(57)【要約】【課題】大量の再現可能なテスト及び検査に適用可能にする。【解決手段】光源、検出器、及び光源と検出器との間に配列された光路、検出器と光源とが接続される光分割要素、光ファイバセグメント、及び共振キャビティを構成し、且つ検出される化学物質に接触するように構成された面を有する測定要素を含む、化学物質を検出するための干渉計光ファイバセンサであって、光ファイバセグメント及び測定要素が、それらの間に残留キャビティしか存在せず、光ファイバセグメントが、少なくともその長さの一部に沿って、キャピラリ内に含まれるように一緒に押し合っており、キャピラリの第１の末尾部分が測定要素に連結され、一方、キャピラリの他方の部分が光ファイバセグメント上に締め付けられ、その結果、キャピラリ、光ファイバセグメント及び測定要素が一緒に、光路の一部である光ファイバ測定プローブを構成し、キャピラリが少なくとも５ｍｍの長さを有する。【選択図】図１ａ
2021529939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源（１，１．１，１．２，１．３）、検出器（２，２．１，２．２，２．３）、及び前記光源（１，１．１，１．２，１．３）と前記検出器（２，２．１，２．２，２．３）との間に配列された光路を含んでおり、さらに前記検出器（２，２．１，２．２，２．３）と前記光源（１，１．１，１．２，１．３）とが接続される光分割要素（３，３．１，３．２，３．３）及び光ファイバセグメント（４）を、共振キャビティを構成し、且つ検出される化学物質に接触するように構成された面（６）を有する測定要素（５）と共に含む、化学物質を検出するための干渉計光ファイバセンサであって、
前記光ファイバセグメント（４）及び前記測定要素（５）が、それらの間に残留キャビティし（７）か存在しないように一緒に押し合っており、前記光ファイバセグメント（４）が、少なくともその長さの一部に沿ってキャピラリ（１１）内に含まれ、前記キャピラリ（１１）の第１の末尾部分が前記測定要素（５）に連結され、一方、前記キャピラリ（１１）の他方の部分が前記光ファイバセグメント（４）上に締め付けられ、その結果、前記キャピラリ（１１）、前記光ファイバセグメント（４）及び前記測定要素（５）が一緒に、前記光路の一部である光ファイバ測定プローブ（１３）を構成し、前記キャピラリ（１１）が少なくとも５ｍｍの長さを有することを特徴とする干渉計光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記残留キャビティ（７）の光学長ａ×ｎ１と前記測定要素（５）の光学長ｂ×ｎ２の比が、０〜０．４の範囲に入ることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記測定要素（５）が、検出される前記物質への付着力のある物質で少なくとも部分的に覆われた前記面（６）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の干渉計。
【請求項４】
前記測定要素（５）が、検出される前記物質に曝されると付着力を失う物質で少なくとも部分的に覆われた前記面（６）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の干渉計。
【請求項５】
前記測定要素（５）が、検出される前記物質に曝されると光学パラメータを変化させる物質で少なくとも部分的に覆われた前記面（６）を有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の干渉計。
【請求項６】
前記測定要素（５）が、ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、ＺＢＬＡＮガラス、及びポリマーを含む群から選択された物質を含む材料で製作されたタイルであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の干渉計。
【請求項７】
前記光ファイバセグメント（４）が、前記検出器（２）の動作範囲内で単一モードファイバであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の干渉計。
【請求項８】
前記キャピラリ（１１）の内部の前記光ファイバセグメント（４）の端部が、斜面になっており、前記光ファイバセグメント（４）の軸に対して４°〜２０°の範囲内の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の干渉計。
【請求項９】
第１の側から前記残留キャビティを閉じ込める前記光ファイバセグメント（４）の第１の表面が反射率Ｒ１を有し、反対側から前記残留キャビティを閉じ込める前記測定要素（５）の第２の表面が反射率Ｒ２を有し、反射率が、次の条件、
【数１】
2021529939.tif 000009
を満たすことを特徴とする請求項８に記載の干渉計。
【請求項１０】
前記光ファイバセグメント（４）が、マルチコアファイバセグメントであり、前記光路中にあるファンイン／ファンアウト（８）に接続され、前記干渉計が、第１の光分割要素（３．１）を介して前記ファンイン／ファンアウトデバイス（８）に接続された第１の光源（１．１）及び第１の検出器（２．１）と、第２の光分割要素（３．２）を介して前記ファンイン／ファンアウトデバイス（８）に接続された第２の光源（１．２）及び第２の検出器（２．２）とを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の干渉計。
