JP3141105B2 - 光熱変換法を利用したスラブ光導波路を有するセンサー及び光熱変換法を利用した検出方法 - Google Patents
光熱変換法を利用したスラブ光導波路を有するセンサー及び光熱変換法を利用した検出方法Info
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光の吸収を利用し
て定性分析や定量分析を行いうるセンサー及び検出方法
に関する。さらに詳しくは本発明は、スラブ光導波路を
有し、光熱変換法を利用した、高感度で小型化しうるセ
ンサー、及びスラブ光導波路を使用し、光熱変換法を利
用した、高感度の検出方法に関する。
て定性分析や定量分析を行いうるセンサー及び検出方法
に関する。さらに詳しくは本発明は、スラブ光導波路を
有し、光熱変換法を利用した、高感度で小型化しうるセ
ンサー、及びスラブ光導波路を使用し、光熱変換法を利
用した、高感度の検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】光の吸収を利用する試料の定性、定量分
析の方法には種々のものがあるが、近年、高感度の測定
が行えるため用いられるようになった分析手法として、
光熱変換法を利用した測定方法がある。この光熱変換法
では、図１０に示すように、光源３３及び３５の２種類
の光源を用い、チョッパー３４で断続光にされた光源３
３からの光３９を基板３１上の試料３２に照射し、試料
３２による光３９の吸収を、光源３５からのプローブ光
４０の偏向や光ビームの太さの変化として検出する。す
なわち、試料３２が光３９を吸収すると試料３２の付近
に熱が生じ、熱膨張などによって試料３２付近に屈折率
変化がおきる。この屈折率変化によって試料３２付近を
通過するプローブ光４０が偏向したり（光熱変換ビーム
偏向効果）、ビームの太さが変化したり（熱レンズ効
果）するので、プローブ光４０のこれらの変化を光検出
手段３７で検出するのである。プローブ光の偏向や太さ
の変化を検出する具体的な方法としては、図１０に示す
ように、ナイフエッジ３６で光検出手段３７に入射する
ビームを制限して、光検出手段３７に達する光量の変化
を測定する方法のほか、位置検出器によってビームの位
置の変化を直接検出する方法がある。
析の方法には種々のものがあるが、近年、高感度の測定
が行えるため用いられるようになった分析手法として、
光熱変換法を利用した測定方法がある。この光熱変換法
では、図１０に示すように、光源３３及び３５の２種類
の光源を用い、チョッパー３４で断続光にされた光源３
３からの光３９を基板３１上の試料３２に照射し、試料
３２による光３９の吸収を、光源３５からのプローブ光
４０の偏向や光ビームの太さの変化として検出する。す
なわち、試料３２が光３９を吸収すると試料３２の付近
に熱が生じ、熱膨張などによって試料３２付近に屈折率
変化がおきる。この屈折率変化によって試料３２付近を
通過するプローブ光４０が偏向したり（光熱変換ビーム
偏向効果）、ビームの太さが変化したり（熱レンズ効
果）するので、プローブ光４０のこれらの変化を光検出
手段３７で検出するのである。プローブ光の偏向や太さ
の変化を検出する具体的な方法としては、図１０に示す
ように、ナイフエッジ３６で光検出手段３７に入射する
ビームを制限して、光検出手段３７に達する光量の変化
を測定する方法のほか、位置検出器によってビームの位
置の変化を直接検出する方法がある。
【０００３】この光熱変換法を利用した測定方法におい
て、光導波路を使用すると、より高感度の測定が可能と
なることが本発明者らの研究で明らかになった（Chemis
tryLetters （日本化学会）１９９７年、５８３頁）。
これは、図１１に示すように、透明基板５３上に、極薄
い、基板より光屈折率の高い透明な層５２（以下、光導
波路コア層という）を有するスラブ光導波路５１を使用
して、プローブ光５９を光導波路コア層５２の内部を伝
播させて透過させ、光導波路コア層５２上の試料５４に
よる光熱変換ビーム偏向効果や熱レンズ効果を検出する
ものである。図中、５５は試料に照射する光の光源、５
６はチョッパー、５７は断続光とされた光である。光源
５８からのプローブ光５９はプリズム６０により光導波
路コア層５２に入射し、試料５４付近を全反射しながら
通過して、プリズム６２により出射する。ナイフエッジ
６１で制限された出射光が光検出手段６３で検出され、
光信号６４として同期増幅器６５に送られ、チョッパー
５６からの参照信号６６によって位相同期増幅される。
この方法では、プローブ光を極薄い光導波路コア層内に
閉じ込めることで、より効率的に、高感度でプローブ光
の変化が検出できる。しかし、装置全体が比較的大きな
ものになってしまう、また、そのため、微妙なビームの
位置の変動や強度変化を検出する必要があるにもかかわ
らず、装置自身が振動の影響を受けやすくなるという難
点があった。さらに、スラブ光導波路から光検出手段に
至る間の、風などによる空気の振動の影響が敏感に現
れ、雑音を拾いやすいという問題もあった。
て、光導波路を使用すると、より高感度の測定が可能と
なることが本発明者らの研究で明らかになった（Chemis
tryLetters （日本化学会）１９９７年、５８３頁）。
これは、図１１に示すように、透明基板５３上に、極薄
い、基板より光屈折率の高い透明な層５２（以下、光導
波路コア層という）を有するスラブ光導波路５１を使用
して、プローブ光５９を光導波路コア層５２の内部を伝
播させて透過させ、光導波路コア層５２上の試料５４に
よる光熱変換ビーム偏向効果や熱レンズ効果を検出する
ものである。図中、５５は試料に照射する光の光源、５
６はチョッパー、５７は断続光とされた光である。光源
５８からのプローブ光５９はプリズム６０により光導波
路コア層５２に入射し、試料５４付近を全反射しながら
通過して、プリズム６２により出射する。ナイフエッジ
６１で制限された出射光が光検出手段６３で検出され、
光信号６４として同期増幅器６５に送られ、チョッパー
５６からの参照信号６６によって位相同期増幅される。
