JPS6053844B2 - 赤外用光フアイバ−とその製造方法 - Google Patents

赤外用光フアイバ−とその製造方法

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JPS6053844B2
JPS6053844B2 JP56002146A JP214681A JPS6053844B2 JP S6053844 B2 JPS6053844 B2 JP S6053844B2 JP 56002146 A JP56002146 A JP 56002146A JP 214681 A JP214681 A JP 214681A JP S6053844 B2 JPS6053844 B2 JP S6053844B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は赤外光、特に強力なパワーとして取り出される
CO2レーザ光(波長10.6μm)を伝送するのに適
した赤外用光ファイバーに関する。
赤外光はCO2レーザ溶接機や切断機などの加工、分光
析計、赤外線温度計などの計測の分野において広く用い
られている。これらの導光路として可撓性のある光ファ
イバーは任意の経路で光を伝送できる点で優れているが
、現在光通信用ファイバーとして用いられている石英ガ
ラスなど酸化物系ガラスのファイバーは赤外光の伝送損
失が大きいのて赤外用光ファイバーとして使用すること
はできない。このためKRS−5〔TlBr(45.7
モル%)−11(54.3モル%)〕などのタリウムハ
ライド、塩化銀、臭化銀などのハロゲン化銀を熱間押出
し加工して多結晶ファイバーとしたり、溶融塩からKR
S−5あるいは臭化銀の0.4〜1Tfaφの単結晶を
成長させてファイバーとするような試み−がなされてい
る。これらのファイバーは、テフロンなどの樹脂のバイ
ブ内にゆるく挿入し、ファイバーをコア、空気をクラッ
ドとした構造で使用される。しかしながら、このような
構造の場合、赤外透過結晶材料として、アルカリ金属ハ
ライドを用いるファイバーはバイブ中の空気に含まれる
水分を吸収し、機械的性質および光学的性質が劣化し易
く、また吸湿のタリウムハライド、銀ハライド、アルカ
リ土類金属ハライドを用いるファイバーの場合も、曲げ
によりバイブ内に自由にコアのファイバーが動くため、
軟かいタリウムハライド、銀ハライド、アルカリ土類金
属ハライド結晶は、すベリ変形を起こしコアのファイバ
ー表面は荒れ、散乱などにより光学的性質が劣化し、ま
た疲労により機械的性質も劣化し易い。
このような欠点を改善するため伝送すべき光をファイバ
ーに閉じ込める屈折率分布のファイバーを作製し、ファ
イバーに密着した保護層を被覆してファイバーを補強す
ることが考えられるが、熱間押出し加工で高屈折率のコ
アと低屈折率のクラッドからなるファイバーを作製する
場合、コアとクラッドを構成する結晶粒は数μmから数
100μとなり、コアとクラッドの界面が凹凸となり易
いこと、および溶融液から結晶ファイバーを作製する場
合、一般にコアとなる赤外透過結晶の融点はクラッドと
なる赤外透過結晶の融点より低く、コア結晶の作製後ク
ラッド結晶をその周囲に成長させようとするコア結晶は
溶けてしまうこと等の問題が生じるので、多結晶および
単結晶のいずれを用いても屈折率分布をもつ結晶質ファ
イバーを作製することは困難であつた。
本発明者らはこれら従来技術の欠点を解消するため鋭意
研究した結果本発明に到達したもので、その目的とする
ところは、伝送光をファイバーに閉じ込める屈折率分布
をもつファイバーを作製し、ファイバーに密着した保護
層を被覆して赤外光の伝送損失の少ないまた機械的に補
強した伝送用光ファイバーを提供することにある。
すなわち、溶融状態の赤外透過結晶から、高融点屈折率
のコア結晶ファイバーとその周囲に低融点屈折率のクラ
ッド結晶を成長させるという新しい方法で上記の問題を
解決するものである。本発明は先すコアが高融点高屈折
率の赤外透過結晶材料もしくはその混晶からなり、クラ
