KR20050016456A - 트레이스 종의 분광 측정을 위해 광섬유 공진기의 증대된일시적 필드 노출을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

트레이스 종의 분광 측정을 위해 광섬유 공진기의 증대된일시적 필드 노출을 위한 방법 및 장치

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KR20050016456A
KR20050016456A KR10-2004-7019209A KR20047019209A KR20050016456A KR 20050016456 A KR20050016456 A KR 20050016456A KR 20047019209 A KR20047019209 A KR 20047019209A KR 20050016456 A KR20050016456 A KR 20050016456A
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피터 비. 타르사
파울 라빈오위츠
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트러스티스 오브 프린스턴 유니버시티
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Abstract

기체 또는 액체 샘플 내의 트레이스 종의 검출 및 측정을 위한 장치이다. 광섬유로부터 형성된 링 다운 셀의 센서는 상기 샘플 기체 또는 액체에 노출된다. 간섭성 소스는 출력 결합기에 차례로 수신되는 방사선을 광섬유 루프로 방출한다. 광섬유 링은 입력과 출력 사이에서 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출된 부분을 갖는 센서에 결합된다. 상기 센서는 증가된 일시적 영역을 갖는다. 프로세서는 수신기에 결합되고, 상기 광섬유 링 내의 방사선의 감쇠율에 기초하여 기체 또는 샘플 내의 트레이스 종의 레벨을 결정한다.

Description

트레이스 종의 분광 측정을 위해 광섬유 공진기의 증대된 일시적 필드 노출을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ENHANCED EVANESCENT FIELD EXPOSURE IN AN OPTICAL FIBER RESONATOR FOR SPECTROSCOPIC MEASUREMENT OF TRACE SPECIES}
본 발명은 일반적으로는 흡수 분광법에 관한 것이고, 상세하게는 링-다운 캐비티 분광을 위한 광섬유 공진기와 함께 사용하기 위한 증대된 일시적 필드 영역을 가지는 광섬유 센서에 직접 관련한다.
지금 도면을 참고하면, 여기서 기준 수치 같은 것들은 내내 요소와 같이 취급되고, 도 1은 전자기 스펙트럼을 로그 스케일로 도시한다. 분광학은 스펙트럼을 연구한다. 스펙트럼의 다른 분야와 관련된 학문에 반하여, 광학은 특히 가시 광선 및 가시광선 부근의 광선 - 이용 가능한 스펙트럼의 매우 좁은 부분으로써 약 1mm에서 약 1nm 사이의 파장으로 연장된다 - 에 관련한다. 상기 가시 광선 부근의 광선은 붉은색(적외선)보다 더 붉은 광선 및 보라색(자외선)보다 더 보라색의 광선을 포함한다. 범위는 가시 영역의 어느 방향으로든 충분히 확장하는데, 이때 광은 통상의 물질로 제작된 대부분의 렌즈 및 미러에 의해 여전히 조절될 수 있다. 물질들의 광학 특성인 파장 의존성이 자주 고려되어야만 한다.
흡수-형 분광법은 고 감도, 마이크로 세컨드 단위의 응답 시간, 포이즌으로부터의 면역, 및 연구중인 분자 종과는 다른 분자 종으로부터 제한된 간섭을 제공한다. 다양한 분자 종이 흡수 분광에 의해 검출되거나 식별될 수 있다. 그러므로, 흡수 분광법은 중요한 트레이스 종을 검출하는 일반적인 방법을 제공한다. 기체 상태에서, 이러한 방법의 감도 및 선택성이 최적화되는데, 이는 상기 종은 급격한 스펙트럼 선들의 모임에 흡수 강도가 집중되기 때문이다. 스펙트럼에서 폭이 좁은 선들은 대부분의 간섭 종에 대해 구별될 수 있다.
많은 산업상 처리 과정에서, 유동의 기체 스트림 및 액체에서 트레이스 종의 농도는 고도의 속도 및 정확성으로 측정 및 분석되어야 한다. 이러한 고도의 속도 및 정확성으로 측정 및 분석하는 것이 요구되는데, 이는 불순물의 농도가 종종 최종 생성물의 특성에 중요한 영향을 끼치기 때문이다. 예를 들어, N2, O2, H2, Ar, 및 He와 같은 기체들은 집적 회로를 제조하는데 사용되는데, 비록 ppb(perts per billion) 단위일지라도 상기 기체들 내에 불순물이 존재하면 연산 회로에 손상을 입혀 양산율을 감소시킨다. 그러므로, 물이 분광학적으로 관찰될 수 있는 상대적으로 고 감도는 반도체 산업에서 사용되는 고 순도 기체 제조업자에게 중요하다. 다양한 불순물들이, 다른 산업상의 응용에서도 검출되어야 한다. 더욱이, 원래 존재했든지 고의로 주입했던지간에 액체 내 불순물의 존재는 최근 주요 관심사가 되었다.
분광법은 고순도 기체 내 기체 오염 물질에 대해 ppm(parts per million) 단위로 검출한다. ppb 단위의 검출 감도는 몇 몇 경우에 있어 가능하다. 따라서, 몇가지 분광법이, 기체 내에 있는 계량 가능한 불순물의 관찰과 같은 응용에 적용되어 왔는데, 상기 분광법은 기존의 긴 경로 길이 셀(long pathlength cell) 들내의 흡수 측정, 광음향 분광법, 주파수 변조 분광법, 및 인트라캐비티 레이저 흡수 분광법을 포함한다. 이러한 방법들은, Lehmann에 의한 미국 특허(특허 번호 5,528,040)에서 논의된 몇가지 특성을 갖는데, 상기 특성은 상기 방법이 산업상 응용에 사용하기 어렵게 하며 실용적이지 않게 만든다. 그러므로, 상기 방법들은 실험 조사에 있어 상당히 제약이 따른다.
반대로, 캐비티 링-다운 분광법(CRDS : cavity ring-down spectroscopy)은 과학, 산업적 공정 제어, 및 대기중 트레이스 기체 검출에 있어 중요한 기술이 되어왔다. CRDS는, 기존의 방법들이 불충분한 감도를 갖는 영역인 저-흡수 영역을 초과하는 광 흡수의 측정을 위한 기술로써 증명되어 왔다. CRDS는 고-정밀 광학 공진기 내 광자의 평균 수명을 흡수-감도 관측치로써 사용한다.
전형적으로, 공진기는 안정적인 광 공진기를 형성하도록 적절하게 구성된, 명목상 동일하고 협대역을 갖는 한 쌍의 초고 반사율의 유전체 미러로 형성된다. 레이저 펄스가 하나의 미러를 통해 상기 공진기 내부로 주입되는데, 이는 광자의 라운드-트립 전달 시간(photon round-trip transit time), 공진기의 길이, 종의 흡수 자름 넓이 및 수 밀도, 및 진성 공진기 손실- 대개는 회절 손실이 무시할 만한 수준일때 주파수-종속 미러 반사율로부터 발생함 -을 유발하는 요소에 의존하는 평균 수명 시간을 경험하기 위함이다. 그러므로, 광 흡수의 결정은 기존의 방법인 전력율 측정에서 지연 시간의 측정으로 전환된다. CRDS의 최종 감도는 진성 공진기 손실의 크기에 의해 결정되는데, 상기 손실의 크기는 초저 손실 광의 제조를 가능하게 하는 수퍼폴리싱(superpolishing)과 같은 기술로 최소화 될 수 있다.
현재, CRDS는 고 반사율의 유전 미러가 사용될 수 있는 분광 영역으로 제한된다. 이러한 제한은 특히 자외선 및 적외선 영역에서 상기 방법의 유용성을 크게 제한했는데, 왜냐하면 충분히 고 반사율을 갖는 미러는 현재로써는 이용 가능하지 않기 때문이다. 심지어 적합한 유전 미러가 사용 가능한 영역에서도, 각 미러 세트는 오직 작은 범위의 파장, 전형적으로는 몇 퍼센트의 미소 영역에 대한 동작만을 허용한다. 더욱이, 다수의 유전 미러들의 구조는 시간에 따라 특성이 저하하는 물질- 특히 화학적으로 부식성 환경에 노출되었을 때 -의 이용을 필요로 한다. 이러한 현재의 제한점들은 CRDS의 사용에 있어서 많은 잠재적 사용을 제한하기 때문에, 공진기 구조에 대해 분야의 현 상태를 개선시킬 필요가 있음이 명백히 인지된다.
