JP7006964B2 - Optical fiber type measuring device and optical fiber type measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバ式計測装置及び光ファイバ式計測方法に関するものである。 The present invention relates to an optical fiber type measuring device and an optical fiber type measuring method.
従来、光ファイバを用いて屈折率と温度を計測可能とした光ファイバ式計測装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。 Conventionally, an optical fiber type measuring device capable of measuring a refractive index and a temperature using an optical fiber is known (see, for example, Patent Document 1).
この光ファイバ式計測装置は、図16に示すように、一方端を光源(図示せず)に接続した入射用光ファイバ100と、この入射用光ファイバ100の他方端に接続した第1導光体200と、この第1導光体200に一方端を接続した中間光ファイバ300と、この中間光ファイバ300の他方端に接続した第2導光体400と、この第2導光体400に一方端を接続し、他方端を検出器(図示せず)に接続した出射用光ファイバ500を備えた構造としている。
As shown in FIG. 16, this optical fiber type measuring device includes an incident
入射用光ファイバ100と、中間光ファイバ300と、出射用光ファイバ500は、それぞれ所定の太さのコアを有し、第1導光体200及び第2導光体400は、このコアと同一の素材であって、コアよりも太径としていることで、入射用光ファイバ100から第1導光体200に入射させた光、及び中間光ファイバ300から第2導光体400に入射させた光に回折を生じさせている。
The incident
第1導光体200で生じた回折光は、第1導光体200の周面で全反射し、この全反射の際にグースヘンシェンシフトが生じることで、第1導光体200の周囲の屈折率に応じた位相変化が生じることとなっている。この位相変化により検出器で検出する回折光に変化が生じるので、屈折率の変化を計測可能となっている。
The diffracted light generated by the first
同様に、第2導光体400で生じた回折光も、第2導光体400の周面で全反射し、この全反射の際にグースヘンシェンシフトが生じることで、第2導光体400の周囲の屈折率に応じた位相変化が生じるが、第2導光体400の周面に例えば温度によって屈折率が変化するシリコーン樹脂被膜410を設けていると、温度の変化を計測可能となっている。
Similarly, the diffracted light generated by the second
しかしながら、従来の光ファイバ式計測装置では、変化の検出をしやすいようにできるだけ大きな干渉強度を得ようとすると、第1導光体及び第2導光体において複数回の全反射を生じさせる必要があり、第1導光体及び第2導光体の長さが長くなる傾向があった。 However, in the conventional optical fiber type measuring device, in order to obtain the maximum possible interference strength so that the change can be easily detected, it is necessary to cause a plurality of total reflections in the first light guide body and the second light guide body. Therefore, the lengths of the first light guide and the second light guide tend to be long.
したがって、通常では、第1導光体及び第2導光体は10mm以上として使用していることが多くなり、10mmより小さい領域、例えば液滴の計測には利用することができなかった。 Therefore, normally, the first light guide and the second light guide are often used as 10 mm or more, and cannot be used for measuring a region smaller than 10 mm, for example, a droplet.
本発明者らは、より小さな領域の計測に利用できるように第1導光体及び第2導光体を短くすべく研究開発を行う中で、本発明を成すに至ったものである。 The present inventors have come up with the present invention while conducting research and development to shorten the first light guide body and the second light guide body so that they can be used for measurement in a smaller area.
本発明の光ファイバ式計測装置では、光源と、この光源に一方端を接続した入射用光ファイバと、この入射用光ファイバの他方端に接続した導光体と、この導光体に一端を接続して他方端を検出器に接続した出射用光ファイバとを備え、前記導光体をセンサ体としている光ファイバ式計測装置において、前記入射用光ファイバ及び前記出射用光ファイバがシングルモードファイバであり、前記導光体を、前記入射用光ファイバのコア及び前記出射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する長さを1mm以下の光ファイバとすることによって、前記入射用光ファイバから前記導光体に入射させた光は、前記細径のコアを中心としてクラッド内に広がって前記導光体を伝搬するとともに、前記導光体の外周部分が境界領域となる光軸と垂直な面内で定在条件を満足する位相状態の光のうち、前記導光体の中心部で光強度が最大となる波形の波長の光と、前記導光体の中心部で光強度が最小となる波形の波長の光を形成し、前記導光体の中心部の光が前記出射用光ファイバから出力されることを特徴とするものである。 In the optical fiber type measuring device of the present invention, a light source, an incident optical fiber having one end connected to the light source, a light guide body connected to the other end of the incident optical fiber, and one end to the light guide body. In an optical fiber type measuring device having an emission optical fiber connected to the other end and having the light guide as a sensor, the incident optical fiber and the exit optical fiber are single-mode fibers. The light guide body is an optical fiber having a core having a diameter smaller than that of the core of the incident optical fiber and the core of the emitting optical fiber and having a length of 1 mm or less. The light incident on the light guide body spreads in the clad centering on the small diameter core and propagates through the light guide body, and at the same time, the outer peripheral portion of the light guide body is perpendicular to the optical axis as the boundary region. Of the light in the phase state that satisfies the standing condition in the plane, the light having the waveform with the maximum light intensity at the center of the light guide and the light with the minimum light intensity at the center of the light guide. It is characterized in that light having a wavelength having a waveform is formed, and the light at the center of the light guide is output from the emission optical fiber .
