(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不可視領域の波長帯の治療用であるレーザ光を発振する不可視光レーザ発振装置を具備したレーザ伝送装置本体と、
このレーザ伝送装置本体に連結され前記不可視光レーザ発振装置から入射するレーザ光を伝送する中空導波路と、
この中空導波路の先端に装着され患部に向けてレーザ光を照射する治具とを有する医療用レーザ伝送装置において、
前記中空導波路は、中空基材の内面に、伝送する波長２μｍ以上の赤外光の波長帯に対して透明であるポリイミド樹脂層を最内層に含む交互多層膜からなる誘電体層が形成されている中空導波路であって、前記交互多層膜が屈折率の異なる複数のポリイミド樹脂からなる中空導波路であり、
前記レーザ伝送装置本体は、アシストガスを導入するガス供給手段を有し、前記中空導波路の中空部および前記治具を介して前記アシストガスを患部に噴射することを特徴とする医療用レーザ伝送装置。
【請求項２】
前記不可視光レーザは、ＣＯ2レーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ、エキシマレーザのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の医療用レーザ伝送装置。
【請求項３】
レーザ発振装置を具備したレーザ伝送装置本体と、
このレーザ伝送装置本体に連結され前記レーザ発振装置から入射するレーザ光を伝送する中空導波路と、
この中空導波路の先端に装着され患部に向けてレーザ光を照射する治具とを有する医療用レーザ伝送装置において、
前記中空導波路は、中空基材の内面に、伝送する波長２μｍ以上の赤外光の波長帯に対して透明であるポリイミド樹脂層を最内層に含む交互多層膜からなる誘電体層が形成されている中空導波路であって、前記交互多層膜が屈折率の異なる複数のポリイミド樹脂からなる中空導波路であり、
前記レーザ発振装置は、可視領域の波長帯の目標照射用レーザ光を発振する可視光レーザ発振器と、不可視領域の波長帯の治療用レーザ光を発振する不可視光レーザ発振器とを備え、
前記レーザ伝送装置本体は、前記可視光レーザ発振器および前記不可視光レーザ発振器から発振される前記レーザ光の重畳を行って前記単一の中空導波路に入射できる重畳切替手段と、前記重畳切替手段の後段で前記中空導波路にアシストガスを導入するガス供給手段とを備え、前記中空導波路の中空部および前記治具を介して前記アシストガスを患部に噴射することを特徴とする医療用レーザ伝送装置。
【請求項４】
前記可視光レーザは、Ｈｅ−Ｎｅレーザであり、
前記不可視光レーザは、ＣＯ2レーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ、エキシマレーザのいずれかであることを特徴とする請求項３記載の医療用レーザ伝送装置。
【請求項５】
前記中空導波路の中空基材が、ステンレス、燐青銅、フッ素、シリコン樹脂のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の医療用レーザ伝送装置。
【請求項６】
前記中空導波路の中空基材の内面に、厚さ５０μｍ以下の、金、銀、銅、ニッケルのいずれかからなる金属薄膜が形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の医療用レーザ伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外波長領域、可視領域及び紫外波長領域の広範囲に及ぶ波長帯の光を伝送するために好適な可撓性を有する中空導波路を用いた医療用レーザ伝送装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長２μｍ以上の赤外光は、医療、工業加工、計測、化学等の様々な分野で用いられている。特に、波長２．９μｍ帯のＥｒ−ＹＡＧ（エルビウム−イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、５μｍ帯のＣＯ（一酸化炭素ガス）レーザ、１０．６μｍ帯のＣＯ2（炭酸ガス）レーザは発振効率が高いために高出力が得られ、又、水に対して大きな吸収を持つため、医療用の治療機器や工業加工用等の光源として極めて重要である。
【０００３】
ところで、従来の通信用に使用されている石英系の光ファイバは、波長２μｍ以上では分子振動による赤外吸収が大きく極めて高損失になる。このため、石英系の光ファイバは、上記のような赤外領域のレーザ光を伝送する導波路として使用することができない。そこで、応用範囲の広い赤外波長帯で用いる新しいタイプの光導波路の開発が活発になっている。
【０００４】
現在、研究開発がなされている波長２μｍ以上の赤外光用の導波路は、大別して２種類あり、充実タイプのいわゆる赤外ファイバと、中空導波路とがある。赤外ファイバの材料は、大別して３つあり、重金属酸化物ガラス（ＧｅＯ2、ＧｅＯ2−Ｓｂ3Ｏ3等）と、カルコゲナイドガラス（Ａｓ−Ｓ、Ａｓ−Ｓｅ等）、ハロゲン化物とに分けられる。ハロゲン化物は、更にハライドガラス（ＺｎＣｌ2、ＣｄＦ3−ＢａＦ2−ＺｒＦ4等）と、結晶性金属ハロゲン化物（ＫＲＳ−５（ＴｌＢｒとＴｌＩとの混晶）、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＫＣｌ等）とに分けられる。
