JPS62170906A - 光フアイバ - 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】 （７）技術分身 この発明は、伝送損失を少なくした赤外光ファイバに関
する。

赤外光源としてＣＯ□レーザは既に広い用途を持ってい
る。Ｃ０２レーザの光は多くの場合、光パワーを利用す
るので、ミラーなどによって、光を所望の対象へと導い
ている。

しかし、多関節ミラーは取扱いが不便であるので、光フ
ァイバを伝送路としたいという要望が強い。

Ｃ０２レーザの光を通すことのできる赤外光ファイバと
して、現在知られているものは、（１）　　アルカリハ
ライド結晶 ＣｓＢｒ１Ｃｓｌ、　Ｋｌ、　ＫＢｒ％Ｎａ（Ｊ！、　
ＫＣｌ、　ＮａＦ。

１Ｆ （２）銀ハライド結晶 ＡｇＢｒ、　ＡｇＣＡ’− （３）　　タリウムハライド結晶 ＴｌＢｒ、　ＴｌＩｃＩＩ、及びそれらの混晶（４）　
　Ｚｎ５ｅ、　ＺｎＳ結晶 （５）　　カルコゲンガラス　Ａｓ２Ｏ３、５ｂ２０ａ
　、Ａｓ５（６）　　フッ化物ガラス などである。

（イ）従来技術 これらの赤外光ファイバは、石英ガラスファイバに比べ
て、吸収が大きく、製造が難しく、より大径であり、短
かい、という一般的な性質を持っている・　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　、さらに、赤外光に対して
、屈折率の近似した物質を得がたいことや、この物質を
コーティングする事が困難であることなどが６って、こ
れらの赤外光ファイバは、多くの場合、クラッドを欠く
。

クラッドがない光ファイバは、ファイバの表面状態によ
って、光の伝送が左右されるという欠点を有する。

そこで、赤外光ファイバコアの上に金属被膜を形成し、
これによって光ファイバコアを保護し、赤外光の表面か
らの散送を防止する、という提案がなされた。例えば特
開昭５６−［２８０１（昭和５６年ＩＯ月２６日公関）
などに、このような工夫が説明されている。

ここでは、金が真空蒸着法によって、赤ファイバコアの
上に蒸着されている。金は、赤外光に対しても高い反射
率を持っているから、赤外光は外部へ洩れない。

しかしながら、細いファイバの周囲に、均等に金を蒸着
する、というのは難しく、金が無駄に費いやされるから
、あまり厚いコーティングはできない。１μｍ〜１０μ
ｍ程度である。多くの場合、１μｍ程度であると考えら
れる。そうすると、薄すぎて、強いＣＯ２レーザの光を
十分に反射し、ファイバ内に閉じこめることができない
、という欠点がある。

１０μｍ程度の全外層があれば、赤外光を閉じこめる効
果も強いと考えられるが、これだけの厚みの金蒸着をす
ると、大量の金が入用になるから、極めて高価になり、
現実には難しい。

特開昭５７−１８４１１（昭和５７年１月２３日公開）
は、赤外光ファイバがガラス材料であるものに対し、金
属の反射膜を外部に設けたものを提案している。

ガラス材料であるから、フッ化物ガラス、カルコゲナイ
ドガラス、５８％Ｔｅ　ｌどのガラスを用いる。

ガラス状にするために、融液を急冷しなければならない
。細い金属パイプに、融液を吸引しておき、これを液体
窒素へ漬けて急冷する、という方法を提案している。こ
のようにすれば、金属パイプの中で、ガラス状に材料が
固化するから、ガラスファイバとなる。

