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屈折率センサおよび屈折率測定装置 コモンズ

国内特許コード P110004983
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2007-074947
公開番号 特開2008-232925
登録番号 特許第4867011号
出願日 平成19年3月22日(2007.3.22)
公開日 平成20年10月2日(2008.10.2)
登録日 平成23年11月25日(2011.11.25)
発明者
  • 馬場 俊彦
  • 野崎 謙吾
  • 北 翔太
出願人
  • 国立大学法人横浜国立大学
発明の名称 屈折率センサおよび屈折率測定装置 コモンズ
発明の概要

【課題】フォトニック結晶を用いた屈折率センサおよびこの屈折率センサを備えた屈折率測定装置において、屈折率センサの素子および屈折率測定装置を小型化し、部品点数についても低減して、低コストとする。
【解決手段】屈折率センサは、励起光によってそれぞれ異なる発振波長でレーザ発振する複数の共振器をフォトニック結晶上にフォトニック結晶ナノレーザアレイを形成し、各共振器は屈折率の変化に応じて発振波長をシフトし、フォトニック結晶ナノレーザアレイは少なくとも各共振器に被測定媒質を導入自在とする。屈折率測定装置は、屈折率センサと、共振器の近視野像を含むフォトニック結晶ナノレーザアレイの画像を撮像する撮像手段と、撮像装置が撮像するフォトニック結晶ナノレーザアレイの画像変化を求め、この画像変化から前記被測定媒質の屈折率を測定する測定部とを備える。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


フォトニック結晶は光の波長程度の長さの周期性を有する結晶構造であり、誘電率の異なる物質を光の波長程度の間隔で周期的に並べることで構成することができる。このフォトニック結晶を用いて物質の屈折率を測定する装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。



この特許文献1には、先行技術としてオプティクスレター(optics letter)29巻1093頁に記載の方法が記載されている。このようなフォトニック結晶には、光がフォトニック結晶中を伝播できないフォトニックバンドギャップと呼ばれる波長領域が存在する。このバンドギャップに相当する波長の光がフォトニック結晶に入射すると、結晶内部で光は伝播できないので境界面で全反射される。



フォトニック結晶の周期構造の欠陥により、フォトニックバンドギャップ中に局在欠陥モードが現れ、このモードの光波は結晶の格子定数程度の拡がりで欠陥領域に局在する。また、バンドギャップ中では局在モード以外の光波のモードは存在しないため、不要な自然放出光が抑えられ、欠陥とその周囲のフォトニック結晶は微小共振器を形成し、特定の波長の光が定常状態(共振モードと呼ぶ)を形成し、光は強く閉じ込められる。この共振ピークの波長は、欠陥や周囲のフォトニック結晶を構成する物質の屈折率等に依存して変化する。



この先行技術では、フォトニック結晶を構成する薄板に開けられた孔に注入する液体の屈折率の変化とスペクトルのピーク変化と関係から、ピーク波長を測定することで屈折率が検出できるとしている。



特許文献1では、上述したフォトニック結晶の微小共振器を用いた屈折率測定法は、共振モードの波長から屈折率を決定するため、広帯域な光源及び回折格子等の分光装置が必要となり、必然的に装置全体の規模が大きくなる。そのため、部品点数が多いのでコストも高くなるという問題を指摘している。



そして、この問題点を解決する構成として、単一波長の光源と、位置に依存して共鳴波長の異なる微小共振器と、位置が検出できる光検出器から構成されるマイクロ計測器を提案している。このマイクロ計測器は、被測定物質の屈折率に応じて変化する光の透過位置を検出し、位置情報から屈折率を測定するものである。



また、フォトニック結晶レーザの発振波長が、周囲の環境下にある液体によって変化することについては、例えば、非特許文献1,2に示されている。非特許文献2には微小流路を形成する点が示されている。




【特許文献1】特開2007-24561公報

【非特許文献1】M.Loncar et al. APPLIED PHYSICS LETTRES vol.82, no.26, pp.4648-4650, 2003 Photonic crystal laser sources for chemical detection

【非特許文献2】M.Adams et al. J.Vac.Sci.Technol.B23 (6), Nov/Dec2005 pp3168-3173 American Vacuum Society Lithographically fabricated optical cavities for refractive index sensing