【０００５】
一方、中空導波路は、構造、材料、形状等の観点から種々の導波路が提案並びに試作されている。その中で、特に金属パイプ内部に高反射コーティングを施した誘電体内装金属中空導波路は、大電力のレーザ加工に適用することを目的としたものであり、ゲルマニウムや硫化亜鉛等の誘電体をニッケル等の金属パイプの内面に設けて導波路を形成している。
【０００６】
この導波路の製造方法を説明すると、まず、エッチングが可能なアルミニウム等の母材となるパイプの外周にゲルマニウムや硫化亜鉛等の赤外領域において透明な無機材料の薄膜をスパッタリング法で形成し、更に、その外周に電気メッキ法を用いて厚肉のニッケル層を形成し、最後に母材パイプを化学的にエッチング除去する手順で実施される。なお、ゲルマニウム又は硫化亜鉛薄膜と機械的強度を保つ厚肉のニッケル層との間に銀薄膜を介在させると、更なる低損失の特性を備えた導波路を得ることができる。
【０００７】
現在までに、伝送損失０．０５ｄＢ／ｍ、伝送容量３ｋＷを達成し、金属板の切断及び溶接に用いるに十分なエネルギーを持つレーザ光を伝送できることが確認されている。このような中空導波路は、充実タイプの赤外ファイバと比較して、入出力端での反射損失が少なく、また冷却効率が高いので、特に、大電力伝送に有利である。
【０００８】
一方、紫外波長帯においても、エキシマレーザ等のレーザ化学分野で重要な光源が存在する。しかし、充実タイプの光ファイバでは、レイリー散乱により短波長ほど損失が急増し、伝送路として使用することが本質的にできない。また、誘電体として、ゲルマニウムや硫化亜鉛を内装した中空導波路は、ゲルマニウムや硫化亜鉛が紫外光に対し不透明であるため、使用できない。ＣａＦ2やフッ素樹脂等で紫外光に対して透明な誘電体も幾つか提案されているが、紫外光伝送に要求される膜厚の精度、均一性、内壁面の表面粗さ（極めて小さくしなければならない）等を達成することが製造上極めて困難であった。そのため、従来、このような紫外領域における導波路の研究開発は、ほとんどなされていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、赤外波長帯で用いる充実タイプの光ファイバは一般に屈折率が高い材料により構成されており、光入出射端面での反射損失が大きいために大電力伝送には不向きである。特に、上記した従来のガラス質の赤外光ファイバは一般に融点や軟化点が低いため、僅かな反射損失でも光ファイバ端面に損傷が生じやすい。更に、殆どのガラス質の赤外光ファイバの透過域は、波長６〜７μｍ以下であり、波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光を伝送することは困難である。
【００１０】
又、結晶性の赤外ファイバは、透過域がＣＯ2レーザ光の波長帯１０．６μｍまで達するものがあるが、繰り返しの曲げによって塑性変形が生じたり、また潮解性が大きい等、長期間の信頼性に問題がある。一方、従来の製造方法による無機材料を内装した中空導波路は、製作工程が複雑で量産化には限界があり、導波路の細径化や長尺化が困難である。上記した誘電体内装金属中空導波路では、内装する薄膜はスパッタリング法により形成されるので、その導波路の長さは製造装置に依存し、実際に製作される導波路の長さはせいぜい数メートルである。
【００１１】
又、導波路の内径は、最終工程でエッチングされる母材パイプの外径になるが、母材パイプは完全に除去されなければならず、そのために導波路の内径を小さくすることができない。現状の導波路内径の最小は０．８〜１ｍｍ程度である。導波路径が大きいほど機械的に曲げ難くなり、又、曲げ損失が増大する。更に、多くの高次モードのレーザ光が伝搬するので、集光特性が劣化するという問題もある。
【００１２】
又、上記した様に紫外波長領域においては、短波長ほどレイリー散乱による損失が増加し、通常の光ファイバは極めて高損失になる。中空導波路では、紫外光伝送に適用できる誘電体は存在しているものの、製造上の多くの課題を克服することは困難である。このため、紫外光伝送導波路の開発は殆ど行われていないのが現状である。しかし、レイリー散乱が無視しうる点を考慮すれば、中空構造の導波路が有望と考えられる。
【００１３】
従って、本発明の目的は、広範囲の波長帯におけるレーザ光を低損失に伝送でき、かつ量産性及び信頼性に優れた中空導波路を用いた医療用レーザ伝送装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、不可視領域の波長帯の治療用であるレーザ光を発振する不可視光レーザ発振装置を具備したレーザ伝送装置本体と、このレーザ伝送装置本体に連結され前記不可視光レーザ発振装置から入射するレーザ光を伝送する中空導波路と、この中空導波路の先端に装着され患部に向けてレーザ光を照射する治具とを有する医療用レーザ伝送装置において、前記中空導波路は、中空基材の内面に、伝送する波長２μｍ以上の赤外光の波長帯に対して透明であるポリイミド樹脂層を最内層に含む交互多層膜からなる誘電体層が形成されている中空導波路であって、前記交互多層膜が屈折率の異なる複数のポリイミド樹脂からなる中空導波路であり、前記レーザ伝送装置本体は、アシストガスを導入するガス供給手段を有し、前記中空導波路の中空部および前記治具を介して前記アシストガスを患部に噴射する医療用レーザ伝送装置を提供する。
