KR20070100325A

KR20070100325A - 광섬유 공진기 내의 표면 플라스몬 공진의 캐버티 링-다운검출

Info

Publication number: KR20070100325A
Application number: KR1020077016987A
Authority: KR
Inventors: 피터 비. 타사
Original assignee: 트러스티스 오브 프린스턴 유니버시티
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-10-10
Also published as: EP1846750A1; US7352468B2; US20050117157A1; WO2006071642A1; CN101128730A; TW200636229A; JP2008525802A

Abstract

환경 변화를 검출하기 위해 고유 광학 소스를 이용하기 위한 장치와 방법이 개시된다. 상기 장치는 입력 커플링 포트 및 광성뮤 섹션을 포함하는 광학 캐버티; 상기 광학 캐버티의 복사선을 모니터링하기 위해 광하 캐버티에 광학적으로 결합된 검출기; 및 검출기에 의해 모니터링된 광학 캐버티내의 복사선의 감쇠율에 기초하여 광학 캐버티의 검출 부분에 인접한 환경 변화를 분석하기 위해 검출기에 전기적으로 결합된 프로세서를 포함한다. 광학 캐버티의 광섬유 섹션은 캐버티 손실을 제공하기 위해 표면 플라즈몬을 지지할 수 있는 도전층으로 코팅된 검출 부분을 포함한다. 표면 플라즈몬은 검출 부분에 인접한 환경 변화에 반응한다. 고유 광학 소스는 광학 캐버티의 복사선을 제공하기 위해 광학 캐버티의 입력 커플링 포트에 광학적으로 결합된다.

Description

광섬유 공진기 내의 표면 플라스몬 공진의 캐버티 링-다운 검출{CAVITY RING-DOWN DETECTION OF SURFACE PLASMON RESONANCE IN AN OPTICAL FIBER RESONATOR}

본 발명은 표면 플라스몬 센서를 포함하는 캐버티 링-다운 검출 시스템에 관한 것으로, 특히 캐버티 링-다운 분광기를 이용하여 표면 플라스몬 센서에 인접한 환경 변화의 측정에 관한 것이다. 특히 본 발명은 표면 플라스몬 검출기의 코팅된 섬유 표면에서 결합 이벤트의 높은 감응 검출을 가능하게 한다.

본 출원은 캐버티 링-다운 보조 표면 플라스몬 검출을 이용한 환경 변화의 측정에 관한 것이지만, 흡수 분광기에 대한 하기 설명은 본 발명을 이해하는데 유용할 것이다.

유사한 참조 번호가 유사한 부재를 나타내도록 도시된 도면을 참조하면, 도 1은 대수 비율로 전자기 스펙트럼을 도시한다. 분광기 과학은 스펙트럼을 연구한다. 다른 분야의 스펙트럼과 관련한 과학과 달리, 가시 광학기는 가시광 및 인접한 가시광 - 약 1 mm 내지 약 1 nm 의 파장에서 연장하는 이용가능한 스펙트럼의 매우 좁은 부분을 포함한다. 인접한 가시광은 적색보다 다소 긴 파장(적외선) 및 보라색보다 다소 짧은 파장(자외선)을 포함한다. 이러한 범위는 가시 광학기에 일 반적으로 사용되는 재료로 만들어진 대부분의 렌즈와 거울에 의해 광이 처리될 수 있는 인간 시야의 일측까지 매우 충분하게 확장된다. 재료의 광학 특성의 파장 의존도는 이들 재료로 형성된 광학 부재가 원하는 효과를 갖도록 고려되어야 한다.

흡수-타입 분광기는 높은 감도, 마이크로초 정도의 응답 시간, 유해성에 대한 면역, 연구시 종 이외의 분자 종에 대한 제한된 간섭을 제공한다. 다양한 분자 종이 흡수 분광기에 의해 검출되거나 식별될 수 있다. 따라서, 흡수 분광기는 중요한 궤적 종을 검출하는 일반적인 방법을 제공한다. 가스 상에서, 상기 방법의 감도와 선택성은 상기 종들이 뚜렷한 스펙트럼 선의 세트로 응집된 자신의 흡수 세기를 갖기 때문에 최적화된다. 스펙트럼의 좁은 선은 대부분의 간섭 종과 구별하는데 사용될 수 있다.

많은 산업 공정에서, 흐르는 가스 스트림과 액체에서 높은 정도의 속도와 정확성으로 궤적 종의 농도를 측정하고 분석하는 것이 바람직하다. 이러한 측정과 분석은 오염물의 농도가 최종 산물의 품질에 중요한 경우 필요하지만, 필요하지 않은 경우에도 바람직할 수 있다. 예컨대, N2, O2, H2, Ar, 및 He와 같은 가스가 예컨대 집적회로를 제조하는데 사용되고, 10억분의 1(ppb)의 레벨로 이러한 불순물 가스의 존재는 손상을 야기하고 동작 회로의 수율을 감소시킬 수 있다. 따라서, 물과 기타 잠재적인 오염물이 분광기에 의해 모니터링될 수 있는 상대적으로 높은 감도는 반도체 산업에 사용된 고순도 가스의 제조에 중요하다. 이들 및 다양한 다른 불순물은 역시 기타 많은 산업 어플리케이션에서 검출되어야 한다.

또한, 모든 종류의 유체에서 고유하게 또는 전달되어 방출된 불순물의 존재 는 최근에 관심이 커지고 있다. 분광 방법은 위험한 생화학제에 의한 오염에 대해 가스 및 액체(즉, 공기와 물)와 같은 유체를 모니터링하는 유용한 수단을 제공한다. 또한 이러한 방법은 폭약 및 마약과 같은 물질의 화학적 특징을 검출하는데 사용될 수 있다.

이러한 모든 어플리케이션에서, 감도는 어떠한 검출 방법에서도 중요한 관심사이다. 분광기는 고순도 가스의 가스성 오염에 대해 100만분의 1(ppm) 레벨의 검출을 얻었다. ppb 레벨의 검출 감도는 일부 경우에 얻을 수 있다. 따라서, 여러 분광 방법은 가스의 양적 오염 모니터링으로서 종래 기다란 경로 길이 셀, 광음향 분광기, 주파수 변조 분광기, 및 내부 동공 레이저 흡수 분광기의 흡수 측정을 포함한 어플리케이션에 적용되었다. 안타깝게도, 이러한 방법은 레만(Lehmann)에게 부여된 미국특허 5,528,040에서 논의된 여러 특징들을 가지며, 이는 산업계에 사용하기에 어렵고 비실용적이다. 따라서 이들 방법은 연구실의 실험용으로만 제한되었다.

반대로, 캐버티 링-다운 분광기(CRDS)는 과학, 산업 프로세스 제어, 및 대기 궤적 가스 검출에 대한 분야에서 중요한 분광 기술이 되었다. CRDS는 종래 방법이 적절치 않은 감도를 갖는 낮은 흡수 레짐에서 우수한 광 흡수의 측정을 위한 기술로서 시연되었다. CRDS는 흡수-감응 관찰가능한 것으로서 고정밀(high-finesse) 광 공진기에서 광자의 평균 수명을 이용한다.

통상적으로, 공진기는 안정된 표준파 광학 캐버티, 또는 공진기를 형성하기 위해 적절히 구성된, 한 쌍의 공칭 등가, 좁은 대역, 초고(ultra-high) 반사성 유 전 거울을 포함한다. 레이저 펄스는 고아자 라운드-트립 전이 시간, 공진기의 길이, 검출되는 종의 흡수 단면 및 개수 밀도, 및 (회절 손실을 무시할 때 주파수-의존 거울 반사율로부터 크게 발생하는) 고유 공진기 손실을 고려한 인자에 의존하는 평균 수명을 갖는 거울 중 하나를 통해 공진기 안으로 주입된다. 따라서, 광 흡수의 결정은 종래 감쇠(decay) 시간의 측정에 대한 전력비 측정에서 변형된다. CRDS의 최종 감도는 고유 공진기 손실의 크기에 의해 결정되고, 이는 초-저-손실 광학기의 제조를 가능케하는 초연마(superpolish)와 같은 기술로 최소화될 수 있다.

현재, CRDS는 높은 반사율 유전체 거울이 제조되는 분광 영역으로 제한된다. 이는 충분히 높은 반사율을 갖는 거울이 현재 이용가능하지 않기 때문에 자외선 및 적외선 영역 대부분에서 상기 방법의 유용성을 크게 제한하였다. 적절한 유전체 거울이 이용가능한 영역에서도, 각각의 세트의 거울은 통상적으로 수 퍼센트의 작은 범위인 파장의 작은 범위에서만 동작할 수 있다. 또한, 많은 유전체 거울의 구성은 시간에 따라, 특히 화학적 침식 환경에 노출될 때 저하될 수 있는 재료의 사용을 요구한다. 이러한 제한은 많은 잠재적인 어플리케이션에서 CRDS의 사용을 제한하거나 방해하기 때문에, 공진기 구성과 관련하여 현 상태의 기술을 개선할 필요가 있다.

광이 임계각보다 큰 각도로 전달 매체의 낮은 반사율의 표면에 부딪힐 때, 광은 완전히 반사한다, 즉 광은 전반사(TIR)를 나타낸다. 이는 J.D. Jackson가 저술한 "Classical Electrodynamics," - John Wiley & Sons, Inc.: New York, NY(1962) - 의 7장에 개시되어 있다. 그러나, 자기장이 전달되지 않고 계면으로부 터 기하급수적으로 감소하는 반사 지점을 넘어 존재한다. 이러한 소멸하는(evanescent) 자기장은 순수한 유전 매체에서 전력을 전달하지 않지만, 반사된 파의 감쇠는 소멸하는 자기장의 영역에서 흡수 종의 존재를 관찰할 수 있게 한다. 이는 F.M. Mirabella 가 편집한 "Internal Reflection Spectroscopy," - Marcel Dekker, Inc.: New York, NY(1993) - 의 2장에 개시되어 있다. A. Pipino 등의 논문 "Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflection minicavity," - Rev.Sci. Instrum. 68(8)(Aug. 1997) - 는 TIR 을 이용하여 공진기 구성을 개선하는 방법을 제시한다. 이러한 방법은 안정성을 얻기 위해 적어도 하나의 볼록면을 갖는 정다면체 형상(예컨대, 정사각형 및 팔각형)의 모놀리식 TIR 링 공진기(즉, 이동파 광학 캐버티)를 사용한다. 광 펄스는 공진기의 외부 및 인접하여 위치한 제 1 프리즘에 의해 전반사되고, 공진기로 진입하고 광자 터널링을 통해 공진기의 안정 모드를 여기시키는 소멸파를 형성한다.