この方法では、プローブ光を極薄い光導波路コア層内に
閉じ込めることで、より効率的に、高感度でプローブ光
の変化が検出できる。しかし、装置全体が比較的大きな
ものになってしまう、また、そのため、微妙なビームの
位置の変動や強度変化を検出する必要があるにもかかわ
らず、装置自身が振動の影響を受けやすくなるという難
点があった。さらに、スラブ光導波路から光検出手段に
至る間の、風などによる空気の振動の影響が敏感に現
れ、雑音を拾いやすいという問題もあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明は、
小型化でき、装置自体の振動や測定環境の空気の振動の
影響をうけにくく、より高感度の検出、測定を行いう
る、光熱変換法を利用したスラブ光導波路を有するセン
サーを提供することを目的とする。さらに本発明は、雑
音等の影響なく高感度の検出、測定を行いうる光熱変換
法を利用した検出方法を提供することを目的とする。
小型化でき、装置自体の振動や測定環境の空気の振動の
影響をうけにくく、より高感度の検出、測定を行いう
る、光熱変換法を利用したスラブ光導波路を有するセン
サーを提供することを目的とする。さらに本発明は、雑
音等の影響なく高感度の検出、測定を行いうる光熱変換
法を利用した検出方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題に鑑
み鋭意研究した結果、従来の装置ではプローブ光をいっ
たん光導波路の外に引き出して偏向効果や熱レンズ効果
を検出しており、このため振動等の影響を受けやすいこ
とを見出した。さらに、スラブ光導波路にプローブ光の
制限手段や光検出手段などを組み込んで設け、プローブ
光を光導波路コア層に接して置かれた検出器で検出すれ
ば、小型で高感度のセンサーとしうることを見出し、こ
の知見に基づき本発明をなすに至った。
み鋭意研究した結果、従来の装置ではプローブ光をいっ
たん光導波路の外に引き出して偏向効果や熱レンズ効果
を検出しており、このため振動等の影響を受けやすいこ
とを見出した。さらに、スラブ光導波路にプローブ光の
制限手段や光検出手段などを組み込んで設け、プローブ
光を光導波路コア層に接して置かれた検出器で検出すれ
ば、小型で高感度のセンサーとしうることを見出し、こ
の知見に基づき本発明をなすに至った。
【０００６】すなわち本発明は、（１）透明基板の上
に、基板より光屈折率の高い透明な光導波路コア層を形
成してなるスラブ光導波路を有してなり、前記光導波路
コア層上に載置した試料に上方又は下方より光を照射し
て試料が前記光を吸収したときの光熱変換効果を、前記
光導波路コア層に入射して内部反射を行わせて試料付近
を通過させたプローブ光の発散収束又は偏向を光検出手
段で検出することにより測定する光熱変換法を利用した
センサーであって、前記光検出手段に入射するプローブ
光を制限する手段が前記光導波路コア層に形成され、か
つ、前記光検出手段が検出部位を前記光導波路コア層に
接して設けられプローブ光の強度の変動を検出すること
を特徴とするセンサー、（２）試料にチョッパーで断続
光とした光を照射し、光検出手段からの信号をチョッパ
ーからの参照信号で位相同期増幅することを特徴とする
（１）項記載のセンサー、（３）透明基板の上に、基板
より光屈折率の高い透明な光導波路コア層を形成してな
るスラブ光導波路を有してなり、前記光導波路コア層上
に載置した試料に上方又は下方より光を照射して試料が
前記光を吸収したときの光熱変換効果を、前記光導波路
コア層に入射して内部反射を行わせて試料付近を通過さ
せたプローブ光の偏向を位置検出器で検出することによ
り測定する光熱変換法を利用したセンサーであって、前
記位置検出器が検知部位を前記光導波路コア層に接して
設けられプローブ光の偏向を検出することを特徴とする
センサー、（４）試料にチョッパーで断続光とした光を
照射し、位置検出素子からの信号をチョッパーからの参
照信号で位相同期増幅することを特徴とする（３）項記
載のセンサー、及び（５）透明基板の上に、基板より光
屈折率の高い透明な光導波路コア層を形成してなるスラ
ブ光導波路の前記光導波路コア層上に載置した試料に、
上方又は下方より光を照射し、試料が前記光を吸収した
ときの光熱変換効果を、前記光導波路コア層に入射して
内部反射を行わせて試料付近を通過させたプローブ光の
発散収束又は偏向を検出することにより測定する光熱変
換法を利用した検出方法であって、前記光導波路コア層
に検出部位又は検知部位を接して設けられた光検出手段
によりプローブ光の発散収束又は偏向を検出することを
特徴とする検出方法を提供するものである。
に、基板より光屈折率の高い透明な光導波路コア層を形
成してなるスラブ光導波路を有してなり、前記光導波路
コア層上に載置した試料に上方又は下方より光を照射し
て試料が前記光を吸収したときの光熱変換効果を、前記
光導波路コア層に入射して内部反射を行わせて試料付近
を通過させたプローブ光の発散収束又は偏向を光検出手
段で検出することにより測定する光熱変換法を利用した
センサーであって、前記光検出手段に入射するプローブ
光を制限する手段が前記光導波路コア層に形成され、か
つ、前記光検出手段が検出部位を前記光導波路コア層に
接して設けられプローブ光の強度の変動を検出すること
を特徴とするセンサー、（２）試料にチョッパーで断続
光とした光を照射し、光検出手段からの信号をチョッパ
ーからの参照信号で位相同期増幅することを特徴とする
（１）項記載のセンサー、（３）透明基板の上に、基板
より光屈折率の高い透明な光導波路コア層を形成してな
るスラブ光導波路を有してなり、前記光導波路コア層上
に載置した試料に上方又は下方より光を照射して試料が
前記光を吸収したときの光熱変換効果を、前記光導波路
コア層に入射して内部反射を行わせて試料付近を通過さ
せたプローブ光の偏向を位置検出器で検出することによ
り測定する光熱変換法を利用したセンサーであって、前
記位置検出器が検知部位を前記光導波路コア層に接して
設けられプローブ光の偏向を検出することを特徴とする
センサー、（４）試料にチョッパーで断続光とした光を