上記構成によれば、中空導波路内に入射された光の殆どが中空領域を伝搬し、中空導波路を構成する中空基材の内面に設けられたポリイミド樹脂層は、伝達する赤外波長域から紫外波長域までの広範囲の波長の光に対して透明性を示すと共に、誘電体内装中空導波路における誘電体として理想的な屈折率を有し、このポリイミド樹脂層で吸収される光の量は極めて僅かであるため、低損失に光伝送を行うことができる。しかも、ポリイミド樹脂は高い耐熱性及び耐吸湿性を有しているため、大電力のレーザ光の伝達にも十分耐えることができ、信頼性に優れている。
ガス供給手段によって中空導波路内部へ流入させるアシストガスは、患部へ噴射するためのアシストガスとして用いることができるだけでなく、塵埃、水分等の侵入防止や中空導波路自体の冷却に利用することができる。
【００１５】
本発明は、上記目的を達成するため、レーザ発振装置を具備したレーザ伝送装置本体と、このレーザ伝送装置本体に連結され前記レーザ発振装置から入射するレーザ光を伝送する中空導波路と、この中空導波路の先端に装着され患部に向けてレーザ光を照射する治具とを有する医療用レーザ伝送装置において、前記中空導波路は、中空基材の内面に、伝送する波長２μｍ以上の赤外光の波長帯に対して透明であるポリイミド樹脂層を最内層に含む交互多層膜からなる誘電体層が形成されている中空導波路であって、前記交互多層膜が屈折率の異なる複数のポリイミド樹脂からなる中空導波路であり、前記レーザ発振装置は、可視領域の波長帯の目標照射用レーザ光を発振する可視光レーザ発振器と、不可視領域の波長帯の治療用レーザ光を発振する不可視光レーザ発振器とを備え、前記レーザ伝送装置本体は、前記可視光レーザ発振器および前記不可視光レーザ発振器から発振される前記レーザ光の重畳を行って前記単一の中空導波路に入射できる重畳切替手段と、前記重畳切替手段の後段で前記中空導波路にアシストガスを導入するガス供給手段とを備え、前記中空導波路の中空部および前記治具を介して前記アシストガスを患部に噴射する医療用レーザ伝送装置を提供する。
上記構成によれば、目標照射用レーザ光と治療用レーザ光を重畳することにより、例えば、最初にＨｅ−Ｎｅレーザ光等の可視光のみを照射して目標を定め、次いで赤外レーザ光等の目に見えないレーザ光側に切り替えるだけでなく、可視レーザ光と不可視レーザ光とを重畳すれば、不可視レーザ光を安全に目標に対して照射することができる。
【００１６】
ポリイミド樹脂層には、２０〜３５ｗｔ％のフッ素を含有させることが好ましい。ポリイミド樹脂層に含有させたフッ素は、過度に含有させると、ポリイミド樹脂層の耐熱性の低下、線膨張係数の増大や付着力の低下を招くが、フッ素の含有量が２０〜３５ｗｔ％の範囲では実用上支障をきたすことはなく、ポリイミド樹脂中のＣＨ基による吸収損失を抑制することができると共に理想的な屈折率となるようにポリイミド樹脂層の屈折率を制御することができる。
【００１７】
ポリイミド樹脂層は、単層のほか、ポリイミド樹脂層と、これとは別の屈折率を有する透明な誘電体層とを交互に設けた多層構造にすることもできる。これにより、屈折率の異なる２種類の透明材料が交互に配設される結果、伝送損失を更に低減させることができる。
【００１８】
中空基材は、燐青銅又はステンレスから成る金属材料を用いた構成にすることができる。中空基材に燐青銅を用いた場合は、曲げによる塑性変形が生じ難いという特長を持ち、又、中空基材にステンレスを用いた場合は、化学的に安定であるという特長を持ち、且つ内壁表面粗さの小さいものを安価に入手できるという利点ある。両金属共に金や銀の中空基材に比較して安価でありながら、導波路の耐久性を高めることができる。
【００１９】
中空領域内でレーザ光を反射させながら伝搬するため、少なくともその内壁が金属であることが望ましく、金属製の中空基材又は非金属性材料の内面に少なくとも１種類の金属薄膜を形成したものが特に好ましい。金属製の中空基材は、その内面に中空基材とは異なる金属材料による金属薄膜を設けることができる。そして、中空基材は、フッ素樹脂、シリコン樹脂、ガラスのいずれかから成る非金属材料が用いられ、その内面に少なくとも１種類の金属薄膜が形成された構成にすることができる。中空基材が金属製の場合、その内面に中空基材とは異なる金属材料による金属薄膜を設けることにより、ポリイミド樹脂層の付着力を高めることができる。中空基材が非金属製の場合、この材料にフッ素樹脂、シリコン樹脂等を用いると、これらは可撓性及び耐薬品性に優れているため、使用用途が広くなる。又、ガラスを用いた場合、表面粗さが極めて小さいことから伝送損失を低減することができる。
【００２０】
金属薄膜としては、金、銀、銅、モリブデン、ニッケルのいずれかを用いることができる。金属薄膜として金、銀、銅等の貴金属を用いた場合、その複素屈折率の絶対値が大きいため、低損失の中空導波路を得ることができる。金属薄膜としてモリブデンを用いた場合は、硬質で傷が付き難く、ニッケル層を中空基材と貴金属層との間に介在させることにより、貴金属層を直接中空基材に形成する場合よりも強い付着力を実現することができる。