이러한 공진기의 전반사 표면에 위치한 물질의 흡수 스펙트럼은 모놀리식 공진기 내의 광자의 평균 수명으로부터 얻어지며, 이는 제 2 프리즘(공진기의 외부에 위치하면서 인접한 전반사 프리즘)과의 아웃 커플링(out coupling)에 의해 검출기에서 수신된 신호의 시간 의존도로부터 추출된다. 따라서, 광 복사는 광자 터널링에 의해 공진기를 진입 및 퇴장하며, 이는 입력 및 출력 커플링을 정밀하게 제어할 수 있게 한다. CRDS 의 축소-공진기 구현이 이루어지고 TIR-링 공진기는 응집된 물질 분광기로 CRDS 개념을 확장시킨다. TIR의 넓은 대역 특성은 종래 가스-상 CRDS의 유전체 거울에 의해 부과된 좁은 대역폭 제한을 뛰어 넘는다. A. Pipino 등의 기술만이 짧은 전체흡수 경로 길이와 이에 따라 강력한 흡수 세기로 고유하게 제한된, TIR 분광기에 적용될 수 있다.

거울 기반 CRDS 시스템에 대한 여러 새로운 방법이 Lehmann 등에게 부여된 미국특허 5,973,864; 6,097,555; 6,172,823 B1; 및 6,172,824 B1에서 개시되며, 본 명세서에서 참조로 포함된다. 이러한 방법들은 두 개의 반사 부재 또는 프리즘 부재로 형성된 근초점 공진기의 사용을 개시한다.

도 2는 링 다운 캐버티(RDC) 셀(60)이 표준파 구성으로 도시된 종래 CRDS 검출기(10)를 도시한다. 도 2에 도시된 것처럼, 광은 좁은 대역, 터널가능한, 연속파 다이오드 레이저(20)에 의해 생성된다. 레이저(20)는 레이저의 파장을 애널라이트(analyte의 원하는 스펙트럼 선으로 조절하기 위해 온도 제어기(30)를 이용하여 조정된 온도일 수 있다. 절연체(40)는 레이저(20)로부터 방출된 복사선의 앞에서 일직선으로 위치한다. 절연체(40)는 일방향 전송 경로를 제공하며, 복사선이 레이저(20)로부터 멀어지게 이동시키고 반대 방향으로 복사선이 이동하는 것을 방지한다. 이러한 절연체는 바람직하게 레이저 캐버티로의 광의 원치 않는 반사 또는 산란에 의해 야기된 레이저(20)의 잡음을 감소시킨다. 단일 모드 섬유 커플러(F.C.)(50)는 레이저(20)로부터 방출된 광을 광섬유(48)로 결합시킨다. 섬유 커플러(50)는 절연체(40)의 전면에서 일직선으로 위치한다. 섬유 커플러(50)는 광섬유(48)를 수용하고 유지시키며 레이저(20)로부터 방출된 복사선을 제 1 렌즈(46)를 향해 이를 통과하도록 지향시킨다. 제 1 렌즈(46)는 복사선을 수집하고 포커싱한다. 레이저(20)에 의해 방출된 빔 패턴은 광섬유(48)에서 진행하는 광의 패턴과 완벽하게 매칭하지 않기 때문에, 필연적인 불일치 손실이 존재한다. 자유 공간 광학기는 레이저 광을 교호적으로 전송시키는데 사용될 수 있다.

레이저 복사선은 RDC 셀(60)로 대략적으로 모드-매칭된다. 반사 거울(52)은 복사선을 빔 스플리터(54)로 향하게 지향시킨다. 빔 스플리터(54)는 제 2 렌즈(56)를 통과하는 복사선의 약 90%를 지향시킨다. 제 2 렌즈(56)는 복사선을 셀(60)로 수집하고 포커싱시킨다. 나머지 복사선은 빔 스플리터(54)를 통과하고 애널라이트 기준 셀(90)로 반사 거울(58)에 의해 지향된다.

애널라이드 기준 셀(90)에 의해 전송된 복사선은 제 4 렌즈(92)를 향하고 이를 통과하도록 지향된다. 제 4 렌즈(92)는 애널라이트 기준 셀(90)과 제 2 광검출기(94)(PD2) 사이에서 정렬된다. 광검출기(94)는 컴퓨터와 전자제어장치(100)에 대한 입력을 제공한다.

셀(60)은 두 개의 고반사 거울(62,64)로 제조되고, 이들은 하나의 축(a)을 따라 근접 초점 에탈론(etalon)으로서 정렬된다. 거울(62,64)은 셀(60)의 입력 및 출력 윈도우를 구성한다. 연구시 샘플 가스는 셀(60)의 광학 축(a)과 동축을 이루는 좁은 튜브(66)를 통과하여 흐른다. 거울(62,64)은 셀(60)의 광학 정렬 조절을 가능하도록 하기 위하여 진공 기밀 벨로우즈(bellows)에 의해 밀봉된 조절가능한 플랜지 또는 마운트 상에 위치한다.

거울(62,64)은 고반사 유전체 코팅부를 가지며 셀(60)에 의해 형성된 캐버티 내부에서 면하는 코팅부와 함께 배향된다. 레이저 광의 작은 부분은 전방 거울(62)을 통과하여 셀(60)로 진입하고 셀(60)의 캐버티 내부에서 앞뒤로 "둘러싼 다(ring)". 셀(60)의 후방 거울(64)(반사기)을 통과하여 전송된 광은 제 3 렌즈(68)를 향하고 이를 통과하도록 지향되며, 다음에 제 1 광검출기(70)(PD1) 위로 이미지화된다. 각각의 광검출기(70,94)는 들어오는 광 빔을 전기적 흐름으로 변환시키고, 따라서 컴퓨터 및 전자제어장치(100)에 대한 입력 신호를 제공한다. 입력 신호는 캐버티 링 다운의 감쇠율을 나타낸다.

도 3은 이동파 구성에서 동작하도록 설계된 종래 프리즘 기반 CRDS 공진기(100) 내의 광학 경로를 도시한다. 도 3에 도시된 것처럼, CRDS를 위한 공진기(100)는 두 개의 브루스터(Brewster)의 각도 역반사기 프리즘(150 및 152)의 이용에 기초한다. 극성 또는 브루스터의 각도(Θ_B)는 프리즘(150)과 관련하여 도시되었다. 입사광(12)과 퇴장광(14)은 프리즘(152)의 입력과 출력으로서 각각 도시되어 있다. 공진 광 빔은 약 45°에서 각각의 프리즘(150 및 152)에서의 손실없이 두 개의 전반사를 수행하며, 상기 각도는 용융 석영 및 가시 스펙트럼 내의 기타 가장 일반적인 광학 프리즘 재료에 대한 임계각보다 크다. 광은 광학 축(154)을 따라 프리즘(150 및 152) 사이에서 이동한다. 선택적으로, 세 개 이상의 고 반사 거울이 거일 기판 이동파(RDC)를 형성하는데 사용될 수 있다. 프리즘 기반 CRDS 공진기(100)와 같은 이동파(RDC)는 도 2에 도시된 CRDS 검출기(10)의 표준파(RDC)(60) 대신에 사용될 수 있다.

설명한 이동파(RDC)에서, 서로 입출력 빔을 갖는 프리즘 또는거울의 정밀한 정렬이 필요하다. 또한 거울(62 및 64) 간의 거리의 정밀한 조정은 레이저 광이 광학 캐버티 내에서 공진할 수 있도록 표준파(RDC)(60)에서 바람직할 수 있다. 이는 이들 캐버티가 캐버티의 매체의 반사율 또는 온도 변화와 같은 환경변화에 의해 나쁜 영향을 받을 수 있다.

본 발명을 진행하게 된, 상기 발명자들의 2003년 8월 20일자로 출원된 출원번호 10/644/137호 및 2002년 5월 29일자로 출원된 선행출원 10/157/400호 및 2001년 12월 12일자로 출원된 10/017/367에 개시된 것처럼, CRDS 검출기의 수동 섬유 광학 링 공진기의 사용은 도 2와 3에 도시된 것같은 종래 RDC의 사용시 발생하는 문제점중 적어도 일부를 극복하는데 유용하다. 본 발명은 CRDS 검출기의 감도를 향상시키기 위한 표면 플라즈몬 공진을 이용한다.

본 발명의 실시예는 광섬유 섹션 내에 형성된 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진(SPR) 검출기이며, 상기 광섬유 섹션은 외부면을 갖는 광섬유 섹션의 테이퍼링된 섬유 부분과 상기 테이퍼링된 섬유 부분의 외부면 상에 형성된 표면 플라즈몬을 지지할 수 있는 도전층을 포함한다. 상기 테이퍼링된 섬유 부분의 외부면 상에 형성된 표면 플라즈몬은 테이퍼링된 섬유 부분에 인접한 환경 변화에 반응한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 환경 변화를 검출하기 위해 고유 광학 소스와 함께 사용하기 위한 장치이며, 상기 장치는 입력 커플링 포트 및 광섬유 섹션을 포함하는 광학 캐버티; 상기 광학 캐버티의 복사선을 모니터링하기 위해 상기 광학 캐버티에 광학적으로 결합된 검출기; 및 상기 검출기에 의해 모니터링된 상기 광학 캐버티의 복사선의 감쇠율에 기초하여 상기 광학 캐버티의 검출 부분에 인접한 환경 변화를 분석하기 위해 상기 검출기에 전기적으로 결합된 프로세서를 포함한다. 상기 광학 캐버티의 광섬유 섹션은 캐버티 손실을 제공하기 위해 표면 플라즈몬을 지원할 수 있는 도전층으로 코팅된 검출부를 포함한다. 표면 플라즈몬은 검출부에 인접한 환경 변화에 반응한다. 고유 광학 소스는 광학 캐버티 내에서 복사선을 제공하기 위해 광학 캐버티의 입력 커플링 부분에 광학적으로 결합된다.