さらに、本発明の光ファイバ式計測装置では、入射用光ファイバから導光体に入射させた光を導光体のクラッド内に広がらせた導光体伝搬光としていることにも特徴を有し、さらには、導光体伝搬光は、導光体の外周縁を境界として定在条件を満たす位相状態の光であって、導光体の中心位置で光強度が最大(ピーク)となる波形の波長の光と、前記導光体の中心位置で光強度が最小(ディップ)となる波形の波長の光が存在していることにも特徴を有するものである。 Further, the optical fiber type measuring device of the present invention is also characterized in that the light incident on the light guide body from the incident optical fiber is used as the light guide propagating light spread in the cladding of the light guide body. Furthermore, the light guide propagating light is light in a phase state that satisfies the standing condition with the outer peripheral edge of the light guide body as a boundary, and has a waveform in which the light intensity becomes maximum (peak) at the center position of the light guide body. It is also characterized by the presence of light having a wavelength of the above and light having a waveform having a minimum light intensity (dip) at the center position of the light guide.
また、本発明の光ファイバ式計測装置では、入射用光ファイバに接続した導光体の端面に反射面を設け、入射用光ファイバから導光体に入射した光を反射面で反射させ、入射用光ファイバの一部を出射用光ファイバとして反射面で反射した光を入射用光ファイバの中途部に設けた光方向性結合器に導き、この光方向性結合器と検出器とを光ファイバで接続しているものである。 Further, in the optical fiber type measuring device of the present invention, a reflecting surface is provided on the end surface of the light guide connected to the incident optical fiber, and the light incident on the light guide from the incident optical fiber is reflected by the reflecting surface to be incident. A part of the optical fiber is used as an outgoing optical fiber, and the light reflected by the reflecting surface is guided to an optical directional coupler provided in the middle of the incident optical fiber, and the optical directional coupler and the detector are connected to the optical fiber. It is connected by.
また、本発明の光ファイバ式計測装置では、光源と、この光源に一方端を接続した入射用光ファイバと、この入射用光ファイバの他方端に接続した第1導光体と、この第1導光体に一方端を接続した中間光ファイバと、この中間光ファイバの他方端に接続した第2導光体と、この第2導光体に一端を接続して他方端を検出器に接続した出射用光ファイバとを備え、第1導光体と第2導光体をそれぞれセンサ体としている光ファイバ式計測装置において、第2導光体は、中間光ファイバのコア及び出射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する光ファイバであり、第1導光体は、入射用光ファイバのコアと同材質としているものである。 Further, in the optical fiber type measuring device of the present invention, a light source, an incident optical fiber having one end connected to the light source, a first light guide body connected to the other end of the incident optical fiber, and the first light guide body thereof. An intermediate optical fiber having one end connected to the light guide, a second light guide connected to the other end of the intermediate optical fiber, and one end connected to the second light guide to connect the other end to the detector. In an optical fiber type measuring device having a first light guide body and a second light guide body as sensors, the second light guide body is a core of an intermediate optical fiber and an optical fiber for emission. The optical fiber has a core having a diameter smaller than that of the core, and the first light guide body is made of the same material as the core of the incident optical fiber.
さらには、第1導光体は、入射用光ファイバから第1導光体に入射した光の回折光が、第1導光体の周面で1回だけ全反射して中間光ファイバに入射する長さとしていることにも特徴を有する。 Further, in the first light guide body, the diffracted light of the light incident on the first light guide body from the incident optical fiber is totally reflected only once on the peripheral surface of the first light guide body and is incident on the intermediate optical fiber. It is also characterized by the length of the light.
