JPH02162302A - 中空光導波路体とその製造方法 - 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１ 本発明は、光エネルギーを伝送する中空光導波路体とそ
の製造方法に関わるものである。

［従来の技術］ 従来、炭酸カスレーザ光は、多くのミラーやレンズを用
いた、いわゆる空間伝搬で被照射ｅｌまで導かれていた
。このなめ、レーザ加工における切断等では、任意の形
状を得るために、ミラレンズからなる複雑な光軸を精密
に制御し、更には被加工物をも駆動制御する必要があっ
た。この空間伝搬方式の欠点を改善するための光導波路
による炭酸ガスレーザ光伝送が研究された。

炭酸カスレーザ光は、その波長が１０．６１ｍであり、
石英系ファイバで伝送することができないため、光導波
路としては、カルコゲナイド等を用いる赤外ファイバ型
と、空気を媒体とする中空先導波路型が主に研究されて
いる。

このうち、カルコゲナイド等を中実材料に用いた赤外フ
ァイバでは、レーザ光を入射さぜな際に、ファイバ端面
での反射が大きく、入出射部ての集中的な発熱を生じる
。

これに対し、空気をコアとする中空光導波路の場合は、
入出射部での反射が殆ど無く、大パワー伝送に適してい
る。特に、誘電体内装金属中空光導波路は、金属パイプ
の内側に誘電体をコートすることにより内壁での反射率
を高めたもので、低損失導波路として最も有望であり、
現在までにゲルマニウムを内装したニッケル中空光導波
路か試作されている。しかしながら、低損失導波路であ
っても、入射パワーか大きくなるにつれて、損失による
熱量の増大は避けられない。

そこで、より大きなパワー伝送を可能にするめに、中空
光導波路の構造的特徴を生かした、導波路内空冷方式の
伝送装置か発明された。これは、炭酸ガスレーザ光を伝
送する中空領域に、冷却のなめガス、例えば窒素カス等
を流すもので、内径１．５硼のゲルマニウム内装ニッケ
ル中空光導波路の場合には、約２０　Ｊｌ　／　ｍｉｎ
の窒素カス冷却によって、伝送容量か約５倍になった。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、中空光導波路内の空冷を行って伝送でき
る最大パワーは、内径１．５關のゲルマニウム内装ニッ
ケル中空光導波路の場合、直線状態て３００ｗ程度であ
り、通常のレーザ加工で使用している、５００ｗ〜数ｋ
ｗのレーザ光伝送には利用することができなかっな。又
、中空光導波路を空間伝搬方式に代わる可撓性導波路と
して曲げて使用すると、彎曲部における伝送損失の増加
にともなって、発熱量か増大し、伝送容量は更に減少し
てしまうため、中空光導波路は大パワーを必要とするレ
ーザ加工分野では非実用的であった。

本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解決し、
光エネルギー伝送時の中空光導波路に発生ずる熱を極め
て効率良く除去して、最大伝送パワーを飛躍的に増加さ
せる中空光導波路体とその製造方法を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明の中空光導波路体は、光エネルギーを伝送する中
空光導波路の外周に、少なくとも２本以上の中空管を軸
方向に中空光導波路と一体化した構造のものである。

好ましい形態としては、この中空光導波路の外周上に一
体化した中空管内に冷却用媒体を流すなめ、中空光導波
路の光エネルギー出射＠側における中空管の開口部を相
互に連結し、該冷却媒体の出入り口を該中空光導波路の
光エネルギー入射端側に形成した′！ｆＪ造とする。

更に、本発明の中空光導波路体の製造方法は、光エネル
ギーを伝送する中空光導波路を形成した後に、該中空光
導波路の外周上に、導電性の中空管を少なくとも１本以
上軸方向に亘って密着させ、電気メッキによって、機械
的強度を得るに十分な厚さの金属膜を形成し、しかる後
に選択性のあるエツチング液で、前記導電性中空管のみ
除去し、該中空光導波路の外周上に一体化された中空管
を持った中空光導波路体を形成する。

この場合、中空光導波路には誘電体内装金属中空光導波
路を用い、導電性中空管にはアルミニウムパイプを、エ
ツチング液には苛性ソータを用いることかでき、その誘
電体内装金属中空光導波路には、その内装誘電体かゲル
マニウム、金属層かニッケル又は銀であるものを用いる
ことかできる。

［作用］ 光エネルギーを伝送する中空光導波路は、その内部に窒
素カス等を流して内側から冷却することが出来るだけで
なく、その外周上の中空管に冷却水等を流して、中空光
導波路を外側から冷却することができる。このため、伝
送損失により中空光導波路に発生した熱を効率よく除去
し、中空光導波路の異常発熱、劣化や破壊を防ぎ、最大
伝送パワーを増大させることができ、５００Ｗ以上のパ
ワーの伝送も可能となる。

また光エネルギーの出射側で中空管の開口部を互いに接
続した構造とすることにより、給排水口を光エネルギー
の入射側のみに設けることができるため、出射端が全く
自由かつ軽量になり、容易に駆動制御できる。