【００２１】
このような中空導波路は、金属製又は内面に少なくとも１種類の金属薄膜が形成された非金属製の中空基材内にポリイミド前駆体溶液を加圧供給し、ついでポリイミド前駆体溶液を中空基材内から排出した後、加熱乾燥し、中空基材の内壁にポリイミド樹脂層を形成する工程を繰り返し実施し、所定の膜厚のポリイミド樹脂層を形成することによって製造することができる。
【００２２】
この製造方法におけるポリイミド前駆体溶液は、ジメチルアセトアミド又はＮ−メチル−２−ピロリドンの溶媒により粘度が１００ｃｐ以下に希釈され、不揮発分である樹脂分含有量が３〜１０ｗｔ％の溶液を用いることが好ましい。又、上記製造方法にあっては、加熱乾燥において乾燥ガスをポリイミド前駆体溶液を塗布した中空基材の中空部に供給することができる。
【００２３】
金属製又は、内面に金属薄膜が形成された非金属製でパイプ状の中空基材に対し、その内部にポリイミド前駆体溶液を加圧供給し、ついでポリイミド前駆体溶液を中空基材内から排出することにより、中空基材の内面全域にポリイミド前駆体溶液の薄い層が形成される。この状態で乾燥を行えば、中空基材の内壁にポリイミド樹脂層が形成される。この結果、簡単な方法によってポリイミド樹脂層を均一に形成することができる。
【００２４】
更に、ポリイミド樹脂層の膜厚及びその均一性は、ポリイミド前駆体溶液の粘度及び不揮発分である樹脂分含有量によって大きく左右されるが、ジメチルアセトアミド又はＮ−メチル−２−ピロリドンの溶媒により粘度が１００ｃｐ以下になるように希釈し、又、不揮発分である樹脂分含有量を３〜１０ｗｔ％にしたポリイミド前駆体溶液は、希釈したことにより均一な膜厚を得るように作用し、又、最適値に選定された樹脂分含有量は膜厚制御を容易にするように作用する。
【００２５】
中空基材内に供給された乾燥ガスは、中空基材内面のポリイミド前駆体溶液の薄い層を急速に乾燥させ、乾燥時間を短縮するように機能する。又、上記したポリイミド樹脂内装中空導波路をレーザ伝送装置に装着すれば、赤外波長領域から紫外波長領域までの広い範囲で存在する種々のレーザ光を伝送することが可能である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の医療用レーザ伝送装置に用いられる中空導波路の一実施の形態を示す断面図である。中空導波路は、図１に示すように、中空基材としての金属パイプ１、この金属パイプ１の内面に設けられたポリイミド樹脂層２、このポリイミド樹脂層２の内面によって形成される中空領域３の各々から誘電体内装金属中空導波路４が形成されている。
【００２７】
誘電体内装金属中空導波路４に入射される光（レーザ光）は、中空領域３とポリイミド樹脂層２との境界及びポリイミド樹脂層２と金属パイプ１との境界で反射を繰り返しながら伝搬する。一般に、導波路内を伝搬するレーザ光に対して金属材料は光の吸収が大きく、レーザエネルギーは金属層内に深く入り込まない。したがって、光学的には、ポリイミド樹脂層２に接する金属層の厚さは、スキンデプス以上あれば十分である。
【００２８】
金属パイプ１は光学的に伝送特性に関与するだけでなく、導波路４の機械的強度を保つ働きも担っている。ポリイミド樹脂層２に接する金属は、例えば、銀や金等のように複素屈折率の絶対値が大きいほど低損失になる。なお、金属パイプ１に銀や金のパイプを用いることは、導波路の低損失化に有効であるが、経済性及び機械的特性を考慮すると、実用的ではない。
【００２９】
金属パイプ１の他の例には、安価で機械的特性に優れた厚肉の金属パイプ（例えば、曲げによる塑性変形が生じ難い燐青銅パイプ、化学的に安定で内壁表面粗さの小さいステンレスパイプ等）の内面に、別の金属材料からなる金属薄膜（例えば、複素屈折率の絶対値が特に大きい金、銀、銅、或いは無電解メッキによって強い付着力を有するニッケル等）を形成した構成の金属パイプがある。この場合のポリイミド樹脂層２に接する金属薄膜層は、その膜厚がスキンデプス以上あれば十分である。
【００３０】
ここで、ポリイミド樹脂層２は、低屈折率で紫外領域から赤外領域までの広い波長領域で透明である樹脂材を用いるが、この種のポリイミド樹脂は赤外波長帯で有機物固有の複数の吸収ピークを有し、この吸収ピークは波長に対して離散的に存在する。この吸収ピーク波長は、例えば、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ、ＣＯレーザ、ＣＯ2レーザ等の実用上重要なレーザの発振波長とは一致していない。
【００３１】
赤外領域において、材料固有の吸収ピークを有する波長帯以外でもポリイミド樹脂の吸収係数は、ゲルマニウムや硫化亜鉛等の無機物に比較すれば大きい。しかし、充実タイプの光ファイバと異なり、中空導波路は伝送されるレーザエネルギーの殆どが損失の無い中空領域３に集中し、僅かなレーザエネルギーのみがポリイミド樹脂層２の内部を伝搬するので、伝送損失は極めて小さくなる。
【００３２】