光源と、この光源に一方端を接続した入射用光ファイバと、この入射用光ファイバの他方端に接続した導光体と、この導光体に一端を接続して他方端を検出器に接続した出射用光ファイバとを用いて、前記入射用光ファイバを介して前記光源から導いた光を前記導光体に入射させ、この導光体から出射された光を用いて前記導光体の周囲の物理量の変動を計測する光ファイバ式計測方法において、前記入射用光ファイバ及び前記出射用光ファイバがシングルモードファイバであり、前記導光体を、前記入射用光ファイバのコア及び前記出射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する長さを1mm以下の光ファイバとすることによって、前記入射用光ファイバから前記導光体に入射させた光は、前記細径のコアを中心としてクラッド内に広がって前記導光体を伝搬するとともに、前記導光体の外周部分が境界領域となる光軸と垂直な面内で定在条件を満足する位相状態の光のうち、前記導光体の中心部で光強度が最大となる波形の波長の光と、前記導光体の中心部で光強度が最小となる波形波長の光を形成し、前記導光体の中心部の光が前記出射用光ファイバから出力されることを特徴とするものである。
A light source, an incident optical fiber having one end connected to this light source, a light guide connected to the other end of the incident optical fiber, and one end connected to this light guide and the other end connected to a detector. Light guided from the light source through the incident optical fiber is incident on the light guide body using the light emitted from the light guide body, and the light emitted from the light guide body is used to form the light guide body. In an optical fiber type measuring method for measuring fluctuations in surrounding physical quantities, the incident optical fiber and the emitted optical fiber are single-mode fibers, and the light guide is used as the core of the incident optical fiber and the emission. By making the optical fiber having a core having a diameter smaller than that of the optical fiber core and having a length of 1 mm or less, the light incident on the light guide from the incident optical fiber is centered on the small diameter core. Of the light in a phase state that spreads in the cladding and propagates through the light guide and satisfies the standing condition in a plane perpendicular to the optical axis whose outer peripheral portion is the boundary region, the light guide. Light having a waveform wavelength that maximizes the light intensity at the center of the body and light having a waveform wavelength that minimizes the light intensity are formed at the center of the light guide, and the light at the center of the light guide forms light. It is characterized in that it is output from the emission optical fiber.
本発明によれば、導光体をより短くすることができ、小さな領域の計測に利用することができる光ファイバ式計測装置とすることができる。 According to the present invention, the light guide body can be made shorter, and an optical fiber type measuring device that can be used for measurement in a small area can be obtained.
<第1実施形態>
本実施形態の光ファイバ式計測装置は、図1に示すように、光源(図示せず)と、この光源に一方端を接続した入射用光ファイバ10と、この入射用光ファイバ10の他方端に接続した導光体40と、この導光体40に一端を接続して他方端を検出器(図示せず)に接続した出射用光ファイバ50とを備えた光ファイバ式計測装置としている。導光体40がセンサ体となっており、導光体40の周囲の屈折率の変化を検出することができる。また、導光体の表面に温度により屈折率が変化する被膜を設けた場合には温度センサとすることができる。導光体の表面に湿度により屈折率が変化する被膜を設けた場合には湿度センサとすることができる。導光体の表面にガス濃度により屈折率が変化する被膜を設けた場合にはガスセンサとすることができる。<First Embodiment>
As shown in FIG. 1, the optical fiber type measuring device of the present embodiment includes a light source (not shown), an incident
検出器は、出射用光ファイバ50を介して入射された光の強度を計測している。特に、光源から波長を適宜変化させながらレーザ光を照射して光の強度を計測し、これらのデータから屈折率の変化等を検出可能としている。
The detector measures the intensity of the light incident through the exit