照射し、位置検出素子からの信号をチョッパーからの参
照信号で位相同期増幅することを特徴とする（３）項記
載のセンサー、及び（５）透明基板の上に、基板より光
屈折率の高い透明な光導波路コア層を形成してなるスラ
ブ光導波路の前記光導波路コア層上に載置した試料に、
上方又は下方より光を照射し、試料が前記光を吸収した
ときの光熱変換効果を、前記光導波路コア層に入射して
内部反射を行わせて試料付近を通過させたプローブ光の
発散収束又は偏向を検出することにより測定する光熱変
換法を利用した検出方法であって、前記光導波路コア層
に検出部位又は検知部位を接して設けられた光検出手段
によりプローブ光の発散収束又は偏向を検出することを
特徴とする検出方法を提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明において用いるスラブ光導
波路は、透明基板上に、基板よりも光屈折率の高い透明
な光導波路コア層を有してなる。透明基板の材質として
は、ガラス板、石英板などが好ましい。基板の厚さは全
体の形を支えることができればよく、通常０．１〜５ｍ
ｍ程度、好ましくは０．１〜３ｍｍである。光導波路コ
ア層の厚さは特に制限はないが、好ましくは０．１〜１
００μｍ、さらに好ましくは０．５〜１０μｍである。
光導波路コア層は、例えばソーダガラスの表面のナトリ
ウムイオンを、カリウムイオンやタリウムイオンのよう
な屈折率の高い物質とイオン交換することにより、又は
ゾル・ゲル法、もしくはスピンコート法などの方法で高
屈折率の物質を薄くコートすることにより作成される。
波路は、透明基板上に、基板よりも光屈折率の高い透明
な光導波路コア層を有してなる。透明基板の材質として
は、ガラス板、石英板などが好ましい。基板の厚さは全
体の形を支えることができればよく、通常０．１〜５ｍ
ｍ程度、好ましくは０．１〜３ｍｍである。光導波路コ
ア層の厚さは特に制限はないが、好ましくは０．１〜１
００μｍ、さらに好ましくは０．５〜１０μｍである。
光導波路コア層は、例えばソーダガラスの表面のナトリ
ウムイオンを、カリウムイオンやタリウムイオンのよう
な屈折率の高い物質とイオン交換することにより、又は
ゾル・ゲル法、もしくはスピンコート法などの方法で高
屈折率の物質を薄くコートすることにより作成される。
【０００８】本発明においてスラブ光導波路のコア層を
透過させるプローブ光の光源は、平行性の良いものが好
ましく、具体的には例えばヘリウム−ネオンレーザー、
半導体レーザーなどがあげられる。プローブ光の光導波
路コア層への入射は、カップリングプリズム等のプリズ
ムを用いるなどして行うことができる。光導波路コア層
から光検出手段又は位置検出器へのプローブ光の出射
は、光導波路コア層に形成した溝やプリズムを用いて行
うことができ、光検出手段に入射するプローブ光の制限
は光導波路コア層に形成した溝、光導波路コア層表面に
張りつけた光吸収物などを用いて行うことができる。こ
れらについては後述の本発明の実施態様の説明において
さらに詳細に述べる。また、本発明においてスラブ光導
波路上の試料に照射する光の光源としては、例えばアル
ゴンイオンレーザーなどの種々のレーザー、半導体レー
ザー、発光ダイオード、キセノンランプ、水銀ランプ、
白熱灯、あるいはそれらにフィルターや分光器を組み合
わせて掛け、波長を選んだものなどを用いることができ
る。必要に応じ、集光して光の強度を調節したり、ビー
ム径を変えたりして調整してもよい。本発明においてこ
の光は、励起光のために用いられる励起光であるが、通
常、強度、波長又は偏光面など、何らか変調して用いら
れる。この変調を加えたものとして好ましいのは、チョ
ッパーなどを用いて作った断続（ポンプ）光であり、検
出手段からの光信号をチョッパーからの参照信号で位相
同期増幅する方法が用いられる。
透過させるプローブ光の光源は、平行性の良いものが好
ましく、具体的には例えばヘリウム−ネオンレーザー、
半導体レーザーなどがあげられる。プローブ光の光導波
路コア層への入射は、カップリングプリズム等のプリズ
ムを用いるなどして行うことができる。光導波路コア層
から光検出手段又は位置検出器へのプローブ光の出射
は、光導波路コア層に形成した溝やプリズムを用いて行
うことができ、光検出手段に入射するプローブ光の制限
は光導波路コア層に形成した溝、光導波路コア層表面に
張りつけた光吸収物などを用いて行うことができる。こ
れらについては後述の本発明の実施態様の説明において
さらに詳細に述べる。また、本発明においてスラブ光導
波路上の試料に照射する光の光源としては、例えばアル
ゴンイオンレーザーなどの種々のレーザー、半導体レー
ザー、発光ダイオード、キセノンランプ、水銀ランプ、
白熱灯、あるいはそれらにフィルターや分光器を組み合
わせて掛け、波長を選んだものなどを用いることができ
る。必要に応じ、集光して光の強度を調節したり、ビー
ム径を変えたりして調整してもよい。本発明においてこ
の光は、励起光のために用いられる励起光であるが、通
常、強度、波長又は偏光面など、何らか変調して用いら
れる。この変調を加えたものとして好ましいのは、チョ
ッパーなどを用いて作った断続（ポンプ）光であり、検
出手段からの光信号をチョッパーからの参照信号で位相
同期増幅する方法が用いられる。
【０００９】本発明において、光導波路コア層中を内部
反射しながら試料付近を通過したプローブ光は、光導波
路コア層から直接光検出手段の検出部位又は検知部位に
入射し、光導波路コア層の極く近くでプローブ光の偏向
や発散収束の検出が行われる。本発明のセンサーにおい
て光検出手段としては、直接プローブビームの当たっ
ている位置を検出できる位置検出器や、強度を測るだ
けの通常の光検出器と様々の光制限手段とを組み合わせ
てプローブビームの位置や太さの変化を検出できるよう
にしたものがあり、は光熱変換ビーム偏向法、は光
熱変換ビーム偏向法に加えて熱レンズ法と呼ばれる方法
での信号検出に用いることができる。本発明では、この
ような光検出手段により、プローブビームの方向の変
化、またはプローブビームの広がり方（太さ）の変化を
