微量種の分光測定のための光ファイバ共振器における拡張されたエバネッセントフィールド露出の方法と装置
【課題】サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種を検出して測定するための改良された装置を提供する。
【解決手段】受動共振光ファイバ・リングと、上記光ファイバ・リングと一直線に配置されると共に、サンプル気体またはサンプル液体に露出されるテーパー部を有する少なくとも１つのセンサと、放射線を発射するコヒーレント放射源と、コヒーレント放射源によって発射される放射線の少なくとも一部を上記受動共振ファイバ・リングの第１のセクションへ供給するための第１の光カプラと、放射線の一部を上記共振ファイバ・リングの第２のセクションから受動共振ファイバ・リングにおいて受信するための第２の光カプラを備え、第２の光カプラに結合されて、第２の光カプラによって受信される放射線の減衰率に基づいて気体サンプルまたは液体サンプル内の微量種のレベルを決定する。
【解決手段】受動共振光ファイバ・リングと、上記光ファイバ・リングと一直線に配置されると共に、サンプル気体またはサンプル液体に露出されるテーパー部を有する少なくとも１つのセンサと、放射線を発射するコヒーレント放射源と、コヒーレント放射源によって発射される放射線の少なくとも一部を上記受動共振ファイバ・リングの第１のセクションへ供給するための第１の光カプラと、放射線の一部を上記共振ファイバ・リングの第２のセクションから受動共振ファイバ・リングにおいて受信するための第２の光カプラを備え、第２の光カプラに結合されて、第２の光カプラによって受信される放射線の減衰率に基づいて気体サンプルまたは液体サンプル内の微量種のレベルを決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して吸収分光法に関し、特に、リングダウン・キャビティ分光法のための光ファイバ共振器によって使用するための拡張されたエバネッセントフィールド領域を有する光ファイバ・センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
まず図面を参照すると、同じ参照数字が全体を通じて同じエレメントを指し、図１は、対数目盛上の電磁スペクトルを示す。分光学の研究対象は、スペクトルである。スペクトルの他の部分に関連する科学に対して、光学は特に、約１ｍｍから約１ｎｍまでの波長に及ぶ極めて狭い範囲の有効スペクトルである可視及び近可視光に関連している。近可視光は、赤より赤い色（赤外線）及び紫より紫である色（紫外線）を含む。この領域は、光が通常の材料製のほとんどのレンズ及びミラーによってでも処理されることが可能なほどどちら側の可視性にも及んで伸長する。材料の光学特性の波長依存性については、考慮されなければならない場合が多い。
【０００３】
吸収型分光法は、高感受性、マイクロ秒台の応答時間、毒に対する不感受性及び研究対象種以外の分子種による限定的干渉を提供する。吸収分光法は、様々な分子種を検出または識別することができる。従って吸収分光法は、重要な微量種の一般的な検出方法を提供する。気相において、種はその吸収力を急なスペクトル線の集合に濃縮させることから、この方法の感受性及び選択性は最適化される。スペクトルにおける狭い線は、大部分の干渉種との区別化に使用されることが可能である。
【０００４】
多くの産業プロセスにおいては、流れている気体流及び液体における微量種の濃度は、高度な速度及び精度で測定されかつ分析されなければならない。汚染物質の濃度は最終製品の品質にとって極めて重要である場合が多いことから、このような測定及び分析は必要とされる。Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、Ａｒ及びＨｅ等の気体は例えば集積回路の製造に使用され、これらの気体における不純物の存在は、１０億分の１（ｐｐｂ）のレベルであっても有害であり、演算回路の収率を下げる。従って、水を分光学的に監視することができる比較的高い感度は、半導体産業で使用される高純度ガスの製造業者にとって重要である。他の産業用途では、様々な不純物が検出されなければならない。さらに最近では、固有のものであれ故意に置かれるものであれ、液体中の不純物の存在が特に関心事となってきている。
【０００５】
分光法は、高純度ガスにおける気体汚染物質の１００万分の１（ｐｐｍ）レベルの検出を達成している。ｐｐｂレベルでの検出感度は、幾つかのケースで達成可能である。従って、従来的な長い経路長のセルにおける吸収測定、光音響分光法、周波数変調分光法及びイントラキャビティ・レーザ吸収分光法を含む気体中の定量的汚染監視のようなアプリケーションに幾つかの分光法が適用されている。これらの方法は、その使用を困難にしかつ産業上のアプリケーションには非実用的である、Ｌｅｈｍａｎｎに発行された米国特許第５，５２８，０４０号において論じられている幾つかの特徴を有する。従ってこれらは、ほとんど実験室での研究に限定されてきた。
【０００６】
これに対して、キャビティ・リングダウン分光法（ＣＲＤＳ）は、科学、産業プロセス制御及び大気微量ガス検出へのアプリケーションを伴う重要な分光技術となっている。ＣＲＤＳは、従来方法が十分な感度を保有しない低吸収レジームに秀でた光吸収の測定技術として実証されている。ＣＲＤＳは、高フィネス光共振器におけるフォトンの平均寿命を吸収感度可観測として使用する。
【０００７】
典型的には、共振器は、安定した光共振器を形成するように適正に構成された１対の公称上等価の狭帯域超高反射性誘電ミラーから製造される。レーザ・パルスはミラーを介して共振器へ入射され、フォトンの往復経過時間、共振器の長さ、種の吸収断面及び密度及び共振器の内在的損失（回折損失が無視できる程度である場合に主として周波数依存のミラー反射率に起因して発生する）の原因となる要素に依存する平均寿命を生きる。従って、光吸収の決定は従来の電力比測定から減衰時間の測定へ変換される。ＣＲＤＳの極限感度は共振器の内在的損失の規模によって決定されるが、これは、超低損失の光学素子の製造を許容する超研磨等の技術によって最小限に抑えられることが可能である。
【０００８】
現時点では、ＣＲＤＳは、高反射率の誘電ミラーを使用可能である分光領域に限定されている。十分に高い反射率を有するミラーは現在入手不可能であることから、これは、紫外及び赤外領域のほとんどにおいて本方法の有効性を著しく制限している。適切な誘電ミラーを使用可能である領域であっても、各ミラー・セットは、典型的には数パーセントの部分領域である小さい波長領域に渡るオペレーションしか見込んでいない。さらに、多くの誘電ミラーの構築は、特に化学的な腐食環境に曝されると経時的に品質が低下する可能性のある材料の使用を必要とする。現時点でのこれらの限定要素は多くの潜在的アプリケーションにおけるＣＲＤＳの使用を制限している、または妨げていることから、共振器の構築に関して現在の技術を改良するという明確に認識されたニーズが存在する。
【０００９】
Ｐｉｐｉｎｏ他の論文「内面全反射ミニキャビティを使用するエバネッセント波キャビティ・リングダウン分光法」Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６８（８）（１９９７年８月）は、改良された共振器構造への１つのアプローチを提示している。このアプローチは、少なくとも１つの凸型の小平面を有する正多角形幾何学形状（例えば正方形または八角形）のモノリシック内面全反射（ＴＩＲ）リング共振器を使用して安定性を誘導する。光パルスは、共振器の外側へかつこれに隣接して位置づけられる第１のプリズムにより全反射されてエバネッセント波が生成され、これは共振器へ進入してフォトン・トンネリングを介して共振器の安定モードを励起する。光は、臨界角より大きい角度で伝搬媒体より屈折率が低い表面上へ当たると完全に反射する。Ｊ．Ｄ．Ｊａｃｋｓｏｎ著「古典電気力学」第７章、Ｊｈｏｈ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ社、ニューヨーク州ニューヨーク（１９６２年）。しかしながら、反射点を超えたところには、非伝搬性であって距離による干渉の形成に伴って指数関数的に減衰する場が存在する。このエバネッセントフィールドは純粋な誘電媒体内では電力を運ばないが、反射波の減衰はエバネッセントフィールド領域における吸収種の存在の観察を可能にする。Ｆ．Ｍ．Ｍｉｒａｂｅｌｌａ（編）「内反射分光法」第２章、Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ社、ニューヨーク州ニューヨーク（１９９３年）。
【００１０】
共振器の全反射面に位置づけられる物質の吸収スペクトルは、検出器において第２のプリズム（共振器の外側であるが共振器に近接して位置づけられる同じく全反射性のプリズム）とのアウトカップリングにより受信される信号の時間依存性から抽出されるモノリシック共振器内のフォトンの平均寿命から取得される。従って、光学放射線はフォトン・トンネリングにより共振器へ入ってこれを出るが、これは入力及び出力カップリングの精密制御を許容する。その結果ＣＲＤＳの小型共振器が実現され、ＴＩＲリング共振器はＣＲＤＳ概念を濃縮物質分光法へと拡大させる。ＴＩＲの広帯域的性質は、従来の気相ＣＲＤＳにける誘電ミラーによって課される狭帯域幅制限を回避する。Ａ．Ｐｉｐｉｎｏ他による研究は、本質的に短い全吸収経路長に、よって強い吸収強度に限定されるＴＩＲ分光法にのみ適用可能である。これに対して、本発明は長い吸収経路長を供給し、よって弱い吸収強度の検出を見込んでいる。
【００１１】
ミラーを基礎とするＣＲＤＳシステムに対する様々な新規手法は、Ｌｅｈｍａｎｎ他に発行されかつ参照により本開示に含まれる米国特許第５，９７３，８６４号、第６，０９７，５５５号、第６，１７２，８２３号Ｂ１及び第６，１７２，８２４号Ｂ１に提供されている。これらの手法は、２つの反射素子またはプリズム素子によって形成される近共焦点共振器の使用を教示している。
【００１２】
図２は、先行技術によるＣＲＤＳ装置１０を示す。図２に示すように、光は狭帯域可同調連続波ダイオード・レーザ２０から発生される。レーザ２０は温度制御器３０によって温度を調節され、その波長がアナライトの所望されるスペクトル線上へ置かれる。アイソレータ４０は、レーザ２０から発射される放射線の前に、かつ放射線と一直線になるように配置される。アイソレータ４０は一方向の透過経路を供給し、放射線をレーザ２０から離れて進行させるが、放射線が反対方向へ進むことを防止する。シングルモードのファイバ・カプラ（Ｆ．Ｃ．）５０は、レーザ２０から発射される光を光ファイバ４８にカップリングする。ファイバ・カプラ５０は、アイソレータ４０の前に、かつこれと一直線になるように配置される。ファイバ・カプラ５０は光ファイバ４８を受信してこれを保持し、かつレーザ２０から発射される放射線を第１のレンズ４６の方へ、当該レンズを介して方向づける。第１のレンズ４６は、放射線を集めて集束させる。レーザ２０によって発射されるビーム・パターンは光ファイバ４８内を伝搬する光のパターンに完全には一致しないことから、不可避的な不一致損失が存在する。
【００１３】
レーザ放射線は、リングダウン・キャビティ（ＲＤＣ）セル６０にモードをほぼ一致される。反射ミラー５２は、放射線をビーム・スプリッタ５４へ向けて方向づける。ビーム・スプリッタ５４は、放射線の約９０％を第２のレンズ５６を通るように方向づける。第２のレンズ５６は、放射線を集めてセル６０へ集束させる。残りの放射線はビーム・スプリッタ５４を通過し、反射ミラー５８によってアナライト参照セル９０内へ方向づけられる。
【００１４】
アナライト参照セル９０を透過される放射線は、第４のレンズ９２の方へ、当該レンズを介して方向づけられる。第４のレンズ９２は、アナライト参照セル９０と第２の光検出器９４（ＰＤ２）との間にインラインに組み込まれる。光検出器９４は、コンピュータ及び制御エレクトロニクス１００へ入力を供給する。
【００１５】
セル６０は、軸ａ沿いに近共焦点エタロンとしてインラインに組み込まれる２つの高反射ミラー６２、６４から製造される。ミラー６２、６４は、セル６０の入力及び出力ウィンドウを構成する。調査されるサンプル・ガスは、セル６０の光軸ａと同軸である狭管６６を通って流れる。ミラー６２、６４は、セル６０の光学的整合の調節を可能にすべく真空密着ベローで密封される調節可能なフランジまたはマウント上へ配置される。
【００１６】
ミラー６２、６４は高反射性の誘電被覆を有し、かつこの被覆がセル６０によって形成されるキャビティの内側へ向くように配向される。レーザ光の極く一部はフロント・ミラー６２を介してセル６０へ入り、セル６０のキャビティ内部で前後に「廻る」。セル６０のリヤ・ミラー６４（反射鏡）を透過した光は、第３のレンズ６８の方へ、当該レンズを介して方向づけられ、次に第１の光検出器７０（ＰＤ１）上へ結像される。光検出器７０及び９４の各々は、着信する光ビームを電流に変換し、よってコンピュータ及び制御エレクトロニクス１００へ入力信号を供給する。入力信号は、キャビティ・リングダウンの減衰率を表す。
【００１７】
図３は、先行技術によるＣＲＤＳ共振器１００内部の光路を示す。図３に示すように、ＣＲＤＳのための共振器１００は、２つのブルースター角再帰反射体プリズム５０、５２の使用を基礎としている。偏光角またはブルースター角θＢは、プリズム５０に対して示されている。入射光１２及び出射光１４は各々、プリズム５２への入力及びプリズム５２からの出力として示されている。共振性の光ビームは、各プリズム５０、５２において損失なしに、石英ガラス及び他のほとんどの一般的な光学プリズム材料の臨界角より大きい角度である約４５゜で２つの内面全反射を受ける。光は、プリズム５０、５２間を光軸５４に沿って進む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながらリングダウン・キャビティ分光法は、他の分光法に比べればより単純でありかつ実装費用も少ないが、リングダウン・キャビティ分光システムは１ユニット当たり約何千ドルもかかる可能性がある点でやはり高価である。さらに従来のＣＲＤＳデバイスは、製造中及び使用中に光学素子間の配置が狂いがちである。
【００１９】
