(57)【要約】【課題】放射性物質および核物質からの放射線放射を検出するための光学システムを提供すること。【解決手段】例示のシステム（１０）が、光源（１４）と、光センサ（１８）と、光源および光センサと信号通信する処理デバイス（１２）と、光源から光を受けて光センサに光を送出する光ファイバケーブル（１６）とを含む。光ファイバケーブルは、被覆領域（３４）に囲まれた光ファイバのコア（３６）領域を含む。光ファイバは、２５μｍを上回るモード電界径を有する単一モード光ファイバである。光ファイバの被覆領域は、単一モードの光伝搬特性をもたらすように配置された複数の長手方向の穴（４０）を含む。複数の長手方向の穴は、０．１〜５μｍの間の直径を有する。【選択図】図３
2010091555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源（１４）と、
光センサ（１８）と、
前記光源および前記光センサと信号通信する処理デバイス（１２）と、
光ファイバ（１６）を備える光共振器（２２）とを備えるセンサ（１０）であって、
前記光ファイバが、
コア領域（３６）と、
前記コア領域に中心のある単一の空間モードに光を制限するように構成された断面形状を有する被覆領域（３４）とを備え、
前記光ファイバのコア領域が前記被覆領域に囲まれて、前記光ファイバが、２５μｍを上回るモード電界径に対応し、
前記光ファイバのコア領域が、所定の放射線タイプに露光されたときに前記光ファイバのコアに光学的性質の変化をもたらす１つまたは複数のドーパントを含み、
前記光ファイバが、前記光ファイバのコア領域内の光の循環に対応するためのデバイスを備え、
前記光共振器が、前記レーザ光源から光を受けて前記光センサに光を送出するように構成され、
前記光ファイバのコアが、単一モードの光伝搬特性をもたらすように配置された複数の長手方向の穴（４０）を含み、前記複数の長手方向の穴が０．１〜５μｍの間の直径を有するセンサ（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサにおいて、前記レーザ光源のレーザ出力が、所定の周波数範囲にわたって掃引され、前記処理デバイスが、前記光センサからの信号に基づいて、放射線の存在を示すものとして、鮮鋭度、共振器の自由スペクトルレンジ、または共振ピークサイズのうちの少なくとも１つにおける変化を求めるセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のセンサにおいて、前記レーザ光源から前記共振器へ、そして前記共振器から前記光センサへ光を結合するように構成された共通の微小基板および光学部品（１９、２０）をさらに備え、前記レーザ光源、前記光センサ、前記光学部品が、前記共通の微小基板上に付着されること、取り付けられること、または形成されることのうちの少なくとも１つが行われ、前記ファイバが、１つの偏光状態の光を維持するように構成され、前記ファイバが、前記１つの偏光状態の光だけを伝搬するようにさらに構成されるセンサ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
汚い爆弾（従来型の爆発物によって分散されることになる放射性材料）として用いられる恐れのあるものなどの放射源の存在、および国内に密輸入される恐れのある実際の核兵器の存在を検知することができる改善された自国保安検知システムが必要とされている。光ファイバセンサが、多くの検知用途のために開発され、配備されており、放射線源の検知用に役立つ可能性がある。
【０００２】
過去に、単一モード光ファイバ（すなわち従来型ファイバ）は、ガラスコアが周囲のガラス被覆より高い屈折率指数を有するようにドーピングすることによる、屈折率指数での光誘導に完全に基づくものであった。この作製されたファイバは、通常５〜１０マイクロメートルのコアを有し、かつ通常８０〜１２５マイクロメートルの被覆を有し（図１）、光のモードは実質的にコア領域に制限される。ガラス部材を保護するために、一般に被覆のまわりに厚さが通常２０〜６０マイクロメートルのプラスチック被覆がある。ファイバを使用して高感度センサを製作する方法の１つに、単一モード光ファイバを共振器デバイス内に構成するものがある。