又、誘電体内装金属中空導波路では、内装される誘電体薄膜の屈折率が２1/2に近いほど、伝送損失は小さくなることが知られている（例えば、「A.Hongo, K.Morosawa, T.Shiota, Y.Matsuura, M.Miyagi, IEEE J.Quantum Electron., vol.26,1510,1990」に開示されている）。従来用いられていたゲルマニウムの屈折率は４、硫化亜鉛が２．３であるのに対し、本発明で用いるポリイミド樹脂層２の屈折率は１．５〜１．６程度であり、より低損失の導波路を得ることができる。また、屈折率が低いということは、内装する薄膜の膜厚許容範囲が広くなることを意味し、製作上も有利である。このように、ポリイミド樹脂は、内装する誘電体としてほぼ理想的な屈折率を有していることがわかる。
【００３３】
更に、ポリイミド樹脂を用いることの最大の利点は、その耐熱性にある。上記のように、ポリイミド樹脂層中を伝搬するレーザエネルギーは僅かであるが、吸収されたレーザエネルギーは全て熱に変換されるので、特に、本発明のような高エネルギーを持つレーザ光の伝送路において耐熱性は重要である。ポリイミド樹脂以外の有機材料でも低屈折率で比較的吸収の小さい材料は存在するが、熱変形や熱分解による損失の増加、有害物質の発生等の懸念がある。これに対し、ポリイミド樹脂は、３２０℃以上のガラス転移点と５００℃以上の熱分解温度を有しており、耐熱性に優れている。このことから、本発明の目的とするレーザ光伝送には最適である。
【００３４】
又、ポリイミド樹脂は、その一部をフッ素に置換することにより、ＣＨ基による吸収損失を抑制すると共に、屈折率を低下させて理想的な値である２1/2に更に近づけることができる。更に、ポリイミド樹脂の吸湿性を低減し、長期信頼性を向上させることができる。ＯＨ基による吸収が赤外領域に存在するので、ポリイミド樹脂の吸湿性は、特に、赤外光伝送において重要である。但し、フッ素化の過剰は、耐熱性の低下、線膨張係数の増大、及び付着力の低下を招くことになる。
【００３５】
そこで、本発明では２０〜３５ｗｔ％のフッ素を含有しているポリイミド樹脂を推奨する。例えば、ポリイミド樹脂に３５ｗｔ％のフッ素を含有させた場合、中赤外領域における屈折率は約１．５となり、３２０℃のガラス転移点と５００℃の熱分解温度を維持することができる。又、フッ素を含有していないポリイミド樹脂と比較して、吸湿性は約１／５以下、すなわち０．２％以下に抑えることができる。
【００３６】
又、図１の中空導波路において、金属パイプ１の代わりに金属薄膜層を内装した非金属パイプを用いることができる。この一例を示したのが図２である。フッ素樹脂パイプやシリコン樹脂パイプ、或いはガラスパイプ等を素材にした非金属パイプ５の内面の全域には金属薄膜６が形成され、更に、この金属薄膜６の内面の全域にはポリイミド樹脂層７が形成されている。
【００３７】
非金属パイプ５としては、フッ素樹脂パイプやシリコン樹脂パイプが可撓性及び耐薬品性に優れており、ガラスパイプは内面の表面粗さが極めて小さいので、伝送損失低減に有効である。特に、石英ガラスパイプは、耐薬品性に優れているだけでなく、長尺化が容易である。ガラスパイプの機械的強度は、パイプ表面に樹脂を塗布することにより飛躍的に向上させることができ、小さな曲げ半径でも破断を生じることなく曲げることができる。
【００３８】
金属薄膜６は、複素屈折率の絶対値が特に大きい金、銀、銅、或いは硬質で傷の付き難いモリブデンが適している。光学的には、これらの金属膜を１層設けるのみで十分であるが、金属膜の付着力を高めたい場合には、非金属パイプと内装する金属薄膜との間に別の金属膜、例えば、ニッケル層を介在させればよい。非金属パイプ内に無電解のニッケルめっき液を流入して排出することにより、付着力に優れたニッケル層を容易に形成することができる。
【００３９】
なお、金属パイプ或いは非金属パイプの内面に内装された金属膜の厚さは５０μｍ以下にすることが望ましく、それ以上では金属薄膜の内部応力及び線膨張係数の違いにより付着力の低下を招く恐れがある。図１及び図２に示す実施の形態においては、金属中空導波路の内面に透明薄膜であるポリイミド層が１層のみ形成された導波路になっている。このような内装導波路では、屈折率の異なる２種類の透明材料を交互に多層に内装することにより、更に伝送損失の低減を図ることができる。この一例を示したのが図３である。
【００４０】
金属パイプ１（又は金属薄膜を内装した非金属パイプでもよい）の内面には、夫々屈折率が等しいポリイミド樹脂層２ａ，２ｃと、夫々屈折率が等しい他の誘電体層２ｂ，２ｄ（ここでは４層の例を示したが、２層以上であれば何層でもよい）を交互に形成して多層化し、交互多層膜９を設けた構成にしている。この場合、内装する２種類のポリイミド樹脂層２ａ，２ｃと、他の誘電体層２ｂ，２ｄとの屈折率の差が多いほど、或いは交互多層膜の層数が多いほど損失低減の効果は大きくなる。そして、他の誘電体層２ｂ，２ｄの誘電体材料には、有機、無機を問わず、透明で屈折率が異なる材料であれば、使用可能である。特に、ポリイミド樹脂は、上記したようにフッ素の含有量によって屈折率を制御することができる。したがって、他の誘電体層２ｂ，２ｄとしてポリイミド樹脂層２ａ，２ｃとは屈折率が異なるポリイミド樹脂を用いて、屈折率の異なる２種類のポリイミド樹脂の交互多層膜としてもよい。これは同種の材料の組み合わせであることから、付着力等の信頼性を高めることができる。
【００４１】