A. Pipino 등에 의한 기사, "내부 전반사 미니 캐비티를 갖는 일시적 파 캐비티 링-다운 분광법(Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflection minicavity)" Rev. Sci. Instrum. 68(8)(Aug. 1997), 는 개선된 공진기 구조에 대한 한가지 접근법을 제시한다. 상기 접근법은 안정성을 감소시키기 위해 적어도 하나의 볼록한 면을 가지는, 일정한 다각형 기하 구조(예를 들어, 4각형 및 8각형)의 단일체의 내부 전반사(TIR : total internal reflection) 링 공진기를 이용한다. 광 펄스는 상기 공진기 근처 또는 외부에 배치된 제 1 프리즘에 의해 전반사되고, 이때 공진기로 들어가 광자 터널링을 통해 상기 공진기의 안정 모드를 여자하는(excite) 일시적 파를 생성한다. 광이 임계각보다 더 큰 각으로 더 낮은 굴절율을 갖는 전달 매질 표면에 닿을때, 상기 광은 전반사한다. - J.D. Jackson, "Classical Electrodynamics," Chapter 7, John Wiley & Sons, Inc.:New York, NY(1962). 그러나, 필드는 반사 지점을 지나서 존재하는데, 상기 반사는 전달성이 없으며 인터페이스로부터의 거리에 따라 기하급수적으로 감쇠한다. 이러한 일시적 필드는 순수 유전 매질에 전력을 반송하지는 않지만, 반사파의 감쇠는 일시적 필드 영역에 흡수 종이 존재함을 관찰할 수 있도록 허용한다. - F.M. Mirabella(ed.), "Internal Reflection Spectroscopy," Chapter 2, Marcel Dekker, Inc.: New York, NY(1993).
공진기의 전반사 표면에 배치된 물질의 흡수 스펙트럼은 단일체 공진기의 광자의 평균 수명으로부터 얻는데, 상기 평균 수명은 제 2 프리즘(또한 상기 공진기 외부 그러나 공진기 근처에 배치된 전반사 프리즘)과 결합되지 않음으로 인해 검출기에서 수신된 시간 종속 신호로부터 추출된다. 따라서, 광 반사는 광자 터널링에 의해 공진기로 출입하는데, 상기 광자 터널링은 입출력 커플링의 정확한 제어를 허용한다. CRDS 결과들 및 TIR-링 공진기의 소형-공진기 구현은 응축된 물질의 분광법에 대해 상기 CRDS 개념을 확장한다. TIR의 광대역 특성은 기존의 기체-상태 CRDS 에서 유전 미러에 의한 협 대역폭 제한을 피한다. A. Pipino 등에 의한 작업은 오직 TIR 분광법에만 적용 가능하고, 이는 본질적으로 짧은 전체 흡수 경로 길이 - 즉 강력한 흡수 강도를 지님 - 로 제한된다. 반대로, 본 발명은 긴 흡수 경로 길이를 제공하므로 약한 흡수 강도의 검출을 허용한다.
미러 베이스의 CRDS 시스템들의 다양한 새로운 접근들이 Lehmann 등의 미국 특허(특허 번호 5,973,864, 6,097,555, 6,172,823 B1, 및 6,172,824 B1)에 제공되고, 여기에 참고로써 포함된다. 이러한 접근들은 두개의 반사 요소들 또는 프리즘 요소들로 구성된 준-초점 공유 공진기의 사용을 개시한다.
도 2는 종래의 CRDS 장치(10)를 도시한다. 도 2에 도시된 것처럼, 광이 협대역의, 조정가능한, 연속 팔 다이오드 레이저(20)로부터 생성된다. 레이저(20)는 그 파장을 분석물의 바람직한 스펙트럼 선에 두도록 온도 제어기(30)에 의해 온도가 조정된다. 절연체(40)는 레이저(20)로부터 방출된 방사선의 앞에 일렬로 배치된다. 절연체(40)는 단방향 전송로를 제공하는데, 이때 방사선이 레이저(20)로부터 나와 나아가도록 허용하지만 방사선이 반대 방향으로 나아가는 것은 방지한다. 단일 모드 섬유 결합기(F.C.)(50)는 레이저(20)로부터 방출된 광을 광섬유(48) 쪽으로 결합시킨다. 섬유 결합기(50)는 절연체(40)의 앞에 일렬로 배치된다. 섬유 결합기(50)는 광섬유(48)를 수신하여 유지하고, 레이저(20)로부터 방출된 방사선을 제 1 렌즈(46)를 통해 그 쪽을 향해 보낸다. 제 1 렌즈(46)는 방사선을 모아 초점을 집중시킨다. 레이저(20)에 의해 방출된 빔 패턴은 광섬유(48)에서 전달하는 광 패턴과 완벽하게 정합되지 않기 때문에, 어쩔수 없이 부정합 손실이 존재한다.
레이저 방사선은 링 다운 캐비티(RDC) 셀(60)로 거의 모드-정합된다. 반사경(52)은 빔 분리기(54) 방향으로 방사선을 보낸다. 빔 분리기(54)는 제 2 렌즈(56)를 통해 방사선의 약 90%를 보낸다. 제 2 렌즈(56)는 방사선을 셀(60) 쪽으로 모아 집중시킨다. 남아있는 방사선은 빔 분리기(54)를 통과하고 반사경(58)에 의해 분석물 기준 셀(90)로 나아간다.
분석물 기준 셀(90)을 통해 전송된 방사선은 제 4 렌즈(92)를 통해 그 방향으로 나아간다. 제 4 렌즈(92)는 분석물 기준 셀(90) 및 제 2 광검출기(94)(PD2) 사이에 배열된다. 광검출기(94)는 연산 및 제어 전자 장치(100)에 입력을 제공한다.
셀(60)은 두개의 고 반사경들(62, 64)로 구성되는데, 상기 미러들은 축(a)를 따라 준 초점 공유 에탈론으로써 배열된다. 미러들(62, 64)은 셀(60)의 입출력 윈도우들을 구성한다. 연구중인 샘플 기체는 셀의 광 축(a)과 동축인 좁은 폭 튜브(66)를 통해 흐른다. 미러들(62, 64)은 셀(60)의 광학 배열을 조정할 수 있도록, 확실히 진공 벨로우들(bellows)로 밀봉된 조정 가능한 플랜지들 또는 마운트들 상에 배치된다.
미러들(62, 64)은 고 반사율의 유전 코팅을 가지고 있고 상기 코팅이 셀(60)에 의해 형성된 캐비티 내부에서 마주하도록 방향지어진다. 레이저 광의 작은 부분은 정면 미러(62)를 통해 셀(60)로 들어가고 셀(60)의 캐비티 내부에서 앞뒤로 "신호를 낸다(rings)". 셀(60)의 후면 미러(64)(반사경)를 통해 전송된 광은 제 3 렌즈(68)를 통해 그 쪽을 향해 나아가고, 제 1 광검출기(70)(PD1) 위에 차례로 이미지화된다(image). 각 광 검출기들(70, 94)은 입사하는 광학 빔을 전류로 전환시키므로, 입력 신호를 연산 및 제어 전자 장치(100)에 제공한다. 상기 입력 신호는 캐비티 링 다운의 감쇠율을 나타낸다.
도 3은 종래의 기술 CRDS 공진기(100)에서의 광적 경로를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, CRDS 용 공진기(100)는 두개의 브루스터의 각 역반사체 프리즘들(50, 52)의 사용에 기초한다. 편광 또는 브루스터의 각,ΘB,은 프리즘(50)고 관련하여 도시된다. 입사광(12) 및 방출광(14) 각각은 프리즘(52)으로부터 입력 및 프리즘(52)으로의 출력으로써 도시된다. 공진 광학 빔은 약 45 ˚에서 각 프리즘(52, 54)에서의 손실 없이 두번의 내부 전반사를 행하는데, 이때 각도는 용해된 석영 및 대부분의 다른 보통 광학 프리즘 물질에 대한 임계 각도보다 더 크다. 광은 광축(54)을 따라 프리즘들(50, 52) 사이를 지나간다.
다른 분광법과 비교해서 링 다운 캐비티 분광법이 구현하기에 더 쉽고 경제적이다 할지라도, 링 다운 캐비티 분광법은 여전히 단위당 수천 달러 정도의 비용이 들 수 있다. 게다가, 기존의 CRDS 디바이스는, 사용하는 동안 뿐 아니라 제조하는 동안에도 광학 요소들 사이에서 잘못 배열되기 쉽다.
