キャビティ・リングダウン分光を用いるテーパー化光ファイバ歪みゲージ
材料の中の歪みの測定のための装置。この装置は、受動的な光ファイバのリングと、予め決められて形状をもち、前記のリングと一列に配置され、基板に組み合わされる、少なくとも１つのセンサと、(i)放射源により放出された放射の一部を前記の受動的な光ファイバのリングの中に導入し、そして、(ii)受動的な光ファイバのリングにおいて共鳴する放射の一部を受け取る、結合手段と、結合手段により受け取られた放射のレベルを検出し、それに対応した信号を生成する検出器と、検出器に結合され、受動的な光ファイバのリングにおける放射の減衰の割合に基づいて、基板に誘起された歪みのレベルを決定するプロセッサとからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、キャビティ・リングダウン検出システムに関し、より詳細には、キャビティ・リングダウン分光を用いる光ファイバ歪みゲージに関する。
【背景技術】
【０００２】
この出願は、材料における歪みの、キャビティ・リングダウン分光を用いた測定に関連するけれども、以下の吸収分光における背景は、本発明の理解に役立つ。
【０００３】
同じ記号が同じものを示す図面を参照して説明すると、図１は、対数尺度で示された電磁波スペクトルを示す。分光学はスペクトルを研究する。スペクトルの他の部分を研究する科学とは対照的に、光学は、特に、可視光と近可視光、すなわち、約１ｍｍから約１ｎｍまでの波長に広がるスペクトルの中の非常に小さい部分を含む。近可視光は、赤より長波長の色（赤外光）と紫より短波長の光（紫外光）を含む。通常の材料で作られた大部分のレンズと鏡により光が取り扱える可視性の範囲は、いずれの側にも十分遠くにまで存在している。材料の光学的性質の波長依存性は、しばしば考慮されねばならない。
【０００４】
吸収型の分光学は、高感度、マイクロ秒のオーダーでの応答時間、中毒からの免疫、および、研究対象の分子種の他の分子種からの限定された干渉を提供する。種々の分子種は、吸収分光学により検出すなわち同定できる。こうして、吸収分光学は、重要な微小量の種を検出する一般的な方法を提供する。気相では、種は１組の鋭い吸収線に集めれる吸収強度を持つので、この方法の感度と選択性は最適化される。スペクトルにおける狭い線は、多くの干渉する種と区別するために使用できる。
【０００５】
多くの工業プロセスにおいて、流れている気体や液体における微少量の種の濃度が、高度の速度と精度で測定され解析されねばならない。汚染物の濃度が最終生産物の質に対してしばしば重大であるので、そのような測定と解析が必要になる。Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、Ａｒ、Ｈｅなどの気体は、たとえば集積回路を製造するために使用され、これらの気体における不純物の存在は、ｐｐｍのレベルでさえ、破壊的であり、動作する回路の歩留まりを減少する。したがって、水を分光により監視するときの比較的高い感度は、半導体産業において使用される高純度気体の製造者にとって重要である。種々の不純物は、他の工業的用途において検出されねばならない。さらに、液体における不純物の存在は、固有のものであれ、意図的なものであり、最近特に関心を持たれている。
【０００６】
分光学は、高純度気体における気体の汚染についてｐｐｍレベルで検出できる。ｐｐｂレベルの検出感度は、いくつかの場合に達成できる。したがって、（伝統的な光路長セルでの吸収測定、光音響分光、周波数変調分光、キャビティ内レーザ吸収分光を含む）いくつかの分光法は、気体における定量的汚染監視などの用途に適用されている。これらの方法は、Lehmanの米国特許第５，５２８，０４０号に説明されているような、いくつかの特徴を持っていて、工業的用途には使用が困難であり実用的でない。したがって、それらの方法は、多くは、実験室での調査に限定されていた。
【０００７】
これと対照的に、キャビティ・リングダウン分光（CRDS)は、科学、工業プロセス制御および雰囲気の微量の気体の検出において、重要な分光技法になっている。ＣＲＤＳは、光吸収測定のための、通常の技法が不十分な感度を持つ低吸光度の範囲で優れた技法であることを立証している。ＣＲＤＳは、吸収に感じる観測体としての洗練された光共鳴器における光子の平均寿命を利用する。
【０００８】
典型的には、この共鳴器は、１個の安定な光共鳴器を形成するように構成された１対の名目的に同等の、狭帯域の超高反射率の誘電体ミラーから構成される。レーザパルスは、ミラーを透過して共鳴器の中に入射され、光子の往復移動時間、種の吸収断面積と種の密度、および、共鳴器の固有の損失（主として回折損失が無視できるとき周波数に依存するミラーの反射率から生じる）を表す因子に依存する平均寿命をもつ。光吸収の決定は、通常のパワー比測定から、減衰時間の測定に変換される。ＣＲＤＳの最終的な感度は、固有の共鳴器の損失の大きさにより決定され、これは、非常に低損失の光学部品の製造を可能にする超研磨などの技法を用いて最小化できる。
【０００９】
現在、ＣＲＤＳは、高反射率の誘電体ミラーが使用可能な分光領域に限られている。これは、十分に高い反射率の誘電体ミラーが使用可能でないので、紫外領域と赤外領域の多くにおいてこの方法の有用性を大きく制限している。適当な誘電体ミラーが使用できる領域でさえ、ミラーの組み合わせの各々は、波長の小さな範囲、典型的には数％のわずかの領域、での動作を可能にするのみである。さらに、多くの誘電体ミラーの組立は、特に化学的に腐食性の雰囲気にさらされるときに、時間とともに劣化する可能性のある材料の使用を必要とする。これらの現在の制限は多くの可能性のある用途におけるＣＲＤＳの使用を制限または禁止するので、共鳴器の構成に関して、現在の技術を改良する必要性が明らかにある。
【００１０】
A. Pipino et al.の論文（"Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflection minicavity", Rev. Sci. Instrum. 68(8)）は、共鳴器の構成の改良への１つのアプローチを提供する。このアプローチは、安定性をもたらすための少なくとも１つの凸の小面を備えた正多辺形形状（たとえば４角、８角）のモノリシックの全内部反射（TIR)のリング共鳴器を用いる。光のパルスは、外部に位置され共鳴器の近傍にある第１プリズムにより全反射され、エバネッセント波を生成する。エバネッセント波は共鳴器に入り、光子トンネル効果により共鳴器の安定モードを励起する。光が、臨界角より大きい角度で低屈折率の伝播媒体の表面に当たるとき、光は完全に反射される（J. D. Jackson, "Classical Electrodynamics", Chapter 7, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY (1962)参照）。しかし、反射点を越えて電界が存在し、伝播せず、界面からの距離とともに指数関数的に減衰する。このエバネッセント電界は、純粋な誘電体物質内ではパワーを運ばず、反射された波の減衰は、エバネッセント波の領域において吸収する種の存在の観察を可能にする（F. M. Mirabella(ed.), "Internal Reflection Spectroscopy", Chapter 2, Marcel Dekker, Inc., New York, NY (1993)参照）。
【００１１】
共鳴器の全反射面に位置される物体の吸収スペクトルは、モノリシック共鳴器の中での光子の平均寿命から得られる。これは、第２のプリズム（また、外部に位置されるが共鳴器の近傍にある全反射プリズム）と外部で結合することにより共鳴器で受け取られる信号の時間依存性から抽出される。こうして、光の放射は、光子トンネル効果により共鳴器に入り、存在する。これは、入力結合と出力結合の正確な制御を可能にする。ＣＲＤＳの小型共鳴器の具現が生じ、ＴＩＲリング共鳴器はＣＲＤＳの概念を凝縮物体の分光に広げる。ＴＩＲの広帯域性は、従来の気相ＣＲＤＳにおける誘電体ミラーにより課されていた狭帯域の制限を回避する。A. Pipinoらの論文は、ＴＩＲ分光のみに適用でき、本質的に、短い全体の吸収光路長、したがって、強力な吸収力に制限される。これと対照的に、本発明は、長い全体の吸収光路長を提供し、したがって、弱い吸収力の検出を可能にする。
【００１２】
ミラーを用いたＣＲＤＳシステムへの種々の新規なアプローチはLehmanへの米国特許第５，９７３，８６４号、第６，０９７，５５５号、第６，１７２，８２３Ｂ１号および第６，１７２，８２４Ｂ１号に記載されており、参照によりここに組み込まれる。これらのアプローチは、２つの反射素子またはプリズム素子により形成される準共焦共鳴器の使用を教える。
【００１３】
図２は、従来のＣＲＤＳ装置１０を示す。図２に示されるように、光は、狭帯域の同調可能な波長可変の連続波半導体レーザ２０から生成される。レーザ２０は、温度制御器３０により温度が調整され、その波長を、検体の所望の分光ラインにおく。分離器４０は、レーザ２０から出射された放射の前に、それに続いて配置される。分離器４０は、１方向の透過光路を提供し、放射がレーザ２０から離れて進むのを可能にするが、反対方向に進むことを防止する。シングルモードのファイバ結合器(F.C.)５０は、レーザ２０から出射された光を光ファイバ４８の中に結合する。ファイバ結合器５０は、分離器４０の前にそれに続いて配置される。ファイバ結合器５０は、光ファイバを受け入れて保持し、レーザからの放射を、第１レンズ４６の方に向け、第１レンズ４６を通す。第１レンズ４６は、放射を集め、収束する。レーザ２０により放射されるビームパターンは、光ファイバ４８の中を通る光のパターンには完全には一致しないので、不適当な一致による損失が避けられない。
【００１４】
レーザの放射は、リングダウン・キャビティ（ＲＤＣ）セル６０の中にほぼモードが合わせられる。反射ミラー５２は、放射をビーム分割器５４の方に向ける。ビーム分割器５４は、放射の約９０％を第２レンズ５６の方に向ける。第２レンズ５６は、放射を集め、セル６０の中に収束する。残りの放射は、ビーム分割器５４をとおり、反射ミラー５８により検体参照セル９０の中に向ける。
【００１５】
検体参照セル９０を通らされた放射は、第４レンズ９２の方に向けられる。第４レンズ９２は、検体参照セル９０と第２光検出器９４（ＰＤ２）の間に位置される。光検出器９４は、コンピュータおよび制御エレクトロニクス回路１００への入力を提供する。
【００１６】
セル６０は、２つの高度の反射性のミラー６２，６４から作られ、それらのミラーは、軸ａにそって、準共焦エタロンとして配置される。ミラー６２，６４は、セル６０の入力窓と出力窓を構成する。測定対象の試料の気体は、セル６０の光軸ａと共軸である狭い管を通って流れる。ミラー６２，６４は、気密なベローズで封じられている調整可能なフランジまたは取付部の上に置かれて、セル６０の光学的アラインメントの調整を可能にする。
【００１７】
ミラー６２，６４は、高度に反射性の誘電体の被覆を有し、セル６０により形成されるキャビティの内部で被覆が対向するように配置される。レーザ光の小さな部分は、セル６０に入って前ミラー６２をとおり、セル６０のキャビティ内で前後に進む（リングダウンする）。セル６０の後ろミラー６４（反射器）を通った光は、第３レンズ６８の方に向けられ、次に、第１光検知器７０（ＰＤ１）で撮像される。光検知器７０，９４の各々は、入射する光ビームを電流に変換し、したがって、コンピュータおよび制御エレクトロニクス回路１００に入力信号を提供する。入力信号は、キャビティのリングダウン減衰の割合を表す。
【００１８】
図３は、従来のＣＲＤＳ共鳴器１００の中の光路を示す。図３に示されるように、ＣＲＤＳのための共鳴器１００は、２つのブリュースター角の後方反射プリズム５０，５２の使用に基づく。偏光角すなわちブリュースター角ΘＢは、プリズム５０に対して示される。入射光１２と出射光１４は、プリズム５２への入力またはそれからの出力として示される。共鳴する光ビームは、各プリズム５０，５２において約４５°で損失なしに２回の全反射をする。この角度は、溶融石英や多くの一般的な光プリズム材料の臨界角より大きい。光は、光軸５４にそってプリズム５０，５２の間を進む。
【００１９】
発明者らは、ＣＲＤＳにより与えられる効果は、材料に誘起された歪みの測定に適用可能であることを発見した。通常の歪み測定装置は、材料に誘起された歪みのレベルを決定するために抵抗変化または信号損失を用いている。しかし、このアプローチが持つ欠点は、システムに固有の不感性のため、検査対象の材料における微小な変化の測定が不十分になることである。
【００２０】
【特許文献１】米国特許第５，９７３，８６４号
【特許文献２】米国特許第６，０９７，５５５号
【特許文献３】米国特許第６，１７２，８２３Ｂ１号
【特許文献４】米国特許第６，１７２，８２４Ｂ１号
【非特許文献１】A. Pipino et al. "Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflection minicavity", Rev. Sci. Instrum. 68(8)
【非特許文献２】J. D. Jackson, "Classical Electrodynamics", Chapter 7, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY (1962)
【非特許文献３】F. M. Mirabella (ed.), "Internal Reflection Spectroscopy", Chapter 2, Marcel Dekker, Inc., New York, NY (1993)
【非特許文献４】D. Littlejohn et al., "Bent Silica Fiber Evanescent Absorption Sensors for Near Infrared Spectroscopy", Applied Spectroscopy 53 (1999) 845-849
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、歪み測定への従来のアプローチの欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、歪み測定への従来のアプローチの欠点を克服するため、キャビティ・リングダウン分光を用いた新規な光ファイバを基にした歪みゲージを提供する。この装置は、受動的な光ファイバのリングと、予め決められて形状をもち、前記のリングと一列に配置し、基板に組み合わされる、少なくとも１つのセンサと、(i)前記の放射源により放出された放射の一部を前記の受動的な光ファイバのリングの中に導入し、そして、(ii)前記の受動的な光ファイバのリングにおいて共鳴する放射の一部を受け取る、結合手段と、前記の結合手段により受け取られた放射のレベルを検出し、それに対応した信号を生成する検出器と、前記の検出器に結合され、前記の受動的な光ファイバのリングにおける放射の減衰の割合に基づいて、基板に誘起された歪みのレベルを決定するプロセッサとからなる。
【００２３】
発明の他の観点によれば、前記の予め決められた形状は、前記のセンサの、基板と組み合わされている複数の端部の間に形成される。
【００２４】
発明の他の観点によれば、前記の検出器により生成される前記の信号は、歪みが基板に誘起されるときの前記の検出器の予め決められた形状における変化に基づく。
【００２５】
発明の他の観点によれば、この装置は、さらに、前記の結合手段と前記の検出器の間の光路に置かれたフィルタを備え、このフィルタは、前記の放射の前記の受け取った部分を前記の受動的な光ファイバのリングから前記の検出器へ通す。
【００２６】
発明の他の観点によれば、前記のフィルタは、放射の波長に基づいて検出器に放射を通す。
【００２７】
発明の他の観点によれば、前記の結合手段は、（i）前記のコヒーレント光源により放出された前記の放射の前記の部分を前記の光ファイバの第１区域へ導入する第１結合器と、（ii）前記の光ファイバにおいてその第２区域で前記の放射の前記の部分を受け取る第２結合器とを含む。
【００２８】
