(57)【要約】【課題】極低温を精度良く測定することができる光ファイバ型温度センサを実現する。【解決手段】温度測定用光ファイバ３に光パルスを入射することにより前記光ファイバ内において発生するラマン散乱光を利用する光ファイバ型温度センサにおいて、前記温度測定用光ファイバに入射する光パルスの光源１を出射光のスペクトル幅が狭いＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ：分布帰還型）レーザーとし、前記光源から出射する光パルスの中心波長を１５３０[ｎｍ]〜１５６５[ｎｍ]とし、１００[ｃｍ−１]以下のラマンシフト波数にピークをもつラマン散乱光を温度測定に使用する構成とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバに光を入射することにより前記光ファイバ内において発生するラマン散乱光を利用する光ファイバ型温度センサにおいて、
ラマンシフト波数１００[ｃｍ−１]以下にピークをもつラマン散乱光を利用することを特徴とする光ファイバ型温度センサ。
【請求項２】
請求項１において、前記光源が発生する光の中心波長を１５３０[ｎｍ]〜１５６５[ｎｍ]としたことを特徴とする光ファイバ型温度センサ。
【請求項３】
請求項１または２において、前記光ファイバに入射する光の光源にＤＦＢレーザーを用いることを特徴とする光ファイバ型温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン散乱光を利用した光ファイバ型温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバに光を入射すると、光ファイバ内で後方散乱光が発生する。図１は、この後方散乱光のスペクトルであり、入射光の波長λ０と同一波長の位置にレイリー散乱光が発生し、入射光の波長λ０からλだけ波長が離れた位置にラマン散乱光と呼ばれる散乱光が発生する。このラマン散乱光には、入射光からλだけ長波長側に現れるストークス光（Ｓｔ光）と、λだけ短波長側に現れるアンチストークス光（Ａｓ光）の２種類の散乱光があり、この２つの散乱光の強度比は、温度に依存して変化することが知られている。
【０００３】
光ファイバに光パルスを入射し、後方散乱されたＳｔ光及びＡｓ光を連続測定すると、後方散乱光は、光源からの距離に応じた時間をおいて戻ってくることから、Ｓｔ光とＡｓ光の比を温度に換算し、測定された時間を位置に換算することで、光ファイバの長手方向の温度分布を測定することができ、既に、この原理を利用した温度測定装置（温度センサ）が実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９８４７７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊ．Ｂ  Ｂａｔｅｓ，Ｒ．Ｗ．Ｈｅｎｄｒｉｃｋｓ  ａｎｄ                      Ｌ．Ｂ．Ｓｈａｆｆｅｒ，                                                    Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．，６１，４１６３（１９７４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ラマン散乱は、現象としては、物質の格子振動と光との相互作用であり、光が格子振動によりエネルギーを与えられて短波長シフトして散乱する光がＡｓ光であり、逆に格子振動にエネルギーを吸収されて長波長シフトして散乱する光がＳｔ光である。格子振動は、物質固有の振動数をもつため、相互作用によるエネルギーの授受の量、従って、ラマン散乱による光の波長若しくは波数のシフト量も物質固有の値をもつ。また、格子振動には、いくつかの固有モードがあり、後方散乱光には、各固有モードに応じた散乱光（Ｓｔ光及びＡｓ光）が存在する。
【０００７】
石英ガラスを用いた光ファイバの場合は、図２に示すようなラマンシフトピークが現れることが知られている（非特許文献１）。
【０００８】
