JPH03184003A - 誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザ加工装置 - 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］ 本発明は赤外領域の光エネルギーを伝送する誘電体内装
金属中空光導波路に係り、特に波長の異なるＹＡＧレー
ザ、ＣＯレーザ、ＣＯ，レーザに共通して適用できる導
波路に関する。

［従来の技術］ 工業加工や医療等、応用範囲の広い赤外領域におけるレ
ーザの開発か活発に行われている。

ＣＯ，レーザは波長１０．６μｍで発振し、高エネルギ
ー密度の光ビームを効率よく発生できるので工業加工分
野で広く普及し、マーキング、穿孔、溶接から切断まで
、幅広く利用されている。

また、ＣＯレーザは波長５．５μｍで発振し、ＣＯ，レ
ーザよりも切断加工における反射損が少なく、金属のよ
うな高反射率をもつ材料の切断用として検討されている
。さらに、エルビウムをドープしたＹＡＧレーザ（以下
、Ｅｒ：ＹＡＧレーザという）は波長２．９μｍで発振
し、水による吸収がＣＯ，レーザよりも１桁程度大きく
、このためＣＯ，レーザに代わる医療用レーザとして期
待されている。　ところで、これらのレーザは全て波長
２μｍ以上の赤外領域で発振するため、この領域で損失
が極めて高くなる従来の石英系光ファイバは伝送手段と
して全く使用することができない。

このため、従来、赤外レーザを伝送する手段としては複
数のミラーを組合せてレーザ光を空間伝搬させる、いわ
ゆる多関節型ビームガイドが主に用いられている。また
最近では石英に代わる全く新しい材料を使用した赤外フ
ァイバや、さらには空気をコアとする中空光導波路の研
究開発も盛んに行われている。しかし、これらの手段は
次に述べるような欠点があった。

■多関節型ビームガイドでレーザ光を伝送する場合、光
軸の調整が複雑でかつ精密な制御を要求されるため伝送
系全体が極めて高価なものになる。

また空間的にビームを閉じこめる機能がないので、伝送
距離に従いビーム径は拡がり、光源と照射点との距離を
十分に離すことができない。

■赤外ファイバは赤外領域において透明な材料を用いて
、屈折率の高いコア領域にビームを閉じ込めてレーザ光
を伝送するもので、基本原理は従来の石英系光ファイバ
と固しである。一般に分子量の大きな材料はど、より長
波長側で低損失となる。これまでに波長３μｍ以下では
フ・ノ化物系ガラスファイバが、波長５μｍ以下ではカ
ルコゲナイドガラスファイバが試作され、それぞれＥｒ
：ＹＡＧレーザ及びＣ○レーザの伝送実験が行われてい
る。これらのガラスファイバは、それぞれのレーザに対
する損失は小さいが、本質的に機械的に脆く、また軟化
点が低いため高エネルギーのレーザ光を伝送するには適
さない。さらに長波長で発振するＣＯ，レーザに対して
は、フッ化物系ガラス、カルコゲナイドガラスともに損
失が大きくなり、ＫＲＳ−５やハロゲン化物を材料とす
る結晶性の光ファイバが試作されている。これらの結晶
性の赤外ファイバはガラスファイバのような線引きがで
きず、一般には大きな荷重を加える押出し法によってフ
ァイバ化される。このため大きな内部応力が存在し、経
時劣化が激しく、また機械的に脆い。