ファイバを通って光が何度も伝わるので、このタイプの共振器は、ファイバの損失のわずかな変化に対して高感度である。高感度の放射性検知に従来型ファイバを用いることに伴って、光が内在するコア領域が占めるのは微小領域（すなわちコア）であるという問題がある。共振器デバイスの基本的感度は、散弾雑音の制限によって与えられるが、これはファイバを通過する光パワーの量を改善する。しかし、高パワー密度による非線形の影響が信号対雑音を害するので、小さなコアのファイバ内の光パワーは任意には増加され得ない。これら制限となる影響のうちの１つは誘導ブリユアン散乱である。この影響は、例えば別の周波数で光を生成する一方で信号波の不安定性をもたらす。したがって、主要な問題は、小さなモード電界のファイバは誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）に対する閾値が低く、特に信号対雑音の高い共振器システムにおいてこれらのファイバを使用するのに光パワーを制限することである。このことが、得ることができる信号対雑音を制限し、したがって最小可分解の放射線量を制限する。
【０００３】
光ファイバは、ガラスまたはプラスチックなどの透明材料から成る。大抵の光ファイバは融解石英であり、大抵のプラスチックファイバはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）である。ファイバ構造は、内部全反射（ＴＩＲ）のプロセスによって光を誘導する。シリカファイバでは、コアは、通常ゲルマニウムでドープすることによって確立される。ファイバは、単一モードファイバまたは多モードファイバの２つの基本的タイプに分類される。単一モードファイバでは、コアは、例えば直径で５マイクロメートルから１０マイクロメートルと非常に小さい。多モードファイバは、５０マイクロメートルから数千マイクロメートルのコアおよび非常に小さな（ほぼ数十マイクロメートル程度の）被覆を有する。単一モードファイバは大きな（通常５０マイクロメートルを上回る）被覆を有し、ファイバ径は一般に１２５マイクロメートル以上になる（図１）。単一モードファイバの大きな被覆の目的は、数マイクロメートルにわたって被覆中へ広がりコアを通ることによってのみ進むと通常考えられる光エネルギーの１０パーセントを上回って含むことができる単一モードのはかない電界を保護し含むことである。この大きな被覆のもう１つの意義は、ファイバが破損することなく扱われ得るようになることである。放射性検知に用いられる光ファイバに関しては、放射能源からの放射線はコアおよび被覆に容易に侵入する。しかし、コア内部のドーパントは、放射線に対して非常に高感度になるように選択される可能性がある。これらのドーパントは、イオン化または原子の状態変化などの放射線障害を受ける可能性がある。その結果として、このことがファイバ内を進む光の損失をもたらし、この損失は検知され得る。しかし、従来型ファイバには用いられ得る信号光パワーに対する制限があり、したがって、より大きなコアが望ましい。
【０００４】
従来型の大きなコアのファイバ（図２）は、一般に単一モードファイバではない。それらは、百単位であり得る比較的多数の光波を様々な空間的分布で（すなわち様々な空間モードで）伝搬させる。様々な空間モードで進む光は、様々な速度で進む。不可避の動揺により、光は、あるモードから別のモードへと結合することができ、かつ結合する（いわゆる「モード変換」）。様々なモード間のモード変換および様々な光速度が、光検出システムにおける雑音および不確実性の原因となり、通信システムにおけるパルス拡散の原因となる。このために、多くの通信システムおよび検知システムで単一空間モード（単一モード）のファイバが使用される。多モードファイバには大きなコア領域という１つの利点があるが、その一方で、複数のモードおよびモード変換が存在することにより、高感度の共振器型検知デバイスでは使用することができない。共振器の場合には、大きなコア領域の単一モードファイバが望ましい。
【０００５】