본 발명의 또 다른 실시예는 복사선을 방출하는 고유 소스와 함게 사용하기 위한 결합 이벤트를 검출하는 장치이며, 상기 장치는: 수동 폐쇄 섬유 광학 링; 미리 설정된 모양, 도전성 코팅부를 가지며 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링과 일렬로 배치된 센서; ⅰ) 진행 자기장을 생성하기 위해 상기 고유 소스에 의해 방출된 복사선 중 적어도 일부분을 상기 섬유 광학 링에 광학적으로 결합시키고, ⅱ) 상기 진행 자기장의 검출 부분을 전달하기 위한 커플링 수단; 상기 커플링 수단에 의해 전달된 진행 자기장의 검출 부분의 전력 레벨을 검출하기 위한 검출기; 및 상기센서의 도전성 코팅부의 표면 상에서 결합 이벤트의 레벨을 결정하기 위해 상기 검출기에 전기적으로 결합된 프로세서를 포함한다. 상기 센서의 도전성 코팅부는 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링 내의 진행 자기장에 의해 구동된 표면 플라즈몬을 지원하고 상기 도전성 코팅부의 표면에서 결합 이벤트의 레벨에 반응한다. 상기 검출기는 상기 진해 자기장의 검출 부분의 검출된 전력 레벨에 반응하는 신호를 발생시키고 상기 프로세서는 상기 검출기에 의해 검출된 진행 자기장의 검출 부분의 전력 레벨의 감쇠율에 기초하여 결합 이벤트의 레벨을 결정한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 광학 캐버티에 광학적으로 결합된 표면 플라즈몬 공진(SPR) 센소를 포함하는 표면 플라즈몬 캐버티 링-다운 검출(SPCRD) 시스템을 이용하여 유체내의 환경 변화를 검출하는 개선된 방법이다. SPR 센서는 금속-코딩된 테이퍼링된 광섬유 섹션으로 형성된다. 미리설정된 파장을 포함하는 고유 광학 복사선은 SPCRD 시스템의 광학 캐버티에 결합된다. 광학 캐버티의 고유 광학 복사선의 전력 레벨이 모니터링되고 광학 캐버티의 기준선 캐버티 손실은 모니터링된 전력 레벨에 기초한다. SPR 센서는 유체에 노출되고 광학 캐버티의 검출 캐버티 손실은 상기 유체로의 SPR 센서의 노출 후에 새로이 모니터링된 전력 레벨에 기초하여 결정된다. 유체의 환경 변화는 기준선 캐버티 손실과 광학 캐버티의 검출 캐버티 손실 사이의 차이에 기초하여 검출된다.

상기 설명과 하기 상세한 설명은 예시적일 뿐 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다.

본 발명은 첨부된 도면과 함께 판독할 때 하기 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다. 일반적인 실시에 따라 도면의 여러 특징부들은 축적대로 도시되지 않았다. 반대로, 여러 특징부들의 치수는 명료하게 보이도록 임의로 확장 또는 축소되었다. 도면에는 하기 도들이 포함된다.

도 1은 대수 단위 상에 전자기 스펙트럼을 도시한 그래프이다.

도 2는 거울을 이용한 종래 표준파 CRDS 시스템을 도시하는 개략적인 블록도이다.

도 3은 프리즘을 이용한 종래 이동파 CRDS 셀을 도시한 평면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 표면 플라즈몬 캐버티 링-다운 검출(SPCRD) 시스템을 도시하는 개략도이다.

도 5는 종래 광섬유를 도시하는 평면도이다.

도 6은 종래 광섬유를 도시하는 등각도이다.

도 7A, 9A, 및 10A는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 표면 플라즈몬 공진(SPR) 센서를 도시하는 측면도이다.

도 7B 및 7C는 도 7A에 도시된 예시적인 SPR 센서의 특징부를 도시하는 단면도이다

도 7D는 도 7A에 도시된 예시적인 SPR 센서에 사용될 수 있는 예시적인 테이퍼링된 섬유 부분의 특징부를 도시하는 평면도이다.

도 8A는 도 7A,9A,10A에 도시된 예시적인 SPR 센서에 포함될 수 있는 예시적인 SPR 층을 도시하는 측면도이다.

도 8B는 도 7A,9A,10A에 도시된 예시적인 SPR 센서에 포함될 수 있는 선택적이고 예시적인 SPR 층을 도시하는 측면도이다.

도 9B와 9C는 도 9A에 도시된 예시적인 SPR 센서의 특징부를 도시하는 단면도이다.

도 10B와 10C는 도 10A에 도시된 예시적인 SPR 센서의 특징부를 도시하는 단면도이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 SPCRD을 위한 예시적인 섬유 기반 이동파 CRDS 셀을 도시하는 평면도이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 변화를 검출하기 위한 SPCRD 시스템을 이용하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.

2003년 8월 20일자로 출원된 미국특허출원 10/644,137; 2002년 5월 29일자로 출원된 10/157,400; 2001년 12월 12일자로 출원된 10/017,367의 명세서는 본 명세서에 참조로 포함된다.

상기 설명처럼, CRDS는 광학 캐버티 내의 매체에서 애널라이트를 측정하기 위한 고감도 수단을 제공한다. 또한, 출원인은 예시적인 광섬유-기반 링-다운 캐버티에서의 손실을 제공하는 광섬유를 둘러싸는 소멸 자기장을 이용하는 방법을 2002년 5월 29일자로 출원된 10/157,400 및 2001년 12월 12일자로 출원된 10/017,367에 개시하였다. 본 발명은 본 발명에 따라 예시적인 센서에 의해 감지될 수 있는 환경 변화 타입을 확장시키고 센서 감도를 개선하기 위한 표면 플라즈몬 공진(SPR) 기술의 사용을 통해 이들 발명을 확장시켰다.

SPR 분광기는 도전성 코팅부로 코팅된 전반사(TIR) 부재의 외부 표면에서 굴절유의 작은 변화를 측정하는데 사용된다. 표면 플라즈몬은 광이 입사각에 대응하는 공징 파장을 갖는 경우 TIR 표면에 형성된 얇은 도전성 코팅부의 표면을 따라 생성될 수 있다. 주어진 입사각에 대한 공진 파장은 도전성 코팅부에 인접한 TIR 부재의 기판과 외부 매체 사이의 굴절율의 차이에 의존한다. 표면 플라즈몬의 현저한 발생이 존재하는 광의 파장 또는 입사각 범위는 통상적으로 매우 작으며, SPR 분광기가 굴절율의 변화를 측정하는 매우 민감한 수단을 제공하게 한다. SPR-기반 센서는 직접 표면 플라즈몬을 검출하거나, 표면 플라즈몬으로의 변환에 의해 입사광 빔으로부터 손실된 에너지를 검출할 수 있다.

SPR 검출 시스템은 공통적으로 TIR 부재로서 프리즘을 사용하지만, SPR 기술은 TIR 부재로서 테이퍼링된 광섬유 센서를 포함한다. 이러한 센서는 테이퍼 전달을 따라 연속된 범위의 각도로 테이퍼링된 광섬유를 포함하며, 이로써 신호 해석에 사용되는 광 파장만의 변화를 필요로 한다. 광은 단일 패스(pass)를 형성하도록 다중각 SPR 검출 시스템에 커플링된다. 이러한 시스템의 해상도는 섬유의 테이퍼링된 부분에서 입사각의 변화율에 의존할 수 있다.

매우 많은 수의 패스에서의 손실을 축적함으로써, CRDS는 광학 부재의 손실 검출을 위한 고감도 방법을 제공한다. 상기 설명한 피피노 등은 모놀리틱 TIR 링 공진기를 이용함으로써 이들 두 개의 기술, SPR과 CRDS를 포함하는 용이성을 먼저 시연하였다. 이러한 시스템은 고감도 검출을 제공하지만, 사용된 모놀리틱 TIR의 내부 및 외부에서 광을 커플링하기 위한 정렬 필요성은 가요성과 이동성이 바람직한 대부분의 실제 어플리케이션에서 이러한 시스템의 유용성을 감소시킨다.

코팅된 섬유 테이퍼 SPR 센서를 광학 공진기에 포함시킴으로써, 본 발명은 SPR과 CRDS의 장점이 보다 많은 실제 시스템에서 구현되는 장점을 갖는다. 예컨대, 섬유 링 공진기에 포함된 도전성으로 코팅된 섬유 테이퍼 SPR 센싱 영역을 이용함으로써 반사율 측정은 CRDS의 감도를 개선시키는 장점을 가질 수 있다. 도전성으로 코팅된 섬유 테이퍼 SPR 센싱 영역을 포함하는 섬유 링의 부분은 액체, 가스 또는 서스펜션의 흐름에 담그는 것처럼 여러 유체 매체의 굴절율을 감지하기 위 해 용이하게 조절될 수 있다. 또한 CRDS의 사용은 잡음성 SPR 신호를 해석하고 표면에 인접한 환경 변화에 대한 감도를 개선하는 것을 도울 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SPR 센서(500)를 갖는 섬유 광학 기반 링-다운 장치(400)를 도시한다. 이러한 예시적인 장치는 가스 및 액체 내의 궤적 종, 또는 애널라이트의 존재의 검출을 포함하는 인접한 유체의 화학 조성의 변화를 검출하는 것을 포함하는, SPR 센서(500)를 둘러싸는 유체 내의 환경 변화를 검출할 수 있다. SPR 센서(500)에 의해 검출될 수 있는 다른 가능한 환경 변화는: 센서의 검출 부분에 인접한 매체 반사율; 센서의 검출 부분에 인접한 주위 온도; 및 센서의 검출 부분에 인접한 전기장 뿐만 아니라 센서에 인접한 이온화 복사선의 존재의 변화를 포함한다.

도 4에서, 장치(400)는 섬유 광학 케이블(402)의 길이를 따라 분산된 섬유 광학 케이블(402)과 SPR 센서(500)(하기에 상세히 설명함)를 갖는 공진 섬유 광학 링(408)을 포함한다. 다른 광학 캐버티는 본 발명의 선택 실시예에 사용될 수 있지만, 도 4에 도시된 공진 섬유 광학 링(408)과 같은 예시적인 폐쇄 광섬유 링 캐버티는 SPR 센서(500)에 의해 제공된 환경적인 종속 손실을 제외하면 낮은 캐버티 손실을 갖는다. 낮은 캐버티 손실은 보다 작은 환경적인 종속 손실의 검출을 가능하게 하며, 이는 환경 변화의 검출을 위한 시스템 감도를 증가시킨다.

