JPH10503280A - 多様な媒質の屈折率を決定するプロセスおよび装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ファイバー光学センサは、表面プラズモン共鳴に基づくものであり、その端面に形成された多様な角度の面を有する単モードファイバーと、適応するコーティングとから構成されている。第１部分面は、金属コーティングが施されていることが望ましく、第２部分面は、従来の検知層を備え、また該二つの部分面の間の角度は３０°、４５°、又は９０°に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】多様な媒質の屈折率を決定するプロセスおよび装置 この発明は、多様な媒質の屈折率が測定できるプロセス、及びこのプロセスを 行なう装置に関する。この発明の目的を達成するために、境界層の金属誘電体に おける表面プラズモン（電子プラズマ波）の励起、及び、その層や金属層に接合 させたコーティング系の屈折率に対する共鳴状態の密接な依存関係を利用する。 この発明は、特に、ファイバー光学による信号光の放射と誘導作用に関する。ま た、屈折率の変化により、間接的に検出することができる、物理学、化学、及び 生物学上の大きさや量を測定するファイバー光学用センサを構成することに、こ の発明は適用される。 ここ数年に渡り、ファイバー光学用ＳＰＲセンサは、集中的に研究されており 、これに関する最初の試み（欧州特許 No．EP-PS 0 410 505）として、固体ガラ スプリズムを用いる従来の Kretschmann の方法から、単色光の結合と分離のた めに多モードファイバーを用いる方法へと展開された。受光ファイバーで反射さ れた放射線の強度を測定し、この受光ファイバーを変位させることによって操作 点を設定する。 ”表面プラズモンによる信号送出呼掛けに基づくファイバー光学用センサ”（ Letizia De Maria，et．al．Sensors and Actuators B，12（1993）221-223）と 題する出版物により知られているセンサにおいて、センサヘッドとして、単モー ドファイバーの斜めに研磨されたコーティング端面が用いられている。 この動作においても、ヘリウム−ネオンレーザーの単色光が用いられ、回転す るλ／２遅延板により偏光の設定が行なわれた。表面プラズモンがＴＭ波により 励起されるだけなので、検出器で発生する正弦波信号は、最小値と最大値を有し 、また一方、ＴＭ波は基準信号として用いられる。この構成において正確な測定 を行なうためには、最適な偏光と高安定性を有する波長が必要である。この場合 、λ／２遅延板を回転させるための機構が必要になり、センサヘッドによる光の 散乱のために強度が低下するという問題がある。 更に、先行例欧州特許 No．EP-PS 0 326 291から知られているガラスファイバ ーを有するＳＰＲセンサにおいては、検出信号のファイバー光学的誘導を行なう ことができない。 また、先行例西独特許 No．DE-PS 43 05 830で提示されたファイバー光学用Ｓ ＰＲセンサは、結合光の励起と逆反射に対して二つのファイバーを用いなければ ならないので、調整が困難となる。 加えて、単モードファイバーに基づくＳＰＲセンサが、表面プラズモン励起に 基づく新規”インライン”の光ファイバーセンサに記述されている（R．Alonso ，F．Villuendas，J．Tornos and J．Pelayo，Sensors and Actuators A，37-38 (1993)187-192）。この場合、表面プラズモン共鳴の励起は、エポキシ樹脂には め込まれた単モードファイバーの基底周囲上の金製薄層（１５〜３５ｎｍ）に影 響される。この構成においても直線的に偏光されて、単色光はファイバーに結合 され、送信が測定値として算出される。 可干渉光源の利用と波長に要求される安定性により、この変形例で高性能を有 するセンサを製造することは不可能である。 ”生化学的感知に適用されるファイバー光学用センサに基づく新種の表面プラ ズモン共鳴”（R．C．Jorgenson et．al.，SPIE VOL．