共振器は、放射性センサにおける使用では、光ファイバループのまわりで光を複数の通路にわたって循環させることが提案されている。周期的な一連の共振ライン形状が生成され、それぞれが、基準状態ではほぼ共振周波数に中心があるピークを有し、また、共振ライン形状は、それと関連する鮮鋭度を有する。同一モードの共振周波数間の周波数分離の周波数周期性は、共振器の自由スペクトルレンジである。本明細書で用いられる用語「鮮鋭度」は、個々の共振ライン形状の線幅に対する自由スペクトルレンジの比に基づく関係（例えば鮮鋭さ）を指す。共振ライン形状の線幅は、共振ライン形状の最高ピーク値の半分の周波数の幅である。さらに、鮮鋭度は、光が光ループ内で再現性を伴って再循環する回数に関係し、したがって本質的に共振器のラウンドトリップ損失と関係する。損失がより高いと、一般に鮮鋭度がより低くなる。鮮鋭度、および共振器内を循環する光量における変化は、共振器のファイバ損失に対する変化を示すものとして、したがって、損失を誘起する放射線への露光に対する変化を示すものとして測定することができる。測定の信号対雑音は、他のモードからの大きなスプリアス雑音がなければ、共振器内を循環するパワーによって求められる。多モード光ファイバへ光を結合し、共振器を通る複数の循環にわたってそれ自体を再生するこの光を単一空間モードで維持するのは一般に困難である。例えば、光ファイバの長手方向に沿った動揺（例えば欠陥、幾何学的歪曲など）によって、一般に多モードファイバ内の単一ファイバの空間モードのラウンドトリップ再現性が低下し、したがって鮮鋭度が低下する。一般に、意図された測定における誤差の原因となる他の空間モードの共振も励起されることがある。後者の場合には、単一の安定した共振に基づくものであり得る共振の複雑な構造が、測定における不安定性および誤差を生ずるものと認められることがある。各空間モードが２つの偏光モードに関係することがあり、このことによってスペクトルにおける共振の数が２倍になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、小型で高感度の放射線センサを提供する。これによって、手頃で、非常に小さく、その上非常に高感度の検知デバイスが可能になる。このセンサは、放射線に感応する光ファイバ内を進む光を利用する。このセンサはファイバであるため、コア領域において放射線にいっそう感応するドーパントを用いることにより、またドーパント濃度を増加することにより、さらなる感度が与えられ得る。感度は、光が何回も循環する共振器内で光ファイバを使用し、光ファイバを単一モードに保ったままでそのコアサイズを増加することにより、より高いパワーレベルを循環させるためにその断面積を増加する従来の方法によって向上する。コアサイズが増加すると、誘導ブリユアン閾値に到達することなく、より大きなパワーをファイバに加えることが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様では、光ファイバは単一モードファイバであって、そのコアは、有効コア領域を画定する２０〜１００μｍの間の直径を有する。
本発明の別の態様では、光ファイバの被覆領域は、単一モードの光伝搬特性をもたらすように配置された複数の長手方向の穴を含む。複数の長手方向の穴は、０．１〜５μｍの間の直径を有する。
【０００８】
本発明の別の態様では、光ファイバのコア領域は、単一空間モードで伝搬する光が放射線への露光による損失の大幅増加を経験するように、放射線に感応するドーパントを含む。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態および代替実施形態が、以下の図面を参照しながら下記で詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術の実施形態によって形成された光ファイバケーブルの断面図である。
【図２】従来技術の実施形態によって形成された光ファイバケーブルの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態によって形成されたセンサシステムを示す図である。