ッドが上記コアより低融点低屈折率の赤外透過結晶材料
の混晶からなる赤外伝送用ファイバーを提供する。
そしてこの赤外伝送用ファイバーの製造は、高融点高屈
折率の結晶もしくは混晶からなるファイバー状コアを作
成した後、その周囲に低融点低屈折率の混晶のクラッド
を連続して形成することによつて行なう。なお本明細書
において用いる1単一成分の結晶.,r混晶ョという語
については全く純粋な成分のみでなく、それらの融点や
屈折率を大きく変化させない範囲で、すなわち害をなさ
ない範囲で微量不純物は含まれていても差支えない。
微量の添加成分としては、例えば塩化カリウムの機械的
強度を向上させる目的で100PPI14度の塩化カル
シウムを加えるような場合も含まれる。本発明で用いら
れる赤外透過結晶材料としては、塩化カリウム、臭化カ
リウム、沃化カリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウ
ム、沃化ナトリウム、塩化ルビジウム、塩化セシウムの
ようなアルカリ金属ハライド、臭化タリウム、沃化タリ
ウム、塩化タリウムのようなタリウムハライド、塩化銀
、臭化銀、沃化銀のような銀ハライドが拳げられる。
一般に重い元素からなる赤外透過結晶ほど融点は低く、
屈折率は高くなる。このため溶融法でコアの単結晶ファ
イバーを作製後、クラッドを被覆することはクラッドの
融点が高くコアが溶けてしまいステップインデックス型
ファイバーを作製することはできない。そこでコアとク
ラッドにする結晶材料の組合せを種々検討するため、先
ずアルカリ金属ハライド、タリウムハライド、銀ハライ
ドのそれぞれについて、混晶を中心として融点と屈折率
について検討した。
アルカリ金属ハライドとしては、臭化カリウムー塩化カ
リウムの種々の組成の融点を調べると、第1図のように
40モル%塩化カリウムー60モル%臭化カリウムの組
成の混晶で融点の極小を作り、各組成で均一な混晶とな
ることがわかつた。
40モル%塩化カリウムー60モル%臭化カリウムの混
晶の屈折率は表1のように1.06μmで1.50、1
0.6μmで1.48であり、塩化カリウムと臭化カリ
ウムの中間の屈折率であつた。
このことから、臭化カリウムをコアとし、第1図のよう
に臭化カリウムより低肚へで屈折率が小さい組成域の混
晶をクラッドに用いることにより、溶融液からステップ
インデックス型ファイバーを作製できる。また高融点高
屈折率の混晶と低融点低屈折率の゜混晶の組合せでステ
ップインデックス型ファイバーを作製することができる
。また臭化カリウムー沃化カリウムの組合せでも塩化カ
リウムー臭化カリウムの組合せと同様にステップインデ
ックス型ファイバーを作製することができる。
タリウムハライドとしては、臭化タリウムー沃化タリウ
ムの種々組成の融点を調べると、第2図のように50モ
ル%臭化タリウムー50モル%沃化タリウム混晶で融点
の極小を作ることがわかる。
46モル%臭化タリウムーMモル%沃化タリウムの融点
は4100C1屈折率は1.06μmで2.44,10
.6μmで2.37であり、沃化タリウムの融点は44
0℃で、屈折率は1.06μmで2.4&SlO.6μ
mで2.40であり、これより高屈折率高融点のコアと
低融点低屈折率のクラッドを選ぶことができる。
タリウムハライドの中で塩化タリウムの融点は臭化タリ
ウムの融点より低く、臭化タリウムをコア、塩化タリウ
ムをクラッドとして溶融法により結晶ファイバーを作る
ことができるが、混晶とすることにより融点をさらに低
くすることができるので、クラッド材とコア材の融点の
差を大きくすることができる。例えば、臭化タリウムを
コア、70モル%塩化タリウムー30モル%臭化タリウ
ムをクラッドとすることにより結晶ファイバーはさらに
作製し易くなる。銀ハライドとしては、臭化銀一塩化銀
の種々の組成の融点を調べると、第3図のようにほS゛
40モル%塩化銀−60モル%臭化銀混晶で融点の極小
を”作ることがわかる。
40モル%塩化銀−60モル%臭化銀の融点は413℃
、屈折率は1.06μmで2.1&10.6μmで2.
