機能性流体でコアを充填した光ファイバによる電磁界分布センシング技術の開発

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26630180
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 水野 洋輔 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (30630818)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 光ファイバセンサ / 機能性流体 / 電気粘性流体 / 中空コア光ファイバ / 電磁界分布計測 / 音速 / ブリルアン散乱 / 刺激応答性ハイドロゲル

研究実績の概要

本研究の最終目的は、「中空コア光ファイバのコアを機能性流体で満たし、ブリルアン散乱信号の解析に基づいて電磁界の分布センシングを実現すること」である。昨年度までに、(i) 毛細管現象を用いて電気粘性流体を中空コア光ファイバに充填する手法の開発、(ii) ブリルアン散乱特性に直結する電気粘性流体の基礎的な音響特性の解明、(iii) 電気粘性流体中の音速の電界強度依存性の測定系の設計、を行った。これらの成果を踏まえ、最終年度は、(1) 電気粘性流体中の音響特性の電界依存性の調査、(2) 電気粘性流体中のブリルアン散乱の検出、(3) 刺激応答性ハイドロゲル中のゾル-ゲル転移中の音速変化の解明、(4) 極めて高い空間分解能を有する分布型センシングシステムの開発、を推進した（(3)(4)には成功）。以下、(1)～(4)を詳述する。
(1) 昨年度までに設計した測定系を用いて、パルス-エコー法により電気粘性流体中の音速の電界依存性を測定した。異方性を考慮し、電界印加方向と平行および垂直な方向での音速を測定した。しかし、装置の最大出力までの電界強度範囲では、明確な音速の電界依存性は観測されなかった。(2) 従来の検出系にロックイン検波などの感度向上の工夫を施してブリルアン散乱信号の直接検出を試みたが、信号対雑音比が低く、明確な信号は検出できなかった。(3) 農工大と共同で、イモゴライト（円筒状粘土鉱物）による刺激応答性ハイドロゲル中の音速、およびそのゾル-ゲル転移中の変化を測定し、そのゾル-ゲル転移のメカニズム解明に寄与した。(4) ごく短距離に渡る電磁界変化の検出のため、世界最高の空間分解能を有する分布型ブリルアンセンサを考案、実装し、ポテンシャルを証明した。本研究の成果により、今後電気粘性流体中のブリルアン散乱の観測を分布型センシングまで一気に展開できる土台を整えたといえる。