1886(1993)，p．35-48） と題する出版物において、多モードガラスファイバー中心部の蒸着円柱状表面は 、表面プラズモンを広帯域光で励起させる機能を有する。分光計を用いて、その ファイバーの表面地点で反射される信号を分析する。この場合、減衰最大値の波 長は、金属層と隣接している媒質の屈折率の測定値で示される。しかし、この構 成によれば、モード数が原因で共鳴が激しく伝搬し、様々な波長で表面プラズモ ンの複合励起が発生するという深刻な問題がある。 従って、本発明の目的は、異なる複数のモードによる問題となる共鳴の伝搬を 受信することなく、エネルギー的に有利な、しかも多モードファイバーとしての 利用にも適しているファイバー光学用ＳＰＲセンサを提示することである。 ここで、クレーム１に記載のプロセスにより、本発明の目的を達成する。また 、クレーム２に記載の発明の主題として、本発明の装置を示す。 更に望ましい本発明の展開を、従属クレームに記載の発明の主題に示す。 本発明の表面プラズモン共鳴を励起させるプロセスは、光ファイバーによる信 号の発信及び誘導に適しているという利点がある。特に、多モードファイバーが 広帯域光と共に用いられる場合、高性能を有するセンサが潜在的に生産される可 能性がある。この点に関して、例えば、ＬＩＧＡ技術等の小型分光計の開発を進 めることが検討された。円柱状表面の蒸着と比較し、本発明の方法によれば、対 応レンズによる放射視準（分光）が可能なので、さらに狭い帯域の共鳴が実現さ れる。加えて、平板端子表面部の構成に関して更に展開させれば、偏光フィルタ を用いることにより、ＴＥ波を除去することができるので、共鳴波長の反射光の 強度を０％にすることができる。 単モードファイバーや可干渉光源なしで動作する変形例において、構成部品の 利用価値が高くなり、且つ波長の変動に対して感度を低下できるという特有の利 点がある。 また、本発明の更なる利点、特性及び可能な適用範囲を、以下の図面に基づく 説明により明確にする： 図１：二つの平坦な、傾斜面を有する光学的透明体の端面、 図２：円錐形端面を有する光学的透明体の端面、 図３：切頭円錐形端面を有する光学的透明体の端面、 図４：例として示したトリガー（動作開始）及び数値解析装置の回路図、 図５：センサヘッドの概略図。 各図面に示すように、光学的透明円柱体１の軸に対して平行に進む光線５は、 機械仕上げが施された端面２の複数の部分面３、４により反射されるが、少なく とも２回の反射の後、再び円柱体１の軸に対して平行に戻ってくる。この時、表 面プラズモンが、少なくとも１回の反射に用いられる角度と波長で励起される。 製造に関する利点として、ＳＰＲ金属層が十分に大きい反射係数を有するなら、 反射用の第２部分面４に、コーティング系７と同種のコーティングを施すことが 可能である。 この点に関して、例えば、円柱体１をガラスロッド、棒レンズ、ＧＲＩＮレン ズ、又は光ファイバーとすることもできる。使用材料は、使用波長に対して透明 性を有することが必要である。 図５の例によれば、棒レンズ８の端面２が機械仕上げされ、二つの平旦な部分 面３、４が、α＝９０°の角度を形成している。それ故、部分面３、４の交差直 線は、円柱軸１に垂直になっている。また他端において、広帯域光５を放射し、 誘導する機能を有する多モードファイバー１０の一方の端面が、円柱軸の延長上 の、円柱体１の他端に設けられた凸レンズ９の焦点上に配置されている。 図４は、センサ信号を数値解析することのできる光学電気系を図式で示してい る。光源１１への供給配線、分光計１２、１３、及び差込み型連結部１５を介し てのセンサヘッド１４へのそれぞれの供給配線は、Ｘ連結器１６に連結されてい る。分光計１２、１３は、センサ信号、及び光源スペクトルを決定する基準信号 を得る機能を有する。