入射用光ファイバ10及び出射用光ファイバ50は、シングルモードファイバである。本実施形態では、コア径が約8.2μmで、クラッド径が125μmの光ファイバを用いている。
The incident
導光体40は、入射用光ファイバ10のコア10a及び出射用光ファイバ50のコア50aよりも細径のコア40aを有する光ファイバとしている。本実施形態では、コア径が約2μmで、クラッド径が125μmの光ファイバを用いている。
The
このように導光体40のコア40aを、入射用光ファイバ10のコア10aよりも小さくすると、入射側光ファイバ10から導光体40に入射させた光は、導光体40の十分小さな径のコア40aを中心としてクラッド40b内に広がって導光体40を伝搬し、出射側光ファイバ50から出力される。
When the core 40a of the
導光体40でクラッド40bにまで広がった光は、光軸と垂直な面内でファイバ外周部分が境界領域となり、この面内で定在条件を満足する位相状態の光のうち、中心部で光強度が最大(ピーク)となる波形の波長の光と、中心部で光強度が最小(ディップ)となる波形波長の光が存在する。そして、出射側光ファイバ50からは、このピーク/ディップを有する光が出力されることを新たに見出した。このように、導光体40のクラッド40bにまで広がった光であって、ピーク/ディップを有する光を「導光体伝搬光」と呼ぶこととする。
The light that has spread to the clad 40b by the
導光体40の外周部分の境界領域では、光電界が導光体40の外部に浸み出していることから、導光体40の外部の屈折率の影響を受けて導光体40内を伝搬している光の位相が変化する。この位相変化を出力光から検出することで、導光体40の外部の屈折率が計測できる。
In the boundary region of the outer peripheral portion of the
導光体伝搬光における位相の変化は、導光体40の光軸と垂直な成分で決まるため、導光体40の長さ依存性がほとんど出ないという特徴を有している。従来の出射用光ファイバ端での干渉によって光強度の強弱が生じるものでは、伝搬光の位相変化がセンサ部の長さによって変化するため、スペクトルが小さくなるスペクトルディップの波長がセンサ部の長さ依存することになる。しかし、本構造では、出射用光ファイバ端での干渉によらないピーク/ディップを有する光である導光体伝搬光の発生機構により、センサ部のファイバの長さ依存性がほとんど出ないという特徴が生じることになる。ただし、この導光体伝搬光の利用は、導光体40が長くなればなるほど導光体40を構成しているファイバの光軸および径方向の不均一などの影響が生じることを見出しており、導光体40は2mm以下と短くすることが望ましい。図2に、導光体40の長さを0.91mmから1.07mmまで変化させた場合のスペクトルの測定値を示す。
Since the phase change in the light propagating body of the light guide body is determined by the component perpendicular to the optical axis of the
図2に示すように、導光体40の長さによって、スペクトルが小さくなるスペクトルディップの最も深くなる波長位置は変化する。しかし、スペクトルディップが生じる位置の変化は小さいことがわかる。導光体40の長さによってスペクトルディップの最も深くなる波長位置が変化する理由は、現時点において不明である。しかしながら、導光体40の長さを調整することで波長選択が可能であることを示している。
As shown in FIG. 2, depending on the length of the
導光体40の長さを1.07mmとして、導光体40の周囲を空気とした場合と、純水とした場合と、エタノールとした場合のスペクトル変化を図3に示す。図3に示すように、空気→純水→エタノールと屈折率が増大するのにしたがって長波長側にスペクトルディップがシフトしており、屈折率センサとして利用可能であることが確認できた。
FIG. 3 shows the spectral changes when the length of the
さらに、導光体40の外周面に、温度、湿度、圧力、あるいはガス濃度等によって屈折率が変化する被膜を形成した場合には、この被膜の屈折率の変化を検出できることから、各種のセンサを構成することができる。すなわち、被膜が温度によって屈折率が変化するのであれば温度センサとすることができる。被膜が湿度によって屈折率が変化するのであれば湿度センサとすることができる。被膜が圧力によって屈折率が変化するのであれば圧力センサとすることができる。被膜がガス濃度によって屈折率が変化するのであればガスセンサとすることができる。
Further, when a film whose refractive index changes depending on temperature, humidity, pressure, gas concentration, etc. is formed on the outer peripheral surface of the
<第2実施形態>
上述した第1実施形態では、入射用光ファイバ10から導光体40に入射した光を出射用光ファイバ50へ透過させていたが、図4に示すように、導光体40'の端面に反射面41'を設けて、入射用光ファイバ10'から導光体40'に入射した光を反射させることもできる。<Second Embodiment>
In the first embodiment described above, the light incident on the
すなわち、図5に示すように、入射用光ファイバ10'の中途部には光方向性結合器63を設けておき、光源61に一方端を接続し、中途部に光方向性結合器63が介設されている入射用光ファイバ10'の他方端に導光体40'を接続し、入射用光ファイバ10'の一部を出射用光ファイバとして導光体40'の反射面41'で反射した光を入射用光ファイバ10'の中途部の光方向性結合器63までに導いて、光方向性結合器63に一方端を接続した連結用光ファイバ50'の他方端を検出器62に接続して光ファイバ式計測装置としている。
That is, as shown in FIG. 5, an optical
ここで、入射用光ファイバ10'及び連結用光ファイバ50'は、シングルモードファイバである。本実施形態では、コア径が約8.2μmで、クラッド径が125μmの光ファイバを用いている。 Here, the incident optical fiber 10'and the connecting optical fiber 50'are single-mode fibers. In this embodiment, an optical fiber having a core diameter of about 8.2 μm and a clad diameter of 125 μm is used.