研究成果

• [国際共同研究] Chung-Ang University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Chung-Ang University
• [雑誌論文] Cross effect of strain and temperature on Brillouin frequency shift in polymer optical fibers (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Minakawa, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: J. Lightwave Technol. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry using polymer optical fibers with high propagation loss (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: J. Lightwave Technol. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1109/JLT.2017.2663440
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Single-end-access strain and temperature sensing based on multimodal interference in polymer optical fibers (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kawa, G. Numata, H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: IEICE Electron. Express 巻: 14 ページ: 20161239
  • DOI: 10.1587/elex.14.20161239
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Experimental study on depolarized GAWBS spectrum for optomechanical sensing of liquids outside standard fibers (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Hayashi, Y. Mizuno, K. Nakamura, S. Y. Set, and S. Yamashita
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 25 ページ: 2239-2244
  • DOI: 10.1364/OE.25.002239
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Refractive index sensing using ultrasonically crushed polymer optical fibers (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Shimada, H. Lee, M. Shizuka, H. Tanaka, N. Hayashi, Y. Matsumoto, Y. Tanaka, H. Nakamura, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 10 ページ: 012201
  • DOI: 10.7567/APEX.10.012201
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ultrahigh-speed distributed Brillouin reflectometry (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, N. Hayashi, H. Fukuda, K. Y. Song, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Light: Sci. Appl. 巻: 5 ページ: e16184
  • DOI: 10.1038/lsa.2016.184
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Operation of slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry: Comparison of system output with actual frequency shift distribution (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 24 ページ: 29190-29197
  • DOI: 10.1364/OE.24.029190
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Simplified optical correlation-domain reflectometry employing proximal reflection point (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Shizuka, H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 128003
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.128003
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ultrasonic welding of polymer optical fibres onto composite materials (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Shimada, H. Tanaka, K. Hasebe, N. Hayashi, Y. Ochi, T. Matsui, I. Nishizaki, Y. Matsumoto, Y. Tanaka, H. Nakamura, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Electron. Lett. 巻: 52 ページ: 1472-1474
  • DOI: 10.1049/el.2016.0905
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dependence of Brillouin frequency shift on water absorption ratio in polymer optical fibers (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Minakawa, K. Koike, N. Hayashi, Y. Koike, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 119 ページ: 223102
  • DOI: 10.1063/1.4953388
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry: proof of concept (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: IEEE Photon. J. 巻: 8 ページ: 6802807
  • DOI: 10.1109/JPHOT.2016.2562512
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Simplified optical correlation-domain reflectometry without reference path (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Shizuka, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Appl. Opt. 巻: 55 ページ: 3925-3928
  • DOI: 10.1364/AO.55.003925
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of backward guided-acoustic-wave Brillouin scattering in optical fibers using pump-probe technique (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Hayashi, H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: IEEE Photon. J. 巻: 8 ページ: 7100707
  • DOI: 10.1109/JPHOT.2016.2550321
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Measurement of the optical path length difference in an interferometer using a sinusoidally frequency-modulated light source (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Shimada, M. Shizuka, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Appl. Opt. 巻: 55 ページ: 2904-2908
  • DOI: 10.1364/AO.55.002904
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Plastic optical fiber fuse: observation, characterization, and applications (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, H. Lee, N. Hayashi, and K. Nakamura
  • 学会等名: 26th International Conference on Plastic Optical Fibers (POF 2017)
  • 発表場所: Aveiro, Portugal
  • 年月日: 2017-09-13 – 2017-09-15
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Operation of power-based BOCDR: measurement sensitivity influenced by spatial resolution (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 12th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim, 22nd OptoElectronics and Communications Conference, and 5th Photonics Global Conference 2017 (CLEO-PR/OECC/PGC 2017)
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 2017-07-31 – 2017-08-04
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Temperature sensing based on multimodal interference in plastic optical fibers: sensitivity enhancement by annealing (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kawa, G. Numata, H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 12th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim, 22nd OptoElectronics and Communications Conference, and 5th Photonics Global Conference 2017 (CLEO-PR/OECC/PGC 2017)
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 2017-07-31 – 2017-08-04
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Bond strength of CFRP molded on steel surface by VaRTM technology and its fiber optic sensing (2017)
  • 著者名/発表者名: G. Mieda, H. Nakamura, T. Matsui, Y. Ochi, Y. Mizuno, K. Nakamura, and Y. Matsumoto
  • 学会等名: 6th Asia-Pacific Conference on FRP in Structures (APFIS 2017)
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 2017-07-19 – 2017-07-21
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Plastic optical fiber fuse and its impact on sensing applications (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, H. Lee, N. Hayashi, K. Nakamura, and S. Todoroki
  • 学会等名: 25th International Conference on Optical Fibre Sensors (OFS-25)
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2017-04-24 – 2017-04-28
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry using high-loss plastic optical fibers (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 25th International Conference on Optical Fibre Sensors (OFS-25)
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2017-04-24 – 2017-04-28
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Locally pressed plastic optical fibers for refractive index sensing (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Shimada, H. Lee, M. Shizuka, H. Tanaka, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 25th International Conference on Optical Fibre Sensors (OFS-25)
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2017-04-24 – 2017-04-28
