JPH0472520A - 物理量検出光センサ - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物理量検出光センサに関する。例えば、圧力
などの物理量の変化を非線形光学特性の変化として検出
可能な物理量検出光センサに関する。

〔背景技術〕

従来、物理量の検出は、物理量の変化を機械的変位量に
変換し、その機械的変位量を電気信号として検出する構
造である。

例えば、圧力の検出では、圧力の変化をブルドン管、ベ
ローズ、あるいは、ダイヤフラムなどの機械的エレメン
トの変位量に変換し、それらの変位量をインダクタンス
の変化、あるいは、静電容量の変化として取出す構造で
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の物理量の検出では、圧力などの物理量の変化をブ
ルドン管、ベローズ、あるいは、ダイヤフラムなどの機
械的エレメントの変位量に変換するものであるため、そ
の機械的エレメントの変位量が物理量の変化量に比例す
るようにエレメントを精密に製造しなければならない。

しかも、機械的エレメントを変位可能に組み込むために
は、多くの部品が必要となることから、構造が複雑化し
、保守や取扱上において不利である上、高精度な検出が
望めないという欠点がある。

また、機械的エレメントの変位量を電気信号として取出
すにも電気回路が必要であるから、設置環境によっては
引火、爆発などの危険性を伴う。

そのため、化学プラントなどにおける物理量の検出には
適用できないという欠点もある。

ここに、本発明の目的は、このような従来の欠点を一掃
し、簡単な構造で高精度に物理量を検出できるとともに
、安全性も確保できる物理量検出光センサを提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

そのため、本発明の物理量検出光センサは、高分子圧電
性物質中に有機非線形光学物質を混合させた複合光学素
子と、この複合光学素子にレーザ光を照射し非線形光学
特性を発現させる光照射部と、前記複合光学素子で非線
形光学特性を発現されたレーザ光を受光する光検出部と
、を具備したことを特徴とする。

上記複合光学素子は、例えば、次の手順によって作製す
ることができる。高分子圧電性物質と有機非線形光学物
質とを所定の割合で同一の有機溶媒を用いて均一な溶解
液とし、平滑な鋳型などを用いてキャスト膜を作製する
。乾燥後に、キャスト膜を面の平坦な金属板の間にスペ
ーサとともに挿入し、面方向から圧力を加えなから高分
子圧電性物質の結晶化温度以下の温度でアニーリングを
行う。次に、その素子の両面または両断面に電極を取り
付け、高電圧（例えば、数十ＫＶ）によりポーリングを
行う。この間、温度を室温から徐々に高分子圧電性物質
のポーリング温度まで上げ、数十分間その温度に保った
後、所定の速度で室温まで下げる。これにより、複合光
学素子を作製することができる。

ここで、高分子圧電性物質としては、光透過性がよく、
つまりレーザ光の波長で吸収か少ない有機圧電性物質な
らば制限はない。例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶ
ＤＦ）　、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの
共重合体（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）、シアノビニリデンと酢
酸ビニル共重合体（ＶＤＣＮ／ＶＡＣ）などを用いるこ
とができる。

また、非線形光学物質としては、有機系物質で非線形光
学特性を示す物質ならば制限はない。例えば、４−ニト
ロ−４゛　−ジメチルアミノスチルベン（ＤＡＮＳ）　
、４−　ＣＰ−ジメチルアミノスチリル〕−１−メチル
ピリジニウム　Ｐ−トルエンスルフォネート、４−［：
Ｐ−オキシスチリルツー１−メチルピリジニウム　イン
ナーソルトなどを用いることができる。

また、高分子圧電性物質と非線形光学物質との混合比は
、要求される非線形光学特性、つまり検出しようとする
物理量に応じて決定すればよい。

例えば、高分子圧電物質としてフッ化ビニリデンとトリ
フルオロエチレンの共重合体（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）を、
非線形光学物質として４−〔Ｐ−ジメチルアミノスチル
リチル〕−１−メチルピリジウム　Ｐ−トルエンスルフ
ォネートを用い、かつ、検出しようとする物理量によっ
て複合光学素子の厚みを５０μｍとした場合、フッ化ビ
ニリデンとトリフルオロエチレンの共！６体（ＶＤＦ／
ＴｒＦＥ）に対して、４−〔Ｐ−ジメチルアミノスチル
リチル〕−１−メチルピリジウム　ｐ−トルエンスルフ
ォネートか１．０ｗｔ％以下の濃度が最適である。

上記光照射部は、レーザ光を複合光学素子に照射できる
ものであればいずれでもよい。例えば、レーザ光源と、
このレーザ光源から出射されたレーザ光を複合光学素子
に照射させる光学レンズなどから構成できる。ここで、
レーザ光の出力は、複合光学素子が非線形光学特性を発
現できる範囲内であればよい。また、レーザ光の波長は
、複合光学素子のカットオフ波長より長波長にレーザ光
の第２高調波が得られるものなら自由である。

上記光検出部は、複合光学素子により非線形光学特性を
発現されたレーザ光を受光し、その受光量に応じた信号
を出力できるものであればいずれでもよい。例えば、光
増倍管などで構成することができる。

