JPH02149488A - レーザ加熱ファイバ製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は試料をレーザ光により加熱溶融させた後凝固さ
せてファイバを製造するレーザ加熱ファイバ製造装置に
関し、特に酸化物単結晶等の単結晶又は酸化物超電導体
等の配向性が優れた多結晶ファイバの製造に好適のレー
ザ加熱ファイバ製造装置に関する。

［従来の技術］ 第２図は従来のレーザ加熱ファイバ製造装置の構成を示
す模式図である。なお、以下の説明は、−例として、酸
化物単結晶の製造についてのものである。

レーザ発生装置１がら出射されたレーザ光線１ａはレー
ザ分散装置２によりレーザ光線１ａに比して著しく面積
が大きいレーザ光束２ａに分散拡大される。そして、こ
のレーザ光束２ａはレーザドーナツ化分散ミラー３によ
り中央部が欠損したドーナツ状の光束３ａに成形される
。

第３図はレーザドーナツ化分散ミラー３の正面図である
。

この分散ミラー３は、分散部３ｂと反射部３ｃとから構
成され、両者は光束２ａの進行方向に対向するように配
置されている。分散部３ｂは輪状の支持枠３ｅの中央に
４本の支柱３ｄにより支持されて配設されており、レー
ザ分散装置２に向けて突出する円錐状をなしている。従
って、支持枠３ｅと分散部３ｂとの間は支柱３ｄの部分
を除いて光の通過が可能の空間３ｆとなっている。。

一方、反射部３Ｃはその焦点位置が分散部３ｂ側にある
凹面鏡であり、その中央部は円形にくり抜かれていて光
束２ａの通過を可能にしている。

光束２ａは反射部３ｃを通過して分散部３ｂに入射する
と、この円錐状の分散部３ｂで反射して凹面鏡の反射部
３Ｃに向かう。そして、反射部３Ｃで反射したレーザ光
は、光束２ａの進行方向と平行に同一方向に進行し、空
間３ｆを通過してドーナツ状の光束３ａとしてドーナツ
化分散ミラー３から出射する。この場合に、レーザ光束
３ａの一部は支柱３ｄにより遮られるが、この光量は全
体の光量の１０％未満である。

次に、レーザ光束３ａは光束３ａの中央部の欠損部に整
合する孔を有するレーザ反射ミラー４により垂直上方に
向けて反射される。反射ミラー４の上方には、凹面鏡で
あるレーザ集光ミラー１５が、その光軸を鉛直にし、そ
の焦点を下方にして配設されており、反射ミラー４から
垂直上方に向けて反射した光束４ａは集光ミラー１５に
より反射してその焦点位置の円周状の極微小領域に集め
られる。

一方、試料１１はその長手方向を鉛直にしてその下端が
試料ホルダ６に固定されており、この試料ホルダ６の上
昇により試料１１は集光ミラー１５の光軸上を上昇移動
するようになっている。

一方、引上げ用種結晶１２はレーザ集光ミラー１５の上
方７に配置されたガイドロール７により案内され、ピン
チロール８に挾持されてその回転により上昇下降駆動さ
れるようになっている。そして、この引上げ用種結晶１
２はレーザ集光ミラー１５の中央に開孔された孔を挿通
してその下端が集光ミラー１５の焦点位置の近傍に迄進
入することができる。

上述の如く構成された装置においては、レーザ発生装置
１からのレーザ光線１は最終的にレーザ集光ミラー１５
により反射してその焦点位置に集光され、光軸上に配置
された試料１１を加熱する。

第４図（ａ）、（ｂ）はレーザ光線の集光部を示す平面
図である。試料１１の先端は、第４図（ａ）中矢印で示
すように、レーザ光線により加熱されて溶融し、試料先
端部にブール１３が形成される。その後、引上げ用種結
晶１２が白抜矢印で示すように下降してブール１３に浸
漬される。次いで、第４図（ｂ）に白抜矢印で示すよう
に、ピンチロール８を介して引上げ用種結晶１２を所定
の速度で上方に移動させると、種結晶１２にブール１３
の融液の一部が引上げられて凝固し、単結晶ファイバ１
４が形成される。一方、試料ホルダ６も種結晶１２の引
上げに連動して上昇することにより、試料１１は上方に
送り出され、これによりブール１３の液面は常に一定の
位置に保持される。このようにして、単結晶ファイバ１
４は連続して引き上げられる。

なお、上述の如く、試料ホルダ６を上昇させることによ
り、ファイバ１４の引上げにより消耗したプール１３に
相当する分の試料１１を補充する方法の外に、試料ボル
ダ６を固定し、試料１１のみを連続的に繰出してプール
１３の消耗分を補充する方法もある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のレーザ加熱ファイバ製造装置にお
いては、継続して単結晶ファイバ１４を製造すると、プ
ール（加熱溶融部）１３の赤熱部から放射される熱によ
り、レーザ集光ミラー１５の鏡面が加熱されて酸化し、
変色する。このため、集光ミラー１５の反射集光効率が
低下して試料に対する加熱条件が変動し、形成されたフ
ァイバ１４の品質が低下するという問題点がある。特に
、試料１１として融点が高温である酸化物単結晶又は酸
化物超電導体用の材料を使用した場合は、プール１３の
温度も高温であるため、この欠点が顕著に現れてしまう
。