개선된 공진기 구조의 공지된 접근법의 단점을 극복하기 위해서, CRDS 용의 새로운 광-섬유에 기초한 광학 공진기가 제공된다. 본 발명의 목적은 기존의 광섬유 센서를 증대된 일시적 필드 부분을 갖는 센서로 대체하는 것으로써, 그럼으로써 좀 더 민감한 광섬유 센서를 제공하게 된다.
도 1은 로그 스케일로 전자기 스펙트럼을 도시한 도면.
도 2는 미러들을 사용하는 종래의 CRDS를 도시한 도면.
도 3은 프리즘들을 사용하는 종래의 CRDS를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제 1 예시의 실시예를 도시한 도면.
도 5A는 종래의 광섬유의 단부도.
도 5B는 본 발명의 예시의 실시예에 따른 센서의 개략도.
도 6A는 케이블에서의 방사선 전달을 도시하는 광섬유 케이블의 단면도.
도 6B는 본 발명의 예시의 실시예에 따른 일시적 필드를 나타내는 광섬유 센서의 단면도.
도 6C는 본 발명의 예시의 실시예에 따른 일시적 필드를 나타내는 광섬유 센서의 단면도.
도 7은 본 발명의 제 2 예시 실시예를 도시한 도면.
도 8A 내지 도 8D는 본 발명의 제 3 예시 실시예에 따른 광섬유 센서를 도시한 도면.
도 9A 내지 도 9C는 본 발명의 제 4 예시 실시예에 따른 광섬유 센서를 도시한 도면.
도 10A 내지 도 10C는 본 발명의 제 5 예시 실시예에 따른 광섬유 센서를 도시한 도면.
본 목적 및 다른 목적들을 달성하기 위해, 그리고 그 목적을 위한 실시예에서, 본 발명은 샘플 기체에서 트레이스 종 검출 및 측정을 위한 개선된 장치를 제공한다. 상기 장치는 수동형 광섬유 케이블; 상기 광섬유 케이블과 일렬이고, 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출된 부분을 갖는 적어도 하나의 센서; 간섭성의 방사선 소스(coherent source); i) 상기 간섭성 소스에 의해 방출된 방사선 부분을 상기 수동형 광섬유 링으로 유도하고 ii) 상기 수동형 광섬유 링의 공진 방사선 부분을 수신하기 위한 결합 수단; 상기 결합 수단에 의해 수신된 방사선 레벨을 검출하고 상기 방사선에 대응하는 신호를 생성하기 위한 검출기; 및 상기 검출기에 의해 생성된 신호에 기초하여 기체 샘플 또는 액체 샘플의 트레이스 종 레벨을 결정하기 위해 상기 검출기에 결합된 프로세서를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 센서는 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출된 뾰족한 부분을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 센서는 "D" 형상의 횡단면의 노출된 부분을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기 트레이스 종의 레벨은 상기 검출 수단에 의해 생성된 신호의 감쇠율에 기초하여 결정된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 필터가, 수신된 방사선 부분을 수동형 광섬유 루프에서 상기 검출기로 선택적으로 통과시키기 위해 결합 수단 및 상기 검출기 사이에 배치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기 결합기는 i) 간섭성 소스에 의해 방출된 방사선 부분을 광섬유 링의 제 1 부분으로 유도하는 제 1 결합기 및 ii) 수동형 광섬유 링의 방사선 부분을 상기 링의 제 2 부분에서 수신하기 위한 제 2 결합기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기 섬유의 노출 부분은 클래딩 된 섬유이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기 섬유의 노출 부분은 상기 섬유의 내부 코어이다
본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 간섭성 소스는 광 파라미터 생성기, 광 파라미터 증폭기, 또는 레이저이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 섬유를 지나는 방사선의 일시적 필드는 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 섬유로부터의 방사선 흡수는 상기 방사선의 감쇠율을 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 수동형 공진 섬유는 중공 코어(hollow core)을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기 장치는 원통형의 몸체로 형성되고, 트레이스 종에 일시적 필드를 노출시키는 것이 상기 일시적 필드의 침투 깊이를 증가시킴으로써 증대되도록 공진 섬유의 노출 부로 감싸여진 센서를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 적어도 상기 수동형 광섬유 링의 부분적이라도, 광섬유 링의 코팅 부에서 상기 트레이스 종의 농도 선택적으로 증가시키기 위한 물질로 코팅된다.
전술한 일반적 설명 및 이어질 자세한 설명 모두는 예시적이고 그것으로만 한정되지 않음이 이해될 것이다.
본 발명은 첨부된 도면과 연관지어 읽을때 이어질 자세한 설명이 가장 잘 이해될 것이다. 통상 규칙에 따라, 도면의 다양한 피쳐들은 척도가 아님이 강조된다. 반대로, 다양한 피쳐들의 부피는 명확성을 위해 임의로 확대 또는 축소되었다.
2001년 12월 12일에 출원된 미국 특허 출원(출원 번호 10/017,367)의 전체 개시 내용이 여기에 참고로써 분명히 포함된다.
도 4는 본 발명의 제 1 예시적 실시예에 따른 광섬유 기질의 링-다운 장치(400)를 도시하는데, 상기 장치에서 기체 및 액체에서 트레이스 종 또는 분석물이 검출될 수 있다. 도 4에서, 장치(400)는 공진 광섬유 링(408)을 포함하는데, 상기 링은 광섬유 케이블(402) 및 상기 광섬유 케이블(402)의 길이를 따라 분배된 센서들(500)(이후에 자세히 설명됨)을 갖는다. 공진 광섬유 링(408)의 길이는 예를 들어, 물리적 공장의 다양한 부분들 주변을 탐색하거나 통과하는 것과 같은 다양한 포착 상황에 쉽게 적응 가능하다. 도시된 것처럼 센서들(500)이 광섬유 루프(408)의 길이를 따라 제공될지라도, 본 발명은 바람직하다면 하나의 센서(500)만을 사용하여 실시 가능하다. 하나 이상의 센서(500)의 분배는 설치 장소 전체 곳곳의 다양한 지점에서 트레이스 종의 샘플화를 가능하게 한다. 본 발명은 상기 센서들(500)을 샘플 액체들 또는 기체들에 노출된 섬유의 일직선부와 결합을 사용하거나 오직 샘플 액체 또는 기체에 노출된 섬유의 일직선 부들의 결합을 사용하여 실행될 수 있다. 공진 광섬유 링의 길이는 약 1 미터 정도로 작을 수도 있고 수 킬로미터 정도로 클수 도 있다.
예를 들어 광 파라미터 생성기(OPG), 광 파라미터 증폭기(OPA) 또는 레이저와 같은, 간섭성의 방사선 소스(404)는 관심 있는 분석물 또는 트레이스 종의 흡수 주파수와 일치하는 파장에서 방사선을 방출한다. 간섭성 소스(404)는 관심 있는 트레이스 종에 기초한 협대역을 갖는 조정 가능한 다이오드 레이저일 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 광 파라미터 증폭기의 예는 캘리포니아 마운틴 뷰의 Spectra Physics 로부터 이용 가능한 모델명 OPA-800C 이다.
간섭성 소스(404)에 대한 분석물의 주파수들의 예는 테이블 1에 약술되었다. 테이블 1은 단지 실례로써 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 더욱이, 본 발명은 인간 및/또는 동물에게 유해한 화학적 및 생물학적 촉매를 검출하는데 사용될 수 있음이 관찰된다. 그러한 검출은 수동형 광섬유 링의 표면을 바람직한 항원과 특정적으로 결합하는 항체로 코팅하여 증대될 수 있음이 또한 관찰된다.