検出することができる。本発明のセンサーは光検出手段
を、その検出、検知部位をスラブ光導波路のコア層表面
に接するように設けてなる。光検出手段は好ましくは、
検出、検知部位をコア層表面に接して置かれる。本発明
のセンサーにおいて、光検出手段はプローブ光制限手段
とともに用いられるが、この場合のプローブ光制限手段
がコア層に形成される、とは、スラブ光導波路のコア層
を含む光導波路表面付近に形成されることをいう。
反射しながら試料付近を通過したプローブ光は、光導波
路コア層から直接光検出手段の検出部位又は検知部位に
入射し、光導波路コア層の極く近くでプローブ光の偏向
や発散収束の検出が行われる。本発明のセンサーにおい
て光検出手段としては、直接プローブビームの当たっ
ている位置を検出できる位置検出器や、強度を測るだ
けの通常の光検出器と様々の光制限手段とを組み合わせ
てプローブビームの位置や太さの変化を検出できるよう
にしたものがあり、は光熱変換ビーム偏向法、は光
熱変換ビーム偏向法に加えて熱レンズ法と呼ばれる方法
での信号検出に用いることができる。本発明では、この
ような光検出手段により、プローブビームの方向の変
化、またはプローブビームの広がり方（太さ）の変化を
検出することができる。本発明のセンサーは光検出手段
を、その検出、検知部位をスラブ光導波路のコア層表面
に接するように設けてなる。光検出手段は好ましくは、
検出、検知部位をコア層表面に接して置かれる。本発明
のセンサーにおいて、光検出手段はプローブ光制限手段
とともに用いられるが、この場合のプローブ光制限手段
がコア層に形成される、とは、スラブ光導波路のコア層
を含む光導波路表面付近に形成されることをいう。
【００１０】本発明のセンサーにおいて、試料はスラブ
光導波路の光導波路コア層上に載置され、上方又は下方
から光（励起光）を照射される。試料は、溶液状のもの
を光導波路コア層表面に塗布又は滴下して乾燥する、フ
ィルム等の形状のものを光導波路コア層上に載せて、押
しつけて密着させる、などにより載置することができ
る。本発明においては基板の透明なスラブ光導波路を用
いるため、試料の下方から光を照射することが可能であ
る。光源の位置が変わる以外は上方からの照射と同じで
あるが、下方からの照射の場合、励起光の吸収によって
液体中に生じた密度の揺らぎに起因する励起光の位置の
変動による雑音が、上方からの照射に比べ低減できる場
合がある。また、光源が導波路の下側にあることによっ
てセンサー全体が小型化できたり、他の装置と組み合わ
せるのに都合のよい形状にできたりする場合がある。
光導波路の光導波路コア層上に載置され、上方又は下方
から光（励起光）を照射される。試料は、溶液状のもの
を光導波路コア層表面に塗布又は滴下して乾燥する、フ
ィルム等の形状のものを光導波路コア層上に載せて、押
しつけて密着させる、などにより載置することができ
る。本発明においては基板の透明なスラブ光導波路を用
いるため、試料の下方から光を照射することが可能であ
る。光源の位置が変わる以外は上方からの照射と同じで
あるが、下方からの照射の場合、励起光の吸収によって
液体中に生じた密度の揺らぎに起因する励起光の位置の
変動による雑音が、上方からの照射に比べ低減できる場
合がある。また、光源が導波路の下側にあることによっ
てセンサー全体が小型化できたり、他の装置と組み合わ
せるのに都合のよい形状にできたりする場合がある。
【００１１】次に、本発明を図示の実施態様に基づいて
さらに詳細に説明する。なお、本発明はこの実施態様に
限定されるものではない。図１は本発明のセンサーの一
実施態様を模式的に示す説明図であり、（ａ）は正面
図、（ｂ）は平面図である。図中、１はスラブ光導波路
であり、２は光導波路コア層、３は透明基板である。試
料４はスラブ光導波路１の光導波路コア層２上に置か
れ、光源５から、チョッパー６で断続光にされた光７が
照射されている。光源８はプローブ光９の光源であり、
プローブ光９はカップリングプリズム１０によって光導
波路コア層２に入射され、試料４付近を内部反射しなが
ら通過する。１１はプローブ光制限手段として光導波路
コア層２に刻まれた溝であり、これがナイフエッジに相
当する作用をして、図１（ｂ）に示されるようにプロー
ブ光９が制限される。１２はプローブ光９の出射用に光
導波路コア層２に刻まれた溝であり、ここで光導波路コ
ア層２出射するプローブ光９は光導波路コア層２上に接
して設けられた光検出手段１３で直接検出され、光信号
１４として同期増幅器１５に送られる。同期増幅器１５
では、チョッパー６からの参照信号１６を受け、光検出
手段１３からの光信号１４を増幅する。
さらに詳細に説明する。なお、本発明はこの実施態様に
限定されるものではない。図１は本発明のセンサーの一
実施態様を模式的に示す説明図であり、（ａ）は正面
図、（ｂ）は平面図である。図中、１はスラブ光導波路
であり、２は光導波路コア層、３は透明基板である。試
料４はスラブ光導波路１の光導波路コア層２上に置か
れ、光源５から、チョッパー６で断続光にされた光７が
照射されている。光源８はプローブ光９の光源であり、
プローブ光９はカップリングプリズム１０によって光導
波路コア層２に入射され、試料４付近を内部反射しなが
ら通過する。１１はプローブ光制限手段として光導波路
コア層２に刻まれた溝であり、これがナイフエッジに相
当する作用をして、図１（ｂ）に示されるようにプロー
ブ光９が制限される。１２はプローブ光９の出射用に光
導波路コア層２に刻まれた溝であり、ここで光導波路コ
ア層２出射するプローブ光９は光導波路コア層２上に接
して設けられた光検出手段１３で直接検出され、光信号
１４として同期増幅器１５に送られる。同期増幅器１５
では、チョッパー６からの参照信号１６を受け、光検出
手段１３からの光信号１４を増幅する。
【００１２】図１のセンサーのプローブ光制限手段につ
いての説明図を、図２（ａ）に断面の端面図、図２
（ｂ）に平面図として模式的に示した。図１と同符号は
同じものを示す。光導波路コア層２を断ち切るように、
かつ、光導波路コア層２を横切る形で刻まれた溝１１