光エネルギーを伝送する中空光導波路としては、誘電体
内装金属中空先導波路が最も有望であり、内装誘電体と
しては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳ
ｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）。

フッ化カルシウム（ＣａＦ２）等が適し、金属層として
は、銀、ニッケル、銅、金等が適している。

上記の如き中空光導波路体は、中空光導波路の回りに導
電性中空管を密着させ、その回りに電気メッキによって
金属膜を形成し後に導電性中空管のみエツチング除去す
ることで、容易に製造することができる。めっきによっ
て一体止するため、機械強度、熱伝導が共に優れ、更に
は、一体止する水冷管の径を任意に設定できるなめ、製
造する導波路全体の可視性あるいは直線性を制御できる
。

又、異種材料を使用しないので、熱膨張計数の差によっ
て生ずる光導波路体の変形や、応力によって生ずる損失
増加も避けることができる。

［実施例］ 以下、図を用いて本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第１図は、本発明による中空光導波路体の電気めっきに
よる製造方法を示したものである。

先ず、内径１．５ｒｎｍ、長さ１．２ｍのゲルマニウム
１を内装したニッケル中空光導波路２の外周上に、軸方
向に亘って、それぞれ外径が１．５市、長さが１．１ｍ
及び１．０５ｍのアルミニウムパイプ３，４を、アルミ
ホイル５で密着させて配設し、これらアルミニウムパイ
プ３．４両端の開口部及び中空光導波路２の下方開口部
をシールテープ６で密閉する。

この集合体を、温度４５℃のワット浴７に浸して、ニッ
ケル電極８との間に電流密度４Ａ／ｄｌｌ１２の通電を
４時間行い、機械的強度を得るに十分な厚さのニッケル
めっき層を形成する。めっき終了後、シールテープ６を
剥がして苛性ソーダに浸漬すれば、アルミニウムパイプ
３．４の部分のみがエツチングされて除去され、中心の
ゲルマニウムを内装したニッケル中空先導波路２の外周
上に水冷管として使用可能なニッケル中空管を一体化し
た中空光導波路体が形成される。

このようにして製造された中空光導波路体は、中空光導
波路と水冷管が全く同じ材質で、完全に一体化している
ため、機械的強度に優れ、熱の伝導性も良い。又、一体
止する中空管の径、従ってアルミニウムパイプ３．４を
任意に選ぶことにより、中空光導波路体の可撓性、ある
いは直線性を制御できる。

実施例２ 第２図は、内径１．５ｍ＋ｎのゲルマニウムを内装した
ニッケル中空光導波路９の外周囲に、内径１．５１ＴＩ
ＩＩ＋のニッケル中空管１０を６本一体止して構成した
、本発明による中空光導波路体１１の図である。

中心の中空光導波路９は、ゲルマニウム層１２の厚さか
約０．５四で、波長１０．６四の炭酸ガスレーダ光に対
して最も低損失となるよう作られている。

外周囲の中空管１０は肉厚が約２００口有り、中空管１
０の長さについては、レーザ光の出射端側では、光導波
路９の出射端１３より６１０師１程度短く形成される。

またレーザ光の入射端側では、６本の中空管１０のうち
１つ置きの計３本１０ａが、中空光導波路９の入射端１
４よりも１０關稈度短く形成され、他の３本１０ｂは入
射端１４よりも３０ｍｍ程度短く形成されている。

第３図に、本中空光導波路体１１の中空管１０を水冷管
として使用して冷却水１５を流し、中空光導波路９の内
部に冷却ガス１６を流すときの、レーザビーム出射部の
構造を示す。

同図左側の出射端側は、３本の中空管１０ａを流れてき
た冷却水を折り返して残りの３本１０ｂに流入させるた
めに、折り返し空間１８ａを有するキャップ１８を被せ
、その中央孔１８ｂを中空光導波＃１９の出射端１３に
嵌装し、エポキシ系樹脂から成るシール材１７でシール
キャップしである。

また入射端側には、冷却水１５の出入りを分離するなめ
に、給水、排水の３本の中空管ごとに、出射端側と同様
なシール材１７を施して、ノズル２７．２８の付いた給
水キャップ１９．排水キャップ２０を、軸方向に相前後
して設けである。中空先導波路９の入射端１４の部分は
、これら給水キャップ１９、排水キャップ２０を貫いて
いる。

この給水キャップ１９の外側には、中空先導波路９の内
側を空冷するための空冷ホールダ２４に接続できるよう
にネジ溝２２が形成されている。

上記レーザビーム出射部をレーサ加工機の光エネルギー
伝送システムに適用した例を、第４図に示す。

第４図において、レーザ発振器２３がら出射された炭酸
カスレーザ光は、結合レンスを備えた空冷ホールタ２４
を通して、上記中空光導波路体１１と同様に構成した中
空光導波路体２５の中空光導波路９に結合している。空
冷ホールタ２４の空冷用ノズル２６から２（ｌｊ　／　
ｍｉｎの窒素カスを中空光導波路９内に流して内部から
冷却し、同時に給水キャップ１つの水冷用ノズル２７か
ら　１．Ｉｌｌ／ｍＩＩ＋の冷却水１５を中空管１０に
流して、外部から中空光導波路９を冷却している。この
伝送システムでは５００ｗのパワー伝送か容易にてきる
。