【請求項１１】
前記干渉計が、第３の光分割要素（３．３）を介して前記ファンイン／ファンアウトデバイス（８）に接続された第３の光源（１．３）及び第３の検出器（２．３）を有することを特徴とする請求項１０に記載の干渉計。
【請求項１２】
前記干渉計が、
・スーパコンティニューム光源、
・４００〜７００ｎｍの波長範囲内の光を放出するハロゲンランプ、
・１３１０ｎｍの中心波長を有するスーパールミネッセントダイオード、
・１４００ｎｍの中心波長を有するスーパールミネッセントダイオード、
・１４５０ｎｍの中心波長を有するスーパールミネッセントダイオード、
・１５５０ｎｍの中心波長を有するスーパールミネッセントダイオード、
・１３１０〜１５５０ｎｍの範囲内に中心波長を有し、２０ｎｍ以上の範囲内で調整可能な狭帯域光源、
を含む群から選択された少なくとも１つの光源（１，１．１，１．２，１．３）を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の干渉計。
【請求項１３】
光ファイバセグメント（４）と、面（６）を有する測定要素（５）とを含む光ファイバ測定プローブであって、
前記光ファイバセグメント（４）及び前記測定要素（５）が、それらの間に残留キャビティし（７）か存在しないように一緒に押し合っており、前記光ファイバセグメント（４）が、少なくともその長さの一部に沿ってキャピラリ（１１）内に含まれ、前記キャピラリ（１１）の第１の末尾部分が測定要素（５）に連結され、一方、前記キャピラリ（１１）の他方の部分が前記光ファイバセグメント（４）上に締め付けられることを特徴とする光ファイバ測定プローブ。
【請求項１４】
前記残留キャビティ（７）の光学長ａ×ｎ１と前記測定要素（５）の光学長ｂ×ｎ２の比が、０〜０．４の範囲に入ることを特徴とする請求項１３に記載の光ファイバ測定プローブ。
【請求項１５】
前記測定要素（５）が、検出される前記物質への付着力のある物質で少なくとも部分的に覆われた前記面（６）を有することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の光ファイバ測定プローブ。
【請求項１６】
前記測定要素（５）が、検出される前記物質に曝されると付着力を失う物質で少なくとも部分的に覆われた前記面（６）を有することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の光ファイバ測定プローブ。
【請求項１７】
前記測定要素（５）が、検出されるべき前記物質に曝されると光学パラメータを変化させる物質で少なくとも部分的に覆われた前記面（６）を有することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の光ファイバ測定プローブ。
【請求項１８】
前記測定要素（５）が、ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、ＺＢＬＡＮガラス、及びポリマーを含む群から選択された物質を含む材料で製作されたタイルであることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の光ファイバ測定プローブ。
【請求項１９】
前記キャピラリ（１１）の内部の前記光ファイバセグメント（４）の端部が、斜面になっており、前記光ファイバセグメント（４）の軸に対して４°〜２０°の範囲内の角度だけ傾けられていることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の光ファイバ測定プローブ。
【請求項２０】
第１の側から前記残留キャビティ（７）を閉じ込める前記光ファイバセグメント（４）の第１の表面からの反射率Ｒ１と、反対側から前記残留キャビティ（７）を閉じ込める前記測定要素（５）の第２の表面からの反射率Ｒ２とが、次の条件、
【数２】
2021529939.tif 000010
を満たすことを特徴とする請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の光ファイバ測定プローブ。
【請求項２１】
前記光ファイバ測定プローブが、前記測定要素（５）が配置されている側とは反対側の前記光ファイバセグメント（４）の端部に設けられたコネクタを有することを特徴とする請求項１３〜２０のいずれか１項に記載の光ファイバ測定プローブ。
【請求項２２】
前記光ファイバセグメント（４）が、２つ以上のコア（９．１，９．２，９．３）を有することを特徴とする請求項１３〜２０のいずれか１項に記載の光ファイバ測定プローブ。
【請求項２３】
光路を備え、前記光路に含まれる検出器、光源及び光ファイバ測定プローブを有しており、光を検出物質に導く干渉計である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の干渉計光ファイバセンサを使用して化学物質を検出する方法であって、事前定義された干渉縞のシフトが前記検出器上で観察された場合に、前記物質が検出されたと見なすことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉計光ファイバセンサ、光ファイバプローブ及び光ファイバプローブをもつ干渉計光ファイバセンサを使用する化学物質の検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度、歪み又は物質の検出などの測定パラメータのための干渉計光ファイバセンサが当技術分野で知られている。