は、ガラス切り、レーザー加工機、エッチングなど、通
常の手段で形成することができる。溝の深さは光導波路
コア層を断ち切るものであればよく、溝の形状や位置
は、光検出手段との関係で、光源や試料、目的とする測
定などに応じ、適宜定められる。図２に示したプローブ
光制限手段は、プローブ光をビームの片側のみで制限す
るものの一例で、プローブ光の偏向を検出するのに適し
ており、光熱変換ビーム偏向法の信号検出に好適に用い
ることができる。一方、図３に示すように、ビームの両
側でプローブ光を制限することも可能であり、これはプ
ローブ光の発散収束を検出する熱レンズ効果の信号検出
に適している。図３中、図２と同符号は同じものを示
し、１１ａ、１１ｂはそれぞれプローブ光制限用の溝を
示す。
いての説明図を、図２（ａ）に断面の端面図、図２
（ｂ）に平面図として模式的に示した。図１と同符号は
同じものを示す。光導波路コア層２を断ち切るように、
かつ、光導波路コア層２を横切る形で刻まれた溝１１
は、ガラス切り、レーザー加工機、エッチングなど、通
常の手段で形成することができる。溝の深さは光導波路
コア層を断ち切るものであればよく、溝の形状や位置
は、光検出手段との関係で、光源や試料、目的とする測
定などに応じ、適宜定められる。図２に示したプローブ
光制限手段は、プローブ光をビームの片側のみで制限す
るものの一例で、プローブ光の偏向を検出するのに適し
ており、光熱変換ビーム偏向法の信号検出に好適に用い
ることができる。一方、図３に示すように、ビームの両
側でプローブ光を制限することも可能であり、これはプ
ローブ光の発散収束を検出する熱レンズ効果の信号検出
に適している。図３中、図２と同符号は同じものを示
し、１１ａ、１１ｂはそれぞれプローブ光制限用の溝を
示す。
【００１３】また、光導波路コア層に溝を刻む代わり
に、図４及び図５に示すように、光吸収物を用いてプロ
ーブ光を制限することもできる。図４は片側、図５は両
側で光を制限する態様であり、それぞれ（ａ）は断面
図、（ｂ）は平面図で模式的に示した。図中、図２と同
符号は同じものを示し、２１、２１ａ、２１ｂは光導波
路コア層２表面に張りつけられた光吸収物である。本発
明における光吸収物は、プローブ光を吸収して光検出手
段への入射を制限できるものであれば特に制限はない
が、具体的には例えば黒色の塗料を塗布したり、黒色の
ゴム片を貼付したりして形成することができる。光導波
路コア層に張りつける光吸収物の形状は特に制限される
ものではない。光吸収物の位置などは、光導波路コア層
に形成する溝について述べたと同様、光検出手段との関
係等で適宜定められる。
に、図４及び図５に示すように、光吸収物を用いてプロ
ーブ光を制限することもできる。図４は片側、図５は両
側で光を制限する態様であり、それぞれ（ａ）は断面
図、（ｂ）は平面図で模式的に示した。図中、図２と同
符号は同じものを示し、２１、２１ａ、２１ｂは光導波
路コア層２表面に張りつけられた光吸収物である。本発
明における光吸収物は、プローブ光を吸収して光検出手
段への入射を制限できるものであれば特に制限はない
が、具体的には例えば黒色の塗料を塗布したり、黒色の
ゴム片を貼付したりして形成することができる。光導波
路コア層に張りつける光吸収物の形状は特に制限される
ものではない。光吸収物の位置などは、光導波路コア層
に形成する溝について述べたと同様、光検出手段との関
係等で適宜定められる。
【００１４】次に、図１のセンサーにおいて、プローブ
光９が光導波路コア層２から出射し、検出される部分の
説明図を図６（ａ）に断面の端面図、図６（ｂ）に平面
図として模式的に示す。図６において図１と同符号は同
じものを示す。プローブ光出射用の溝１２の形成は、上
記したプローブ光制限用の溝と同様に行うことができ、
光導波路コア層２を断ち切る深さで、光導波路コア層２
を横切るように形成される。溝１２の形状や位置は、光
制限手段や光検出手段１３との位置関係などにより適宜
定められる。光検出手段１３は、溝１２の上に、その検
出部位を光導波路コア層２に接して置かれ、溝１２で出
射したプローブ光９を、光導波路コア層２の極く近くで
検出する。
光９が光導波路コア層２から出射し、検出される部分の
説明図を図６（ａ）に断面の端面図、図６（ｂ）に平面
図として模式的に示す。図６において図１と同符号は同
じものを示す。プローブ光出射用の溝１２の形成は、上
記したプローブ光制限用の溝と同様に行うことができ、
光導波路コア層２を断ち切る深さで、光導波路コア層２
を横切るように形成される。溝１２の形状や位置は、光
制限手段や光検出手段１３との位置関係などにより適宜
定められる。光検出手段１３は、溝１２の上に、その検
出部位を光導波路コア層２に接して置かれ、溝１２で出
射したプローブ光９を、光導波路コア層２の極く近くで
検出する。
【００１５】プローブ光出射用の溝をプローブ光制限用
の溝と兼ねるものとすることもでき、この場合の溝１２
と検出器１３等との位置関係の例を図７（ａ）、（ｂ）
にそれぞれ平面図で模式的に示した。図７（ａ）は片側
の光を制限して出射させる溝、図７（ｂ）は両側の光を
制限して出射させる溝である。また、プローブ光出射部
分の別の態様として、図８（（ａ）は断面図、（ｂ）は
平面図）に模式的に示すように、密着したプリズム様の
透明片２２を有する光検出手段１３を光導波路コア層２
上に設置して、プローブ光９を出射、検出することもで
きる。プリズム様透明片を有する光検出手段を用いる場
合には、透明片と光導波路コア層の間にスリットやエッ
ジとして作用する物を挟むなどすれば、図７（ａ）、
（ｂ）に示したような、プローブ光の出射手段が制限手
段を兼ねるものとすることができる。
の溝と兼ねるものとすることもでき、この場合の溝１２
と検出器１３等との位置関係の例を図７（ａ）、（ｂ）
にそれぞれ平面図で模式的に示した。図７（ａ）は片側
の光を制限して出射させる溝、図７（ｂ）は両側の光を
制限して出射させる溝である。また、プローブ光出射部
分の別の態様として、図８（（ａ）は断面図、（ｂ）は
平面図）に模式的に示すように、密着したプリズム様の