공진 섬유 광학 링(408)의 길이는 예컨대 물리적 플랜트의 여러 섹션의 주변 감지 또는 통과와 같은 다양한 획득 상황에 용이하게 적용가능하다. 본 발명의 예시적인 장치의 광학 캐버티의 길이는 약 1 미터로 작거나 또는 수 킬로미터와 같이 클 수 있다. 비록 도시된 것처럼 세 개의 SPR 센서(500)가 섬유 광학 루프(408)를 따라 분산된 것으로 도시되었지만, 본 발명은 필요한 경우 하나의 SPR 센서(500)만을 사용하는 것으로 실시될 수 있다. 하나 이상의 SPR 센서(500)의 분산은 설치 위치 전체의 여로 지점에서의 환경 변화의 샘플링을 가능하게 할 수 있다. 선택적으로, 각각의 여러 SPR 센서는 상이한 환경 변화, 및/또는 상이한 애널라이트에 반응하도록 설계될 수 있다.

비록 도 4에 도시된 예시적인 시스템은 완전한 광섬유 링 캐버티를 이용하지만, 본 발명에 따른 예시적인 표면 플라즈몬 캐버티 링-다운 검출(SPCRD) 시스템의 광학 캐버티는 광학 캐버티를 형성하는 광섬유 및 자유 공간 광학기의 조합으로 형성될 수 있다. 예컨대, 적어도 하나의 SPR 센서를 포함하는 광섬유의 섹션은 도 3의 예시적인 캐버티의 빔 경로(154)의 암(arm)들 중 하나를 따라 도입될 수 있다. 이러한 선택 실시예의 잠재적인 장점은 이러한 예시적인 SPCRD 시스템의 상이한 SPR 센서를 포함하는 광섬유 섹션들을 용이하게 교체할 수 있는 능력이며, 이는 SPRD 시스템이 필요에 따라 다수의 상이한 환경 변화를 감지할 수 있게 한다.

추가로, 표준파 광학 캐버티는 예시적인 SPCRD 시스템에 사용될 수 있다. 도 11은 입력 및 출력 커플러로서 기능하는 반사기(1102)를 포함하는 예시적인 광섬유 표준파 캐버티(1100)를 도시한다. 이러한 광학 캐버티는 도 2의 RDC(60)와 유사하지만, 광섬유의 섹션으로 형성되기 때문에 예시적인 광섬유 표준파 캐버티(1100)가 가용성이라는 점이 다르며, 이는 광학 캐버티를 포함하는 SPCRD 시스템에 대해 보다 많은 자유와 응용성을 가능하게 한다. 반사기(1102)는 광섬유 표준 파 캐버티(1100)의 쪼개진 단부 바로 위에 형성된 유전체 또는 금속 거울이거나, 선택적으로 이들은 자유 공간 광학기(미도시)에 의해 광섬유 표준파 캐버티(1100)에 광학적으로 결합될 수 있다. 이러한 선택 실시예에서 캐버티 내에 형성된 표준파 패턴의 적어도 하나의 안티노드가(antinode)가 SPR 센서 내에 위치하도록 광섬유 표준파 캐버티(1100)의 길이를 따라 SPR 검출기(500)를 위치시키는 것이 바람직하다. 만약 SPR 센서의 감지 부분이 하나 이상의 파장으로 길다면, 이러한 조건은 용이하게 충족될 수 있다.

광학 파라미터 발생기(OPG), 광학 파라미터 증폭기(OPA), 레이저 또는 기타 고유 소스일 수 있는 복사선의 고유 소스(404)는 SPR 센서(들)(500)의 표면 플라즈몬 공진 파장과 일치하는 파장에서 바람직하게 복사선을 방출시킨다. 고유 소스(404)는 좁은 밴드를 갖는 조정가능한 다이오드 레이저일 수 있다. 선택적으로, 고유 소스(404)는 여러 파장에서 복사선을 제공하기 위해 하나 이상의 광학 소스를 포함할 수 있다. 이들 파장은 SPR 센서(500)들 중 상이한 센서에 대응하거나 상이한 환경 변화 및/또는 상이한 애널라이트에 대한 표면 플라즈몬 공진에 대응할 수 있다. 상업적으로 이용가능한 광학 파라미터 증폭기의 예는 캘리포니아 마운틴 뷰에 위치한 스펙트라 피직스로부터 이용가능한 모델번호 OPA-800C 이다.

본 발명은 유체 내에 인간 및/또는 동물에게 해를 끼치는 다양한 생화학제를 검출하는데 사용될 수 있다. 이러한 생화학제의 존재는 이들이 SPR 센서(500)에 의해 검출될 수 있는 유체의 굴절율의 충분한 변화를 야기할 수 있다. 또한 이러한 검출은 도 7A 및 8A에 도시된 것처럼 원하는 생화학제와 특별히 결합하는 항체 로 (테이퍼링된 광섬유 섹션(802)에 위치한) SPR 층(814)의 외부 표면을 코팅함으로써 향상될 수 있다. 이들 항체는 항에와 결합한 생화학제의 반응수로 굴절율을 바꾸는 기능화된 화학 코팅부(818)를 형성하도록 도전층(816)에 증착될 수 있다. 기능화된 화학 코팅부(818)는 온도, 습도, pH, 전기장, 이온화 복사선 등과 같은 기타 특정 환경 파라미터에 반응하여 자신의 굴절율을 바꾸는 재료로 형성될 수 있다.

도 4의 예시적인 SPCRD 시스템에서, 고유 소스(404)로부터의 복사선은 선택적인 광학 절연체(406), 커플러(410), 및 소멸 입력 커플러(412)를 통해 공진 섬유 광학 링(408)에 제공된다. 선택적으로, 광학 그레이팅-기반 커플러는 소멸 입력 커플러(412) 대신에 사용될 수 있다. 이동파 캐버티에서 자유 공간 광학기를 이용하거나 표준파 캐버티를 포함하는 SPCRD 시스템에서, 복사선은 광학 캐버티의 TIR 프리즘 표면 또는 고반사 거울을 통해 캐버티 안으로 커플링될 수 있다. 고유 소스(404)가 다이오드 레이저인 경우, 광학 절연체(406)를 사용하는 것은 레이저로 다시 반사되는 것을 방지함으로써 레이저 내의 잡음을 최소화하도록 돕는다. 소멸 입력 커플러(412)는 고유 소스(404)로부터 고정된 퍼센티지의 복사선이 공진 섬유 광학 링(408)으로 제공하거나, 공진 섬유 광학 링(408) 전체에 제공된 손실에 기초하여 조절될 수 있다. 바람직하게, 소멸 입력 커플러(412)(또는 다른 커플러)에 의해 공진 섬유 광학 링(408)에 제공된 복사선의 양은 광학 캐버티의 커넥터(미도시)와 섬유 광학 케이블(402)에 제공된 손실과 매칭하고, 캐버티 내에서 공진하는 복사 복사선의 안정 상태를 가능하게 한다. 복사선의 1% 커플링(99%/1% 스플릿 비 율 커플링)을 제공하는 상업적으로 이용가능한 소멸 커플러는 뉴저지 뉴튼의 토랩에 의해 제조된 부품 번호 10202A-99 이다. 바람직한 실시예에서, 소멸 입력 커플러(412)는 고유 소스(404)로부터 복사선의 1% 미만을 섬유(402)로 결합시킨다.

섬유 광학 케이블(402)의 단면이 도 5에 도시되어 있다. SPR 센서(500)를 형성하기 위해, 섬유 광학 케이블(402)을 덮는 재킷(402a)의 일부는 섬율 광학 케이블(402)의 내부 코어(402c)를 둘러싸는 피복부(402b)를 노출시키도록 제거된다. 선택적으로, 재킷(402a)과 피복부(402b)는 내부코어(402c)를 노출시키도록 제거될 수 있다. 그러나, 이러한 선택은 임의 타입의 섬유 광학 케이블에 사용된 내부 코어(402c)의 깨지기 쉬운 특성으로 인해 매우 바람직하지 않다.

(도면에 도시된 예시적인 SPR 센서의) 재킷(402a)의 제거는 종래 섬유 광학 스트립핑 도구와 같은 기계적 수단에 의해, 또는 피복부(402b)와 내부 코어(402c)에 영향을 주지 않으면서 재킷(402a)을 공격하고 용해시키는 용매 내에 섬유 케이블의 일부를 담금으로써 수행될 수 있다. 재킷(402a)의 부분적인 제거의 경우에, 용매 방법은 제거하길 원하는 재킷의 부분에 용매를 선택적으로 제공함으로써 수정될 수 있다.

도 6은 복사선이 섬유 광학 케이블(402)을 통해 어떻게 진행하는지를 예시적으로 도시한다. 도 6에 도시된 것처럼, 복사선(606)은 내부 코어(402c)와 피복부(402b) 사이의 경계에서 전반사(TIR)를 나타낸다. 복사선이 반사되지 않고 피복부(402b)로 흡수되기 때문에 일부 무시할 만한 손실(미도시)이 존재한다. 도 6은 섬유 광학 케이블로서 개시되었지만, 도 6과 본 발명의 실시예들은 피복부(402b)가 중공 코어를 둘러싸는 중공 도파관과 같이 중공 섬유에 동일하게 적용될 수 있다.

도 4를 다시 참조하면, 센서(500)를 통과한 후에 남아있는 복사선은 계속 섬유 루프(402)를 통과한다. 남아있는 복사선의 일부는 소멸 출력 커플러(416)에 의해 섬유 광학 루프(402)외부에서 커플링된다. 소멸 출력 커플러(416)는 검출기(418)와 신호 라인(422)을 통해 프로세서(420)에 결합된다. 검출기(418)는 광다이오드, 광저항기, 또는 광트랜지스터와 같은 통상적인 아날로그 광검출기일 수 있다.