【０００３】
国際特許出願公開第ＷＯ２０１８１０６１３４号は、検出されるべき物質と相互作用するように構成された活性物質で覆われた１つのアームをもつマイケルソン干渉計を含む干渉計光ファイバセンサを開示している。この相互作用の結果は、活性物質の厚さ若しくは光学的厚さ、測定アームの端部での屈折率又は減衰の変化である。そのような干渉計光ファイバセンサを使用して、測定アームを囲む環境内の物質の存在を検出することができる。特に、測定アームを未知の物質に浸漬して、この物質が事前定義された１つ又は複数の物質を含むかどうかを検出することができる。活性物質は、検出される１つの物質のみと又は検出される一群の物質と反応するように選択することができる。検出方法は、環境又は未知の物質と接触する前、及び環境又は未知の物質と接触した後の干渉縞の観測からなる。事前定義の物質の存在は、干渉縞の特定のシフトが検出された場合に検出される。
【０００４】
当技術分野では、干渉計センサの他の構成も知られている。ファブリペロー干渉計は、いわゆるマルチビーム干渉計のうちの１つであり、光波の検査に使用され、２つの平行で部分的に透明なミラー間での光ビームの多重反射の現象を利用する。
【０００５】
そのような構造の一例は、一例としての役割を果たすことができるＥＰ３０５４２７２の説明に開示されている燃料レベルセンサであり、光キャビティが、半導体材料、例えばガリウム砒素により光ファイバに製作されている。光キャビティがダイアフラムの下面に取り付けられ、キャビティ上のダイアフラムの圧力の変化から生じる寸法の変化により、その結果を燃料リザーブの状態として解釈することが可能になる。
【０００６】
米国特許出願公開第２００５２５４０６２号は、分析物の存在、量、又は結合率を検出するための干渉計センサ及び方法を開示している。センサは、ファブリペロー構成で機能し、光源、検出器を有し、それらの間の光路は、光分割要素と測定要素プローブとを含み、光ファイバは、空隙を介して第１及び第２の光学要素に光を送り出す。第２の光学要素は、分析物を結合させることができる物質で覆われる。分析物は、反射光のスペクトルを観測することにより分析される。文書は、特定の物質（分析物、特に抗原）の検出及び測定を可能にする多数の用途を開示している。この開示には欠点がないわけではない。それは、第１及び第２の光学要素の製造の高精度と、特に空隙の正確な定義付けとを必要とする。プローブが反復可能であること、及びスペクトルの変化が適切に観察されることは、オプションでない要件である。それは、数学モデルを複雑にするという代償を払うことになる。プローブの取替はまた、その製造と同様に問題である。
【発明の概要】
【０００７】
当技術分野で知られているセンサは、大量生産が困難であり、パラメータを再現することが困難であり、少量のサンプルでは少し扱いにくい。他方、液面センサのような産業用センサは、満たされた特定の条件に関する限定された情報しか提供しない。その結果、大量の再現可能なテスト及び検査に適用することができるセンサが必要である。本発明の目的は、上記の最先端技術の欠点がない、干渉計光ファイバセンサ、光ファイバプローブ、及びそれを使用する方法を提供することである。
【０００８】
化学物質を検出するための本発明による干渉計光ファイバセンサは、光源、検出器、及び光源と検出器との間に配列された光路を含む。干渉計光ファイバセンサは、さらに、検出器及び光源が接続される光分割要素及び光ファイバセグメントを、共振キャビティを構成し、且つ検出される化学物質と接触するように構成された面を有する測定要素と共に含む。光ファイバセグメント及び測定要素は、それらの間に残留キャビティしか存在しないように一緒に押し合っている。光ファイバセグメントは、少なくともその長さの一部に沿って、キャピラリ内に含まれる。キャピラリの第１の末尾部分は測定要素に連結され、一方、キャピラリの他方の部分は光ファイバセグメント上に締め付けられ、その結果、キャピラリ、光ファイバセグメント、及び測定要素は、一緒に、光路の一部である光ファイバ測定プローブを構成する。キャピラリの長さは少なくとも５ｍｍである。センサのそのような構造の肯定的な結果は、計算において残留キャビティを無視できることである。それは、測定結果への影響が低く、安定で再現可能な方法での製造を容易にする。５ｍｍ以上のキャピラリの長さにより、残留キャビティのパラメータがプロセスにおいて影響されないように光ファイバセグメント上に締め付ける点を残留キャビティから十分遠くに離すことが可能になる。その結果、本発明によるセンサは、測定要素の面の表面によって構成された単一の測定共振キャビティを有すると見なすことができる。それは、線形測定と、測定結果の簡単な解釈とをもたらす。キャピラリをもつプローブは、カットし新しいものを溶接することによって、又は光ファイバコネクタを使用することによって容易に取り替えることができる。センサは、特に、アセトン、冷媒、エタノール蒸気、塩酸、ポリ（アリルアミン塩酸塩）、アリルアミン、タンパク質、バイオマーカ、及び抗原を含む群の内の物質を検出することに適用可能であるが、それだけではない。本発明の追加の利点は、検出される物質が、光ファイバの前にある測定要素の面と相互作用することである。この構成は、検出される物質が光ファイバ又は測定要素の側面と相互作用するプローブと比較して測定ダイナミクスを改善する。
【０００９】