12であり、臭化銀の融点は434℃、屈折率は1.0
6μmで2.30s10.6μmで2.25であり、こ
れより高屈折率高融点のコアと低屈折率低融点のクラッ
ドを選ぶことができる。
臭化銀一沃化銀の組合せでも、臭化銀一塩化銀の組合せ
と同様にステップインデックス型ファイバーを作製でき
る。このようにして得られたステップインデックス型フ
ァイバーの周囲に密着して被覆される保護層の材料とし
ては金属や樹脂が用いられる。
例えば、金属としては鉛、鉛と錫の合金、アルミニウム
、銀などの金属を押出被覆する。また樹脂としては、A
BS樹脂、ポリブタジエン、ポリプロピレン、ポリエチ
レン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリフェニ
レンオキシド、ポリスルホンあるいはこれらの混合物を
溶融押出成形するか、ポリエステルイミド、ポリエステ
ル、ポリウレタン、ポリオール、ポリイミド、ポリアミ
ドイミド、シリコン樹脂、四フッ化樹脂、エポキシ樹脂
あるいはこれらの混合物などを塗布、焼付けにより被覆
する。第4図は本発明の方法を実施するのに適する装置
の断面図を図解的に示すものである。
コアとなる結晶ファイバー1はチャンバー2の中にある
加熱炉3とコア材料5を入れたるつぼ4よりつくられ、
クラッド層を被覆した結晶ファイバー6はチャンバー7
の中にある加熱炉8とクラッド材料9を入れたるつぼ1
0より出る。
るつぼ10でクラッド層を被覆されたファイバーは、次
にチャンバー11の中にある保護に用いる樹脂12を入
れたるつぼ13と焼付け炉14を通して保護層となる樹
脂の焼付けを連続して行ない、保護層を被覆したファイ
バー15を得る。ロール16,17はコアとなる結晶フ
ァイバーとクラッド結晶を被覆したファイバーの位置を
調整するのに用いる。チャンバー11を出た樹脂保護層
を被覆したファイバー15は、さらに樹脂あるいは金属
を多層に被覆して保護の効果を上げることができる。
チャンバー2は、チャンバー7内の雰囲気は溶融する赤
外透過結晶が安定な状態になるようにアルゴンガスなど
の不活性ガスの雰囲気、あるいは塩化水素、塩素などの
雰囲気にすることが望ましい。第5図は第4図のるつぼ
4の底部にある細管18の先端の拡大図を示す。
るつぼで溶融した結晶19は、るつぼの底にある細管1
8を通つて流れイバー1を得る。第6図は第4図のるつ
ぼ10の底部にある細管20の先端の拡大図である。
細管20とコアの結晶ファイバー1の隙間からクラッド
となる結晶の融液21が流れ出てコアの結晶ファイバー
1の周囲を被覆しながら冷却され、凝固しクラッド層2
2の形成する。こうして第7図に示されるようなステッ
プインデックス型ファイバーを作製することができる。
図中Rは屈折率の大きさを示す。また熱処理を行なつて
コアとクラッド結晶あるいは混晶間の拡散により濃度勾
配を持つ中間層23が第8図のような屈折率分布を持つ
グレーテツド型ファイバーを作製することができる。以
上、アルカリ金属ハライド、タリウムハライド、銀ハラ
イドのそれぞれについて低融点、低屈折率のクラッドに
適した混晶があることを見出し、溶融法により、高融点
高屈折率のコア結晶ファイバーに低融点低屈折率のクラ
ッド層を被覆して伝送する光をファイバーに閉じ込める
屈折率を−もつステップインデックス型ファイバーとし
、その周囲に密着した保護層を被覆し、赤外光の伝送特
性に優れた赤外用光ファイバーを製造することに成功し
た。
以下実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
実施例 (a)アルカリ金属ハライドの場合 第4図のるつほ4に臭化カリウム粉末を入れ780℃ま
加熱し溶融する。
内径0.1T1nφの細管18から出てきた溶液を最初
白金線で受け、冷却、凝固させる。結晶成長速度を調整
し、クラッド結晶ファイバーの直径を制御し0.6Tf
rIRφのファイバーを作製した。るつぼ10に40モ
ル%塩化カリウムー60モル%臭化カリウム混合粉末を
入れ、725℃まで加熱し、臭化カリウム結晶ファイバ
ーを溶融しないように混合粉末を溶融し、細管20の先
端でコア結晶ファイバーの周囲に混晶のクラッド層を被
覆し、直径1.CMφのステップインデックス型ファイ
バーを作製した。(b)タリウムハライドの場合 コア材料として臭化タリウムを用いるるつぼ4を50(
代)に加熱溶融する。
内径0.1醒φの細管18から出てきた融液を最初白金
線で受け、冷却、凝固させる。結晶成長速度を調整して