改良された共振器構造への周知のアプローチにおける上記欠点を克服するために、ＣＲＤＳのための光ファイバを基礎とする新たな光共振器を提供する。本発明の目的は、従来の光ファイバ・センサを拡張されたエバネッセントフィールド部分を有するセンサに交換し、これにより、さらに感度の高い光ファイバ・センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的及び他の目的を達成するため、及びその目的に鑑みて、本発明は、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種を検出して測定するための改良された装置を提供する。本装置は、受動共振光ファイバ・リングと、上記光ファイバ・リングとインラインに組み込まれると共に、サンプル気体またはサンプル液体に露出されるテーパー部を有する少なくとも１つのセンサと、放射線を発射するコヒーレント放射源と、上記コヒーレント放射源によって発射される放射線の少なくとも一部を上記受動共振ファイバ・リングの第１のセクションへ供給するための第１の光カプラと、上記放射線の一部を上記共振ファイバ・リングの第２のセクションから上記受動共振ファイバ・リングにおいて受信するための第２の光カプラと、上記第２の光カプラに結合されて、上記第２の光カプラによって受信される放射線の減衰率に基づいて気体サンプルまたは液体サンプル内の微量種のレベルを決定するためのプロセッサとを備える。
【００２１】
上記装置において、好ましくは、第２の光カプラと上記プロセッサとの間に結合されて、上記第２の光カプラにより受信される放射線に応答する信号を発生させるための第１の光検出器をさらに備える。
【００２２】
上記装置において、好ましくは、第１の光カプラと上記プロセッサとの間に結合されて、上記レーザからのエネルギーが上記受動光ファイバ・リングへ供給されるときを決定するための第２の光検出器をさらに備える。
【００２３】
上記装置において、好ましくは、第２の光検出器が、上記コヒーレント放射源からの放射線の受信に応答して上記プロセッサへトリガ信号を発生させる。
【００２４】
上記装置において、好ましくは、第１及び第２の光カプラが一体のカプラである。
【００２５】
上記装置において、好ましくは、所定の半径を有する上記センサの一部を形成するために上記センサのテーパー部に結合される少なくとも１つの円筒形本体をさらに備え、上記サンプル液体またはサンプル気体の少なくとも一部は上記センサの形成される一部に接触する。
【００２６】
本発明のさらに別の態様によれば、本装置は、受動共振光ファイバ・リングと、上記光ファイバとインラインに組み込まれると共に、サンプル気体またはサンプル液体に露出される「Ｄ」字形断面部分を有する少なくとも１つのセンサと、放射線を発射するコヒーレント放射源と、上記コヒーレント放射源によって発射される放射線の少なくとも一部を上記受動共振ファイバ・リングの第１のセクションへ供給するための第１の光カプラと、上記放射線の一部を上記共振ファイバ・リングの第２のセクションから上記受動共振ファイバ・リングにおいて受信するための第２の光カプラと、上記第２の光カプラに結合されて、上記第２の光カプラによって受信される放射線の減衰率に基づいて気体サンプルまたは液体サンプル内の微量種のレベルを決定するためのプロセッサとを備える。
【００２７】
上記装置において、好ましくは、所定の半径を有する上記センサの一部を形成するために上記センサの「Ｄ」字形断面部分に結合される少なくとも１つの円筒形本体をさらに備え、上記サンプル液体またはサンプル気体の少なくとも一部は上記センサの形成される一部に接触する。
【００２８】
本発明の別の態様によれば、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方において微量種を検出しかつ測定するための方法であって、該方法は、光ファイバの一部をテーパー付けすることにより上記光ファイバからセンサを形成する工程と、上記光ファイバの上記テーパー部を上記サンプル気体またはサンプル液体に露出する工程と、コヒーレント放射源から放射線を発射する工程と、上記コヒーレント放射源から発射される放射線の少なくとも一部を上記光ファイバ・リングに結合させる工程と、上記光ファイバ・リング内を進む放射線の一部を受信する工程と、上記光ファイバ・リング内の放射線の減衰率に基づいて、気体または液体サンプルにおける微量種のレベルを決定する工程、とを備える。
【００２９】
上記方法において、好ましくは、所定の半径で上記微量種の吸収周波数に基づいて上記受動光ファイバ・リングのテーパー部の少なくとも一部を形成する工程と、
上記センサの形成された部分を上記サンプル液体またはサンプル気体へ露出する工程とをさらに備える。
【００３０】
本発明のさらに別の態様によれば、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方において微量種を検出しかつ測定するための方法であって、該方法は、光ファイバのクラッドの一部を除去して「Ｄ」字形の断面を形成することにより、上記光ファイバからセンサを製造する工程と、上記光ファイバの「Ｄ」字形の断面部分を上記サンプル気体またはサンプル液体に露出する工程と、コヒーレント放射源から放射線を発射する工程と、
上記コヒーレント放射源から発射される放射線の少なくとも一部を上記光ファイバ・リングに結合させる工程と、上記光ファイバ・リング内を進む放射線の一部を受信する工程と、上記光ファイバ・リング内の放射線の減衰率に基づいて、気体または液体サンプルにおける微量種のレベルを決定する工程、とを備える。
【００３１】
本発明のまたさらなる態様によれば、キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、該センサは、それぞれが第１の直径を有する第１のコアとクラッドとを有する受動光ファイバと、上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置されるテーパー部とを備え、上記テーパー部はそれぞれが第２の直径を有する第２のコアとクラッドとを有し、上記第２のコアの直径は上記第１のコアの直径より小さく、上記第２のクラッドの直径は上記第１のクラッドの直径より小さく、上記テーパー部は、上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出される。
【００３２】
本発明のさらに別の態様によれば、キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、該センサは、個々の第１の直径を有するコアと第１のクラッドとを有する受動光ファイバと、上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置される研磨された部分とを備え、上記研磨された部分は実質的に「Ｄ」字形である断面を有するクラッドを有し、上記研磨された部分は、上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出される。
【００３３】
本発明のさらなる態様によれば、キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、該センサは、それぞれが第１の直径を有するコアと第１のクラッドとを有する受動光ファイバと、上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置されるテーパー部とを備え、上記テーパー部は上記コアと第２のクラッドとを有し、上記第２のクラッドは上記第１のクラッドの直径より小さい直径を有し、上記テーパー部は上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出される。
【００３４】
前述の一般説明及び以下の詳細な説明は共に本発明を例示するものであって、限定的なものでない点は理解されるべきである。
【００３５】
本発明は、添付の図面に関連する下記の詳細な説明を読めば最も良く理解される。また慣例により、図面の様々な特徴は縮尺通りでないことを強調しておく。反対に、様々な特徴の寸法は明確を期すために任意に拡大または縮小されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
２００１年１２月１２日に提出された米国特許出願第１０／０１７，３６７号の開示内容は全て、参照により明示的に本開示に含まれる。
【００３７】
図４は、気体または液体内の微量種またはアナライトをそれによって検出することができる、本発明の第１の例示的実施形態による光ファイバを基礎とするリングダウン装置４００を示す。図４において、装置４００は、光ファイバ・ケーブル４０２と光ファイバ・ケーブル４０２の長さに沿って分布されるセンサ５００（後に詳述する）とを有する共振光ファイバ・リング４０８を含む。共振光ファイバ・リング４０８の長さは、例えば物理的プラントの様々なセクションを検出する、または通過する全周等の様々な捕捉状況に容易に適合可能である。センサ５００は、図に示すように共振光ファイバ・リング４０８の長さに沿って複数分布されるが、所望されれば本発明は、センサ５００を１つだけ使用して実施されることも可能である。２つ以上のセンサ５００の分布は、据付けサイトを通じた様々なポイントでの微量種のサンプリングを見込んでいる。本発明はまた、複数のセンサ５００とサンプル液体または気体に露出されるファイバ４０２の直線部分との組み合わせを使用して、またはサンプル液体または気体に露出されるファイバ４０２の直線部分のみによって実施されることも可能である。共振光ファイバ・リングの長さは、約１メートルほどの小さいもの、または数キロメートルもある大きいものであり得ることが企図されている。
【００３８】
例えば光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）またはレーザ等であるコヒーレント放射源４０４は、調査対象であるアナライトまたは微量種の吸収周波数に合致する波長で放射線を発射する。コヒーレント放射源４０４は、調査対象である微量種を基礎とする狭帯域を有する可同調ダイオード・レーザであることが可能である。市販されている光パラメトリック増幅器の一例は、カリフォルニア州マウンテンビュー所在のＳｐｅｃｔｒａ Ｐｈｙｓｉｃｓから入手可能な型番ＯＰＡ−８００Ｃである。
【００３９】
コヒーレント放射源４０４の周波数とアナライトとの関連の例を、表１に略示する。表１は単なる例示であり、本発明の範囲を限定すべく意図されたものではない。さらに、本発明は、人類及び／または動物にとって有害な様々な化学薬品及び生物学的因子を検出するために使用可能であることが企図されている。また、このような検出は、受動光ファイバ・リングの表面を、所望される抗原を特別に拘束する抗体で被覆することによって強化される可能性があることも企図されている。
【００４０】
【表１】
【００４１】
第１の例示的実施形態では、コヒーレント放射源４０４からの放射線は、任意選択的な光アイソレータ４０６、カプラ４１０及びエバネッセント入力カプラ４１２を介して共振光ファイバ・リング４０８へ供給される。コヒーレント放射源４０４がダイオード・レーザであるとき、光アイソレータ４０６の使用は、レーザへの逆反射を防止することによりレーザにおけるノイズを最小限に抑えるという恩恵をもたらす。エバネッセント入力カプラ４１２は、コヒーレント放射源４０４からの放射線の一定割合を共振光ファイバ・リング４０８へと供給することが可能である、または共振光ファイバ・リング４０８全体に存在する損失に基づいて調節可能であり得る。好適には、エバネッセント入力カプラ４１２により共振光ファイバ・リング４０８へ供給される放射線の量は、光ファイバ・ケーブル４０２及びコネクタ（図示されていない）内に存在する損失に一致する。放射線の１％カップリング（分割比９９％／１％のカップリング）をもたらす市販のエバネッセント・カプラは、ニュージャージー州ニュートン所在のＴｈｏｒＬａｂｓによって製造され、部品番号１０２０２Ａ−９９を有する。ある好適な実施形態では、エバネッセント入力カプラ４１２は上記コヒーレント放射源４０４からの放射線の１％未満をファイバ４０２へ結合する。
【００４２】
ある例示的実施形態では、微量種またはアナライトを検出するために、光ファイバ・ケーブル４０２を被覆するジャケット４０２ａの一部が除去され、光ファイバ・ケーブル４０２のコア４０２ｃを包囲するクラッド４０２ｂが露出される。代替として、ジャケット４０２ａ及びクラッド４０２ｂが共に除去されてコア４０２ｃが露出されるか、または光ファイバ・ケーブル４０２の被覆された部分がサンプル液体または気体に露出されるか、の何れかであることも可能である。後者の手法は、例えばエバネッセントフィールド（後述する）がジャケット内へ伸長して微量種（ジャケット内へ吸収または溶解されている）と相互作用するといったケースにおいて有益である可能性がある。しかしながらジャケットとクラッドとを共に除去する手法の方は、所定のタイプの光ファイバ・ケーブルにおいて使用されるコア４０２ｃは本質的に脆弱であることから最も好適であるとは言えない可能性がある。典型的な光ファイバ・ケーブルの断面を、図５Ａに示す。
【００４３】
内面全反射（ＴＩＲ）素子を曲げると、入射する電磁波が反射面に接触する角度が変わる。光ファイバを円筒形本体を中心にして曲げる場合、本体の反対側のファイバ核の表面上の反射角は直角に近くなり、エバネッセントフィールドの透過度は増大される。円筒コア素子５０２の周りにファイバ４０２を数周巻くと（図５Ｂ参照）、エバネッセントフィールドの透過度は増大され、より小さい物理的容積内でより長いファイバを検出流体へ露出させることができる。変化する曲げ半径を介して検出する光ファイバの改良の実験的検証は、Ｄ．Ｌｉｔｔｌｅｊｏｈｎ他により「近赤外線分光法のための曲げシリカ・ファイバ・エバネッセント吸収センサ」応用分光学５３：８４５−８４９（１９９９年）において論じられている。
【００４４】