実施例３ 上記実施例２においては、内径１．５＋ｎｍの中空光導
波路９の外周囲に、内径１．５胴の中空管１０を６本一
体止した構成としたが、本発明による中空光導波路体は
これに限定されるものではない。

例えば、上記実施例２において、第５図に示すように、
一体止する中空管２つの内径を　１．０＋ｎｍと小さく
ずれは、十分な水冷効果を保ちながら、光導波路体の可
撓性を上げることがてきる。そこで、従来、空間伝搬で
複雑な光軸制御を行っていなし］２ 一ザ切断の分野に、本光導波路体を利用すれば、水冷、
空冷の冷媒供給源がレーザ光との結合部のみに集中して
いるため、大パワーレービームの出射部をＸ−Ｙプロッ
タ等で駆動制御するたＧフで、容易に任意の形状に切断
できる。

実施例４ また、上記実施例２において、第６図に示すように、内
径を０．８ｍｍと小さくしたゲルマニウム内装ニッケル
中空光導波路３０の回りに、内径が３ｍｍと大きい水冷
用中空管３１を一体化して光導波路体を形成すれば、外
側の水冷用中空管３０が冷却効果と共に、直線性も保持
しているため、パワー密度が高く、小さいビーム径のレ
ーザ光を、曲がりによる伝送損失の増加等なしに出射で
きる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれは、光エネルギーを伝
送する中空先導波路の外側からの水冷却か可能となり、
５００ｗ以上のパワーが伝送できる。しかも、給排水口
を光エネルギーの入射側のみに設けることかできるため
、出射端が全く自由つ軽量になり、容易に駆動制御でき
る。又、めっきによって一体止するため、機械強度、熱
伝導が共に優れ、更には、一体止する水冷管の径を任意
に設定できるため、製造する導波路全体の可撓性あるい
は直線性を制御できる。ス、異種材料を使用しないので
、熱膨張計数の差によって生ずる光導波路体の変形や、
応力によって生ずる損失増加も避けることかできる。即
ち、本発明により、大パワーのレーザ光を伝送する水冷
機構を備えた中空光導波路の製造か可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による中空光導波路体の製造方法の説明
に供する図、第２図は本発明による中空光導波路体の構
造概略図、第３図は中空光導波路体に入出射ホールタを
収り付すな断面図、第４図は本発明による中空光導波路
体を適用したレーサ加工機の光エネルギー伝送システム
の概略図、第５図は本発明による可撓性を高めな中空光
導波路体の断面図、第６図は本発明による直線性を高め
た中空光導波路体の断面図である。 図中、１はゲルマニウム、２はゲルマニウム内層ニッケ
ル中空光導波路、３．４はアルミニウムパイプ、５はア
ルミボイル、６はシールテープ、７はワット浴、８はニ
ッケル電極、９はゲルマニウム内層ニッケル中空光導波
路、１０はニラゲル中空管、１１は中空光導波路体、１
５は冷却水、１６は冷却ガス、１８はキャップ、１９は
給水キャップ、２０は排水キャップ、２４は空冷ホール
ダを示ず。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光エネルギーを伝送する中空光導波路の外周に、少
   なくとも２本以上の中空管を軸方向に中空光導波路と一
   体化したことを特徴とする中空光導波路体。 ２、前記中空光導波路の外周上に一体化した中空管内に
   冷却用媒体を流すため、中空光導波路の光エネルギー出
   射端側における中空管の開口部を相互に連結し、該冷却
   媒体の出入り口を該中空光導波路の光エネルギー入射端
   側に形成したことを特徴とする請求項１記載の中空光導
   波路体。 ３、光エネルギーを伝送する中空光導波路を形成した後
   に、該中空光導波路の外周上に、導電性の中空管を少な
   くとも１本以上軸方向に亘って密着させ、電気メッキに
   よって、機械的強度を得るに十分な厚さの金属膜を形成
   し、しかる後に選択性のあるエッチング液で、前記導電
   性中空管のみ除去し、該中空光導波路の外周上に一体化
   された中空管を持った中空光導波路体を形成することを
   特徴とする中空光導波路体の製造方法。 ４、前記中空光導波路に誘電体内装金属中空光導波路を
   用い、前記導電性中空管にアルミニウムパイプ、前記エ
   ッチング液に苛性ソーダを用いたことを特徴とする請求
   項３記載の中空光導波路体の製造方法。 ５、前記誘電体内装金属中空光導波路の内装誘電体にゲ
   ルマニウム、金属にニッケル又は銀を用いたことを特徴
   とする請求項４記載の中空光導波路体の製造方法。