Refractive index sensor for liquids and solids using dielectric multilayer films deposited on optical fiber end surface

摘要

Fiber-optic refractive index (RI) sensors have been extensively studied for chemical, engineering, and biomedical applications. Most of the conventional RI sensors, however, suffer from the following problems: (1) the sensing area is relatively large, i.e., the spatial resolution is not high, (2) the sensor head is not physically strong, (3) the system is complicated and expensive, and (4) only RI of liquids can be measured, In this report, in order to resolve the problems above, we propose and demonstrate a novel fiber-optic RI sensor using dielectric multilayer thin films deposited on the optical fiber end surface. We experimentally show that the center frequency of the reflected light spectrum depends on the RI of the liquids and solids attached to the fiber end with a coefficient of+0.61 nm/RIU (refractive index unit). This result is in good agreement with our simulation results based on the characteristic-matrix method. We also discuss how we can improve the sensitivity and compensate the temperature effect for the practical applications.%光ファイバを用いた屈折率センサは、工学・医療・化学等の分野で幅広く研究がなされている。しかし、従来の光ファイバ型屈折率センサには、次のような問題点があった：（1）グレーティングを用いる場合など、高い空間分解能が得られない、（2）ティパー加工を用いる場合など、センシングヘッドが物理的な損傷を受けやすい、（3）測定システムが複雑かつ高価である、（4）液体の屈折率の測定にしか適用できない。そこで本発表では、上記の問題点を解決するため、光ファイバの先端に誘電体多層膜を蒸着して構成した光学的バンドパスフィルタ：BOF（Band-pass filter On Fiber-end）を用いた新たな光ファイバ型屈折率センサを提案し、その基本動作を実証する。このセンサは、反射光スペクトルの中心波長が測定対象の屈折率に依存して線形に変化することを測定原理とし、実験の結果、その依存係数は＋0.61nm/RIU（refractive index unit）であることを明らかにした。この値は、特性マトリクス法を用いたシミュレーション結果と良い一致を示した。さらに、この屈折率センサの実用化に向けて、測定精度の改善および温度補償の手法について議論を加える。