분석물 또는 트레이스 종 파장(s)의 근사값적외선 부근 파장(s)의 근사값적외선 중간
물 (H2O) 1390 nm 5940 nm
암모니아(NH3) 1500 nm 10300 nm
메탄(CH4) 1650 nm 3260 nm
이산화탄소(CO2) 1960 nm 4230 nm
일산화탄소(CO) 1570 nm; 2330 nm 4600 nm
산화질소(NO) 1800 nm ; 2650 nm 5250 nm
이산화질소(NO2) 2680 nm 6140 nm
아산화질소(N2O) 2260 nm 4470 nm
이산화황(SO2) 7280 nm
아세틸렌 1520 nm 7400 nm
플루오루화수소(HF) 1310 nm
염화수소(HCl) 1790 nm 3400 nm
브롬수소(HBr) 1960 nm 3820 nm
요오드화수소(HI) 1540 nm
시안화수소(HCN) 1540 nm 6910 nm
황화수소(H2S) 1570 nm
오존(O3) 9500 nm
포름알데히드(H2CO) 1930 nm 3550 nm
분석물 또는 트레이스 종 파장(s)의 근사값적외선 부근 파장(s)의 근사값적외선 중간
포스핀(PH3) 2150 nm 10100 nm
산소(O2) 760 nm
테이블 1
제 1 예시적 실시예에서, 간섭성 소스(404)로부터의 방사선은 광섬유 절연체(406), 결합기(410), 및 일시적 입력 결합기(412)를 통해 공진 광섬유 링(408)에 제공된다. 간섭성 소스(404)가 다이오드 레이저일때, 광 절연체(406)의 사용은 레이저로의 되반사를 방지함으로써 상기 레이저의 노이즈를 감소시키는 이점을 제공한다. 일시적 입력 결합기(412)는 공진 광섬유 링(408)으로 간섭성 소스(404)로부터의 고정된 방사선 퍼센트를 제공하거나, 공진 광섬유 링(408) 전체 곳곳에 존재하는 손실에 기초하여 조정 가능할 수 있다. 바람직하게, 일시적 입력 결합기(412)에 의해 공진 광섬유 링(408)에 제공된 방사선량은 광 섬유 케이블(402) 및 커넥터들(도시되지 않음)에 존재하는 손실과 정합된다. 1%의 방사선 결합율(99%/1% 분리율의 결합)을 제공하는 상업적으로 이용 가능한 일시적 결합기는 뉴저지의 ThorLabs of Newton 사에 의해 제조되고, 부품 번호는 10202A-99 이다. 바람직한 실시예에서, 일시적 입력 결합기(412)는 간섭성 소스(404)로부터의 방사선 중 1% 미만으로 섬유(402)로 결합시킨다.
하나의 예시적 실시예에서, 트레이스 종 또는 분석물을 검출하기 위해, 광섬유 케이블(402)을 커버하는 커버(402a) 부분은 상기 광섬유 케이블(402)의 내부 코어를 둘러싸는 클래딩(402b)을 노출시키기 위해 제거된다. 대안으로써, 커버(402a) 또는 클래딩(402b)은 내부 코어(402c)를 노출시키기 위해 제거될 수 있고, 또는 상기 광섬유 케이블(402)의 커버 부분은 샘플 액체 또는 기체에 노출될 수 있다. 예를 들어 전자의 접근법이 유용할 수 있는데, 이러한 경우에 상기 일시적 필드(이후에 논의됨)는 트레이스 종(상기 커버 내부로 흡수되었거나 용해되었음)와의 상호작용을 위한 커버 속으로 연장한다. 그러나, 특정 광섬유 케이블 유형에서 사용된 내부 코어(402c)의 깨지기 쉬운 특성(brittle nature) 때문에, 커버 및 클래딩 모두를 제거하는 것은 가장 바람직하지 못할 수 있다. 전형적 광섬유 케이블의 단면이 도 5A에 도시된다.
내부 전반사(TIR) 요소를 구부러뜨리는 것(bend)은 각도를 변화시키는데, 입사하는 전자기파는 그 각도로 반사 표면과 접촉한다. 원통형 몸체에 대해 광섬유를 구부리는 경우에 있어서, 상기 몸체와 마주보는 섬유 코어 표면상에서 반사 각도는 직각에 가깝고, 일시적 필드의 침투 깊이는 증가된다. 원통형 코어 요소(502) 주위를 광섬유(402)로 여러 번 돌려 감쌈으로써, 일시적 필드 침투 깊이는 증가되고 더 긴 섬유 길이가 더 작은 물리적 부피의 유동 검출에 노출될 수 있다. 변화하는 곡률 반경을 통한 개선된 광섬유 탐색의 실험적 입증은 "적외선 근접 분광법용 Bent Sillica 섬유 일시적 흡수 센서," Applied Spectroscopy 53: 845-849(1999) 에서 D. Littlejohn 등에 의해 논의된다.
도 5B는 액체 또는 기체 샘플에서 트레이스 종을 검출하는데 사용되는 예시적 센서(500)를 도시한다. 도 5B 에 도시된 바와 같이, 센서(500)는 맨드럴과 같은 원통형 코어 요소(502)(고체이며 중공을 갖거나 그렇지 않으면 투과성을 가질 수 있음)를 포함하는데, 상기 원통형 코어 요소는 노출된 클래딩(402b)(이 예제에서)을 가지며, 소정의 길이(506)으로 코어 요소(502) 주위를 따가 감싸진다. 코어 요소(502)를 감싸서 센서(500)를 제작하는 것이 가능한데, 이때 광섬유 케이블(402)의 코어(402c)는 노출된다. 코어 요소(502)의 직경은 임계 반경(r)보다 더 작은 값으로 형성되는데, 상기 임계 반경 지점을 초과하는 방사선은 섬유 코어(402c)를 통해 손실 될 수 있고 - 이는 상기 방사선이 코어 요소(502) 주위를 둘러싸기 때문임 - 또는 섬유 완전성이 훼손될 수 있다. 임계 반경(r)은 광섬유 케이블(402)을 통과하는 반사 주파수 및/또는 상기 섬유의 구성에 의존한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 코어 요소(502)의 반경은 약 1 ㎝ 및 10 ㎝ 사이이고, 가장 바람직하게는 최소한 1 ㎝ 이다. 도시된 바와 같이, 섬유(402)로부터의 방사선은 입력(504)에서 제공되고 출력(508)에서 추출된다. 그 안에서 섬유가 상기 원통형 코어 요소(502)에 상기 섬유(402)를 고정시키는 수단으로써 잘 배치되도록, 원통형 코어 요소(502)는 그 표면 상에 나선형의 홈(groove)를 가질 수 있다. 그러한 고정 수단은 원통형 코어 요소(502)로 테이퍼 나사, 에폭시 또는 실리콘 고무 등과 같은 접착제 같은 다양한 형태를 취할 수 있다. 본 발명은, 센서들(500)이 섬유(402)와 일체 성형되거나 상업적으로 이용 가능한 광섬유 커넥터들을 사용하는 섬유(402)에 결합될 수 있다.
도 6A는 방사선이 어떤 방식으로 전형적 광섬유 케이블을 통해 전달하는지를 도시한다. 도 6A에 도시된 바와 같이, 방사선(606)는 내부 코어(402c) 및 클래딩(402c) 사이의 경계에서 내부 전반사(TIR)를 나타낸다. 그것에 의해 방사선이 반사되지는 않지만 클래딩(402b) 속으로 흡수되는 얼마간의 무시할 만한 손실(도시되지 않음)이 존재한다. 도 6A 는 광섬유 케이블로써 설명되었을지라도, 도 6A 및 본 발명의 예시적 실시예는 중공 도파관과 같은 중공 섬유 - 클래딩(402b)이 중공 코어를 둘러쌈 - 에 동일하게 적용 가능하다.
도 6B는 코어 요소(502) 둘레를 광섬유 케이블(402)로 감싸는 효과를 도시하는, 센서(500)의 일 예시적 실시예의 단면도이다. 도 6B에 도시된 바와 같이, 오직 커버(402a)가 광섬유 케이블(402)로부터 제거된다. 방사선(606)는 코어(402c)로 나아가고, 내부 코어(402c) 및 무시할만한 손실을 갖는, 코어 요소(502)에 인접한 클래딩 부분(402b-1) 사이의 경계에서 내부 전반사를 나타낸다. 반대로, 트레이스 종 또는 분석물(610)의 존재시, 일시적 필드(608)는 내부 코어(402c) 및 노출된 클래딩 부분(402b-2) 사이의 인터페이스를 통과한다. 이는 존재하는 트레이스 종(610)의 양에 기초하여 방사선(606)를 본질적으로 감쇠시키고, 감쇠된 내부 전반사(ATR : attenuated total internal reflection)으로 명칭된다. 만일 방사선 파장에 적합한 흡수 대역을 갖는 트레이스 종가 존재하지 않는다면, 방사선(606)는 감쇠되지 않는다(섬유의 간섭손실을 제외하고)는 것이 공지되어야 한다.