導光体40'は、入射用光ファイバ10'と対向する端面に金属膜を蒸着することで反射面41'を形成している。本実施形態では反射面41'は金膜で形成している。 The light guide body 40'forms a reflective surface 41'by depositing a metal film on the end surface facing the incident optical fiber 10'. In this embodiment, the reflective surface 41'is formed of a gold film.
本実施形態においても、導光体40'のコア40a'は、入射用光ファイバ10'のコア10a'よりも小さくしている。すなわち、第1実施形態の場合と同様に、入射用光ファイバ10'から導光体40'に入射された光は、導光体40'のコア40a'を中心として導光体40'のクラッド40b'内に大きく広がって導光体40'内を伝搬し、反射面41'で反射することとしている。本実施形態では、導光体40'のコア径が約2μmで、導光体40'のクラッド径が125μmであり、導光体40'の長さを0.96mmとしている。
Also in this embodiment, the core 40a'of the light guide body 40'is smaller than the core 10a' of the incident optical fiber 10'. That is, as in the case of the first embodiment, the light incident on the light guide body 40'from the incident optical fiber 10'is the clad of the light guide body 40' centering on the
さらに、本実施形態では、図4に示すように、導光体40'の周囲に温度によって屈折率が変化するシリコーン樹脂製の被膜42'を設けている。このシリコーン樹脂製の被膜42'は、反射面41'部分にも設けてよい。 Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, a silicone resin film 42' whose refractive index changes depending on the temperature is provided around the light guide body 40'. The silicone resin coating 42'may also be provided on the reflective surface 41'.
このように、導光体40'をシリコーン樹脂製の被膜42'で被覆して温度計測を可能とし、空気の温度を室温から-50℃付近まで変化させた際のスペクトルディップの変化を図6に示す。 In this way, the light guide body 40'is covered with a silicone resin coating 42' to enable temperature measurement, and the change in the spectral dip when the air temperature is changed from room temperature to around -50 ° C is shown in FIG. Shown in.
図6より、スペクトルディップの波長と温度の関係から図7の温度-波長相関が得られ、スペクトルディップの波長から温度を見積もることができる。 From FIG. 6, the temperature-wavelength correlation of FIG. 7 can be obtained from the relationship between the wavelength and the temperature of the spectral dip, and the temperature can be estimated from the wavelength of the spectral dip.
あるいは、図6において波長1588.88nmに着目し、この波長での光強度の変化から図8の温度-光強度変化相関が得られ、スペクトルの強度変化から温度を見積もることができる。 Alternatively, focusing on the wavelength 1588.88 nm in FIG. 6, the temperature-light intensity change correlation of FIG. 8 can be obtained from the change in light intensity at this wavelength, and the temperature can be estimated from the change in spectrum intensity.
なお、本実施形態では、被膜42'に温度によって屈折率が変化するシリコーン樹脂製を用いているが、所定の物理量によって屈折率が変化する被膜を用いることで、所定の物理量を計測できるセンサとすることができる。例えば、被膜がシリカゲル膜のように湿度によって屈折率が変化する場合には、湿度センサとすることができる。被膜がいわゆる感応膜のようにガス濃度によって屈折率が変化する場合には、ガスセンサとすることができる。 In this embodiment, the film 42'is made of a silicone resin whose refractive index changes depending on the temperature. However, by using a film whose refractive index changes according to a predetermined physical quantity, a sensor capable of measuring a predetermined physical quantity can be used. can do. For example, when the film has a refractive index that changes with humidity, such as a silica gel film, it can be used as a humidity sensor. When the film has a refractive index that changes depending on the gas concentration, such as a so-called sensitive film, it can be used as a gas sensor.