〔作　用〕

光照射部からのレーザ光が複合光学素子に照射されると
、その光電場Ｅにより、複合光学素子中の非線形光学物
質の分極率が変化し、非線形光学特性が発現される。

一般に、物質にレーザ光が照射された場合、物質中に生
じる分極Ｐとレーザ光の光電場Ｅとの関係は、 Ｐ＝αＥ＋βＥＥ＋γＥＥＥ＋・・・・・・・・・（１
）で表わされる。ここで、上記（１）式の右辺第１項は
線形分極成分、第２項以降が非線形分極成分である。通
常、第２項以降の非線形感受率β、γ・・・は小さいの
で、光強度が小さい場合には第１項のみが認められるが
、レーザ光の強光電界下では第２項以降が無視できなく
なり、非線形光学効果が認められる。

例えば、２次の非線形光学効果の代表的な例としては、
第２高調波発振（ω＋ω→２ω）、光混合（ω、＋ω２
→ω３）、ポッケルス効果（ω十０→ω）などが挙げら
れる。また、３次の非線形光学効果の代表的な例として
は、第３高調波発振（ω＋ω＋ω→３ω）、光双安定性
（ω十ω−ω→ω）、カー効果（ω＋０＋０−ω）など
が挙げられる。

ここでは、上述した非線形光学効果のうち、いずれかを
発現させ、その発現している状態を定常状態とする。

この定常状態において、外部から物理量、例えば圧力か
複合光学素子に加えられると、その圧力の大きさに応じ
て複合光学素子中の高分子圧電性物質が分極し、新たな
電場（内部電場）が生じる。

すると、これが非線形光学物質の電場環境を変化させる
ので、結果として、非線形光学特性の変化として現れる
。その変化量は、複合光学素子に加えられる物理量の大
きさに略比例して定量的に観察することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に本実施例の物理量検出光センサの構成を示して
いる。同物理量検出光センサは、複合光学素子１と、こ
の複合光学素子１にレーザ光Ｌ１を照射し非線形光学特
性を発現させる光照射部１１と、前記複合光学素子１で
非線形光学特性を発現されたレーザ光Ｌ２を受光する光
検出部２１とから構成されている。

前記複合光学素子１は、高分子圧電性物質中に有機非線
形光学物質を混合させて作製される。ここでは、高分子
圧電性物質にフッ化ビニリデンとトリフルオロエチレン
の共重合体（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）を、非線形光学物質に
４−〔Ｐ−ジメチルアミノスチリルクー１−メチルピリ
ジニウム　Ｐトルエンスルフォネートをそれぞれ用いて
いる。

作製に当たっては、これらを所定の割合で同一の有機溶
媒を用いて均一な溶解液とし、平滑な鋳型などを用いて
キャスト膜を作製する。乾燥後に、キャスト膜を面の平
坦な金属板の間にスペーサとともに挿入し、面方向から
所定の圧力を加えながら高分子圧電性物質の結晶化温度
以下の温度でアニーリングを行う。すると、この操作に
よって、素子の透明度が向上されると同時に、膜厚の制
御が行われる。

次に、その素子の両面または両断面に電極を取り付け、
高電圧（例えば、数十ＫＶ）によりポーリングを行う。

この間、温度を室温から徐々に高分子圧電物質のポーリ
ング温度まで上げ、数十分間その温度に保った後、所定
の速度で室温まで下げる。すると、この処理により、素
子中の高分子圧電性物質および非線形光学物質の分子配
向が行われ、圧電性および非線形光学特性の向上が見込
まれる。これにより、光学的透過性が良好で、かつ、圧
電性および非線形光学特性を示す複合光学素子が作製さ
れる。

前記光照射部１１は、レーザ光源１２と、このレーザ光
源１２から出射されたレーザ光Ｌ１を前記複合光学素子
１に照射させる光学レンズ１３とから構成されている。

光学レンズ１３は、第２図に示す如く、焦点Ｆが前記複
合光学素子ｌに位置するように配置されている。

前記光検出部２１は、前記複合光学素子１で非線形光学
特性を発現されたレーザ光Ｌ２を受光しその受光量に応
した信号を出力するもので、例えば、分光器またはモノ
クロメータを用いた光倍増管などの光検出装置によって
構成されている。

次に、本実施例の作用を説明する。

いま、第１図において、光照射部１１のレーザ光源１２
から出射されたレーザ光り、か複合光学素子１に照射さ
れている状態を定常状態とする。

ここで、第３図に示す如く、複合光学素子Ｉに物理量、
例えば、圧力か加えられると、その圧力変化かレーザ光
Ｌ２の非線形光学特性の変化として光検出部２１によっ
て検出計測される。