고유 소스(404)로부터의 복사선은 단일 소멸 입/출력 커플러를 통해 공진 섬유 광학 링(408)의 내부 및 외부에서 교호적으로 커플링될 수 있다. 소멸 입/출력 커플러는 고유 소스(404)로부터 고정되 퍼센티지의 복사선을 공징 섬유 광학 링(408)으로 제공하거나, 공진 섬유 광학 링(404) 전체에 제공된 손실에 기초하여 조절가능하다. 이러한 선택 실시예에서 소멸 입/출력 커플러는 도 4의 실시예와 관련하여 상기 설명한 소멸 입력 커플러(412) 및 출력 커플러(416)를 재구성한 것이다. 바람직하게, 이러한 소멸 입/출력 커플러는 레이저(404)로부터 복사선의 1% 미만을 섬유(402)에 커플링시키니다. 또한 파장 선택기(430)는 고유 소스(404)로부터의 복사선이 섬유(402)에 커플링된 이후의 시간 동안 고유 소스(404)로부터의 복사선이 검출기(418)를 "차단(blinding)"하는 것을 방지하도록 프로세서(420)에 의해 제어될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 검출기(418)는 직렬 전자 흡수 검출기(미도시)에 의해 대체되어, 출력 커플러가 필요하지 않을 수 있다. 바람직하게 이러한 전자흡수 검출기는 검출 동안 레이저(404)로부터 복사선의 1% 미만을 흡수 한다.

프로세서(420)는 예컨대 검출기(418)의 아날로그 출력을 디지털 신호로 변환하고 이러한 디지털 신호를 처리하고 분석을 수행하기 위한 수단을 갖는 범용 컴퓨터일 수 있다. 선택적으로, 디지털 신호 프로세서, 특수목적 회로, 또는 ASIC과 같은 또다른 프로세서 수단이 프로세서(420)로서 사용될 수 있다. 또한 프로세서(420)는 제어 라인(424)을 통해 고유 소스(404)를 제어한다. 일단 신호가 프로세서(420)에 의해 검출기(418)로부터 수신되면, 프로세서는 검출된 표면 플라즈몬으로 인한 손실의 양에 기초하여 측정된 환경 변화의 양과 타입을 결정할 수 있다. 이러한 손실은 펄스화된 고유 소스에 대한 캐버티의 복사선의 감소율, 또는 CW 고유 소스에 대한 캐버티의 복사선의 안정 상태 에너지 레벨에 기초하여 결정될 수 있다.

선택적으로, 파장 선택기(430)는 소멸 출력 커플러(416)와 검출기(418) 사이에 배치될 수 있다. 파장 선택기(430)는 미리 설정된 범위 내에 있지 않은 복사선이 검출기(418) 안으로 입력되는 것을 방지하기 위해 필터로서 기능한다. 이러한 필터는 미리설정된 대역폭의 스위핑 및/또는 조정가능한 고유 소스의 트랙킹을 가능하게 하는 조정가능 필터일 수 있다. 추가로, 검출기(414)는 입력 커플러(412)의 출력에 결합될 수 있다. 검출기(414)의 출력은 공진 섬유 광학 링(402)이 SPR 분석을 수행함으로써 충분한 복사선을 언제 수신할지를 결정하는데 사용하기 위해 신호 라인(422)을 통해 프로세서(420)에 제공된다.

도 7A-D는 도 4의 예시적인 시스템과 같은 본 발명의 예시적인 SPCRD 시스템 에 사용될 수 있는 예시적인 SPR 센서를 도시한다. 도 7A와 7D에 도시된 것처럼, 센서(800)는 테이퍼링된 내부 코어(808)와 테이퍼링된 피복부(809)를 갖는 테이퍼링된 영역(802)을 형성하기 위해 내부 코어(804)와 피복부(805)를 테이퍼링함으로써 섬유(801)로 형성된다. 테이퍼링된 영역(802)의 형성은 두 개의 기술 중 하나를 이용하여 달성될 수 있다. 제 1 기술은 섬유(801)의 국부화된 섹션을 가열하고 동시에 센서(800)를 형성하기에 바람직한 영역의 일측부에서 단열 풀링(pulling)이다. 이러한 처리는 섬유(801)의 일정한 테이퍼를 형성한다. 다음에 SPR 층(814)은 테이퍼링된 영역(802)의 표면의 적어도 일부에 대해 형성된다.

도 8A와 8B는 예시적인 SPR 층을 도시하는, 본 발명에 따른 예시적인 SPR 센서의 상부 절반을 도시한다. 도 8A와 8B의 점선(824)은 이러한 예시적인 SPR 센서에 사용된 광섬유의 축을 나타낸다. 도 8A에 도시된 것처럼, SPR 층(814)은 표면 플라즈몬이 생성되는 얇은 도전층(816)을 포함한다. 이러한 층은 스퍼터링, 증발, 또는 에피택시와 같은 표준 증착 기술에 의해 형성되거나, 테이퍼링된 섬유 위로 스프레이 또는 페인팅될 수 있다. 도전층(816)은 예컨대 금속 또는 도전성 폴리머와 같은 도전 재료를 포함한다.

또한 도 8A는 도전층(816) 위에 형성될 수 있는 기능화된 화학 코팅부(818)를 도시한다. 기능화된 화학 코팅부(818)는 측정될 환경 변화에 따라, 다양한 재료로 형성될 수 있다. 애널라이트를 응집하는데 사용될 수 있는 코팅 재료의 일 예는 폴리에틸렌이다. 추가로, 항원 특수 결합제는 높은 특이성을 갖는 원하는 생화학 애널라이트를 끌어 당기는데 사용될 수 있다. 이러한 코팅부를 형성하는 바 람직한 방법은 형성되는 재료에 크게 의존한다.

추가로, 기능화된 화학 코팅부(818)는 도전층(816) 상의 다수의 섹션에 형성될 수 있으며, 이는 센서의 길이를 따른 스트립 또는 원주 둘레의 밴드와 같은 원하는 패턴으로 배열될 수 있다. 이러한 섹션은 다수의 환경 변화(또는 다수의 애널라이트)가 단일 SPR 센서에 의해 감지될 수 있게 상이한 재료로 형성될 수 있다. 다수의 코팅 섹셩은 감지된 변화(또는 애널라이트) 중 하나에 대한 단일 경보를 제공하는 본사선의 단일 파장에 반응하도록 설계되거나, 다중-채널 감지 능력을 제공하도록 상이한 파장에 반응하게 설계될 수 있다.

상기 설명처럼, 본 발명자들은 SPR과 CRDS 모두를 이용하여 제공된 장점이 SPR 센서에 인접한 환경 변화를 측정하는데 적용될 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 환경 변화는 SPR 센서를 둘러싸는 유체의 굴절율에 직접 영향을 주거나, SPR 층(814)의 일부로서 형성된 기능화된 화학 코팅부(818)에의해 보저될 수 있다. 이러한 코팅부에 사용된 기능화된 화학제는 온도; 습도; pH; 전기장; 및 이온화 복사를 포함하는 다수의 환경 변화에 기초하여 굴절율을 바꿀 수 있다. 또한 기능화된 화학 코팅부는 표면의 결합 이벤트에 반응하여 예시적인 SPCRD 시스템이 특정 생화학제의 미소한 양의 존재를 검출할 수 있게 한다. 종래 CRDS만을 사용하는 것은 SPR 없이 테이퍼링된 광섬유 공진기의 감도가 테이퍼링된 감지 영역(812) 내의 강화된 소멸 자기장(810)에 노출된 애널라이트에 의한 흡수로 제한된다.

SPR 센서가 갖는 문제는 동작의 파장 범위이다. 통상적인 금속 도전층은 500 nm- 600 nm 범위의 파장을 갖는 복사선에 의해 생성된 표면 플라즈몬을 지원할 수 있다. 비록 이용가능한 상이한 타입의 광섬유가 현재 존재하지만, 본 발명의 예시적인 SPR 센서에 통신되도록 개발된 비교적 저렴하고 저손실의 섬유들 중 하나를 이용할 수 있는 것이 바람직하다. 일 예는 통신 어플리케이션의 표준 용도를 이루는 코닝의 SMF-28e 용융 실리카 섬유이다. 텍사스의 오스틴(Austin)의 3M에서 제조한 488 nm/514 nm 단일 모드 섬유(부품번호 FS-VS-2614), 텍사스의 오스틴(Austin)의 3M에서 제조한 630 nm 가시 파장 단일-모드 섬유(부품번호 FS-SN-3224), 텍사스의 오스틴(Austin)의 3M에서 제조한 820 nm 표준 단일-모드 섬유(부품번호 FS-SN-4224), 및 일본의 KDD 파이버랩에서 제조한 4-마이크론 전송을 갖는 0.28-NA 플루오라이드 유리 섬유(부품번호 GF-F-160)와 같은 상이한 파장의 크기에서 광을 전송하는 특수한 섬유들이 존재한다. 또한, 상기 언급한 바와 같이, 섬유 광학 케이블(402)은 중공 섬유일 수 있다.

광 파장은 테이퍼링된 영역 내의 광학 모드 변환과 이에 따라 감도에 영향을 주지만, 이러한 효과는 테이퍼 구조에 의해 균형이 맞추어질 수 있다. 최고의 감도를 위하여, 파장은 바람직하게 섬유의 설계 파장과 매칭하도록 선택되어야 한다. 비록 일부 파장이 모드 변환에 보다 많이 감응할 수 있지만, 섬유의 설계 파장으로부터 먼 파장은 너무 많은 전송 손실과 사용할 수 없는 링-다운 신호를 야기하기 때문에 원하는 감도를 감소시킬 것이다. 일 실시예에서, 파장은 (통신 섬유의 최소 손실 파장인) 1550 nm 이고, 이 경우 가장 저렴하고 내구적인 통신 부품이 최적화된다. 또한 (통신 섬유의 0 소산 파장인) 1300 nm와 같은 다른 파장이 적합하지만, 본 발명은 1250 nm와 1650 nm 사이의 범위에 있는 파장을 사용할 수 있다.

