JP2017020946A - 光ファイバ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1の光ファイバガスセンサは、光ファイバのクラッドを除去してコアを露出させて形成したセンサ部を、発泡体で被覆した構造を有しており、この構造により機械的な強度を向上させている。
このような構造の光ファイバガスセンサで被測定対象物(ガス)を検知する際には、ガスは発泡体の連続気泡を通じてコアの周囲まで浸透してエバネッセント波部分の全反射条件を変化させ、光ファイバの導波光路を伝搬する光の一部は外部に漏れて光の強度が減衰するため光ファイバの透過率が変化し、この光ファイバの透過率の変化を計測してガスの検知が行われる。
しかしながら、センサ部を作製するためには、クラッドを除去してコアを露出させる加工が必須であり、発泡体で被覆する前に、コアの露出部は容易に破損する虞があった。ゆえに、特許文献1の光ファイバガスセンサを安定して作製することは困難であった。
このような構造により、特許文献2の光ファイバガスセンサは、感知材料中の水素化物がα相からβ相又はこれらの混合中間相への強い構造相転移を生じることにより、被覆感知材料の屈折率が変化し、基本モードとクラッディングモードとの間の光結合が変化する現象を利用することにより、被測定対象物(ガス)のセンシングを可能としている。
本発明の請求項3に記載の光ファイバ装置は、請求項1又は2において、前記吸着材が、シリカゲルから形成された被膜であることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の光ファイバ装置は、請求項1乃至3のいずれか一項において、前記吸着材が、特定の波長の光に対して、光吸収作用を有することを特徴とする。
本発明の請求項5に記載の光ファイバ装置は、請求項1乃至4のいずれか一項において、前記吸着材が、前記センサ部とともに、前記光ファイバAおよび前記光ファイバBの外側面も被覆していることを特徴とする。
本発明の請求項7に記載の光ファイバ装置は、請求項6において、前記評価手段が、前記センサ部の周囲が外部物質に曝された場合、前記受光手段から出力された信号である透過スペクトルの特定波長において、長波長側へのスペクトルシフト現象を瞬間的に観測するとともに、前記センサ部の周囲から外部物質が減少するにつれて、スペクトルの回復現象を観測することにより、外部物質の検知を行うことを特徴とする。
本発明の請求項9に記載の光ファイバ装置は、請求項1乃至7のいずれか一項において、前記センサ部が、前記光ファイバA側の端部の外周形状を前記光ファイバAの端部の外周形状と一致させるとともに、前記光ファイバB側の端部の外周形状を前記光ファイバBの端部の外周形状と一致させるように構成されていることを特徴とする。
本発明の請求項10に記載の光ファイバ装置は、請求項1乃至7のいずれか一項において、前記センサ部が、前記光ファイバA側の端部における径方向の寸法を、前記光ファイバAの径寸法よりも大きくまたは小さく構成されていることを特徴とする。
本発明の請求項11に記載の光ファイバ装置は、請求項1乃至7のいずれか一項において、前記センサ部が、前記光ファイバB側の端部における径方向の寸法を、前記光ファイバBの径寸法よりも大きくまたは小さく構成されていることを特徴とする。
上述した回折光は、いくつかのモードで伝搬する。ただし、全反射時に、グースヘンシェンシフトと呼ばれる光の位相の変化が起こる。センサ部をなす導波体の中央部を進む光は、全反射の影響を受けないが、回折による回り込みの大きなモードの光(外部物質を吸着した吸着材の影響を受けた光)は、全反射を繰り返し,中央部を進む光に対し,全反射を繰り返した分だけ,位相が変化して,出力側ファイバ部に到達する。出力側ファイバのコア位置で、各モードの光の位相が丁度揃う波長の光を入射側ファイバAより入射すれば、ほぼ損失なく、光が出力側ファイバBより取り出される。このとき、外部物質を吸着した吸着材の屈折率変化によって、このシフト量が変化する(第三の作用)。
したがって、本発明は、被測定対象物が、水素を含有する気体に限定されず、多用な気体をセンシングすることが可能な光ファイバ装置の提供に貢献する。
図1(a)に示すように、光ファイバ装置10は、光ファイバA11と、導波体からなる光ファイバ形状のセンサ部12と、光ファイバB13とを含み、コア11aとクラッド11bから構成される光ファイバA11は、前記センサ部12の一端(第一端部)と光学的に接続されており、コア13aとクラッド13bから構成される光ファイバB13は、前記センサ部12の他端(第二端部)と光学的に接続されている。ここで、「光学的に接続」とは、光ファイバA11のコア11a、センサ部12、及び、光ファイバB13のコア13aにおける中心軸が、1本の光軸をなすように配置されることを意味する。「光学的に接続」は、具体的には、光ファイバ融着接続機を用いて、融着する(熱処理などを行い接続する)ことにより実現される。
