(57)【要約】【課題】検出時間を最小にしつつ、高い感度で化学物質及び／又は生物学的因子の存在を検出するセンサの提供。【解決手段】所定の化学物質を検出する化学検出器。この化学検出器は、光ファイバと、約０．１よりも高い高自由体積分率を有し、ある長さの光ファイバの被覆を形成するポリマーとを含む。この光ファイバは光共振器の中に配置される。この化学検出器はさらに、光共振器を励振するコヒーレント光源と、光ファイバの高固有微細孔率ポリマー被覆中への所定の化学物質の吸収によって引き起こされる光ファイバの共振減衰の変化又は屈折率の変化に基づいて、所定の化学物質を検出する化学シグネチャ検出器とを含む。【選択図】図１
2008209414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の化学物質を検出する化学物質検出器において、
光ファイバを含む光共振器と、
約０．１よりも大きい高自由体積分率を有する、光ファイバを被覆するポリマーと、
前記光ファイバを励起するコヒーレント光源と、
前記ファイバを被覆する前記高自由体積分率ポリマーへの所定の化学物質の吸収によって引き起こされる前記光ファイバ共振器の共振線形の変化又はフリー・スペクトル・レンジの変化に基づいて、前記所定の化学物質を検出する化学シグネチャ検出器と
を含む化学物質検出器。
【請求項２】
前記コヒーレント光源がＤＦＢレーザ・ダイオードをさらに含む、請求項１に記載された化学物質検出器。
【請求項３】
前記化学シグネチャ検出器がフォトダイオードをさらに含む、請求項２に記載された化学物質検出器。
【請求項４】
前記化学シグネチャ検出器が、前記ＤＦＢレーザの接合部電流を所定の電流範囲を横切って掃引させる、前記ＤＦＢレーザに結合されたレーザ・コントローラをさらに含む、請求項３に記載された化学物質検出器。
【請求項５】
前記化学シグネチャ検出器が、前記所定の電流範囲の電流値を前記ＤＦＢレーザの発振周波数に相互に関係づけたレーザ・ルックアップ・テーブルをさらに含む、請求項４に記載された化学物質検出器。
【請求項６】
前記レーザ・ルックアップ・テーブルが、較正値に対応し、化学物質に曝される前の前記光ファイバ共振器の共振線幅又はフリー・スペクトル・レンジに対応する第１の接合部電流値差をさらに含む、請求項５に記載された化学物質検出器。
【請求項７】
前記化学シグネチャ検出器が、化学物質の所定の吸収量の少なくとも一部に対応する共振周波数シグネチャ値を含む化学シグネチャ・ルックアップ・テーブルをさらに含む、請求項６に記載された化学物質検出器。
【請求項８】
前記化学シグネチャ検出器が、前記フォトダイオードの出力を共振閾値と比較することによって前記光ファイバの共振を検出する比較器をさらに含む、請求項７に記載された化学物質検出器。
【請求項９】
前記化学シグネチャ検出器が、前記光共振器の前記共振幅又は前記フリー・スペクトル・レンジを決定するために、前記コヒーレント光の周波数変調及び前記フォトダイオード出力の後続の復調をさらに含む、請求項７に記載された化学物質検出器。
【請求項１０】
前記ポリマー被覆は、ポリマー構造中の隣接するポリマー分子間の間隔が０〜約１０オングストロームであり、検出すべき所定の化学物質によって少なくとも部分的に満たされうる空き領域を有する、請求項９に記載された化学物質検出器。
【請求項１１】
高自由体積分率を有する前記ポリマーが、約０．１よりも大きい自由体積分率を有し、前記ファイバの被覆を形成することができる高自由体積分率のポリスルホン、ポリイミド、ポリフェニルエーテル及びポリカーボネートからなる群から選択される、請求項１０に記載された化学物質検出器。
【請求項１２】
前記ポリマーが、約０．１よりも高い自由体積分率を有し、前記ファイバの被覆を形成することができるポリイミド・ポリマーである、請求項１１に記載された化学物質検出器。
【請求項１３】
前記ポリマーが、
ジアンヒドリドと、
ジアミノフェニルメタン及びジアミノフェニルエーテルからなる群から選択されたジアミンと
から調製されたポリイミドである、請求項１２に記載された化学物質検出器。
【請求項１４】
前記ポリマーが、繰返し単位
【化１】
2008209414.tif 000010
を有するポリイミドであり、上式で、Ｒ＝無し、又は
【化２】
2008209414.tif 000011
又は
【化３】
2008209414.tif 000012
のいずれか、或いはこれらの混合物であり、Ｘは、
【化４】
2008209414.tif 000013
からなる群、並びにこれらの混合物から選択され、Ｙは、水素、１〜６個の炭素原子を有するアルキル基、６〜１２個の炭素原子を有する芳香族基及びハロゲンからなる群から選択され、上式で、ｎは０から４までの整数であり、Ｙ’は、
【化５】
2008209414.tif 000014
からなる群、又はこれらの混合物から選択され、上式で、Ｒ”は、
【化６】
2008209414.tif 000015
からなる群、並びにこれらの混合物から選択される、請求項１３に記載された化学物質検出器。
【請求項１５】