透明片２２を有する光検出手段１３を光導波路コア層２
上に設置して、プローブ光９を出射、検出することもで
きる。プリズム様透明片を有する光検出手段を用いる場
合には、透明片と光導波路コア層の間にスリットやエッ
ジとして作用する物を挟むなどすれば、図７（ａ）、
（ｂ）に示したような、プローブ光の出射手段が制限手
段を兼ねるものとすることができる。
【００１６】次に、本発明のセンサーの他の一実施態様
として、プローブ光の偏向を位置検出器によって検出す
るものの説明図を、図９（ａ）に正面図、図９（ｂ）に
平面図として模式的に示した。図中、１０１はスラブ光
導波路であり、１０２は光導波路コア層、１０３は透明
基板である。試料１０４はスラブ光導波路１０１の光導
波路コア層１０２上に置かれ、光源１０５から、チョッ
パー１０６で断続光にされた光１０７が照射されてい
る。光源１０８はプローブ光１０９の光源であり、プロ
ーブ光１０９はカップリングプリズム１１０によって光
導波路コア層１０２に入射され、試料１０４付近を内部
反射しながら通過する。溝１１２で出射したプローブ光
１０９の偏向は、光導波路コア層１０２上に検知部位を
接して設けられた位置検出器１１７でビーム位置の変動
として直接検出され、光信号１１４として同期増幅器１
１５に送られる。同期増幅器１１５では、チョッパー１
０６からの参照信号１１６を受け、光信号１１４を増幅
する。
として、プローブ光の偏向を位置検出器によって検出す
るものの説明図を、図９（ａ）に正面図、図９（ｂ）に
平面図として模式的に示した。図中、１０１はスラブ光
導波路であり、１０２は光導波路コア層、１０３は透明
基板である。試料１０４はスラブ光導波路１０１の光導
波路コア層１０２上に置かれ、光源１０５から、チョッ
パー１０６で断続光にされた光１０７が照射されてい
る。光源１０８はプローブ光１０９の光源であり、プロ
ーブ光１０９はカップリングプリズム１１０によって光
導波路コア層１０２に入射され、試料１０４付近を内部
反射しながら通過する。溝１１２で出射したプローブ光
１０９の偏向は、光導波路コア層１０２上に検知部位を
接して設けられた位置検出器１１７でビーム位置の変動
として直接検出され、光信号１１４として同期増幅器１
１５に送られる。同期増幅器１１５では、チョッパー１
０６からの参照信号１１６を受け、光信号１１４を増幅
する。
【００１７】位置検出器を用いる本発明のセンサーにお
いては、位置検出器の検知部位に入射するプローブ光を
制限する手段を必要とせず、プローブ光のビーム位置を
直接検出するが、それ以外は光検知手段を用いたセンサ
ーについて説明したと同様である。
いては、位置検出器の検知部位に入射するプローブ光を
制限する手段を必要とせず、プローブ光のビーム位置を
直接検出するが、それ以外は光検知手段を用いたセンサ
ーについて説明したと同様である。
【００１８】
【実施例】次に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に
説明する。図１に示す本発明のセンサーを用い、プロー
ブ光が透過している光導波路コア層の表面に、試料とし
てローダミン６Ｇ（商品名）水溶液（１００マイクロモ
ル／リットル）１０マイクロリットルを滴下して乾燥さ
せ、ここにチョッピングした励起光（以下、ポンプ光と
いう）をプローブ光を横切る方向に走査しながら照射し
た。センサーのスラブ光導波路は、厚さ約１ｍｍの顕微
鏡用スライドガラスの基板の上に、厚さ約１μｍの光導
波路コア層をイオン交換法によって形成したものを用い
た。ポンプ光の光源としてはアルゴンレーザー（５ｍ
Ｗ）、プローブ光源としてはヘリウム−ネオンレーザー
を用いた。ポンプ光の照射位置に対し、検出された信号
強度と、参照信号として取り出している位相をグラフに
したところ、図１２の結果が得られた。図１２におい
て、信号強度は中心を挟んで対称的に２つの極大があ
り、それぞれの極大の点での位相はちょうど１８０度ず
れて位相が反転している。これは、光導波路上で光熱偏
向現象が生じていることを示しており（位相の反転がな
い場合、励起光がそのまま検出されている、など光熱偏
光現象以外の信号である可能性がある）、本発明のセン
サーで、スラブ光導波路表面に付着した極微量の色素の
検出が可能なことを示している。
説明する。図１に示す本発明のセンサーを用い、プロー
ブ光が透過している光導波路コア層の表面に、試料とし
てローダミン６Ｇ（商品名）水溶液（１００マイクロモ
ル／リットル）１０マイクロリットルを滴下して乾燥さ
せ、ここにチョッピングした励起光（以下、ポンプ光と
いう）をプローブ光を横切る方向に走査しながら照射し
た。センサーのスラブ光導波路は、厚さ約１ｍｍの顕微
鏡用スライドガラスの基板の上に、厚さ約１μｍの光導
波路コア層をイオン交換法によって形成したものを用い
た。ポンプ光の光源としてはアルゴンレーザー（５ｍ
Ｗ）、プローブ光源としてはヘリウム−ネオンレーザー
を用いた。ポンプ光の照射位置に対し、検出された信号
強度と、参照信号として取り出している位相をグラフに
したところ、図１２の結果が得られた。図１２におい
て、信号強度は中心を挟んで対称的に２つの極大があ
り、それぞれの極大の点での位相はちょうど１８０度ず
れて位相が反転している。これは、光導波路上で光熱偏
向現象が生じていることを示しており（位相の反転がな
い場合、励起光がそのまま検出されている、など光熱偏
光現象以外の信号である可能性がある）、本発明のセン
サーで、スラブ光導波路表面に付着した極微量の色素の
検出が可能なことを示している。
【００１９】
【発明の効果】本発明のセンサーは、光検出手段等がス
ラブ光導波路に接しているため、センサー全体を小型化
でき、光検出手段等の振動による影響も防止できる。ま
た、プローブ光を光導波路コア層に接して設けられた光
検出手段で検出して信号化するため、測定環境の空気の
振動など、雑音の影響をうけにくく、高感度で正確な測
定が行える。さらに、従来の装置ではナイフエッジの位
置などを精密に調整保持するために必要だった光学素子