何れのラマン散乱光も、Ａｓ光とＳｔ光の強度比Ｒ０は、温度に応じて（数１）に従って変化するが、従来の温度センサに用いられているラマン散乱光は、専らラマンシフト波数４００〜５００[ｃｍ−１]付近に存在するラマン散乱光である。
【０００９】
【数１】
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ここで、Ｉａ：アンチストークス光（Ａｓ光）強度
Ｉｓ：ストークス光（Ｓｔ光）強度
ν０：入射光波数
νｋ：ラマンシフト波数
ｃ ：真空中の光速
Ｔ ：絶対温度[Ｋ]
ｋ ：ボルツマン定数
ｈ ：プランク定数
入射光波長を１５５０[ｎｍ]、ラマンシフト波数を一般に使用されている条件に近い４３５[ｃｍ−１]として、強度比の温度依存性を（数１）に基づいて計算すると、図３に示す結果が得られる。この温度依存性は、広い温度範囲に亘ってＳｔ光とＡｓ光の強度比が大きく変化しており、温度センサとして優れた特性である。
【００１０】
しかしながら、絶対温度の２００[Ｋ]以下となるような極低温においては、Ｓｔ光とＡｓ光の強度比の変化が小さくなってしまい、極低温を精度良く測定することができなくなる。
【００１１】
超伝導技術などをはじめとする分野においては、極低温環境の温度測定が望まれており、電磁界の影響を受けにくい光ファイバ型の温度センサが期待されている。このため、光ファイバ型の温度センサによって極低温を精度良く測定することができれば、超伝導技術の研究・開発に有用であり、実用化された超伝導装置の監視システムとして使用することもできる。
【００１２】
従って、本発明の目的は、極低温を精度良く測定することができる光ファイバ型温度センサを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、光ファイバに光を入射することにより前記光ファイバ内において発生するラマン散乱光を利用する光ファイバ型温度センサにおいて、１００[ｃｍ−１]以下のラマンシフト波数にピークをもつラマン散乱光を温度測定に使用することにより、極低温を精度良く測定可能とするものである。そして、前記光ファイバに入射する光の中心波長を１５３０[ｎｍ]〜１５６５[ｎｍ]とし、前記光ファイバに入射する光の光源をＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ：分布帰還型）レーザーとするものである。ＤＦＢレーザーは、出射する光のスペクトル幅を狭く（例えば２[ｎｍ]）することができる。
【発明の効果】
【００１４】
図４は、光ファイバへの入射光を１５５０[ｎｍ]、注目するラマン散乱光のラマンシフト波数を５７[ｃｍ−１]として、ラマン散乱光のＳｔ光とＡｓ光の強度比の温度依存特性を計算した結果を示す曲線図である。絶対温度２００[Ｋ]以下の温度において、温度の変化に対して強度比が急激に変化していることがわかる。
【００１５】
図５は、石英光ファイバに波長１５４５[ｎｍ]の光を入射して室温（２５[℃]）で実測した後方散乱光のスペクトルを示す特性図である。ラマンシフト量５０[ｃｍ−１]及び４００[ｃｍ−１]程度の位置にラマン散乱光のピークがあり、非特許文献１記載の値よりも若干入射光よりではあるが、ほぼ文献どおりの散乱スペクトルがあることをわかる。
【００１６】
図６は、温度を０[℃]、２５[℃]、６０[℃]と変化させた場合の後方散乱光のスペクトルを示している。ラマンシフト量４００[ｃｍ−１]付近にあるストークス光、アンチストークス光をＳｔ１，Ａｓ１とし、同様に、ラマンシフト量５０[ｃｍ−１]付近にあるストークス光、アンチストークス光をＳｔ２，Ａｓ２とすると、０〜６０[℃]程度の常温に近い温度では、Ｓｔ１とＡｓ１の比が大きく変化しているのに対し、Ｓｔ２とＡｓ２の比は、あまり変化していない。これは、図３及び図４に示す結果と一致する結果である。よって、絶対温度２００[Ｋ]以下の極低温領域では、Ｓｔ２とＡｓ２の比が大きく変化するものと考えられ、このラマン散乱光（Ｓｔ２，Ａｓ２）を用いて温度測定を行うことにより、極低温を精度良く測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】光ファイバ内で発生する後方散乱光のスペクトルである。