선택적으로, 400 nm 내지 700 nm 범위의 파장을 갖는 광을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 비록 표준 광섬유에 의해 상기 광의 흡수가 매우 바람직하지 않을 수 있지만, 이러한 파장의 범위의 광은 표면 플라즈몬을 여기시키기 위한 장점을 갖는다. 따라서, 저손실 가시 대역 광섬유의 개선은 개선된 SPCRD 시스템의 설계를 가능하게 한다.

도 8B는 SPR 센서에 기초한 금속 막의 파장 범위를 확장시키는데 사용될 수 있는 예시적인 SPR 층(820)을 도시한다. 예시적인 SPR 층(820)은 다양한 금속 코팅 유전체 나노-입자(822)로 형성된다. 이러한 금속 코팅 유전체 나노-입자는 약 1 ㎛ 미만의 직경, 바람직하게는 5 nm - 25 nm 범위의 직경을 갖는다. 예시적인 SPR 층(820)이 표면 플라즈몬을 지원하는 복사선의 파장 범위는 금속 코팅 유전체 나노-입자(822)의 직경 및 나노-입자가 형성되는 유전체 재료의 유전체 특성에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한 금속 코팅 유전체 나노-입자(822)는 기능화된 화학 코팅부로 코팅될 수 있다. 상이한 기능화된 화학 코팅부를 갖는 나노-입자는 상기 도 8A와 관련하여 설명한 다중 코팅 섹션과 유사한, 다중-채널 SPR 센서를 형성하기 위해 단일 SPR 층 내에서 결합될 수 있다. 금속 코팅 유전체 나노-입자(822)는 도 8B에 도시된 것처럼 광 섬유에 정전기적으로 부착되거나, 폴리머 매트릭스(미도시)에서 유지될 수 있다. 만약 금속 코팅 유전체 나노-입자(822)가 폴리머 매트릭스에서 유지된다면, 폴리머 매트릭스느 바람직하게 예시적인 SPR 센서를 위해 기능화된 화학 코팅부로서 바람직하게 기능할 수 있다.

도 7B는 사전 테이퍼 및 사후 테이퍼 영역에서 센서(800)의 단면을 도시한 다. 도 7B에 도시된 것처럼, 내부 코어(804)와 피복부(805)는 수정되지 않은 상태에 있다. 간략화를 위해 도면과 설명은 섬유 광학 케이블(801)의 재킷팅(jacketing)을 언급하지 않았지만, 이러한 재킷팅은 섬유 광학 케이블(801)의 적어도 일부에 적절하게 수행되는 것으로 가정한다.

도 7C는 테이퍼링된 영역(802)에서 센서(800)의 단면을 도시한다. 도 7C에 도시된 것처럼, 테이퍼링된 내부 코어(808)와 테이퍼링된 피복부(809)는 각각 내부 코어9804)와 피복부(805)에 비해 현저히 감소된 직경을 가지며 SPR 층(814)에 의해 덮힌다. 테이퍼링된 영역(802)은 특정 어플리케이션에 기초하여 임의의 원하는 길이로 이루어질 수 있다. 실시예에서, 도 7D에 도시된 것처럼, 예컨대 테이퍼링된 영역의 길이는 대략 4 mm이고 오목한 직경은 약 12 마이크론이다.

도 7A를 다시 참조하면, 내부 코어(804)의 영역의 소멸 자기장(806)은 테이퍼링된 영역(802)의 강화된 소멸 장기장(810)에 비해 좁고 한정적이다. 도시된 것처럼, 강화된 소멸 자기장(810)은 SPR 층(814)에 용이하게 노출되어 이전의 실시예와 관련하여 설명한 것처럼 표면 플라즈몬의 생성을 가능하게 하고 이로써 원하는 환경 변호의 검출을 보다 우수하게 할 수 있다.

도 9A-9C는 환경 변화를 검출하는데 사용될 수 있는 또 다른 예시적인 SPR 센서(900)을 도시한다. 도 9A에 도시된 것처럼, 센서(900)는 실질적으로 "D"형 단면 영역(902)을 형성하도록 피복부(905)의 일부분을 제거함으로써 섬유(901)로부터 형성된다. "D"형 단면 영역(902)의 형성은 예컨대 연마제를 이용하여 광섬유 피복부(905)의 일측부를 연마함으로써 달성된다. 연마제는 유도된 모드 품질을 유지하 도록 영역(902)을 따른 깊이를 연속적으로 증가시키고, 궁극적으로 피복부(909)의 최소 두께 지점에서 최대 깊이에 도달하도록 피복부(905)를 제거하는데 사용된다. 다음에 SPR 층(914)은 테이퍼링된 영역(902)의 표면의 적어도 일부에 형성된다. 이러한 가장 낮게 피복된 두께의 영역은 최대 소멸 노출부(910)의 영역을 나타낸다.

도 10A-10C는 환경 변화를 검출하는데 사용될 수 있는 또 다른 예시적인 SPR 센서(1000)를 도시한다. SPR 센서(1000)는 테이퍼링된 센서의 실시예와 관련하여 상기 설명한 제 2 기술을 이용하여 형성된다. 도 10A에 도시된 것처럼, SPR 센서(1000)는 테이퍼링된 피복부(1009)를 갖는 테이퍼링된 영역(1002)을 형성하기 위해 당업자에게 공지된 화학제를 이용하여 피복부(1005)의 일부분을 제거함으로써 섬유(1001)로부터 형성된다. 화학제가 내부 코어의 임의 부분을 방해하거나 제거하여 SPR 센서(1000)의 현저한 손실을 야기시키지 않게 하는 것이 중요하다. 다음에 SPR 층(1014)은 테이퍼링된 영역(1002)의 표면의 적어도 일부분에 형성된다.

도 10B는 사전 테이퍼 및 사후 테이퍼 영역에서 SPR 센서(1000)의 단면을 도시한다. 도 10B에 도시된 것처럼, 내부 코어(1004)와 피복부(1005)는 수정되지 않은 상태에 있다. 즉, 간략화를 위해 상기 도면과 설명은 섬유 광학 케이블(1001)의 재킷팅을 언급하지 않지만, 이러한 재킷팅은 섬유 광학 케이블(1001)의 적어도 일부에 적절히 수행되는 것으로 가정한다.

도 10C는 테이퍼링된 영역(1002)에서 SPR 센서(1000)의 단면을 도시한다. 도 10C에 도시된 것처럼, 내부 코어(1004)는 영향을 받지 않지만 테이퍼링된 피복 부(1009)는 피복부(1005)에 비해 현저히 감소된 직경을 가지며 SPR 층(1014)은 테이퍼링된 피복부(1009) 위에 형성된다. 테이퍼링된 영역(1002)은 특정 어플리케이션에 기초하여 임의의 원하는 길이를 가질 수 있다. 실시예에서, 예컨대 테이퍼링된 영역의 길이는 대략 4 mm이고 오목한 직경은 약 12 마이크론이다.

도 10A를 다시 참조하면, 내부 코어(1004)의 소멸 자기장(1006)은 테이퍼링된 영역(1002)의 강화된 소멸 자기장(1010)에 비해 좁고 한정된다. 도시된 것처럼, 강화된 소멸 자기장(1010)은 SPR 층(814)에 용이하게 노출되어 이전 실시예와 관련하여 설명한 것처럼 표면 플라즈몬의 생성을 가능하게 하고 이로써 원하는 환경 변화를 보다 우수하게 검출할 수 있게 한다.

상기 설명한 센서(800,900,1000)와 관련하여, 센서를 형성함으로써 광섬유 내에 형성된 손실은 섬유 변경 이전에 원하는 검출 제한치에 대한 적절한 테이퍼 직경 또는 연마 깊이를 결정함으로써 SPR 층에 대한 소멸 자기장 노출의 양과 균형을 이룰 수 있다. 또한, 각각의 테이퍼링 및 연마 동작으로 인한 더 쉽게 깨지는 것을 보상하기 위해 센서(800,900, 및/또는 1000)에 대한 보호성 마운팅을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.

센서(800,900, 및/또는 1000)는 맨드릴과 같은 (고체 중공 또는 그외 투과성일 수 있는) 원주형 코어 부재 상의 제한되지 않은 섬유로서 또는 2001년 12월 12일자 출원된 미국특허출원 10/017,367에 개시된 것처럼 루프 또는 굴곡된 구성(미도시)으로 사용될 수 있다.

도 12는 유체의 환경 변화를 검출하기 위해 본 발명에 따른 예시적인 SPCRD 시스템을 이용하는 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다. 고유 광학 복사선은 단계(1200)에서 SPCRD 시스템의 광학 캐버티로 결합된다. 고유 광학 복사선은 펄스화되거나 CW일 수 있다. 이러한 고유 광학 복사선은 바람직하게 미리설정된 파장을 포함한다.

광학 캐버티의 고유 광학 복사선의 전력 레벨은 단계(1202)에서 모니터링되고 광학 캐버티의 기준선 캐버티 손실은 단계(1204)에서 모니터링된 전력 레벨에 기초하여 결정된다. 기준선 캐버티 손실은 만약 캐버티 안으로 커플링되는 고유 광학 복사선이 CW라면 광학 캐버티 내의 고유 광학 복사선의 평균 모니터링된 전력 레벨에 기초하여 결정될 수 있다. 이러한 평균 모니터링된 전력 레벨은 캐버티 안으로 커플링되는 고유 광학 복사선과 캐버티 손실 사이의 균형을 나타낸다. 그러나 만약 캐버티 안으로 커플링되는 고유 광학 복사선이 펄스화된다면, 기준선 캐버티 손실은 광학 캐버티의 고유 광학 복사선의 모니터링된 전력 레벨의 감쇠율에 기초하여 결정된다. 기계적 초퍼(chopper)가 CW 소스를 펄스화하는데 사용될 수 있다.

감쇠율의 검출은 상기 방법의 증가된 감도로 인해 캐버티 균형 전력 레벨의 검출에 바람직하다. 감쇠율은 측정의 시작시 광학 캐버티에 이미 복사선의 동작만을 포함하고 이로써 고유 소스의 잡음에 거의 민감하지 않다.

다음에 SPCRD 시스템의 SPR 센서는 단계(1206)에서 환경 변화에 대해 모니터링되는 유체에 노출되고 단계(1208)에서 유체의 SPR 센서의 노출 후에 모니터링된 전력 레벨에 기초하여 광학 캐버티의 검출 캐버티 손실이 결정된다. 단계(1208)의 검출 캐버티 손실은 캐버티 안으로 커플링되는 고유 과학 복사선이 CW인지 또는 펄스화되는지에 따라 단계(1204)의 기준선 캐버티 손실과 동일한 방식으로 결정된다.