前記ポリイミドが、４，４’−（ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジフタル酸無水物と、４，４’−ジアミノフェニルメタン及び４，４’−ジアミノフェニルエーテルからなる群から選択されたジアミノフェニル化合物とから調製される、請求項１３に記載された化学物質検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に環境の検出に関するものである。より具体的には、本発明は、化学物質の存在を検出する光学システム及び方法に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、国内の安全対策及び住民に対する脅威を検出することが以前に増して重要視されている。特に、環境の中にある望ましくない化学物質又は生物物質の存在を検出又は感知することが優先事項となっており、それに応じてさまざまな検出装置が開発されている。その一例が、コア及び被覆（クラッド）を有する光ファイバを使用した化学センサである。この被覆、又はこの被覆上のコーティングは、検出すべき所定の物質が存在すると変化する光学的特性を有する。この光ファイバのコアの中を透過する光の量は、検出すべき物質と相互作用する被覆又はコーティングの光学特性の変化に応じて変化する。
【０００３】
従来の検出装置の設計上の１つの考慮事項は感度に関するものである。一般に、特定の検出装置に関しては、望ましくない物質の濃度が低いほど、その存在の検出により多くの時間が必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、検出時間を最少にしつつ高い感度で化学物質及び／又は生物学的因子の存在を検出するセンサを提供することが望ましい。さらに、センサのパッケージのサイズを最小化しつつ異なる複数の脅威の存在を検出するセンサを提供することが望ましい。なお、本発明のその他の望ましい特徴及び特性は、本発明の以下の詳細な説明及び添付された特許請求の範囲を、添付図面及びこの背景技術の項とともに検討することによって明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
所定の化学物質を検出する化学検出器。この化学検出器は、光共振器の中に配置された光ファイバと、約０．１よりも大きい高自由体積分率を有し、ある長さの光ファイバの被覆を形成するポリマーとを含む。この化学検出器はさらに、光ファイバを励起するコヒーレント光源と、ファイバの固有微細孔率の大きなポリマー被覆への所定の化学物質の吸収によって引き起こされる光ファイバ共振器の共振線形特性の変化に基づいて所定の化学物質を検出する化学シグネチャ検出器とを含む。検出することのできる共振特性には、フリー・スペクトル・レンジ（屈折率測定）、線幅（光減衰測定）、及びピーク又はディップ共振の大きさ（光減衰測定）が含まれる。
【０００６】
本発明に基づく光ファイバの被覆にとって、及び所定の化学物質を検出するために有用であるか、または、被覆のためのコーティングとして有用であると考えられる高自由体積分率ポリマーは、約０．１よりも大きい自由体積分率を有するポリマーであり、本発明の一具体例では、ポリマー構造中に、検出すべき所定の化学物質によって少なくとも部分的に満たされうる空き領域を有するポリマーであることが好ましい。本発明の他の具体例では、約０．１よりも大きい自由体積分率を有する高自由体積分率ポリマーが微細孔質である。この光ファイバの被覆は、当技術分野で知られている任意の方法によって被覆できる。
【０００７】
次に、図面を参照して本発明を説明する。これらの図面では、同じ符号が同じ部材を表している。
【実施例】
【０００８】
本発明の以下の詳細な説明は本質的に単に例示を目的としたものであり、本発明又は本発明の適用及び使用を限定することを意図するものではない。また、上記の背景技術の項又は課題を解決するための手段の項、或いは本発明の以下の詳細な説明に提示された理論に拘束しようとする意図もない。
【０００９】
環境中の１種又は数種の化学物質を感知する装置及び方法が提供される。広く言えば、この装置は、特定の化学汚染物質に曝されると吸光度又は屈折率が変化する被覆又はコーティングを含む光ファイバ・コイルを有する共振器を包含する。（例えば光源からの）入力光ビームが共振器に供給され、この入力光ビームが、一方向（例えば、環状共振器の場合には光ファイバ・コイルの時計回り又は逆時計回り方向）の光ファイバ・コイルの共振周波数に同調されると、共振周波数の領域に共振線形（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｌｉｎｅｓｈａｐｅ）が形成され、これが、共振器の中を循環する光によって感知される。検出すべき物質が環境中に存在しない場合、この共振線形は、共振器の中を循環する光の低エネルギー損失に対応する第１の（例えば幅の狭い）プロファイルを有する。光ファイバ・コイルの環境中に所定の化学物質が存在する場合、この化学物質は被覆に吸収され、その結果、光ファイバ・コイルの中を循環する光の一部が散乱され、又は吸収される。通常は幅が狭い共振線形は、幅がより広くより浅いプロファイルに変化する。この共振線形の変化は、散乱光又は吸収光に起因するより大きなエネルギー損失を表し、したがって、所定の化学物質の存在を指示する。