<第3実施形態>
本実施形態の光ファイバ式計測装置は、図9に示すように、光源(図示せず)と、この光源に一方端を接続した入射用光ファイバ10"と、この入射用光ファイバ10"の他方端に接続した第1導光体20"と、この第1導光体20"に一方端を接続した中間光ファイバ30"と、この中間光ファイバ30"の他方端に接続した第2導光体40"と、この第2導光体40"に一端を接続して他方端を検出器(図示せず)に接続した出射用光ファイバ50"とを備えた光ファイバ式計測装置としている。本実施形態では、第1導光体20"及び第2導光体40"がセンサ体となっている。<Third Embodiment>
As shown in FIG. 9, the optical fiber type measuring device of the present embodiment includes a light source (not shown), an incident
入射用光ファイバ10"、中間光ファイバ30"及び出射用光ファイバ50"は、シングルモードファイバである。本実施形態では、コア径が約8.2μmで、クラッド径が125μmの光ファイバを用いている。
The incident
第2導光体40"は、上述した第1実施形態の導光体40と同じく、入射側の中間光ファイバ30"のコア30a"及び出射用光ファイバ50"のコア50a"よりも細径のコア40a"を有する光ファイバである。、本実施形態では、コア径が約2μmで、クラッド径が125μmの光ファイバを用いている。
The second
本実施形態の第2導光体40"は、上述した第1実施形態の導光体40と同じであるため、重複する説明は省略する。
Since the second
第1導光体20"は、入射用光ファイバ10"のコア10a"と同材質としており、入射用光ファイバ10"のコア10a"よりも太径とすることで、入射用光ファイバ10"から第1導光体20"に入射させた光に回折を生じさせることとしている。
The first
ここで、第1導光体20"は、入射用光ファイバ10"や中間光ファイバ30"と同径の円柱状としているが、必ずしも同径の円柱状とする必要はない。例えば図10(a)に示すように、第1導光体は、入射用光ファイバ10"から中間光ファイバ30"に向けて拡径状としてもよい。ここで、中間光ファイバ30"は、入射用光ファイバ10"よりも太径としている。あるいは、図10(b)に示すように、第1導光体は、入射用光ファイバ10"や中間光ファイバ30"よりも太径としてもよく、逆に図10(c)に示すように、入射用光ファイバ10"や中間光ファイバ30"よりも細径としてもよい。あるいは、図10(d)に示すように、第1導光体は、入射用光ファイバ10"から中間光ファイバ30"に向けて縮径状としてもよい。また、第1導光体は、断面が円形となっている必要はなく、楕円形状や多角形状となっていてもよい。
Here, the first
第2導光体40"も同様に、円柱形状ではなく、計測容易なスペクトルディップが得られやすいように、適宜の径状としてよい。
Similarly, the second
本実施形態の光ファイバ式計測装置では、第2導光体40"の長さを短くすることができることから、小さい領域の計測を可能とすることができる。
In the optical fiber type measuring device of the present embodiment, since the length of the second
さらに、第1導光体20"も、入射用光ファイバ10"から第1導光体20"に入射した光の回折光が、第1導光体20"の周面で1回だけ全反射して中間光ファイバ30"に入射する長さとすることで短くすることができる。すなわち、本実施形態の光ファイバ式計測装置では、小さい領域の計測を可能とすることができる。
Further, in the
特に、入射用光ファイバ10"と中間光ファイバ30"のコア径を約8.2μmで、クラッド径と125μmとし、第1導光体20"の径寸法を125μmとすると、第1導光体20"の長さが2mm以内で第1導光体20"の周面で1回だけ全反射して中間光ファイバ30"に入射する条件となる。第1導光体20"の長さを2mm付近とした場合の、スペクトルディップの最も深くなる波長位置を計測した。結果を図11に示す。
In particular, assuming that the core diameter of the incident
図11に示すように、第1導光体20"の長さが1.83mmで急峻なスペクトルディップが現れ、その前後では変化の緩やかなスペクトルディップが現れることが確認できた。なお、第1導光体20"の長さを1mm以下とした場合にはスペクトルディップが出現しなかったことから、第1導光体20"としては、長さが1mm以上である必要がある。一方、第2導光体40"は、第1実施形態で述べたように、1mm以下においても計測に利用できるスペクトルディップが出現可能である(図2参照)ことから、より小型化したい場合には、第1導光体20"よりも第2導光体40"の方がセンサ体として効果的である。
As shown in FIG. 11, it was confirmed that a steep spectral dip appeared when the length of the first
第1導光体20"の長さを1.83mmとして、第1導光体20"の周囲を空気とした場合と、純水とした場合と、エタノールとした場合のスペクトル変化を図12に示す。図12に示すように、空気→純水→エタノールの順で屈折率の増大にともなって長波長側にスペクトルディップがシフトしており、屈折率センサとして利用可能であることが確認できた。
FIG. 12 shows the spectral changes when the length of the first
本実施形態のように第1導光体20"と第2導光体40"を備えた光ファイバ式計測装置とする場合には、第1導光体20"に起因したスペクトルディップと、第2導光体40"に起因したスペクトルディップとが十分離れていることが望ましい。これは、第1導光体20"または第2導光体40"の形状を調整することで、容易に調整ができる。
In the case of an optical fiber type measuring device provided with the first
図9に示すように、本実施形態の光ファイバ式計測装置では、第2導光体40"の周囲に温度によって屈折率が変化する被膜42"を設けている。被膜42"は、具体的には、シリコーン樹脂を用いて作製できる。なお、温度によって屈折率が変化する被膜42"とするのではなく、例えば湿度によって屈折率が変化するシリカゲル膜や、ガスを吸着することで屈折率が変化する感応膜を用いてもよい。