図５Ｂは、液体または気体サンプル内の微量種を検出するために使用される例示的なセンサ５００を示す。図５Ｂに示すように、センサ５００はマンドレル等の（中実、中空またはそうでなければ透過性である）円筒コア素子５０２を含み、（この例では）露出されたクラッド４０２ｂを有する光ファイバ・ケーブル４０２の一部は、コア素子５０２の周りへ所定の長さ５０６に渡って巻き付けられている。また、光ファイバ・ケーブル４０２のコア４０２ｃが露出されてコア素子５０２に巻き付けられることによりセンサ５００が製造されることも可能である。コア素子５０２の直径はコア４０２ｃが臨界半径ｒより小さい半径で形成される類のものであり、臨界半径ｒにおいて過剰放射線はコア素子５０２を囲みながらコア４０２ｃを介して失われる可能性があり、そうでなければファイバとしての完全性が危うくされる。臨界半径ｒは、光ファイバ・ケーブル４０２を通過する放射線の周波数及び／またはファイバの構成によって決まる。本発明のある好適な実施形態では、コア素子５０２の半径は約１ｃｍ乃至１０ｃｍであり、最も好適には少なくとも約１ｃｍである。図に示すように、ファイバ４０２からの放射線は入力５０４で供給され、出力５０８で引き出される。円筒コア素子５０２は、その表面にファイバ４０２が配置される螺旋状の溝、及びファイバ４０２を円筒コア素子５０２へ固定するための手段を有することが可能である。このような固定手段は、円筒コア素子５０２内へ打ち込まれるねじ、エポキシまたはシリコンゴム等の接着剤、等の多くの形態をとることが可能である。本発明は、センサ５００がファイバ４０２と一体式である場合、または市販の光ファイバ・コネクタを使用してファイバ４０２へ結合され得る場合にも実施されることが可能である。
【００４５】
図６Ａは、放射線が典型的な光ファイバ・ケーブルを介して如何に伝搬するかを示す。図６Ａに示すように、放射線６０６は、コア４０２ｃとクラッド４０２ｂとの境界において内面全反射（ＴＩＲ）を示す。放射線が反射されず、クラッド４０２ｂ内へ吸収される僅かな損失（図示されていない）は幾分か存在する。図６Ａは光ファイバ・ケーブルとして示されているが、図６Ａ及び本発明の例示的実施形態は、クラッド４０２ｂが中空の核を包囲している中空の導波管のような中空ファイバにも等しく適用可能である。
【００４６】
図６Ｂはセンサ５００のある例示的実施形態の断面図であり、コア素子５０２の周囲への光ファイバ・ケーブル４０２の巻き付けによる効果を示している。図６Ｂに示すように、光ファイバ・ケーブル４０２からはジャケット４０２ａのみが除去されている。放射線６０６は核４０２ｃ内を進み、コア４０２ｃとコア素子５０２に隣接するクラッドの一部４０２ｂ−１との境界で僅かな損失６０９を伴って内面全反射を示す。一方で、微量種またはアナライト６１０の存在下では、コア４０２ｃとクラッドの露出された部分４０２ｂ−２との間のインタフェースをエバネッセントフィールド６０８が通過する。これは本質的に、存在する微量種６１０の量に基づいて放射線６０６を減衰させることから減衰内面全反射（ＡＴＲ）と呼ばれる。放射線の波長に適合する吸収帯域を有する微量種の存在がなければ、放射線６０６は（ファイバ固有の損失以外には）減衰されないことは留意されるべきである。
【００４７】
図６Ｃはセンサ５００の別の例示的実施形態の断面図であり、ジャケット４０２ａの一部は損なわれずにおかれた状態でのコア素子５０２の周囲への光ファイバ・ケーブル４０２の巻き付けによる効果を示している。図６Ｄに示すように、光ファイバ・ケーブル４０２からはジャケット４０２ａの上部のみが除去されている。センサ５００の第１の例示的実施形態に類似して、放射線６０６は核４０２ｃ内を進み、コア４０２ｃとコア素子５０２に隣接するクラッドの一部４０２ｂ−１との境界で僅かな損失６０９を伴って内面全反射を示す。一方で、微量種またはアナライト６１０の存在下では、コア４０２ｃとクラッドの露出された部分４０２ｂ−２との間のインタフェースをエバネッセントフィールド６０８が通過する。
【００４８】
（センサ５００の何れの例でも）ジャケット４０２ａの除去は、従来の光ファイバ剥離ツール等の機械的手段によって、またはクラッド４０２ｂ及びコア４０２ｃに影響することなくジャケット４０２ａを侵蝕しかつ溶解する溶剤内へファイバ・ケーブルの一部を浸漬することによって達成され得ることが企図されている。ジャケット４０２ａの部分的除去の場合、溶剤手法は、除去することが意図されるジャケットの部分に溶剤を選択的に作用させることにより修正されることが可能である。
【００４９】
液体サンプルにおける微量種のアナライト分子の吸引力を強化するために、受動光ファイバ・リングのジャケットのない部分は、光ファイバ・リングの被覆された部分における微量種の濃度を選択的に高める物質で被覆されることが可能である。このような被覆材の一例は、ポリエチレンである。さらに、抗原特異結合材を使用してファイバを被覆し、高い特異性を有する所望される生物学的アナライトを吸引することもできる。
【００５０】
再度図４を参照すると、センサ５００を通過後に残存する放射線はファイバ・ループ４０２を介して留まる。この残留する放射線の一部は、エバネッセント出力カプラ４１６によって光ファイバ・ループ４０２の外へ結合される。エバネッセント出力カプラ４１６は、検出器４１８及び信号線４２２を介してプロセッサ４２０へ結合される。プロセッサ４２０は、例えば検出器４１８のアナログ出力をデジタル信号に変換して処理するための手段を有するＰＣであることが可能である。プロセッサ４２０はまた、制御線４２４を介してコヒーレント放射源４０４を制御する。プロセッサ４２０によって検出器４１８から信号が受信されると、プロセッサは、受信された放射線の減衰率を基礎として存在する微量種の量及びタイプを決定することが可能である。
【００５１】
任意選択的に、エバネッセント出力カプラ４１６と検出器４１８との間には波長セレクタ４３０を配置することができる。波長セレクタ４３０は、所定の範囲内でない放射線が検出器４１８へ入力されることを防止するフィルタとして作用する。
【００５２】
入力カプラ４１２の出力には、検出器４１４が結合される。検出器４１４の出力は、信号線４２２を介してプロセッサ４２０へ供給され、共振光ファイバ・リング４０２が微量種分析を実行するに足る放射線を受信したときを決定する際に使用される。
【００５３】
液体中の微量種またはアナライトを検出する場合、液体の屈折率は光ファイバ・ケーブルの屈折率より小さいものでなければならない。例えば、屈折率ｎ＝１．４６を有する光ファイバ・ケーブルを所与とすれば、本発明は、水（ｎ＝１．３３）及び例えばメタノール（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）及びテトラヒドロフラン（ｎ＝１．４０４）を含む多くの有機溶剤中に溶解している微量種の検出に使用されることが可能である。化学物質及びその個々の屈折率の広範なリストは、参照により本開示に含まれる「第５２版ＣＲＣ科学／物理学ハンドブック」Ｒｏｂｅｒ Ｃ．Ｗｅａｓｔ編、Ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ、オハイオ州クリーブランド、１９７１年、Ｅ−２０１ページ、に記述されている。異なる屈折率を有する利用可能な他のタイプの光ファイバも存在し、本発明は、光ファイバが液体より高い屈折率を有しかつ目標アナライトによる吸収帯域内で光を効果的に伝送させることを想定して、所与の液体マトリクスに合わせて調整されることが可能である。
【００５４】
現時点で入手可能な光ファイバは、多くの異なるタイプが存在する。電気通信アプリケーションに標準用途を有するＣｏｒｎｉｎｇ社のＳＭＦ−２８ｅヒューズ・シリカ・ファイバは、その一例である。多数の異なる波長で光を伝送する特殊ファイバは、テキサス州オースティン所在の３Ｍ社製４８８ｎｍ／５１４ｎｍシングルモード・ファイバ（部品番号ＦＳ−ＶＳ−２６１４）、テキサス州オースティン所在の３Ｍ社製６３０ｎｍ可視波長シングルモード・ファイバ（部品番号ＦＳ−ＳＮ−３２２４）、テキサス州オースティン所在の３Ｍ社製８２０ｎｍ規格シングルモード・ファイバ（部品番号ＦＳ−ＳＮ−４２２４）及び日本国所在のＫＤＤ Ｆｉｂｅｒｌａｂｓ製４ミクロン透過を有する０．２８−ＮＡフッ化物ガラスファイバ（部品番号ＧＦ−Ｆ−１６０）等が存在する。また、先にも述べたように、光ファイバ・ケーブル４０２は中空のファイバである場合もある。
【００５５】
ファイバ４０２は、遙かに高いアナライト吸収強度を有するスペクトル領域へのアクセスを見込み、これにより装置４００の感度を増加させる中赤外線透過ファイバであり得ることが企図されている。この領域で放射線を透過させるファイバは、典型的にはフッ化物ガラスから製造される。
【００５６】
図７は、気体及び液体中の微量種またはアナライトがそれを介して検出され得る本発明の第２の例示的実施形態を示す。図７の説明に当たっては、第１の例示的実施形態に関連して説明したものに類似する機能を実行するエレメントは同じ参照番号を使用する。図７において、装置７００は、光ファイバ・ケーブル４０２とセンサ５００とを含む類似の共振光ファイバ・リング４０８を使用する。コヒーレント放射源４０４からの放射線は、任意選択的な光アイソレータ４０６、カプラ４１０及びエバネッセント入力／出力カプラ４３４を介して共振光ファイバ・リング４０８へ供給される。エバネッセント入力／出力カプラ４３４は、コヒーレント放射源４０４からの放射線の一定割合を共振光ファイバ・リング４０８へと供給することが可能である、または共振光ファイバ・リング４０４全体に存在する損失を基礎として調節可能であり得る。本例示的実施形態では、エバネッセント入力／出力カプラ４３４は本質的に、第１の例示的実施形態に関連して先に論じたエバネッセント入力カプラ４１２を再構成したものである。ある好適な実施形態では、エバネッセント入力／出力カプラ４３４はレーザ４０４からの放射線の１％未満をファイバ４０２へ結合する。
【００５７】
微量種の検出は第１の例示的実施形態において説明したものと同様であり、よってここでは説明を省く。
【００５８】
センサ５００を通過後に残存する放射線はファイバ・ループ４０２を介して留まる。この残留する放射線の一部は、エバネッセント入力／出力カプラ４３４によって光ファイバ・ループ４０２の外へ結合される。エバネッセント入力／出力カプラ４３４は、検出器４１８及び信号線４２２を介してプロセッサ４２０へ結合される。また第１の例示的実施形態の場合のように、プロセッサ４２０は、制御線４２４を介してコヒーレント放射源４０４を制御する。プロセッサ４２０によって検出器４１８から信号が受信されると、プロセッサは、受信された放射線の減衰率を基礎として存在する微量種の量及びタイプを決定することが可能である。
【００５９】
任意選択的に、エバネッセント入力／出力カプラ４３４と検出器４１８との間には波長セレクタ４３０を配置することができる。波長セレクタ４３０は、所定の範囲内でない放射線が検出器４１８へ入力されることを防止するフィルタとして作用する。波長セレクタ４３０はまた、コヒーレント放射源４０４からの放射線がファイバ４０２へとカップリングされた後の時間期間中にコヒーレント放射源４０４からの放射線が検出器４１８を「見えなくさせる」ことを防止するようにプロセッサ４２０によって制御されることが可能である。
【００６０】
図８Ａ乃至８Ｄは、液体または気体サンプル内の微量種を検出するために使用される別の例示的センサ８００を示す。図８Ａ及び８Ｄに示すように、センサ８００はファイバ８０１から、コア８０４及びクラッド８０５を先細にして先細のコア８０８と先細のクラッド８０９とを有する先細の領域８０２を生成することにより製造される。先細の領域８０２の形成は、２つの技術の何れかを使用して達成されることが可能である。第１の技術は、ファイバ８０１の局所化されたセクションを加熱し、同時にセンサ８００の形成が所望される当該領域の何れかの側を断熱的に引っ張るというものである。この手順は、ファイバ８０１内に連続したテーパを生成する。この先細のファイバは次に、例えば第１の例示的実施形態よる分光センサとして使用されることが可能である。第２の例示的技術では、先細の領域８０２は、化学薬品を使用して所定の厚さのファイバ・クラッド８０５を制御可能に除去し、先細のクラッド８０９を形成することによって製造されることが可能である。第２の技術を使用して製造されるセンサについては、図１０Ａ乃至１０Ｃを参照して後に詳述する。
【００６１】
図８Ｂは、テーパ前領域及びテーパ後領域におけるセンサ８００の断面を示す。図８Ｂに示すように、コア８０４とクラッド８０５とは変更されない状態にある。光ファイバ・ケーブル８０１の少なくとも一部分にはこのようなジャケッティングの発生が想定されているが、単純さを期してこれらの図面及び説明は光ファイバ・ケーブル８０１のジャケッティングに言及していないことは留意されるべきである。
【００６２】
図８Ｃは、先細の領域８０２におけるセンサ８００の断面を示す。図８Ｃに示すように、先細のコア８０８及び先細のクラッド８０９は各々、コア８０４及びクラッド８０５に比べて大幅に低減された直径を有する。先細の領域８０２は、特定のアプリケーションを基礎として所望される任意の長さであることが可能である。本例示的実施形態では、例えば図８Ｄに示すように、先細の領域の長さは約４ｍｍであり、くびれた部分の直径８１４は約１２ミクロンである。
【００６３】
再度図８Ａを参照すると、コア８０４の領域におけるエバネッセントフィールド８０６は狭く、先細の領域８０２における拡張されたエバネッセントフィールド８１０に比べると限定されている。図に示すように、拡張されたエバネッセントフィールド８１０は、先の例示的実施形態に関して既に論じたように微量種（図示されていない）へ容易に露出され、よって領域８１２における微量種をより良く検出することができる。
【００６４】
図９Ａ乃至９Ｃは、液体または気体サンプル内の微量種を検出するために使用されるさらに別の例示的センサ９００を示す。図９Ａに示すように、センサ９００はファイバ９０１から、クラッド９０５の一部を除去して実質的に「Ｄ」字形である断面領域９０２を生成することにより製造される。「Ｄ」字形の断面領域９０２の製造は、例えば研磨剤を使用して光ファイバ・クラッド９０５の片側を研磨することにより達成されることが可能である。研磨剤は、誘導されるモード品質を維持するようにクラッド９０５を領域９０２に沿って絶えず増大する深度で除去し、最終的には最小のクラッド厚さ９０９の先端で最大深度に到達するように使用される。最低のクラッド厚さであるこの領域は、最大エバネッセント露出領域９１０を表す。
【００６５】
図１０Ａ乃至１０Ｃは、液体または気体サンプル内の微量種を検出するために使用されるさらに別の例示的センサ１０００を示す。センサ１０００は、先細センサの例示的実施形態に関して先に説明した第２の技術を使用して製造される。図１０Ａに示すように、センサ１０００は、当事者には周知の化学薬品を使用してクラッド１００５の一部を除去し、先細のクラッド１００９を有する先細の領域１００２を生成することによりファイバ１００１から製造される。コアの任意の部分が害される、または除去されるとセンサ１０００に重大な損失がもたらされることから、化学薬品にこうした部分を一切害させない、または除去させないようにすることが重要である。