この方法は、細い金属パイプ内に金を蒸着するという事
により、光の反射率を金属パイプそのものよりも高くし
ている。

しかし、これはガラスファイバにしか使えない。

また剛性のある金属パイプを材料として用いるので、こ
れによって作製されたファイバは、可撓性に欠けるとい
う難点がある。

本発明者は、　ＣＯ２レーデの光を導く赤外光ファイバ
として、新しいクラッド構造をもつものを既に発明した
。

これは、赤外ファイバのコアの周囲に、屈折率の異なる
２つの物質の多層膜をクラッドとして設けたものである
。

例えば、ＰｂＦ２／ＡｇＢｒの交互多層膜、或はＰｂＦ
、／Ｇｅの交互多層膜をファイバコアの周囲に設けるの
である。

多層膜よりなるクラッドは、膜の境界で赤外光を反射す
るから、コアから洩れようとする光をコアへ戻す作用が
ある。

多層膜の膜の数が多いほど、反射される確率が増えるの
で、効率的に赤外光は、ファイバコアの中に閉じ込めら
れることになる。交互多層膜クラッドの思想は、石英ガ
ラスファイバなどに於ける単一クラッドとは著しく異な
るものである。

ステップインデックス型の石英ガラスファイバの場合、
コア・クラッド間の屈折率差が問題であった。多くの場
合、コア・クラッドの屈折率差は極めて小さい値に設定
される。これは、主に、信号を伝送するために用いられ
るからである。このため、クラッド屈折率はコア屈折率
により限定される。クラッド材料が、決まってしまう（
コアによって）ことになる。

赤外光ファイバは、信号伝送ではなく、光パワーの伝送
に用いられるのであるから、コア・クラッドの屈折率差
は小さくなければならない、という事はない。

本発明者が創案した交互多層膜クラッドは、クラッドを
形成する２つの種類の材料の屈折率が問題である。コア
・クラッド間の反射よりも、クラッド内での反射がより
重要だからである。

従って、コアの材料、つ″！シコアの屈折率によ゛つて
拘束されることなく、クラッドの材料を選ぶことができ
る。コアがどのようなものであっても、前記の交互多層
膜は有効に赤外光を封じ込めることができるのである。

赤外光ファイバは、多くの種類のコア材料があるから、
クラッド材料が、原理的にコア屈折率によって拘束され
ないということは有利な事である。

この発明は、特に高出力のＣＯ２レーザの光エネルギー
伝送の場合に、極めて有効である。

交互多層膜クランドを有する赤外光ファイバに放テは、
赤外光が、ファイバの側面から、外部へ、殆ど、洩れ出
さない。ファイバの周囲に、粉塵、水などの光の吸収体
が接触しても、これらによって光が吸収されない。従っ
て、光吸収による温度上昇、ひいてはファイバの損傷な
どの事故が発生し難いという長所がある。

このため、交互多層膜クラッドを有する赤外光ファイバ
は、周囲の環境によって伝送特性が影響を受けない。つ
まり、安定した伝送特性を有する光ファイバを実現する
事ができる。

さらに、光ファイバの入力端、出力端は、光の入射、出
射に係わる、レンズ、ミラーなどの集光光学系との位置
決めのため、光ファイバをなんらかの手段で〜固定しな
ければならない。固定部材とファイバが接触することに
より、ファイバが局所的に発熱し、ここでファイバが損
傷を受ける、ということがある。固定部材で押えるため
、洩れ光量が大きくなるのである。

ところが、交互多層膜クラッドは、固定端に於けるファ
イバの発熱をも極めて有効に防止できる。

このように、本発明者が創案した交互多層膜クラッドを
有する赤外光ファイバは優れた効果を奏した。

しかしながら、多層膜クラッドは、層の境界に於て外側
へ向う光を反射し、多層膜の中を外側へ向かって進む光
を減衰させてゆくものであるから、完全に光を閉じこめ
る事はできない。

第６図は光フアイバ内部の半径方向に於ける光パワー分
布を表わすグラフである。このように、光パワーは光フ
アイバ中心で高く、クラッドで減衰してゆくが、多層膜
クラッドの最外層より外側に放ても光パワーはＯとはな
らない。すなわち、ファイバ周囲に放ても、光パワーが
０とならないのである。