【手続補正書】 【提出日】１９９７年２月２７日 【補正内容】 明細書多様な媒質の屈折率を決定するプロセスおよび装置 この発明は、多様な媒質の屈折率が測定できるプロセス、及びこのプロセスを 行なう装置に関する。この発明の目的を達成するために、境界層の金属誘電体に おける表面プラズモン（電子プラズマ波）の励起、及び、その層や金属層に接合 させたコーティング系の屈折率に対する共鳴状態の密接な依存関係を利用する。 この発明は、特に、ファイバー光学による信号光の放射と誘導作用に関する。ま た、屈折率の変化により、間接的に検出することができる、物理学、化学、及び 生物学上の大きさや量を測定するファイバー光学用センサを構成することに、こ の発明は適用される。 ここ数年に渡り、ファイバー光学用ＳＰＲセンサは、集中的に研究されており 、これに関する最初の試み（欧州特許 No．EP-PS 0 410 505）として、固体ガラ スプリズムを用いる従来の Kretschmann の方法から、単色光の結合と分離のた めに多モードファイバーを用いる方法へと展開された。受光ファイバーで反射さ れた放射線の強度を測定し、この受光ファイバーを変位させることによって操作 点を設定する。 ”表面プラズモンによる信号送出呼掛けに基づくファイバー光学用センサ”（ Letizia De Maria，et．al．Sensors and Actuators B，12（1993）221-223）と 題する出版物により知られているセンサにおいて、センサヘッドとして、単モー ドファイバーの斜めに研磨されたコーティング端面が用いられている。 この動作においても、ヘリウム−ネオンレーザーの単色光が用いられ、回転す るλ／２遅延板により偏光の設定が行なわれた。表面プラズモンがＴＭ波により 励起されるだけなので、検出器で発生する正弦波信号は、最小値と最大値を有し 、また一方、ＴＭ波は基準信号として用いられる。この構成において正確な測定 を行なうためには、最適な偏光と高安定性を有する波長が必要である。この場合 、λ／２遅延板を回転させるための機構が必要になり、センサヘッドによる光の 散乱のために強度が低下するという問題がある。 更に、先行例欧州特許 No．EP-PS 0 326 291から知られているガラスファイバ ーを有するＳＰＲセンサにおいては、検出信号のファイバー光学的誘導を行なう ことができない。 また、先行例西独特許 No．DE-PS 43 05 830で提示されたファイバー光学用Ｓ ＰＲセンサは、結合光の励起と逆反射に対して二つのファイバーを用いなければ ならないので、調整が困難となる。 加えて、単モードファイバーに基づくＳＰＲセンサが、表面プラズモン励起に 基づく新規”インライン”の光ファイバーセンサに記述されている（R．Alonso ，F．Villuendas，J．Tornos and J．Pelayo，Sensors and Actuators A，37-38 (1993)187-192）。この場合、表面プラズモン共鳴の励起は、エポキシ樹脂には め込まれた単モードファイバーの基底周囲上の金製薄層（１５〜３５ｎｍ）に影 響される。この構成においても直線的に偏光されて、単色光はファイバーに結合 され、送信が測定値として算出される。 可干渉光源の利用と波長に要求される安定性により、この変形例で高性能を有 するセンサを製造することは不可能である。 ”生化学的感知に適用されるファイバー光学用センサに基づく新種の表面プラ ズモン共鳴”（R．C．Jorgenson et．al.，SPIE VOL．1886(1993)，p．35-48） と題する出版物において、多モードガラスファイバー中心部の蒸着円柱状表面は 、表面プラズモンを広帯域光で励起させる機能を有する。分光計を用いて、その ファイバーの表面地点で反射される信号を分析する。この場合、減衰最大値の波 長は、金属層と隣接している媒質の屈折率の測定値で示される。しかし、この構 成によれば、モード数が原因で共鳴が激しく伝搬し、様々な波長で表面プラズモ ンの複合励起が発生するという深刻な問題がある。 従って、本発明の目的は、異なる複数のモードによる問題となる共鳴の伝搬を 受信することなく、エネルギー的に有利な、しかも多モードファイバーとしての 利用にも適しているファイバー光学用ＳＰＲセンサを提示することである。 ここで、クレーム１に記載のプロセスにより、本発明の目的を達成する。また 、クレーム２に記載の発明の主題として、本発明の装置を示す。 更に望ましい本発明の展開を、従属クレームに記載の発明の主題に示す。 