発明の他の観点によれば、前記のセンサは、前記の複数の端部の間に形成されたテーパー部を備え、その周囲に対して露出されている。
【００２９】
発明の他の観点によれば、この装置は、さらに、前記のレーザと前記の結合手段との間に結合される分離器を備え、この分離器は、前記のレーザから放出された放射と一列に配置され、レーザ内での雑音を最小にする。
【００３０】
発明の他の観点によれば、前記の歪みが前記の基板に誘起されるとき、前記の放射のエネルギー消費は、前記の結合手段により受け取られる前記の放射の減衰の割合を変える。
【００３１】
発明の他の観点によれば、この装置は、さらに、前記のレーザが前記の光ファイバにエネルギーを提供したことを、レーザからのエネルギーが前記の光ファイバへ提供された時間を決定する入力検出器が決定した後に、前記の光ファイバから放射を受け取る前記の受取手段に基づいて前記のレーザを不活性化する制御手段を備える。
【００３２】
発明の他の観点によれば、物体における歪みを測定する方法では、光ファイバの一部をテーパー化することにより光ファイバからセンサを形成し、前記のセンサの複数の端部の間の一部が予め決められた量の弛緩を有するように前記のセンサを前記の材料に結合し
前記の材料を歪みにさらし、コヒーレント光源から放射を放出し、前記のコヒーレント光源から放出される前記の放射の少なくとも一部を前記の光ファイバのリングの中に組み合わせ、前記の光ファイバのリングの中で伝播する前記の放射の一部を受け取り、前記の光ファイバのリングの中での前記の放射の減衰の割合に基づいて歪みのレベルを決定する。
【００３３】
発明の他の観点によれば、前記のファイバ内を進行する前記の放射のエバネッセント電界に前記の材料の周囲を暴露する。
【００３４】
発明の他の観点によれば、この方法では、さらに、前記の材料の緩和状態を示す、前記のファイバ内での減衰の基礎ラインの割合を決定し、この減衰の基礎ラインの割合を減衰の第１の割合と比較する。
【００３５】
なお、上述の一般的な説明と以下の詳細な説明は例示であり、本発明を制限するものではないことが理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、発明の実施の形態を、同じ記号が同じものを示す添付の図面を参照して説明する。
【００３７】
図４は、この発明の第１の実施形態による光ファイバに基づいたリングダウン装置４００を示す。これを用いて気体や液体の中の微量の種すなわち検体が検出できる。図４において、装置４００は、光ファイバケーブル４０２と、ケーブル４０２の全長にそって分散された複数のセンサ５００（後で詳細に説明する）とを備える共鳴光ファイバリング４０８を含む。共鳴光ファイバリング４０８の長さは、種々の測定状況（たとえば物理的プラントの種々の区域の周辺検出）に容易に適用可能である。図示されるようにセンサ５００は光ファイバループ４０８の全長にそって分散されるけれども、本発明は、もし希望されるなら、１つのセンサ５００のみを用いて具体化できる。２個以上のセンサ５００の分散は、設置場所での種々の地点での微少量の種のサンプル入手を可能にする。また、本発明は、センサ５００と、液体または気体のサンプルを取るためにその周囲に対して露出されるファイバ４０２の直線部分との組み合わせを用いて、または、液体または気体のサンプルを取るために露出されるファイバ４０２の直線部分のみを用いて、具体化できる。共鳴光ファイバリング４０８の長さは、短く約１メートルの長さであっても、長く数ｋｍの長さであってもよい。
【００３８】
光パラメトリック発生器（OPG)、光パラメトリック増幅器（OPA)、レーザなどのコヒーレント放射源４０４は、関心のある検体または微小量の種の吸収周波数と矛盾しない波長で放射を放出する。コヒーレント放射源４０４は、たとえば、関心のある微小量の種に基づいて、狭帯域をもつ波長可変の半導体レーザである。市販されている光パラメトリック増幅器の１例は、米国カリフォルニア州、マウンテンビューのスペクトラ・フィジツクス社から市販されている型番OPA-800cである。
【００３９】
本発明は、人間および／または動物に害のある種々の化学物質または生物物質を検出するために使用できることを意図している。また、本発明は、そのような検出が、所望の抗原と特に結合する抗体を用いて受動的な光フィイバリングの表面を被覆することにより促進されることを意図している。
【００４０】
第１の実施の形態において、コヒーレント放射源４０４からの放射は、共鳴光ファイバリング４０８へ提供される。ここで、任意であるが、この放射は、光分離器４０６、結合器４１０およびエバネッセント入力結合器４１２を通る。コヒーレント放射源４０４が半導体レーザであるとき、光分離器４０６を使用すると、レーザの中に戻ってくる反射を防止することにより、雑音を最小にするという利点が生じる。エバネッセント入力結合器４１２は、コヒーレント放射源４０４からの放射の固定された割合を共鳴光ファイバリング４０８の中に提供でき、または、共鳴光ファイバリング４０８内に存在する損失に基づいて調整可能である。好ましくは、エバネッセント入力結合器４１２により共鳴光ファイバリング４０８に提供される放射の量は、光ファイバケーブル４０２とコネクタ（図示しない）に存在する損失に合わせられる。放射の１％の結合（９９％／１％の分離割合の結合）を提供する市販のエバネッセント入力結合器は、米国ニュージャージ州ニュートンのトールラブ社により製造され、その番号は１０２０２Ａ−９９である。好ましい実施の形態では、エバネッセント入力結合器４１２は、コヒーレント放射源４０４からファイバ４０２の中に放射の１％より少ない量を結合する。
【００４１】
１つの実施の形態では、微量の種すなわち検体を検出するため、光ファイバケーブル４０２を覆うジャケット４０２ａの一部が取り除かれて、光ファイバケーブル４０２の内部コア４０２ｃを囲むクラッド４０２ｂを露出する。または、その代わりに、ジャケット４０２ａとクラッド４０２ｂのいずれもが取り除かれて試料の液体または気体に露出されるか、または、光ファイバケーブル４０２のジャケット化部分が、試料の液体または気体に露出される。後者のアプローチは、たとえば、エバネッセント電界（後で説明する）が（ジャケットに吸着または溶解されている）微量の種との相互作用のためジャケットの中にまで存在する場合に、有用であることがある。しかし、ある種の光ファイバケーブルにおいて使用される内部コアの脆性のため、ジャケットとクラッドの両方を取り除くことは、最も望ましいことではないことがある。典型的な光ファイバの断面は図５Ａに示される。
【００４２】
全反射(TIR)素子を曲げると、電磁波が反射表面と接するときの入射角度を変える。光ファイバを円筒物体の側で曲げる場合に、その円筒物体に対向する光ファイバのコアの表面での反射角は、直角に近く、エバネッセント電界の侵入深さは増加される。円筒状のコア素子５０２のまわりに光ファイバ４０２を数回巻くことにより（図５Ｂ参照）、エバネッセント電界の侵入深さは、増加され、ファイバのより長い部分が、より小さな物理的体積の中にある検出されるべき液体にさらされる。D. Littlejohn et al.は、 "Bent Silica Fiber Evanescent Absorption Sensors for Near Infrared Spectroscopy"（Applied Spectroscopy 53 (1999) 845-849）において、曲がる可変の半径による光ファイバ検出における改良の実験的検証を説明している。
【００４３】
図５Ｂは、液体または気体の試料の中の微量の種を検出するために使用される１実施形態によるセンサ５００を示す。図５Ｂに示されるように、センサ５００は、心棒などの円筒状のコア素子５０２（固体、中空または浸透性であってもよい）を含み、光ファイバケーブル４０２の一部が、予め決められた長さ５０６にわたって、コア素子５０２のまわりに巻かれる。この例では、クラッド４０２ｂが露出されている。また、光ファイバケーブル４０２のコア４０２ｃを露出して、コア素子５０２に巻くことによりセンサを製造できる。コア素子５０２の直径は、ファイバのコア４０２ｃが臨界的半径ｒより小さい半径で形成されるような値を持つ。この臨界的半径では、余分な放射は、ファイバのコア４０２ｃに外接させられるとき、ファイバのコア４０２Ｃをとおって失われる。または、ファイバの一体性が妥協されて処理される。臨界的半径ｒは光ファイバケーブル４０２を通る放射の周波数および／またはファイバの構成に依存する。好ましい実施の形態では、コア素子５０２の半径は、約１ｃｍから約１０ｃｍの間であり、より好ましくは、少なくとも約１ｃｍである。説明されたように、ファイバ４０２からの放射は入力部５０４で提供され、出力部５０８で引き出される。円筒状のコア素子５０２は、ファイバ４０２を円筒状のコア素子５０２に動かないようにする固定手段と同様に、その表面に、ファイバを置くためのらせん状の溝を備えていてもよい。そのような固定手段は、円筒コア素子５０２に刻まれたネジ、エポキシ、シリコーンゴムなどの接着剤などの多くの形態をとる。この発明では、センサ５００はファイバ４０２と一体化されていてもよく、市販の光ファイバコネクタを用いてファイバ４０２に結合してもよい。
【００４４】
図６Ａは、典型的な光ファイバケーブルを放射がどのように伝播するかを示す。図６Ａに示されるように、放射６０６は、内部コア４０２ｃとクラッド４０２ｂの境界で全反射をする。放射が反射されずクラッド４０２ｂの中に吸収されることによる無視できる損失がある。図６Ａは、光ファイバケーブルとして示されたが、図６Ａと他の実施形態は、クラッド４０２ｂが中空のコアを取り囲んでいる、中空導波路などの、中空ファイバにも同等に適用可能である。
【００４５】
図６Ｂは、本発明の１実施形態によるセンサ５００の断面図であり、コア素子５０２のまわりで光ファイバケーブル４０２を巻く効果を示す。図６Ｂに示されるように、ジャケット４０２ａのみが光ファイバケーブル４０２から除去される。放射６０６はコア４０２ｃの中で進み、内部コア４０２ｃと、コア素子５０２に隣接するクラッド４０２ｂ−１との境界で、無視できる損失６０９を伴って全反射を示す。他方、微量の種すなわち検体６１０の存在の下で、エバネッセント電界６０８は、内部コア４０２ｃと、クラッド４０２ｂ−２の露出部分との界面を通る。これは、微量の種の量に基づいて、放射を本質的に減衰する。これを減衰全内部反射（ＡＴＲ）という。注意されるべきことは、もし放射の波長と同じ吸収バンドを持つ微量の種が存在しないならば、放射は（固有の損失を除いて）減衰されないことである。
【００４６】
図６Ｃは、本発明の他の実施形態によるセンサ５００の断面図であり、ジャケット４０２ａの一部をそのままにして、コア素子５０２のまわりで光ファイバケーブル４０２を巻く効果を示す。図６Ｄに示されるように、ジャケット４０２ａの上部のみが、光ファイバケーブル４０２から取り除かれる。センサ５００の第２の実施形態と同様に、放射６０６は、コア４０２ｃの中で進み、内部コア４０２ｃと、コア素子５０２に隣接するクラッド４０２ｂ−１との境界で、無視できる損失６０９を伴って全反射を示す。他方、微量の種すなわち検体６１０の存在の下で、エバネッセント電界６０８は、内部コア４０２ｃと、クラッド４０２ｂ−２の露出部分との界面を通る。
【００４７】
（センサ５００のいずれかの例において）ジャケット４０２ａの除去は、通常の光ファイバ・ストリップ工具などの機械的手段により、または、ファイバケーブルの当該部分を、クラッド４０２や内部コア４０２ｃに影響せずにジャケット４０２ａを攻撃し熔解する溶媒に浸すことにより、達成可能である。ジャケット４０２ａの部分的除去の場合に、溶媒の使用は、ジャケット４０２ａの除去を意図する部分に溶媒を選択的に用いることにより変更できる。
【００４８】
液体試料の中の微量の種の検体分子を引き寄せるために、受動的な光ファイバリングのジャケットのない部分は、その光ファイバリングの被覆部分で微量の種の濃度を選択的に増大する材料で被覆されてもよい。そのような被服材料の１例は、ポリエチレンである。さらに、所望の生物検体を高度に特異的に引きつけるために、特定抗原結合剤が、ファイバを被覆するために使用できる。
【００４９】
図４を参照して説明すると、センサ５００を通った後に残っている放射は、ファイバループ４０２を通って存続する。その残っている放射の一部は、エバネッセント出力結合器４１６により光ファイバループ４０２から結合される。エバネッセント出力結合器４１６は、検出器４１８と信号線４２２をとおってプロセッサ４２０に結合される。プロセッサ４２０は、たとえばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）であり、検出器４１８のアナログ出力を、処理のためにディジタル信号に変換する変換手段を備えている。また、プロセッサ４２０は、制御線４２４によりコヒーレント放射源４０４を制御する。信号がプロセッサ４２０により検出器４１８から受け取られると、プロセッサは、受け取った放射の減衰の割合に基づいて、微量の種の量と種類を決定できる。
【００５０】
任意であるが、波長選択器４３０は、エバネッセント出力結合器４１６と検出器４１８の間に置いてもよい。波長選択器４３０は、予め決められた波長範囲内にない放射が検出器４１８に入力されるのを防止するためのフィルタとして動作する。
【００５１】
検出器４１４は、入力結合器４１２の出力に結合される。検出器４１４の出力は、信号線４２２を介してプロセッサ４２０に提供され、微量の種の解析を行うため共鳴光ファイバリング４０２が十分な放射を受け取った時を決定するのに使用される。
【００５２】
液体の中の微量の種すなわち検体の検出の場合に、液体の屈折率が光ファイバケーブルの屈折率より低くなければならない。たとえば、ｎ＝１．４６の屈折率を持つ光ファイバケーブルがあると、本発明は、水（ｎ＝１．３３）や、メタノール（ｎ＝１．３２６）、ｎ−ヘキサン（ｎ＝１．３７２）、ジクロロメタン（ｎ＝１．４２４２）、アセトン（ｎ＝１．３５８８）、ジエチルエーテル（ｎ＝１．３５２６）、テトラヒドロフラン（ｎ＝１．４０４）などの多くの有機溶媒に溶解する微量の種を検出するために使用できる。化学物質およびその屈折率の広範なリストは、Wheast, Rober C.編集のＣＲＤ Handbook of Chemistry and Physics (52nd edition）(The Chemical Rubber Company, 米国オハイオ州クリーブランド、1971)のE-201頁に見出され、この引用によりここに組み込まれる。異なる屈折率を持つ他の種類の光ファイバも入手可能であり、もし光ファイバが、与えられた液体媒体より高い屈折率をもち、狙いの検体による吸収バンドの領域で光を有効に透過するならば、この発明は、その液体媒体に合わせて調整できる。
【００５３】
多くの異なる種類のファイバが現在市販されている。１例は、コーニング社のＳＭＦ−２８ｅ溶融石英ファイバであり、通信用途で標準的に使用されている。米国テキサス州オースティンの３Ｍ社により製造された４８８ｎｍ／５１４ｎｍのシングルモードファイバ（番号ＦＳ−ＶＳ−２６１４）、米国テキサス州オースティンの３Ｍ社により製造された６３０ｎｍ可視波長シングルモードファイバ（番号ＦＳ−ＶＳ−３２２４）、米国テキサス州オースティンの３Ｍ社により製造された８２０ｎｍ標準シングルモードファイバ（番号ＦＳ−ＶＳ−２６１４）、日本のＫＤＤファイバラボ社（番号GF-F-160）により製造された、４ミクロン透過の０．２８Ａフッ化物ガラスファイバなどのように、多数の異なる波長で光を透過する特別なファイバがある。さらに、また、上述のように、光ファイバケーブル４０２は、中空ファイバであってもよい。
【００５４】
ファイバ４０２は、はるかに高い検体の吸収強度を持つスペクトル領域へのアクセスを可能にするため、中赤外を透過するファイバであってもよい。これにより、装置４００の感度を増加する。この領域で放射を透過するファイバは、典型的にはフッ化物のガラスで製造される。
【００５５】