産業上の利用分野


本発明は、屈折率センサおよびこの屈折率センサを用いた屈折率測定装置に関し、特にフォトニック結晶を用いて屈折率を測定するセンサおよび測定装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
励起光によってそれぞれ異なる発振波長でレーザ発振する複数の共振器をフォトニック結晶上にフォトニック結晶ナノレーザアレイとして形成し、
前記各共振器は屈折率の変化に応じて発振波長をシフトし、
前記フォトニック結晶ナノレーザアレイは少なくとも各共振器に被測定媒質を導入自在とする屈折率センサと、
前記共振器の近視野像を含む前記フォトニック結晶ナノレーザアレイの画像を撮像する撮像手段と、
前記撮像装置が撮像するフォトニック結晶ナノレーザアレイの画像変化を求め、この画像変化から前記被測定媒質の屈折率を測定する測定部とを備えることを特徴とする、屈折率測定装置。

【請求項2】
前記測定部は、
屈折率と共振器の発振波長シフト状態との対応関係を予め用意し、
前記撮像装置が撮像するフォトニック結晶ナノレーザアレイの画像中に含まれる近視野像に基づいて共振器の発振波長シフト状態を求め、
前記対応関係に基づいて、前記近視野像から求めた共振器の発振波長シフト状態に対応する屈折率を求めることを特徴とする、請求項に記載の屈折率測定装置。

【請求項3】
前記共振器の発振波長シフト状態は、所定波長以上のレーザ光を発する共振器の個数変化又は当該共振器のフォトニック結晶ナノレーザアレイ上の分布変化であり、
前記測定部は、前記近視野像から所定波長以上のレーザ光を発する共振器を抽出し、この抽出した共振器の個数又は共振器のフォトニック結晶ナノレーザアレイ上の分布から被測定媒質の屈折率を求めることを特徴とする、請求項に記載の屈折率測定装置。

【請求項4】
前記測定部は、前記所定波長以上のレーザ光を通過させるバンドパスフィルタを備え、
前記撮像装置は、前記バンドパスフィルタを通過したレーザ光によってフォトニック結晶ナノレーザアレイの画像を撮像することにより前記所定波長以上のレーザ光を発する共振器の抽出を行うことを特徴とする、請求項に記載の屈折率測定装置。

【請求項5】
前記測定部は、
屈折率と共振器の発振波長シフト状態との対応関係を記憶する記憶部と、
前記撮像装置が撮像するフォトニック結晶ナノレーザアレイの画像中に含まれる近視野像から共振器の発振波長シフト状態を求める画像処理部と、
前記画像処理部で求めた共振器の発振波長シフト状態を、前記記憶部に記憶する共振器の発振波長シフト状態と比較し、一致する共振器の発振波長シフト状態に対応する屈折率を読み出すことにより屈折率を求める比較判定部とを備えることを特徴とする、請求項2から4の何れか一つに記載の屈折率測定装置。

【請求項6】
前記測定部は、
屈折率とフォトニック結晶ナノレーザアレイの発光パターンとの対応関係を予め用意し、
前記撮像装置が撮像するフォトニック結晶ナノレーザアレイの画像からフォトニック結晶ナノレーザアレイの発光パターンを求め、
前記対応関係に基づいて、前記求めたフォトニック結晶ナノレーザアレイの発光パターンに対応する屈折率を求めることを特徴とする、請求項に記載の屈折率測定装置。

【請求項7】
前記発光パターンは、フォトニック結晶ナノレーザアレイ上の共振器の発光分布であり、
前記測定部は、前記フォトニック結晶ナノレーザアレイの画像から発光する共振器の位置および発光強度を抽出し、この抽出した発光共振器の位置および発光強度を、予め屈折率と対応して用意した発光共振器の位置および発光強度と比較することによって、被測定媒質の屈折率を求めることを特徴とする、請求項に記載の屈折率測定装置。

【請求項8】
前記発光パターンは、フォトニック結晶ナノレーザアレイ上の共振器の発光分布であり、
前記測定部は、前記フォトニック結晶ナノレーザアレイの画像から発光強度の分布形状を抽出し、この抽出した発光強度の分布形状を、予め屈折率と対応して用意した発光強度の分布形状と比較することによって、被測定媒質の屈折率を求めることを特徴とする、請求項に記載の屈折率測定装置。

【請求項9】
前記測定部は、
屈折率とフォトニック結晶ナノレーザアレイの発光パターンとの対応関係を記憶する記憶部と、
前記撮像装置が撮像するフォトニック結晶ナノレーザアレイの画像からフォトニック結晶ナノレーザアレイの発光パターンを求める画像処理部と、
前記画像処理部で求めた発光パターンを、前記記憶部に記憶する発光パターンと比較し、一致する発光パターンに対応する屈折率を読み出すことにより屈折率を求める比較判定部とを備えることを特徴とする、請求項6から8の何れか一つに記載の屈折率測定装置。
産業区分
  • 試験、検査
  • 光学装置
  • 固体素子
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2007074947thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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