Development of fiber optic hydrogen sensor by use of scattering array fabricated by femtosecond laser internal processing

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本研究は、ガラス製光ファイバに対する水素検出能力付与を目的とし、光ファイバ内部へのフェムト秒レーザープロセシングによる微小空隙（ボイド）の形成とPdナノ粒子の固定化によるセンシング化を計画した。昨年度の実施によって、フェムト秒レーザーを用いてガラス製シングルモードファイバのコア層に光ファイバコア伝搬光を散乱させるためのボイド形成に成功し、波長1550 nmの光源（スーパールミネッセントダイオード）を用いた光ファイバ周囲の屈折率変化を取得することに成功した。光ファイバ周囲の屈折率の計測範囲は1.333-1.371であり、感度は62 nm/RIUを示した。本年度は、2点のボイドを光ファイバ内部に形成したことによる光伝搬についての解析を行い、上記実験結果との比較検証を実施した。光源側に形成されたボイドから散乱されたコア伝搬光からクラッドを伝搬するクラッディングモードが誘起され、受光器側に形成されたボイドにクラッディングモード光が衝突することによって再びコア層を伝搬する。以上のような現象について、クラッディングモードに関する光線近似解析を実施した。結果としては、2点のボイド間隔を長くすると、伝搬光スペクトルに現れる特徴的な光強度ピーク・ディップは短波長側にシフトし、クラッディングモードが励起されている光ファイバ外周の屈折率が増加すると長波長側にシフトすることが明らかとなった。この数値解析結果は、実験系で得た結果と同様な傾向を示し、2点ボイド形成光ファイバでは光ファイバ外周の屈折率変化を追跡できることを示した。以上のことから、試作した光ファイバセンサでセンサ部外周の屈折率変化計測についての原理検証を実施し、Pdナノ粒子の水素吸蔵による誘電率変化を光ファイバ伝搬光へ反映できることが期待でき、水素検出能力付与の可能性が示唆された。