コア結晶ファイバーの直径を制御し径0.6mφのファ
イバーを作製した。るつぼ10に70モル%塩化タリウ
ムー30モル%臭化タリウム混合粉末を入れ、450C
に加熱し、臭化タリウム結晶ファイバーを溶融しないよ
うに混合粉末を溶融し、細管20の先端でコア結晶ファ
イバーの周囲に混晶のクラッドを被覆し直径1.0?φ
のステップインデックス型ファイバーを作製した。(c
)銀ハライドの場合 コア材料としての臭化銀をるつぼ4に入れて480Cに
加熱溶融する。
内径0.1mφの細管18から出てきた融点を最初白金
線で受け、冷却、凝固させる。結晶成長速度を調整して
コア結晶ファイバーの直径を制御し径0.6mφのファ
イバーを作製した。るつぼ10に40モル%塩化銀一6
0モル%臭化銀混合粉末を入れ430℃に加熱し臭化銀
カリウムファイバーを溶融しないように混合粉末を溶融
し、細管20の先端でコア結晶ファイバーの周囲に混晶
のクラッドを被覆し直径1.『φのステップインデック
ス型ファイバーを作製した。上記何れの場合も、各ファ
イバーは約0.1〜3cm/の速度で作製した。
その後るつぼ12にシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂
を入れ、ステップインデックス型ファイバー6に該樹脂
を塗布し、加熱炉14て樹脂を焼付け保護層とし赤外用
光ファイバーとした。こうしてファイバーを作製する場
合、最初に白金線て受けてリードをとり、その後赤外光
伝送用ファイバーが樹脂層の被覆を安定して作製できる
ようになると、ロール16,17,23によりファイバ
ーを安定して巻取ることが可能となり長尺のファイバー
が作製できた。参考例上記のようにして得られた各赤外
用光ファイバーを2WLの長さに切断し、その一端から
出力10Wの炭酸ガスレーザ光(波長10.6μm)を
入射し、他端からレーザ光を出射してこれをセレン化亜
鉛などの赤外用集束レンズで光を絞り、アクリル板など
のプスチツク板あるいは木板に穴をあけたり、またはこ
れらを切断することができた。
本発明の赤外用光ファイバーは、臭化カリウム、臭化銀
、臭化タリウムの結晶ファイバーをプ出る。毛細管の先
端近傍は、加熱炉3の温度を調整することにより急激な
温度勾配を持ち、溶融結晶19は毛細管18の先端で冷
却され凝固する。細管を流れる融液の量、その表面張力
、結晶の成長速度、細管径および加熱温度を制御するこ
とにより凝固する結晶の直径を制御し、コア結晶フアラ
スチツクのバイブにゆるく挿入しただけの赤外用光ファ
イバーに比べてファイバーに密着した保護層によりファ
イバーの機械的特性に優れかつ耐久性に富み、赤外光の
伝送特性にも優れていた。特に、高屈折率高融点の赤外
透過結晶材料をコア、低屈折率低融点の赤外透過結晶材
料をクラッドとしたステップインデックス型ファイバー
の周囲に密着した保護層を被覆することにより湿気など
環境に強く、光学的特性および機械的特性の劣化を防止
し安定した赤外光伝送用光ファイバーを得ることができ
る。これらは、赤外光を遠隔の光検出素子に接続して計
測に用いられ、またCO2レーザを用いて遠隔または接
近万能な場所において加熱、切断などの加工に利用する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は塩化カリウムー臭化カリウム系の液相線、第2
図は沃化タリウムー臭化タリウム系の液相線、第3図は
塩化銀一臭化銀系の液相線を示す。 第4図は本発明の方法を実施するのに適する装置を図解
的に示す断面図、第5図は第4図のるつぼ4の底部でコ
アとなる結晶ファイバーの成長する細管18の近傍を示
す拡大図、第6図は第4図のるつぼ10の底部で、コア
結晶ファイバーの周囲にクラッド結晶を被覆する細管2
0の近傍を示す拡大図、第7図は実施例のステップイン
デックス型の赤外用光ファイバーの断面図、第8図は実
施例のステップインデックス型の赤外用光ファイバーの
熱処理を行ないクラッド層とコアの中間に拡散により濃
度勾配をつけ、グラデイエント型に近くなつた赤外用光
ファイバーの断面図である。1・・・・・・コア結晶フ
ァイバー、2・・・・・・コア結晶ファイバーを作るる
つぼ、加熱炉を入れるチャンバー、3・・・・・・加熱
炉、4・・・・・・コア材料を入れるるつぼ、5・・・
・・・コア材料、6・・・・・・コア結晶ファイバーに
クラッド結晶を被覆したステップインデックス型ファイ
バー、7・・・・・・クラッド結晶を溶解するるつぼ、
加熱炉を入れるチャンバー、8・・・・・加熱炉、9・