本発明の表面プラズモン共鳴を励起させるプロセスは、光ファイバーによる信 号の発信及び誘導に適しているという利点がある。特に、多モードファイバーが 広帯域光と共に用いられる場合、高性能を有するセンサが潜在的に生産される可 能性がある。この点に関して、例えば、ＬＩＧＡ技術等の小型分光計の開発を進 めることが検討された。円柱状表面の蒸着と比較し、本発明の方法によれば、対 応レンズによる放射視準（分光）が可能なので、さらに狭い帯域の共鳴が実現さ れる。加えて、平板端子表面部の構成に関して更に展開させれば、偏光フィルタ を用いることにより、ＴＥ波を除去することができるので、共鳴波長の反射光の 強度を０％にすることができる。 単モードファイバーや可干渉光源なしで動作する変形例において、構成部品の 利用価値が高くなり、且つ波長の変動に対して感度を低下できるという特有の利 点がある。 また、本発明の更なる利点、特性及び可能な適用範囲を、以下の図面に基づく 説明により明確にする： 図１：二つの平坦な、傾斜面を有する光学的透明体の端面、 図２：円錐形端面を有する光学的透明体の端面、 図３：切頭円錐形端面を有する光学的透明体の端面、 図４：例として示したトリガー（動作開始）及び数値解析装置の回路図、 図５：センサヘッドの概略図。 各図面に示すように、光学的透明円柱体１の軸に対して平行に進む光線５は、 機械仕上げが施された端面２の複数の部分面３、４により反射されるが、少なく とも２回の反射の後、再び円柱体１の軸に対して平行に戻ってくる。この時、表 面プラズモンが、少なくとも１回の反射に用いられる角度と波長で励起される。 ここで適切な角度は、α＝β＝３０°である。製造に関する利点として、ＳＰＲ 金属層が十分に大きい反射係数を有するなら、反射用の第２部分面４に、コーテ ィング系７と同種のコーティングを施すことが可能である。 この点に関して、例えば、円柱体１をガラスロッド、棒レンズ、ＧＲＩＮレン ズ、又は光ファイバーとすることもできる。使用材料は、使用波長に対して透明 性を有することが必要である。 図５の例によれば、二つの平旦な部分面３、４が、α＋β＝９０°の角度を形 成し、且つ角度αとβが共に４５°になるように、棒レンズ８の端面２が機械仕 上げされている。それ故、部分面３、４の交差直線は、円柱軸１に垂直になって いる。また、広帯域光５を供給し、誘導する機能を有する多モードファイバー１ ０の一方の端面が、円柱軸の延長上の、円柱体１の他端に設けられた凸レンズ９ の焦点上に配置されている。 図４は、センサ信号を数値解析することのできる光学電気系を図式で示してい る。光源１１への供給配線、分光計１２、１３、及び差込み型連結部１５を介し てのセンサヘッド１４へのそれぞれの供給配線は、Ｘ連結器１６に連結されてい る。分光計１２、１３は、センサ信号、及び光源スペクトルを演算する基準信号 を得る機能を有する。 請求の範囲 １． 光線を該光線に対して透過性を有する円柱体の中に入射結合させ、表面プ ラズモン共鳴（ＳＰＲ）を用いて、化学、物理学、及び生物学上の量値を検出で きる変化に基づいて媒質の屈折率を決定するプロセスにおいて、 該結合光線は、前記円柱体の端面により反射され、該端面の互いに向き合 う方向に傾斜させた少なくとも二つの部分面（３、４）を、又は円柱体の少なく とも部分的に円錐形状である端面を経由する少なくとも２回の反射の後、該光線 は、結合点及び分離点に戻され、該光線の波長と、α及び／又はβの傾斜角で、 表面プラズモン共鳴が該反射の少なくとも１回の間に励起されることを特徴とす る多様な媒質の屈折率を決定するプロセス。 ２． 前記円柱体の該端面は、前記円柱体の長軸方向にαの角度で傾斜した前記 部分面（３）を有し、該部分面（３）には、周知のＳＰＲ励起層やこの種の層シ ステムが、表面プラズモン共鳴による測定のために、設けられていることを特徴 とする請求項１に記載の前記プロセスを行なう装置。 ３． 前記部分面（３）は、更にβの角度で傾斜した前記部分面（４）に隣接し 、前記部分面（４）は、単なる反射面であるか、または前記部分面（３）と同様 に表面プラズモン共鳴を励起させるコーティングを備えているかのどちらかであ ることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ４． 