が必要でなく、また、通常の光検出手段や位置検出器を
用いてセンサーが構成できるため、センサーのコストを
低減することができる。また、本発明の検出方法によれ
ば、プローブ光の発散収束又は偏向を光導波路コア層に
接して設けられた光検出手段により検出するため、測定
環境の空気の振動などに左右されずに高感度の検出、測
定を行うことができる。
ラブ光導波路に接しているため、センサー全体を小型化
でき、光検出手段等の振動による影響も防止できる。ま
た、プローブ光を光導波路コア層に接して設けられた光
検出手段で検出して信号化するため、測定環境の空気の
振動など、雑音の影響をうけにくく、高感度で正確な測
定が行える。さらに、従来の装置ではナイフエッジの位
置などを精密に調整保持するために必要だった光学素子
が必要でなく、また、通常の光検出手段や位置検出器を
用いてセンサーが構成できるため、センサーのコストを
低減することができる。また、本発明の検出方法によれ
ば、プローブ光の発散収束又は偏向を光導波路コア層に
接して設けられた光検出手段により検出するため、測定
環境の空気の振動などに左右されずに高感度の検出、測
定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサーの一実施態様を示す説明図で
あり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
あり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】図１に示したセンサーのプローブ光制限手段の
説明図であり、（ａ）は断面の端面図、（ｂ）は平面図
である。
説明図であり、（ａ）は断面の端面図、（ｂ）は平面図
である。
【図３】本発明におけるプローブ光制限手段の他の態様
を示す説明図であり、（ａ）は断面の端面図、（ｂ）は
平面図である。
を示す説明図であり、（ａ）は断面の端面図、（ｂ）は
平面図である。
【図４】本発明におけるプローブ光制限手段の他の態様
を示す説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図
である。
を示す説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図
である。
【図５】本発明におけるプローブ光制限手段の他の態様
を示す説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図
である。
を示す説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図
である。
【図６】図１に示したセンサーのプローブ光出射部分の
説明図であり、（ａ）は断面の端面図、（ｂ）は平面図
である。
説明図であり、（ａ）は断面の端面図、（ｂ）は平面図
である。
【図７】本発明におけるプローブ光出射部分の他の態様
を平面図で示す説明図であり、（ａ）は片側で光を制限
するもの、（ｂ）は両側で光を制限するものである。
を平面図で示す説明図であり、（ａ）は片側で光を制限
するもの、（ｂ）は両側で光を制限するものである。
【図８】本発明におけるプローブ光出射部の他の態様を
示す説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図で
ある。
示す説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図で
ある。
【図９】本発明のセンサーの他の一実施態様を示す説明
図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図１０】従来の、光熱変換法を利用した測定装置の説
明図である。
明図である。
【図１１】従来の、スラブ光導波路を有し光熱変換法を
利用したセンサーを模式的に示した正面図である。
利用したセンサーを模式的に示した正面図である。
【図１２】実施例の測定例において得られた信号強度及
び位相とポンプ光位置との関係を示すグラフである。
び位相とポンプ光位置との関係を示すグラフである。
１、１０１ スラブ光導波路 ２、１０２ 光導波路コア層 ３、１０３ 透明基板 ４、１０４ 試料 ５、１０５ 光源 ６、１０６ チョッパー ７、１０７ 光 ８、１０８ プローブ光源 ９、１０９ プローブ光 １０、１１０ カップリングプリズム １１ プローブ光制限用溝 １２、１１２ プローブ光出射用溝 １３ 光検出手段 １４、１１４ 光信号 １５、１１５ 同期増幅器 １６、１１６ 参照信号 １１３ 位置検出器
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−75639（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−110300（ＪＰ，Ａ) 加藤健次、”スラブ光導波路を利用し た界面・薄膜計測”、ぶんせき、第２ 号、1995年、ｐ．133−139 Ｋｅｎｊｉ Ｋａｔｏ，Ａｋｉｋｏ Ｔａｋａｔｓｕ，Ｎａｏｋｉ Ｍａｔｓ ｕｄａ，Ｙｏｓｈｉｎｏｒｉ Ｓｕｉｔ ａｎｉ，”Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏ ｎ ｔｈｅ Ｏｐｉｃａｌ Ｗａｖｅｇ ｕｉｄｅ”，Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌｅ ｔｔｅｒｓ，1997，ｐ．583−584 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 25/00 - 25/72 G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (5)
- 【請求項１】 透明基板の上に、基板より光屈折率の高
い透明な光導波路コア層を形成してなるスラブ光導波路
を有してなり、前記光導波路コア層上に載置した試料に
上方又は下方より光を照射して試料が前記光を吸収した
ときの光熱変換効果を、前記光導波路コア層に入射して