도 6C는 온전히 남아있는 커버(402a) 부분을 갖는 코어 요소(502) 주위를 광섬유 케이블(402)로 감싸는 효과를 도시하는, 센서(500)의 다른 예시적 실시예의 단면도이다. 도 6D에서 도시된 바와 같이, 커버(402a)의 상부만이 광섬유 케이블(402)로부터 제거된다. 센서(500)의 제 1 예시적 실시예와 유사하게, 방사선(606)는 코어(402c) 내부를 지나고, 내부 코어(402c) 및 무시할 만한 손실(609)을 갖는, 코어 요소(502)에 인접한 클래딩 부분(402b-1) 사이의 경계에서 내부적 전반사를 나타낸다. 반대로, 트레이스 종 또는 분석물(610)의 존재시, 일시적 필드(608)는 내부 코어(402c) 및 노출된 클래딩 부분(402b-2) 사이의 인터페이스를 통과한다.
커버(402a)의 제거(센서(500)에 관한 두개의 예제 중에 어느 것이든)는 기존의 광섬유 스트립 툴과 같은 기계적 수단, 또는 클래딩(402b) 및 내부 코어(402c)에 아무런 영향 없이 커버(402b)를 침범하여 제거시킬 용매에 광섬유 부분을 담구어서 달성 될 수 있음이 관찰된다. 상기 커버(402b)의 부분적 제거의 경우에 있어서, 용매 접근법은 제거될 커버 부분에 선택적으로 용매를 적용하는 것으로써 변형될 수 있다.
액체 샘플의 트레이스 종의 분석 분자들을 끌어당김을 증대시키기 위해, 수동형 광섬유 링의 커버가 없는 부분은 광섬유 링의 코팅 부분에 트레이스 종의 농도를 선택적으로 증가시키기 위한 물질로 코팅될 수 있다. 그러한 하나의 코팅 물질의 예는 폴리에틸렌이다. 추가로, 항원 특정 접합제가 고 특이성(specificity)을 갖는 바람직한 생물학적 분석물을 끌어당기도록 섬유를 코팅하는데 사용될 수 있다.
도 4를 다시 참조하여, 센서들(500)을 통과한 이후에 잔존하는 방사선은 섬유 루프(402)를 통해 계속 나아간다. 상기 잔존하는 방사선 부분은 일시적 출력 결합기(416)에 의해 광섬유 루프(402) 외부에서 결합된다. 일시적 출력 결합기(416)는 검출기(418) 및 신호선(422)을 통해 프로세서(420)에 결합된다. 프로세서(420)는 예를 들어, 처리를 위해 검출기(418)의 아날로그 출력을 디지털 신호로 변환하는 수단을 가지는 PC 일 수 있다. 프로세서(420)는 또한 제어선(424)을 통해 간섭성 소스(404)을 제어한다. 일단 신호들이 프로세서(420)에 의해 검출기(418)로부터 수신되면, 상기 프로세서는 수신된 방사선의 감쇠율에 기초하여 존재하는 트레이스 종의 양과 유형을 결정할 수 있다.
선택적으로, 파장 선택기(430)는 일시적 출력 결합기(416) 및 검출기(418) 사이에 배치될 수 있다. 파장 선택기(430)는 소정의 범위에 존재하지 않는 방사선이 검출기(418)로의 입력이 되는 것을 방지하기 위한 필터로써 작용한다.
검출기(414)는 입력 결합기(412)의 출력에 결합된다. 검출기(414)의 출력은, 공진 광섬유 링(402)이 트레이스 종 분석을 수행하기에 충분한 방사선을 수신했을 시기를 결정하는데 사용하기 위해 신호선(422)을 통해 프로세서(420)에 제공된다.
액체들 내의 트레이스 종 또는 분석물 검출의 경우에 있어서, 액체의 굴절률은 광섬유 케이블의 굴절률보다 더 낮아야만 한다. 예를 들어, 광섬유 케이블의 굴절률이 n=1.46 이라고 한다면, 본 발명은 물(n= 1.33) 및 다수의 유기 용매들 - 메탄올(n=1.326), n-헥산(n=1.372), 디클로로메탄(n=1.4242), 및 테트라히드로푸란(n=1.404)를 포함함 - 에 용해된 트레이스 종을 검출하는데 사용될 수 있다. 화학 물질들 및 각각의 굴절률의 광범위한 목록은 여기에서 참고로 포함된 CRC Handbook of Chemistry and Physics, 52nd edition, West, Rober C., ed. Chemical Rubber Company : Cleveland Ohio, 1971, p. E-201 에서 찾아볼 수 있다. 다른 굴절률을 갖는 사용 가능한 다른 유형의 광섬유가 존재하고, 본 발명은 주어진 액체 표에 적응될 수 있는데, 이때 상기 광섬유는 상기 액체보다 더 높은 굴절률을 가지고 타겟 분석물에 의해 흡수 대역 영역으로 광을 효과적으로 전송한다는 두가지 가정하에서 이루어진다.
현재 이용 가능한 다수의 다른 종의 광섬유가 존재한다. 하나의 예는 원격 통신 애플리케이션에서 표준으로 사용하는 Corning의 SMF-28e 용융 실리카 섬유이다. 특정 섬유들이 존재하는데, 상기 특정 섬유들은 다수의 다른 파장들에서 광을 전송하고, 그 예로는 텍사스 오스틴의 3M 에 의해 제조된 488 nm/514 nm 단일 모드 섬유(부품 번호 FS-VS-2614), 텍사스 오스틴의 3M 에 의해 제조된 630 nm의 가시 파장 단일-모드 섬유(부품 번호 FS-SN-3224), 텍사스 오스틴의 3M 에 의해 제조된 820 nm 의 표준 단일-모드 섬유(부품 번호 FS-SN-4224), 및 일본 KDD Fiberlabs 에 의해 제조된 4-마이크론 전송을 가지는 0.28-NA 플루오르 유리 섬유가 있다. 더욱이, 전술한 바와 같이, 광섬유 케이블(402)은 중공 섬유일 수 있다.
더 높은 분석물 흡수 강도를 가지므로 장치(400)의 감도를 증가시키는 스펙트럼 영역으로의 접근을 허용하기 위해 섬유(402)는 중간 적외선을 전송하는 섬유일수 있음이 관찰된다. 상기 스펙트럼 영역으로 방사선을 전송하는 섬유들은 전형적으로 플루오드 유리들로부터 제작된다.
도 7은 기체들 및 액체들 내의 트레이스 종, 또는 분석물들이 검출될 수 있는, 본 발명의 제 2 예시적 실시예를 도시한다. 도 7을 설명하면서, 제 2 예시적 실시예와 관련하여 설명된 요소들과 유사한 기능을 수행하는 요소들은 동일하나 참조 번호들을 사용할 것이다. 도 7에서, 장치(700)는 광섬유 케이블(402) 및 센서들(500)을 포함하는 유사한 공진 광섬유 링(408)을 사용한다. 간섭성 소스(404)으로부터의 방사선은 선택적 광학 절연체(406), 결합기(410), 및 일시적 입/출력 결합기(434)를 통해 공진 광섬유 링(408)에 제공된다. 일시적 입/출력 결합기(434)는 간섭성 소스(404)으로부터의 방사선의 고정된 퍼센트를 공진 광섬유 링(408)에 제공할 수 있거나, 공진 광섬유 링(404) 전체에 걸쳐 존재하는 손실에 기초하여 조정 가능 할 수 있다. 예시적 실시예에서 일시적 입/출력 결합기(434)는 제 1 예시적 실시예와 관련하여 상술한 일시적 입력 결합기(412)의 필수적 재구성이다. 바람직한 실시예에서, 일시적 입/출력 결합기(434)는 레이저(404)로부터의 방사선의 1% 미만을 섬유(402)로 결합시킨다.
트레이스 종의 검출은 제 1 예시적 실시예에서 설명한 것과 유사하므로 여기서 반복하는 않는다.
센서들(500)을 통과한 이후에 잔존하는 방사선은 섬유 루프(402)를 통해 계속 나아간다. 상기 잔존하는 방사선 부분은 일시적 입/출력 결합기(434)에 의해 광섬유 루프(402)와 결합 해제된다. 일시적 입/출력 결합기(434)는 검출기(418) 및 신호선(422)을 통해 프로세서(420)에 연결된다. 제 1 예시적 실시예에서처럼, 프로세서(420)는 또한 제어 선(424)을 통해 간섭성 소스(404)을 제어한다. 일단 신호들이 상기 프로세서(420)에 의해 검출기(418)로부터 수신되면, 상기 프로세서는 수신된 방사선의 감쇠율에 기초하여 트레이스 종의 양 및 유형을 결정할 수 있다.