ファイバ周囲に洩れる光パワーは全体から比べれば僅か
なものであるが、光フアイバ内を伝搬する光パワーの絶
対量が大きくなるに従い、当然大きくなる。

このような理由で、交互多層膜だけをファイバの周囲に
設けた構造では、伝送できる光パワーに限界がある事に
なる。この限界以上になると、光フアイバ周囲に洩れる
光パワーが大きくなり、光吸収体との接触あるいは端末
固定部材との接触によって、光ファイバが強く発熱し、
ファイバのし−ザ損傷が生ずる。

（り）　　目　　　　的 交互多層膜クラッドを有する赤外光ファイバに於て、フ
ァイバの外周に洩れる光パワー’ｔｏにする光フアイバ
構造を提供することが本発明の目的である。

交互多層膜クラッドを有する赤外光ファイバに放て、よ
り大きい光パワーを伝送することができるようにした光
フアイバ構造を提供することが本発明の第２の目的であ
る。

交互多層膜クラッドを有する赤外光ファイバに放て、端
末固定部に於ける光フアイバ損傷が発生する事を有効に
防ぐことのできる光フアイバ構造を提供することが本発
明の第３の目的である。

に）構　造 本発明は、多層膜を設けることにより伝送パワー量の向
上した光ファイバを、さらに伝送パワーを向上させるた
めになされたものである。

本発明の光ファイバは、交互多層膜クラッドの外周へ、
さらに高反射率を有する金属層を設けたものである。

高反射率を有する金属というのは、金、銀、アルミニウ
ムなどの金属である。金属層の厚みは、赤外光の波長と
同程度、またはそれ以下であってよい。０．１μｍ〜１
０μｍの範囲で、適当な値が選ばれる。

本発明の光ファイバによって伝送する光の波長は、炭酸
ガスレーザ光の１０．６μｍ、あるいはその近傍の波長
を想定している。このような波長領域に於て、これらの
金属材料は、反射率として９５％以上のものを容易に実
現することができる。

第１図は本発明の光ファイバの断面図、第２図は縦断側
面図である。

中心に大径の光ファイバコア１があり、これを囲んで薄
い交互多層膜クラッド２が設けられ、最外周に薄い金属
層３が設けられている。

光ファイバコアは、任意の赤外光ファイバ材料を用いて
構成できる。銀ハライド、タリウムハライド、アルカリ
ハライド、などの結晶質ファイバであってもよいし、カ
ルコゲンガラス、フッ化物ガラスなどのガラスファイバ
でろっでもよい。既に述べたように、交互多層膜クラッ
ドは、コアによって限定を受けず、一般的に使えるクラ
ッドなのである。

多層膜クラッド２は、赤外光をよく通す材料を薄膜にし
て何層にも重ねたものである。高屈折率の材料と、低屈
折率の材料とを組合わせた多層膜であればよい。

先に述べたように、本発明者は、多層膜クラッドとして
、ＰｂＦｚ／ＡｇＢｒのものを完成している。

ＰｂＦ２が低屈折率、ＡｇＢｒが高屈折率材料である。

膜の境界で赤外光全反射し、コアへ光を戻す作用を持っ
ている。金属層によって反射することもできるが、反射
できずに金属に入った成分はここで吸収され、発熱する
ことになる。多局膜クラッドは、透過率の良い材料で作
っているから、吸収による発熱がない。

多層膜クラッドとして、本発明者は、ＰｂＦ２／Ｇｅの
ものをも完成している。

この他にも、屈折率が異なり、赤外光をよく通す材料の
組合わせにより、交互多層膜を形成することができる。

最外層の金属層３は、金、銀、アルミなどよりなる金属
薄膜である。これは、交互多層膜を通って洩れた光を反
射するものである。こうして、ファイバ外周への光のし
み出しは完全に防ぐことができる。