図７は、気体または液体の中の微量の種すなわち検体が検出できる、この発明の第２の実施形態を示す。図７において、第１の実施の形態に関して説明されたのと同様な機能を行う要素は、同じ参照数字を持つ。図７において、装置７００は、光ファイバケーブル４０２と複数のセンサ５００を含む同様な共鳴光ファイバリング４０８を使用する。コヒーレント放射源４０４からの放射は、共鳴光ファイバリング４０８に、任意に設けられる光分離器４０６，結合器４１０およびエバネッセント入力／出力結合器４３４を介して、提供される。エバネッセント入力／出力結合器４３４は、コヒーレント放射源４０４から共鳴光ファイバリング４０８の中に、固定した割合の放射を提供できるか、または、共鳴光ファイバリング４０４を通して存在する損失に基づいて調節可能である。この実施の形態では、エバネッセント入力／出力結合器４３４は、本質的に、第１の実施の形態に関連して説明したエバネッセント入力／出力結合器４１２の再構成である。好ましい実施の形態では、エバネッセント入力／出力結合器４３４は、レーザ４０４からの１％より少ない放射をファイバ４０２の中に結合する。
【００５６】
したがって、微量の種の検出は、第１の実施の形態において説明したのと同様であり、ここでは説明を繰り返さない。
【００５７】
センサ５００を通過した後に残る放射は、ファイバループ４０２を通って存続する。その残っている放射の一部は、エバネッセント入力／出力結合器４３４により光ファイバループ４０２から出て結合される。エバネッセント入力／出力結合器４３４は、検出器４１８と信号線４２２を通してプロセッサ４２０に結合される。第１の実施の形態におけるように、プロセッサ４２０は、また、制御線４２４を通してコヒーレント放射源４０４を制御する。信号がプロセッサ４２０により検出器４１８から受け取られると、プロセッサ４２０は、受け取った放射の減衰の割合に基づいて微量の種の量と種類とを決定できる。
【００５８】
任意であるが、波長選択器４３０は、エバネッセント入力／出力結合器４３４と検出器４１８の間に配置できる。波長選択器４３０は、予め決められた波長範囲内にない放射が検出器４１８に入力されるのを防止するためのフィルタとして動作する。また、波長選択器４３０は、コヒーレント放射源４０４からの放射がファイバ４０２の中に結合された後に、その放射が検出器４１８をある期間のあいだ「目隠しする」のを防止するために、プロセッサ４２０により制御される。
【００５９】
図８Ａ〜８Ｄは、液体または気体の試料の中の微量の種を検出するために使用される他の例のセンサ８００を示す。図８Ａと８Ｄに示されるように、センサ８００は、ファイバ８０１により形成され、このファイバ８０１では、内部コア８０４とクラッド８０５をテーパー加工して、テーパー化内部コア８０８とテーパー化クラッド８０９を有するテーパー化領域８０２を生成している。テーパー領域８０２の形成は、２つの方法のいずれかを使用して達成できる。第１の方法は、ファイバ８０１の局所的区域の加熱と、センサ８００を形成したい領域の一方の側での同時の断熱的引っ張り加工からなる。この処理は、ファイバ８００に一定のテーパーを生じる。このテーパー化ファイバは、たとえば、第１の実施の形態による分光センサとして使用できる。第２の方法では、化学薬品を使用して、ファイバクラッド８０５の予め決められた厚さを制御可能に除去してテーパー化クラッド８０９を形成することにより、テーパー化領域８０２が形成される。第２の方法を用いて形成されたセンサの詳細な説明は、図１０Ａ〜図１０Ｃを用いて後で説明される。
【００６０】
図８Ｂは、テーパーの前の領域と後の領域でのセンサ８００の断面を示す。図８Ｂに示されるように、内部コア８０４とクラッド８０５は、変形されない状態である。なお、説明を簡単にするため、図面と説明は、光ファイバケーブル８０１のジャケット処理にはふれていない。しかし、そのようなジャケット処理は、光ファイバケーブル８０１の少なくとも一部に適当な位置にあると仮定されている。
【００６１】
図８Ｃは、テーパー化領域８０２におけるセンサ８００の断面を示す。図８Ｃに示されるように、テーパー化内部コア８０８とテーパー化クラッド８０９は、それぞれ、内部コア８０４とクラッド８０５に比べて、かなり減少した直径を持つ。テーパー化領域８０２は、用途により所望の長さであればよい。この実施の形態では、図８Ｄに示されるように、たとえば、テーパー化領域８０２の長さは、約４ｍｍであり、くびれた部分の直径８１４は１２ミクロンである。
【００６２】
図８Ａを参照して説明すると、内部コア８０４の領域の中のエバネッセント電界８０６は、テーパー化領域８０２の中のエバネッセント電界８１０に比べれば、狭く、また、閉じこめられている。示されているように、増大されたエバネッセント電界８１０は、上述の実施の形態に関して説明されたように、微量の種（図示しない）にさらされ、こうして、領域８１２での微量の種をよりよく検出できる。
【００６３】
図９Ａ〜９Ｃは、液体または気体の試料の中の微量の種を測定するために使用される他の実施形態のセンサ９００を示す。図９Ａに示されるように、センサ９００は、クラッド９０５の一部を除去して実質的に「Ｄ」字状の断面の領域９０２を生じることにより、ファイバ９０１から形成される。「Ｄ」字状断面領域９０２の形成は、たとえば研磨剤を用いて、光ファイバのクラッドの１つの側を研磨することにより、達成できる。研磨剤を用いて、クラッド９０５を除去して、領域９０２にそって深さを連続的に増加して、案内されるモードの質を維持して、最終的に、最小のクラッドの厚さ９０９の点で最大の深さに達する。最低のクラッド厚さのエリアは、最大のエバネッセント電界への暴露の領域を表す。
【００６４】
図１０Ａ〜１０Ｃは、液体または気体の試料の中の微量の種を測定するために使用される他の実施形態のセンサ１０００を示す。センサ１０００は、テーパー化センサの実施の形態に関して上述の第２の方法を用いて形成される。図１０Ａに示されるように、センサ１０００は、ファイバ１００１から、当業者に知られている化学薬品を用いてクラッド１００５の一部を除くことにより、テーパー化クラッド１００９を備えるテーパー化領域１００２を生じることにより、形成される。重要なことは、化学薬品が、内部コアのどの部分も乱したり除いたりすることを許さないことである。そのようなことが起こると、センサ１０００における大きな損失を生じることがある。
【００６５】
図１０Ｂは、テーパーの前の領域と後の領域でのセンサ１０００の断面を示す。図１０Ｂに示されるように、内部コア１００４とクラッド１００５は、変更されない状態である。なお、説明を簡単にするため、図面と説明は、ここでも、光ファイバケーブル１００１のジャケット処理にはふれていない。しかし、そのようなジャケット処理は、光ファイバケーブル１００１の少なくとも一部に適当な位置にあると仮定されている。
【００６６】
図１０Ｃは、テーパー領域１００２でのセンサ１０００の断面を示す。図１０Ｃに示されるように、内部コア１００４は、影響を受けていないが、テーパー化クラッド１００９は、クラッド１００５に比べて、大きく減少した直径をもつ。テーパー化領域１００２は、用途に基づいて任意の希望の長さであればよい。この実施の形態では、たとえば、テーパー化領域の長さは約４ｍｍであり、くびれ部の直径１０１４は約１２ミクロンである。
【００６７】
図１０Ａを再び参照して説明すると、内部コア１００４の領域の中のエバネッセント電界１００６は、テーパー化領域１００２の中の増大されたエバネッセント電界１０１０に比べて、狭くまた制限されている。図に示されるように、増大されたエバネッセント電界１０１０は、上述の実施の形態に関して説明されたように、微量の種（図示しない）にさらされ、こうして、領域１０１２での微量の種をよりよく検出できる。
【００６８】
上述のセンサ８００、９００、１０００に関して、センサを形成することにより光ファイバの中で生じた損失は、ファイバの変更の前に所望の検出限界のための適当なテーパー直径または研磨深さを決定することにより、エバネッセント電界への暴露の量と釣り合いを取ることができる。さらに、望ましくは、テーパー化の作業や研磨の作業によるもろさの増大を補償するために、センサ８００、９００および／または１０００のための保護取付を行う。
【００６９】
センサ８００、９００および／または１０００は、心棒（図５Ｂ）などの円筒状コア素子５０２（中実、中空または浸透可能）の上で、制限されないファイバとして、または、ループまたは曲がった構成（図示しない）において、使用できる。
【００７０】
さらに、センサ８００、９００、１０００は、狙いの検体を引き寄せる生物物質などの、濃縮物質を用いてセンス領域を被覆することにより、さらに感度を増大できる。そのような生物物質は、当業者には知られている。また、複数の検出領域８００、９００および／または１０００は、光ファイバケーブルの長さにそって形成されて、分散されたリングダウン・センサを作る。
【００７１】
図１１は、歪み測定の用途における本発明の第２の実施形態による光ファイバに基づくリングダウン装置１１００を示す。この装置は、材料に誘起された歪みを検出できる。第１の実施の形態と共通な部品は、同じ参照番号を持つ。
【００７２】
図１１に示されるように、装置１１００は、光ファイバケーブル４０２と、光ファイバケーブルにそって分散された１以上のセンサ１１０２（後で説明する）をもつ共鳴光ファイバリング４０８を含む。共鳴光ファイバリング４０８の長さは、種々の測定状況（たとえば物理的プラントの種々の区域の周辺検出）に容易に適用可能である。図示されるようにセンサ１１０２は光ファイバループ４０８の全長にそって分散されるけれども、本発明は、もし希望されるなら、１つのセンサ１１０２のみを用いて具体化できる。２個以上のセンサ１１０２の分散は、監視される構造での種々の点での材料歪みのサンプル入手を可能にする。センサ１１０２は、一体化された部分であってもよく、ファイバ４０２に結合されてもよい。共鳴光ファイバリングの長さは、短く約１メートルの長さであっても、長く数ｋｍの長さであってもよい。
【００７３】
光の波長は、光モードの変換に、したがって感度に、影響する。しかし、この影響は、テーパーの設計によりバランスできる。最高感度のため、好ましくは、波長は、ファイバの設計波長に一致するように選択される。ある波長はモード変換したがって歪みに対してより高感度であるけれども、ファイバの設計波長から遠く離れた波長は、大きな透過損失と使用できないリングダウン信号を生じるので、所望の感度を劣化すると予想される。
１つの実施の形態では、波長は１５５０ｎｍ（通信ファイバにおける最小損失の波長）であり、それについて、最も低価格で耐久性のある通信構成要素が最適化される。しかし、本発明は１２５０ｎｍと１６５０ｎｍの間の範囲における波長で使用できるけれども、１３００ｎｍ（通信ファイバでのゼロ分散波長）などの他の波長も適当である。
【００７４】
コヒーレント放射源４０４は、光パラメトリック発生器（OPG)、光パラメトリック増幅器（OPA)、また、たとえば光ファイバの設計波長に一致するように選択された波長を持つレーザなどである。市販されている光パラメトリック増幅器の１例は、米国カリフォルニア州、マウンテンビューのスペクトラ・フィジツクス社から市販されている型番OPA-800cである。
【００７５】
第１の実施の形態では、コヒーレント放射源４０４からの放射は、共鳴光ファイバリング４０８へ提供される。ここで、任意であるが、この放射は、光分離器４０６、結合器４１０およびエバネッセント入力結合器４１２を通る。コヒーレント放射源４０４が半導体レーザであるとき、光分離器４０６を使用すると、レーザの中に戻ってくる反射を防止することにより、雑音を最小にするという利点が生じる。エバネッセント入力結合器４１２は、コヒーレント放射源４０４からの放射の固定された割合を共鳴光ファイバリング４０８の中に提供でき、または、共鳴光ファイバリング４０８をとおして存在する損失に基づいて調整可能である。好ましくは、エバネッセント入力結合器４１２により共鳴光ファイバリング４０８に提供される放射の量は、光ファイバケーブル４０２とコネクタ（図示しない）に存在する損失に合わせられる。放射の１％の結合（９９％／１％の分離割合の結合）を提供する市販のエバネッセント入力結合器は、米国ニュージャージ州ニュートンのトールラブ社により製造され、その番号は１０２０２Ａ−９９である。好ましい実施の形態では、エバネッセント入力結合器４１２は、コヒーレント放射源４０４からファイバ４０２の中に放射の１％より少ない量を結合する。
【００７６】
１つの実施の形態において、センサ１１０２は、図８Ａ〜図８Ｄに関して説明されたセンサ８００に基づいている。他の実施の形態では、センサ１１０２は、図１０Ａ〜図１０Ｃに関して説明されたセンサ１０００に基づいている。しかし、センサ１１０２とセンサ８００／１０００との間の１つの違いは、センサ１１０２がコアの上で巻かれていないことであり、むしろ、実質的に直線的であり、エポキシ、テープなどの公知の接着剤１１０８によりテスト中の基板１１０６に組み合わされることである。基板１１０６にセンサ１１０２を取り付けるとき、予め決められた量の応力除去またはゆるみ（図において領域１１０４として示される）が、基板１１０６に誘起された歪みの原因となる複数の取り付け点の間に提供される。１つの実施の形態では、領域１１０４は、センサが基板１１０６に用いられるとき、成形される。高感度の用途などの他の実施の形態では、領域１１０４は、センサ１１０２が基板１１０６に取り付けられる前に、成形される。
【００７７】
別の実施の形態では、センサ１１０２は、テーパー化されない光ファイバであり、ファイバ・ブラッグ回折格子（FBG)を含み、上述のように基板に組み合わされる。
【００７８】
図１２に示されるように、基板１１０６が弛緩状態にあるとき、光ファイバリング４０８に誘起される放射がリングダウンする時間の測定が行われる。この時間は、基板の弛緩状態における基板の基礎ラインの尺度である。領域１１０２の形状の変化は、このシステムにおけるリングダウンの割合に影響する。リングダウン時間のこの変化は、基板に誘起された歪みの尺度である。
【００７９】
図１３Ａ〜図１３Ｂを参照して説明すると、基板１１０６に誘起された種々の種類の歪み（基板の長さ（または幅）をその元の長さ（または幅）で除算した商の変化）が示される。図１３Ａ〜図１３Ｂに示されるように、歪みが基板１１０６に加えられるとき、領域１１０４は、基板１１０６における動きの方向に依存して、弛緩されるかまたは増大される。領域１１０４の形状の変化の結果として、システムにより測定されたリングダウン時間が変わる。このリングダウン時間の変化は、基板１１０６に誘起された歪みの程度を示し、テーパー化領域内での最低のオーダーの伝播モードからより高次の、より損失の多いモードへの光モードの変換から生じる。テーパー化領域の長さやくびれ部の直径などの、センサ１１０２の特定のパラメータは、（複数のオーダーの大きさにわたる）非常に大きいダイナミックレンジまたは、（１マイクロ歪みまたはそれよりよいオーダーの）非常に高い感度を達成するために選択できる。
【００８０】
図１２〜図１３Ｂは、試験対象の基板に付けられた１つのセンサ１１０２を示すけれども、発明はそのようには制限されない。また、基板１１０６の複数の軸が測定できるように、相互の離れた複数のテーパー化領域を持つようなセンサ１１０２を用いることもできる。１例では、テーパー化領域１１０４は、たとえば５〜２５ｃｍの間の長さである。他方、基板１１０６は、各方向で数メートルまでの任意の大きさであってもよい。すべての他の観点において、この実施の形態は、第１の実施の形態と同様である。
【００８１】
図１４は、１例のテーパー構造のセンサについてのダイナミックレンジの大きさと検出可能な変位を示す。示されるように、線形領域１４０２において、雑音の等価の変位は、１０ｃｍのテーパーにわたって０．２６３μｓのΔｔに基づいて約０．３６９３μｍ（約３７０ｎｍ）である。これは、３７με（マイクロ歪み）に対応する。異なるテーパー・パラメータ（テーパーのくびれ部とテーパーの長さの組み合わせ）を用いることにより、ダイナミックレンジは、数千マイクロ歪み、または、マイクロ歪みより小さい変化を測定するように最適化できる感度にまで拡大できる。
【００８２】
この発明は、実施の形態を参照して説明されたが、説明された詳細には限定されない。むしろ、特許請求の範囲の記載とその均等物の範囲内で、発明の精神から離れることなく、種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】対数尺度で示された電磁波スペクトルの図