有利には、残留キャビティの光学長ａ×ｎ１と測定要素の光学長ｂ×ｎ２の比は、０〜０．４の範囲にある。共振キャビティと残留キャビティの長さの比を０〜０．４の範囲内に規定すると、干渉縞の周波数が高くなり、分析が簡単になる。この比により、分析で単一キャビティモデルを使用することがより容易になる。残留キャビティからの反射信号のスペクトルは、測定要素によって形成されたキャビティから生じる測定信号のスペクトルよりもはるかに広い。数学モデルでは、それは、異なる周期を有する２つの正弦波信号の乗算に対応する。所与の比を規定することにより、残留キャビティから生じるスペクトルへの影響を一定と見なし、それを無視することがより容易になる。
【００１０】
有利には、測定要素は、検出される物質への付着力のある物質で少なくとも部分的に覆われた面を有する。この構成により、検出される物質のサンプルを捕捉することが容易になる。
【００１１】
代替として、測定要素は、検出される物質に曝されると付着力を失う物質で少なくとも部分的に覆われた面を有する。この構成物質において、事前定義された物質への測定要素の面の曝露の結果を検出し、その結果、物質自体を検出することが可能である。
【００１２】
代替として、測定要素は、検出される物質に曝されると光学パラメータを変化させる物質で少なくとも部分的に覆われた面を有する。それぞれの特定の検出される物質及び相互作用する多数の物質をもつカバーを適用することにより、同じ検出器及び光源を用いて１回の測定で多数の物質を検出することが可能になる。物質の付着／脱離、測定要素の面上の物質のパラメータの変化、又は外部要因への曝露後の要素自体のパラメータの変化は、干渉計の光路の長さを変化させる。結果において、干渉縞のシフトを観察することができる。
【００１３】
測定要素は、有利には、ガラス、石英ガラスＳｉＯ２、鉛ガラス、ＺＢＬＡＮガラス、及びポリマーを含む群から選択された物質を含む材料で製作されたタイルである。
【００１４】
光ファイバセグメントは、有利には、検出器の動作範囲内で単一モードファイバである。
【００１５】
キャピラリの内部の光ファイバセグメントの端部は、有利には、斜面になっており、光ファイバセグメントの軸に対して４°〜２０°の範囲内の角度で傾斜している。最良の効果は、７°〜８°の範囲で得られた。
【００１６】
第１の側から残留キャビティを閉じ込める光ファイバセグメントの第１の表面は反射率Ｒ１を有し、反対側から残留キャビティを閉じ込める測定要素の第２の表面は反射率Ｒ２を有し、反射率は、有利には、次の条件、
【数１】
2021529939.tif 000003
を満たす。
【００１７】
有利には、光ファイバセグメントは、マルチコアファイバセグメントであり、光路中にあるファンイン／ファンアウトデバイスに接続され、干渉計は、第１の光分割要素を介してファンイン／ファンアウトデバイスに接続された第１の光源及び第１の検出器と、第２の光分割要素を介してファンイン／ファンアウトデバイスに接続された第２の光源及び第２の検出器とを有する。この構成により、異なる波長でのシフトを同時に観察すること及び検出の感度及び特異性を改善すること、又は２つの異なる物質を同時に検出することが可能になる。
【００１８】
有利には、干渉計は、第３の光分割要素を介してファンイン／ファンアウトデバイスに接続された第３の光源及び第３の検出器をさらに有する。様々な波長で動作する多数の光源及び検出器を適用すると、感度及び特異性がさらに改善されるが、しかしなお、センサの複雑さが高くなることに結びつく。
【００１９】
有利には、少なくとも１つの光源は、以下のものを含む群から選択される。
・スーパコンティニューム光源、
・４００〜７００ｎｍの波長範囲内の光を放出するハロゲンランプ、
・１３１０ｎｍの中心波長を有するスーパールミネッセントダイオード、
・１４００ｎｍの中心波長を有するスーパールミネッセントダイオード、
・１４５０ｎｍの中心波長を有するスーパールミネッセントダイオード、
・１５５０ｎｍの中心波長を有するスーパールミネッセントダイオード、
・１３１０〜１５５０ｎｍの範囲内に中心波長を有し、２０ｎｍ以上の範囲内で調整可能な狭帯域光源。
【００２０】
一般に、良好な結果は、４００〜１６００ｎｍの波長の範囲内で作動する光源で得られた。光源と、検出される物質と測定要素の面の相互作用の機構とを選択すると、選択された光源に対応する所望の波長で縞を得るように測定要素の長さを選択することが容易になり、その結果、干渉縞のシフトを容易に観察することができる。
【００２１】
光ファイバ測定プローブは、本発明による、光ファイバセグメントと、物質と接触する面を有する測定要素とを含み、光ファイバセグメント及び測定要素は、それらの間に残留キャビティしか存在しないように一緒に押し詰められ、光ファイバセグメントは、少なくともその長さの一部に沿って、キャピラリ内に含まれ、キャピラリの第１の末尾部分は測定要素に連結され、一方、キャピラリの他方の部分は光ファイバセグメント上に締め付けられる。本発明によるプローブは、光源及び検出器から遠く離して配置することができる。それは、容易に取り替えることができる。それは、容易に滅菌され、その後の使用に適応することができる。
【００２２】
有利には、残留キャビティの光学長ａ×ｎ１と測定要素の光学長ｂ×ｎ２の比は、０〜０．４の範囲にある。共振キャビティと残留キャビティの長さの比を０〜０．４の範囲内に規定すると、干渉縞の周波数が高くなり、分析が簡単になる。この比により、分析で単一キャビティモデルを使用することがより容易になる。測定縞は、残留キャビティから生じるものよりもはるかに狭い。
【００２３】
有利には、測定要素は、検出される物質への付着力のある物質で少なくとも部分的に覆われた面を有する。この構成により、検出されるべき物質のサンプルを捕捉することが容易になる。