【００６６】
図１０Ｂは、テーパ前領域及びテーパ後領域におけるセンサ１０００の断面を示す。図１０Ｂに示すように、コア１００４とクラッド１００５とは変更されない状態にある。この場合もやはり、光ファイバ・ケーブル１００１の少なくとも一部分にはこのようなジャケッティングの発生が想定されているが、単純さを期してこれらの図面及び説明は光ファイバ・ケーブル１００１のジャケッティングに言及していないことは留意されるべきである。
【００６７】
図１０Ｃは、先細の領域１００２におけるセンサ１０００の断面を示す。図１０Ｃに示すように、コア１００４に影響はないが、先細のクラッド１００９はクラッド１００５に比べて大幅に低減された直径を有する。先細の領域１００２は、特定のアプリケーションを基礎として所望される任意の長さであることが可能である。例えば本例示的実施形態では、先細の領域の長さは約４ｍｍであり、くびれた部分の直径１０１４は約１２ミクロンである。
【００６８】
再度図１０Ａを参照すると、コア１００４の領域におけるエバネッセントフィールド１００６は狭く、先細の領域１００２における拡張されたエバネッセントフィールド１０１０に比べると限定されている。図に示すように、拡張されたエバネッセントフィールド１０１０は、先の例示的実施形態に関して既に論じたように微量種（図示されていない）へ容易に露出され、よって領域１０１２における微量種をより良く検出することができる。
【００６９】
上述のセンサ８００、９００及び１０００に関連して、センサを製造することにより光ファイバ内に生成される損失は、ファイバ変更より前に所望される検出限度にふさわしいテーパ径または研磨深度を決定することによってエバネッセントフィールドの露出量と均衡されることが可能である。さらに、各々テーパリング及び研磨作業に起因して増大される脆弱性を補償するためにセンサ８００、９００及び／または１０００のための防護マウンティングを供給することが望ましい可能性がある。
【００７０】
センサ８００、９００及び／または１０００は、（図５Ｂに示すような）マンドレル等の（中実、中空またはそうでなければ透過性であることが可能な）円筒コア素子５０２上の無制限のファイバとして、またはループもしくは曲がった構成（図示されていない）での何れかで使用され得ることが企図されている。
【００７１】
センサ８００、９００及び１０００は、調査対象のアナライトを吸引する生物学的因子等の濃縮物質で検出領域を被覆することによりさらに拡張されることが可能である。このような生物学的因子は、一般的な当事者には周知である。また、幾つかの検出領域８００、９００及び／または１０００は分布されたリングダウン・センサを生成するように光ファイバ・ケーブルの長さに沿って形成され得ることも企図されている。
【００７２】
本明細書では、所定の特定実施形態を参照して図示及び説明を行っているが、本発明が示された詳細事項に限定されることは意図されていない。請求内容の等価の範囲及び領域内で、かつ本発明の精神を逸脱することなく詳細事項の様々な変更を行うことは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】対数目盛上の電磁スペクトルを示す。
【図２】ミラーを使用する先行技術ＣＲＤＳシステムを示す。
【図３】プリズムを使用する先行技術ＣＲＤＳセルを示す。
【図４】本発明の第１の例示的実施形態を示す。
【図５Ａ】従来型光ファイバの端面図である。
【図５Ｂ】本発明の例示的な一実施形態によるセンサの斜視図である。
【図６Ａ】ケーブル内の放射線伝搬を示す光ファイバ・ケーブルの断面図である。
【図６Ｂ】本発明のある例示的実施形態によるエバネッセントフィールドを示す光ファイバ・センサの断面である。
【図６Ｃ】本発明の別の例示的実施形態によるエバネッセントフィールドを示す光ファイバ・センサの断面である。
【図６Ｄ】図６Ｃに示す光ファイバ・センサの光ファイバ・ケーブルからジャケットの上部のみが除去された断面を示す。
【図７】本発明の第２の例示的実施形態を示す。
【図８Ａ】本発明の第３の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図８Ｂ】本発明の第３の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図８Ｃ】本発明の第３の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図８Ｄ】本発明の第３の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図９Ａ】本発明の第４の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図９Ｂ】本発明の第４の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図９Ｃ】本発明の第４の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図１０Ａ】本発明の第５の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図１０Ｂ】本発明の第５の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図１０Ｃ】本発明の第５の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【符号の説明】
【００７４】
４００ リングダウン装置、 ４０２ 光ファイバ・ケーブル、 ４０２ａ ジャケット、 ４０２ｂ クラッド、 ４０２ｃ コア、 ４０４ コヒーレント放射源、 ４０６ 光アイソレータ、 ４０８ 共振光ファイバ・リング、 ４１０ カプラ、 ４１２ エバネッセント入力カプラ、 ５００ センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して吸収分光法に関し、特に、リングダウン・キャビティ分光法のための光ファイバ共振器によって使用するための拡張されたエバネッセントフィールド領域を有する光ファイバ・センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
まず図面を参照すると、同じ参照数字が全体を通じて同じエレメントを指し、図１は、対数目盛上の電磁スペクトルを示す。分光学の研究対象は、スペクトルである。スペクトルの他の部分に関連する科学に対して、光学は特に、約１ｍｍから約１ｎｍまでの波長に及ぶ極めて狭い範囲の有効スペクトルである可視及び近可視光に関連している。近可視光は、赤より赤い色（赤外線）及び紫より紫である色（紫外線）を含む。この領域は、光が通常の材料製のほとんどのレンズ及びミラーによってでも処理されることが可能なほどどちら側の可視性にも及んで伸長する。材料の光学特性の波長依存性については、考慮されなければならない場合が多い。
【０００３】
吸収型分光法は、高感受性、マイクロ秒台の応答時間、毒に対する不感受性及び研究対象種以外の分子種による限定的干渉を提供する。吸収分光法は、様々な分子種を検出または識別することができる。従って吸収分光法は、重要な微量種の一般的な検出方法を提供する。気相において、種はその吸収力を急なスペクトル線の集合に濃縮させることから、この方法の感受性及び選択性は最適化される。スペクトルにおける狭い線は、大部分の干渉種との区別化に使用されることが可能である。
【０００４】
多くの産業プロセスにおいては、流れている気体流及び液体における微量種の濃度は、高度な速度及び精度で測定されかつ分析されなければならない。汚染物質の濃度は最終製品の品質にとって極めて重要である場合が多いことから、このような測定及び分析は必要とされる。Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、Ａｒ及びＨｅ等の気体は例えば集積回路の製造に使用され、これらの気体における不純物の存在は、１０億分の１（ｐｐｂ）のレベルであっても有害であり、演算回路の収率を下げる。従って、水を分光学的に監視することができる比較的高い感度は、半導体産業で使用される高純度ガスの製造業者にとって重要である。他の産業用途では、様々な不純物が検出されなければならない。さらに最近では、固有のものであれ故意に置かれるものであれ、液体中の不純物の存在が特に関心事となってきている。
【０００５】
分光法は、高純度ガスにおける気体汚染物質の１００万分の１（ｐｐｍ）レベルの検出を達成している。ｐｐｂレベルでの検出感度は、幾つかのケースで達成可能である。従って、従来的な長い経路長のセルにおける吸収測定、光音響分光法、周波数変調分光法及びイントラキャビティ・レーザ吸収分光法を含む気体中の定量的汚染監視のようなアプリケーションに幾つかの分光法が適用されている。これらの方法は、その使用を困難にしかつ産業上のアプリケーションには非実用的である、Ｌｅｈｍａｎｎに発行された米国特許第５，５２８，０４０号において論じられている幾つかの特徴を有する。従ってこれらは、ほとんど実験室での研究に限定されてきた。
【０００６】
これに対して、キャビティ・リングダウン分光法（ＣＲＤＳ）は、科学、産業プロセス制御及び大気微量ガス検出へのアプリケーションを伴う重要な分光技術となっている。ＣＲＤＳは、従来方法が十分な感度を保有しない低吸収レジームに秀でた光吸収の測定技術として実証されている。ＣＲＤＳは、高フィネス光共振器におけるフォトンの平均寿命を吸収感度可観測として使用する。
【０００７】
典型的には、共振器は、安定した光共振器を形成するように適正に構成された１対の公称上等価の狭帯域超高反射性誘電ミラーから製造される。レーザ・パルスはミラーを介して共振器へ入射され、フォトンの往復経過時間、共振器の長さ、種の吸収断面及び密度及び共振器の内在的損失（回折損失が無視できる程度である場合に主として周波数依存のミラー反射率に起因して発生する）の原因となる要素に依存する平均寿命を生きる。従って、光吸収の決定は従来の電力比測定から減衰時間の測定へ変換される。ＣＲＤＳの極限感度は共振器の内在的損失の規模によって決定されるが、これは、超低損失の光学素子の製造を許容する超研磨等の技術によって最小限に抑えられることが可能である。
【０００８】
現時点では、ＣＲＤＳは、高反射率の誘電ミラーを使用可能である分光領域に限定されている。十分に高い反射率を有するミラーは現在入手不可能であることから、これは、紫外及び赤外領域のほとんどにおいて本方法の有効性を著しく制限している。適切な誘電ミラーを使用可能である領域であっても、各ミラー・セットは、典型的には数パーセントの部分領域である小さい波長領域に渡るオペレーションしか見込んでいない。さらに、多くの誘電ミラーの構築は、特に化学的な腐食環境に曝されると経時的に品質が低下する可能性のある材料の使用を必要とする。現時点でのこれらの限定要素は多くの潜在的アプリケーションにおけるＣＲＤＳの使用を制限している、または妨げていることから、共振器の構築に関して現在の技術を改良するという明確に認識されたニーズが存在する。
【０００９】
Ｐｉｐｉｎｏ他の論文「内面全反射ミニキャビティを使用するエバネッセント波キャビティ・リングダウン分光法」Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６８（８）（１９９７年８月）は、改良された共振器構造への１つのアプローチを提示している。このアプローチは、少なくとも１つの凸型の小平面を有する正多角形幾何学形状（例えば正方形または八角形）のモノリシック内面全反射（ＴＩＲ）リング共振器を使用して安定性を誘導する。光パルスは、共振器の外側へかつこれに隣接して位置づけられる第１のプリズムにより全反射されてエバネッセント波が生成され、これは共振器へ進入してフォトン・トンネリングを介して共振器の安定モードを励起する。光は、臨界角より大きい角度で伝搬媒体より屈折率が低い表面上へ当たると完全に反射する。Ｊ．Ｄ．Ｊａｃｋｓｏｎ著「古典電気力学」第７章、Ｊｈｏｈ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ社、ニューヨーク州ニューヨーク（１９６２年）。しかしながら、反射点を超えたところには、非伝搬性であって距離による干渉の形成に伴って指数関数的に減衰する場が存在する。このエバネッセントフィールドは純粋な誘電媒体内では電力を運ばないが、反射波の減衰はエバネッセントフィールド領域における吸収種の存在の観察を可能にする。Ｆ．Ｍ．Ｍｉｒａｂｅｌｌａ（編）「内反射分光法」第２章、Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ社、ニューヨーク州ニューヨーク（１９９３年）。
【００１０】
共振器の全反射面に位置づけられる物質の吸収スペクトルは、検出器において第２のプリズム（共振器の外側であるが共振器に近接して位置づけられる同じく全反射性のプリズム）とのアウトカップリングにより受信される信号の時間依存性から抽出されるモノリシック共振器内のフォトンの平均寿命から取得される。従って、光学放射線はフォトン・トンネリングにより共振器へ入ってこれを出るが、これは入力及び出力カップリングの精密制御を許容する。その結果ＣＲＤＳの小型共振器が実現され、ＴＩＲリング共振器はＣＲＤＳ概念を濃縮物質分光法へと拡大させる。ＴＩＲの広帯域的性質は、従来の気相ＣＲＤＳにける誘電ミラーによって課される狭帯域幅制限を回避する。Ａ．Ｐｉｐｉｎｏ他による研究は、本質的に短い全吸収経路長に、よって強い吸収強度に限定されるＴＩＲ分光法にのみ適用可能である。これに対して、本発明は長い吸収経路長を供給し、よって弱い吸収強度の検出を見込んでいる。
【００１１】
ミラーを基礎とするＣＲＤＳシステムに対する様々な新規手法は、Ｌｅｈｍａｎｎ他に発行されかつ参照により本開示に含まれる米国特許第５，９７３，８６４号、第６，０９７，５５５号、第６，１７２，８２３号Ｂ１及び第６，１７２，８２４号Ｂ１に提供されている。これらの手法は、２つの反射素子またはプリズム素子によって形成される近共焦点共振器の使用を教示している。
【００１２】
