Study on Chemical Sensor Using an Optical Fiber Based on Chemical Adsorption and Optical Absorption Effect

Study on Chemical Sensor Using an Optical

Fiber Based on Chemical Adsorption and Optical Absorption Effect

著者 Singh Chandra Deep journal or

publication title

静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

volume 27

page range 123‑126

year 2006‑03‑11

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1199

氏名 。

籍 )  チヤン ドラ   ディープ   シン

ン ド

学位 の種類    ^{博    士}   (工   学

学位 記 番 号    工博 甲第   260   号 学位授与の日付    ^{平成 16年 9月 30日}

学位授与の要件    学位規程第 5条 第 1項 該当 研究科。 専攻の名称    電子科学研究科   電子材料科学

学位論文題目    Study on Cha」 cal Sensor Usmg an Opttcal Fiber Based on Chemical Adsorption and Optical Absorption Erect

(化 学吸着および光吸収効果に基づ く光 ファイバ化学 セン サの研究

論 文 審 査 委 員

   (委

・ ・    教 授   ^{山   口}   十六夫    ^{教 授}   大   坪   順   次 教 授 篠 原 茂 信   教 授 藤 波 達 雄 教 授 近 藤   淳   教 授 荻 田 正 巳

論 文 内 容 の 要 旨

The development of fiber optic sensors for chemical and clinical parameter is a tremendously fast growing

area. A drastic expansion in fiber optic chemical sensor technology has been seen in the last decade. The optical fiber chemical sensors are mainly based on adsorption or absorption technique. In this thesis we have studied an optical fiber chemical sensor based on adsorption and absorption effect.'We have proposed a chemical sensor based on multimode step index optical fibers for measurement of critical micelle concentration [CMC] ^using adsorption effect in this thesis. At low concentration the surfactant molecules are dispersed in the solution. They gather, scatter and some of them intend to adsorb onto the core surface of the fiber. If the light is launched at the input end of the unclad fiber, at this time the output of the fiber becomes slightly reduced. When the concenfia- tion of the surfactant solution reaches the CMC, the outputs from the fiber suddenly begrn to increase due to the interaction between the evanescent wave and surfactant molecules. Above the CMC, the sprfactant molecules are uniformly adsorbed on the removed surface of the core in the solution. The CMC determination has been performed using the rapids increase in output powers.

In chapter 2,the effect of launching angle of the light and interaction length of the fiber in the sensing region

on sensor sensitivity has been studied. It has been found that the selective rays launching close to the critical

also found that ttrinner the core diameter, higher the sensor sensitivity. We have also done experimental study in the case of the sucrose solution (non- surfactant) and found that there was no change in the output of the fiber corresponding to the refractive index range where the CMC was determined in the surfactant solutions. Hence this abrupt increase in the output of power in the surfactant solutions can be explained on the basis of ^the adsorption effect.

To see the effect of the bending radius of the optical fiber core in sensing region, we have done experimental study in case of U-shaped optical fiber in sensing region for measurement of CMC in chapter 3. The effect of light launching condition and bending radius of the probe on the CMC is studied. It has been shown that, for a given value of the sample solution, decrease the bending radius of the U-shape increases the sensitivity of the sensor and improve the finding of critical micelle concenftation point. We have also found that in the case of U-

shape probe there is no need to launch selected rays light closer to the critical angle of the fiber for high sensi-

tivity because probe itself takes care for that and gives the same results for all guided rays launched inside the input end of the fiber.

In chapter 4, experimental studies based on sol-gel coated cladding in sensing region of ^the sensor are also studied. In this case a sol-gel process for making ^porous silica and doping the fiber core with the sensing material are described. The doped sol-gel cladding fiber was used to consffuct an active cladding optical fiber CMC measurement sensor. Sol-gel derived coating uniform and U-shaped optical fiber sensors have been stud- ied for measurement of critical micelle concenffation of surfactants. Test results show that the sensitivity of the porous sol-gel cladding optical fiber in sensing region is higher than that of without cladding. Three different particles size of sol-gel porous cladding were tested and found that the sensitivity of the small particle size porous sol-gel cladding optical fiber is higher than that of large particle size sol-gel cladding.

The detection of the gases by the attenuation of the evanescent wave outside the core of a step index fiber has also received considerable interestbecause the technique is very much useful in the near and mid infrared where many molecules exhibit vibrational and rotational absorption bands. In chapters 5 and 6, theoretical investiga- tions on the detection of the gases using attenuated total reflection (ATR) spectroscopy in a multimode step index tapered fiber with ^porous cladding have been caried out. Three different types of tapered fiber namely;

parabolic, linear and exponential-linear fiber in place of a uniform sensing region have been considered to study

the effects of launching condition of the light, geometry of the sensing region and taper ratio on the response

time. Sensor sensitivity, response time and the minimum detectable concenffation are derived in terms of the

fiber parameters, absorptivity of the gas and its diffrrsion coefficient in the porous cladding. It ^{has been shown}

that the sensor response time and the minimum detectable concenfiation depend on the taper ratio and geometry

of the taper profiles for given fiber parameters, the absorptivity of gas and the diffirsion coefficient in the porous

cladding. For a given taper profile, the higher the taper ratio, the smaller response time and the minimum

detectable concentration.