この問題点を回避するために、第２図中破線で示すよう
に、分散ミラー３、反射ミラー４及びレーザ集光ミラー
１５を収納するチャンバ９内を真空又は不活性ガス雰囲
気にすることも考えられる。

これは、レーザ発生装置ｌ及びレーザ分散装置２を除く
部分を真空又は不活性ガスを充填したチャンバ９の内部
に設置し、チャンバ９に設けたレーザ取込窓１０を介し
てレーザ光束２ａをチャンバ９内に導入するものである
。しかし、試料１１が酸化物単結晶の場合は、空気中で
試料を溶融させてファイバを形成する方が一層安定した
品質のものが得られるため、通常このようなチャンバ９
は使用されない。従って、集光ミラー１５の酸化変色に
起因する問題点は依然として解決されていない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
空気中で長時間使用してもレーザ集光ミラーが変色する
ことがなく、常に安定した加熱条件を得ることができる
レーザ加熱ファイバ製造装置を提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るレーザ加熱ファイバ製造装置は、試料を連
続的に送給しつつこれをレーザ光により加熱溶融させた
後凝固させてファイバを製造するレーザ加熱ファイバ製
造装置において、レーザ光を発生するレーザ発生手段と
、このレーザ発生手段からのレーザ光を前記試料に向け
て集光するレーザ集光ミラーと、このレーザ集光ミラー
を冷却してその表面の温度を室温乃至５０℃の範囲に保
持する冷却手段とを有することを特徴とする。

［作用］ 本発明においては、冷却手段によりレーザ集光ミラーを
冷却してその表面温度を室温乃至５０°Ｃの範囲に保持
する。これにより、レーザ集光ミラーの表面が高温にな
ることに起因して発生する酸化変色を抑制することがで
きるため、集光ミラーの反射集光効率は劣化せず、集光
ミラーは初期の高い反射集光効率を長時間に亘って維持
する。

レーザ集光ミラーの表面温度は室温乃至５０°Ｃである
。表面温度が室温未満では空気中の水分が露結して集光
ミラーの表面に付着し、集光ミラーの反射集光効率が低
下する。一方、表面温度が５０°Ｃを超えると　１００
時間程度の使用時間で集光ミラーの表面が酸化して変色
し、やはり反射集光効率が低下する。このように、反射
集光効率が変１ヒすると試料に対する加熱条件が一定で
なくなり、形成されたファイバの品質が低下する。この
ため、レーザ集光ミラーの表面温度は室温乃至５０℃に
する。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について添付の図面を参照して説
明する。

第１図は本発明の実施例に係るレーザ加熱ファイバ製造
装置を示す模式図である。本実施例装置は、レーザ集光
ミラー５の構造が異なることと、チャンバが不要である
ことを除き、第２図と略々同様の構造を有するため、同
一物には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施例のレーザ集光ミラー５はその光軸を鉛直にし、
その焦点を鉛直下方にして設置された凹面鏡であり、中
央部に引上げ用種結晶１２が挿通する挿通孔１７が開孔
されている。そして、この鏡面の背面には冷却水が通流
するジャケット１６が設けられている。冷却水は集光ミ
ラー５の外周部側の部分のジャケット１６に等間隔に配
置された複数個の入口からジャケット１６内に流入し、
挿通孔１７側の内周縁部に等間隔に配置された複数個の
出口から流出する。そして、冷却水はジャケット１６内
をその入口から出口に向けて通流する間に、集光ミラー
５を冷却する。また、この冷却水の供給流量は排出水温
を測定し、この排出水温が一定となるように適宜の制御
装置によりフィードバック制御されている。これにより
、冷却水温が所定の範囲に制御され、レーザ集光ミラー
５の表面温度は常に室温乃至５０℃に維持される。

上述の如く構成された本実施例装置においては、中央部
が欠損したドーナツ状のレーザ光束４ａはレーザ集光ミ
ラー５により試料１１の上端部に集光されてこれを溶融
させ、プールを形成する。そして、このプールに種結晶
１２を浸漬させた後、種結晶１２を引き上げることによ
り単結晶ファイバ１４を形成する。この場合に、プール
からの熱により集光ミラー５が加熱されるが、水冷ジャ
ケット１６内を通流する冷却水により集光ミラー５が冷
却されているので、その表面の温度は常に室温乃至５０
°Ｃの範囲内に保持されている。このため、集光ミラー
５の熱による酸化変色を回避することができる。なお、
集光ミラー５の外周側は試料の赤熱部に正対するため内
周側よりも高温となるが、冷却水はこの集光ミラー５の
外周側からジャケット１６内に流入して、比較的低温で
ある内周側（挿通孔１７近辺）から流出する構造である
ため、集光ミラー５を高効率で冷却することができる。