다음에 유체의 환경 변화는 단계(1210)에서 기준선 캐버티 손실과 광학 캐버티의 검출 캐버티 손실 사이의 차이에 기초하여 검출된다. 유체는 기준선 캐버티 손실 값을 설정하는데 사용되는 환경과 상이한 굴절율을 가질 수 있다. 만약 기능화된 화학 코팅부가 SPR 센서에 사용되지 않는다면, 굴절율의 차이는 환경 변화로서 검출된다.

비록 특정 실시예를 참조하여 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 도시된 상세 부분들로 제한하고자 한 것이 아니다. 오히려 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고 청구항의 범위와 등가물의 범위내에서 세부 사항의 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims

광섬유 섹션 내에 형성된 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진(SPR) 검출기로서,

외부 표면을 갖는 상기 광섬유 섹션의 테이퍼링된 섬유 부분; 및

상기 테이퍼링된 섬유 부분의 외부 표면 상에 형성된 표면 플라즈몬을 지지할 수 있는 도전층

을 포함하며, 상기 표면 플라즈몬은 상기 테이퍼링된 섬유 부분에 인접한 환경 변화들에 반응하는, 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 1 항에 있어서, 상기 테이퍼링된 섬유 부분은 상기 광섬유 섹션의 가열 및 단열 팽창에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 1 항에 있어서, 상기 도전층은 상기 광섬유 섹션의 테이퍼링된 섬유 부분 상에 형성된 금속 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 1 항에 있어서, 상기 도전층은 다수의 금속 코팅 유전체 나노-입자들을 포함하며, 상기 각각의 유전체 나노-입자는 약 1 ㎛ 미만의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 1 항에 있어서, 상기 도전층 위에 기능화된 화학 코팅부를 더 포함하며, 상기 기능화된 화학 코팅부는 상기 테이퍼링된 섬유 부분에 인접한 환경 변화들에 반응하는 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 5 항에 있어서, 상기 기능화된 화학 코팅부는 미리설정된 애널라이트를 농축시키는 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 5 항에 있어서, 상기 기능화된 화학 코팅부는 다수의 화학 코팅 섹션들을 포함하며, 상기 각각의 화학 코팅부 섹션은 상이한 미리설정된 애널라이트를 농축시키는 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 5 항에 있어서, 상기 기능화된 화학 코팅부의 굴절율이 반응하는 상기 화학 변화들은:

상기 테이퍼링된 섬유 부분의 화학 조성물;

상기 테이퍼링된 섬유 부분에 인접한 주위 온도;

상기 테이퍼링된 섬유 부분에 인접한 습도;

상기 테이퍼링된 섬유 부분에 인접한 pH;

상기 테이퍼링된 섬유 부분에 인접한 전기장; 및

상기 테이퍼링된 섬유 부분에 인접한 이온화 복사선

중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 1 항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬이 반응하는 상기 환경 변화들은 상기 도전층과 접촉하는 재료의 굴절율을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 플라스틱, 용융된 실리카, 사파이어, 또는 플루오라이드 기반 유리 중 적어도 하나로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 중공 광섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 단일 모드 광섬유 또는 다중-모드 광섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 전자기 스펙트럼의 가시 영역과 상기 전자기 스펙트럼의 중간-자외선 영역 사이의 파장에서 공진하는 것을 특징으로 하 는 섬유-기반 표면 플라즈몬 공진 검출기.
환경 변화들을 검출하기 위해 고유 광학 소스를 이용하기 위한 장치로서,

입력 커플링 포트 및 광섬유 섹션을 포함하는 광학 캐버티 - 상기 광섬유 섹션은 캐버티 손실을 제공하기 위해 표면 플라즈몬을 지지할 수 있는 도전층으로 코팅된 검출 부분을 포함하고, 상기 표면 플라즈몬은 상기 검출 부분에 인접한 상기 환경 변화들에 반응함 - ;

상기 광학 캐버티에 복사선을 제공하기 위해 상기 광학 캐버티의 입력 커플링 포트에 광학적으로 결합된 고유 광학 소스;

상기 광학 캐버티 내의 복사선을 모니터링하기 위해 상기 광학 캐버티에 광학적으로 결합된 검출기; 및

상기 검출기에 의해 모니터링된 상기 광학 캐버티의 복사선의 감쇠율에 기초하여 상기 광학 캐버티의 검출 부분에 인접한 환경 변화들을 분석하기 위해 상기 검출기에 전기적으로 결합된 프로세서

를 포함하는 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 광학 캐버티는 상기 고유 광학 소스의 피크 파장으로 조정된 표준파 캐버티이고,

상기 고유 광학 소스로부터의 복사선에 의해 상기 표준파 캐버티 내에 형성 된 표준파 패턴은 다수의 안티노드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 검출기는 상기 표준파 패턴의 적어도 하나의 안티노드에 광학적으로 결합되고,

상기 광섬유 섹션의 검출 부분은 상기 표준파 패턴의 적어도 하나의 안티노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 16 항에 있어서, 상기 검출기에 광학적으로 결합된 상기 적어도 하나의 안티노드에 인접한 출력 커플링 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광학 캐버티는 이동파 캐버티인 것을 특징으로 하는 장치.
제 18 항에 있어서, 상기 광학 캐버티는 상기 광섬유 섹션에 의해 형성된 폐쇄 섬유 광학 링인 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광학 캐버티의 입력 커플링 포트는,

그레이팅(grating) 커플러;

고반사율 거울; 또는

소멸(evanescent) 섬유 커플러

중 하나인 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 캐버티는 적어도 하나의 다른 광섬유 섹션을 더 포함하고, 상기 각각의 광섬유 섹션은 적어도 하나의 검출 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션의 검출 포트는 테이퍼링된 섬유 부분인 것을 특징으로 하는 장치.
제 22 항에 있어서, 상기 테이퍼링된 섬유 부분은 상기 광섬유 섹션의 가열 및 단열 팽창에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 적어도 하나의 다른 검출 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션의 검출 부분을 코팅하는 도전층은 상기 광섬유 섹션의 검출 부분 상에 형성된 금속 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션의 검출 부분을 코팅하는 도전층은 다수의 금속 코팅 유전체 나노-입자들을 포함하고, 상기 각각의 유전체 나노-입자는 약 1㎛ 미만의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션의 검출 부분은 상기 도전층 코팅부 위에 기능화된 화학 코팅부를 포함하며,

상기 기능화된 화학 코팅부의 굴절율은 상기 검출 포트에 인접한 환경 변화들에 반응하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 27 항에 있어서, 상기 기능화된 화학 코팅부는 미리설정된 애널라이트를 농축하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 27 항에 있어서, 상기 기능화된 화학 코팅부는 다수의 화학 코팅 섹션들을 포함하고, 상기 각각의 화학 코팅 섹션은 상이한 미리설정된 애널라이트를 농축하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 27 항에 있어서, 상기 기능화된 화학 코팅부의 굴절율이 반응하는 상기 환경변화들은,

상기 검출 부분에 인접한 유체의 화학 조성물;

상기 검출 부분에 인접한 주위 온도;

상기 검출 부분에 인접한 습도;

상기 검출 부분에 인접한 pH;

상기 검출 부분에 인접한 전기장; 및

상기 검출 부분에 인접한 이온화 복사선

중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬이 반응하는 환경 변화들은 상기 도전층에 접촉하는 재료의 굴절율을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 플라스틱, 용융된 실리카, 사파이어, 또는 플루오라이드 기반 유리 중 적어도 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 중공 광섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 단일 모드 광섬유 또는 다중-모드 광섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 전자기 스펙트럼의 가시 영역 및 상 기 전자기 스펙트럼의 중간-자외선 영역 사이의 파장에서 공진하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 길이가 적어도 약 1 m인 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 길이가 적어도 약 10 m인 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 광섬유 섹션은 길이가 적어도 약 1 km인 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 고유 광학 소스는 광학 파라미터 생성기 또는 광학 파라미터 증폭기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 고유 광학 소스는 레이저 소스인 것을 특징으로 하는 장치.
제 40 항에 있어서, 상기 레이저 소스는 펄스화된 레이저 또는 연속파 레이저 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 40 항에 있어서, 상기 레이저 소스는 좁은 대역을 갖는 광섬유 레이저 또는 조정가능한 다이오드 레이저 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 40 항에 있어서, 상기 레이저 소스는 약 400 nm 내지 약 700 nm 사이의 파장 영역에서 조정가능한 단일 모드 레이저인 것을 특징으로 하는 장치.
제 40 항에 있어서, 상기 레이저 소스는 약 1250 nm 내지 약 1650 nm 사이의 파장 영역에서 조정가능한 단일 모드 레이저인 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 고유 광학 소스에 의해 상기 광학 캐버티에 제공된 상기 복사선은 미리설정된 피크 파장을 갖는 단일 모드 레이저 광인 것을 특징으로 하는 장치.
제 45 항에 있어서, 상기 미리설정된 피크 파장은 약 400 nm 내지 약 700 nm 사이의 제 1 범위에 있거나 약 1250 nm 내지 약 1650 nm 사이의 제 2 범위에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 고유 광학 소스에 의해 상기 광학 캐버티에 제공된 상기 복사선은 다수 의 스펙트럼 피크들을 가지며, 상기 각각의 스펙트럼 피크는 대응하는 피크 파장을 가지며,

상기 검출기는 독립적으로 상기 광학 캐버티 내의 상기 복사선의 각각의 스펙트럼 피크를 광학적으로 모니터링하며,

상기 프로세서는 상기 광학 캐버티 내의 상기 복사선의 다수의 스펙트럼 피크에 대응하는 다수의 스펙트럼 피크 감쇠율에 기초하여 상기 광학 캐버티의 검출 부분에 인접한 환경 변화들을 분석하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 47 항에 있어서, 상기 광학 캐버티는 다수의 검출 부분들을 포함하고, 상기 각각의 검출 부분은 하나의 대응하는 피크 파장에서 캐버티 손실을 제공하기 위해 대응하는 표면 플라즈몬을 지지할 수 있는 대응하는 도전층을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 48 항에 있어서,