선택적으로, 파장 선택기(430)는 일시적 입/출력 결합기(434) 및 검출기(418) 사이에 배치될 수 있다. 파장 선택기(430)는 소정의 범위 내에 존재하지 않는 방사선 검출기(418)로 입력되는 것을 방지하기 위한 필터로써 작동한다. 파장 선택기(430)는 또한, 간섭성 소스(404)으로부터의 방사선이 섬유(402)로 결합된 이후의 시간 주기 동안에 상기 간섭성 소스로부터의 방사선이 검출기를 블라인드("blinding")시키는 것을 방지하기 위해 프로세서(420)에 의해 제어될 수 있다.
도 8A - 8D는 액체 또는 기체 샘플 내의 트레이스 종을 검출하기 위해 사용된 다른 예시적 센서(800)를 도시한다. 도 8A 및 8D에 도시된 바와 같이, 센서(800)는 내부 코어(804)를 테이퍼 시키고, 테이퍼 내부 코어(808) 및 테이퍼 클래딩(809)를 갖는 테이퍼 영역(802)를 생성하기 위해 클래딩(805)을 하여 섬유(801)로부터 형성된다. 상기 테이퍼 영역(802)의 형성은 두 개의 기술 중 하나를 사용하여 달성될 수 있다. 제 1 기술은 섬유(801)의 국부화된 부분에 열을 가하면서 동시에 센서(800)를 형성시키기를 원하는 영역의 일측 상에 단열 풀링(adiabatic pulling)을 하는 것이다. 이러한 과정은 섬유(801)에 일정한 테이퍼를 생성시킨다. 그 이후, 이러한 테이퍼 섬유는 예를 들어, 제 1 예시적 실시예에 따른 분광 센서로서 사용되기 위한 것일 수 있다. 제 2 예시적 기술에서, 테이퍼 영역(802)은 테이퍼 클래딩(809)을 형성하기 위해, 섬유 클래딩(805)의 소정의 두께를 제어 가능하도록 제거하기 위한 화학적 촉매를 사용하여 형성될 수 있다. 상기 제 2 기술을 이용하여 형성된 센서에 대한 자세한 설명은 도 10A - 10C 와 관련하여 이후에 설명된다.
도 8B는 테이퍼 이전 및 테이퍼 이후의 영역에서 센서(800)의 단면도를 도시한다. 도 8B에 도시된 바와 같이, 내부 코어(804) 및 클래딩(805)은 수정되지 않은 상태이다. 비록 커버가 적어도 광섬유 케이블(801)의 부분에 배치된다고 가정될지라도, 단순성을 위해 도면 및 설명은 광섬유 케이블(801)의 커버는 언급하지 않는다.
도 8C는 테이퍼 영역(802)에서 센서(800)의 단면을 도시한다. 도 8C에 도시된 바와 같이, 테이퍼 내부 코어(808) 및 테이퍼 클래딩(809) 각각은 내부 코어(804) 및 클래딩(805)과 비교할 때 충분히 감소된 직경을 갖는다. 테이퍼 영역(802)은 특정 애플리케이션에 기초하여 임의의 원하는 길이일 수 있다. 예시적 실시예에서, 도 8D에 도시된 바와 같이, 예를 들어 테이퍼 영역의 길이는 대략 4 mm 인데, 웨이스트 직경(814)은 약 12 마이크론이다.
도 8A를 다시 참조하면, 내부 코어(804) 영역에서 일시적 필드(806)는 테이퍼 영역(802)의 증대된 일시적 필드(810)와 비교할 때 폭이 좁고 범위가 제한된다. 도시된 바와 같이, 증대된 일시적 필드(810)는 앞서 설명한 예시적 실시예와 관련해 전술한 바와 같이 트레이스 종(도시되지 않음)에 쉽게 노출되므로, 영역(812) 내에서 트레이스 종을 더 잘 검출 할 수 있다.
도 9A-9C는 액체 또는 기체 샘플에서 트레이스 종을 검출하기 위해 사용된 다른 예시적 센서(900)를 도시한다. 도 9A에 도시된 바와 같이, 센서(900)는 실질적으로 "D" 형상의 횡단면 영역(902)을 생성하기 위해 클래딩(905) 부분을 제거하여 섬유(901)로부터 형성된다. 상기 "D" 형상의 횡단면 영역(902)의 생성은 예를 들어 연마제를 사용해 광섬유 클래딩(905)의 일측을 연마(polishing)하여 달성될 수 있다. 상기 연마제는 권고된 모드 품질(guided mode quality)을 유지하기 위해 영역(902)을 따라 깊이들을 계속하여 증가하여 클래딩(905)을 제거하는데 사용되고, 종래에는 최소 클래딩 두께 지점(909)에서 최대 깊이에 도달한다. 이러한 가장 낮은 클래딩 두께 영역은 최대 일시적 노출 영역(910)을 나타낸다.
도 10A - 10C 는 액체 또는 기체 샘플 내의 트레이스 종을 검출하는데 사용되는 또 다른 예시적 센서(1000)을 도시한다. 센서(1000)는 테이퍼 센서의 예시적 실시예와 관련하여 전술된 제 2 기술을 사용하여 형성된다. 도 10A에 도시된 바와 같이, 센서(1000)는 테이퍼 클래딩(1009)을 갖는 테이퍼 영역(1002)을 생성하기 위해, 해당 분야 숙련자에게 공지된 화학적 촉매를 사용하여 클래딩 부분(1005)을 제거함으로써 섬유(1001)로부터 형성된다. 화학적 촉매가 내부 코어 임의의 부분을 변형 또는 제거하는 것을 허용해서는 안돼는 것이 중요한데, 이는 상기 변형 및 제거가 센서(1000)에 있어 상당한 손실을 유발할 수 있기 때문이다.
도 10B는 테이퍼 이전 및 테이퍼 이후의 영역들에서 센서(1000)읜 단면을 도시한다. 도 10B에 도시된 바와 같이, 내부 코어(1004) 및 클래딩(1005)은 변형되지 않은 상태이다. 비록 커버가 적어도 광섬유 케이블(1001)의 부분에 배치된다고 가정될지라도, 단순성을 위해 도면 및 설명은 광섬유 케이블(1001)의 커버는 언급하지 않음이 다시 주지되어야 한다.
도 10C는 테이퍼 영역(1002)에서 센서(1000)의 단면을 도시한다. 도 10C에 도시된 바와 같이, 테이퍼 클래딩(1009)이 클래딩(1005)과 비교하여 충분히 감소된 직경을 갖는 것에 반해 내부 코어(1004)는 영향을 받지 않는다. 테이퍼 영역(1002)은 특정 애플리케이션에 기초하여 임의의 원하는 길이일 수 있다. 예시적 실시예에서, 예를 들어 테이퍼 영역의 길이는 대략 4 mm 인데, 웨이스트 직경(1014)은 약 12 마이크론이다.
도 10A를 다시 참조하면, 내부 코어(1004) 영역에서 일시적 필드(1006)는 테이퍼 영역(1002)의 증대된 일시적 필드(810)와 비교할 때 폭이 좁고 범위가 제한된다. 도시된 바와 같이, 증대된 일시적 필드(1010)는 앞서 설명한 예시적 실시예와 관련해 전술한 바와 같이 트레이스 종(도시되지 않음)에 쉽게 노출되므로, 영역(1012) 내에서 트레이스 종을 더 잘 검출 할 수 있다.
전술한 센서들(800, 900 및 1000)과 관련하여, 상기 센서들을 형성시킴으로써 생성된 광섬유 손실은 섬유를 변경시키기 이전에 원하는 검출 제한 요소들에 대한 적절한 테이퍼 직경 또는 연마 깊이를 결정함으로써 일시적 필드 노출 량과 균형이 맞추어질 수 있다. 더욱이, 각각의 테이퍼 및 연마 작업 인한 증가된 깨짐성(fragility)의 보완책으로 상기 센서들(800, 900 및/또는 1000)에 보호 장착을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
센서들(800, 900 및/또는 1000)은 맨드럴(도 5B에 도시됨)과 같은 원통형 코어 요소(502)(고체이며 중공을 갖거나 그렇지 않으면 투과성을 가질수 있음) 상에, 또는 루프나 구부려진 구성(도시되지 않음)으로 무제한의 섬유(unrestricted fiber)로써 사용될 수 있음이 관찰된다.