次に、上述した構造を有する本実施例のレーザ加熱ファ
イバ製造装置を使用して実際にファイバを形成した実施
例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比
較して説明する。

割１鯉 試料１１として直径が１ｍｎのサファイアの単結晶を使
用し、引上げ用種結晶１２として同じく直径がｌｌｌ１
ｍのサファイアを使用して夫々試料ホルダ６及びピンチ
ロール８に取付けた。そして、温度が２０℃の室内にお
いて、ＣＯ２レーザ発生装置１から出射したレーザ光線
１ａを分散、ドーナツ化した後、レーザ集光ミラー５に
より試料１１と種結晶１２との境界部に集光して試料１
１を溶融させた。

次に、種結晶１２をこのプールに浸漬した後、ピンチロ
ール８により０．２＋ａｍ／分の引上げ速度で上昇させ
た。一方、試料ホルダ６を０．０５＋＋＋ｎ／分の速度
で上方に移動させることにより試料１１をレーザ光線の
集光部に供給した。この場合に、レーザ集光ミラー５は
銅製であり、粒度が０．１μｍのダイアモンド砥粒によ
り鏡面に研磨したものである。そして、水温が２５℃の
冷却水を１０乃至１５１／分の流量でジャケット１６内
に通流させることにより、集光ミラー５の表面温度を３
０℃に調整した。

これにより直径が０．５關のサファイアの単結晶ファイ
バを連続して形成することができた。

この実施例においては、処理時間が５００時間を超えて
も集光ミラー５は酸化変色しなかった。

肛暫乳 上述した実施例と同様にして、サファイアの単結晶ファ
イバを製造した。しかし、この比較例においては、集光
ミラー５の表面温度を５５℃に維持するため、水温が２
５°Ｃの冷却水を２乃至２．５１／分の流量でジャケッ
ト１６内に通流させた。

この比較例においては、８０時間使用した時点で集光ミ
ラー５に酸化変色が発生しており、以後は連続した単結
晶ファイバの形成ができなかった。

上述した実施例及び比較例から明らかなように、本実施
例に係るレーザ加熱ファイバ製造装置は集光ミラー５の
変色を回避できるため、集光ミラー５の表面温度を５５
℃にした比較例に比して極めて長時間に亘って単結晶フ
ァイバを製造することができる。

なお、本実施例においてはレーザ加熱ファイバ製造装置
をサファイアの単結晶ファイバの製造に使用したが、本
発明はこの外に、例えば、近年研究が盛んになされてい
る種々の酸化物超電導体のファイバ化にも有用である。

これらの酸化物超電導体をこの装置によりファイバ化し
た場合は、配向性に優れたファイバ形状の酸化物超電導
体を得ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、レーザ集光ミラー
を冷却してこのレーザ集光ミラーの表面温度を室温乃至
５０°Ｃに保持するから、集光ミラーの鏡面に空気中の
水分が露結して付着する現象を回避できると共に、集光
ミラーが高温になって鏡面が酸化変色する現象も回避で
きる。このため、真空又は不活性ガスチャンバを使用し
なくても、集光ミラーの反射集光効率は変動することな
く常に一定であり、加熱条件も変動しない。これにより
、品質が優れた単結晶ファイバ及び多結晶ファイバを長
時間に亘って製造することができるという効果を奏する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例装置を示す模式図、第２図は従
来のレーザ加熱ファイバ製造装置を示す模式図、第３図
はレーザドーナツ化分散ミラーの詳細を示す正面図、第
４図（ａ）、（ｂ）はレーザ光線の集光部を示す平面図
である。 １；レーザ発生装置、１ａ；レーザ光線、２；レーザ分
散装置、２ａ、３ａ、４ａ；レーザ光束、３；レーザド
ーナツ化分散ミラー　３ｂ；分散部、３ｃ；反射部、３
ｄ：支柱、３ｅ；支持枠、３ｆ；空間、４；レーザ反射
ミラー、５，１５：レーザ集光ミラー、６；試料ホルダ
、７；ガイドロール、８：ピンチロール、９；チャンバ
、１０；レーザ取込窓、１１；試料、１２；引上げ用種
結晶、１３；プール、１４；ファイバ、１６；ジャゲッ
ト、１７：挿通孔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料を連続的に送給しつつこれをレーザ光により
   加熱溶融させた後凝固させてファイバを製造するレーザ
   加熱ファイバ製造装置において、レーザ光を発生するレ
   ーザ発生手段と、このレーザ発生手段からのレーザ光を
   前記試料に向けて集光するレーザ集光ミラーと、このレ
   ーザ集光ミラーを冷却してその表面の温度を室温乃至５
   ０℃の範囲に保持する冷却手段とを有することを特徴と
   するレーザ加熱ファイバ製造装置。