【図２】ミラーを用いる従来のＣＲＤＳシステムの図
【図３】プリズムを用いる従来のＣＲＤＳセルの図
【図４】この発明の第１の実施形態を示す図
【図５Ａ】通常の光ファイバの端面の図
【図５Ｂ】本発明の１実施形態によるセンサの斜視図
【図６Ａ】ケーブル内の放射の伝播を示す光ファイバケーブルの断面図
【図６Ｂ】本発明の１実施形態によるエバネッセント電界を説明する光ファイバセンサの断面図
【図６Ｃ】本発明の他の実施形態によるエバネッセント電界を説明する光ファイバセンサの断面図
【図６Ｄ】ジャケットの上半分を除去した光ファイバセンサの図
【図７】発明の第２の実施形態を示す図
【図８Ａ】本発明の第３実施形態による光ファイバセンサの図
【図８Ｂ】本発明の第３実施形態による光ファイバセンサの図
【図８Ｃ】本発明の第３実施形態による光ファイバセンサの図
【図８Ｄ】本発明の第３実施形態による光ファイバセンサの図
【図９Ａ】本発明の第４実施形態による光ファイバセンサの図
【図９Ｂ】本発明の第４実施形態による光ファイバセンサの図
【図９Ｃ】本発明の第４実施形態による光ファイバセンサの図
【図１０Ａ】本発明の第５実施形態による光ファイバセンサの図
【図１０Ｂ】本発明の第５実施形態による光ファイバセンサの図
【図１０Ｃ】本発明の第５実施形態による光ファイバセンサの図
【図１１】歪み測定の用途における本発明の１実施形態のブロック図
【図１２】図１１に示す実施形態において使用される１例の歪みセンサの詳細な図
【図１３Ａ】種々の程度の歪みの下での図１２の歪みセンサの斜視図
【図１３Ｂ】種々の程度の歪みの下での図１２の歪みセンサの斜視図
【図１４】図１１に示す実施形態の１例のダイナミックレンジと検出可能な変位 displacementを示す図
【符号の説明】
【００８４】
４００ リングダウン装置、 ４０２ 光ファイバケーブル、 ４０８ 共鳴光ファイバリング、 光分離器４０６、 ４１０ 結合器、 ４１２ エバネッセント入力結合器、 ５００ センサ、 ８００ センサ、 ８０２ テーパー化領域、 ９００ センサ、 １０００ センサ、 １１００ リングダウン装置、 １１０２ センサ、 １１０４ 弛緩領域、 １１０６ 基板、 １１０８ 接着剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、キャビティ・リングダウン検出システムに関し、より詳細には、キャビティ・リングダウン分光を用いる光ファイバ歪みゲージに関する。
【背景技術】
【０００２】
この出願は、材料における歪みの、キャビティ・リングダウン分光を用いた測定に関連するけれども、以下の吸収分光における背景は、本発明の理解に役立つ。
【０００３】
同じ記号が同じものを示す図面を参照して説明すると、図１は、対数尺度で示された電磁波スペクトルを示す。分光学はスペクトルを研究する。スペクトルの他の部分を研究する科学とは対照的に、光学は、特に、可視光と近可視光、すなわち、約１ｍｍから約１ｎｍまでの波長に広がるスペクトルの中の非常に小さい部分を含む。近可視光は、赤より長波長の色（赤外光）と紫より短波長の光（紫外光）を含む。通常の材料で作られた大部分のレンズと鏡により光が取り扱える可視性の範囲は、いずれの側にも十分遠くにまで存在している。材料の光学的性質の波長依存性は、しばしば考慮されねばならない。
【０００４】
吸収型の分光学は、高感度、マイクロ秒のオーダーでの応答時間、中毒からの免疫、および、研究対象の分子種の他の分子種からの限定された干渉を提供する。種々の分子種は、吸収分光学により検出すなわち同定できる。こうして、吸収分光学は、重要な微小量の種を検出する一般的な方法を提供する。気相では、種は１組の鋭い吸収線に集めれる吸収強度を持つので、この方法の感度と選択性は最適化される。スペクトルにおける狭い線は、多くの干渉する種と区別するために使用できる。
【０００５】
多くの工業プロセスにおいて、流れている気体や液体における微少量の種の濃度が、高度の速度と精度で測定され解析されねばならない。汚染物の濃度が最終生産物の質に対してしばしば重大であるので、そのような測定と解析が必要になる。Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、Ａｒ、Ｈｅなどの気体は、たとえば集積回路を製造するために使用され、これらの気体における不純物の存在は、ｐｐｍのレベルでさえ、破壊的であり、動作する回路の歩留まりを減少する。したがって、水を分光により監視するときの比較的高い感度は、半導体産業において使用される高純度気体の製造者にとって重要である。種々の不純物は、他の工業的用途において検出されねばならない。さらに、液体における不純物の存在は、固有のものであれ、意図的なものであり、最近特に関心を持たれている。
【０００６】
分光学は、高純度気体における気体の汚染についてｐｐｍレベルで検出できる。ｐｐｂレベルの検出感度は、いくつかの場合に達成できる。したがって、（伝統的な光路長セルでの吸収測定、光音響分光、周波数変調分光、キャビティ内レーザ吸収分光を含む）いくつかの分光法は、気体における定量的汚染監視などの用途に適用されている。これらの方法は、Lehmanの米国特許第５，５２８，０４０号に説明されているような、いくつかの特徴を持っていて、工業的用途には使用が困難であり実用的でない。したがって、それらの方法は、多くは、実験室での調査に限定されていた。
【０００７】
これと対照的に、キャビティ・リングダウン分光（CRDS)は、科学、工業プロセス制御および雰囲気の微量の気体の検出において、重要な分光技法になっている。ＣＲＤＳは、光吸収測定のための、通常の技法が不十分な感度を持つ低吸光度の範囲で優れた技法であることを立証している。ＣＲＤＳは、吸収に感じる観測体としての洗練された光共鳴器における光子の平均寿命を利用する。
【０００８】
典型的には、この共鳴器は、１個の安定な光共鳴器を形成するように構成された１対の名目的に同等の、狭帯域の超高反射率の誘電体ミラーから構成される。レーザパルスは、ミラーを透過して共鳴器の中に入射され、光子の往復移動時間、種の吸収断面積と種の密度、および、共鳴器の固有の損失（主として回折損失が無視できるとき周波数に依存するミラーの反射率から生じる）を表す因子に依存する平均寿命をもつ。光吸収の決定は、通常のパワー比測定から、減衰時間の測定に変換される。ＣＲＤＳの最終的な感度は、固有の共鳴器の損失の大きさにより決定され、これは、非常に低損失の光学部品の製造を可能にする超研磨などの技法を用いて最小化できる。
【０００９】
現在、ＣＲＤＳは、高反射率の誘電体ミラーが使用可能な分光領域に限られている。これは、十分に高い反射率の誘電体ミラーが使用可能でないので、紫外領域と赤外領域の多くにおいてこの方法の有用性を大きく制限している。適当な誘電体ミラーが使用できる領域でさえ、ミラーの組み合わせの各々は、波長の小さな範囲、典型的には数％のわずかの領域、での動作を可能にするのみである。さらに、多くの誘電体ミラーの組立は、特に化学的に腐食性の雰囲気にさらされるときに、時間とともに劣化する可能性のある材料の使用を必要とする。これらの現在の制限は多くの可能性のある用途におけるＣＲＤＳの使用を制限または禁止するので、共鳴器の構成に関して、現在の技術を改良する必要性が明らかにある。
【００１０】
A. Pipino et al.の論文（"Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflection minicavity", Rev. Sci. Instrum. 68(8)）は、共鳴器の構成の改良への１つのアプローチを提供する。このアプローチは、安定性をもたらすための少なくとも１つの凸の小面を備えた正多辺形形状（たとえば４角、８角）のモノリシックの全内部反射（TIR)のリング共鳴器を用いる。光のパルスは、外部に位置され共鳴器の近傍にある第１プリズムにより全反射され、エバネッセント波を生成する。エバネッセント波は共鳴器に入り、光子トンネル効果により共鳴器の安定モードを励起する。光が、臨界角より大きい角度で低屈折率の伝播媒体の表面に当たるとき、光は完全に反射される（J. D. Jackson, "Classical Electrodynamics", Chapter 7, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY (1962)参照）。しかし、反射点を越えて電界が存在し、伝播せず、界面からの距離とともに指数関数的に減衰する。このエバネッセント電界は、純粋な誘電体物質内ではパワーを運ばず、反射された波の減衰は、エバネッセント波の領域において吸収する種の存在の観察を可能にする（F. M. Mirabella(ed.), "Internal Reflection Spectroscopy", Chapter 2, Marcel Dekker, Inc., New York, NY (1993)参照）。
【００１１】
共鳴器の全反射面に位置される物体の吸収スペクトルは、モノリシック共鳴器の中での光子の平均寿命から得られる。これは、第２のプリズム（また、外部に位置されるが共鳴器の近傍にある全反射プリズム）と外部で結合することにより共鳴器で受け取られる信号の時間依存性から抽出される。こうして、光の放射は、光子トンネル効果により共鳴器に入り、存在する。これは、入力結合と出力結合の正確な制御を可能にする。ＣＲＤＳの小型共鳴器の具現が生じ、ＴＩＲリング共鳴器はＣＲＤＳの概念を凝縮物体の分光に広げる。ＴＩＲの広帯域性は、従来の気相ＣＲＤＳにおける誘電体ミラーにより課されていた狭帯域の制限を回避する。A. Pipinoらの論文は、ＴＩＲ分光のみに適用でき、本質的に、短い全体の吸収光路長、したがって、強力な吸収力に制限される。これと対照的に、本発明は、長い全体の吸収光路長を提供し、したがって、弱い吸収力の検出を可能にする。
【００１２】
ミラーを用いたＣＲＤＳシステムへの種々の新規なアプローチはLehmanへの米国特許第５，９７３，８６４号、第６，０９７，５５５号、第６，１７２，８２３Ｂ１号および第６，１７２，８２４Ｂ１号に記載されており、参照によりここに組み込まれる。これらのアプローチは、２つの反射素子またはプリズム素子により形成される準共焦共鳴器の使用を教える。
【００１３】
図２は、従来のＣＲＤＳ装置１０を示す。図２に示されるように、光は、狭帯域の同調可能な波長可変の連続波半導体レーザ２０から生成される。レーザ２０は、温度制御器３０により温度が調整され、その波長を、検体の所望の分光ラインにおく。分離器４０は、レーザ２０から出射された放射の前に、それに続いて配置される。分離器４０は、１方向の透過光路を提供し、放射がレーザ２０から離れて進むのを可能にするが、反対方向に進むことを防止する。シングルモードのファイバ結合器(F.C.)５０は、レーザ２０から出射された光を光ファイバ４８の中に結合する。ファイバ結合器５０は、分離器４０の前にそれに続いて配置される。ファイバ結合器５０は、光ファイバを受け入れて保持し、レーザからの放射を、第１レンズ４６の方に向け、第１レンズ４６を通す。第１レンズ４６は、放射を集め、収束する。レーザ２０により放射されるビームパターンは、光ファイバ４８の中を通る光のパターンには完全には一致しないので、不適当な一致による損失が避けられない。
【００１４】
レーザの放射は、リングダウン・キャビティ（ＲＤＣ）セル６０の中にほぼモードが合わせられる。反射ミラー５２は、放射をビーム分割器５４の方に向ける。ビーム分割器５４は、放射の約９０％を第２レンズ５６の方に向ける。第２レンズ５６は、放射を集め、セル６０の中に収束する。残りの放射は、ビーム分割器５４をとおり、反射ミラー５８により検体参照セル９０の中に向ける。
【００１５】
検体参照セル９０を通らされた放射は、第４レンズ９２の方に向けられる。第４レンズ９２は、検体参照セル９０と第２光検出器９４（ＰＤ２）の間に位置される。光検出器９４は、コンピュータおよび制御エレクトロニクス回路１００への入力を提供する。
【００１６】
セル６０は、２つの高度の反射性のミラー６２，６４から作られ、それらのミラーは、軸ａにそって、準共焦エタロンとして配置される。ミラー６２，６４は、セル６０の入力窓と出力窓を構成する。測定対象の試料の気体は、セル６０の光軸ａと共軸である狭い管を通って流れる。ミラー６２，６４は、気密なベローズで封じられている調整可能なフランジまたは取付部の上に置かれて、セル６０の光学的アラインメントの調整を可能にする。
【００１７】
ミラー６２，６４は、高度に反射性の誘電体の被覆を有し、セル６０により形成されるキャビティの内部で被覆が対向するように配置される。レーザ光の小さな部分は、セル６０に入って前ミラー６２をとおり、セル６０のキャビティ内で前後に進む（リングダウンする）。セル６０の後ろミラー６４（反射器）を通った光は、第３レンズ６８の方に向けられ、次に、第１光検知器７０（ＰＤ１）で撮像される。光検知器７０，９４の各々は、入射する光ビームを電流に変換し、したがって、コンピュータおよび制御エレクトロニクス回路１００に入力信号を提供する。入力信号は、キャビティのリングダウン減衰の割合を表す。
【００１８】
図３は、従来のＣＲＤＳ共鳴器１００の中の光路を示す。図３に示されるように、ＣＲＤＳのための共鳴器１００は、２つのブリュースター角の後方反射プリズム５０，５２の使用に基づく。偏光角すなわちブリュースター角ΘＢは、プリズム５０に対して示される。入射光１２と出射光１４は、プリズム５２への入力またはそれからの出力として示される。共鳴する光ビームは、各プリズム５０，５２において約４５°で損失なしに２回の全反射をする。この角度は、溶融石英や多くの一般的な光プリズム材料の臨界角より大きい。光は、光軸５４にそってプリズム５０，５２の間を進む。
【００１９】
発明者らは、ＣＲＤＳにより与えられる効果は、材料に誘起された歪みの測定に適用可能であることを発見した。通常の歪み測定装置は、材料に誘起された歪みのレベルを決定するために抵抗変化または信号損失を用いている。しかし、このアプローチが持つ欠点は、システムに固有の不感性のため、検査対象の材料における微小な変化の測定が不十分になることである。
【００２０】
【特許文献１】米国特許第５，９７３，８６４号
【特許文献２】米国特許第６，０９７，５５５号
【特許文献３】米国特許第６，１７２，８２３Ｂ１号
【特許文献４】米国特許第６，１７２，８２４Ｂ１号
【非特許文献１】A. Pipino et al. "Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflection minicavity", Rev. Sci. Instrum. 68(8)
【非特許文献２】J. D. Jackson, "Classical Electrodynamics", Chapter 7, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY (1962)
【非特許文献３】F. M. Mirabella (ed.), "Internal Reflection Spectroscopy", Chapter 2, Marcel Dekker, Inc., New York, NY (1993)
【非特許文献４】D. Littlejohn et al., "Bent Silica Fiber Evanescent Absorption Sensors for Near Infrared Spectroscopy", Applied Spectroscopy 53 (1999) 845-849
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、歪み測定への従来のアプローチの欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、歪み測定への従来のアプローチの欠点を克服するため、キャビティ・リングダウン分光を用いた新規な光ファイバを基にした歪みゲージを提供する。この装置は、受動的な光ファイバのリングと、予め決められて形状をもち、前記のリングと一列に配置し、基板に組み合わされる、少なくとも１つのセンサと、(i)前記の放射源により放出された放射の一部を前記の受動的な光ファイバのリングの中に導入し、そして、(ii)前記の受動的な光ファイバのリングにおいて共鳴する放射の一部を受け取る、結合手段と、前記の結合手段により受け取られた放射のレベルを検出し、それに対応した信号を生成する検出器と、前記の検出器に結合され、前記の受動的な光ファイバのリングにおける放射の減衰の割合に基づいて、基板に誘起された歪みのレベルを決定するプロセッサとからなる。