図２は、先行技術によるＣＲＤＳ装置１０を示す。図２に示すように、光は狭帯域可同調連続波ダイオード・レーザ２０から発生される。レーザ２０は温度制御器３０によって温度を調節され、その波長がアナライトの所望されるスペクトル線上へ置かれる。アイソレータ４０は、レーザ２０から発射される放射線の前に、かつ放射線と一直線になるように配置される。アイソレータ４０は一方向の透過経路を供給し、放射線をレーザ２０から離れて進行させるが、放射線が反対方向へ進むことを防止する。シングルモードのファイバ・カプラ（Ｆ．Ｃ．）５０は、レーザ２０から発射される光を光ファイバ４８にカップリングする。ファイバ・カプラ５０は、アイソレータ４０の前に、かつこれと一直線になるように配置される。ファイバ・カプラ５０は光ファイバ４８を受信してこれを保持し、かつレーザ２０から発射される放射線を第１のレンズ４６の方へ、当該レンズを介して方向づける。第１のレンズ４６は、放射線を集めて集束させる。レーザ２０によって発射されるビーム・パターンは光ファイバ４８内を伝搬する光のパターンに完全には一致しないことから、不可避的な不一致損失が存在する。
【００１３】
レーザ放射線は、リングダウン・キャビティ（ＲＤＣ）セル６０にモードをほぼ一致される。反射ミラー５２は、放射線をビーム・スプリッタ５４へ向けて方向づける。ビーム・スプリッタ５４は、放射線の約９０％を第２のレンズ５６を通るように方向づける。第２のレンズ５６は、放射線を集めてセル６０へ集束させる。残りの放射線はビーム・スプリッタ５４を通過し、反射ミラー５８によってアナライト参照セル９０内へ方向づけられる。
【００１４】
アナライト参照セル９０を透過される放射線は、第４のレンズ９２の方へ、当該レンズを介して方向づけられる。第４のレンズ９２は、アナライト参照セル９０と第２の光検出器９４（ＰＤ２）との間にインラインに組み込まれる。光検出器９４は、コンピュータ及び制御エレクトロニクス１００へ入力を供給する。
【００１５】
セル６０は、軸ａ沿いに近共焦点エタロンとしてインラインに組み込まれる２つの高反射ミラー６２、６４から製造される。ミラー６２、６４は、セル６０の入力及び出力ウィンドウを構成する。調査されるサンプル・ガスは、セル６０の光軸ａと同軸である狭管６６を通って流れる。ミラー６２、６４は、セル６０の光学的整合の調節を可能にすべく真空密着ベローで密封される調節可能なフランジまたはマウント上へ配置される。
【００１６】
ミラー６２、６４は高反射性の誘電被覆を有し、かつこの被覆がセル６０によって形成されるキャビティの内側へ向くように配向される。レーザ光の極く一部はフロント・ミラー６２を介してセル６０へ入り、セル６０のキャビティ内部で前後に「廻る」。セル６０のリヤ・ミラー６４（反射鏡）を透過した光は、第３のレンズ６８の方へ、当該レンズを介して方向づけられ、次に第１の光検出器７０（ＰＤ１）上へ結像される。光検出器７０及び９４の各々は、着信する光ビームを電流に変換し、よってコンピュータ及び制御エレクトロニクス１００へ入力信号を供給する。入力信号は、キャビティ・リングダウンの減衰率を表す。
【００１７】
図３は、先行技術によるＣＲＤＳ共振器１００内部の光路を示す。図３に示すように、ＣＲＤＳのための共振器１００は、２つのブルースター角再帰反射体プリズム５０、５２の使用を基礎としている。偏光角またはブルースター角θＢは、プリズム５０に対して示されている。入射光１２及び出射光１４は各々、プリズム５２への入力及びプリズム５２からの出力として示されている。共振性の光ビームは、各プリズム５０、５２において損失なしに、石英ガラス及び他のほとんどの一般的な光学プリズム材料の臨界角より大きい角度である約４５゜で２つの内面全反射を受ける。光は、プリズム５０、５２間を光軸５４に沿って進む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながらリングダウン・キャビティ分光法は、他の分光法に比べればより単純でありかつ実装費用も少ないが、リングダウン・キャビティ分光システムは１ユニット当たり約何千ドルもかかる可能性がある点でやはり高価である。さらに従来のＣＲＤＳデバイスは、製造中及び使用中に光学素子間の配置が狂いがちである。
【００１９】
改良された共振器構造への周知のアプローチにおける上記欠点を克服するために、ＣＲＤＳのための光ファイバを基礎とする新たな光共振器を提供する。本発明の目的は、従来の光ファイバ・センサを拡張されたエバネッセントフィールド部分を有するセンサに交換し、これにより、さらに感度の高い光ファイバ・センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的及び他の目的を達成するため、及びその目的に鑑みて、本発明は、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種を検出して測定するための改良された装置を提供する。本装置は、受動共振光ファイバ・リングと、上記光ファイバ・リングとインラインに組み込まれると共に、サンプル気体またはサンプル液体に露出されるテーパー部を有する少なくとも１つのセンサと、放射線を発射するコヒーレント放射源と、上記コヒーレント放射源によって発射される放射線の少なくとも一部を上記受動共振ファイバ・リングの第１のセクションへ供給するための第１の光カプラと、上記放射線の一部を上記共振ファイバ・リングの第２のセクションから上記受動共振ファイバ・リングにおいて受信するための第２の光カプラと、上記第２の光カプラに結合されて、上記第２の光カプラによって受信される放射線の減衰率に基づいて気体サンプルまたは液体サンプル内の微量種のレベルを決定するためのプロセッサとを備える。
【００２１】
上記装置において、好ましくは、第２の光カプラと上記プロセッサとの間に結合されて、上記第２の光カプラにより受信される放射線に応答する信号を発生させるための第１の光検出器をさらに備える。
【００２２】
上記装置において、好ましくは、第１の光カプラと上記プロセッサとの間に結合されて、上記レーザからのエネルギーが上記受動光ファイバ・リングへ供給されるときを決定するための第２の光検出器をさらに備える。
【００２３】
上記装置において、好ましくは、第２の光検出器が、上記コヒーレント放射源からの放射線の受信に応答して上記プロセッサへトリガ信号を発生させる。
【００２４】
上記装置において、好ましくは、第１及び第２の光カプラが一体のカプラである。
【００２５】
上記装置において、好ましくは、所定の半径を有する上記センサの一部を形成するために上記センサのテーパー部に結合される少なくとも１つの円筒形本体をさらに備え、上記サンプル液体またはサンプル気体の少なくとも一部は上記センサの形成される一部に接触する。
【００２６】
本発明のさらに別の態様によれば、本装置は、受動共振光ファイバ・リングと、上記光ファイバとインラインに組み込まれると共に、サンプル気体またはサンプル液体に露出される「Ｄ」字形断面部分を有する少なくとも１つのセンサと、放射線を発射するコヒーレント放射源と、上記コヒーレント放射源によって発射される放射線の少なくとも一部を上記受動共振ファイバ・リングの第１のセクションへ供給するための第１の光カプラと、上記放射線の一部を上記共振ファイバ・リングの第２のセクションから上記受動共振ファイバ・リングにおいて受信するための第２の光カプラと、上記第２の光カプラに結合されて、上記第２の光カプラによって受信される放射線の減衰率に基づいて気体サンプルまたは液体サンプル内の微量種のレベルを決定するためのプロセッサとを備える。
【００２７】
上記装置において、好ましくは、所定の半径を有する上記センサの一部を形成するために上記センサの「Ｄ」字形断面部分に結合される少なくとも１つの円筒形本体をさらに備え、上記サンプル液体またはサンプル気体の少なくとも一部は上記センサの形成される一部に接触する。
【００２８】
本発明の別の態様によれば、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方において微量種を検出しかつ測定するための方法であって、該方法は、光ファイバの一部をテーパー付けすることにより上記光ファイバからセンサを形成する工程と、上記光ファイバの上記テーパー部を上記サンプル気体またはサンプル液体に露出する工程と、コヒーレント放射源から放射線を発射する工程と、上記コヒーレント放射源から発射される放射線の少なくとも一部を上記光ファイバ・リングに結合させる工程と、上記光ファイバ・リング内を進む放射線の一部を受信する工程と、上記光ファイバ・リング内の放射線の減衰率に基づいて、気体または液体サンプルにおける微量種のレベルを決定する工程、とを備える。
【００２９】
上記方法において、好ましくは、所定の半径で上記微量種の吸収周波数に基づいて上記受動光ファイバ・リングのテーパー部の少なくとも一部を形成する工程と、
上記センサの形成された部分を上記サンプル液体またはサンプル気体へ露出する工程とをさらに備える。
【００３０】
本発明のさらに別の態様によれば、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方において微量種を検出しかつ測定するための方法であって、該方法は、光ファイバのクラッドの一部を除去して「Ｄ」字形の断面を形成することにより、上記光ファイバからセンサを製造する工程と、上記光ファイバの「Ｄ」字形の断面部分を上記サンプル気体またはサンプル液体に露出する工程と、コヒーレント放射源から放射線を発射する工程と、
上記コヒーレント放射源から発射される放射線の少なくとも一部を上記光ファイバ・リングに結合させる工程と、上記光ファイバ・リング内を進む放射線の一部を受信する工程と、上記光ファイバ・リング内の放射線の減衰率に基づいて、気体または液体サンプルにおける微量種のレベルを決定する工程、とを備える。
【００３１】
本発明のまたさらなる態様によれば、キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、該センサは、それぞれが第１の直径を有する第１のコアとクラッドとを有する受動光ファイバと、上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置されるテーパー部とを備え、上記テーパー部はそれぞれが第２の直径を有する第２のコアとクラッドとを有し、上記第２のコアの直径は上記第１のコアの直径より小さく、上記第２のクラッドの直径は上記第１のクラッドの直径より小さく、上記テーパー部は、上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出される。
【００３２】
本発明のさらに別の態様によれば、キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、該センサは、個々の第１の直径を有するコアと第１のクラッドとを有する受動光ファイバと、上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置される研磨された部分とを備え、上記研磨された部分は実質的に「Ｄ」字形である断面を有するクラッドを有し、上記研磨された部分は、上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出される。
【００３３】
本発明のさらなる態様によれば、キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、該センサは、それぞれが第１の直径を有するコアと第１のクラッドとを有する受動光ファイバと、上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置されるテーパー部とを備え、上記テーパー部は上記コアと第２のクラッドとを有し、上記第２のクラッドは上記第１のクラッドの直径より小さい直径を有し、上記テーパー部は上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出される。
【００３４】
前述の一般説明及び以下の詳細な説明は共に本発明を例示するものであって、限定的なものでない点は理解されるべきである。
【００３５】
本発明は、添付の図面に関連する下記の詳細な説明を読めば最も良く理解される。また慣例により、図面の様々な特徴は縮尺通りでないことを強調しておく。反対に、様々な特徴の寸法は明確を期すために任意に拡大または縮小されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
２００１年１２月１２日に提出された米国特許出願第１０／０１７，３６７号の開示内容は全て、参照により明示的に本開示に含まれる。
【００３７】
図４は、気体または液体内の微量種またはアナライトをそれによって検出することができる、本発明の第１の例示的実施形態による光ファイバを基礎とするリングダウン装置４００を示す。図４において、装置４００は、光ファイバ・ケーブル４０２と光ファイバ・ケーブル４０２の長さに沿って分布されるセンサ５００（後に詳述する）とを有する共振光ファイバ・リング４０８を含む。共振光ファイバ・リング４０８の長さは、例えば物理的プラントの様々なセクションを検出する、または通過する全周等の様々な捕捉状況に容易に適合可能である。センサ５００は、図に示すように共振光ファイバ・リング４０８の長さに沿って複数分布されるが、所望されれば本発明は、センサ５００を１つだけ使用して実施されることも可能である。２つ以上のセンサ５００の分布は、据付けサイトを通じた様々なポイントでの微量種のサンプリングを見込んでいる。本発明はまた、複数のセンサ５００とサンプル液体または気体に露出されるファイバ４０２の直線部分との組み合わせを使用して、またはサンプル液体または気体に露出されるファイバ４０２の直線部分のみによって実施されることも可能である。共振光ファイバ・リングの長さは、約１メートルほどの小さいもの、または数キロメートルもある大きいものであり得ることが企図されている。
【００３８】
例えば光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）またはレーザ等であるコヒーレント放射源４０４は、調査対象であるアナライトまたは微量種の吸収周波数に合致する波長で放射線を発射する。コヒーレント放射源４０４は、調査対象である微量種を基礎とする狭帯域を有する可同調ダイオード・レーザであることが可能である。市販されている光パラメトリック増幅器の一例は、カリフォルニア州マウンテンビュー所在のＳｐｅｃｔｒａ Ｐｈｙｓｉｃｓから入手可能な型番ＯＰＡ−８００Ｃである。
【００３９】
コヒーレント放射源４０４の周波数とアナライトとの関連の例を、表１に略示する。表１は単なる例示であり、本発明の範囲を限定すべく意図されたものではない。さらに、本発明は、人類及び／または動物にとって有害な様々な化学薬品及び生物学的因子を検出するために使用可能であることが企図されている。また、このような検出は、受動光ファイバ・リングの表面を、所望される抗原を特別に拘束する抗体で被覆することによって強化される可能性があることも企図されている。