■ＣＯ，レーザ光を伝送することを目的として、検討さ
れている中空導波路には、屈折率がｌよりも小さい材料
を用いた中空光導波路や、吸収損失の小さな誘電体薄膜
を内装した金属中空光導波路がある。前者は特定の波長
帯域において屈折率がｌよりも小さくなるような材料を
クラツド材として用い、相対的に屈折率が高い中空領域
をコアとして光エネルギーを閉じ込めて伝送するもので
ある。この屈折率が１よりも小さくなる透過波長帯域は
添加物により、ある程度シフトすることができ、波長１
０．６μｍ近傍で検討されているが、透過帯域の幅は狭
く、各種レーザに対応することはできない。一方、後者
の吸収損失の小さな誘電体薄膜を内装した金属中空光導
波路は、上記中空光導波路と同様にパイプを外装するこ
とで機械的強度を高めることができるものの、内装する
誘電体薄膜の膜厚によって損失が変化し、これまでにＣ
Ｏｔレーザの伝送を目的とした検討がされているが、Ｅ
ｒ；ＹＡＧレーザの伝送用としてはそのまま用いること
ができない。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した伝送手段のうち、高価な多関節型ビームガイド
や、機械的に脆い赤外ファイバは改良の余地がないので
将来あまり期待できないが、中空光導波路、とりわけ誘
電体を内装した金属中空光導波路は開発途上であり、将
来を期待されている。

しかし、現段階の金属中空光導波路は、機械的強度に優
れているものが開発されてはいるものの、赤外領域にお
いて特に重要なＥｒ；ＹＡＧレーザ、ＣＯレーザ、ＣＯ
，レーザの各々のレーザに対して、全てに低損失で大電
力伝送が可能となるレベルまでには至っていない。

本発明の目的は、波長の異なるＥｒ；ＹＡＧレーザ、Ｃ
Ｏレーザ、ＣＯ，レーザの３つのレーザに共通して適用
できる最適な誘電体薄膜の膜厚を見い出すことによって
、前記した金属中空光導波路における従来技術の欠点を
解決し、Ｅｒ；ＹＡＧレーザ、ＣＯレーザ、ＣＯ，レー
ザのレーザ光に対し、共通の導波路で全て低損失で伝送
できる誘電体内装金属中空光導波路を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、誘電体内装金属中空光導波路における誘電体
薄膜の材料にゲルマニウムを用い、このゲルマニウムの
膜厚を０．４２〜０．５０μｍに設定したものである。

また、ゲルマニウムに代えてセレン化亜鉛を用い、この
セレン化亜鉛の厚さを０．６８〜０．　９２μｍに設定
したものである。

このように誘電体材料および膜厚を所定値に設定するこ
とによって、Ｅｒ；ＹＡＧレーザ、Ｃ○レーザ、ＣＯ，
レーザの全ての波長に対して伝送損失を大幅に低減した
ものである。

［作用］ 誘電体内装金属中空光導波路は、内装する誘電体材料の
厚さを適当に設定することにより、特定の波長のレーザ
光に対して最も低損失な伝送路となる。例えば、ゲルマ
ニウムを内装誘電体材料に用いたニッケル中空光導波路
では、ゲルマニウムの厚さを約０．４５μｍにした場合
に、波長１０６μｍのＣＯ，レーザ光に対する伝送損失
を最も小さくすることができる。

このとき導波路は、第６図に示したような伝送損失の波
長依存性をもち、波長１０，６μｍのＣＯ，レーザ光以
外の波長においても低伝送損失となる領域が２ケ所（図
中Ａ、Ｂ）存在している。

そこで、誘電体の厚さを適当な範囲に設定することによ
り、波長１Ｏ１６μｍのＣＯ，レーザ光に限らず、波長
２．９μｍのＥｒ；ＹＡＧレーザ光及び波長５，２〜５
．７μｍのＣｏレーザ光の３つのレーザ光をすべて低損
失で、同時に伝送できる誘電体内装金属中空光導波路を
得ることができる。

３つのレーザ光を低損失で伝送するためには、第７図に
示したように、損失が極小となる周期がゲルマニウムの
厚さｄに比例して右にシフトすることから、そのシフト
量により伝送損失が極小レベルを保つｄ＝０．４２〜０
．５μｍに設定すればよい。この範囲内であれば、３つ
のレーザ光に対し、全て低損失となることがわかる。

同様の理由により、セレン化亜鉛を用いた場合には第８
図に示したようにｄ＝０．６８〜０．９２μｍに設定す
れば３種類のレーザ光を全て低損失で伝送できる誘電体
内装金属中空光導波路を得る。