【００２３】
発明の他の観点によれば、前記の予め決められた形状は、前記のセンサの、基板と組み合わされている複数の端部の間に形成される。
【００２４】
発明の他の観点によれば、前記の検出器により生成される前記の信号は、歪みが基板に誘起されるときの前記の検出器の予め決められた形状における変化に基づく。
【００２５】
発明の他の観点によれば、この装置は、さらに、前記の結合手段と前記の検出器の間の光路に置かれたフィルタを備え、このフィルタは、前記の放射の前記の受け取った部分を前記の受動的な光ファイバのリングから前記の検出器へ通す。
【００２６】
発明の他の観点によれば、前記のフィルタは、放射の波長に基づいて検出器に放射を通す。
【００２７】
発明の他の観点によれば、前記の結合手段は、（i）前記のコヒーレント光源により放出された前記の放射の前記の部分を前記の光ファイバの第１区域へ導入する第１結合器と、（ii）前記の光ファイバにおいてその第２区域で前記の放射の前記の部分を受け取る第２結合器とを含む。
【００２８】
発明の他の観点によれば、前記のセンサは、前記の複数の端部の間に形成されたテーパー部を備え、その周囲に対して露出されている。
【００２９】
発明の他の観点によれば、この装置は、さらに、前記のレーザと前記の結合手段との間に結合される分離器を備え、この分離器は、前記のレーザから放出された放射と一列に配置され、レーザ内での雑音を最小にする。
【００３０】
発明の他の観点によれば、前記の歪みが前記の基板に誘起されるとき、前記の放射のエネルギー消費は、前記の結合手段により受け取られる前記の放射の減衰の割合を変える。
【００３１】
発明の他の観点によれば、この装置は、さらに、前記のレーザが前記の光ファイバにエネルギーを提供したことを、レーザからのエネルギーが前記の光ファイバへ提供された時間を決定する入力検出器が決定した後に、前記の光ファイバから放射を受け取る前記の受取手段に基づいて前記のレーザを不活性化する制御手段を備える。
【００３２】
発明の他の観点によれば、物体における歪みを測定する方法では、光ファイバの一部をテーパー化することにより光ファイバからセンサを形成し、前記のセンサの複数の端部の間の一部が予め決められた量の弛緩を有するように前記のセンサを前記の材料に結合し
前記の材料を歪みにさらし、コヒーレント光源から放射を放出し、前記のコヒーレント光源から放出される前記の放射の少なくとも一部を前記の光ファイバのリングの中に組み合わせ、前記の光ファイバのリングの中で伝播する前記の放射の一部を受け取り、前記の光ファイバのリングの中での前記の放射の減衰の割合に基づいて歪みのレベルを決定する。
【００３３】
発明の他の観点によれば、前記のファイバ内を進行する前記の放射のエバネッセント電界に前記の材料の周囲を暴露する。
【００３４】
発明の他の観点によれば、この方法では、さらに、前記の材料の緩和状態を示す、前記のファイバ内での減衰の基礎ラインの割合を決定し、この減衰の基礎ラインの割合を減衰の第１の割合と比較する。
【００３５】
なお、上述の一般的な説明と以下の詳細な説明は例示であり、本発明を制限するものではないことが理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、発明の実施の形態を、同じ記号が同じものを示す添付の図面を参照して説明する。
【００３７】
図４は、この発明の第１の実施形態による光ファイバに基づいたリングダウン装置４００を示す。これを用いて気体や液体の中の微量の種すなわち検体が検出できる。図４において、装置４００は、光ファイバケーブル４０２と、ケーブル４０２の全長にそって分散された複数のセンサ５００（後で詳細に説明する）とを備える共鳴光ファイバリング４０８を含む。共鳴光ファイバリング４０８の長さは、種々の測定状況（たとえば物理的プラントの種々の区域の周辺検出）に容易に適用可能である。図示されるようにセンサ５００は光ファイバループ４０８の全長にそって分散されるけれども、本発明は、もし希望されるなら、１つのセンサ５００のみを用いて具体化できる。２個以上のセンサ５００の分散は、設置場所での種々の地点での微少量の種のサンプル入手を可能にする。また、本発明は、センサ５００と、液体または気体のサンプルを取るためにその周囲に対して露出されるファイバ４０２の直線部分との組み合わせを用いて、または、液体または気体のサンプルを取るために露出されるファイバ４０２の直線部分のみを用いて、具体化できる。共鳴光ファイバリング４０８の長さは、短く約１メートルの長さであっても、長く数ｋｍの長さであってもよい。
【００３８】
光パラメトリック発生器（OPG)、光パラメトリック増幅器（OPA)、レーザなどのコヒーレント放射源４０４は、関心のある検体または微小量の種の吸収周波数と矛盾しない波長で放射を放出する。コヒーレント放射源４０４は、たとえば、関心のある微小量の種に基づいて、狭帯域をもつ波長可変の半導体レーザである。市販されている光パラメトリック増幅器の１例は、米国カリフォルニア州、マウンテンビューのスペクトラ・フィジツクス社から市販されている型番OPA-800cである。
【００３９】
本発明は、人間および／または動物に害のある種々の化学物質または生物物質を検出するために使用できることを意図している。また、本発明は、そのような検出が、所望の抗原と特に結合する抗体を用いて受動的な光フィイバリングの表面を被覆することにより促進されることを意図している。
【００４０】
第１の実施の形態において、コヒーレント放射源４０４からの放射は、共鳴光ファイバリング４０８へ提供される。ここで、任意であるが、この放射は、光分離器４０６、結合器４１０およびエバネッセント入力結合器４１２を通る。コヒーレント放射源４０４が半導体レーザであるとき、光分離器４０６を使用すると、レーザの中に戻ってくる反射を防止することにより、雑音を最小にするという利点が生じる。エバネッセント入力結合器４１２は、コヒーレント放射源４０４からの放射の固定された割合を共鳴光ファイバリング４０８の中に提供でき、または、共鳴光ファイバリング４０８内に存在する損失に基づいて調整可能である。好ましくは、エバネッセント入力結合器４１２により共鳴光ファイバリング４０８に提供される放射の量は、光ファイバケーブル４０２とコネクタ（図示しない）に存在する損失に合わせられる。放射の１％の結合（９９％／１％の分離割合の結合）を提供する市販のエバネッセント入力結合器は、米国ニュージャージ州ニュートンのトールラブ社により製造され、その番号は１０２０２Ａ−９９である。好ましい実施の形態では、エバネッセント入力結合器４１２は、コヒーレント放射源４０４からファイバ４０２の中に放射の１％より少ない量を結合する。
【００４１】
１つの実施の形態では、微量の種すなわち検体を検出するため、光ファイバケーブル４０２を覆うジャケット４０２ａの一部が取り除かれて、光ファイバケーブル４０２の内部コア４０２ｃを囲むクラッド４０２ｂを露出する。または、その代わりに、ジャケット４０２ａとクラッド４０２ｂのいずれもが取り除かれて試料の液体または気体に露出されるか、または、光ファイバケーブル４０２のジャケット化部分が、試料の液体または気体に露出される。後者のアプローチは、たとえば、エバネッセント電界（後で説明する）が（ジャケットに吸着または溶解されている）微量の種との相互作用のためジャケットの中にまで存在する場合に、有用であることがある。しかし、ある種の光ファイバケーブルにおいて使用される内部コアの脆性のため、ジャケットとクラッドの両方を取り除くことは、最も望ましいことではないことがある。典型的な光ファイバの断面は図５Ａに示される。
【００４２】
全反射(TIR)素子を曲げると、電磁波が反射表面と接するときの入射角度を変える。光ファイバを円筒物体の側で曲げる場合に、その円筒物体に対向する光ファイバのコアの表面での反射角は、直角に近く、エバネッセント電界の侵入深さは増加される。円筒状のコア素子５０２のまわりに光ファイバ４０２を数回巻くことにより（図５Ｂ参照）、エバネッセント電界の侵入深さは、増加され、ファイバのより長い部分が、より小さな物理的体積の中にある検出されるべき液体にさらされる。D. Littlejohn et al.は、 "Bent Silica Fiber Evanescent Absorption Sensors for Near Infrared Spectroscopy"（Applied Spectroscopy 53 (1999) 845-849）において、曲がる可変の半径による光ファイバ検出における改良の実験的検証を説明している。
【００４３】
図５Ｂは、液体または気体の試料の中の微量の種を検出するために使用される１実施形態によるセンサ５００を示す。図５Ｂに示されるように、センサ５００は、心棒などの円筒状のコア素子５０２（固体、中空または浸透性であってもよい）を含み、光ファイバケーブル４０２の一部が、予め決められた長さ５０６にわたって、コア素子５０２のまわりに巻かれる。この例では、クラッド４０２ｂが露出されている。また、光ファイバケーブル４０２のコア４０２ｃを露出して、コア素子５０２に巻くことによりセンサを製造できる。コア素子５０２の直径は、ファイバのコア４０２ｃが臨界的半径ｒより小さい半径で形成されるような値を持つ。この臨界的半径では、余分な放射は、ファイバのコア４０２ｃに外接させられるとき、ファイバのコア４０２Ｃをとおって失われる。または、ファイバの一体性が妥協されて処理される。臨界的半径ｒは光ファイバケーブル４０２を通る放射の周波数および／またはファイバの構成に依存する。好ましい実施の形態では、コア素子５０２の半径は、約１ｃｍから約１０ｃｍの間であり、より好ましくは、少なくとも約１ｃｍである。説明されたように、ファイバ４０２からの放射は入力部５０４で提供され、出力部５０８で引き出される。円筒状のコア素子５０２は、ファイバ４０２を円筒状のコア素子５０２に動かないようにする固定手段と同様に、その表面に、ファイバを置くためのらせん状の溝を備えていてもよい。そのような固定手段は、円筒コア素子５０２に刻まれたネジ、エポキシ、シリコーンゴムなどの接着剤などの多くの形態をとる。この発明では、センサ５００はファイバ４０２と一体化されていてもよく、市販の光ファイバコネクタを用いてファイバ４０２に結合してもよい。
【００４４】
図６Ａは、典型的な光ファイバケーブルを放射がどのように伝播するかを示す。図６Ａに示されるように、放射６０６は、内部コア４０２ｃとクラッド４０２ｂの境界で全反射をする。放射が反射されずクラッド４０２ｂの中に吸収されることによる無視できる損失がある。図６Ａは、光ファイバケーブルとして示されたが、図６Ａと他の実施形態は、クラッド４０２ｂが中空のコアを取り囲んでいる、中空導波路などの、中空ファイバにも同等に適用可能である。
【００４５】
図６Ｂは、本発明の１実施形態によるセンサ５００の断面図であり、コア素子５０２のまわりで光ファイバケーブル４０２を巻く効果を示す。図６Ｂに示されるように、ジャケット４０２ａのみが光ファイバケーブル４０２から除去される。放射６０６はコア４０２ｃの中で進み、内部コア４０２ｃと、コア素子５０２に隣接するクラッド４０２ｂ−１との境界で、無視できる損失６０９を伴って全反射を示す。他方、微量の種すなわち検体６１０の存在の下で、エバネッセント電界６０８は、内部コア４０２ｃと、クラッド４０２ｂ−２の露出部分との界面を通る。これは、微量の種の量に基づいて、放射を本質的に減衰する。これを減衰全内部反射（ＡＴＲ）という。注意されるべきことは、もし放射の波長と同じ吸収バンドを持つ微量の種が存在しないならば、放射は（固有の損失を除いて）減衰されないことである。
【００４６】
図６Ｃは、本発明の他の実施形態によるセンサ５００の断面図であり、ジャケット４０２ａの一部をそのままにして、コア素子５０２のまわりで光ファイバケーブル４０２を巻く効果を示す。図６Ｄに示されるように、ジャケット４０２ａの上部のみが、光ファイバケーブル４０２から取り除かれる。センサ５００の第２の実施形態と同様に、放射６０６は、コア４０２ｃの中で進み、内部コア４０２ｃと、コア素子５０２に隣接するクラッド４０２ｂ−１との境界で、無視できる損失６０９を伴って全反射を示す。他方、微量の種すなわち検体６１０の存在の下で、エバネッセント電界６０８は、内部コア４０２ｃと、クラッド４０２ｂ−２の露出部分との界面を通る。
【００４７】
（センサ５００のいずれかの例において）ジャケット４０２ａの除去は、通常の光ファイバ・ストリップ工具などの機械的手段により、または、ファイバケーブルの当該部分を、クラッド４０２や内部コア４０２ｃに影響せずにジャケット４０２ａを攻撃し熔解する溶媒に浸すことにより、達成可能である。ジャケット４０２ａの部分的除去の場合に、溶媒の使用は、ジャケット４０２ａの除去を意図する部分に溶媒を選択的に用いることにより変更できる。
【００４８】
液体試料の中の微量の種の検体分子を引き寄せるために、受動的な光ファイバリングのジャケットのない部分は、その光ファイバリングの被覆部分で微量の種の濃度を選択的に増大する材料で被覆されてもよい。そのような被服材料の１例は、ポリエチレンである。さらに、所望の生物検体を高度に特異的に引きつけるために、特定抗原結合剤が、ファイバを被覆するために使用できる。
【００４９】
図４を参照して説明すると、センサ５００を通った後に残っている放射は、ファイバループ４０２を通って存続する。その残っている放射の一部は、エバネッセント出力結合器４１６により光ファイバループ４０２から結合される。エバネッセント出力結合器４１６は、検出器４１８と信号線４２２をとおってプロセッサ４２０に結合される。プロセッサ４２０は、たとえばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）であり、検出器４１８のアナログ出力を、処理のためにディジタル信号に変換する変換手段を備えている。また、プロセッサ４２０は、制御線４２４によりコヒーレント放射源４０４を制御する。信号がプロセッサ４２０により検出器４１８から受け取られると、プロセッサは、受け取った放射の減衰の割合に基づいて、微量の種の量と種類を決定できる。
【００５０】
任意であるが、波長選択器４３０は、エバネッセント出力結合器４１６と検出器４１８の間に置いてもよい。波長選択器４３０は、予め決められた波長範囲内にない放射が検出器４１８に入力されるのを防止するためのフィルタとして動作する。
【００５１】
検出器４１４は、入力結合器４１２の出力に結合される。検出器４１４の出力は、信号線４２２を介してプロセッサ４２０に提供され、微量の種の解析を行うため共鳴光ファイバリング４０２が十分な放射を受け取った時を決定するのに使用される。
【００５２】
液体の中の微量の種すなわち検体の検出の場合に、液体の屈折率が光ファイバケーブルの屈折率より低くなければならない。たとえば、ｎ＝１．４６の屈折率を持つ光ファイバケーブルがあると、本発明は、水（ｎ＝１．３３）や、メタノール（ｎ＝１．３２６）、ｎ−ヘキサン（ｎ＝１．３７２）、ジクロロメタン（ｎ＝１．４２４２）、アセトン（ｎ＝１．３５８８）、ジエチルエーテル（ｎ＝１．３５２６）、テトラヒドロフラン（ｎ＝１．４０４）などの多くの有機溶媒に溶解する微量の種を検出するために使用できる。化学物質およびその屈折率の広範なリストは、Wheast, Rober C.編集のＣＲＤ Handbook of Chemistry and Physics (52nd edition）(The Chemical Rubber Company, 米国オハイオ州クリーブランド、1971)のE-201頁に見出され、この引用によりここに組み込まれる。異なる屈折率を持つ他の種類の光ファイバも入手可能であり、もし光ファイバが、与えられた液体媒体より高い屈折率をもち、狙いの検体による吸収バンドの領域で光を有効に透過するならば、この発明は、その液体媒体に合わせて調整できる。
【００５３】