論 文 審 査 結 果 の 要 旨

化学や医療分野における光ファイバセンサ技術はこの

間の目覚 しい発展 を遂げた。光ファイバ を使 つた化学センサは主に吸着効果 と吸収効果 との応用 に基づいている。この論文ではそれらの効果 に基づいた光 ファイバ化学センサの研究 を行 った。第 1章 では、吸着効果 を利用 した臨界 ミセル濃 度 (CMC)測 定 に、ステ ップ型マルチモー ド光 ファイバ を使 つた化学センサヘの応用 を提案 した。低 濃度で界面活性剤分子は水溶液中に分散 し、集合、離散 を繰 り返 している。その中のあるものはファ

イバのコア表面に吸着 しようとする。クラッドを剥が したファイバの入力端から入射光が入ると、散 乱により CMC点 の手前で、ファイバの出力は少 し減少する。界面活性剤の水溶液の濃度が CMCに

達すると、エバネセン ト波 と界面活性剤分子 との間の相互作用により、光ファイバからの出力は突然 増加 を始める。 cMc以 上になると溶液中の界面活性剤分子は、剥 き出 しのコアの表面上に一様 に吸 着する。従 って CMC点 は、出力が急激 に上昇する点に注 目して決定 される。第 2章 では、センサ 感度に関する入射光の角度依存性、センサ領域の長 さ依存性が調べ られた。その結果光ファイバの臨 界角度に近い角度で光を入射 させ、またセンサ領域 を長 く取るとセンサ感度が増加することが分かつ た。庶糖水溶液

界面活性剤

場合の測定 も行 った。 もし界面活性剤水溶液の場合であれば当然

CMC点 が現れるような濃度の屈折率領域において も、薦糖水溶液の場合は、光 ファイバの出力端で は何 も変化が生 じないことが確かめられた。つまり界面活性剤水溶液の出力における急峻な増加は、

この吸着効果が如何 に重要な役割を果た しているのかを意味する。第 3章 では、光 ファイバのセン サ領域 におけるコアの曲げ半径の依存性 を見るために、センシング領域で u字 型に曲げた光 ファイバ について CMC測 定 に対する実験研究 を行 った。 CMcに 関 し入射光条件やこのセンサの曲げ半径の 依存性 について調べた。 U字 型の曲げ半径 を減少 させると、試料水溶液中でセンサの感度が上昇す ることが分か り、 CMC点 検出の改善に繋がった。一般 に直線型光 ファイバセンサの場合、高感度 に するために、光 ファイバの臨界角に入射光角度 を近づけるが、この U字 型 ファイバセンサの場合は その必要性がない。 u字 型センサ自体、その役割 を担い、感度 に対 し、入射光の角度依存性 を与え ない特長が有 るか らである。第 4章 では、ゾル

ル法でセンシング領域 を被覆 した光 ファイバの研 究を行った。多孔質シリカを作るゾル¨ グルエ程が述べ られている。ゾルーグル被覆クラッドの光ファ イバセンサは、より活性化 したクラッドを持たせたことになる。このブルーグル法による一様 にコー ティングした u字 型光 ファイバセンサについて、 CMC検 出特性が調べ られた。この方法 によるも ののセンサ感度は、他の光ファイバセンサ より感度が高 くなった。極力平均粒径の小 さい ものを使用

した方が、検出特性が優れている。

ステ ップ型 ファイバ コアのエバネセン ト波の減衰に注 目したガス検出に関 して、被測定分子の回

転、振動 との共鳴吸収か ら近赤外、赤外領域での測定技術が非常 に有用 となる。第 5章 、第 6章 で

は、多孔質クラッドを有するマルチモー ドステップ型光 ファイバ を使用 した場合の、全反射減衰法

(A冨こ

スペク トルによるガス検出について、理論計算 による検討が 3種 類のテーパ光 ファイバに

構造 を持つ ものである。このセンサの応答特性について、入射光条件、センシング領域形状、テーパ 比などの効果について検討 された。センサ感度、応答時間、最小検出感度が ファイバの光パ ラメー タ、ガス吸収係数、クラッドの拡散係数などの条件下で導出された。センサ応答時間、最小検出感度 はテーパ比、テーパ形状に関 して、テーパ比が高い程、応答時間、最小検出感度が良 くなることが分 かった。

第 7章 は結論 と今後の展望が述べ られている。

以上の研究成果は光 ファイバを使 ったケミカルセンサの実用化への重要な多 くの示唆を与え、工業

上の寄与が大 きい。よって、本論文は博士

学

学位 を授与するに値するものであると認定する。