【００４０】
【表１】
【００４１】
第１の例示的実施形態では、コヒーレント放射源４０４からの放射線は、任意選択的な光アイソレータ４０６、カプラ４１０及びエバネッセント入力カプラ４１２を介して共振光ファイバ・リング４０８へ供給される。コヒーレント放射源４０４がダイオード・レーザであるとき、光アイソレータ４０６の使用は、レーザへの逆反射を防止することによりレーザにおけるノイズを最小限に抑えるという恩恵をもたらす。エバネッセント入力カプラ４１２は、コヒーレント放射源４０４からの放射線の一定割合を共振光ファイバ・リング４０８へと供給することが可能である、または共振光ファイバ・リング４０８全体に存在する損失に基づいて調節可能であり得る。好適には、エバネッセント入力カプラ４１２により共振光ファイバ・リング４０８へ供給される放射線の量は、光ファイバ・ケーブル４０２及びコネクタ（図示されていない）内に存在する損失に一致する。放射線の１％カップリング（分割比９９％／１％のカップリング）をもたらす市販のエバネッセント・カプラは、ニュージャージー州ニュートン所在のＴｈｏｒＬａｂｓによって製造され、部品番号１０２０２Ａ−９９を有する。ある好適な実施形態では、エバネッセント入力カプラ４１２は上記コヒーレント放射源４０４からの放射線の１％未満をファイバ４０２へ結合する。
【００４２】
ある例示的実施形態では、微量種またはアナライトを検出するために、光ファイバ・ケーブル４０２を被覆するジャケット４０２ａの一部が除去され、光ファイバ・ケーブル４０２のコア４０２ｃを包囲するクラッド４０２ｂが露出される。代替として、ジャケット４０２ａ及びクラッド４０２ｂが共に除去されてコア４０２ｃが露出されるか、または光ファイバ・ケーブル４０２の被覆された部分がサンプル液体または気体に露出されるか、の何れかであることも可能である。後者の手法は、例えばエバネッセントフィールド（後述する）がジャケット内へ伸長して微量種（ジャケット内へ吸収または溶解されている）と相互作用するといったケースにおいて有益である可能性がある。しかしながらジャケットとクラッドとを共に除去する手法の方は、所定のタイプの光ファイバ・ケーブルにおいて使用されるコア４０２ｃは本質的に脆弱であることから最も好適であるとは言えない可能性がある。典型的な光ファイバ・ケーブルの断面を、図５Ａに示す。
【００４３】
内面全反射（ＴＩＲ）素子を曲げると、入射する電磁波が反射面に接触する角度が変わる。光ファイバを円筒形本体を中心にして曲げる場合、本体の反対側のファイバ核の表面上の反射角は直角に近くなり、エバネッセントフィールドの透過度は増大される。円筒コア素子５０２の周りにファイバ４０２を数周巻くと（図５Ｂ参照）、エバネッセントフィールドの透過度は増大され、より小さい物理的容積内でより長いファイバを検出流体へ露出させることができる。変化する曲げ半径を介して検出する光ファイバの改良の実験的検証は、Ｄ．Ｌｉｔｔｌｅｊｏｈｎ他により「近赤外線分光法のための曲げシリカ・ファイバ・エバネッセント吸収センサ」応用分光学５３：８４５−８４９（１９９９年）において論じられている。
【００４４】
図５Ｂは、液体または気体サンプル内の微量種を検出するために使用される例示的なセンサ５００を示す。図５Ｂに示すように、センサ５００はマンドレル等の（中実、中空またはそうでなければ透過性である）円筒コア素子５０２を含み、（この例では）露出されたクラッド４０２ｂを有する光ファイバ・ケーブル４０２の一部は、コア素子５０２の周りへ所定の長さ５０６に渡って巻き付けられている。また、光ファイバ・ケーブル４０２のコア４０２ｃが露出されてコア素子５０２に巻き付けられることによりセンサ５００が製造されることも可能である。コア素子５０２の直径はコア４０２ｃが臨界半径ｒより小さい半径で形成される類のものであり、臨界半径ｒにおいて過剰放射線はコア素子５０２を囲みながらコア４０２ｃを介して失われる可能性があり、そうでなければファイバとしての完全性が危うくされる。臨界半径ｒは、光ファイバ・ケーブル４０２を通過する放射線の周波数及び／またはファイバの構成によって決まる。本発明のある好適な実施形態では、コア素子５０２の半径は約１ｃｍ乃至１０ｃｍであり、最も好適には少なくとも約１ｃｍである。図に示すように、ファイバ４０２からの放射線は入力５０４で供給され、出力５０８で引き出される。円筒コア素子５０２は、その表面にファイバ４０２が配置される螺旋状の溝、及びファイバ４０２を円筒コア素子５０２へ固定するための手段を有することが可能である。このような固定手段は、円筒コア素子５０２内へ打ち込まれるねじ、エポキシまたはシリコンゴム等の接着剤、等の多くの形態をとることが可能である。本発明は、センサ５００がファイバ４０２と一体式である場合、または市販の光ファイバ・コネクタを使用してファイバ４０２へ結合され得る場合にも実施されることが可能である。
【００４５】
図６Ａは、放射線が典型的な光ファイバ・ケーブルを介して如何に伝搬するかを示す。図６Ａに示すように、放射線６０６は、コア４０２ｃとクラッド４０２ｂとの境界において内面全反射（ＴＩＲ）を示す。放射線が反射されず、クラッド４０２ｂ内へ吸収される僅かな損失（図示されていない）は幾分か存在する。図６Ａは光ファイバ・ケーブルとして示されているが、図６Ａ及び本発明の例示的実施形態は、クラッド４０２ｂが中空の核を包囲している中空の導波管のような中空ファイバにも等しく適用可能である。
【００４６】
図６Ｂはセンサ５００のある例示的実施形態の断面図であり、コア素子５０２の周囲への光ファイバ・ケーブル４０２の巻き付けによる効果を示している。図６Ｂに示すように、光ファイバ・ケーブル４０２からはジャケット４０２ａのみが除去されている。放射線６０６は核４０２ｃ内を進み、コア４０２ｃとコア素子５０２に隣接するクラッドの一部４０２ｂ−１との境界で僅かな損失６０９を伴って内面全反射を示す。一方で、微量種またはアナライト６１０の存在下では、コア４０２ｃとクラッドの露出された部分４０２ｂ−２との間のインタフェースをエバネッセントフィールド６０８が通過する。これは本質的に、存在する微量種６１０の量に基づいて放射線６０６を減衰させることから減衰内面全反射（ＡＴＲ）と呼ばれる。放射線の波長に適合する吸収帯域を有する微量種の存在がなければ、放射線６０６は（ファイバ固有の損失以外には）減衰されないことは留意されるべきである。
【００４７】
図６Ｃはセンサ５００の別の例示的実施形態の断面図であり、ジャケット４０２ａの一部は損なわれずにおかれた状態でのコア素子５０２の周囲への光ファイバ・ケーブル４０２の巻き付けによる効果を示している。図６Ｄに示すように、光ファイバ・ケーブル４０２からはジャケット４０２ａの上部のみが除去されている。センサ５００の第１の例示的実施形態に類似して、放射線６０６は核４０２ｃ内を進み、コア４０２ｃとコア素子５０２に隣接するクラッドの一部４０２ｂ−１との境界で僅かな損失６０９を伴って内面全反射を示す。一方で、微量種またはアナライト６１０の存在下では、コア４０２ｃとクラッドの露出された部分４０２ｂ−２との間のインタフェースをエバネッセントフィールド６０８が通過する。
【００４８】
（センサ５００の何れの例でも）ジャケット４０２ａの除去は、従来の光ファイバ剥離ツール等の機械的手段によって、またはクラッド４０２ｂ及びコア４０２ｃに影響することなくジャケット４０２ａを侵蝕しかつ溶解する溶剤内へファイバ・ケーブルの一部を浸漬することによって達成され得ることが企図されている。ジャケット４０２ａの部分的除去の場合、溶剤手法は、除去することが意図されるジャケットの部分に溶剤を選択的に作用させることにより修正されることが可能である。
【００４９】
液体サンプルにおける微量種のアナライト分子の吸引力を強化するために、受動光ファイバ・リングのジャケットのない部分は、光ファイバ・リングの被覆された部分における微量種の濃度を選択的に高める物質で被覆されることが可能である。このような被覆材の一例は、ポリエチレンである。さらに、抗原特異結合材を使用してファイバを被覆し、高い特異性を有する所望される生物学的アナライトを吸引することもできる。
【００５０】
再度図４を参照すると、センサ５００を通過後に残存する放射線はファイバ・ループ４０２を介して留まる。この残留する放射線の一部は、エバネッセント出力カプラ４１６によって光ファイバ・ループ４０２の外へ結合される。エバネッセント出力カプラ４１６は、検出器４１８及び信号線４２２を介してプロセッサ４２０へ結合される。プロセッサ４２０は、例えば検出器４１８のアナログ出力をデジタル信号に変換して処理するための手段を有するＰＣであることが可能である。プロセッサ４２０はまた、制御線４２４を介してコヒーレント放射源４０４を制御する。プロセッサ４２０によって検出器４１８から信号が受信されると、プロセッサは、受信された放射線の減衰率を基礎として存在する微量種の量及びタイプを決定することが可能である。
【００５１】
任意選択的に、エバネッセント出力カプラ４１６と検出器４１８との間には波長セレクタ４３０を配置することができる。波長セレクタ４３０は、所定の範囲内でない放射線が検出器４１８へ入力されることを防止するフィルタとして作用する。
【００５２】
入力カプラ４１２の出力には、検出器４１４が結合される。検出器４１４の出力は、信号線４２２を介してプロセッサ４２０へ供給され、共振光ファイバ・リング４０２が微量種分析を実行するに足る放射線を受信したときを決定する際に使用される。
【００５３】
液体中の微量種またはアナライトを検出する場合、液体の屈折率は光ファイバ・ケーブルの屈折率より小さいものでなければならない。例えば、屈折率ｎ＝１．４６を有する光ファイバ・ケーブルを所与とすれば、本発明は、水（ｎ＝１．３３）及び例えばメタノール（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）及びテトラヒドロフラン（ｎ＝１．４０４）を含む多くの有機溶剤中に溶解している微量種の検出に使用されることが可能である。化学物質及びその個々の屈折率の広範なリストは、参照により本開示に含まれる「第５２版ＣＲＣ科学／物理学ハンドブック」Ｒｏｂｅｒ Ｃ．Ｗｅａｓｔ編、Ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ、オハイオ州クリーブランド、１９７１年、Ｅ−２０１ページ、に記述されている。異なる屈折率を有する利用可能な他のタイプの光ファイバも存在し、本発明は、光ファイバが液体より高い屈折率を有しかつ目標アナライトによる吸収帯域内で光を効果的に伝送させることを想定して、所与の液体マトリクスに合わせて調整されることが可能である。
【００５４】
現時点で入手可能な光ファイバは、多くの異なるタイプが存在する。電気通信アプリケーションに標準用途を有するＣｏｒｎｉｎｇ社のＳＭＦ−２８ｅヒューズ・シリカ・ファイバは、その一例である。多数の異なる波長で光を伝送する特殊ファイバは、テキサス州オースティン所在の３Ｍ社製４８８ｎｍ／５１４ｎｍシングルモード・ファイバ（部品番号ＦＳ−ＶＳ−２６１４）、テキサス州オースティン所在の３Ｍ社製６３０ｎｍ可視波長シングルモード・ファイバ（部品番号ＦＳ−ＳＮ−３２２４）、テキサス州オースティン所在の３Ｍ社製８２０ｎｍ規格シングルモード・ファイバ（部品番号ＦＳ−ＳＮ−４２２４）及び日本国所在のＫＤＤ Ｆｉｂｅｒｌａｂｓ製４ミクロン透過を有する０．２８−ＮＡフッ化物ガラスファイバ（部品番号ＧＦ−Ｆ−１６０）等が存在する。また、先にも述べたように、光ファイバ・ケーブル４０２は中空のファイバである場合もある。
【００５５】
ファイバ４０２は、遙かに高いアナライト吸収強度を有するスペクトル領域へのアクセスを見込み、これにより装置４００の感度を増加させる中赤外線透過ファイバであり得ることが企図されている。この領域で放射線を透過させるファイバは、典型的にはフッ化物ガラスから製造される。
【００５６】
図７は、気体及び液体中の微量種またはアナライトがそれを介して検出され得る本発明の第２の例示的実施形態を示す。図７の説明に当たっては、第１の例示的実施形態に関連して説明したものに類似する機能を実行するエレメントは同じ参照番号を使用する。図７において、装置７００は、光ファイバ・ケーブル４０２とセンサ５００とを含む類似の共振光ファイバ・リング４０８を使用する。コヒーレント放射源４０４からの放射線は、任意選択的な光アイソレータ４０６、カプラ４１０及びエバネッセント入力／出力カプラ４３４を介して共振光ファイバ・リング４０８へ供給される。エバネッセント入力／出力カプラ４３４は、コヒーレント放射源４０４からの放射線の一定割合を共振光ファイバ・リング４０８へと供給することが可能である、または共振光ファイバ・リング４０４全体に存在する損失を基礎として調節可能であり得る。本例示的実施形態では、エバネッセント入力／出力カプラ４３４は本質的に、第１の例示的実施形態に関連して先に論じたエバネッセント入力カプラ４１２を再構成したものである。ある好適な実施形態では、エバネッセント入力／出力カプラ４３４はレーザ４０４からの放射線の１％未満をファイバ４０２へ結合する。
【００５７】
微量種の検出は第１の例示的実施形態において説明したものと同様であり、よってここでは説明を省く。
【００５８】
センサ５００を通過後に残存する放射線はファイバ・ループ４０２を介して留まる。この残留する放射線の一部は、エバネッセント入力／出力カプラ４３４によって光ファイバ・ループ４０２の外へ結合される。エバネッセント入力／出力カプラ４３４は、検出器４１８及び信号線４２２を介してプロセッサ４２０へ結合される。また第１の例示的実施形態の場合のように、プロセッサ４２０は、制御線４２４を介してコヒーレント放射源４０４を制御する。プロセッサ４２０によって検出器４１８から信号が受信されると、プロセッサは、受信された放射線の減衰率を基礎として存在する微量種の量及びタイプを決定することが可能である。
【００５９】
任意選択的に、エバネッセント入力／出力カプラ４３４と検出器４１８との間には波長セレクタ４３０を配置することができる。波長セレクタ４３０は、所定の範囲内でない放射線が検出器４１８へ入力されることを防止するフィルタとして作用する。波長セレクタ４３０はまた、コヒーレント放射源４０４からの放射線がファイバ４０２へとカップリングされた後の時間期間中にコヒーレント放射源４０４からの放射線が検出器４１８を「見えなくさせる」ことを防止するようにプロセッサ４２０によって制御されることが可能である。