より「透明な」化学物質（光減衰に対する影響が相対的に小さい化学物質）の測定により利用され得る他の共振特性として、フリー・スペクトル・レンジ（ｆｒｅｅ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒａｎｇｅ）（異なる共振間の周波数差）が変化し、それを測定することができる。これは、光が遭遇する屈折率に対して影響を及ぼす化学物質の吸収に起因する。このセンサの中で複数の光ファイバ・コイルを多数にして、複数の共振器を形成して、複数の化学物質の存在を同時に検出できる。その存在が検出しようとする１次物質の測定を不利に偏向させる可能性がある他の２次物質を感知するために、追加の共振器を使用することもできる。こうすると、１つの共振器コイル又はインジケータの２次物質に対する交差感度を排除することができる。これにより、１次物質のより明確な測定が提供され、又は、２次物質によって引き起こされる誤った警報の可能性が排除される。
【００１０】
次に図面を参照する。図１は、本発明の例示的な一実施例に基づく化学物質センサ１０の概略図である。センサ１０は、同調可能なコヒーレント光源１８（例えば外部共振器型レーザ・ダイオード、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ・ダイオードなど）、第１の鏡面反射器２０、再循環器（ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）２４（例えばゼロでない低い透過率を有する高反射鏡）、光源１８からの光を第１の鏡面反射器２０及び再循環器２４を介して受け取る第１の端部３１を有する光ファイバ・コイル２８、光ファイバ・コイル２８の第２の端部からの光出力を、再循環器２４を介して受け取る第２の鏡面反射器２２、光検出器（例えばフォトダイオード）２６、並びに光検出器２６及び光源１８に結合された電子回路モジュール１６を含む。入力鏡２４と光ファイバ・コイル２８とは一体となって共振器１２を構成する。共振器１２はさまざまな構成を有することができ、本明細書では例示的ないくつかの実施例を説明する。共振器１２に導入される光は単色光であり、再循環器２４を利用して、光ファイバ・コイル２８の多数の巻きの中を循環する。共振器１２からの光出力は、所定の化学物質３０の不在又は存在に応じて変化する。いくつかの代替実施例では、再循環器２４を光ファイバ・カプラとすることができる。
【００１１】
図５は、図１のセンサのやや複雑な１変形例であり、光を時計回り（ＣＷ）方向又は逆時計回り（ＣＣＷ）方向に循環させることができる。図５では、再循環器２４が、図１の鏡２４と実質的に同じ機能を果たす２つの鏡２４ａおよび２４ｂに分割されている。単純にするため、以下の議論は主として図１を対象とする。
【００１２】
例示的な一実施例では、光源１８が、周波数安定性、比較的狭い線幅及び比較的高い出力性能を有する同調可能レーザである。光源１８は、共振器１２のＣＷ又はＣＣＷ方向の共振周波数ｆｏと一致した周波数領域を横切って同調される。一般に、再循環器２４は、光ファイバ・コイル２８の一端から出た光を反射し、ファイバ・コイル２８の他端に再び導入し、それによって光が、光ファイバ・コイル２８の中を何度も伝搬する任意の光学要素とすることができる。入力鏡は、偏波誤差及び他の誤差機構を減衰させるために使用でき、欠陥をほとんど導入しないため、再循環器２４として光ファイバ・カプラの代わりに入力鏡を使用することは、センサ１０の１つの利点である。
【００１３】
１例では、光ファイバ・コイル２８は、コアが一般にガラス基であり、このコアを被覆２９が取り囲むファイバからなる。極めて低い曲げ損失を有する光ファイバが使用されることが好ましく、光ファイバ・コイル２８が、比較的に多数の巻きをかなり小さな面積の中に有することが好ましい。例えば、コイル２８は、直径１センチメートルの中に２０〜４０回の巻きを有する光ファイバを有することができる。一般に、光ファイバ・コイル２８などによって提供される光路が長いほど、センサ１０の信号対雑音比は大きくなる。センサ１０の信号対雑音比を向上させるため、光ファイバ・コイル２８の巻数を増大させることによって、光路を長くすることができる。光ファイバ・コイル２８では、再循環器２４によって導入された光は、大部分がコアの中を通り、光ファイバの被覆に入るのは光エネルギーの約数パーセントでしかない。
【００１４】
被覆２９は、特定の化学汚染物質に曝されたときに吸光度又は屈折率が変化する機能性コーティングである。被覆２９は、高自由体積分率（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ  ｆｒｅｅ  ｖｏｌｕｍｅ）特性を有するポリマーから製作することができる。高い自由体積分率を有するポリマーは、これらのポリマーが、互いに密に詰め込まれないように設計された鎖を有し、それによって他の化合物によって少なくとも部分的に満たされうる空隙すなわち空き領域を有することを意味し、又は、これらのポリマーが、高い自由体積分率を有することに加えて、微細孔質（ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ）であることを意味する。
