面に平行な成分が、比率［Ｖ　＋ｎ　ｔ”　＋　Ｖｔｎ　、ｔ］”　［Ｖ　１　
ｎ　６’＋　Ｖｏｎ　、ｔ］＋［Ｖ、ｎ、”−Ｖｏｎ、
”］　６　［Ｖｔｎ、’−Ｖ、ｎ、”］　＃ｅＸＰ　（
−２ＶＩｄ）＝０で表されるプラズマＫＳＦの波動ベクトルに近づくとき
に生ずる。

なお、Ｒｅ　（Ｖ　ｊ）＞Ｏの条件で、Ｖ、　＝　［Ｋ
、、”−二＃仁］′ Ｖ、　＝　［Ｋ、、・−ユ９二］′！′ｎｔ”ｗ”　　
　％Ｖ、　　＝　　［Ｋ、、”−７−コ、Ｒｅ（Ｖｊ）＝Ｏのとき１ｍ（Ｖｊ）＜Ｏである。

また、Ｗは最適周波数、Ｃは光束、ｄは金属層の厚さ、
ｎ　Ｏｒ　　ｎ　Ｉ及びｎ、はそれぞれ金属層の第１誘
電媒体とその外側の媒体の屈折率である。したがって、
接触する三つの媒体の屈折率に依存するプラズマの波動
ベクトルが、共鳴する光学的励起をもたらす入射角を決
定する。この角度に関し媒体の屈折率だけでなく入射角
の関数として急激に最小になる。

なお、ｕ（３ｎ（”　　ｕｌｎ。

ｒｏ“＝　ｕ　６ｎ　（”　＋　ｕ　１　ｎ　ｏ宜であ
る。

表面プラズマの励起に基づく種々のセンサが文献に記載
されているが、これらは常に別個の部分からなる光学要
素を用い、測定パラメータに関して反射率が最も減衰し
たときの角度を使用している。

そして、この目的のために、Ｃ，ナイランダ、Ｂ。

リードバーブ及びＴ、リントは、Ｓｅｎ、　ｌ　Ａｃｔ
ｕａｔｏｒｓ。

ｖｏｌ　　４ｐ、２９９．１９８３で検出器の角掃引を
使用し、Ｋ、マツバラ、Ｓ、カワタ、Ｓ、ミナミ、Ａｐ
ｐ１、Ｄｐｔ、、ｖｏｌ２７．ｐ、　１１６０．　ｌ　
９８８で並列線形検出器を使用し１．Ｌ、Ｍ、ツァング
、Ｄ、ウッタムチャンニは、Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ、Ｌｅ
ｔＬ、、ｖｏｌ＋　２　Ｃｐ、　ｌ　４６９＋１９８８
で波長を掃引している。これら装置は、幾何学形に由来
する不都合があるほかに、相当な精密機器または得られ
たデータの複雑な解析が必要で、そのために上記装置は
持ち運ぶことが出来ず、産業分野で使用するのは困難で
あった。一方、これらの装置は集中遠隔制御装置を用い
た通信に光学的接続ができなかった。

〔発明の構成〕

本発明の装置は、センサヘッド、発光及び受光装置、及
び上記センサヘッドを上記発光及び受光装置に接続する
光フアイバ装置で構成される。センサヘッドは、その−
表面を円筒ミラーとした透明な幾何学形で、上記ミラー
の軸が幾何学形の平面に位置しており、上記円筒ミラー
に垂直な平坦表面上には、幾何学形を形成するものと類
似の透明材からなり上部に薄い金属層を設けた平坦な平
行シートが、屈折率アダプタ液（例えば、ＢＫ７ガラス
に対しては、ＤＩ　ＦＣＯのＢ、　　Ｐ、　Ｘ。

８７１１”、ｎ＝１．５３２）によって貼着されている
。表面プラズマの光学的励起は金属層で生じ、第三番目
の層が、透明幾何学形と外側媒体を構成する媒体の屈折
率により決定される角Φを形成している。

入射用光ファイバの端は円筒ミラーの軸上に位置してお
り、それにより金属フィルムと円筒ミラーを通るファイ
バ端のイメージが円筒形の軸の距離にある。この距離の
点に検出用光ファイバが位置し、上記二つの反射部を通
る光の入射角が決定される。センサヘッドの厚さは入射
用光ファイバの放出ビームを制限することがないように
する。