交互多層膜９の組み合わせとしては、ポリイミド樹脂等の有機誘電体ばかりでなく、他の誘電体層２ｂ，２ｄとして無機誘電体を用いるなど、無機誘電体との組み合わせも可能である。無機誘電体はポリイミド樹脂よりも屈折率の高いものが多く存在し、赤外領域において透明な無機誘電体にはゲルマニウム、硫化亜鉛、ヨウ化銀等がある。これらの材料は全てポリイミド樹脂よりも高い屈折率をもち、特にヨウ化銀は無電解で銀薄膜を形成した後、これを化学的にヨウ素化することにより、容易にヨウ化銀の薄膜をパイプ内に形成することができる。本発明は、このようなポリイミド樹脂と有機或いは無機誘電体からなる交互多層膜を内装した中空導波路においても有効である。
【００４２】
なお、図３の例では、最内層には、他の誘電体層２ｄが形成されているが、この誘電体層２ｄの内面に、更にポリイミド層を形成し、そのポリイミド樹脂層を最内層としてもよく、どの材料を最内層とするか否か、或いは２種類の材料の順番は、各層の屈折率の大きさ、膜厚等により決定される。次に、図４の構成図を参照して図１に示した中空導波路の製造方法について説明する。
【００４３】
ポリイミド前駆体溶液は、ジメチルアセトアミド又はＮ−メチル−２−ピロリドンの溶媒によって希釈することが可能であり、パイプ１内に注入して直接に成膜することができ、その膜厚は樹脂分含有量、粘度などの使用条件によって制御することができる。このようにして形成した膜は、ポリイミド樹脂特有の耐熱性、耐薬品性等を有している。
【００４４】
図４に示すように、容器１０内には、溶媒によって希釈されたポリイミド前駆体溶液１１（例えば、東レ株式会社製の「トレニース」、日立化成株式会社製の「ＯＰＩ」等）が収容されている。容器１０の上方には電磁石１２が設置され、溶液流入管１３の一部を成す可撓性の管１３ａに接続されており、この管１３ａは三方弁１４を介して溶液流入管１３に連通している。溶液流入管１３の端部には、金属製或いは金属薄膜を内装した非金属製のパイプ１５（このパイプが中空導波路となる）が着脱可能に接続されており、このパイプ１５の終端には溶液流出管１６の端部が着脱可能に接続されている。この溶液流出管１６の途中には三方弁１７が配設され、ポンプ１８側に分岐している。又、三方弁１７には真空ポンプ１９が接続されている。
【００４５】
ポリイミド前駆体溶液１１の排出後、リニアモータ２２を駆動すると、温度調節器２１によって温度が１００℃に調節されている乾燥機２０はパイプ１５を覆うことのできる位置まで移動し、この状態で約１０分間の乾燥が行われる。これにより、パイプ１５の内面に付着したポリイミド前駆体溶液１１の溶媒が蒸発し、図１に示した様なポリイミド樹脂層２が形成される。このとき、溶液流入側及び流出側の三方弁１４，１７を切り替え、真空ポンプ１９を作動させて、パイプ１５の内部に乾燥ガス（窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス等）を供給すれば、ポリイミド樹脂層の脱水乾燥が促進される。又、乾燥終了後は、リニアモータ２２が駆動され、乾燥機２０はホームポジションに戻される。
【００４６】
ポリイミド樹脂層２が所望の厚さになるまで上記した工程を繰り返し実行し、最後に３５０℃程度に温度設定された乾燥機２０によって約１時間の乾燥を実施すれば、パイプ１５内にポリイミド樹脂層２の薄膜を有する中空導波路が形成される。この場合も、パイプ１５内に窒素などの乾燥ガスを供給することにより、ポリイミド樹脂層を完全に脱水乾燥させることができる。なお、以上の製造工程は、プログラマブルコントロールを用いた制御により、完全自動化にすることが可能である。
【００４７】
図４においては、パイプ１５を直線状態に保持しているが、パイプ１５をコイル状に束ねて加熱乾燥が可能な密閉容器内に収納し、この密閉容器内部でパイプ１５を加熱すれば、長尺な導波路の形成も容易である。又、パイプ１５がフッ素樹脂パイプやシリコン樹脂パイプである場合、高温に加熱した乾燥ガスを用いてパイプ１５の内部のみを加熱すればよい。これにより、ポリイミドの乾燥温度よりも耐熱性が低い樹脂パイプであっても、中空導波路の製造が可能になる。
【００４８】
本実施の形態で説明した製作方法においては、ポリイミド前駆体溶液１１はジメチルアセトアミド又はＮ−メチル−２−ピロリドン溶媒によって粘度１００ｃｐ以下に希釈することが膜厚の均一性を実現するために重要である。特に、粘度１０〜５０ｃｐで作製されたポリイミド樹脂層では、導波路内面側の表面粗さを０．０３μｍ以下上にすることが可能である。更に、このポリイミド前駆体溶液１１の粘度１００ｃｐ以下である範囲においては、不揮発分である樹脂分含有量は３〜１０ｗｔ％であることが望ましい。なお、樹脂分含有量が３ｗｔ％未満である場合、ポリイミド樹脂層形成の工程を繰り返す回数が増大し、重ね塗りの結果、膜厚が不均一になることが懸念される。又、樹脂分含有量が１０ｗｔ％以上では、１回の工程でポリイミド樹脂層が厚くなりすぎ、ポリイミド樹脂層内でのレーザエネルギーの吸収が無視できなくなる。更に、樹脂分含有量が３〜１０ｗｔ％以外で成膜したポリイミド樹脂層は、伝送損失が高く、また伝送特性の再現性も悪いものであり、３〜１０ｗｔ％以外では膜厚制御が難しく、又、膜の付着力が低下しているものと予測される。
【００４９】