多くの異なる種類のファイバが現在市販されている。１例は、コーニング社のＳＭＦ−２８ｅ溶融石英ファイバであり、通信用途で標準的に使用されている。米国テキサス州オースティンの３Ｍ社により製造された４８８ｎｍ／５１４ｎｍのシングルモードファイバ（番号ＦＳ−ＶＳ−２６１４）、米国テキサス州オースティンの３Ｍ社により製造された６３０ｎｍ可視波長シングルモードファイバ（番号ＦＳ−ＶＳ−３２２４）、米国テキサス州オースティンの３Ｍ社により製造された８２０ｎｍ標準シングルモードファイバ（番号ＦＳ−ＶＳ−２６１４）、日本のＫＤＤファイバラボ社（番号GF-F-160）により製造された、４ミクロン透過の０．２８Ａフッ化物ガラスファイバなどのように、多数の異なる波長で光を透過する特別なファイバがある。さらに、また、上述のように、光ファイバケーブル４０２は、中空ファイバであってもよい。
【００５４】
ファイバ４０２は、はるかに高い検体の吸収強度を持つスペクトル領域へのアクセスを可能にするため、中赤外を透過するファイバであってもよい。これにより、装置４００の感度を増加する。この領域で放射を透過するファイバは、典型的にはフッ化物のガラスで製造される。
【００５５】
図７は、気体または液体の中の微量の種すなわち検体が検出できる、この発明の第２の実施形態を示す。図７において、第１の実施の形態に関して説明されたのと同様な機能を行う要素は、同じ参照数字を持つ。図７において、装置７００は、光ファイバケーブル４０２と複数のセンサ５００を含む同様な共鳴光ファイバリング４０８を使用する。コヒーレント放射源４０４からの放射は、共鳴光ファイバリング４０８に、任意に設けられる光分離器４０６，結合器４１０およびエバネッセント入力／出力結合器４３４を介して、提供される。エバネッセント入力／出力結合器４３４は、コヒーレント放射源４０４から共鳴光ファイバリング４０８の中に、固定した割合の放射を提供できるか、または、共鳴光ファイバリング４０４を通して存在する損失に基づいて調節可能である。この実施の形態では、エバネッセント入力／出力結合器４３４は、本質的に、第１の実施の形態に関連して説明したエバネッセント入力／出力結合器４１２の再構成である。好ましい実施の形態では、エバネッセント入力／出力結合器４３４は、レーザ４０４からの１％より少ない放射をファイバ４０２の中に結合する。
【００５６】
したがって、微量の種の検出は、第１の実施の形態において説明したのと同様であり、ここでは説明を繰り返さない。
【００５７】
センサ５００を通過した後に残る放射は、ファイバループ４０２を通って存続する。その残っている放射の一部は、エバネッセント入力／出力結合器４３４により光ファイバループ４０２から出て結合される。エバネッセント入力／出力結合器４３４は、検出器４１８と信号線４２２を通してプロセッサ４２０に結合される。第１の実施の形態におけるように、プロセッサ４２０は、また、制御線４２４を通してコヒーレント放射源４０４を制御する。信号がプロセッサ４２０により検出器４１８から受け取られると、プロセッサ４２０は、受け取った放射の減衰の割合に基づいて微量の種の量と種類とを決定できる。
【００５８】
任意であるが、波長選択器４３０は、エバネッセント入力／出力結合器４３４と検出器４１８の間に配置できる。波長選択器４３０は、予め決められた波長範囲内にない放射が検出器４１８に入力されるのを防止するためのフィルタとして動作する。また、波長選択器４３０は、コヒーレント放射源４０４からの放射がファイバ４０２の中に結合された後に、その放射が検出器４１８をある期間のあいだ「目隠しする」のを防止するために、プロセッサ４２０により制御される。
【００５９】
図８Ａ〜８Ｄは、液体または気体の試料の中の微量の種を検出するために使用される他の例のセンサ８００を示す。図８Ａと８Ｄに示されるように、センサ８００は、ファイバ８０１により形成され、このファイバ８０１では、内部コア８０４とクラッド８０５をテーパー加工して、テーパー化内部コア８０８とテーパー化クラッド８０９を有するテーパー化領域８０２を生成している。テーパー領域８０２の形成は、２つの方法のいずれかを使用して達成できる。第１の方法は、ファイバ８０１の局所的区域の加熱と、センサ８００を形成したい領域の一方の側での同時の断熱的引っ張り加工からなる。この処理は、ファイバ８００に一定のテーパーを生じる。このテーパー化ファイバは、たとえば、第１の実施の形態による分光センサとして使用できる。第２の方法では、化学薬品を使用して、ファイバクラッド８０５の予め決められた厚さを制御可能に除去してテーパー化クラッド８０９を形成することにより、テーパー化領域８０２が形成される。第２の方法を用いて形成されたセンサの詳細な説明は、図１０Ａ〜図１０Ｃを用いて後で説明される。
【００６０】
図８Ｂは、テーパーの前の領域と後の領域でのセンサ８００の断面を示す。図８Ｂに示されるように、内部コア８０４とクラッド８０５は、変形されない状態である。なお、説明を簡単にするため、図面と説明は、光ファイバケーブル８０１のジャケット処理にはふれていない。しかし、そのようなジャケット処理は、光ファイバケーブル８０１の少なくとも一部に適当な位置にあると仮定されている。
【００６１】
図８Ｃは、テーパー化領域８０２におけるセンサ８００の断面を示す。図８Ｃに示されるように、テーパー化内部コア８０８とテーパー化クラッド８０９は、それぞれ、内部コア８０４とクラッド８０５に比べて、かなり減少した直径を持つ。テーパー化領域８０２は、用途により所望の長さであればよい。この実施の形態では、図８Ｄに示されるように、たとえば、テーパー化領域８０２の長さは、約４ｍｍであり、くびれた部分の直径８１４は１２ミクロンである。
【００６２】
図８Ａを参照して説明すると、内部コア８０４の領域の中のエバネッセント電界８０６は、テーパー化領域８０２の中のエバネッセント電界８１０に比べれば、狭く、また、閉じこめられている。示されているように、増大されたエバネッセント電界８１０は、上述の実施の形態に関して説明されたように、微量の種（図示しない）にさらされ、こうして、領域８１２での微量の種をよりよく検出できる。
【００６３】
図９Ａ〜９Ｃは、液体または気体の試料の中の微量の種を測定するために使用される他の実施形態のセンサ９００を示す。図９Ａに示されるように、センサ９００は、クラッド９０５の一部を除去して実質的に「Ｄ」字状の断面の領域９０２を生じることにより、ファイバ９０１から形成される。「Ｄ」字状断面領域９０２の形成は、たとえば研磨剤を用いて、光ファイバのクラッドの１つの側を研磨することにより、達成できる。研磨剤を用いて、クラッド９０５を除去して、領域９０２にそって深さを連続的に増加して、案内されるモードの質を維持して、最終的に、最小のクラッドの厚さ９０９の点で最大の深さに達する。最低のクラッド厚さのエリアは、最大のエバネッセント電界への暴露の領域を表す。
【００６４】
図１０Ａ〜１０Ｃは、液体または気体の試料の中の微量の種を測定するために使用される他の実施形態のセンサ１０００を示す。センサ１０００は、テーパー化センサの実施の形態に関して上述の第２の方法を用いて形成される。図１０Ａに示されるように、センサ１０００は、ファイバ１００１から、当業者に知られている化学薬品を用いてクラッド１００５の一部を除くことにより、テーパー化クラッド１００９を備えるテーパー化領域１００２を生じることにより、形成される。重要なことは、化学薬品が、内部コアのどの部分も乱したり除いたりすることを許さないことである。そのようなことが起こると、センサ１０００における大きな損失を生じることがある。
【００６５】
図１０Ｂは、テーパーの前の領域と後の領域でのセンサ１０００の断面を示す。図１０Ｂに示されるように、内部コア１００４とクラッド１００５は、変更されない状態である。なお、説明を簡単にするため、図面と説明は、ここでも、光ファイバケーブル１００１のジャケット処理にはふれていない。しかし、そのようなジャケット処理は、光ファイバケーブル１００１の少なくとも一部に適当な位置にあると仮定されている。
【００６６】
図１０Ｃは、テーパー領域１００２でのセンサ１０００の断面を示す。図１０Ｃに示されるように、内部コア１００４は、影響を受けていないが、テーパー化クラッド１００９は、クラッド１００５に比べて、大きく減少した直径をもつ。テーパー化領域１００２は、用途に基づいて任意の希望の長さであればよい。この実施の形態では、たとえば、テーパー化領域の長さは約４ｍｍであり、くびれ部の直径１０１４は約１２ミクロンである。
【００６７】
図１０Ａを再び参照して説明すると、内部コア１００４の領域の中のエバネッセント電界１００６は、テーパー化領域１００２の中の増大されたエバネッセント電界１０１０に比べて、狭くまた制限されている。図に示されるように、増大されたエバネッセント電界１０１０は、上述の実施の形態に関して説明されたように、微量の種（図示しない）にさらされ、こうして、領域１０１２での微量の種をよりよく検出できる。
【００６８】
上述のセンサ８００、９００、１０００に関して、センサを形成することにより光ファイバの中で生じた損失は、ファイバの変更の前に所望の検出限界のための適当なテーパー直径または研磨深さを決定することにより、エバネッセント電界への暴露の量と釣り合いを取ることができる。さらに、望ましくは、テーパー化の作業や研磨の作業によるもろさの増大を補償するために、センサ８００、９００および／または１０００のための保護取付を行う。
【００６９】
センサ８００、９００および／または１０００は、心棒（図５Ｂ）などの円筒状コア素子５０２（中実、中空または浸透可能）の上で、制限されないファイバとして、または、ループまたは曲がった構成（図示しない）において、使用できる。
【００７０】
さらに、センサ８００、９００、１０００は、狙いの検体を引き寄せる生物物質などの、濃縮物質を用いてセンス領域を被覆することにより、さらに感度を増大できる。そのような生物物質は、当業者には知られている。また、複数の検出領域８００、９００および／または１０００は、光ファイバケーブルの長さにそって形成されて、分散されたリングダウン・センサを作る。
【００７１】
図１１は、歪み測定の用途における本発明の第２の実施形態による光ファイバに基づくリングダウン装置１１００を示す。この装置は、材料に誘起された歪みを検出できる。第１の実施の形態と共通な部品は、同じ参照番号を持つ。
【００７２】
図１１に示されるように、装置１１００は、光ファイバケーブル４０２と、光ファイバケーブルにそって分散された１以上のセンサ１１０２（後で説明する）をもつ共鳴光ファイバリング４０８を含む。共鳴光ファイバリング４０８の長さは、種々の測定状況（たとえば物理的プラントの種々の区域の周辺検出）に容易に適用可能である。図示されるようにセンサ１１０２は光ファイバループ４０８の全長にそって分散されるけれども、本発明は、もし希望されるなら、１つのセンサ１１０２のみを用いて具体化できる。２個以上のセンサ１１０２の分散は、監視される構造での種々の点での材料歪みのサンプル入手を可能にする。センサ１１０２は、一体化された部分であってもよく、ファイバ４０２に結合されてもよい。共鳴光ファイバリングの長さは、短く約１メートルの長さであっても、長く数ｋｍの長さであってもよい。
【００７３】
光の波長は、光モードの変換に、したがって感度に、影響する。しかし、この影響は、テーパーの設計によりバランスできる。最高感度のため、好ましくは、波長は、ファイバの設計波長に一致するように選択される。ある波長はモード変換したがって歪みに対してより高感度であるけれども、ファイバの設計波長から遠く離れた波長は、大きな透過損失と使用できないリングダウン信号を生じるので、所望の感度を劣化すると予想される。
１つの実施の形態では、波長は１５５０ｎｍ（通信ファイバにおける最小損失の波長）であり、それについて、最も低価格で耐久性のある通信構成要素が最適化される。しかし、本発明は１２５０ｎｍと１６５０ｎｍの間の範囲における波長で使用できるけれども、１３００ｎｍ（通信ファイバでのゼロ分散波長）などの他の波長も適当である。
【００７４】
コヒーレント放射源４０４は、光パラメトリック発生器（OPG)、光パラメトリック増幅器（OPA)、また、たとえば光ファイバの設計波長に一致するように選択された波長を持つレーザなどである。市販されている光パラメトリック増幅器の１例は、米国カリフォルニア州、マウンテンビューのスペクトラ・フィジツクス社から市販されている型番OPA-800cである。
【００７５】
第１の実施の形態では、コヒーレント放射源４０４からの放射は、共鳴光ファイバリング４０８へ提供される。ここで、任意であるが、この放射は、光分離器４０６、結合器４１０およびエバネッセント入力結合器４１２を通る。コヒーレント放射源４０４が半導体レーザであるとき、光分離器４０６を使用すると、レーザの中に戻ってくる反射を防止することにより、雑音を最小にするという利点が生じる。エバネッセント入力結合器４１２は、コヒーレント放射源４０４からの放射の固定された割合を共鳴光ファイバリング４０８の中に提供でき、または、共鳴光ファイバリング４０８をとおして存在する損失に基づいて調整可能である。好ましくは、エバネッセント入力結合器４１２により共鳴光ファイバリング４０８に提供される放射の量は、光ファイバケーブル４０２とコネクタ（図示しない）に存在する損失に合わせられる。放射の１％の結合（９９％／１％の分離割合の結合）を提供する市販のエバネッセント入力結合器は、米国ニュージャージ州ニュートンのトールラブ社により製造され、その番号は１０２０２Ａ−９９である。好ましい実施の形態では、エバネッセント入力結合器４１２は、コヒーレント放射源４０４からファイバ４０２の中に放射の１％より少ない量を結合する。
【００７６】
１つの実施の形態において、センサ１１０２は、図８Ａ〜図８Ｄに関して説明されたセンサ８００に基づいている。他の実施の形態では、センサ１１０２は、図１０Ａ〜図１０Ｃに関して説明されたセンサ１０００に基づいている。しかし、センサ１１０２とセンサ８００／１０００との間の１つの違いは、センサ１１０２がコアの上で巻かれていないことであり、むしろ、実質的に直線的であり、エポキシ、テープなどの公知の接着剤１１０８によりテスト中の基板１１０６に組み合わされることである。基板１１０６にセンサ１１０２を取り付けるとき、予め決められた量の応力除去またはゆるみ（図において領域１１０４として示される）が、基板１１０６に誘起された歪みの原因となる複数の取り付け点の間に提供される。１つの実施の形態では、領域１１０４は、センサが基板１１０６に用いられるとき、成形される。高感度の用途などの他の実施の形態では、領域１１０４は、センサ１１０２が基板１１０６に取り付けられる前に、成形される。
【００７７】
別の実施の形態では、センサ１１０２は、テーパー化されない光ファイバであり、ファイバ・ブラッグ回折格子（FBG)を含み、上述のように基板に組み合わされる。
【００７８】
図１２に示されるように、基板１１０６が弛緩状態にあるとき、光ファイバリング４０８に誘起される放射がリングダウンする時間の測定が行われる。この時間は、基板の弛緩状態における基板の基礎ラインの尺度である。領域１１０２の形状の変化は、このシステムにおけるリングダウンの割合に影響する。リングダウン時間のこの変化は、基板に誘起された歪みの尺度である。
【００７９】
図１３Ａ〜図１３Ｂを参照して説明すると、基板１１０６に誘起された種々の種類の歪み（基板の長さ（または幅）をその元の長さ（または幅）で除算した商の変化）が示される。図１３Ａ〜図１３Ｂに示されるように、歪みが基板１１０６に加えられるとき、領域１１０４は、基板１１０６における動きの方向に依存して、弛緩されるかまたは増大される。領域１１０４の形状の変化の結果として、システムにより測定されたリングダウン時間が変わる。このリングダウン時間の変化は、基板１１０６に誘起された歪みの程度を示し、テーパー化領域内での最低のオーダーの伝播モードからより高次の、より損失の多いモードへの光モードの変換から生じる。テーパー化領域の長さやくびれ部の直径などの、センサ１１０２の特定のパラメータは、（複数のオーダーの大きさにわたる）非常に大きいダイナミックレンジまたは、（１マイクロ歪みまたはそれよりよいオーダーの）非常に高い感度を達成するために選択できる。
【００８０】