例えば、上記高分子圧電物質；フッ化ビニリデンとトリ
フルオロエチレンの共重合体（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）に対
して、非線形光学物質；４−ＣＰ−ジメチルアミノスチ
リル〕−１−メチルピリジニウム　Ｐ−トルエンスルフ
ォネートの濃度が０゜１〜１．０ｗｔ％を用い、かつ、
レーザ光源１２を波長１３１０ｎｍ、光圧力９０ｍＷの
半導体レーザを用い、その半導体レーザから出射される
第２高調波（波長６５９．５ｎｍ、光圧力約１ｍＷ）の
光を信号光として、前記１３１０ｎｍの光とともに複合
光学素子１に入射させたところ、６５９．５ｎｍの信号
光の波長より長波長または短波長へそれぞれ約１．５ｎ
ｍシフトした波長、また、６５９．５ｎｍでそれぞれ光
強度か数十％増幅される非線形光学特性が発現された。

この状態を定常状態として、第３図に示す如く、複合光
学素子１に５０μｍの範囲内で伸縮を行ったところ、伸
張では光量の減少が、収縮では光量の増加か観測された
。この伸縮量と光量との関係を第４図に示す。同図では
、縦軸に光検出部２１で計測される光量を、横軸に複合
光学素子１のサンプル長をそれぞれ示しである。また、
口は伸張時のデータ、点線・・・・・・・・・はそれら
伸張時のデータの略中間を通る線である。＋は収縮時の
データ、点線−ｍ−はそれら収縮時のデータの略中間を
通る線である。このことから、複合光学素子１の伸縮量
の大きさ、つまり複合光学素子１に加えられた物理量の
大きさに応じて光量が変化することか判る。

従って、本実施例によれば、高分子圧電性物質中に有機
非線形光学物質を混合させた複合光学素子１と、この複
合光学素子ｌにレーザ光Ｌ１を照射し非線形光学特性を
発現させる光照射部１１と、前記複合光学素子ｌて非線
形光学特性を発現さされたレーザ光Ｌ！を受光する光検
出部２１とから構成したので、従来の欠点を全て解消す
ることができる。

つまり、従来のように、圧力の変化をブルドン管、ベロ
ーズ、あるいは、ダイヤフラムなどの機械的エレメント
の変位量に変換しなくてもよいので、部品点数を少なく
できる。よって、構造を簡単にできる。このことは、保
守や取扱上における問題も無くすことができるとともに
、高精度な検出を達成することができる。また、機械的
変位量を電気信号として取出すものでないため、引火、
爆発などの危険性もなく、安全性を確保できる。

また、複合光学素子１は薄膜形成が可能であるから小型
化かはかれる。大きさや形状についても、非線形光学特
性の発現が認められる範囲内で複合光学素子１の受ける
物理量の大きさによって自由に選定することかできる。

しかも、高分子圧電性物質と有機非線形光学物質との混
合比を変えれば、所望の非線形光学特性を得ることかで
きる。

なお、上記実施例では、高分子圧電性物質にフッ化ビニ
リデンとトリフルオロエチレンの共重合体（ＶＤＦ／Ｔ
ｒＦＥ）を、非線形光学物質に４〔Ｐ−ジメチルアミノ
スチリル）−１−メチルピリジニウム　ｐ−トルエンス
ルフォネートをそれぞれ用いたか、これに限られるもの
でなく、高分子圧電性物質および有機非線形光学物質な
らばいずれでもよい。ちなみに、高分子圧電性物質およ
び非線形光学物質を他のものに変えれば、上記実施例と
は異なる非線形光学特性を得ることかできる。更に、レ
ーザ光の波長、出力、光入射条件なども変えてもよい。

また、上記実施例において、複合光学素子ｌに電極を取
り付け、その垂直方向からレーザ光を照射すれば、電界
強度に応した光特性変化を得ることができる。

また、第５図に示す如（、複合光学素子１とレーザ光源
１２との間および複合光学素子１と光検出部２１との間
に、それぞれ光ファイバ３１，３２を用いれば、複合光
学素子１に対してレーザ光源１２および光検出部２１を
離れた場所に配置することができる。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明によれば、高分子圧電性物質中に有
機非線形光学物質を含む複合光学素子と、この複合光学
素子にレーザ光を照射し非線形光学特性を発現させる光
照射部と、前記複合光学素子で非線形光学特性を発現さ
れたレーザ光を受光する光検出部とから構成したので、
従来の欠点を全て解消し、簡単な構造で高精度に物理量
を検出できるとともに、安全性も確保できる物理量検出
光センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の一実施例を示すもので、第１
図は全体の構成を示す図、第２図は光学レンズの詳細を
示す図、第３図は複合光学素子に加わる物理量を示す図
、第４図は複合光学素子の伸縮量と光量との関係を示す
図である。第５図は本発明の他の実施例を示す図である
。 １・・・複合光学素子、１１・・・光照射部、２１・・
・光検出部。 第１図 第４図 第２図 第３図 サンプル長〔鵜〕 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）高分子圧電性物質中に有機非線形光学物質を混合
   させた複合光学素子と、 この複合光学素子にレーザ光を照射し非線形光学特性を
   発現させる光照射部と、 前記複合光学素子で非線形光学特性を発現されたレーザ
   光を受光する光検出部と、 を具備したことを特徴とする物理量検出光センサ。