As shown in FIG. 9, in the optical fiber type measuring device of the present embodiment, a
図13に、第2導光体40"にシリコーン樹脂製の皮膜42"を設けた光ファイバ式計測装置を用いて、空中で30~80℃まで温度を変化させた際のスペクトルの変化を示す。ここで、入射用光ファイバ10"、中間光ファイバ30"及び出射用光ファイバ50"には、コア径が約8.2μmで、クラッド径が125μmのシングルモードファイバを用いている。第1導光体20"には、入射用光ファイバ10"のコアと同材質で、外径125μmで、長さ1.83mmの円柱状の光ファイバを用いている。第2導光体40"は、コア径が約2μmで、クラッド径が125μmで、長さ1,07mmの光ファイバを用いている。
FIG. 13 shows a change in the spectrum when the temperature is changed from 30 to 80 ° C. in the air using an optical fiber type measuring device in which the second
図13において、波長1490nm付近のスペクトルディップは、第1導光体20"に起因した干渉から得られるスペクトルディップである。また、波長1280nm付近のスペクトルディップは、第2導光体40"に起因したスペクトルディップである。
In FIG. 13, the spectrum dip near the wavelength of 1490 nm is the spectrum dip obtained from the interference caused by the first
図14は、図13の波長1280nm付近の拡大図である。図14に示すように、温度によってスペクトルディップの波長がシフトしており、これを利用して温度計測が可能となっている。 FIG. 14 is an enlarged view of FIG. 13 having a wavelength of around 1280 nm. As shown in FIG. 14, the wavelength of the spectral dip is shifted depending on the temperature, and the temperature can be measured by using this.
また、図15には、温度を30℃に固定して、第1導光体20"及び第2導光体40"の周囲を空気とした場合と、純水とした場合と、エタノールとした場合のスペクトル変化を示す。図15に示すように、空気→純水→エタノールの順で屈折率が増大するにつれて、波長1490nm付近の第1導光体20"に起因した干渉から得られるスペクトルディップはシフトする一方で、波長1280nm付近の第2導光体40"に起因したスペクトルディップには変化がない。このことから、屈折率と温度とを完全に独立させて計測できていることがわかる。
Further, in FIG. 15, the temperature was fixed at 30 ° C., and the surroundings of the first
他の実施形態として、第3実施形態の第2導光体40"の代わりに、第2実施形態の導光体40'とすることもできる。
As another embodiment, the light guide body 40'of the second embodiment may be used instead of the second
10,10',10" 入射用光ファイバ
10a,10a',10a" コア
20" 第1導光体
30" 中間光ファイバ
30a" コア
40,40' 導光体
40" 第2導光体
40a,40a',40a" コア
40b クラッド
41' 反射面
42',42" 皮膜
50, 50" 出射用光ファイバ
50a,50a" コア
50' 連結用光ファイバ
61 光源
62 検出器
63 光方向性結合器10,10', 10 "optical fiber for incident
10a, 10a', 10a "core
20 "1st light guide
30 "intermediate fiber optic
30a "core
40,40'Light guide
40 "2nd light guide
40a, 40a', 40a "core
40b clad
41'Reflective surface
42', 42 "film
50, 50 "optical fiber for emission
50a, 50a "core
50'Connecting optical fiber
61 Light source
62 Detector
63 Optical directional coupler
Claims (7)
この光源に一方端を接続した入射用光ファイバと、
この入射用光ファイバの他方端に接続した導光体と、
この導光体に一端を接続して他方端を検出器に接続した出射用光ファイバと
を備え、前記導光体をセンサ体としている光ファイバ式計測装置において、
前記入射用光ファイバ及び前記出射用光ファイバがシングルモードファイバであり、
前記導光体を、前記入射用光ファイバのコア及び前記出射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する長さを1mm以下の光ファイバとすることによって、
前記入射用光ファイバから前記導光体に入射させた光は、前記細径のコアを中心としてクラッド内に広がって前記導光体を伝搬するとともに、前記導光体の外周部分が境界領域となる光軸と垂直な面内で定在条件を満足する位相状態の光のうち、前記導光体の中心部で光強度が最大となる波形の波長の光と、前記導光体の中心部で光強度が最小となる波形の波長の光を形成し、
前記導光体の中心部の光が前記出射用光ファイバから出力される
ことを特徴とする光ファイバ式計測装置。 Light source and
An incident optical fiber with one end connected to this light source,
A light guide connected to the other end of this incident optical fiber,
In an optical fiber type measuring device provided with an optical fiber for emission in which one end is connected to the light guide and the other end is connected to a detector, and the light guide is used as a sensor.