상기 광섬유 섹션의 각각의 검출 부분은 대응하는 기능화된 화학 코팅부를 더 포함하고,

상기 각각의 기능화된 화학 코팅부는 대응하는 미리설정된 애널라이트를 농축하며,

상기 각각의 기능화된 화학 코팅부의 굴절율은 농축된 상기 대응하는 미리설정된 애널라이트의 양에 반응하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 고유 광학 소스와 상기 광학 캐버티의 입력 포트 사이에 광학적으로 결합되고 상기 고유 광학 소스로부터 방출된 복사선과 일직선에 있어 상기 광학 절연체가 상기 고유 광학 소스로부터의 잡음을 최소화시키는 광학 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 검출기는 상기 광섬유 섹션에서 일직선에 있는 전자흡수 모니터인 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 광학 캐버티는 출력 포트를 더 포함하고,

상기 출력 포트는 그레이팅 커플러, 고반사율 미러 또는 소멸 섬유 커플러 중 적어도 하나를 포함하고,

상기 검출기는 상기 출력 포트를 통해 상기 광학 캐버티에 광학적으로 결합된 것을 특징으로 하는 장치.
제 52 항에 있어서, 상기 검출기는 광다이오드, 광저항기, 또는 광트랜지스터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 52 항에 있어서, 상기 장치는 상기 광학 캐버티로부터의 복사선의 일부를 상기 검출기로 선택적으로 통과시키기 위해 상기 출력 포트와 상기 검출 사이의 광학 경로에배치된 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 54 항에 있어서, 상기 필터는 조정가능한 필터인 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 고유 광학 소스로부터의 복사선이 상기 광학 캐버티에 언제 제공되는지를 결정하기 위한 입력 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 56 항에 있어서, 상기 입력 검출기가 상기 고유 광학 소스가 상기 복사선을 상기 광학 캐버티에 제공하였는지를 결정한 후에 상기 고유 광학 소스를 비활성화시키기 위한 광학 소스 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 57 항에 있어서, 상기 제어 수단 및 상기 입력 검출기는 상기 처리 수단에 전기적으로 결합된 것을 특징으로 하는 장치.
제 56 항에 있어서,

상기 입력 검출기는 상기 프로세서에 전기적으로 결합되고 상기 고유 광학 소스로부터의 복사선이 상기 광학 캐버티에 제공될 때 상기 프로세서에 트리거 신 호를 전송하며,

상기 프로세서는 상기 트리거가 상기 입력 검출기로부터 수신될 때 상기 광학 캐버티 내에서 상기 복사선의 감쇠율을 분석하기 시작하는 것을 특징으로 하는 장치.
복사선을 방출하는 고유 소스를 이용하기 위한 결합 이벤트들을 검출하는 장치로서,

수동 폐쇄 섬유 광학 링;

미리설정된 모양, 도전성 코팅부를 가지며 상기 수동 폐쇄 섬유 링과 일직선으로 배치된 센서 - 상기 도전성 코팅부는 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링 내의 진행하는 전기장에 의해 구동되는 표면 플라즈몬을 지지하고 상기 도전성 코팅부의 표면에서 상기 결합 이벤트들의 레벨에 반응함 - ;

ⅰ) 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링 내에서 진행하는 자기장을 생성하기 위해 상기 고유 소스에 의해 방출된 복사선의 적어도 일부분을 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링에 광학적으로 커플링시키고, ⅱ) 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링으로부터 상기진행하는 자기장의 검출 부분을 전송하기 위한 커플링 수단;

상기 커플링 수단에 의해 전송된 상기 진행하는 자기장의 검출 부분의 전력 레벨을 검출하고 이에 반응하는 신호를 생성하기 위한 검출기; 및

상기 검출기에 의해 검출된 상기 진행하는 자기장의 검출 부분의 전력 레벨의 감쇠율에 기초하여 상기 센서의 도전성 코팅부의 표면 상의 결합 이벤트들의 레 벨을 결정하기 위해 상기 검출기에 전기적으로 결합된 프로세서

를 포함하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서,

상기 센서의 미리설정된 모양은 상기 센서의 단부들 사이에 형성된 테이퍼링된 부분이고,

상기 미리설정된 모양은 둘러싸는 유체에 노출된 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 61 항에 있어서, 상기 테이퍼링된 부분은 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링의 센서 단면의 가열 및 단열 팽창에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 61 항에 있어서, 상기 유체는 가스, 액체 또는 서스펜션 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 센서의 도전성 코팅부는 상기 수동 폐쇄 섬유 링 내의 진행하는 자기장의 파장이 상기 도전성 코팅부의 특정 플라즈몬 공진 파장과 매칭할 때 여기가능한 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 64 항에 있어서, 상기 센서는 상기 도전성 코팅부 상에 형성된 기능화된 화학 코팅부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 65 항에 있어서, 상기 기능화된 화학 코팅부는 미리설정된 애널라이트를 농축하는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 센서의 도전성 코팅부는 금속 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 센서의 도전성 코팅부는 다수의 금속 코팅 유전체 나노-입자들을 포함하고, 상기 각각의 유전체 나노-입자는 직경이 약 1 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 커플링 수단은 단일 광학 커플러인 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 커플링 수단은 ⅰ) 상기 고유 소스에 의해 방출된 복사선의 일부를 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링의 제 1 섹션에 광학적으로 커플링하기 위한 제 1 광학 커플러, 및 ⅱ) 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링의 제 2 섹션으로 부터 진행하는 자기장의 검출 부분을 전송하기 위한 제 2 광학 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링으로부터 상기 검출기까지 상기 커플링 수단에 의해 전송된 상기 진행하는 자기장의 검출 부분을 선택적으로 통과시키기 위해 상기 커플링 수단과 상기 검출기 사이의 광학 경로에 위치한 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 71 항에 있어서, 상기 필터는 상기 검출 부분의 파장에 기초하여 상기 검출기로 상기 진행하는 자기장의 검출 부분을 선택적으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 고유 소스는

광학 파라미터 생성기;

광학 파라미터 증폭기; 또는

레이저 소스

중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 고유 소스와 상기 커플링 수단 사이에 결합되고 상 기 고유 소스에 의해 방출된 복사선과 일직선에 있어 광학 절연체가 상기 고유 소스로 반사되는 잡음을 최소화시키는 광학 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 센서의 도전성 코팅부의 표면 상에 생성된 표면 플라즈몬은 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링 내의 진행하는 자기장을 소산시키는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링은 플라스틱, 용융된 실리카, 사파이어, 또는 플루오라이드 기반 유리 중 적어도 하나에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링은 중공 광섬유에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링은 단일 모드 광섬유 또는 다중-모드 광섬유 중 하나에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링에 커플링된 상기 복사선의 입력 부분의 커플링된 전력은 상기 고유 소스에 의해 방출된 상기 복사선의 반출된 전력의 약 1% 미만인 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링으로 커플링된 상기 복사선의 입력 부분의 커플링된 전력은 가변인 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 80 항에 있어서,

상기 복사의 입력 부분의 커플링된 전력은 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링 내의 루프 손실에 기초하여 변하고,

상기 루프 손실은 적어도 커넥터 손실 및 섬유 손실에 기초하는 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링의 원주는 적어도 약 1 m인 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링의 원주는 적어도 약 10 m인 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
제 60 항에 있어서, 상기 수동 폐쇄 섬유 광학 링의 원주는 적어도 약 1 km 인 것을 특징으로 하는 결합 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
광학 캐버티 내에 광학적으로 결합된 표면 플라즈몬 공진(SPR) 센서 - 상기 SPR 센서는 금속-코팅 테이퍼링된 광섬유 섹션으로 형성됨 - 를 포함하는 표면 플라즈몬 캐버티 링-다운 검출(SPCRD) 시스템을 이용하여 유체 내의 환경 변화들을 검출하는 방법으로서,

상기 SPCRD 시스템의 광학 캐버티로 고유 광학 복사선 - 상기 고유 광학 복사선은 미리설정된 파장을 포함함 - 을 커플링시키는 단계;

상기 광학 캐버티 내에 상기 고유 광학 복사선의 전력 레벨을 모니터링하는 단계;

상기 모니터링된 전력 레벨에 기초하여 상기 광학 캐버티의 기준선 캐버티 손실을 결정하는 단계;

상기 SPR 센서를 상기 유체에 노출시키는 단계;

상기 SPR 센서를 상기 유체에 노출시킨 후에 상기 모니터링된 전력 레벨에 기초하여 상기 광학 캐버티의 검출 캐버티 손실을 결정하는 단계; 및

상기 광학 캐버티의 검출 캐버티 손실 및 상기 기준선 캐버티 사이의 차이들에 기초하여 상기 유체 내의 환경 변화들을 검출하는 단계

를 포함하는 유체 내의 환경 변화 검출 방법.
제 85 항에 있어서,

상기 광학 캐버티에 결합된 상기 고유 광학 복사선은 일정한 파장의 광학 복사선이고,

상기 기준선 캐버티 손실은 상기 SPR 센서를 상기 유체에 노출시키기 전에 모니터링된 상기 광학 캐버티 내의 고유 광학 복사선의 평균 모니터링된 전력 레벨에 기초하여 결정되며,

상기 검출 캐버티 손실은 상기 SPR 센서를 상기 유체에 노출시킨 후에 모니터링된 상기 광학 캐버티내의 상기 고유 광학 복사선의 평균 모니터링된 전력 레벨에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 유체 내의 환경 변화 검출 방법.
제 85 항에 있어서,

상기 광학 캐버티에 커플링된 고유 광학 복사선은 펄스화된 광학 복사선이고,

상기 기준선 캐버티 손실은 상기 SPR 센서를 상기 유체에 노출시키기 전에 모니터링된 상기 광학 캐버티 내의 상기 고유 광학 복사선의 모니터링된 전력 레벨의 감쇠율에 기초하여 결정되며,

상기 검출 캐버티 손실은 상기 SPR 센서를 상기 유체에 노출시킨 후에 모니터링된 상기 광학 캐버티의 고유 광학 복사선의 모니터링된 전력 레벨의 감쇠율에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 유체 내의 환경 변화 검출 방법.