【００６０】
図８Ａ乃至８Ｄは、液体または気体サンプル内の微量種を検出するために使用される別の例示的センサ８００を示す。図８Ａ及び８Ｄに示すように、センサ８００はファイバ８０１から、コア８０４及びクラッド８０５を先細にして先細のコア８０８と先細のクラッド８０９とを有する先細の領域８０２を生成することにより製造される。先細の領域８０２の形成は、２つの技術の何れかを使用して達成されることが可能である。第１の技術は、ファイバ８０１の局所化されたセクションを加熱し、同時にセンサ８００の形成が所望される当該領域の何れかの側を断熱的に引っ張るというものである。この手順は、ファイバ８０１内に連続したテーパを生成する。この先細のファイバは次に、例えば第１の例示的実施形態よる分光センサとして使用されることが可能である。第２の例示的技術では、先細の領域８０２は、化学薬品を使用して所定の厚さのファイバ・クラッド８０５を制御可能に除去し、先細のクラッド８０９を形成することによって製造されることが可能である。第２の技術を使用して製造されるセンサについては、図１０Ａ乃至１０Ｃを参照して後に詳述する。
【００６１】
図８Ｂは、テーパ前領域及びテーパ後領域におけるセンサ８００の断面を示す。図８Ｂに示すように、コア８０４とクラッド８０５とは変更されない状態にある。光ファイバ・ケーブル８０１の少なくとも一部分にはこのようなジャケッティングの発生が想定されているが、単純さを期してこれらの図面及び説明は光ファイバ・ケーブル８０１のジャケッティングに言及していないことは留意されるべきである。
【００６２】
図８Ｃは、先細の領域８０２におけるセンサ８００の断面を示す。図８Ｃに示すように、先細のコア８０８及び先細のクラッド８０９は各々、コア８０４及びクラッド８０５に比べて大幅に低減された直径を有する。先細の領域８０２は、特定のアプリケーションを基礎として所望される任意の長さであることが可能である。本例示的実施形態では、例えば図８Ｄに示すように、先細の領域の長さは約４ｍｍであり、くびれた部分の直径８１４は約１２ミクロンである。
【００６３】
再度図８Ａを参照すると、コア８０４の領域におけるエバネッセントフィールド８０６は狭く、先細の領域８０２における拡張されたエバネッセントフィールド８１０に比べると限定されている。図に示すように、拡張されたエバネッセントフィールド８１０は、先の例示的実施形態に関して既に論じたように微量種（図示されていない）へ容易に露出され、よって領域８１２における微量種をより良く検出することができる。
【００６４】
図９Ａ乃至９Ｃは、液体または気体サンプル内の微量種を検出するために使用されるさらに別の例示的センサ９００を示す。図９Ａに示すように、センサ９００はファイバ９０１から、クラッド９０５の一部を除去して実質的に「Ｄ」字形である断面領域９０２を生成することにより製造される。「Ｄ」字形の断面領域９０２の製造は、例えば研磨剤を使用して光ファイバ・クラッド９０５の片側を研磨することにより達成されることが可能である。研磨剤は、誘導されるモード品質を維持するようにクラッド９０５を領域９０２に沿って絶えず増大する深度で除去し、最終的には最小のクラッド厚さ９０９の先端で最大深度に到達するように使用される。最低のクラッド厚さであるこの領域は、最大エバネッセント露出領域９１０を表す。
【００６５】
図１０Ａ乃至１０Ｃは、液体または気体サンプル内の微量種を検出するために使用されるさらに別の例示的センサ１０００を示す。センサ１０００は、先細センサの例示的実施形態に関して先に説明した第２の技術を使用して製造される。図１０Ａに示すように、センサ１０００は、当事者には周知の化学薬品を使用してクラッド１００５の一部を除去し、先細のクラッド１００９を有する先細の領域１００２を生成することによりファイバ１００１から製造される。コアの任意の部分が害される、または除去されるとセンサ１０００に重大な損失がもたらされることから、化学薬品にこうした部分を一切害させない、または除去させないようにすることが重要である。
【００６６】
図１０Ｂは、テーパ前領域及びテーパ後領域におけるセンサ１０００の断面を示す。図１０Ｂに示すように、コア１００４とクラッド１００５とは変更されない状態にある。この場合もやはり、光ファイバ・ケーブル１００１の少なくとも一部分にはこのようなジャケッティングの発生が想定されているが、単純さを期してこれらの図面及び説明は光ファイバ・ケーブル１００１のジャケッティングに言及していないことは留意されるべきである。
【００６７】
図１０Ｃは、先細の領域１００２におけるセンサ１０００の断面を示す。図１０Ｃに示すように、コア１００４に影響はないが、先細のクラッド１００９はクラッド１００５に比べて大幅に低減された直径を有する。先細の領域１００２は、特定のアプリケーションを基礎として所望される任意の長さであることが可能である。例えば本例示的実施形態では、先細の領域の長さは約４ｍｍであり、くびれた部分の直径１０１４は約１２ミクロンである。
【００６８】
再度図１０Ａを参照すると、コア１００４の領域におけるエバネッセントフィールド１００６は狭く、先細の領域１００２における拡張されたエバネッセントフィールド１０１０に比べると限定されている。図に示すように、拡張されたエバネッセントフィールド１０１０は、先の例示的実施形態に関して既に論じたように微量種（図示されていない）へ容易に露出され、よって領域１０１２における微量種をより良く検出することができる。
【００６９】
上述のセンサ８００、９００及び１０００に関連して、センサを製造することにより光ファイバ内に生成される損失は、ファイバ変更より前に所望される検出限度にふさわしいテーパ径または研磨深度を決定することによってエバネッセントフィールドの露出量と均衡されることが可能である。さらに、各々テーパリング及び研磨作業に起因して増大される脆弱性を補償するためにセンサ８００、９００及び／または１０００のための防護マウンティングを供給することが望ましい可能性がある。
【００７０】
センサ８００、９００及び／または１０００は、（図５Ｂに示すような）マンドレル等の（中実、中空またはそうでなければ透過性であることが可能な）円筒コア素子５０２上の無制限のファイバとして、またはループもしくは曲がった構成（図示されていない）での何れかで使用され得ることが企図されている。
【００７１】
センサ８００、９００及び１０００は、調査対象のアナライトを吸引する生物学的因子等の濃縮物質で検出領域を被覆することによりさらに拡張されることが可能である。このような生物学的因子は、一般的な当事者には周知である。また、幾つかの検出領域８００、９００及び／または１０００は分布されたリングダウン・センサを生成するように光ファイバ・ケーブルの長さに沿って形成され得ることも企図されている。
【００７２】
本明細書では、所定の特定実施形態を参照して図示及び説明を行っているが、本発明が示された詳細事項に限定されることは意図されていない。請求内容の等価の範囲及び領域内で、かつ本発明の精神を逸脱することなく詳細事項の様々な変更を行うことは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】対数目盛上の電磁スペクトルを示す。
【図２】ミラーを使用する先行技術ＣＲＤＳシステムを示す。
【図３】プリズムを使用する先行技術ＣＲＤＳセルを示す。
【図４】本発明の第１の例示的実施形態を示す。
【図５Ａ】従来型光ファイバの端面図である。
【図５Ｂ】本発明の例示的な一実施形態によるセンサの斜視図である。
【図６Ａ】ケーブル内の放射線伝搬を示す光ファイバ・ケーブルの断面図である。
【図６Ｂ】本発明のある例示的実施形態によるエバネッセントフィールドを示す光ファイバ・センサの断面である。
【図６Ｃ】本発明の別の例示的実施形態によるエバネッセントフィールドを示す光ファイバ・センサの断面である。
【図６Ｄ】図６Ｃに示す光ファイバ・センサの光ファイバ・ケーブルからジャケットの上部のみが除去された断面を示す。
【図７】本発明の第２の例示的実施形態を示す。
【図８Ａ】本発明の第３の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図８Ｂ】本発明の第３の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図８Ｃ】本発明の第３の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図８Ｄ】本発明の第３の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図９Ａ】本発明の第４の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図９Ｂ】本発明の第４の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図９Ｃ】本発明の第４の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図１０Ａ】本発明の第５の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図１０Ｂ】本発明の第５の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【図１０Ｃ】本発明の第５の例示的実施形態による光ファイバ・センサを示す。
【符号の説明】
【００７４】
４００ リングダウン装置、 ４０２ 光ファイバ・ケーブル、 ４０２ａ ジャケット、 ４０２ｂ クラッド、 ４０２ｃ コア、 ４０４ コヒーレント放射源、 ４０６ 光アイソレータ、 ４０８ 共振光ファイバ・リング、 ４１０ カプラ、 ４１２ エバネッセント入力カプラ、 ５００ センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出及び測定のための装置であって、
受動共振光ファイバ・リングと、
上記光ファイバ・リングとインラインに組み込まれると共に、サンプル気体またはサンプル液体に露出されるテーパー部を有する少なくとも１つのセンサと、
放射線を発射するコヒーレント放射源と、
上記コヒーレント放射源によって発射される放射線の少なくとも一部を上記受動共振ファイバ・リングの第１のセクションへ供給するための第１の光カプラと、
上記放射線の一部を上記共振ファイバ・リングの第２のセクションから上記受動共振ファイバ・リングにおいて受信するための第２の光カプラと、
上記第２の光カプラに結合されて、上記第２の光カプラによって受信される放射線の減衰率に基づいて気体サンプルまたは液体サンプル内の微量種のレベルを決定するためのプロセッサとを備える装置。
【請求項２】
上記第２の光カプラと上記プロセッサとの間に結合されて、上記第２の光カプラにより受信される放射線に応答する信号を発生させるための第１の光検出器をさらに備える請求項１記載の装置。
【請求項３】
上記第１の光カプラと上記プロセッサとの間に結合されて、上記レーザからのエネルギーが上記受動光ファイバ・リングへ供給されるときを決定するための第２の光検出器をさらに備える請求項１記載の装置。
【請求項４】
上記第２の光検出器が、上記コヒーレント放射源からの放射線の受信に応答して上記プロセッサへトリガ信号を発生させる請求項３記載の装置。
【請求項５】
上記第１及び第２の光カプラが一体のカプラである請求項１記載の装置。
【請求項６】
所定の半径を有する上記センサの一部を形成するために上記センサのテーパー部に結合される少なくとも１つの円筒形本体をさらに備え、上記サンプル液体またはサンプル気体の少なくとも一部は上記センサの形成される一部に接触する請求項１記載の装置。
【請求項７】
サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出及び測定のための装置であって、
受動共振光ファイバ・リングと、
上記光ファイバとインラインに組み込まれると共に、サンプル気体またはサンプル液体に露出される「Ｄ」字形断面部分を有する少なくとも１つのセンサと、
放射線を発射するコヒーレント放射源と、
上記コヒーレント放射源によって発射される放射線の少なくとも一部を上記受動共振ファイバ・リングの第１のセクションへ供給するための第１の光カプラと、
上記放射線の一部を上記共振ファイバ・リングの第２のセクションから上記受動共振ファイバ・リングにおいて受信するための第２の光カプラと、
上記第２の光カプラに結合されて、上記第２の光カプラによって受信される放射線の減衰率に基づいて気体サンプルまたは液体サンプル内の微量種のレベルを決定するためのプロセッサとを備える装置。
【請求項８】
所定の半径を有する上記センサの一部を形成するために上記センサの「Ｄ」字形断面部分に結合される少なくとも１つの円筒形本体をさらに備え、上記サンプル液体またはサンプル気体の少なくとも一部は上記センサの形成される一部に接触する請求項７記載の装置。
【請求項９】
サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方において微量種を検出しかつ測定するための方法であって、
光ファイバの一部をテーパー付けすることにより上記光ファイバからセンサを形成する工程と、
上記光ファイバの上記テーパー部を上記サンプル気体またはサンプル液体に露出する工程と、
コヒーレント放射源から放射線を発射する工程と、
上記コヒーレント放射源から発射される放射線の少なくとも一部を上記光ファイバ・リングに結合させる工程と、
上記光ファイバ・リング内を進む放射線の一部を受信する工程と、
上記光ファイバ・リング内の放射線の減衰率に基づいて、気体または液体サンプルにおける微量種のレベルを決定する工程、とを備える方法。
【請求項１０】
所定の半径で上記微量種の吸収周波数に基づいて上記受動光ファイバ・リングのテーパー部の少なくとも一部を形成する工程と、
上記センサの形成された部分を上記サンプル液体またはサンプル気体へ露出する工程とをさらに備える請求項９記載の方法。
【請求項１１】
上記ファイバ内を進む放射線のエバネッセントフィールドを上記サンプル気体またはサンプル液体へ露出する工程をさらに備える請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