【００１５】
本発明の一実施例では、このポリマーが、隣接するポリマー分子間の間隔がゼロから約１０オングストロームまでであるポリマー構造の空隙すなわち空き領域を有することが好ましい。このような領域を有する好ましいポリマーは、あまり結晶化しない剛性領域を含むポリマー主鎖を有する、高自由体積分率のポリスルホン、ポリイミド、ポリフェニルエーテル及びポリカーボネートである。これは、この構造の中に、基質又は汚染物質によって満たされうる空き領域があることを意味する。しかし、これらのポリマーは細孔を持たず、表面から内部へ通じる通路を持たないため、細孔質ではない。本発明において有用であると考えられるこのタイプのポリイミドは、エキナ（Ｅｋｉｎｅｒ）他に発行された米国特許第５２４８３１９号及びヒラヤマ（Ｙ．Ｈｉｒａｙａｍａ）他の論文「Ｒｅｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｇａｓ  Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ  Ｗｉｔｈ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  Ａｒｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅｓ  Ｉ（芳ガス透過率と香族ポリアミドの構造との関係）」、ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  １１１  （１９９６）１６９〜１８２に開示されている。
【００１６】
被覆２９又はそのコーティングとして有用であると考えられるこの実施例に記載された特に好ましいポリマーは、前述の特性を有するポリイミドである。記載されたポリイミド・ポリマーは、ジアンヒドリド（ｄｉａｎｈｙｄｒｉｄｅ）及びジアミンから調製することができ、ジアミン及びジアンヒドリドは２種類以上の異なる芳香族構造を有することができる。特に好ましいポリイミド・ポリマーは、ジアミノフェニルメタン又はジアミノフェニルエーテルから調製することができる。この目的に対する好ましいポリイミド・ポリマーは、繰返し単位
【化１】
2008209414.tif 000003
を有すると考えられ、上式で、Ｒ＝無し、又は
【化２】
2008209414.tif 000004
又は
【化３】
2008209414.tif 000005
のいずれか、或いはこれらの混合物であり、上式で、Ｘは、
【化４】
2008209414.tif 000006
からなる群、並びにこれらの混合物から選択され、Ｙは、水素、１〜６個の炭素原子を有するアルキル基、６〜１２個の炭素原子を有する芳香族基及びハロゲンからなる群から選択され、上式で、ｎは０から４までの整数であり、上式で、Ｙ’は、
【化５】
2008209414.tif 000007
からなる群、又はこれらの混合物から選択され、上式で、Ｒ”は、
【化６】
2008209414.tif 000008
からなる群、並びにこれらの混合物から選択される。
【００１７】
上述のこのようなポリマーは、従来のポリマー・コーティング技術を使用して被覆でき、有機汚染物質を選択的に吸収および濃縮するため、センサ１０とともに使用するのによく適していると考えられる。吸収が起こるとポリマーの屈折率が変化する。さらに、吸収に基づいて汚染物質の存在を指示するインジケータを追加するために、このようなポリマーの中に特定の機能性インジケータを組み込むこともできる。
【００１８】
本発明の他の実施例では、被覆２９を、微細孔質ポリマー、すなわち固有微細孔率ポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ  ｏｆ  ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｓｉｔｙ：ＰＩＭ）と考えられるポリマーから製作することができる。これらのポリマーは、約４〜約６オングストロームの細孔を有し、好ましくは、ねじれ点（ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  ｃｏｎｔｏｒｔｉｏｎ）を有する剛性リンカー（ｌｉｎｋｅｒ）によって連結された全体に平らな第１の種を含み、リンカーによって連結された隣接する２つの平らな第１の種類が平らでない方向に保持された有機巨大分子を含む。本発明において有用であると考えられるこのタイプのポリマーは、２００５年１２月１日に公開された、マンチェスター大学（英国Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ）の国際公開第２００５／１１３１２１号に開示されている。
【００１９】
より好ましくは、この微細孔質ポリマーが、式
【化７】
2008209414.tif 000009
を有する繰返し単位を含む有機巨大分子を含み、上式で、Ｘは、Ｏ、Ｓ又はＮ−Ｑ、Ｒは、Ｈ又は１〜６個の炭素原子を有するアルキル、或いは−ＣＮ、Ｑは、Ｈ、メチル又はエチルである。
【００２０】