【００２４】
代替として、測定要素は、検出される物質に曝されると付着力を失う物質で少なくとも部分的に覆われた面を有する。この構成物質において、事前定義された物質への測定要素の面の曝露の結果を検出し、その結果、物質自体を検出することが可能である。
【００２５】
代替として、測定要素は、検出される物質に曝されると光学パラメータを変化させる物質で少なくとも部分的に覆われた面を有する。それぞれの特定の検出されるべき物質と相互作用する多数の物質をもつカバーを適用することにより、同じ検出器及び光源を用いて１回の測定で多数の物質を検出することが可能になる。物質の付着／脱離、測定要素の面上の物質のパラメータの変化、又は外部要因への曝露後の要素自体のパラメータの変化は、干渉計の光路の長さを変化させる。結果において、干渉縞のシフトを観察することができる。
【００２６】
測定要素は、有利には、ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、ＺＢＬＡＮガラス、及びポリマーを含む群から選択された物質を含む材料で製作されたタイルである。
【００２７】
キャピラリの内部の光ファイバセグメントの端部は、有利には、斜面になっており、光ファイバセグメントの軸に対して４°〜２０°の範囲内の角度だけ傾けられている。
【００２８】
第１の側から残留キャビティを閉じ込める光ファイバセグメントの第１の表面は反射率Ｒ１を有し、反対側から残留キャビティを閉じ込める測定要素の第２の表面は反射率Ｒ２を有し、反射率は、有利には、次の条件、
【数２】
2021529939.tif 000004
を満たす。
【００２９】
有利には、キャピラリ内の媒体の屈折率ｎ１と、測定要素の材料の屈折率ｎ２との間の差は、３０％よりも大きい、すなわち、
【数３】
2021529939.tif 000005
である。
【００３０】
光ファイバ測定プローブは、有利には、測定要素が配置されている側とは反対側の光ファイバセグメントの端部に設けられたコネクタを有する。
【００３１】
有利には、測定プローブの光ファイバセグメントは、２つ以上のコアを有する。それは、多数の検出器及び／又は光源をもつ干渉計内でプローブを使用できるようにし、それにより、より良好な感度及び特異性が提供される。
【００３２】
光路を有し、光路に含まれる検出器、光源、及び光ファイバ測定プローブを備え、検出される物質に光を導く本発明による干渉計を使用して化学物質を検出する方法は、事前定義された干渉縞のシフトが検出器上で観察された場合に、物質が検出されたと見なすことを特徴とする。測定要素は共振キャビティを構成するので、波長ドメインで干渉縞を表示することが可能である。キャビティの外面に物質が付着した場合、又は既に付着している物質の厚さが増加した場合、干渉縞は、長波長側にシフトする。シフトの大きさを使用して、厚さの変化を決定することができる。代替として、層が脱離された場合、干渉縞は短波長側に移動し、厚さの減少を決定することができる。
【００３３】
本発明の実施形態が、以下の図を参照して、以下で詳細に説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１ａ】本発明の第１、第２及び第３の実施形態による干渉計光ファイバセンサのブロック図である。
【図１ｂ】本発明の一実施形態によるプローブの構成を概略的に示す図である。
【図１ｃ】本発明の別の実施形態によるプローブの構成を概略的に示す図である。
【図１ｄ】本発明のさらなる別の実施形態によるプローブの構成を概略的に示す図である。
【図２ａ】本発明の第１の実施形態におけるテスト対象の物質への曝露による干渉縞のシフトを示す図である。
【図２ｂ】本発明の第１の実施形態におけるテスト対象の物質への曝露による干渉縞のシフトを示す図である。
【図３】マルチコア（３コア）ファイバを用いた本発明の第４の実施形態によるセンサのブロック図である。
【図４】この３コアファイバの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
［実施例１］
この実施形態の干渉計のブロック図が、図１ａに提示される。光源１を構成する１４００ｎｍの中心波長及び５０ｎｍに等しい半値全幅をもつスーパールミネッセントダイオードが、単一モード光ファイバによって、分割要素３を構成するサーキュレータの第１のポートＣ．１に接続される。本発明による測定プローブ１３が、第２のサーキュレータポートＣ．２に単一モードの光ファイバ（光ファイバセグメント）４の端部により接続される。測定プローブ１３の構造において、光ファイバ４の他方の端部は、石英ガラスキャピラリ１１内に封入され、スプライシングによってキャピラリ１１に取り付けられた測定要素５に押し付けられる。
【００３６】
代替として、キャピラリは、測定要素５にクランプされてもよい。
【００３７】
キャピラリ内にある光ファイバ４の端部は、角度α＝８°でカットされる。その結果、光ファイバ４の端部と測定要素５との間に、ａ＝０μｍからａ＝２μｍの実効幅をもつ残留キャビティ７を形成する空隙が存在する。測定要素５の長さは、２０μｍである。
【００３８】
さらなるテストにより、反射信号の減衰の効果が、４°〜２０°のカット角度の全範囲である程度得られることが示された。
【００３９】
サーキュレータの第３のポートＣ．３に、本発明のこの実施形態で検出器２として使用される光スペクトルアナライザが接続される。
【００４０】