なお、この損失波長特性における損失が極小をとる周期
は、ゲルマニウムあるいはセレン化亜鉛が内装される金
属膜の材料によってほとんど影響を受けないので、これ
らの金属材料はニッケルの場合だけでなく、金、銀、銅
などの場合でも有効である。

［実施例］ 以下、本発明の実施例と応用例を説明する。

（実施例１） 第１図に本発明の実施例によるＧｅ内装Ａｇ中空光導波
路ｌの構造を示す。厚さ２００μｍのＮｉパイプ２の内
面には膜厚０．１μｍのＡｇ３および膜厚０．５μｍの
Ｇｅ４が内装されている。

この導波路１に、第２図に示したような光学結合系を用
いて、Ｅｒ；ＹＡＧレーザ５、ＣＯレーザ６、ＣＯ！レ
ーザ７の３つの光をそれぞれ入射し、導波路長１ｍあた
りの透過率を測定した。

透過率はレンズ１０で集光したレーザ光（Ｅｒ、ＹＡＧ
レーザ５、ＣＯレーザ６またはＣＯ，し３に結合させ、
パワーメータ１４で透過光を測定し、また光路切り替え
ミラー１２で導波路入射）（ワーをモニター１１で監視
し、それらの値を比較して測定している。その結果それ
ぞれの波長に対スル透過率は、Ｅ　ｒ　；　ＹＡＧレー
ザ５で８０％、ＣＯレーザ６で８１％、ＣＯ，レーザ７
で８６％となった。

（実施例２） 上記実施例１においてＺｎ５ｅ８を誘電体に用い、膜厚
を０．７μｍに設定して第３図に示したようなＺｎ５ｅ
内装Ａｇ中空光導波路９を作製した。この導波路９に第
２図に示す光学結合系を用い、Ｅｒ；ＹＡＧレーザ５、
Ｃ○レーザ６、ＣＯ，レーザ７の３つの光を各々入射し
て、透過率を測定したところ、Ｅｒ；ＹＡＧレーザ５で
８２％、ＣＯレーザ６で８５％、ＣＯ，レーザ７で９０
％となった。

（応用例１） 本実施例２によるＺｎ５ｅ内装Ａｇ中空光導波αｂ　＾
　＋＋　伽τ　ｔ　　ｒＭ　　＋＋　　：Ｑ　　Ｉ　　
　Ｊ−シ　ふ　す２　口１　告Ｓ　１；　釦冬七ヒ　メ
ジ　セ立　１）１た光学系を用いて、ＣＯレーザ６とｃ
ｏ、レーザ７を結合し、鉄板１０の切断を行った。Ｃ○
レーザ６とＣＯ，レーザ７は入射端側１１に配置された
凹面金ミラー１２及び、１３．１４によって集光され、
導波路９に結合している。また、出射端側１５にはＺｎ
５ｅレンズ１６を置き、鉄板１０までの距離がほぼＺｎ
５ｅレンズ１６の焦点距離と等しくなるように設定され
ている。この加工装置において、ＣＯレーザ６をパルス
発振させ、連続発振のＣＯ，レーザ７を導波路９を通し
て鉄板１０に同時に照射したところ、ＣＯ！レーザ７の
みを照射した場合よりも照射部周辺の熱溶解が少なく、
良好な切断面が容易に得られた。

（応用例２） 本実施例１によるＧｅ内装Ａｇ中空光導波路１に、第５
図に示したような円筒鏡面法を採用した光学系によって
Ｅｒ；ＹＡＧレーザ５とＣＯ，レーザ７を結合させる。

各々のビームは凹面金ミラー１２及び、Ｉ３．１４によ
って導波路１の光軸に合わせ、結合されている。導波路
１の出射端部１７は片手で保持することができ、Ｅｒ；
ＹＡＧレーザ５とＣＯ，レーザ７の外部シャ、７ター２
０．２１を開閉するスイッチ２２が付いているため、こ
のスイッチ２２の操作によりどちらか一方のレーザ光を
随時選択するか、または遮断することができる。