このような粘度及び樹脂分含有量を調整したポリイミド前駆体溶液を用いることにより、内径が２００〜５００μｍ程度（或いは、それ以下）の細径中空基材であっても、内径が１ｍｍ以上の太径中空基材であっても、その内面に容易に所望の膜厚を有するポリイミド樹脂層を形成することができる。図５は中空導波路の内装誘電体の膜厚と光の伝送損失との関係を示し、ポリイミド樹脂内装銀中空導波路と従来のゲルマニウム内装銀中空導波路とを比較した結果が示されている。
【００５０】
横軸は内装するゲルマニウム（破線特性）及びポリイミド樹脂（実線特性）膜の膜厚を示し、縦軸はＨＥ11モードの伝送損失を夫々示している。ただし、ここでは伝送する光は波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光とし、導波路内径は８００μｍとする。ゲルマニウムの屈折率が４であるのに対し、上記したようにポリイミド樹脂の屈折率は１．５〜１．６の低い値である。
【００５１】
本発明のポリイミド樹脂内装銀中空導波路は、従来のゲルマニウム内装銀中空導波路と比較して、夫々の最適膜厚における最低損失が約１／３に低減されることがわかる。更に、伝送損失は内装する薄膜の膜厚に対して周期的に変化するが、ポリイミド樹脂を内装した場合には膜厚に対する伝送損失の変化が緩やかとなり、製作上の薄膜の膜厚許容範囲を広くとることができる。又、ＣＯ2レーザ光を伝送する場合、ポリイミド樹脂膜の膜厚が約１．４μｍのときに伝送損失が最小値になることがわかる。この最適膜厚は、伝送するレーザ光の波長によって夫々異なるが、図５に示したＣＯ2レーザ光の伝送に限らず、ポリイミド樹脂の吸収波長帯を除く任意の波長に対しても同様に伝送するレーザ光の波長に従って最適な膜厚を設定すれば、低損失な導波路を実現することができる。
【００５２】
図６はポリイミド樹脂を用いて実際に製造された中空導波路を伝搬する光の波長と伝送損失との関係を示している。図中、横軸は波長を示し、縦軸は伝送損失を示す。なお、比較のため、ポリイミド樹脂層を内装していない銀中空導波路の損失特性も合わせて示している。特性曲線は、波長６〜９μｍの範囲で数個のポリイミド固有の吸収ピークが見られるが、その他の波長域において低損失となり、特に赤外領域において、実用上重要なＥｒ−ＹＡＧレーザ（２．９μｍ）、ＣＯレーザ（５μｍ）、ＣＯ2レーザ（１０．６μｍ）の発振波長では、吸収ピークは見られない。したがって、これらのレーザ光は低損失で伝送することができる。
【００５３】
ところで、本実施の形態で説明した導波路では、その内部にＨｅ−Ｎｅレーザなどの可視光を重畳又は切り替えて伝送させることができる。これは、目に見えないレーザ光を安全に目的物に照射するために極めて有効である。更に、同時に乾燥させた空気、窒素、炭酸ガス等の気体を中空導波路内部に流入できるのも、中空導波路の大きな特長である。これらの乾燥ガスは、導波路内部への粉塵や水分の侵入を防止するだけでなく、導波路の冷却にも効果がある。更に、例えば、医療用においては、レーザ光と同時に患部へ空気、窒素、炭酸ガス等のアシストガスを噴射する必要があるが、導波路が中空であるために、別経路で導入することなく中空導波路を利用することができる。このような考えによるレーザ伝送装置の構成について以下に説明する。
【００５４】
図７は、本発明のレーザ伝送装置の一実施の形態を示す模式的構成図である。装置本体２３の内部には、不可視光レーザ発振器２４（ＣＯ2レーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等）及び可視レーザ発振器２５（Ｈｅ−Ｎｅレーザ等）が設置され、両発振器の出力光を導く光路は途中で１本化されるが、その結合部位にはシャッター２６が設置され、不可視光レーザ又は可視レーザの一方のみを選択できるようになっている。また、シャッター２６の後段の光路内には、アシストガス２７を導入できるように構成されている。更に、光路には中空導波路２８が連結され、その先端には集光用のレンズ等を備えた治具２９が装着されている。なお、３０は中空導波路２８をつり下げるためのスタンドである。図７のレーザ伝送装置においては、まず、不可視光レーザ発振器２４の出力が中空導波路２８側に出ないようにシャッター２６を図示の状態から起立させて不可視光レーザ発振器２４の光路を閉じ、可視レーザ発振器２５の可視レーザ光のみを通過させる。ついで、治具２９を例えば患部等に向け、可視レーザにより目視により治具２９を患部に照準を合わせる。この後、シャッター２６を図示したように略４５°傾けて不可視光レーザ発振器２４側に切り替え、シャッター２６で反射させて導いた不可視光レーザ光を患部に照射する。また、必要に応じて、レーザ光と同時に患部へ空気、窒素、炭酸ガス等のアシストガス２７を導入する。
【００５５】