ファイバの中に光を導くためには、被覆の屈折率がコア・ファイバの屈折率よりも小さくなければならないことを当業者は理解するであろう。被覆の屈折率は、その化学構造並びにその自由体積分率によって変化する。ファイバ・コア材料の選択に応じて、このファイバ・コア材料の選択と整合した屈折率を有する被覆材料だけが望ましい。
【００２１】
作動時、光源１８から発生した光は、第１の鏡面反射器２０に導かれ、第１の鏡面反射器２０はこの光を再循環器２４へ導く。光源１８からの光は、（光ファイバ・コイル２８及び再循環器２４を含む）共振器の対応する伝搬方向（例えば時計回り方向）の共振周波数を横切って走査（掃引）され、その第１の部分は、再循環器２４を通り抜け、光ファイバ・コイル２８の第１の端部３１へ透過する。第２の部分、すなわち反射部分は、再循環器２４から鏡２２へ反射される。光ファイバ・コイル２８を通るＣＷ及びＣＣＷ方向の光路の共振周波数はそれぞれ、それぞれの光路を連続的に循環するビームの強め合う干渉に基づく。光の第１の部分は、光ファイバ・コイル２８のコアの中を伝搬した後、光ファイバ・コイル２８の第２の端部３２に現れる。この例示的な実施例では、第２の端部３２を出た光が再循環器２４に導かれる。この光の一部は、再循環器２４によって第１の端部３１へ再び反射され、他の部分は、第２の鏡面反射器２２へ向けて透過する（すなわち透過波）。この透過波は、共振器１２内の再循環光波の一部である（この透過波は共振器１２内の再循環光波に由来する）。この透過波及び反射波は、第２の鏡面反射器２２を介して光検出器２６に導かれ、そこでこれらの波は干渉する（すなわち透過波と反射波の間で干渉が起こる）。この光の周波数が共振周波数から十分に離調されているとき、透過部分は非常に小さく、反射部分だけが光検出器に衝突し、これによって最大強度が示され、弱め合う干渉はごくわずかである。この光の周波数が共振中心を横切って走査されると、透過波が最大化され、反射波との弱め合う干渉が最大となり、したがって、その最小値が共振中心を指示する共振下落（ｄｉｐ）を提示する。
【００２２】
（光ファイバ・コイル２８と再循環器２４とからなる）共振器１２のＣＷ又はＣＣＷ方向の共振中心周波数を観察するためには、光検出器によって検出された光の強度が測定され、又は標準検出技術を使用することもできる。検出は、ある周波数範囲を横切って光源１８を掃引し、同時に光検出器２６によって光出力を検出することにより、同期して行なうことができる。同期検出の場合、共振線形を横切って入力ビーム周波数を振動させるため、コントローラ１６によって入力光ビームが周波数（ｆｍ）に正弦波周波数変調され、同時に、光検出器２６によって共振が測定される。例えば、電子モジュール１６は、光源１８への制御信号を介して、入力光ビームをある周波数範囲を横切って掃引し、同時に、ｆｍにおける光検出器２６の出力を復調して、この循環光ビームの光出力を介して共振中心及び／又は共振幅を測定することができる。共振線形の線中心、すなわち共振中心で、光検出器２６は、基本検出周波数ｆｍにおける最小出力を検出し、実質的に傾きが最も大きい線形の両側で、最大出力を検出する。基本検出周波数が共振周波数からずれているとき、強度信号の最大が観察されるが、ｆｍにおける信号は実質的にゼロである。共振線形の線幅を観察するため、レーザ周波数が単調に走査されたときに、光検出器２６の光強度信号が少なくとも、半最大値（ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ）、次いで最小値、次いでもう１つの半最大値を連続的に観察する経過を踏むように、レーザ周波数が走査される（すなわち共振周波数範囲ｆｏを横切って掃引される）。
【００２３】
或いは、線形幅の尺度は、レーザ周波数が単調に走査されたときのｆｍにおける復調信号の最大振幅間の周波数差を監視することによっても決定することができる。この場合、その共振の傾きが最大である点の間の周波数幅の測定値は、共振器線幅に比例し、したがって共振器の損失に比例する。強度の半最大値から半最大値までのレーザ周波数の変化幅は、ファイバ・コイル２８内の損失変化を示す共振器線幅であり（又は共振器線幅に比例し）、したがって、ファイバ減衰を変化させる化学物質の存在の尺度である。線幅の拡大は対象物質の存在を表す。このレーザ周波数の変化幅は、検出器が第１の半最大値信号を観察した時点と検出器が第２の半最大値信号を観察した時点との間のレーザ周波数差を記録することによって測定される。それらの２つの時点のそれぞれにおけるレーザ周波数は、直接又は間接に測定することができる。１つの直接測定法は、走査されていない別のレーザによってその周波数にうなりを生じさせ、上記２時点間のうなり周波数の差を測定することを含む。おそらくはより安価な１つの間接法は、レーザを走査するために使用される電気信号入力に対してレーザ周波数を予め較正する方法である。較正された値は、コントローラ１６の記憶装置内のルックアップ・テーブル１１に保存することができる。この信号入力は、レーザの注入電流を変化させる電流駆動信号、レーザの温度を変化させる熱電冷却器への電流駆動信号、又はレーザ共振器の光路長を変化させてその周波数を変化させる圧電変換器への電圧駆動信号とすることができる。いずれにしても、その駆動信号の大きさに対するレーザ偏移の変位は工場において較正することができ、このことは、駆動信号の変化幅を、動作中の周波数の変化幅の尺度として使用することを可能にする。或いは、当業者には認識されているかもしれないが、ファイバ共振器内のファイバを能動的に引き伸ばすことによって、レーザ周波数を固定したまま、ファイバ共振器の共振周波数を変調し、掃引することができる。