【図４】本発明の実施形態によって形成された光ファイバケーブルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図３は、本発明の一実施形態によって形成された放射／核のセンサシステム１０を示す。システム１０は、プロセッサ１２、光源１４、被覆された光ファイバのループ１６、部分的に透過性の鏡２０、光検知デバイス１８および様々な光学部品１９を含む。部分的に透過性の鏡２０とファイバループ１６の組合せが光共振器２２を形成する。プロセッサ１２は、光源１４を制御して、光学部品１９を介して光共振器２２へ送られかつ光検知デバイス１８によって受けられる周波数変調された（または「周波数同調された」、または「周波数走査された」）レーザ光信号を生成する。
【００１２】
要素２０は、部分的に透過性の鏡として図３に示されるが、方向性結合器、またはファイバループ内の光の再循環を促進し、ループ内への光の導入を可能にし、かつ光エネルギーのわずかな割合をループから抽出するする任意の他のデバイス（「再循環器」）でよい。いくつかの実施形態では、要素２０は複数の光学要素の複合物でよい。
【００１３】
（例えば光源からの）入力光ビームが共振器２２に供給され、この入力光ビームが共振器２２の共振周波数の領域を１方向（例えばリング共振器の場合は光ファイバコイルの時計回りまたは反時計回りの方向）に通って同調されたとき、共振周波数の領域で共振ライン形状が生成され、これが共振器２２を通って循環する光によって検知される。環境から検出されるべき放射線（ガンマ線、中性子、アルファ線、ベータ線など）がないと、共振ライン形状は共振器２２内を循環する光のラウンドトリップのエネルギー損失が低いことに対応する狭い（鮮鋭度の高い）プロファイルを有する。この場合、ファイバループ１６のコアは、放射性粒子／核粒子またはガンマ線が存在する状態で反応する材料でドープされる。放射性粒子／核粒子またはガンマ線が存在する状態で、ファイバループ１６の減衰または屈折率などの光学的性質は変化する。ファイバループ１６の減衰が変化する場合には、共振器２２のラウンドトリップ損失が増加し、その鮮鋭度の低下またはその共振プロファイルの幅の広がりをもたらす。そのことによって、共振プロファイルの高さまたは深さも劣化することになる。センサ処理電子装置（プロセッサ１２）は、レーザ周波数が共振器２２の共振にわたって走査されて光が光検出器（光検知デバイス１８）で受けられるとき、鮮鋭度または自由スペクトルレンジまたはピーク高さなどの共振特性の変化を求める。光検知デバイス１８は、ファイバ共振器２２から出力された光を、光学部品１９を介して受け、解析のためにプロセッサ１２へ光検知信号を送る。
【００１４】
放射性／核検知用の無人自律走行車向けなどのいくつかの用途では、高感度で非常に小さいセンサはかなり魅力的である。本発明がそのような用途に対して利点を有することに留意されたい。例えば、例示的実施形態では、大抵のセンサ１０は、電子装置（例えばプロセッサ１２）および光学部品（例えば光源１４、光検知デバイス１８、光学要素１９および２０）を組み込み、かつ光電子装置とファイバの間の効率的で都合のよいインターフェースをもたらすシリコンベースの微小光学台上に構築される。ファイバの終端はＶ字型溝内に置かれ、この光学台上に配置された再循環器２０に対して光を送受するように整合されてよい。
【００１５】
反射鏡（光学部品１９）および再循環器２０など、わずか１０マイクロメートルと小さなフィーチャサイズを有する光学部品は、たとえ光が自由空間中を進むとしても、大型で大量の光学系をなくすためにシリコン表面に取り付けられてよい。これら光学的機能のうちのいくつかも、シリコン材料中に存在する導波路に埋め込まれてよい。この例示的実施形態では、光源１４および関連する周波数同調部品ならびに光検知デバイス１８も微小光学台上に取り付けられてよい。これらの技術を用いると、シリコンプラットホーム中またはシリコンプラットホーム上での光学部品の製作が可能になり、したがって電子工学部品との統合が可能になる。光源それ自体は、微小光学台上に取り付けられ得る、または形成され得るいくつかの部品を有する複合的構造体でよい。例えば、光源１４は、基板（微小光学台）上に形成または配置された２つの反射面の間に配置される外部空洞レーザダイオードでよい。回折格子またはエタロンなど周波数選択性の空洞内要素もレーザ空洞内に形成または配置されてよく、レーザ空洞が単一周波数のレーザになる。レーザ空洞の外部に取り付けられるかまたは形成されるレンズなどの要素もレーザ源１４に含まれてよく、レーザビームを形づくるかまたは視準するのに使用される。いくつかの例では、部分的に透過性の鏡すなわち再循環デバイス２０が、光ファイバ結合器または同等のデバイスで置換されてよいことも注目される。