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Characterization of depolarized GAWBS for optomechanical sensing of liquids outside standard fibers (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Hayashi, Y. Mizuno, K. Nakamura, S. Y. Set, and S. Yamashita
  • 学会等名: 25th International Conference on Optical Fibre Sensors (OFS-25)
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2017-04-24 – 2017-04-28
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Clarification of strain-temperature cross-sensitivity effect on Brillouin frequency shift in plastic optical fibers (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Minakawa, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 25th International Conference on Optical Fibre Sensors (OFS-25)
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2017-04-24 – 2017-04-28
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Distributed strain and temperature sensing using plastic optical fibers for smart materials and structures (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, H. Lee, N. Hayashi, and K. Nakamura
  • 学会等名: 3rd Annual World Congress of Smart Materials (WCSM 2017)
  • 発表場所: Bangkok, Thailand
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-18
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Power-based Brillouin optical correlation-domain reflectometry for high-speed distributed sensing (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 3rd Annual World Congress of Smart Materials (WCSM 2017)
  • 発表場所: Bangkok, Thailand
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-18
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Simplified configuration for distributed reflectivity measurement along optical fibers (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Shizuka, H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 3rd Annual World Congress of Smart Materials (WCSM 2017)
  • 発表場所: Bangkok, Thailand
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-18
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Crushed plastic optical fibers: application to refractive index sensing (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Shimada, H. Lee, M. Shizuka, H. Tanaka, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 3rd Annual World Congress of Smart Materials (WCSM 2017)
  • 発表場所: Bangkok, Thailand
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-18
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Brillouin scattering in plastic optical fibers and its applications to high-speed distributed sensing (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, H. Lee, N. Hayashi, and K. Nakamura
  • 学会等名: 6th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2016)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-10-11 – 2016-10-14
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Beyond-nominal-resolution distributed strain sensing by slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 6th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2016)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-10-11 – 2016-10-14
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Single-end-access strain and temperature sensing based on multimodal interference in plastic optical fibers (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kawa, G. Numata, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 6th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2016)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-10-11 – 2016-10-14
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Strain dependence of Brillouin scattering properties in plastic optical fibers influenced by high temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Minakawa, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 25th International Conference on Plastic Optical Fibers (POF 2016)
  • 発表場所: Birmingham, United Kingdom
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-15
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] POF-based slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 25th International Conference on Plastic Optical Fibers (POF 2016)
  • 発表場所: Birmingham, United Kingdom
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-15
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Refractive index sensing using ultrasonically crushed plastic optical fibers (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Shimada, H. Lee, M. Shizuka, H. Tanaka, N. Hayashi, Y. Matsumoto, Y. Tanaka, H. Nakamura, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 25th International Conference on Plastic Optical Fibers (POF 2016)
  • 発表場所: Birmingham, United Kingdom
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-15
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Simplified optical correlation-domain reflectometry with proximal reflection point using CYTOP (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Shizuka, H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 25th International Conference on Plastic Optical Fibers (POF 2016)
  • 発表場所: Birmingham, United Kingdom
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-15
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Characterization of Brillouin scattering in plastic optical fibers for sensing applications (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 37th Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2016)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-08-08 – 2016-08-11
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Fiber-optic guided-acoustic-wave Brillouin scattering observed with pump-probe technique (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Hayashi, H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 21st OptoElectronics and Communication Conference and International Conference on Photonics in Switching 2016 (OECC/PS 2016)
  • 発表場所: Toki Messe, Niigata
  • 年月日: 2016-07-03 – 2016-07-07
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Proof of concept for Brillouin optical correlation-domain reflectometry assisted by spectral slope (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 21st OptoElectronics and Communication Conference and International Conference on Photonics in Switching 2016 (OECC/PS 2016)
  • 発表場所: Toki Messe, Niigata
  • 年月日: 2016-07-03 – 2016-07-07
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Simplified optical correlation-domain reflectometry without reference path (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Shizuka, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 21st OptoElectronics and Communication Conference and International Conference on Photonics in Switching 2016 (OECC/PS 2016)
  • 発表場所: Toki Messe, Niigata
  • 年月日: 2016-07-03 – 2016-07-07
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Ultrasonic welding of plastic optical fibers onto composite materials (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Shimada, H. Tanaka, K. Hasebe, N. Hayashi, Y. Ochi, T. Matsui, I. Nishizaki, Y. Matsumoto, Y. Tanaka, H. Nakamura, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 21st OptoElectronics and Communication Conference and International Conference on Photonics in Switching 2016 (OECC/PS 2016)
  • 発表場所: Toki Messe, Niigata
  • 年月日: 2016-07-03 – 2016-07-07
  • 国際共著/国際学会である
• [備考] 東工大プレスリリース：光ファイバーセンサーの超高速化に成功
  • URL: http://www.titech.ac.jp/news/2016/036927.html
• [備考] Yosuke Mizuno's Website
  • URL: http://www.nakamura.pi.titech.ac.jp/ymizuno/