【００２４】
光源１８が、例えば共振器１２のＣＷ方向の共振周波数から離調されているとき、ＣＷビームからのエネルギーは光ファイバに入らず、その光は再循環器２４の高反射鏡から反射されて、光検出器２６において最大強度を生じさせる。光源１８が、共振器１２のＣＷ方向の共振周波数に同調されているときには、ＣＷビームのエネルギーが光ファイバ・コイル２８に入り、光検出器２６に衝突する光は最小出力を有し、それによって共振中心を示す。同様に、装置が反対にＣＣＷ方向に光を注入する場合には、ＣＣＷビームが共振器１２のＣＣＷ方向の共振周波数に同調されているときに、ＣＣＷビームのエネルギーは光ファイバ・コイル２８に入る。
【００２５】
光ファイバ・コイル２８の中に化学物質３０が存在するとき、その化学物質は被覆に吸収される。吸収の結果、被覆の屈折率が変化する。光ファイバ・コイル２８の光学特性の変化には、例えば、屈折率の変化、或いは光ファイバ・コイル２８の光減衰の増大又は低減が含まれる。ただし、これらに限定されるわけではない。
【００２６】
共振器１２の共振周波数を走査するため、ドライバ・コントローラ１３は、１つ又は複数の共振周波数を横切って走査することに関係する所定の組のレーザ・ダイオード１８の電流値を順番に選択することができる。例えば、汚染されていない状態にある共振器１２が、共振周波数値ｆｏ±Δｆにおいて、半最大値光エネルギー出力値（ダイオード２６によって測定される）を示し、化学汚染物質を含む共振器１２では、半最大値共振周波数値がｆｏ±５Δｆであるとする。この場合、この所定の組の電流値は、それぞれｆｏ＋５Δｆ及びｆｏ−５Δｆに対応する最大電流値ｘ１及び最小電流値ｘ２を有するであろう。ドライバ・コントローラ１３が、この最小電流値から最大電流値まで等間隔の２０のステップで段階的に電流値を変化させる場合、レーザ・ダイオード１８に加えられる最初の電流値はｘ２であり、ステップごとの電流値の増分は（ｘ１−ｘ２）／２０となる。この場合、最初の電流値はｘ２、第２の値はｘ２＋（ｘ１−ｘ２）／２０、第３の値はｘ２＋２（ｘ１−ｘ２）／２０、．．．となる。他の可能な方法は、レーザ電流（及び周波数）をＸ２からＸ１へ「アナログ」式に、すなわち連続的に走査し、傾きが最大の点をＸＬ及びＸＨとして検出する方法であり、線幅はＸＬ−ＸＨに比例し、化学物質の存在によって生じる減衰を監視するために、ＸＬ−ＸＨを経時的に測定することができる。屈折率変化に基づくセンサの場合には、上記の技術を適用することもできるが、値ＸＬ及びＸＨは、２つの異なる共振の線中心に記録され、これによってフリー・スペクトル・レンジが測定される。光が遭遇する屈折率を変化させる化学物質が存在すると、フリー・スペクトル・レンジは変化する。
【００２７】
共振周波数ｆｏの両側の半最大値は、光検出器２６によって検出し、光源の電流値に相関させることができる。この場合、上記の所定の電流値の組を、化学物質の存在によって引き起こされる共振周波数に対する変化によって決定される、より大きなある電流範囲に延長することができる。化学物質の存在によって引き起こされる共振周波数の変化によって、共振周波数ｆｏの半最大値が５倍に広がる場合には、この所定の電流範囲を、汚染されていない状態にある共振器１２の半最大値の５倍に一致させることができる。
【００２８】
例示された一実施例では、ルックアップ・テーブル１１が、電流値及びそれらの電流値に対応するそれぞれの周波数のリストを含むことができる。ルックアップ・テーブル１１はさらにいくつかの周波数シグネチャ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）（特徴）を含むことができる。この場合の周波数シグネチャは、光源１８の周波数と、光検出器２６によって検出される対応する値の組を意味する。ルックアップ・テーブル１１には、汚染されていない状態にある共振器に対する基準の第１のシグネチャ、汚染された状態にある共振器１２に対する１つ又は複数の他の汚染又は化学物質シグネチャを含めることができる。使用時、コントローラ１６は、所定の周波数の組をまたいで光源１８を走査し、光検出器２６からそれぞれの光値を集めることによって、試験シグネチャを絶えず集める。この試験シグネチャは、比較器１５の中で、基準シグネチャ及び汚染シグネチャと比較される。比較器１５が、試験シグネチャと汚染シグネチャの間の一致を検出すると、コントローラ１６は警報を発する。
【００２９】