【図２】石英ガラスを用いた光ファイバに発生するラマン散乱光のスペクトルである。
【図３】入射光波長１５５０[ｎｍ]、ラマンシフト波数４３５[ｃｍ−１]におけるアンチストークス光とストークス光の強度比の温度依存性を示す特性図である。
【図４】入射光波長１５５０[ｎｍ]、ラマンシフト波数５７[ｃｍ−１]におけるアンチストークス光とストークス光の強度比の温度依存性を示す特性図である。
【図５】石英光ファイバ内で発生する後方散乱光スペクトルの実測値を示す特性図である。
【図６】温度を変えた場合に石英光ファイバ内で発生する後方散乱光スペクトルの実測値を示す特性図である。
【図７】本発明の一実施例である極低温測定用の光ファイバ型温度センサのブロック図である。
【図８】本発明の一実施例において使用するＷＤＦフィルタの特性図である。
【図９】ラマンシフト波長の入射光波長依存性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、光ファイバに光パルスを入射することにより前記光ファイバ内において発生するラマン散乱光を利用する光ファイバ型温度センサにおいて、前記光ファイバに入射する光パルスの光源はスペクトル幅の狭い光を出射するＤＦＢレーザーとし、発生する光パルスの中心波長を１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍとし、ラマンシフト波数１００[ｃｍ−１]以下にピークをもつラマン散乱光を利用する構成とする。
【実施例】
【００１９】
本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
【００２０】
図７は、本発明の一実施例である極低温測定用の光ファイバ型温度センサのブロック図である。
【００２１】
光源１から出射した光パルスは、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）フィルタ（ＷＤＭ１）２により、ポートＡからＢへ透過する過程で不要な自然放出光成分をカットした後に、温度測定用光ファイバ３に入射する。そして、温度測定用光ファイバ３から戻ってくる後方散乱光は、ＷＤＭフィルタ２のＢポートへ入力されるが、レイリー散乱光の成分は、温度測定用光ファイバへの入射光と同じ波長スペクトルをもつことから該波長スペクトル成分を分離してポートＡに透過し、それ以外の成分をポートＣへ透過させてＷＤＭフィルタ（ＷＤＭ２）４のポートＢへ入力する。ＷＤＭフィルタ４は、アンチストークス光成分Ａｓを分離してポートＡへ透過させ、それ以外の光成分をポートＣへ透過させてＷＤＭフィルタ（ＷＤＭ３）５のポートＢへ入力する。ＷＤＭフィルタ５は、ストークス光成分Ｓｔを分離してポートＡへ透過する。
【００２２】
光電変換回路６は、ＷＤＭフィルタ４から入力されたアンチストークス光成分Ａｓを光電変換し、光電変換回路７は、ＷＤＭフィルタ５から入力されたストークス光成分Ｓｔを光電変換する。Ａ／Ｄ変換回路８は、光電変換回路６から出力するＡｓ検出信号をディジタル信号に変換し、Ａ／Ｄ変換回路９は、光電変換回路７から出力するＳｔ検出信号をディジタル信号に変換する。メモリ１０は、ディジタル変換されたＡｓ，Ｓｔ検出信号を記憶し、温度計算部１１は、メモリ１０に記憶されているＡｓ，Ｓｔ検出信号に基づいて測定温度を計算する。制御部１２は、光源１から出射する光パルスの出射タイミングと、Ａ／Ｄ変換回路８，９によるＡｓ，Ｓｔ検出信号のディジタル変換タイミングと、メモリ１０へのＡｓ，Ｓｔ検出信号の記憶タイミングと、温度計算部１１による測定温度計算を制御する。
【００２３】
光電変換回路６，７は、アバランシェフォトダイオード等のフォトダイオードを使用して構成する。
【００２４】
温度計算部１１は、メモリ１０に記憶されたＳｔ検出信号とＡｓ検出信号を読み出してその強度比に基づいて測定温度を算出し、光源１から出射する光パルスの出射タイミングからＡｓ，Ｓｔ検出信号測定までの経過時間に基づいて光ファイバ３の長手方向の測定位置を算出する。
【００２５】
このメモリ１０，温度計算部１１，制御部１２は、マイクロコンピュータによって構成することができる。