本装置を用いて脳腫瘍の除去手術を行った。まず皮膚の
切開には手元スイッチ２２を操作してＣＯ，レーザ発振
器のシャッター２１を閉じ、Ｅ　ｒ　；　ＹＡＧレーザ
５のみを使用する。Ｅｒ：ＹＡＧレーザ５はＣＯ，レー
ザ７よりも水に吸収されやすく、深さ方向の制御性に優
れているため、はとんど出血することなく切開できる。

腫瘍の除去には手元スイッチ２２を操作してＥｒ；ＹＡ
Ｇレーザ５のシャッター２０を閉じ、ｃｏ！レーザ７の
みを使用する。ＣＯ，レーザ７はＥｒ；ＹＡＧレーザ５
よりもはるかに大きな出力が得られるため、腫瘍の除去
はごく短時間で済ませることができる。このように、本
実施例による導波路を用いることにより、手術目的に合
わせてレーザメスとなるビームの波長を手元で選択でき
るため効果的な治療を短時間で施すことかでき、患者へ
の体力的な負担を大幅に軽減することができた。

［発明の効果〕 本発明によれば、ゲルマニウムの膜厚またはセレン化亜
鉛の膜厚を最適な厚さに設定したので、赤外に於ける主
要なレーザであるＥｒ；ＹＡＧレーザ、ＣＯレーザ、Ｃ
Ｏｔレーザのすべてを一つの導波路で低損失伝送するこ
とができる。これにより、各々の波長ごとに導波路を用
意する必要がないため、一つの導波路で任意の波長を選
びながら加工などを行うことが可能となり、あるいは、
複数の波長の光を、同一の導波路で同時に照射して、単
独のレーザ光では得られなかった、より高度な加工効果
をもたらすことも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるＧｅ内装Ａｇ中空光導波路の実施
例を示す断面図、第２図は中空光導波路の透過率測定系
の構成図、第３図は本発明によるＺｎ５ｅ内装Ａｇ中空
光導彼路の実施例を示す断面図、第４図は本発明の誘電
体内装金属中空光導波路を応用したよるレーザ加工装置
例の概略図、第５図は同じく本発明の誘電体内装金属中
空光導波路を応用したレーザメス例の概略図、第６図は
Ｇｅ内装Ｎｉ中空光導波路の赤外分光特性図、第７図は
Ｇｅ内装Ｎ１中空光導波路の赤外分光特性のＧｅ膜厚依
存性を示す図、第８図はＺｎ５ｅ内装Ａｇ中空光導波路
の赤外分光特性のＺｎ５ｅ膜厚依存性を示す図である。 ｌはＧｅ内装Ａｇ中空光導波路、２はＮｉバイブ、３は
Ａｇ、４はＧｅ、５はＥｒ；ＹＡＧレーザ、６はＣＯレ
ーザ、７はＣＯ，レーザ、８はＺｎ５ｅ、９はＺｎ５ｅ
内装Ａｇ中空光導波路、１０は鉄板、１１は入射端側、
１２は凹面金ミラー　１３は凹面金ミラー　１４は凹面
金ミラー１５は出射端側、１６はＺｎ５ｅレンズ、１７
は出射端部、２０は外部シャ、ター　２１は外部シャッ
ター　２２は手元スイッチである。 出顛人　日立電線株式会社　Ｗ 第１図 第２図 第３図 波長（μ耐 第６図 波長（μ−） Ｇｅ内装置１ｉ中空光導波路の赤外分光特性のＧｅ膜厚
依存性第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属膜に誘電体薄膜を内装した誘電体内装金属中
   空光導波路において、 誘電体薄膜の材料にゲルマニウムを用い、該ゲルマニウ
   ムの膜厚を０．４２〜０．５０μｍにしたことを特徴と
   する誘電体内装金属中空光導波路。
2. （２）上記ゲルマニウムに代えてセレン化亜鉛を用い、
   該セレン化亜鉛の厚さを０．６８〜０．９２μｍにした
   請求項１記載の誘電体内装金属中空光導波路。