光源１からの光は、分割要素３を構成するサーキュレータを通って、光ファイバ４に到達し、幅「ａ」の空隙を通って、面６を有する測定要素５に到達する。このようにして、ファブリペロー干渉計が得られる。検出器２で、スペクトルドメインの干渉縞を観察することができる。縞及び／又はコントラストのシフトは、光路に沿って形成されたキャビティのパラメータの変化に依存する。実際には、測定要素５の面６と、測定要素５の反対側の端部との間に確立されたキャビティの境界の表面の変化が、測定に有用である。光路が１つのキャビティのみを含む場合、最良の結果が得られる。各接続と、媒体の各境界とは、追加のキャビティを導入する。本発明による干渉計の構造では、キャビティの数が限定される。残留キャビティ７は、小さいサイズのために無視できる。さらに、光ファイバ４の端部の斜めカットと、キャビティの境界の反射率の適切な比の提供とにより、測定結果への寄与は制限される。
【数４】
2021529939.tif 000006
ここで、
−  Ｒ１は、光ファイバの端部からの反射係数であり、
−  Ｒ２は、キャピラリに面する測定要素の表面からの反射率である。キャピラリ内の媒体の屈折率ｎ１と、測定要素の材料のｎ２との間の差は、３０％より大きく、即ち、
【数５】
2021529939.tif 000007
であり、それは、測定のより良好なダイナミクスを可能にする。
【００４１】
測定要素５は、２０μｍの高さをもつガラスシリンダの形態のタイルである。測定要素５の面６は、約１．３３の屈折率をもつペルフルオロ化ポリマーで被覆される。被覆は、測定要素５をポリマー溶液に浸漬することによって行われる。１，１，２−トリクロロ−１，２，２−トリフルオロエタンのような炭素、塩素、及びフッ素の化合物である検出物質（冷媒）に面６を曝した結果として、ポリマーの層が膨潤する。この構成では、膨潤は、物質厚さの１０ｎｍの変化に寄与し、それは、１４１０ｎｍの近傍での０．６ｎｍの干渉縞のシフト（冷媒への測定要素の曝露の前後の波長の関数としての反射率Ｓ１１を示す図２ａ及び図２ｂに示されるように）に対応する。
【００４２】
図２ａ及び図２ｂに示されている得られたスペクトルプロットに基づいて、面６を覆うと共に、厚みを変化させる層の厚みが決定される。
【００４３】
第１のステップは、測定物質への曝露の前の測定中に隣接する干渉縞の波長の差を決定することによって、測定要素５の厚さを測定することである。これらの縞が、図２ａに示される。したがって、干渉計の較正は、干渉計の光路の差を決定し、測定要素５の表面によって形成されるキャビティの屈折率を考慮し、光信号がキャビティを２回通過することを考慮に入れることによって実行される。
【００４４】
次に、面６が測定物質に曝露され、干渉縞のうちの１つが分析される。曝露の前後の縞に対応する波長の差が決定される。図２ｂは、曝露の前後の縞を示す。測定要素５の面６に取り付けられた層の厚さの変化のために、縞のシフトが生じた。
【００４５】
曝露の前後の前記干渉縞に対応する波長の差を決定した後、測定要素５の面６を覆う層の屈折率が分かると、層厚さの変化ΔＬが次の式により計算される。
【数６】
2021529939.tif 000008
ここで、
Ｌ２、ｎ２は、それぞれ、測定要素５の厚さ及び屈折率を表し、
Ｌ３、ｎ３は、それぞれ、測定要素５の面６を覆うペルフルオロ化ポリマーの層の厚さ及び屈折率を表し、
λは、層の膨潤の前後の分析された縞の波長であり、
Δλは、層の膨潤の前後の分析された干渉縞の波長の差である。
【００４６】
干渉縞の波長の変化Δλが長波長側の範囲（０．１ｎｍ、１６．８ｎｍ）にある場合、冷媒の検出が認められる。この範囲は、実験的に選択された。本発明の他の実施形態では、他の範囲及び他の活性物質が、他の物質を検出するための選択に適している。選択は、ルーチンテストで行うことができる。当業者は、他の活性物質を容易に提案し、適切な範囲を測定することができる。
【００４７】
本実施形態において、本発明による測定プローブ１３の構成により、残留光キャビティ７を効果的に短くすることができる。測定プローブ１３が、図１ｂに概略的に示される。光ファイバ４の端部と測定要素５とは、断面がＵセクションを有するガラスキャピラリに配置される。光ファイバ４の端部は、２０°の角度でカットされ、測定要素５に押し付けられる。キャピラリは、測定要素５と光ファイバ４の両方の端部で溶接することによって封止される。キャピラリ１１と光ファイバ４との接続点は、層の１つの反射の偶発的な増加を防止するために、残留光キャビティ７から遠くに離されるべきである。これは、５ｍｍ長のキャピラリ１１を使用して達成された。
【００４８】
［実施例２］
本発明の第２の実施形態による干渉計が、図１ａに示された同じブロック図に従って製作された。光源１は、５０ｎｍの範囲で調整可能で１５５０ｎｍの中心波長をもつ狭帯域チューナブル光源である。光源１は、単一モードファイバを介してサーキュレータの第１のポートＣ．１に接続される。測定プローブ１３は、サーキュレータの第２のポートＣ．２に接続される。
【００４９】
本発明のこの実施形態による測定プローブが、図１ｃに概略的に示される。測定プローブは、干渉計の光路中に相互接続され、単一モードの光ファイバ４の端部には、図に示されていないコネクタが設けられている。光ファイバ４の他方の端部は、キャピラリ１１で囲まれ、測定要素５に押し付けられる。キャピラリに収容された光ファイバ４の端部は、８°の角度でカットされる。キャピラリ１１と測定要素５との間で溶接が行われる。その結果、光ファイバ４の端部と測定要素５との間に、実効幅ａ＝２μｍの残留キャビティ７を形成する空隙が存在する。測定要素５の長さは、ｂ＝２０μｍである。測定要素５の面６は、実施例１と同じ物質で覆われる。