図１２〜図１３Ｂは、試験対象の基板に付けられた１つのセンサ１１０２を示すけれども、発明はそのようには制限されない。また、基板１１０６の複数の軸が測定できるように、相互の離れた複数のテーパー化領域を持つようなセンサ１１０２を用いることもできる。１例では、テーパー化領域１１０４は、たとえば５〜２５ｃｍの間の長さである。他方、基板１１０６は、各方向で数メートルまでの任意の大きさであってもよい。すべての他の観点において、この実施の形態は、第１の実施の形態と同様である。
【００８１】
図１４は、１例のテーパー構造のセンサについてのダイナミックレンジの大きさと検出可能な変位を示す。示されるように、線形領域１４０２において、雑音の等価の変位は、１０ｃｍのテーパーにわたって０．２６３μｓのΔｔに基づいて約０．３６９３μｍ（約３７０ｎｍ）である。これは、３７με（マイクロ歪み）に対応する。異なるテーパー・パラメータ（テーパーのくびれ部とテーパーの長さの組み合わせ）を用いることにより、ダイナミックレンジは、数千マイクロ歪み、または、マイクロ歪みより小さい変化を測定するように最適化できる感度にまで拡大できる。
【００８２】
この発明は、実施の形態を参照して説明されたが、説明された詳細には限定されない。むしろ、特許請求の範囲の記載とその均等物の範囲内で、発明の精神から離れることなく、種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】対数尺度で示された電磁波スペクトルの図
【図２】ミラーを用いる従来のＣＲＤＳシステムの図
【図３】プリズムを用いる従来のＣＲＤＳセルの図
【図４】この発明の第１の実施形態を示す図
【図５Ａ】通常の光ファイバの端面の図
【図５Ｂ】本発明の１実施形態によるセンサの斜視図
【図６Ａ】ケーブル内の放射の伝播を示す光ファイバケーブルの断面図
【図６Ｂ】本発明の１実施形態によるエバネッセント電界を説明する光ファイバセンサの断面図
【図６Ｃ】本発明の他の実施形態によるエバネッセント電界を説明する光ファイバセンサの断面図
【図６Ｄ】ジャケットの上半分を除去した光ファイバセンサの図
【図７】発明の第２の実施形態を示す図
【図８Ａ】本発明の第３実施形態による光ファイバセンサの図
【図８Ｂ】本発明の第３実施形態による光ファイバセンサの図
【図８Ｃ】本発明の第３実施形態による光ファイバセンサの図
【図８Ｄ】本発明の第３実施形態による光ファイバセンサの図
【図９Ａ】本発明の第４実施形態による光ファイバセンサの図
【図９Ｂ】本発明の第４実施形態による光ファイバセンサの図
【図９Ｃ】本発明の第４実施形態による光ファイバセンサの図
【図１０Ａ】本発明の第５実施形態による光ファイバセンサの図
【図１０Ｂ】本発明の第５実施形態による光ファイバセンサの図
【図１０Ｃ】本発明の第５実施形態による光ファイバセンサの図
【図１１】歪み測定の用途における本発明の１実施形態のブロック図
【図１２】図１１に示す実施形態において使用される１例の歪みセンサの詳細な図
【図１３Ａ】種々の程度の歪みの下での図１２の歪みセンサの斜視図
【図１３Ｂ】種々の程度の歪みの下での図１２の歪みセンサの斜視図
【図１４】図１１に示す実施形態の１例のダイナミックレンジと検出可能な変位 displacementを示す図
【符号の説明】
【００８４】
４００ リングダウン装置、 ４０２ 光ファイバケーブル、 ４０８ 共鳴光ファイバリング、 光分離器４０６、 ４１０ 結合器、 ４１２ エバネッセント入力結合器、 ５００ センサ、 ８００ センサ、 ８０２ テーパー化領域、 ９００ センサ、 １０００ センサ、 １１００ リングダウン装置、 １１０２ センサ、 １１０４ 弛緩領域、 １１０６ 基板、 １１０８ 接着剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に誘起された歪みを測定するためコヒーレント放射源を使用する装置であって、
受動的な光ファイバのリングと、
予め決められた形状をもち、前記のリングと一列に配置し、基板に組み合わされる、少なくとも１つのセンサと、
(i)前記の放射源により放出された放射の一部を前記の受動的な光ファイバのリングの中に導入し、そして、(ii)前記の受動的な光ファイバのリングにおいて共鳴する放射の一部を受け取る、結合手段と、
前記の結合手段により受け取られた放射のレベルを検出し、それに対応した信号を生成する検出器と、
前記の検出器に結合され、前記の光ファイバのリングにおける放射の減衰の割合に基づいて、基板に誘起された歪みのレベルを決定するプロセッサと
からなる装置。
【請求項２】
請求項１に記載された装置であって、
前記の予め決められた形状は、前記のセンサの、基板と組み合わされている複数の端部の間に形成されるslack弛緩エリアである、ことを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項２に記載された装置であって、
前記の検出器により生成される前記の信号は、歪みが基板に誘起されるときの前記の検出器の前記の予め決められた形状の変化に基づく、ことを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項２に記載された装置であって、
前記の予め決められた形状は前記のセンサの複数の端部の間に配置される、ことを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１に記載された装置であって、
前記の少なくとも１つのセンサの中の第１のセンサは、前記の基板の第１の軸にそって配置される、ことを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１に記載された装置であって、
前記の少なくとも１つのセンサの中の第２のセンサは、前記の基板の第２の軸にそって配置される、ことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１に記載された装置であって、
前記の少なくとも１つのセンサは、ファイバ・ブラッグ回折格子（ＦＢＧ）を含む、ことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１に記載された装置であって、
前記の結合手段は、光結合器である、ことを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１に記載された装置であって、
さらに、前記の結合手段と前記の検出器の間の光路に設けられたフィルタを備え、このフィルタは、前記の放射の前記の受け取った部分を前記の受動的な光ファイバのリングから前記の検出器へ通す、ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９に記載された装置であって、
前記のフィルタは、放射の波長に基づいて検出器に放射を通す、ことを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１に記載された装置であって、
前記の結合手段は、（i）前記のコヒーレント光源により放出された前記の放射の前記の部分を前記の光ファイバの第１区域へ導入する第１結合器と、（ii）前記の光ファイバにおいてその第２区域で前記の放射の前記の部分を受け取る第２結合器とを含む、ことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１に記載された装置であって、
前記の予め決められた形状は、前記のセンサの前記の複数の端部の間に形成されたテーパー部であり、その周囲に対して露出されている、ことを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載された装置であって、
前記のファイバ内で進行する前記の放射のエバネッセント電界に前記の周囲がさらされている、ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載された装置であって、
前記のテーパー部は前記の光ファイバの加熱と断熱的引き延ばしにより形成された、ことを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源は光パラメトリック発生器である、ことを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源は光パラメトリックアンプである、ことを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源はレーザである、ことを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源はパルスレーザである、ことを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源は連続波のレーザである、ことを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１７，１９および２０のいずれかに記載された装置であって、
前記のレーザは光ファイバレーザである、ことを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項１９に記載された装置であって、
前記の連続波レーザは、狭いバンドを持つ波長可変の半導体レーザである、ことを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項１に記載された装置であって、
さらに、前記のレーザと前記の結合手段との間に結合される分離器を備え、この分離器は、前記のレーザから放出された放射と一列に配置され、レーザ内での雑音を最小にする、ことを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項１に記載された装置であって、
前記の歪みが前記の基板に誘起されるとき、前記の放射のエネルギー消費は、前記の結合手段により受け取られる前記の放射の減衰の割合を変える、ことを特徴とする装置。
【請求項２４】
請求項１に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバは、溶融石英を基にしたガラス、サファイヤを基にしたガラスおよびフッ化物を基にしたガラスのいずれかから作成される、ことを特徴とする装置。
【請求項２５】
請求項１に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバが中空ファイバから形成される、ことを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項２４または２５に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバがシングルモードのファイバである、ことを特徴とする装置。
【請求項２７】
請求項２４または２５に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバがマルチモードのファイバである、ことを特徴とする装置。
【請求項２８】
請求項１に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバがシングルモードのレーザであり、約１２５０ｎｍと約１６５０ｎｍの波長領域で波長可変であることを特徴とする装置。
【請求項２９】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源は約１３００ｎｍの波長を持つ、ことを特徴とする装置。
【請求項３０】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源は約１５５０ｎｍの波長を持つ、ことを特徴とする装置。
【請求項３１】
請求項１に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバは電磁波スペクトルの可視領域から中赤外領域までの間の波長で共鳴する、ことを特徴とする装置。
【請求項３２】
請求項１に記載された装置であって、
さらに、レーザからのエネルギーが前記の光ファイバへ提供された時間を決定する入力検出器を備える、ことを特徴とする装置。
【請求項３３】
請求項３２に記載された装置であって、さらに、
前記のレーザが前記の光ファイバにエネルギーを提供したことを前記の入力検出器が決定した後に、前記の光ファイバから放射を受け取る前記の結合手段に基づいて前記のレーザを不活性化する制御手段を備える、ことを特徴とする装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載された装置であって、
前記の制御手段と前記の入力検出器は、前記の処理手段に結合される、ことを特徴とする装置。
【請求項３５】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバの中に結合される前記の放射の前記の部分は、前記の結合手段に提供される前記の放射の約１％より少ない、ことを特徴とする装置。
【請求項３６】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバの中に結合される前記の放射の前記の部分は可変である、ことを特徴とする装置。
【請求項３７】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバの中に結合される前記の放射の前記の部分は、前記の受動的な光ファイバのリング内での損失に基づいて変化する、ことを特徴とする装置。
【請求項３８】
請求項３７に記載された装置であって、
前記の光ファイバ内での損失は少なくとも結合器の損失とファイバの損失に基づいている、ことを特徴とする装置。
【請求項３９】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバが少なくも約１ｍの長さである、ことを特徴とする装置。
【請求項４０】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバが少なくも約１０ｍの長さである、ことを特徴とする装置。
【請求項４１】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバが少なくも約１ｋｍの長さである、ことを特徴とする装置。
【請求項４２】
歪みを測定する装置であって、
受動的な光ファイバのリングと、
前記のリングと一列に配置され、各々がテーパー部を備える、少なくとも１つのセンサと、
放射を放出するコヒーレント光源と、
前記のコヒーレント光源により放出された放射の少なくとも一部を前記の受動的な光ファイバのリングの第１区域に提供する、第１光結合器と、
前記の受動的な光ファイバのリングの中の放射の１部を前記の受動的な光ファイバのリングの第２区域から受け取る、第２光結合器と、
前記の第２光結合器に結合され、前記の第２光結合器により受け取られた前記の放射の減衰の割合に基づいて、前記の歪みのレベルを決定するプロセッサと
からなる装置。
【請求項４３】
請求項４２に記載された装置であって、さらに、
前記の第２の光結合器と前記のプロセッサの間に結合される第１の光検出器を備え、この第１の光検出器は、前記の第２の光結合器により受け取られる前記の放射に対応して信号を生成する、ことを特徴とする装置。
【請求項４４】
請求項４２に記載された装置であって、
さらに、前記の第１の光結合器と前記のプロセッサの間に結合される第２の光検出器を備え、この第２の光検出器は、前記のレーザからのエネルギーが前記の受動的な光ファイバのリングに提供される時を決定する、ことを特徴とする装置。
【請求項４５】
請求項４４に記載された装置であって、
さらに、前記の第２の光検出器は、前記のコヒーレント光源から放射を受け取ったことに応答して前記のプロセッサへのトリガー信号を生成する、ことを特徴とする装置。
【請求項４６】
請求項４２に記載された装置であって、
前記の第１と第２の光結合器は、一体化された１個の結合器である、ことを特徴とする装置。
【請求項４７】
請求項４２に記載された装置であって、
前記の少なくとも１個のセンサは、前記のセンサの複数の端部の間に配置された、予め形成された部分である、ことを特徴とする装置。
【請求項４８】
物体における歪みを測定する方法であって、