・・・・・クラッド材料、10・・・・・・クラッド材
料を溶解するるつぼ、11・・・・・・樹脂保護層を被
覆するるつぼ、樹脂焼付加熱炉を入れるチャンバー、1
2・・・・・・保護用樹脂、13・・・・・・るつぼ、
14・・樹脂怖付加熱炉、15・・・・・・保護樹脂を
被覆したステップインデックス型ファイバー、16・・
・・・田一ル、17・・・・・・ロール、18・・・・
・・るつぼ底の毛細管、19・・・・・・溶融コア結晶
、20・・・・・・るつぼ底の毛細管、21・・・・・
溶融クラッド結晶、22・・・・・・クラッド層、23
・・・・コア−クラッド中間層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 アルカリ金属ハライドの単一成分の結晶および混晶
    、タリウムハライドの単一成分の結晶および混晶、銀ハ
    ライドの単一成分の結晶および混晶から選ばれた赤外透
    過結晶材料をコア、該赤外透過結晶材料から選ばれたも
    のを混合し、上記コアより低屈折率、低融点の液晶を形
    成してクラッドとしたステップインデックス型ファイバ
    ーの周囲に密着して被覆された保護層を有する赤外用光
    ファイバー。 2 アルカリ金属ハライドが塩化カリウム、臭化カリウ
    ム、沃化カリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、
    沃化ナトリウム、塩化ルビジウムおよび塩化セシウムで
    ある特許請求の範囲第1項に記載の赤外用光ファイバー
    。 3 アルカリ金属ハライドの液晶が塩化カリウムと臭化
    カリウム、沃化カリウムと臭化カリウム、臭化ナトリウ
    ムと塩化ナトリウム、沃化ナトリウムと臭化ナトリウム
    、塩化カリウムと塩化ルビジウム、塩化セシウムと塩化
    ルビジウムの組合せから選ばれる特許請求の範囲第2項
    に記載の赤外用光ファイバー。 4 タリウムハライドが塩化タリウム、臭化タリウムお
    よび沃化タリウムである特許請求の範囲第1項に記載の
    赤外用光ファイバー。 5 タリウムハライドの混晶が臭化タリウムと塩化タリ
    ウム、沃化タリウムと臭化タリウムの組合せから選ばれ
    る特許請求の範囲第1項に記載の赤外用光ファイバー。 6 銀ハライドが塩化銀、臭化銀および沃化銀である特
    許請求の範囲第1項に記載の赤外用光ファイバー。7
    銀ハライドの混晶が塩化銀と臭化銀、臭化銀と沃化銀と
    の組合せから選ばれる特許請求の範囲第1項に記載の赤
    外用光ファイバー。 8 アルカリ金属ハライドの単一成分の結晶および混晶
    、タリウムハライドの単一成分の結晶および混晶、銀ハ
    ライドの単一成分の結晶および混晶から選ばれた赤外透
    過結晶材料からなるコア結晶ファイバーを作製した後、
    その周囲に、該赤外透過結晶材料から選ばれたものを混
    合し、上記コアより低屈折率、低融点の混晶を溶融状態
    からクラッド層として連続的に形成し、得られたステッ
    プインデックス型ファイバーに保護層を形成することか
    らなる赤外用光ファイバーの製造方法。 9 アルカリ金属ハライドの単一成分の結晶および混晶
    、タリウムハライドの単一成分の結晶および混晶、銀ハ
    ライドの単一成分の結晶および混晶から選ばれた赤外透
    過結晶材料をコア、該赤外透過結晶材料から選ばれたも
    のを混合し、上記コアより低屈折率、低融点の混晶を形
    成してクラッドとしたステップインデックス型ファイバ
    ーの作製方法として、コア結晶を溶融するつぼの底部に
    設けられた細管より流れ出る溶融コア結晶を細管の先端
    で冷却凝固させ、得られたコア結晶ファイバーをクラッ
    ド結晶を溶融するつぼの底部につけた細管に通し、固体
    状態のコア結晶の周囲を溶融クラッド結晶で被覆し細管
    の先端で溶融クラッド結晶を冷却凝固させ、得られたス
    テップインデックス型ファイバーに保護層を形成するこ
    とからなる特許請求の範囲第8項記載の赤外用光ファイ
    バーの製造方法。 10 保護層が金属および樹脂の少くとも一種からなる
    特許請求の範囲第9項または第10項に記載の赤外用光
    ファイバーの製造方法。
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