上記微量種による放射線の吸収に応答して上記ファイバ内の放射線の減衰率に基づいて上記サンプル気体またはサンプル液体における微量種のレベルを決定する工程をさらに備える請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方において微量種を検出しかつ測定するための方法であって、
光ファイバのクラッドの一部を除去して「Ｄ」字形の断面を形成することにより、上記光ファイバからセンサを製造する工程と、
上記光ファイバの「Ｄ」字形の断面部分を上記サンプル気体またはサンプル液体に露出する工程と、
コヒーレント放射源から放射線を発射する工程と、
上記コヒーレント放射源から発射される放射線の少なくとも一部を上記光ファイバ・リングに結合させる工程と、
上記光ファイバ・リング内を進む放射線の一部を受信する工程と、
上記光ファイバ・リング内の放射線の減衰率に基づいて、気体または液体サンプルにおける微量種のレベルを決定する工程、とを備える方法。
【請求項１４】
所定の半径で上記微量種の吸収周波数に基づいて上記受動光ファイバ・リングの「Ｄ」字形断面部分の少なくとも一部を形成する工程と、
上記センサの形成された部分を上記サンプル液体またはサンプル気体へ露出する工程とをさらに含む請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
上記ファイバ内を進む放射線のエバネッセントフィールドを上記サンプル気体またはサンプル液体へ露出する工程をさらに備える請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
上記微量種による放射線の吸収に応答して上記ファイバ内の放射線の減衰率に基づいて上記サンプル気体またはサンプル液体における微量種のレベルを決定する工程をさらに備える請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、
それぞれが第１の直径を有する第１のコアとクラッドとを有する受動光ファイバと、
上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置されるテーパー部とを備え、上記テーパー部はそれぞれが第２の直径を有する第２のコアとクラッドとを有し、
上記第２のコアの直径は上記第１のコアの直径より小さく、上記第２のクラッドの直径は上記第１のクラッドの直径より小さく、上記テーパー部は、上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出されるセンサ。
【請求項１８】
上記テーパー部のエバネッセントフィールドは上記光ファイバのエバネッセントフィールドより大きい請求項１７記載のセンサ。
【請求項１９】
キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、
個々の第１の直径を有するコアと第１のクラッドとを有する受動光ファイバと、
上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置される研磨された部分とを備え、上記研磨された部分は実質的に「Ｄ」字形である断面を有するクラッドを有し、
上記研磨された部分は、上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出されるセンサ。
【請求項２０】
上記実質的に「Ｄ」字状である部分のエバネッセントフィールドは上記光ファイバのエバネッセントフィールドより大きい微量種への露出を有する請求項１９記載のセンサ。
【請求項２１】
キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、
それぞれが第１の直径を有するコアと第１のクラッドとを有する受動光ファイバと、
上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置されるテーパー部とを備え、上記テーパー部は上記コアと第２のクラッドとを有し、上記第２のクラッドは上記第１のクラッドの直径より小さい直径を有し、
上記テーパー部は上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出されるセンサ。
【請求項２２】
上記テーパー部のエバネッセントフィールドは上記光ファイバのエバネッセントフィールドより大きい請求項２１記載のセンサ。
【請求項１】
サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出及び測定のための装置であって、
受動共振光ファイバ・リングと、
上記光ファイバ・リングとインラインに組み込まれると共に、サンプル気体またはサンプル液体に露出されるテーパー部を有する少なくとも１つのセンサと、
放射線を発射するコヒーレント放射源と、
上記コヒーレント放射源によって発射される放射線の少なくとも一部を上記受動共振ファイバ・リングの第１のセクションへ供給するための第１の光カプラと、
上記放射線の一部を上記共振ファイバ・リングの第２のセクションから上記受動共振ファイバ・リングにおいて受信するための第２の光カプラと、
上記第２の光カプラに結合されて、上記第２の光カプラによって受信される放射線の減衰率に基づいて気体サンプルまたは液体サンプル内の微量種のレベルを決定するためのプロセッサとを備える装置。
【請求項２】
上記第２の光カプラと上記プロセッサとの間に結合されて、上記第２の光カプラにより受信される放射線に応答する信号を発生させるための第１の光検出器をさらに備える請求項１記載の装置。
【請求項３】
上記第１の光カプラと上記プロセッサとの間に結合されて、上記レーザからのエネルギーが上記受動光ファイバ・リングへ供給されるときを決定するための第２の光検出器をさらに備える請求項１記載の装置。
【請求項４】
上記第２の光検出器が、上記コヒーレント放射源からの放射線の受信に応答して上記プロセッサへトリガ信号を発生させる請求項３記載の装置。
【請求項５】
上記第１及び第２の光カプラが一体のカプラである請求項１記載の装置。
【請求項６】
所定の半径を有する上記センサの一部を形成するために上記センサのテーパー部に結合される少なくとも１つの円筒形本体をさらに備え、上記サンプル液体またはサンプル気体の少なくとも一部は上記センサの形成される一部に接触する請求項１記載の装置。
【請求項７】
サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出及び測定のための装置であって、
受動共振光ファイバ・リングと、
上記光ファイバとインラインに組み込まれると共に、サンプル気体またはサンプル液体に露出される「Ｄ」字形断面部分を有する少なくとも１つのセンサと、
放射線を発射するコヒーレント放射源と、
上記コヒーレント放射源によって発射される放射線の少なくとも一部を上記受動共振ファイバ・リングの第１のセクションへ供給するための第１の光カプラと、
上記放射線の一部を上記共振ファイバ・リングの第２のセクションから上記受動共振ファイバ・リングにおいて受信するための第２の光カプラと、
上記第２の光カプラに結合されて、上記第２の光カプラによって受信される放射線の減衰率に基づいて気体サンプルまたは液体サンプル内の微量種のレベルを決定するためのプロセッサとを備える装置。
【請求項８】
所定の半径を有する上記センサの一部を形成するために上記センサの「Ｄ」字形断面部分に結合される少なくとも１つの円筒形本体をさらに備え、上記サンプル液体またはサンプル気体の少なくとも一部は上記センサの形成される一部に接触する請求項７記載の装置。
【請求項９】
サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方において微量種を検出しかつ測定するための方法であって、
光ファイバの一部をテーパー付けすることにより上記光ファイバからセンサを形成する工程と、
上記光ファイバの上記テーパー部を上記サンプル気体またはサンプル液体に露出する工程と、
コヒーレント放射源から放射線を発射する工程と、
上記コヒーレント放射源から発射される放射線の少なくとも一部を上記光ファイバ・リングに結合させる工程と、
上記光ファイバ・リング内を進む放射線の一部を受信する工程と、
上記光ファイバ・リング内の放射線の減衰率に基づいて、気体または液体サンプルにおける微量種のレベルを決定する工程、とを備える方法。
【請求項１０】
所定の半径で上記微量種の吸収周波数に基づいて上記受動光ファイバ・リングのテーパー部の少なくとも一部を形成する工程と、
上記センサの形成された部分を上記サンプル液体またはサンプル気体へ露出する工程とをさらに備える請求項９記載の方法。
【請求項１１】
上記ファイバ内を進む放射線のエバネッセントフィールドを上記サンプル気体またはサンプル液体へ露出する工程をさらに備える請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
上記微量種による放射線の吸収に応答して上記ファイバ内の放射線の減衰率に基づいて上記サンプル気体またはサンプル液体における微量種のレベルを決定する工程をさらに備える請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方において微量種を検出しかつ測定するための方法であって、
光ファイバのクラッドの一部を除去して「Ｄ」字形の断面を形成することにより、上記光ファイバからセンサを製造する工程と、
上記光ファイバの「Ｄ」字形の断面部分を上記サンプル気体またはサンプル液体に露出する工程と、
コヒーレント放射源から放射線を発射する工程と、
上記コヒーレント放射源から発射される放射線の少なくとも一部を上記光ファイバ・リングに結合させる工程と、
上記光ファイバ・リング内を進む放射線の一部を受信する工程と、
上記光ファイバ・リング内の放射線の減衰率に基づいて、気体または液体サンプルにおける微量種のレベルを決定する工程、とを備える方法。
【請求項１４】
所定の半径で上記微量種の吸収周波数に基づいて上記受動光ファイバ・リングの「Ｄ」字形断面部分の少なくとも一部を形成する工程と、
上記センサの形成された部分を上記サンプル液体またはサンプル気体へ露出する工程とをさらに含む請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
上記ファイバ内を進む放射線のエバネッセントフィールドを上記サンプル気体またはサンプル液体へ露出する工程をさらに備える請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
上記微量種による放射線の吸収に応答して上記ファイバ内の放射線の減衰率に基づいて上記サンプル気体またはサンプル液体における微量種のレベルを決定する工程をさらに備える請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、
それぞれが第１の直径を有する第１のコアとクラッドとを有する受動光ファイバと、
上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置されるテーパー部とを備え、上記テーパー部はそれぞれが第２の直径を有する第２のコアとクラッドとを有し、
上記第２のコアの直径は上記第１のコアの直径より小さく、上記第２のクラッドの直径は上記第１のクラッドの直径より小さく、上記テーパー部は、上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出されるセンサ。
【請求項１８】
上記テーパー部のエバネッセントフィールドは上記光ファイバのエバネッセントフィールドより大きい請求項１７記載のセンサ。
【請求項１９】
キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、
個々の第１の直径を有するコアと第１のクラッドとを有する受動光ファイバと、
上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置される研磨された部分とを備え、上記研磨された部分は実質的に「Ｄ」字形である断面を有するクラッドを有し、
上記研磨された部分は、上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出されるセンサ。
【請求項２０】
上記実質的に「Ｄ」字状である部分のエバネッセントフィールドは上記光ファイバのエバネッセントフィールドより大きい微量種への露出を有する請求項１９記載のセンサ。
【請求項２１】
キャビティ・リングダウン分光法において使用する、サンプル気体及びサンプル液体の少なくとも一方における微量種の検出のためのセンサであって、
それぞれが第１の直径を有するコアと第１のクラッドとを有する受動光ファイバと、
上記光ファイバから形成されかつ上記光ファイバと一直線になるように配置されるテーパー部とを備え、上記テーパー部は上記コアと第２のクラッドとを有し、上記第２のクラッドは上記第１のクラッドの直径より小さい直径を有し、
上記テーパー部は上記微量種を検出するために上記少なくとも一方のサンプル液体及びサンプル気体へ露出されるセンサ。
【請求項２２】
上記テーパー部のエバネッセントフィールドは上記光ファイバのエバネッセントフィールドより大きい請求項２１記載のセンサ。
【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】
【公開番号】特開２００９−３１３１２（Ｐ２００９−３１３１２Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８７８９４（Ｐ２００８−２８７８９４）
【出願日】平成２０年１１月１０日（２００８．１１．１０）
【分割の表示】特願２００４−５１３７１５（Ｐ２００４−５１３７１５）の分割
【原出願日】平成１４年１２月３０日（２００２．１２．３０）
【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）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１０日（２００８．１１．１０）
【分割の表示】特願２００４−５１３７１５（Ｐ２００４−５１３７１５）の分割
【原出願日】平成１４年１２月３０日（２００２．１２．３０）
【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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