第６図に示すように、交互多層膜を通りうる赤外光パワ
ーは全体のパワーに比べれば極めて小さいものである。

このような小さな光パワーであるから、薄い金属層であ
っても、完全にこれを反射し、コアへ戻すことができる
のである。

以上の構成が、本発明の基本であるが、さらに、機械的
な強度を増やし、ファイバを保護するために、金属層３
の外周に、樹脂層を被覆する、という事もできる。第３
図はこのような光ファイバの断面図を示している。樹脂
層４には、例えばポリエチレンを用いることができる。

金属層３の外周へ赤外光は洩れてこないので、樹脂が焼
けるという供れはない。従って、成形シζ適した任意の
樹脂を使用できる。

また、光の洩れが問題になるのは、入射端、出射端であ
るから、交互多層膜を、端部にのみコーティングする、
という事も可能である。

このような場合も、金属層を、端部の交互多層膜の上に
コーティングすることは有効である。

（４）実施例 本発明の光ファイバがバフ−伝送量の向上のために効果
があることを示すため、次のような実験を行なった。

光ファイバコアはＡｇＢｒ結晶よりなり、ファイバコア
径は７００μｍである。

光ファイバコアの上へ、さらに、ＰｂＦ、とＡｇＢｒを
交互に８周期コーティングした。つまシ３層のＰｂＦ２
と８層のＡｇＢｒとが交互に形成されたクラッドを設け
た。これは光ファイバコアの全体に設けた。

このような光ファイバを２つ作シ、ひとつは、そのまま
、端末にステンレス製の端末固定部材５をエポキシ樹脂
で固定した。これをａ試料とする。

もうひとつは、本発明に従い、多層膜の上へ、さらに、
１μｍの厚さで金をコーティングした。

金属層を有するファイバである。端末にステンレス製の
端末固定部材５をエポキシ樹脂７で固定した。第４図は
このような試料を示す斜視図である。

これをｂ試料とする。

ａ試料とｂ試料の追いは、１μｍ厚さの金の層がある（
ｂ）か、ない（ａ）かである。

端末固定部材５の側面に温度測定用熱電対６ｔ−当てる
。これらの試料にＣＯ２レーザの光を通した。

熱電対６は出射端の端末固定部材５の温度上昇を検出す
る。

この温度上昇は、レーザパワーが大きい程大きくなる。

本発明の実施例であるｂ試料は、温度上昇がより小さく
、レーザ損傷を受けないということが実際に確かめられ
た。

第１表はＣＯ２レーザのレーザパワーと、ａ％ｂ試料の
端末固定部材の温度上昇測定値の関係を示すグラフであ
る。レーデパワーは出射端から出射されたレーザ光のパ
ワーをパワーメータで測定した。

第１表　ＣＯ２レーザのパワーと端末固定部材の温度測
定値（ａ試料金属なし。ｂ試料金属あり） この結果によると、厚さ１μｍの金層のらるｂ試料は、
これのないａ試料に比べて、温度上昇が７０〜８０９６
に抑えられている、という事が分る。

また、ＣＯ２レーザのパワーが１７５ｗの場合、ａ試料
は端末固定部で損傷が発生し、使用不能となった。ｂ試
料は、１７５Ｗのレーザパワーに対しても使用可能であ
る。

温度上昇を、使用可能なレーザパワーの上限を規定する
因子であるとすれば、本発明てかかるｂ試料は、ａ試料
に比べ、２０〜３０％より高いレーデパワーを伝送でき
るという事である。

ψ）効　果 （１）交互多層膜クラッドだけの場合よりも、ファイバ
外周への光のしみ出しが小さくなる。

第５図は本発明の光ファイバの断面に於ける半径方向の
光パワー密度を示すグラフである。

金属層で光が反射されるので、光フアイバ外周面での光
パワーは０である。

このため、伝送可能な光パワー量が、より一層大きくな
る。

（２）外部への光パワーのもれがないので、端末固定部
の温度上昇がより少なくなる。このため端末固定部のレ
ーザ損傷が起こりにくい。

（３）交互多層膜の存在によって、金属層にまで達する
光のパワーは既に弱くなっている。弱められた光である
から、薄い金属層によっても、これを完全に反射する事
ができる。