【００５０】
検出器２は、サーキュレータの第３のポートＣ．３に接続される。
【００５１】
［実施例３］
本発明の第３の実施形態による干渉計のブロック図は、第１及び第２の実施形態と同じである。それが、図１ａに示される。４００μｍ〜７００μｍの波長範囲の光を放出するハロゲンランプである光源１が、複屈折光ファイバ（偏光と、光源１の動作波長帯域での単一モードとを維持する）によって、サーキュレータの第１のポートＣ．１に接続される。偏光を維持するサーキュレータは、分割要素３の機能を有する。サーキュレータの第２のポートＣ．２は、測定プローブ（１３）に接続される。測定プローブ１３の光ファイバセグメント４は、複屈折性であり、波長λ＝５５０ｎｍで３ｍｍのビート長を有する。それは、偏光を維持し、光源１の波長動作帯域で単一モードである。測定要素（５）は、１．８に等しい屈折率を有する鉛ガラスで製作される。サーキュレータの第３のポートＣ．３は、検出器２を構成する分光器に接続される。
【００５２】
図１ｄに概略的に示された測定プローブ１３は、Ｏ形状の断面及び５ｍｍの長さを有するキャピラリ１１を含み、その中に、偏光を維持する光ファイバ４のセグメントと、鉛ガラスで製作されたｂ＝２００μｍの長さを有する測定要素５とが挿入される。この構成で得られる残留キャビティ７は、長さａ＝０．１μｍを有する。
【００５３】
代替として、測定要素５は、損失が同様に比較的低いガラス、石英ガラス、鉛ガラス、ＺＢＬＡＮガラス、及びポリマーを含む群から選択された他の物質で製作することができる。
【００５４】
石英ガラスは、加工する際に特に都合がよい。石英ガラスを使用して、所望の長さ及び滑らかな表面、並びに互いに平行で軸に垂直な底面を有する円柱状の測定要素５を製造することは都合がよい。
【００５５】
検出される物質の測定要素５の面６への付着は、ピラニア溶液、即ち、３：１の体積比で混合された濃硫酸及び３０％過酸化水素を含む溶液に面６を入れることによって得られる。このように処理された面６は、十分に活性であり、ポリ（アリルアミン塩酸塩）に曝されたときに１．５の屈折率及び２ｎｍ厚を有するポリマーの層を引き寄せ、それで覆われる。
【００５６】
鉛ガラスの表面には、化学結合Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−Ｏがある。ピラニア溶液に曝された後、構造Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉは、極性のより強い２×Ｓｉ−ＯＨに変換され、その結果、表面へのイオンポリマーの付着がより容易になる。
【００５７】
測定要素５の面６に対する１．５の屈折率を有する２ｎｍの物質の層は、５５０ｎｍの波長で５ｐｍのスペクトル屈折干渉縞のシフトをもたらす。その結果、この実施形態のセンサは、ポリ（アリルアミン塩酸塩）の検出に適用することができ、それの存在は、スペクトル干渉縞が長波長側に２ｐｍと０．２ｎｍとの間の値だけシフトするときに認められる。
【００５８】
［実施例４］
図３には、本発明の第４の実施形態のブロック図が示される。ファイバ４のマルチコアセクションをもつ測定プローブ９を使用することにより、光源の異なる波長のスペクトルを同時に観察することが可能になる。本実施例では、３コア光ファイバが、図４に断面で概略的に示されており、３つの光源のセットが示されている。
【００５９】
光源（１．１，１．２，１．３）のセットでは、それぞれ、１３１０ｎｍ、１４５０ｎｍ及び１５５０ｎｍの波長、並びに５０ｎｍ全幅をもつ３つの広スペクトルスーパールミネッセントダイオードが使用された。光源の各々は、反射測定の構成で、サーキュレータ３．１，３．２，３．３を介してそれに接続された検出器２．１，２．２，２．３に接続される。検出器２．１，２．２，２．３として、スペクトロメータが使用された。サーキュレータ３．１，３．２，３．３のフリーポートは、ファンイン／ファンアウトデバイス８のポートに接続され、これらのポートは、測定プローブ９の光ファイバ４の３コアセクションのコアに接続される。
【００６０】
測定要素５は、長さｂ＝５０μｍを有し、ガラスＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ４−ＢａＦ２−ＬａＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ）で製作される。ＺＢＬＡＮガラスと入力マルチコア光ファイバ４との間に、空隙（長さａ＝１μｍの残留キャビティ７）が存在する。この構成では、ファブリペロー共振器が、コア９．１，９．２，９．３の各々に対して形成される。
【００６１】
測定要素５の面６は、ジクロロメタン中のポリスチレンの１％溶液に浸漬した結果としてアセトンの検出に対して増感される。乾燥後に面６に残っている活性層は、特定の性質を有し、アセトンとの接触の結果として膨潤する。その結果、そのような層を備え付けた本発明によるセンサは、アセトンセンサとして使用することができる。
【００６２】
当業者は、本発明のセンサが所望の物質を検出及び測定することができた１３００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲での測定を可能にする、他の中波長及び他のスペクトル幅をもつ光源の他のセットを容易に提供することができる。
【００６３】