【００１６】
ファイバループ１６は、単一モードの、可撓性で、しっかりと被覆されかつコーティングされた光ファイバの複数巻を含む。ファイバループ１６によって、脆弱でなく可撓性であるように十分に強いガラス導波路構造内の単一モードの光伝搬が可能になる。ファイバループ１６として使用される光ファイバの実施例が、図４のフォトニック結晶ファイバに関連して以下で説明される。
【００１７】
図４は、デンマークのＣｒｙｓｔａｌ−ｆｉｂｒｅ  Ａ／Ｓまたはカリフォルニア州アービンのＮｅｗｐｏｒｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって提供されるものなどのフォトニック結晶ファイバの設計を用いる、大きなモード電界の単一モード光ファイバケーブル３２を示す。これらの設計は、一般に、ファイバの全体にわたって空気穴が点在した純粋なシリカをガラスとして用いる。空気穴のパターンは、単一モード動作をもたらすように調整されるが、さらに従来型のファイバと比べて非常に大きなモード電界径も与える。ファイバの形状は、偏光状態を維持するように、あるいは単に１つの偏光を行うように調整されてもよい。これらの品質はセンサの精度を十分に改善するのにも同様に有益である。本発明では、ファイバは、高濃度のホウ素またはリンなど放射線に感応する成分でドープされているかあるいはこの成分を含むガラスを用いる。ケーブル３２は、ガラスのマトリクスおよび複数の穴４０で作られていて、固体のガラスコア領域３６を囲む内側被覆領域３４を含む。固体のガラスコア領域３６は、放射線がない状態では実質的に透明な放射線に感応する物質でドープされるかあるいはこの物質を含む。内側被覆領域３４のガラス部分も、放射線に感応する材料でドープされるかあるいはこの材料を含んでよい。コア領域３６を囲む穴４０は、ケーブル３２の長手方向に沿って延び、様々な断面形状を有してよい。光ファイバケーブル３２は単一モードファイバである。光ファイバケーブル３２は、固体のガラスから成る外側被覆の強度部材３８も含んでよい。ガラスコア３６は、放射性粒子または核粒子にさらされたとき反応する（すなわち黒ずむ）材料でドープされており、したがってガラスコア３６の光学的性質が変化する（すなわち屈折率が変わり、かつファイバ損失が増加する）。ドーパントの例は、ホウ素（Ｂ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、Ｇｅ−Ｐ（リン）、またはベータ粒子、中性子、およびアルファ粒子（Ｘ線またはガンマ線）が存在する状態でイオン化する任意の他の物質を含む。ドーパントのタイプおよび量は、どのタイプの放射線の検出が所望かということ次第で選択される。
【００１８】
結果として生じるファイバの基本モードは、輝度分布が円対称で、コアの中央にピークがあり、その分布のすそが内側被覆内に及ぶ広い領域の単一モードである。この構造を用いて、穴４０のサイズおよびそれらの間の距離を適切に変更することにより、光モードの直径に関して３０μｍ以上の直径が得られる。このようにして、より高いパワーの光源が使用され得て、より大きな信号対雑音およびダイナミックレンジを実現した上に、十分に低いパワー密度をもたらして非線形の影響を回避する。（図４には示されていないが）穴の位置、配置および形状の別の設計が可能であることに留意されたい。
【符号の説明】
【００１９】
１０  センサ
１２  プロセッサ
１４  光源
１６  光ファイバ
１８  光検知デバイス
１９  光学部品
２０  再循環器
２２  ファイバ共振器
３４  内側被覆領域
３６  ガラスコア領域
３８  強度部材
４０  穴
【図１】
2010091555.tif 000003
【図２】
2010091555.tif 000004
【図３】
2010091555.tif 000005
【図４】
2010091555.tif 000006
【外国語明細書】
2010091555000001.pdf