内部反射を行わせて試料付近を通過させたプローブ光の
発散収束又は偏向を光検出手段で検出することにより測
定する光熱変換法を利用したセンサーであって、前記光
検出手段に入射するプローブ光を制限する手段が前記光
導波路コア層に形成され、かつ、前記光検出手段が検出
部位を前記光導波路コア層に接して設けられプローブ光
の強度の変動を検出することを特徴とするセンサー。 - 【請求項２】 試料にチョッパーで断続光とした光を照
射し、光検出手段からの信号をチョッパーからの参照信
号で位相同期増幅することを特徴とする請求項１記載の
センサー。 - 【請求項３】 透明基板の上に、基板より光屈折率の高
い透明な光導波路コア層を形成してなるスラブ光導波路
を有してなり、前記光導波路コア層上に載置した試料に
上方又は下方より光を照射して試料が前記光を吸収した
ときの光熱変換効果を、前記光導波路コア層に入射して
内部反射を行わせて試料付近を通過させたプローブ光の
偏向を位置検出器で検出することにより測定する光熱変
換法を利用したセンサーであって、前記位置検出器が検
知部位を前記光導波路コア層に接して設けられプローブ
光の偏向を検出することを特徴とするセンサー。 - 【請求項４】 試料にチョッパーで断続光とした光を照
射し、位置検出素子からの信号をチョッパーからの参照
信号で位相同期増幅することを特徴とする請求項３記載
のセンサー。 - 【請求項５】 透明基板の上に、基板より光屈折率の高
い透明な光導波路コア層を形成してなるスラブ光導波路
の前記光導波路コア層上に載置した試料に、上方又は下
方より光を照射し、試料が前記光を吸収したときの光熱
変換効果を、前記光導波路コア層に入射して内部反射を
行わせて試料付近を通過させたプローブ光の発散収束又
は偏向を検出することにより測定する光熱変換法を利用
した検出方法であって、前記光導波路コア層に検出部位
又は検知部位を接して設けられた光検出手段によりプロ
ーブ光の発散収束又は偏向を検出することを特徴とする
検出方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24896998A JP3141105B2 (ja) | 1998-09-03 | 1998-09-03 | 光熱変換法を利用したスラブ光導波路を有するセンサー及び光熱変換法を利用した検出方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24896998A JP3141105B2 (ja) | 1998-09-03 | 1998-09-03 | 光熱変換法を利用したスラブ光導波路を有するセンサー及び光熱変換法を利用した検出方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000074861A JP2000074861A (ja) | 2000-03-14 |
| JP3141105B2 true JP3141105B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=17186091
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24896998A Expired - Lifetime JP3141105B2 (ja) | 1998-09-03 | 1998-09-03 | 光熱変換法を利用したスラブ光導波路を有するセンサー及び光熱変換法を利用した検出方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3141105B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007255993A (ja) * | 2006-03-22 | 2007-10-04 | Kobe Steel Ltd | 分離精製分析装置 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005127748A (ja) * | 2003-10-21 | 2005-05-19 | Kobe Steel Ltd | 光熱変換測定装置及びその方法 |
| DE102014108424B3 (de) * | 2014-06-16 | 2015-06-11 | Johann Wolfgang Goethe-Universität | Nicht-invasive Stoffanalyse |
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-
1998
- 1998-09-03 JP JP24896998A patent/JP3141105B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Ｋｅｎｊｉ Ｋａｔｏ，Ａｋｉｋｏ Ｔａｋａｔｓｕ，Ｎａｏｋｉ Ｍａｔｓｕｄａ，Ｙｏｓｈｉｎｏｒｉ Ｓｕｉｔａｎｉ，"Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｏｐｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ"，Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９７，ｐ．５８３−５８４ |
| 加藤健次、"スラブ光導波路を利用した界面・薄膜計測"、ぶんせき、第２号、１９９５年、ｐ．１３３−１３９ |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007255993A (ja) * | 2006-03-22 | 2007-10-04 | Kobe Steel Ltd | 分離精製分析装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000074861A (ja) | 2000-03-14 |
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