単一モード光ファイバを通る光源からの光は、サーキュレータ３に、次いでファンイン／ファンアウトデバイス８に、そして入力３コア光ファイバ４に導かれる。この光ファイバは、図４に示されるコア９．１，９．２，９．３から設定された三角形の断面及び格子定数Λ＝８０μｍを有する。コア９．１，９．２，９．３は、８．２μｍの直径及び０．１２の開口数を有する。光ファイバ４から、光は、空気充満残留キャビティ７及び測定要素５に導かれる。測定要素の縁部から反射された光は、光ファイバセグメント４を介して、ファンイン／ファンアウト要素を通って、単一モード光ファイバ及びサーキュレータを通って検出器に戻り、検出器上で、測定要素５の向かい合った端部から反射された光の干渉から生じる干渉縞が観察される。室温でアセトンに浸漬することにより、測定プローブの層の厚さの変化が約２００ｎｍだけ生じ、干渉縞が、１５５０ｎｍの波長の近傍で約６．４ｎｍだけ、１４５０ｎｍの波長の付近で６ｎｍ、１３１０ｎｍの波長の近傍で約５．４ｎｍだけシフトする。すべての光源波長で得られた干渉縞シフトが０．１ｎｍ〜８．０ｎｍの範囲内にある場合にアセトンが検出されたことが認識される。このようにして、検出方法の特異性の向上が達成された。
【００６４】
ファンイン／ファンアウト要素の使用により、これらの干渉縞の全てのシフトを同時に観察することが可能になる。２つの干渉縞を観察すると、センサの動作の改善（より高い感度及び特異性）が既に得られている。検出物質の一部では、４つ以上のコアをもつファイバと、対応して多数の光源（最大で１０個、１２個又はそれ以上）とを使用することが望ましい。
【００６５】
本発明によるセンサの実施形態では、多数のコアを有するマルチコアファイバセクションと、対応する数の光源及び検出器とを使用することができる。そのようなセンサシステム及び測定プローブは、より複雑となるが、検出物質をより確実に識別する可能性をもたらす。
【００６６】
本発明のいくつかの実施形態では、光ファイバセクションを測定要素５として使用することができる。測定要素５として光ファイバセグメントを使用することにより、ビームの回析が避けられる（コアが光ファイバ内に存在するために）。光源の帯域幅内で正の分散をもつ光ファイバを使用することにより、非線形現象の発生が避けられる。
【００６７】
当業者は、いくつかの状況では、光源と検出器との間の光路の他の有利な変形を、ごく普通に、ただし、特許請求の範囲によって定義される本発明から逸脱することなく、提案することができる。例えば、上述の実施形態で使用されるサーキュレータは、カプラと容易に取り替えることができる。
【００６８】
同様に、上述の説明に精通する当業者は、様々な検出物質に対して測定要素５の面６を被覆又は増感する様々な方法を難なく提案すること、並びに光源及び光路の適切な光学パラメータをさらに選択することができる。塩酸への感度は、小さい多孔率及び約１．８の屈折率をもつ石英ガラスで製作された測定要素を準備し、その面をイットリウム酸化物で、例えば、イットリウム酸化物をレーザ昇温し、ガラス上に堆積させることによって覆うことにより得ることができる。分析要素の塩酸との接触により、干渉縞が１５５０ｎｍの波長で約４ｎｍだけシフトする。
【００６９】
当業者はまた、特に、ファイバをスプライスすることによって及び専用の光ファイバのコネクタを使って測定プローブを光路に接続する様々な技法を提案することができる。
【００７０】
当業者は、光源帯域に合わせて測定要素の長さを容易に選択し、本説明で述べた光源を様々な代替品で置き換えることができる。発明者らはまた、以下のものを含む様々な光源を首尾よく使用している。
・スーパコンティニューム光源、
・４００〜７００ｎｍの範囲からの光を放出するハロゲンランプ、
・１３１０ｎｍに中心波長をもつスーパールミネッセントダイオード、
・１４００ｎｍに中心波長をもつスーパールミネッセントダイオード、
・１４５０ｎｍに中心波長をもつスーパールミネッセントダイオード、
・１５５０ｎｍに中心波長をもつスーパールミネッセントダイオード、
・１３１０〜１５５０ｎｍの範囲内に中心波長を有し、２０ｎｍ以上の範囲内で調整可能な狭帯域光源。
【００７１】
本発明は、当業者に知られている様々な測定技法を使用して具現化することができる。ＳＬＥＤダイオード、スーパコンティニューム光源、又はハロゲンなどの広帯域光源を使用することができ、検出器としてスペクトラムアナライザ又はスペクトロメータを使用することができる。代替として、１つのチューナブル光源を使用し、測定中に次の波長に切り替えることができる。この構成では、より単純な検出器を使用することができる。いくつかの検出器を用いて１つの広帯域光信号を分析する可能性があり、又は１つの広帯域検出器で分析するために狭帯域光源のいくつかの光源を用いて１つの広帯域光信号を分析する可能性がある。
【００７２】
実施形態は、本発明を説明するものとして、しかし限定するものとしてではなく読まれるべきである。
【図１ａ】
2021529939.tif 000011
【図１ｂ】
2021529939.tif 000012
【図１ｃ】
2021529939.tif 000013
【図１ｄ】
2021529939.tif 000014
【図２ａ】
2021529939.tif 000015
【図２ｂ】
2021529939.tif 000016
【図３】
2021529939.tif 000017
【図４】
2021529939.tif 000018
【国際調査報告】
2021529939.tif 000019
2021529939.tif 000020
2021529939.tif 000021