例示的な一実施例では、シリコン系のマイクロオプチカル・ベンチ１４上にセンサ１０が構築される。マイクロオプチカル・ベンチ１４は、電子回路（例えば電子モジュール１６）と光学系とを統合し、これらの２つの間の効率的且つ都合のよいインタフェースを提供する。たとえ光波が自由空間内を移動できるとしても、鏡面反射器２０、２２、再循環器２４などのわずか１０ミクロンのサイズの構造を有する小型の光学構成要素をシリコン表面に取り付けて、大体積の光学系を排除することができる。これらの光学機能のいくつかを、シリコン材料中に存在する導波路の中に埋め込むこともできる。この例示的な実施例では、このオプチカル・ベンチ上にさらに、光源１８及び周波数同調用の関連構成要素、並びに光検出器２６を取り付けることができる。これらの技術の使用は、シリコン・プラットホーム内又はその表面に光学系を製造することを可能にし、したがって光学系と電子回路の統合を可能にする。光源は、それ自体が、その上にいくつかの構成要素を取り付けることのできる複合構造とすることができ、又はマイクロオプチカル・ベンチ１４上に形成することができる。例えば、光源は、基板上に形成され又は置かれた２つの反射面間にレーザ・ダイオードが置かれた外部共振器型レーザ・ダイオードとすることができる。これを単一周波数レーザにするために、格子、エタロンなどの共振器内周波数選択要素を、レーザ共振器内に形成し、又は配置してもよい。レーザ・ビームを成形し又は平行にするために使用される、レーザ共振器の外側に取り付けられ又は形成された、レンズなどの要素を、レーザ源１８と一緒に含めてもよい。
【００３０】
図２は、線状共振器４１を有する、本発明の例示的な他の実施例に基づく化学物質センサ４０の概略図である。センサ４０は、入力光ビームを合成し、この入力光ビームを線状共振器４１に導入する同調可能レーザ（例えばＨｅ−Ｎｅレーザ又は外部共振器型レーザ・ダイオード）４２を含む。センサ４０は、ビーム・スプリッタ（例えば５０−５０％ビーム・スプリッタ）４４、入力要素４６、光ファイバ・コイル２８及び出力鏡６０、並びに光検出器６２を含む。入力要素４６は、これに必ずしも限定されないが、入力鏡４８（例えば９５−５％鏡）を含むが、入力鏡４８の代わりにファイバ格子を使用することもできる。入力要素４６はさらに、ビーム・スプリッタ４４からの光を光ファイバ・コイル２８の第１の端部５２に導き、光ファイバ・コイル２８の同じ端部５２からの光をビーム・スプリッタ４４に導く光学系５０を含むことができる。（例えば、光ファイバ・コイル２８のファイバ・コーティングの化学的性質に関係した）所定の化学物質を検出するため、光ファイバ・コイル２８は、透過性パッケージ５４の中に収容される。線状共振器４１は、反射器４８、ファイバ・コイル２８及び反射器６０によって構成される。低損失共振器とするため、反射器４８及び６０は、ファイバ先端ないしファイバ端５２及び５６に直接に形成又は付着させることができる。
【００３１】
光ファイバ・コイル２８には、共振線幅の決定中に、光ファイバ・コイル２８の中を循環する光の光路長を変調（例えば正弦波変調）して、同期検出を使用できるようにするため、変調器（例えば圧電変換器）５８を結合することができる。例えば、レーザ４２によって生成された入力光ビームが、共振器の共振周波数ｆｏを横切って走査され、変調器５８が、光ファイバ・コイル２８の中を循環する光の光路長を正弦波変調する。例示的な他の実施例では、レーザ４２に周波数変調能力が組み込まれているときに、変調器５８が省かれる。例示的な第３の実施例では、レーザ周波数が固定され、周波数走査と変調の両方が、変調器５８によって実施される。この後者のケースでは、このレーザ周波数の領域を横切って共振器の共振周波数が走査され、このことは、原理上、ファイバ共振器の固定された共振周波数を横切ってレーザ周波数を走査することと等価である。
【００３２】
レーザ４２からの入力光ビームは、ビーム・スプリッタ４４によって入力要素４６に導かれ、入力要素４６は、この入力光ビームを光ファイバ・コイル２８の第１の端部５２に導く。光ファイバ・コイル２８を含む共振器４１に関連した共振周波数に同調されているとき、入力光ビームの大部分は光ファイバ・コイル２８に入る。光ファイバ・コイル２８の中を伝搬した後、光は、光ファイバ・コイル２８の第２の端部５６に現れ、出力鏡６０に衝突し、出力鏡６０はこの光を、第２の端部５６から光ファイバ・コイル２８の中へ再び反射する。光ファイバ・コイル２８の中を行きつ戻りつ伝搬している光の中から、光ファイバ・コイル２８の第１の端部５２に光出力が生じ、この光出力は、入力要素４６によってビーム・スプリッタ４４に導かれる。ビーム・スプリッタ４４は、この光出力の一部を光検出器６２へ向けて反射する。光検出器６２を、（図１と同様の）電子回路に結合することができる。
【００３３】
図３は、環状共振器７１を有する、本発明の例示的な他の実施例に基づく化学物質センサ７０の概略図である。この例示的な実施例では、レーザ４２が、入力光ビームを環状共振器７１に導入する。化学物質センサ７０は、レーザ４２、ビーム・スプリッタ４４、入力鏡４８、入力要素４６、光ファイバ・コイル２８、出力要素７２、出力鏡７６及び光検出器６２を含む。光ファイバ・コイル２８は、透過性又は半開放式のパッケージ５４の中に収容され、光ファイバ・コイル２８には、共振線幅の決定又はフリー・スペクトル・レンジの決定中に、光ファイバ・コイル２８の中を循環する光路を変調（例えば正弦波変調及び／又は共振周波数走査）するため、変調器（例えば圧電変換器）５８を結合することができる。この共振器は、鏡４８及び７６、ファイバ・コイル２８、入力要素４６並びに出力要素７２を含む。他の実施例では、入力要素４６及び出力要素７２を排除するため、鏡４８及び７６が、十分な曲率を有するように示される。他の実施例では、２つの鏡４８、７６、入力要素４６及び出力要素７２の代わりに、コイル２８に接続された光ファイバ・カプラ、又は互いに接続され、コイルに接続された２つの光ファイバ・カプラが使用される。