検出用光ファイバとセンサヘッドとの間に、偏光Ｐを有
する光だけを選び出す偏光子が配置される。

そして、本発明の目的は、従来の別個の要素からなる装
置の不都合を解消し、移動部分がなくかつ光ファイバに
より集中遠隔装置することができる小型携帯用センサ装
置を得ることにある。

以下に述べる記載を補足するために、また本発明の特徴
を容易に理解できるようにするために、本発明の最も重
要な細部を表した一連の図面が本明細書に添付されてい
る。

〔実施例〕

解説図を考慮すると、使用されている符号の通りに、本
発明に係る装置が、センサヘッド（１）、発光装置（２
）と受光装置（３）、及び上記センサヘッドを発光装置
と受光装置に接続する光フアイバ装置（４）、で構成さ
れていることが認められる。

センサヘッドは、その表面の一つ（６）を円筒形のミラ
ーとした透明な幾何学形（５）で、上記ミラーの軸が幾
何学形の平面に位置しており、平面（７）の上には上記
円筒ミラーに垂直に、幾何学形（５）を形成するものと
類似の透明材からなり上部に薄い金属層（９）を設けた
平坦な平行シー）（８）が、屈折率アダプタ液（例えば
、ＢＫ７ガラスに対しては、Ｄ　Ｉ　ＦＣＯのＢ、Ｐ、
Ｘ。

“８７１１”　、ｎ＝１．５３２）によって貼着されて
いる。この金属層、例えば厚さ２５ｎｍから６０ｎｍま
での間の厚さを有する金の層の上では、表面プラズマの
光学的励起が生じる。表面（１０）は表面（７）と角Φ
を形作っており、この角度は幾何学形（５〉を構成する
材料の屈折率と制御媒体の屈折率に依存している。

入射用光ファイバ（１２）の端部は円筒ミラー（６）の
軸上に位置しており、それにより金属フィルム（９）と
円筒ミラー（６）を通るファイバ端部の画像が円筒形の
軸自身の距離にある。この距離の位置に検出用光ファイ
バ（１３）の端が位置し、二つの反射部を通る光の入射
角がこのファイバにより決定されている。幾何学形（５
）の厚さは入射用光ファイバの出力ビームを制限するこ
とがないようにする。検出用光ファイバとセンサヘッド
との間には、偏光Ｐを有する光を選び出す偏光子が設け
である。

この幾何学形により、装置の最適な測光特性が得られ、
入射用光ファイバからくる遠い場における光パワーの分
布を完全に利用できる。

光ファイバは、永久的な又は取り外しのできる接続装置
によって共にセンサヘッドに接続される。

この装置に使用できる光ファイバの種類は、モノモード
光ファイバだけでなくマルチモード光ファイバでも良い
し、高シリカ含有のものや他の材料（例えばプラスチッ
ク材料）でもよい。

発光装置には、先ファイバ伝送ウィンドウに使用される
いかなる波長、換言すれば約８５０ｎｍ。

１．３００ｎｍ又は１，５５０ｎｍの波長の光を発する
ＬＥＤ　（発光エレクトロダイオード又は発光ダイオー
ド）又は半導体レーザが使用できる。検出装置には、光
フアイバ伝送装置に使用される一般的な検出器と増幅器
とが使用される。

この形態では、検出用光ファイバを通り伝送される先パ
ワーは、金属フィルムと接触する外側の媒体の屈折率の
関数となる。

例として、第３図に、外側媒体の屈折率に関して測定さ
れた光パワーの標準化した理論値を示す。

検出用光ファイバの位置は、センサヘッドの操作点を遺
択するためにのみ用いた。

第４図に、水溶液中のショ糖の濃度測定において、検出
用光ファイバの異なる位置で得られた結果を示す。

センサ装置には、偏光Ｓを選び出す偏光子と共に検出用
光ファイバに隣接して別々の光ファイノくを設け、参照
信号を与えることにより、動的な自己ゲージ信号を与え
ることもできるし、その他放出用光ファイバとして維持
されている偏光ファイバを使用してもよく、この場合二
つの偏光は光ファイバを通過中に分離され検出段階で別
々に得ることができるので偏光子は不要である。

一般に、上記センサ装置は、化学又は生化学の分野にお
いて、液体またはガス溶解液に存在する種を検出すべく
、多種多様の用、途に使用することができる。バイオ七
ン寸又は選択検出に使用するために、検出すべき種（例
えば、酵素と補酵素、抗原と抗体など）に特に感度を有
する固定化合物。