コアの周囲に直接金属層を設けたものは、金属層に強い
光が当るので、金属層が全てを反射する事はできず、吸
収する部分もあり、金属層の温度が上ってしまう、とい
う難点があったが、本発明はまず交互多層膜があるので
、このような難点から免かれている。

（４）　　銀ハライド結晶、タリウムハライド結晶を光
ファイバコア材とした場合、外部から柴外線、可視光線
が入射した時、コア材が光線により分解する。

しかし、本発明では、金属層を設けており、金属層は可
視光、柴外光を通さないので、コア材が銀ハライド、タ
リクムハフィド結晶であっても、経年変化により分解す
る、という事がない。

（至）　　用　　　途 炭酸ガスレーザ光伝送用の光ファイバとして、レーザ治
療器用の伝送路、或はレーザ加工機用の伝送路として用
いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバの断面図。 第２図は本発明の光ファイバの縦断側面図。、・第８図
は樹脂層を設けた本発明の光ファイバの断面図。 第４図はＣＯ２レーデを通し端末固定部の温度上昇を測
定するための構成を示す端部のみの斜視図。 第５図は本発明の光ファイバの断面に於ける、半径方向
の光パワー密度分布を示すグラフ。 第６図は交互多層膜のみを有する光ファイバの断面に於
ける、半径方向の光パワー密度分布を示すグラフ。 １・・・・・・・・・・・・光ファイバコア２・・・・
・・・・・・・・多層膜クツラド３・・・・・・・・・
・・・金　属　層４・・・・・・・・・・・・樹　　脂
　　層５・・・・・・・・・・・・端末固定部材６・・
・・・・・・・・・・温度測定用熱電対７・・・・・・
・・・・・・エポキシ樹脂発明者　萌田典之 高橋謙−

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）赤外光を通す光ファイバコアの表面全体あるいは
   入出力端の近傍のみに交互多層膜クラッドを設けた光フ
   ァイバに於て、多層膜クラッドの上へさらに金属層を設
   けた事を特徴とする光ファイバ。
2. （２）光ファイバコアが銀ハライド結晶である特許請求
   の範囲第（１）項記載の光ファイバ。
3. （３）光ファイバコアがＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、又はこれ
   らの混晶である特許請求の範囲第（２）項記載の光ファ
   イバ。
4. （４）光ファイバコアがタリウムハライド結晶である特
   許請求の範囲第（１）項記載の光ファイバ。
5. （５）光ファイバコアがＴｌＣｌ、ＴｌＩ、ＴｌＢｒ、
   又はこれらの混晶である特許請求の範囲第（４）項記載
   の光ファイバ。
6. （６）光ファイバコアがアルカリハライド結晶である特
   許請求の範囲第（１）項記載の光ファイバ。
7. （７）光ファイバコアがＣｓＩ、ＣｓＢｒ、又はそれら
   の混晶である特許請求の範囲第（６）項記載の光ファイ
   バ。
8. （８）金属層の材質が金、銀、アルミニウムのいずれか
   である特許請求の範囲第（１）項記載の光ファイバ。
9. （９）金属層の内面反射率が９０％以上である特許請求
   の範囲第（８）項記載の光ファイバ。
10. （１０）金属層が光ファイバの入射端と出射端の近傍部
    分のみに設けられている特許請求の範囲第（１）項記載
    の光ファイバ。
11. （１１）金属層の外周面に樹脂層を設けた特許請求の範
    囲第（１）項記載の光ファイバ。
12. （１２）樹脂層がポリエチレンである特許請求の範囲第
    （１１）項記載の光ファイバ。