図1(b)は、図1(a)において、符号Eで示す領域(二点鎖線で囲む領域)の拡大模式図である。
グースヘンシェンシフトとは、図1(b)に示すように、屈折率n1の物質A中の光Lが、屈折率n1の物質Aと屈折率n2の物質Bとの境界面P1(12sに相当)で全反射する場合に位相遅れが生じて、境界面よりも屈折率n2の物質B側の仮想反射面P2で反射しているかのように、少し遅れてから反射する状態となることである(非特許文献1参照)。ここで、屈折率n2の物質B側に染み出しているのは、光Lの伝搬にともなう電磁界であって、この電磁界によってエバネッセント波が生じている。図1(b)における物質Bは、上述した吸着材14に相当する。図1(b)において、符号Dは吸着材14の厚さであり、符号dは境界面P1と仮想反射面P2の差分を表わしている。
これに対して、この光ファイバ装置をガラス管内に配置し、その中に約5秒間、水蒸気を投入すると、全反射光の位相状態が変化し、透過スペクトルがシフトすることが分かった。図2(b)は、図2(a)におけるλ2付近の透過スペクトルを拡大して示すグラフである。図2(b)において、実線が水蒸気を投入する前、点線が水蒸気を投入した後、を各々表わしている。図2(b)から、水蒸気を投入することにより、特定の凹部を示す波長λ2が、λ21(1523.8nm付近)からλ22(1524.1nm付近)に、シフトすることが分かる。
図3は、水蒸気によるスペクトルの波長変化と時間の関係を示すグラフである。図3において、縦軸は上記透過スペクトルがシフトした際の凹部を示した波長λ2であり、横軸は時間である。水蒸気の投入(太い矢印が投入時を表す)により、シリカゲルが水蒸気を吸着し、毛細管凝縮を起こし、吸着材の屈折率が大きくなり、波長λ2が瞬時に長波長側へのスペクトルシフト(波長[nm]が「1523.7付近→1524.05〜1524.10付近」に変化する現象)することが、図3から分かった。約5秒間の水蒸気投入が終了すると、波長λ2は直ちに逆方向へスペクトルシフトを開始し、最終的には元のベースラインである、波長[nm]1523.7付近に戻ることも分かった。さらに、水蒸気の投入を繰り返した場合、上述したスペクトルシフトの可逆が再現されることも判明した。
なお、図3はλ2の波長変化を示した図であるが、特定の波長、たとえば1522nmのレーザ光を入射し、その強度変化を測定すれば、吸着から脱離に伴い、図3と同様に光強度が一旦増加し、また元に戻る特性が得られる。たとえば、1526nmのレーザ光を入射すれば、吸着から離脱に伴い逆に光強度は一旦減少し、また元に戻る特性が得られる。これらは、繰り返し特性として、同様に利用できる。
図5〜図9は、本発明に係る光ファイバ装置の他の構成例を示す模式図であり、何れの構成例も、クラッドサイズが異なる場合を示している。
図5と図6において、50、60は光ファイバ装置、51、61は入射側の光ファイバ、52、62はセンサ部、53、63は出射側の光ファイバB、を表わしている。51a、61aはコアを、51b、61bはクラッドである。
このように、導波体の外周形状を、前後に配置される2つの光ファイバの外周形状と一致させて連続的にすることにより、融着接続機による接続作業を確実に行うことができる。また、この連続的な接続は、センサ部12を構成する導波体の外側面に、吸着材14の被膜を形成する際に、被膜の均一な厚さを実現することにも効果がある。
図9は、センサ部を構成する導波体の外周形状が、入射側の光ファイバAの外周形状および出射側の光ファイバBの外周形状と異なる構成例の変形体であり、導波体の外周形状が入射側から出射側に向けて次第に細くなる場合である。
図7、図8、図9において、70、80、90は光ファイバ装置、71、81、91は入射側の光ファイバ、72、82、92はセンサ部、73、83、93は出射側の光ファイバB、を表わしている。71a、81a、91aはコアであり、71b、81b、91bはクラッドである。
このように、導波体の外周形状を、前後に配置される2つの光ファイバの外周形状より太くしても、また逆に細くしても、上述した本発明の作用・効果は得られる。