を含む層で金属フィルムを覆うように、該金属フィルム
を層でコーティングすることもできる。

センサの感度、グイナミソクレンジは、透明誘電材料の
金属フィルムをコーティングし、適当な屈折率及び厚さ
にして、同様の特定の目的に対して最適なものとするこ
とができる。また、この層は、センサの性能に害又は影
響を及ぼす外的な物理的又は化学的作用物に対する保護
にもなる。

上記センサは化学的又は生化学的用途に対して適応させ
るものであったが、制御すべき外的媒体の光学的特性に
影響を及ぼすあらゆる物理又は化学パラメータの変化を
検出する光学センサとして使用することもできる。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば、従来の
別個の要素からなる装置の不都合を解消し、移動部分が
なくかつ光ファイバにより集中遠隔装置することができ
る小型携帯用センサ装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は装置のブロック図、第２図はセンサへ・ノド及
び該センサヘッドに対する光ファイバの相対位置を示す
図、第３図は反射係数の変化を示す理論曲線、第４図は
実験測定結果を示す図である。（１）・・・センサヘッド（２）・・・発光装置（３）・・・受光装置（４）・・・光フアイバ装置（５）・・・幾何学透明体（６）・・・円筒ミラー表面（７）・・・表面（８）・・・シート（９）・・・金属層（金属フィルム）（１０）・・・表面（１２）・・・入射用光ファイバ（１３）・・・検出用光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】〔１〕表面プラズマの励起に基づく光ファイバセンサを
、透明体であって、薄い金属層（９）を一体化し上部で
表面プラズマの光学的励起が生じる平坦な表面（７）、
上記表面に垂直な第２の円筒形ミラー表面、最初の表面
と角Φを形成し、この角が透明体と制御媒体との屈折率
により決定される別の平坦な表面（１０）、を備えた透
明体（５）で構成されるセンサヘッド（１）と、上記円
筒表面（６）の軸上に位置し、発光装置（２）と受光装
置（３）に接続された二つの光ファイバとからなり、外
側の制御媒体の光学的特性の変化が、すべての光ファイ
バより伝えられる光パワーの変化を測定することによっ
て得られるようにしたことを特徴とする光ファイバセン
サ。〔２〕金、銀、アルミニウム、銅、白金、パラジウム、
チタニウム、タングステン又は他の金属からなる薄い金
属フィルム（９）が、他方の面（７）がセンサヘッド（
１）の第１表面に屈折率アダプタを介して接触し、材料
がガラス又はプラスチックで形成された平坦な平行シー
トの一方の面（８）の上に置かれていることを特徴とす
る請求項１の表面プラズマの励起に基づく光ファイバセ
ンサ。〔３〕上記金属フィルム（９）が、透明材料又は生化学
化合物の層からなる第２の層でコーティングされている
ことを特徴とする請求項１、２の表面プラズマの励起に
基づく光ファイバセンサ。〔４〕上記光ファイバが、高シリカ含有物又は他の材料
からなるマルチモード又はモノモードで、上記光ファイ
バが永久的な又は取り外ししできるコネクタによってガ
ラス又はプラスチック材の透明体に接続されていること
を特徴とする請求項１、２の表面プラズマの励起に基づ
く光ファイバセンサ。〔５〕上記センサにおいて、上記透明体と一方の光ファ
イバとの間で、偏光Ｐを有する光を選び出す偏光子を設
けたことを特徴とする請求項１、２の表面プラズマの励
起に基づく光ファイバセンサ。〔６〕上記センサが、偏光Ｓを有する光を選び出す偏光
子と共に又は維持されている偏光ファイバを用いて別の
放出用光ファイバを用いた参照信号に一体化され、二つ
の偏光ＰとＳに従って方向づけられていることを特徴と
する請求項１、２の表面プラズマの励起に基づく光ファ
イバセンサ。〔７〕上記センサにおいて、発光源が約８５０ｎｍ、１
，３００ｎｍ、又は１，５５０ｎｍの波長を有する光を
放射するＬＥＤ又は半導体レーザで構成され、受光装置
がこれら波長に適しているものを用いたことを特徴とす
る請求項１、２の表面プラズマの励起に基づく光ファイ
バセンサ。