【００３４】
レーザ４２からの入力光ビームは入力鏡４８に導かれ、入力鏡４８は、入力光ビームの一部を入力要素４６へ向けて透過させる。入力要素４６は、入力鏡４８からの光を、光ファイバ・コイル２８の第１の端部５２に導く。共振器の共振周波数に同調されているとき、入力光ビームの大部分は光ファイバ・コイル２８の第１の端部５２に入る。光ファイバ・コイル２８の中を伝搬した後、光は、光ファイバ・コイル２８の第２の端部５６に現れ、出力要素７２に導かれる。出力要素７２は、光ファイバ・コイル２８の第２の端部５６からの光を出力鏡７６に導く光学系７４を含むことができる。出力鏡７６は、出力要素７２からの光を入力鏡４８に反射し、入力鏡４８は、その大部分を入力要素４６に導いて、共振器光路を完成させる。光ファイバ・コイル２８を含む光路を循環する光の中から、出力鏡７６のところに光出力が生じ、出力鏡７６は、共振器の中を循環する光の小部分を光検出器６２へ通過させる。
【００３５】
図４は、本発明の例示的な他の実施例に基づく多重化学物質センサ８０の概略図である。センサ８０は、シリコン系のマイクロオプチカル・ベンチ８２、及びマイクロオプチカル・ベンチ８２に結合された複数の光ファイバ・コイル８４、８６、８８、９０、９２を含む。マイクロオプチカル・ベンチ８２は、電子回路（例えば図１に示された電子回路モジュール１６）と、光学系（例えば、図２及び３に示されたビーム・スプリッタ４４、入力及び出力鏡４８、６０、７６、入力及び出力要素４６、７２並びに光検出器６２）とを統合する。例えば、図１に示された電子回路モジュール１６、光検出器２６、光源１８、鏡面反射器２０、２２及び入力鏡２４を、マイクロオプチカル・ベンチ８２と統合し、又はマイクロオプチカル・ベンチ８２上に取り付けることができる。センサ８０はさらに、マイクロオプチカル・ベンチ８２上に形成され、（例えば１つ又は複数のＶ字形のファイバ溝及び／或いは入力鏡を介して）光ファイバ・コイル８４、８６、８８、９０、９２のそれぞれに結合されたマルチプレクサ８３を含む。ただしこれに限定されるわけではない。
【００３６】
この例示的な実施例では、マルチプレクサ８３が、それぞれの光ファイバ・コイル８４、８６、８８、９０、９２に入力光ビームを導き、それぞれの光ファイバ・コイル８４、８６、８８、９０、９２の中を循環した出力光ビームを、光ファイバ・コイル８４、８６、８８、９０、９２から受け取る。出力光ビームはそれぞれ、１つ又は複数の入力鏡に導かれて、そこから共振線形を決定することができる光出力を生み出す。入力鏡に導かれた出力光ビームを、対応する光ファイバ・コイルに再び導いて、共振器光路を完成させることができる。入力光ビームはそれぞれ、それぞれ１つの光ファイバ・コイル８４、８６、８８、９０、９２を含む対応する光共振器の１つ又は複数の共振周波数を横切って走査される。前述のとおり、これは、平均入力光周波数を固定し、それぞれの共振器の光路長の長さを走査することによって、したがって１つ又は複数の共振線形を横切って走査することによって実施できる。光ファイバ・コイルはそれぞれ、異なる化学物質に対する感度を光ファイバ・コイルに与えるコーティングをファイバ上に有する。センサ８０を使用すると、共通の出力インタフェースと、ことによると無線送信器とを有する単一の装置を使用して、複数の化学物質を検出することができる。
【００３７】
本発明の可能な１つの代替実施例を製作し、使用する方法を例示するために、化学物質検出器の特定の実施例を説明した。本発明の実施例及びそのさまざまな態様の他の変形及び変更の実現は当業者には明らかであり、本発明のさまざまな代替実施例は、説明した特定の実施例によって限定されないことを理解されたい。したがって、本発明は、本発明の全ての可能な代替実施例、並びに本明細書において開示し、請求した基礎をなす基本原理の真の趣旨及び範囲に含まれる全ての変更、変形又は等価物を包含することが企図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の例示された一実施例に基づく化学物質センサの概略図。
【図２】線状共振器を有する、本発明の例示的な他の実施例に基づく化学物質センサの概略図。
【図３】環状共振器を有する、本発明の例示された他の実施例に基づく化学物質センサの概略図。
【図４】本発明の例示された一実施例に基づく多重化学物質センサの概略図。
【図５】本発明のセンサの他の実施例の概略図。
【図１】
2008209414.tif 000016
【図２】
2008209414.tif 000017
【図３】
2008209414.tif 000018
【図４】
2008209414.tif 000019
【図５】
2008209414.tif 000020
【外国語明細書】
2008209414000001.pdf