図4は、ガソリン蒸気によるスペクトルの波長変化と時間の関係を示すグラフである。図4において、縦軸は上記透過スペクトルがシフトした際の凹部を示した波長λ2であり、横軸は時間である。ガソリン蒸気の投入(太い矢印が投入時を表す)により、シリカゲルがガソリン蒸気を吸着し、毛細管凝縮を起こし、吸着材の屈折率が大きくなり、波長λ2が瞬時に長波長側へのスペクトルシフト(波長[nm]が「1523.9付近→1524.25付近」に変化する現象)することが、図4から分かった。約5秒間のガソリン蒸気投入が終了すると、波長λ2は直ちに逆方向へスペクトルシフトを開始し、最終的には元のベースラインである、波長[nm]1523.9付近に戻ることも分かった。さらに、ガソリン蒸気の投入を繰り返した場合、上述したスペクトルシフトの可逆が再現されることも判明した。
Claims (11)
- 導波体からなる光ファイバ形状のセンサ部と、前記センサ部の一端および他端と光学的に各々接続され、該センサ部の一端側および他端側に配された、コアとクラッドから構成される光ファイバAおよび光ファイバBと、を含む光ファイバ装置であって、
前記センサ部を構成する導波体が、前記光ファイバAおよび前記光ファイバBのコアと同材質からなり、
前記センサ部の径方向の寸法が、前記光ファイバAのコアの寸法および前記光ファイバBのコアの寸法よりも大きく、
前記センサ部は、少なくとも外側面が、その全域に亘って吸着材により被覆されている、ことを特徴とする光ファイバ装置。 - 前記吸着材が、毛細管凝縮を促す多孔質体であることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ装置。
- 前記吸着材が、シリカゲルから形成された被膜であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバ装置。
- 前記吸着材が、特定の波長の光に対して、光吸収作用を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光ファイバ装置。
- 前記吸着材が、前記センサ部とともに、前記光ファイバAおよび前記光ファイバBの外側面も被覆していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光ファイバ装置。
- 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光ファイバ装置であって、
前記センサ部の一端に向けてレーザ光を導入するために前記光ファイバAにレーザ光を入射させる発光手段と、
前記センサ部の他端から前記光ファイバBを通して導出されたレーザ光を検知する受光手段と、
前記受光手段から出力された信号を解析する評価手段と、
を更に備えたことを特徴とする光ファイバ装置。 - 請求項6に記載の光ファイバ装置であって、
前記評価手段が、前記センサ部の周囲が外部物質に曝された場合、前記受光手段から出力された信号である透過スペクトルの特定波長において、長波長側へのスペクトルシフト現象を瞬間的に観測するとともに、前記センサ部の周囲から外部物質が減少するにつれて、スペクトルの回復現象を観測することにより、外部物質の検知を行うことを特徴とする光ファイバ装置。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光ファイバ装置であって、
前記センサ部が、前記光ファイバA側から前記光ファイバB側に向けて、径方向の寸法を漸次拡大または漸次縮小させたテーパ状をなすように構成されていることを特徴とする光ファイバ装置。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光ファイバ装置であって、
前記センサ部が、前記光ファイバA側の端部の外周形状を前記光ファイバAの端部の外周形状と一致させるとともに、前記光ファイバB側の端部の外周形状を前記光ファイバBの端部の外周形状と一致させるように構成されていることを特徴とする光ファイバ装置。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光ファイバ装置であって、
前記センサ部が、前記光ファイバA側の端部における径方向の寸法を、前記光ファイバAの径寸法よりも大きくまたは小さく構成されていることを特徴とする光ファイバ装置。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光ファイバ装置であって、
前記センサ部が、前記光ファイバB側の端部における径方向の寸法を、前記光ファイバBの径寸法よりも大きくまたは小さく構成されていることを特徴とする光ファイバ装置。
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