센서들(800, 900 및/또는 1000)은 관심 있는 분석물을 끌어당기기 위해 탐색 영역을 생물학적 촉매와 같은 농도 기판(concentrating substance)으로 코팅함으로써 더 개선될 수 있다. 그러한 생물학적 촉매들은 해당 분야에서 통상의 지식을 가지고 있는 사람들에게 공지되어 있다. 몇 몇 검출 영역(800, 900 및/또는 1000)은 분배된 링 다운 센서를 생성하기 위해 광섬유 케이블의 길이를 따라 형성될 수 있다.
비록 여기에서는 특정 실시예들을 기준으로 도시되고 설명되었을지라도, 본 발명은 도시된 세부 사항으로 제한되지 않는다. 더욱이, 본 발명의 취지를 해치지 않으면서 청구 항들과 동일한 범위 내에서 세부 사항에서의 다양한 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (71)

  1. 샘플 기체 및 샘플 액체 중 적어도 하나에서 트레이스 종(trace species)을 검출하고 측정하기 위한 장치로서,
    수동형 광섬유;
    상기 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출된 부분을 가지고, 상기 광섬유와 일렬로 있는 적어도 하나의 센서;
    간섭성의 방사선 소스;
    i) 상기 간섭성 소스에 의해 방출된 방사선 부분을 상기 수동형 광섬유 링으로 유도하고, ii) 상기 수동형 광섬유 링에서 방사선 공진 부분을 수신하기 위한 결합 수단;
    상기 결합 수단에 의해 수신된 상기 방사선의 레벨을 검출하고 이에 대응하는 신호를 생성하기 위한 검출기; 및
    상기 검출기에 의해 생성된 신호에 기초하여 상기 기체 샘플 또는 액체 샘플 내의 트레이스 종의 레벨을 결정하기 위해 상기 검출기에 연결된 프로세서
    를 포함하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트레이스 종의 레벨은 상기 검출기에 의해 생성된 신호의 감쇠율에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 수단은 단일 광 결합기인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수동형 광섬유로부터 상기 검출기로 방사선의 수신된 부분을 선택적으로 통과시키기 위해, 상기 결합 수단 및 상기 검출기 사이의 광학 경로에 배치된 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 필터는 방사선의 파장에 기초하여 방사선을 상기 검출기로 통과시키는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 수단은
    i) 상기 간섭성 소스로부터 방출된 상기 방사선 부분을 상기 광섬유의 제 1 섹션으로 유도하기 위한 제 1 결합기, 및
    ii) 상기 광섬유의 제 2 섹션에서 상기 광섬유의 방사선 부분을 수신하기 위한 제 2 결합기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출된 테이퍼 부분(tapered portion)을 갖는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 테이퍼 부분은 상기 광섬유의 가열 및 단열 팽창(adiabatic stretching)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출된 부분은 "D" 형상의 횡단면을 가지는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 "D" 형상의 횡단면은 상기 광섬유의 클래딩 표면을 연마시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭성의 방사선 소스는 광학적 파라미터 생성기인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭성의 방사선 소스는 광학적 파라미터 증폭기인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭성의 방사선 소스는 레이저인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭성의 방사선 소스는 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭성의 방사선 소스는 연속파 레이저인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  16. 제 13 항, 제 14 항, 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 레이저는 광섬유 레이저인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 연속파 레이저는 협대역을 갖는 조정가능한 다이오드 레이저인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 레이저로부터 방출된 방사선과 일렬이고, 상기 레이저 및 결합 수단 사이에 결합되며, 상기 레이저의 노이즈를 최소화시키는 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 내에서 이동하는 방사선의 일시적 필드(evanescent field)는 상기 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광섬유로부터의 방사선 흡수는 상기 결합 수단에 의해 수신된 상기 방사선의 감쇠율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 수동형 광섬유는 용융된 실리카, 사파이어 및 플루오루화물 기질의 유리 중 하나로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 수동형 광섬유는 중공 섬유(hollow fiber)로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 수동형 광섬유는 단일 모드 섬유인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  24. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 수동형 광섬유는 다중-모드 섬유인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  25. 제 1 항에 있어서,
    소정의 직경을 갖고, 상기 센서의 노출 부분으로 감싸여진 적어도 하나의 원통형 몸체를 더 포함하며, 상기 트레이스 종으로 일시적 필드의 노출은 상기 일시적 필드의 침투 깊이를 증가시킴으로써 증대되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    각각 소정의 직경들을 갖고 각각의 센서의 노출 부분의 각각의 섹션들로 감싸여진 다수의 원통형 몸체들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  27. 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
    상기 관형 구조는 맨드럴(mandrel)인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 맨드럴은 적어도 약 1㎝의 횡단면 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 맨드럴은 약 1㎝ 내지 10㎝의 횡단면 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 트레이스 종은 물, 아세틸렌 및 암모니아 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 간섭성 소스는 약 1390 nm 및 약 1513 nm의 파장 영역에서 조정가능한 단일 모드 레이저인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  32. 제 1 항에 있어서,
    상기 수동형 광섬유는 전자기 스펙트럼의 가시 광선에서 중간 적외선 영역 사이의 파장에서 공진하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  33. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서의 적어도 일부분은 상기 액체 샘플 내의 트레이스 종의 존재를 결정하기 위해 상기 액체 샘플 속에 배치되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  34. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서의 적어도 일부분은 상기 센서의 코팅 부분에서 상기 트레이스 종의 농도를 선택적으로 증가시키기 위한 물질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 물질은 상기 트레이스 종의 분석 분자들(analyte molecules)을 끌어당기는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 물질은 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  37. 제 34 항에 있어서,
    상기 센서의 적어도 코팅된 부분은 상기 액체 샘플 내의 트레이스 종의 존재를 결정하기 위해 상기 액체 샘플 속에 배치되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  38. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저로부터 에너지가 상기 광섬유에 제공되는 시기를 결정하기 위한 입력 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 레이저가 상기 광섬유에 에너지를 제공했다는 것을 상기 입력 검출기가 결정한 이후에 상기 광섬유로부터 방사선을 수신하는 수신 수단에 기초하여 상기 레이저를 비활성화시키기 위한 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 제어 수단 및 상기 입력 검출기는 상기 처리 수단에 결합되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  41. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유의 굴절률은 상기 샘플 액체의 굴절률보다 더 큰 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  42. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유의 굴절률은 상기 샘플 기체의 굴절률 및 상기 트레이스 종의 흡수 대역에 기반하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  43. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유에 결합된 방사선 부분은 결합 수단에 제공된 방사선의 약 1% 미만인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  44. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유에 결합된 방사선 부분은 가변적인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  45. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유에 결합된 방사선 부분은 상기 수동형 광섬유 루프 내의 손실에 기초하여 가변하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 광섬유 내의 손실은 적어도 커넥터 손실들 및 섬유 손실들에 기초하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  47. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는 적어도 약 1ｍ 길이인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  48. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는 적어도 약 10ｍ 길이인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  49. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는 적어도 약 1㎞ 길이인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  50. 적어도 하나의 샘플 기체 및 샘플 액체에서 트레이스 종을 검출하고 측정하는 장치로서,
    수동형 공진 광섬유 링;
    상기 광섬유 링과 일렬로 있는 적어도 하나의 센서 - 상기 적어도 하나의 센서는 각각 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출된 테이퍼 부분을 가짐 -;
    방사선을 방출하는 간섭성 소스;
    상기 간섭성 소스에 의해 방출된 상기 방사선의 적어도 일부분을 상기 수동형 공진 광섬유 링의 제 1 섹션에 제공하기 위한 제 1 광 결합기;
    상기 공진 광섬유 링의 제 2 섹션으로부터 상기 수동형 공진 광섬유 링의 방사선 부분을 수신하기 위한 제 2 광 결합기; 및
    상기 제 2 광 결합기에 의해 수신된 상기 방사선의 감쇠율에 기초하여 상기 기체 또는 액체 샘플 내의 트레이스 종의 레벨을 결정하기 위해 상기 제 2 광 결합기에 결합된 프로세서
    를 포함하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 제 2 광 결합기에 의해 수신된 방사선에 대응하는 신호를 생성하기 위해, 상기 제 2 광 결합기 및 프로세서 사이에 연결된 제 1 광학적 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  52. 제 50 항에 있어서,
    상기 레이저로부터의 에너지가 상기 수동형 광섬유 링에 제공되는 시기를 결정하기 위해, 상기 제 1 광 결합기 및 상기 프로세서 사이에 결합된 제 2 광학적 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 제 2 광학적 검출기는 상기 간섭성 소스로부터 수신 방사선에 대응하여 상기 프로세스로 트리거 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  54. 제 50 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광 결합기들은 단일 결합기인 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  55. 제 50 항에 있어서,
    소정의 반경을 갖는 상기 센서 부분을 형성하기 위해 상기 센서의 테이퍼 부분에 결합된 적어도 하나의 원통형 몸체를 더 포함하고, 상기 샘플 액체 또는 샘플 기체의 적어도 일부분은 형성된 센서 부분과 접촉하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  56. 샘플 기체 및 샘플 액체 중 적어도 하나에서 트레이스 종의 검출하고 측정하는 장치로서,
    수동형 공진 광섬유 링;
    샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출된 "D" 형상의 횡단면 부분을 가지고, 상기 광섬유와 일렬로 있는 적어도 하나의 센서;
    방사선을 방출하는 간섭성 소스;
    상기 간섭성 소스에 의해 방출된 상기 방사선의 적어도 일부분을 상기 수동형 공진 광섬유 링의 제 1 섹션에 제공하기 위한 제 1 광 결합기;
    상기 공진 광섬유 링의 제 2 섹션으로부터 상기 수동형 공진 광섬유 링에서 상기 방사선의 일부분을 수신하기 위한 제 2 광 결합기; 및
    상기 제 2 광 결합기에 의해 수신된 상기 방사선의 감쇠율에 기초하여 상기 기체 또는 액체 샘플 내의 트레이스 종의 레벨을 결정하기 위해 상기 제 2 광 결합기에 결합된 프로세서
    를 포함하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  57. 제 56 항에 있어서,
    소정의 반경을 갖는 센서 부분을 형성하기 위해 상기 센서의 "D" 형상의 횡단면 부분에 연결된 적어도 하나의 원통형 몸체를 더 포함하며, 상기 샘플 액체 또는 샘플 기체의 적어도 일부분은 상기 형성된 센서의 부분과 접촉하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 장치.