【００２６】
このような光ファイバ型温度センサにおいて、光源１から光パルスを出射して温度測定用光ファイバ３に入射すると、出射から後方散乱光がＷＤＭフィルタ２，４，５に戻ってくるまでの時間は、温度測定用光ファイバ３のラマン散乱の発生箇所に応じて異なるために、光パルスの出射に同期して、ストークス光Ｓｔとアンチストークス光Ａｓの強度を周期的に測定すると、温度測定用光ファイバ３中の温度分布を測定することができる。そこで、ＷＤＭフィルタ２，４，５の特性を図８に示すように設定すると、２００[Ｋ]以下の温度を高精度で測定することができる極低温測定用光ファイバ型温度センサを実現することができる。
【００２７】
ここで、ＷＤＭフィルタ２は、光源１から出射して温度測定用光ファイバ３に入射する光に不要な自然放出光成分が混入するのを抑制するためのもので、ポートＡ，Ｂ間の透過帯域は、入射光波長を含み、ラマン散乱光成分は含まないように構成する。
【００２８】
ＷＤＭフィルタ４は、アンチストークス光成分を分離するためのもので、ポートＡ，Ｂ間は、１００[ｃｍ−１]以下のラマンシフト波数にピークをもつラマン散乱光（アンチストークス光）スペクトル成分を透過させ、入射光成分とラマンシフト波数４００〜５００[ｃｍ−１]にピークをもつラマン散乱光スペクトル成分を透過させないように透過特性を設定する。
【００２９】
ＷＤＭフィルタ５は、ストークス光成分を分離するためのもので、ＷＤＭフィルタ４と同様に、ポートＡ，Ｂ間は、１００[ｃｍ−１]以下のラマンシフト波数にピークをもつラマン散乱光（ストークス光）スペクトル成分を透過させ、入射光成分とラマンシフト量４００〜５００[ｃｍ−１]にピークをもつラマン散乱光スペクトルを透過させないように透過特性を設定する。
【００３０】
本発明の実施例において、ラマン散乱光は、ラマンシフト量が小さく、ラマン散乱ピーク波長と、入射光の波長が比較的近いところに存在するため、光源１としてファブリーペローレーザーなどのスペクトル幅の広いレーザー（例えばスペクトル幅が１０[ｎｍ]）を用いると、ラマン散乱光が入射光のレイリー散乱成分に隠れてしまう恐れがある。従って、光源１としては、スペクトル幅の狭いＤＦＢレーザー（例えばスペクトル幅が２[ｎｍ]以下）を用いることが望ましい。このような光源１を使用することにより、１００[ｃｍ−１]以下でラマン散乱光強度を検出することが可能となり、極低温の温度測定が可能となる。
【００３１】
また、ラマンシフト量を波長で見た場合、ラマンシフト波長は、入射光の波長に依存し、図９に示すように、入射光の波長が長い程大きくシフトする。このため、入射光の波長が長い程、ラマン散乱光をフィルタによって入射光のレイリー散乱光から分離し易い。１５３０[ｎｍ]〜１５６５[ｎｍ]の波長は、Ｃバンドと呼ばれ、石英系光ファイバ内での伝搬損失が極小値をとることから光通信の分野で良く利用されており、また、ラマンシフト波長も、ラマンシフト波数５０[ｃｍ−１]の場合、１０[ｎｍ]程度とＷＤＭフィルタで容易に分離できる程度シフトすることから、入射光の波長として望ましい。
【００３２】
ラマン散乱光を分離するＷＤＭフィルタ２，４，５としては、層を重ねることにより急峻なスペクトル形状が得られ、損失も小さいことから、多層膜フィルタが望ましい。
【００３３】
この実施例において、３つのＷＤＭフィルタ２，４，５を用いているが、ＷＤＭフィルタは挿入損失を伴う。アンチストークス光Ａｓは、ストークス光Ｓｔよりも強度が小さいことから、アンチストークス光分離用ＷＤＭフィルタ４は、ストークス光分離用ＷＤＭフィルタ５よりも前段に配置することにより、アンチストークス光Ａｓの損失を軽減することができる利点が得られる。
【符号の説明】
【００３４】
１…光源、２…ＷＤＭフィルタ、３…温度測定用光ファイバ、４…ＷＤＭフィルタ、５…ＷＤＭフィルタ、６…光電変換回路、７…光電変換回路、８…Ａ／Ｄ変換回路、９…Ａ／Ｄ変換回路、１０…メモリ、１１…温度計算部、１２…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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