なお、図７において、シャッター２６の代わりに不可視光を反射し、可視光を透過することのできるビームコンバイナを図示のように４５°傾けて固定してもよく、その場合には、各レーザ発振器２４，２５のオン・オフを切り替えることで各レーザ光の切り替え、重畳を制御することができる。本発明者らは、上記の構成による導波路及び図７によるレーザ伝送装置について医療分野への適応性を確認する為、ＣＯ2レーザの伝送及びＥｒ−ＹＡＧレーザの伝送を行った。尚、ＣＯ2レーザは止血しながら切開が可能であるため、レーザメスへの利用が可能である。又、Ｅｒ−ＹＡＧレーザは、歯や骨などの硬組織の切削に適している。実験に用いた中空導波路は、内径７００μｍ、外径８５０μｍ、長さ１メートルの導波路であり、ＣＯ2レーザによる切開及びＥｒ−ＹＡＧレーザによる歯の切削を実際に試みたところ、いずれも良好な結果を得ることができた。特に、Ｅｒ−ＹＡＧレーザを伝送したところ、透過率８０％以上、入力パワー３００ｍＪ（１０ＰＰＳ）を得ることができた。Ｅｒ−ＹＡＧレーザは、エアタービンに取り付けたドリルに取って代わる硬組織の切削治療機器として、歯科治療の分野で特に注目されているが、本発明の導波路を用いれば容易に目的の装置を構成することができる。
【００５６】
なお、図６で示した特性は、波長２μｍ以上の広い赤外波長帯で低損失になるように膜厚を設定した導波路であるが、ポリイミド樹脂層の膜厚を波長に対して適宜設定することにより、ポリイミド固有の吸収ピークの波長を除けば、紫外から赤外の広範囲な波長域にわたる低損失導波路の実現が可能である。又、図５及び図６では、ポリイミド樹脂を１層のみ内装した導波路の作用を示したが、上記のように、ポリイミド樹脂と、これとは別の屈折率をもつ透明薄膜との交互多層膜を内装した中空導波路では、伝送損失低減の効果が更に顕著に現れる。
【００５７】
以上述べたように、本実施の形態に係る医療用レーザ伝送装置によれば、中空基材の内面に、伝送する光の波長帯に対して透明であるポリイミド樹脂層が形成された中空導波路を用いているので、低損失に光伝送を行うことができる。しかも、ポリイミド樹脂は高い耐熱性及び耐吸湿性を有しているため、大電力のレーザ光の伝達にも十分耐えることができ、信頼性にも優れている。また、この中空導波路により赤外波長領域から紫外波長領域までの広い範囲で存在する種々のレーザ光を伝送することが可能である。
【００５８】
また、本実施の形態に係る中空導波路の製造方法によれば、中空の金属導波路の中にポリイミド前駆体溶液を流入させ、これを排出させた後に乾燥を行うことにより、金属導波路の内面にポリイミド樹脂層が容易に形成される。このポリイミド樹脂層の厚さは、流入、排出及び加熱乾燥工程の回数、溶液粘度、樹脂分含有量の製造条件によって任意かつ高精度に制御することができ、また、このような簡単な方法によってポリイミド樹脂層を均一に形成することができる。更に、この製造方法は、可撓性の優れた細い径の導波路の製造にも適用でき、しかも形成される導波路の長さは製造装置に依存せず、長尺化も容易である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の医療用レーザ伝送装置によれば、中空導波路の中空基材の内面に、伝送する光の波長帯に対して透明であるポリイミド樹脂層が形成されているので、低損失に光伝送を行うことができる。しかも、ポリイミド樹脂は高い耐熱性及び耐吸湿性を有しているため、大電力のレーザ光の伝達にも十分耐えることができ、信頼性にも優れている。
また、赤外波長領域から紫外波長領域までの広い範囲で存在する種々のレーザ光を伝送することが可能である。
また、ガス供給手段によって中空導波路内部へ流入させるアシストガスは、患部へ噴射するためのアシストガスとして用いることができるだけでなく、塵埃、水分等の侵入防止や中空導波路自体の冷却に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の医療用レーザ伝送装置に用いられる中空導波路の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の医療用レーザ伝送装置に用いられる中空導波路の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図３】本発明の医療用レーザ伝送装置に用いられる中空導波路の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図４】図１に示した中空導波路の製造装置を示す構成図である。
【図５】図１に示した中空導波路の内装誘電体の膜厚と光の伝送損失の関係を示す特性図である。
【図６】図１に示した中空導波路内を伝搬する光の波長と伝送損失の関係を示す特性図である。
【図７】本発明の医療用レーザ伝送装置の一実施の形態を示す模式的構成図である。
【符号の説明】
１  金属パイプ
２，２ａ，２ｃ  ポリイミド樹脂層
２ｂ，２ｄ  他の誘電体層
３，８  中空領域
４  誘電体内装金属中空導波路
５  非金属パイプ
６  金属薄膜
７  ポリイミド樹脂層
９  交互多層膜
１０  容器
１１  ポリイミド前駆体溶液
１２  電磁石
１３  溶液流入管
１４，１７  三方弁
１５  パイプ
１６  溶液流出管
１８  ポンプ
１９  真空ポンプ
２０  乾燥機
２１  温度調節器
２２  リニアモータ
２３  装置本体
２４  不可視光レーザ発振器
２５  可視レーザ発振器
２６  シャッター
２７  アシストガス
２８  中空導波路
２９  治具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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