光ファイバの一部をテーパー化することにより光ファイバからセンサを形成し、
前記のセンサの複数の端部の間の一部が予め決められた量の弛緩を有するように前記のセンサを前記の材料に組み合わせ
前記の材料を歪みにさらし、
コヒーレント光源から放射を放出し、
前記のコヒーレント光源から放出される前記の放射の少なくとも一部を前記の光ファイバのリングの中に結合し、
前記の光ファイバのリングの中で伝播する前記の放射の一部を受け取り、
前記の光ファイバのリングの中での前記の放射の減衰の割合に基づいて歪みのレベルを決定する
方法。
【請求項４９】
請求項４８に記載された方法であって、
さらに、前記のファイバ内を進行する前記の放射のエバネッセント電界に前記の材料の周囲をさらす、ことを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項４９に記載された方法であって、さらに、
前記の材料の緩和状態を示す、前記のファイバ内での減衰の基礎ラインの割合を決定し、
この減衰の基礎ラインの割合を減衰の第１の割合と比較する、ことを特徴とする方法。
【請求項１】
基板に誘起された歪みを測定するためコヒーレント放射源を使用する装置であって、
受動的な光ファイバのリングと、
予め決められた形状をもち、前記のリングと一列に配置し、基板に組み合わされる、少なくとも１つのセンサと、
(i)前記の放射源により放出された放射の一部を前記の受動的な光ファイバのリングの中に導入し、そして、(ii)前記の受動的な光ファイバのリングにおいて共鳴する放射の一部を受け取る、結合手段と、
前記の結合手段により受け取られた放射のレベルを検出し、それに対応した信号を生成する検出器と、
前記の検出器に結合され、前記の光ファイバのリングにおける放射の減衰の割合に基づいて、基板に誘起された歪みのレベルを決定するプロセッサと
からなる装置。
【請求項２】
請求項１に記載された装置であって、
前記の予め決められた形状は、前記のセンサの、基板と組み合わされている複数の端部の間に形成されるslack弛緩エリアである、ことを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項２に記載された装置であって、
前記の検出器により生成される前記の信号は、歪みが基板に誘起されるときの前記の検出器の前記の予め決められた形状の変化に基づく、ことを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項２に記載された装置であって、
前記の予め決められた形状は前記のセンサの複数の端部の間に配置される、ことを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１に記載された装置であって、
前記の少なくとも１つのセンサの中の第１のセンサは、前記の基板の第１の軸にそって配置される、ことを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１に記載された装置であって、
前記の少なくとも１つのセンサの中の第２のセンサは、前記の基板の第２の軸にそって配置される、ことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１に記載された装置であって、
前記の少なくとも１つのセンサは、ファイバ・ブラッグ回折格子（ＦＢＧ）を含む、ことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１に記載された装置であって、
前記の結合手段は、光結合器である、ことを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１に記載された装置であって、
さらに、前記の結合手段と前記の検出器の間の光路に設けられたフィルタを備え、このフィルタは、前記の放射の前記の受け取った部分を前記の受動的な光ファイバのリングから前記の検出器へ通す、ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９に記載された装置であって、
前記のフィルタは、放射の波長に基づいて検出器に放射を通す、ことを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１に記載された装置であって、
前記の結合手段は、（i）前記のコヒーレント光源により放出された前記の放射の前記の部分を前記の光ファイバの第１区域へ導入する第１結合器と、（ii）前記の光ファイバにおいてその第２区域で前記の放射の前記の部分を受け取る第２結合器とを含む、ことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１に記載された装置であって、
前記の予め決められた形状は、前記のセンサの前記の複数の端部の間に形成されたテーパー部であり、その周囲に対して露出されている、ことを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載された装置であって、
前記のファイバ内で進行する前記の放射のエバネッセント電界に前記の周囲がさらされている、ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載された装置であって、
前記のテーパー部は前記の光ファイバの加熱と断熱的引き延ばしにより形成された、ことを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源は光パラメトリック発生器である、ことを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源は光パラメトリックアンプである、ことを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源はレーザである、ことを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源はパルスレーザである、ことを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源は連続波のレーザである、ことを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１７，１９および２０のいずれかに記載された装置であって、
前記のレーザは光ファイバレーザである、ことを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項１９に記載された装置であって、
前記の連続波レーザは、狭いバンドを持つ波長可変の半導体レーザである、ことを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項１に記載された装置であって、
さらに、前記のレーザと前記の結合手段との間に結合される分離器を備え、この分離器は、前記のレーザから放出された放射と一列に配置され、レーザ内での雑音を最小にする、ことを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項１に記載された装置であって、
前記の歪みが前記の基板に誘起されるとき、前記の放射のエネルギー消費は、前記の結合手段により受け取られる前記の放射の減衰の割合を変える、ことを特徴とする装置。
【請求項２４】
請求項１に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバは、溶融石英を基にしたガラス、サファイヤを基にしたガラスおよびフッ化物を基にしたガラスのいずれかから作成される、ことを特徴とする装置。
【請求項２５】
請求項１に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバが中空ファイバから形成される、ことを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項２４または２５に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバがシングルモードのファイバである、ことを特徴とする装置。
【請求項２７】
請求項２４または２５に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバがマルチモードのファイバである、ことを特徴とする装置。
【請求項２８】
請求項１に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバがシングルモードのレーザであり、約１２５０ｎｍと約１６５０ｎｍの波長領域で波長可変であることを特徴とする装置。
【請求項２９】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源は約１３００ｎｍの波長を持つ、ことを特徴とする装置。
【請求項３０】
請求項１に記載された装置であって、
前記のコヒーレント放射源は約１５５０ｎｍの波長を持つ、ことを特徴とする装置。
【請求項３１】
請求項１に記載された装置であって、
前記の受動的な光ファイバは電磁波スペクトルの可視領域から中赤外領域までの間の波長で共鳴する、ことを特徴とする装置。
【請求項３２】
請求項１に記載された装置であって、
さらに、レーザからのエネルギーが前記の光ファイバへ提供された時間を決定する入力検出器を備える、ことを特徴とする装置。
【請求項３３】
請求項３２に記載された装置であって、さらに、
前記のレーザが前記の光ファイバにエネルギーを提供したことを前記の入力検出器が決定した後に、前記の光ファイバから放射を受け取る前記の結合手段に基づいて前記のレーザを不活性化する制御手段を備える、ことを特徴とする装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載された装置であって、
前記の制御手段と前記の入力検出器は、前記の処理手段に結合される、ことを特徴とする装置。
【請求項３５】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバの中に結合される前記の放射の前記の部分は、前記の結合手段に提供される前記の放射の約１％より少ない、ことを特徴とする装置。
【請求項３６】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバの中に結合される前記の放射の前記の部分は可変である、ことを特徴とする装置。
【請求項３７】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバの中に結合される前記の放射の前記の部分は、前記の受動的な光ファイバのリング内での損失に基づいて変化する、ことを特徴とする装置。
【請求項３８】
請求項３７に記載された装置であって、
前記の光ファイバ内での損失は少なくとも結合器の損失とファイバの損失に基づいている、ことを特徴とする装置。
【請求項３９】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバが少なくも約１ｍの長さである、ことを特徴とする装置。
【請求項４０】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバが少なくも約１０ｍの長さである、ことを特徴とする装置。
【請求項４１】
請求項１に記載された装置であって、
前記の光ファイバが少なくも約１ｋｍの長さである、ことを特徴とする装置。
【請求項４２】
歪みを測定する装置であって、
受動的な光ファイバのリングと、
前記のリングと一列に配置され、各々がテーパー部を備える、少なくとも１つのセンサと、
放射を放出するコヒーレント光源と、
前記のコヒーレント光源により放出された放射の少なくとも一部を前記の受動的な光ファイバのリングの第１区域に提供する、第１光結合器と、
前記の受動的な光ファイバのリングの中の放射の１部を前記の受動的な光ファイバのリングの第２区域から受け取る、第２光結合器と、
前記の第２光結合器に結合され、前記の第２光結合器により受け取られた前記の放射の減衰の割合に基づいて、前記の歪みのレベルを決定するプロセッサと
からなる装置。
【請求項４３】
請求項４２に記載された装置であって、さらに、
前記の第２の光結合器と前記のプロセッサの間に結合される第１の光検出器を備え、この第１の光検出器は、前記の第２の光結合器により受け取られる前記の放射に対応して信号を生成する、ことを特徴とする装置。
【請求項４４】
請求項４２に記載された装置であって、
さらに、前記の第１の光結合器と前記のプロセッサの間に結合される第２の光検出器を備え、この第２の光検出器は、前記のレーザからのエネルギーが前記の受動的な光ファイバのリングに提供される時を決定する、ことを特徴とする装置。
【請求項４５】
請求項４４に記載された装置であって、
さらに、前記の第２の光検出器は、前記のコヒーレント光源から放射を受け取ったことに応答して前記のプロセッサへのトリガー信号を生成する、ことを特徴とする装置。
【請求項４６】
請求項４２に記載された装置であって、
前記の第１と第２の光結合器は、一体化された１個の結合器である、ことを特徴とする装置。
【請求項４７】
請求項４２に記載された装置であって、
前記の少なくとも１個のセンサは、前記のセンサの複数の端部の間に配置された、予め形成された部分である、ことを特徴とする装置。
【請求項４８】
物体における歪みを測定する方法であって、
光ファイバの一部をテーパー化することにより光ファイバからセンサを形成し、
前記のセンサの複数の端部の間の一部が予め決められた量の弛緩を有するように前記のセンサを前記の材料に組み合わせ
前記の材料を歪みにさらし、
コヒーレント光源から放射を放出し、
前記のコヒーレント光源から放出される前記の放射の少なくとも一部を前記の光ファイバのリングの中に結合し、
前記の光ファイバのリングの中で伝播する前記の放射の一部を受け取り、
前記の光ファイバのリングの中での前記の放射の減衰の割合に基づいて歪みのレベルを決定する
方法。
【請求項４９】
請求項４８に記載された方法であって、
さらに、前記のファイバ内を進行する前記の放射のエバネッセント電界に前記の材料の周囲をさらす、ことを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項４９に記載された方法であって、さらに、
前記の材料の緩和状態を示す、前記のファイバ内での減衰の基礎ラインの割合を決定し、
この減衰の基礎ラインの割合を減衰の第１の割合と比較する、ことを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【公表番号】特表２００７−５３３９５９（Ｐ２００７−５３３９５９Ａ）
【公表日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２３９０８（Ｐ２００６−５２３９０８）
【出願日】平成１６年８月９日（２００４．８．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２５７５５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０３８４２３
【国際公開日】平成１７年４月２８日（２００５．４．２８）
【出願人】（５００１８４３０５）トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシティ (8)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月９日（２００４．８．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２５７５５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０３８４２３
【国際公開日】平成１７年４月２８日（２００５．４．２８）
【出願人】（５００１８４３０５）トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシティ (8)
【Ｆターム（参考）】
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