  58. 샘플 기체 및 샘플 액체 중 적어도 하나에서 트레이스 종을 검출하고 측정하는 방법으로서,
    광섬유의 부분을 테이퍼링함으로써 상기 광섬유로부터 센서를 형성하는 단계;
    상기 광섬유의 테이퍼 부분을 상기 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출시키는 단계;
    간섭성 소스로부터 방사선을 방출하는 단계;
    간섭성 소스로부터 방출된 상기 방사선의 적어도 일부분을 광섬유 링에 결합시키는 단계;
    상기 광섬유 링에서 이동하는 상기 방사선 부분을 수신하는 단계; 및
    상기 광섬유 링 내의 상기 방사선 감쇠율에 기초하여 상기 기체 또는 액체 샘플 내의 트레이스 종의 레벨을 결정하는 단계
    를 포함하는 트레이스 종 검출 및 측정 방법.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 트레이스 종의 흡수 주파수에 기초하여 상기 수동형 광섬유 링의 테이퍼 부분의 적어도 일부분을 소정의 반경으로 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 센서 부분을 상기 샘플 액체 또는 샘플 기체에 노출시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 방법.
  60. 제 59 항에 있어서,
    상기 섬유 내에서 이동하는 상기 방사선의 일시적 필드를 상기 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 방법.
  61. 제 60 항에 있어서,
    상기 트레이스 종에 의한 상기 방사선의 흡수에 대응하여 상기 광섬유의 방사선 감쇠율에 기초하여 상기 샘플 기체 또는 샘플 액체에서 상기 트레이스 종의 레벨을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 방법.
  62. 샘플 기체 및 샘플 액체 중 적어도 하나에서 트레이스 종을 검출하고 측정하는 방법으로서,
    "D" 형상의 횡단면을 형성하기 위해 광섬유의 클래딩 부분을 제거함으로써 상기 광섬유로부터 센서를 형성하는 단계;
    상기 광섬유의 "D" 형상의 횡단면을 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출시키는 단계;
    간섭성 소스로부터 방사선을 방출하는 단계;
    상기 간섭성 소스로부터 방출된 상기 방사선의 적어도 일부분을 광섬유 링에 결합시키는 단계;
    상기 광섬유 링에서 이동하는 상기 방사선 부분을 수신하는 단계;
    상기 광섬유 링 내의 방사선 감쇠율에 기초하여 상기 기체 또는 액체 샘플에서 트레이스 종의 레벨을 결정하는 단계
    를 포함하는 트레이스 종 검출 및 측정 방법.
  63. 제 62 항에 있어서,
    상기 트레이스 종의 흡수 주파수에 기초하여 상기 수동형 광섬유 링의 "D" 형상 횡단면의 적어도 일부분을 소정의 반경으로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 방법.
  64. 제 63 항에 있어서,
    상기 광섬유에서 이동하는 상기 방사선의 일시적 필드를 샘플 기체 또는 샘플 액체에 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 방법.
  65. 제 64 항에 있어서,
    상기 트레이스 종에 의한 방사선의 흡수에 대응하여 상기 광섬유의 방사선 감쇠율에 기초하여 상기 샘플 기체 또는 샘플 액체에서 트레이스 종의 레벨을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 및 측정 방법.
  66. 캐비티 링 다운 분광법에서 사용되고, 샘플 기체 및 샘플 액체 중 적어도 하나에서 트레이스 종을 검출하기 위한 센서로서,
    각각 제 1 직경들을 갖는 제 1 내부 코어 및 클래딩을 갖는 수동형 광섬유;
    각각 제 2 직경들을 갖는 제 2 내부 코어 및 클래딩을 가지고, 상기 광섬유와 일렬이고 광섬유로부터 형성되는 테이퍼 부분 - 상기 제 2 내부 코어의 직경은 상기 제 1 내부 코어의 직경보다 작고, 상기 제 2 클래딩의 직경은 상기 제 1 클래딩의 직경보다 작으며, 상기 테이퍼 부분은 상기 트레이스 종을 검출하기 위해서 적어도 하나의 샘플 액체 및 샘플 기체에 노출됨 -
    을 포함하는 트레이스 종 검출 센서.
  67. 제 66 항에 있어서,
    상기 테이퍼 부분의 일시적 필드는 상기 광섬유의 일시적 필드보다 더 큰 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 센서.
  68. 캐비티 링 다운 분광법에서 사용되고, 샘플 기체 및 샘플 액체 중 적어도 하나에서 트레이스 종을 검출하기 위한 센서로서,
    각각 제 1 직경들을 갖는 내부 코어 및 제 1 클래딩을 가지는 수동형 광섬유;
    실질적으로 "D" 형상 횡단면의 클래딩을 갖고, 광섬유와 일렬이고 상기 광섬유로부터 형성된 연마 부분(abraded portion) - 상기 연마 부분은 상기 트레이스 종을 검출하기 위해 적어도 하나의 샘플 액체 및 샘플 기체에 노출됨 -
    을 포함하는 트레이스 종 검출 센서.
  69. 제 68 항에 있어서,
    상기 실질적으로 "D" 형상 부분의 일시적 필드는 상기 광섬유의 일시적 필드보다 상기 트레이스 종에 더 많이 노출되는 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 센서.
  70. 캐비티 링 다운 분광법에서 사용되고, 샘플 기체 및 샘플 액체 중 적어도 하나에서 트레이스 종을 검출하기 위한 센서로서,
    각각 제 1 직경들을 갖는 내부 코어 및 제 1 클래딩을 갖는 수동형 광섬유;
    내부 코어 및 제 2 클래딩을 갖고 광섬유와 일렬이고 상기 광섬유로부터 형성된 테이퍼 부분 - 상기 제 2 클래딩은 상기 제 1 클래딩의 직경보다 작고, 상기 테이퍼 부분은 상기 트레이스 종의 검출을 위해 적어도 하나의 샘플 액체 및 샘플 기체에 도출됨 -
    을 포함하는 트레이스 종 검출 센서.
  71. 제 70 항에 있어서,
    상기 테이퍼 부분의 일시적 필드는 상기 광섬유의 일시적 필드보다 더 큰 것을 특징으로 하는 트레이스 종 검출 센서.
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