前記角度αとβの合計が９０°になることを特徴とする請求項３に記載の 装置。 ５． 前記傾斜部分面（３、４）は、互いに対向する部分的円錐形面、又は部分 的切頭円錐形面であることを特徴とする請求項２から請求項４までの一つの項に 記載の装置。 ６． 前記角度α及びβが３０°であることを特徴とする請求項２から請求項５ までの一つの項に記載の装置。 ７． 前記角度α及びβが４５°であることを特徴とする請求項２から請求項６ までの一つの項に記載の装置。 ８． 前記円柱体は、光ファイバー、又は棒レンズという点で円柱状光波ガイド の機能を有することを特徴とする請求項２から請求項７までの一つの項に記載の 装置。 ９． 前記光線は、外部光学レンズ、前記円柱体と一体に形成されたレンズ、又 は光学系を経由させ、結合及び分離させることもできることを特徴とする請求項 ２から請求項８までの一つの項に記載の装置。 １０．ＴＥ波成分を除去するために偏光フィルタを用いることを特徴とする請求 項２から請求項９までの一つの項に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｇ０２Ｂ 6/00 9222−2Ｈ Ｇ０２Ｂ 1/10 Ｚ 6/10 7036−2Ｋ 6/00 Ｂ (72)発明者 キルシュナー ウベー ドイツ連邦共和国 ドレスデン Ｄ− 01139 アルトトラッハウ 41

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を用いて、化学、物理学、及び生物学上の 量値を検出できる変化に基づいて媒質の屈折率を測定するプロセスにおいて、 該光学放射線に対して透過性を有する光ファイバー、又は棒レンズの様な 望ましい円柱体の中に、光線を入射結合させ、該結合光学棒レンズは、前記光学 透過体の端面から戻され、該端面の部分面（３、４）を経由する複数回の反射の 後、該光線は、結合点及び分離点に戻され、表面プラズモン共鳴が該反射の少な くとも１回の間に励起されることを特徴とする多様な媒質の屈折率を測定するプ ロセス。 ２． 前記光学的透過性を有する円柱体の該端面は、αの角度で傾斜部分面（３ ）を有し、該部分面（３）には、周知のＳＰＲ励起コーティングやこの種のコー ティングシステムが、表面プラズモン共鳴による測定のために設けられ、該部分 面（３）は、更にβの角度で傾斜部分面（４）に隣接し、前記部分面（４）は、 単なる反射面であるか、または前記部分面（３）と同様に表面プラズモン共鳴を 励起させるコーティングを備えているかのどちらかであることを特徴とする請求 項１に記載の前記方法を行なう装置。 ３． 前記傾斜部分面（３、４）は、平坦面であることを特徴とする請求項２に 記載の装置。 ４． 前記角度αとβの合計が９０°になることを特徴とする請求項３に記載の 装置。 ５． 前記角度α及びβが、３０°であることを特徴とする請求項３に記載の装 置。 ６． 前記傾斜部分面（３、４）は、共に部分的円錐形面であることを特徴とす る請求項２に記載の装置。 ７． 前記傾斜部分面（３、４）は、共に部分的切頭円錐形面であることを特徴 とする請求項２に記載の装置。 ８． 前記角度α及びβが、３０°であることを特徴とする請求項５又は請求項 ６に記載の装置。 ９． 前記角度α及びβが、４５°であることを特徴とする請求項５又は請求項 ６に記載の装置。 １０．一方の傾斜部分面（３）は平坦面であり、他方の傾斜部分面（４）は部分 的切頭円錐形面又は部分的円錐形面であることを特徴とする請求項２に記載の装 置。 １１．光学放射線に対して透過性を有する前記円柱体は、光ファイバー、又は棒 レンズという点で円柱状光波ガイドの機能を有することを特徴とする請求項２に 記載の装置。 １２．前記結合光は平行光であることを特徴とする請求項１に記載の装置。 １３．外部光学レンズ、光学的に結合された光学レンズ、又は光学系を経由して 、前記結合光を形成することを特徴とする請求項１０に記載の装置。 １４．前記結合光は平行光でないことを特徴とする請求項１に記載の装置。