The incident optical fiber and the emitted optical fiber are single-mode fibers.
By making the light guide body an optical fiber having a core having a diameter smaller than that of the core of the incident optical fiber and the core of the outgoing optical fiber and having a length of 1 mm or less.
The light incident on the light guide from the incident optical fiber spreads in the clad centering on the small-diameter core and propagates through the light guide, and the outer peripheral portion of the light guide becomes a boundary region. Of the light in the phase state that satisfies the standing condition in the plane perpendicular to the optical axis, the light having the waveform having the maximum light intensity at the center of the light guide and the center of the light guide. Formes light with a waveform wavelength that minimizes the light intensity.
An optical fiber type measuring device characterized in that light at the center of the light guide is output from the emission optical fiber.
前記入射用光ファイバの一部を前記出射用光ファイバとして前記反射面で反射した光を前記入射用光ファイバの中途部に設けた光方向性結合器に導き、
この光方向性結合器と前記検出器とを光ファイバで接続した請求項1~3のいずれか一項に記載の光ファイバ式計測装置。 A reflective surface is provided on the end surface of the light guide body connected to the incident optical fiber, and the light incident on the light guide from the incident optical fiber is reflected by the reflective surface.
A part of the incident optical fiber is used as the emitted optical fiber, and the light reflected by the reflecting surface is guided to an optical directional coupler provided in the middle of the incident optical fiber.
The optical fiber type measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical directional coupler and the detector are connected by an optical fiber.
この光源に一方端を接続した入射用光ファイバと、
この入射用光ファイバの他方端に接続した導光体と、
この導光体に一端を接続して他方端を検出器に接続した出射用光ファイバと
を用いて、
前記入射用光ファイバを介して前記光源から導いた光を前記導光体に入射させ、この導光体から出射された光を用いて前記導光体の周囲の物理量の変動を計測する光ファイバ式計測方法において、
前記入射用光ファイバ及び前記出射用光ファイバがシングルモードファイバであり、
前記導光体を、前記入射用光ファイバのコア及び前記出射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する長さを1mm以下の光ファイバとすることによって、
前記入射用光ファイバから前記導光体に入射させた光は、前記細径のコアを中心としてクラッド内に広がって前記導光体を伝搬するとともに、前記導光体の外周部分が境界領域となる光軸と垂直な面内で定在条件を満足する位相状態の光のうち、前記導光体の中心部で光強度が最大となる波形の波長の光と、前記導光体の中心部で光強度が最小となる波形波長の光を形成し、
前記導光体の中心部の光が前記出射用光ファイバから出力されることを特徴とする光ファイバ式計測方法。 Light source and
An incident optical fiber with one end connected to this light source,
A light guide connected to the other end of this incident optical fiber,
With an optical fiber for emission, one end of which is connected to this light guide and the other end of which is connected to the detector.
Using,
An optical fiber that incidents light guided from the light source through the incident optical fiber onto the light guide and measures fluctuations in the physical amount around the light guide using the light emitted from the light guide. In the formula measurement method
The incident optical fiber and the emitted optical fiber are single-mode fibers.
By making the light guide body an optical fiber having a core having a diameter smaller than that of the core of the incident optical fiber and the core of the outgoing optical fiber and having a length of 1 mm or less.
The light incident on the light guide from the incident optical fiber spreads in the clad centering on the small-diameter core and propagates through the light guide, and the outer peripheral portion of the light guide becomes a boundary region. Of the light in the phase state that satisfies the standing condition in the plane perpendicular to the optical axis, the light having the waveform having the maximum light intensity at the center of the light guide and the center of the light guide. Formes light with a waveform wavelength that minimizes the light intensity.
An optical fiber type measurement method characterized in that light at the center of the light guide is output from the emission optical fiber.
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