(57)【要約】【課題】石英系光ファイバが使用できない光の波長帯、特に赤外波長帯において伝送損失の少ない中空導波路を提供する。【解決手段】導波路を構成する金属パイプ２と、金属パイプ２の内壁に内装された誘電体層３を有し、誘電体層３は、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明な環状オレフィンポリマーを用いた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路を構成する管状部材と、
前記管状部材の内壁に内装され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明な環状オレフィンポリマーよりなる薄膜の誘電体を有し、
前記薄膜の誘電体は、ＣＯレーザの波長によって定まる所定の厚みを有することを特徴とする中空導波路。
【請求項２】
導波路を構成する管状部材と、
前記管状部材の内壁に内装され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明な環状オレフィンポリマーよりなる薄膜の誘電体を有し、
前記薄膜の誘電体は、ＣＯ2レーザの波長によって定まる所定の厚みを有することを特徴とする中空導波路。
【請求項３】
導波路を構成する管状部材と、
前記管状部材の内壁に内装され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明な環状オレフィンポリマーよりなる薄膜の誘電体を有し、
前記薄膜の誘電体は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザの波長によって定まる所定の厚みを有することを特徴とする中空導波路。
【請求項４】
前記環状オレフィンポリマーは、ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、またはテトラシクロドデセンを原料とするポリマー溶液の熱処理に基づく非結晶性環状オレフィンポリマーである構成の請求項１乃至３のいずれかに記載の中空導波路。
【請求項５】
前記管状部材は、リン青銅あるいはステンレスで構成される金属パイプである構成の請求項１乃至３のいずれかに記載の中空導波路。
【請求項６】
前記金属パイプは、内壁に他の金属材料からなる金属薄膜を設けた構成の請求項５記載の中空導波路。
【請求項７】
前記金属薄膜は、金，銀，モリブデン，あるいはニッケルで構成される請求項６記載の中空導波路。
【請求項８】
前記管状部材は、非金属パイプである構成の請求項１乃至３のいずれかに記載の中空導波路。
【請求項９】
前記非金属パイプは、内壁に少なくとも１層の金属材料からなる金属薄膜を設けた構成の請求項８記載の中空導波路。
【請求項１０】
前記金属薄膜は、金，銀，モリブデン，あるいはニッケルで構成される請求項９記載の中空導波路。
【請求項１１】
前記非金属パイプは、フッ素樹脂あるいは石英ガラスで構成される請求項８記載の中空導波路。
【請求項１２】
前記管状部材によって囲まれた中空領域は、可視光および波長２μｍ以上の赤外光を重畳、または切り替えて入射する構成の請求項１乃至３のいずれかに記載の中空導波路。
【請求項１３】
前記管状部材によって囲まれた中空領域は、空気、窒素、あるいは炭酸ガスを挿通させる構成の請求項１乃至３のいずれかに記載の中空導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は石英系光ファイバを用いて伝送することができない赤外波長帯等における光の伝送媒体に関するものであり、医療、工業加工、計測、分析、化学等の分野で有用である各種レーザ光の伝送に好適な可撓性を有する中空導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長２μｍ以上の赤外光は、医療、工業加工、計測、分析、あるいは化学等の様々な分野で利用されている。特に、波長２．９４μｍ帯のＥｒ−ＹＡＧレーザ、５μｍ帯のＣＯレーザ、および１０．６μｍ帯のＣＯ2 レーザは、発振効率が高く高出力が得られ、また、水に対しても大きな吸収を持つことから、医療用の治療機器や工業加工用の光源として重要である。
【０００３】
ところで、従来の通信用に使用されている石英系光ファイバは、波長２μｍ以上のレーザ光を使用すると分子振動による赤外吸収が大きくなって高損失となる。このため、これらのレーザ光を伝送する導波路として石英系の光ファイバを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使用する新しいタイプの光導波路の研究および開発が活発に行われている。
【０００４】
現在、研究開発が行われている波長２μｍ以上の赤外光用の導波路は、充実タイプのいわゆる赤外ファイバと中空導波路に大別される。
【０００５】
赤外ファイバの材料は、重金属酸化物ガラス（ＧｅＯ2 ，ＧｅＯ2 −Ｓｂ3 Ｏ3 等）、カルコゲナイトガラス（Ａｓ−Ｓ，Ａｓ−Ｓｅ等）、そしてハロゲン化物に分類される。ハロゲン化物は、更にハライドガラス（ＺｎＣｌ2 ，ＣｄＦ3−ＢａＦ2 −ＺｒＦ4 等）、および結晶性金属ハロゲン化物（ＫＲＳ5 ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，ＫＣｌ等）に分けられる。
【０００６】
中空導波路についても、構造、材料、形状の観点から種々の導波路が提案、試作されている。例えば、特許文献１ではポリイミドを誘電体として使用した中空導波路が開示されている。
【０００７】
このような中空導波路は、充実タイプの赤外光ファイバと比較して入出力射での反射が少なく、冷却効果が高いことから大電力伝送に適している。
【特許文献１】特開平８−３６１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、赤外波長帯で用いる充実タイプの光ファイバには、一般に屈折率が高く反射損が大きいことから大電力伝送には不利である。特に、上記した従来のガラス質の光ファイバは、一般に融点や軟化点が低く、僅かな損失でも光ファイバの端面に損傷が生じやすい。また、透過域もほとんどが波長６〜７μｍで、ＣＯ2 レーザ光を伝送することは困難である。結晶性の赤外ファイバは、透過域がＣＯ2 レーザの波長帯である１０．６μｍにまで達するものもあるが、繰り返し曲げによる塑性変形が生じたり、また、潮解性が大であるものが多く長期的な信頼性に問題がある。
【０００９】
一方、特許文献１記載のポリイミドを誘電体として用いた中空導波路においては、誘電体の吸水率の点から赤外レーザ光を伝送する場合の伝送損失が問題となる。
【００１０】
従って、本発明の目的は、石英系光ファイバが使用できない光の波長帯、特に赤外波長帯において伝送損失の少ない中空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】
【００１１】
本発明は上記の目的を達成するため、導波路を構成する管状部材と、前記管状部材の内壁に内装され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明な環状オレフィンポリマーよりなる薄膜の誘電体を有し、前記薄膜の誘電体は、ＣＯレーザの波長によって定まる所定の厚みを有することを特徴とする中空導波路を提供する。
【００１２】
また、本発明は、導波路を構成する管状部材と、前記管状部材の内壁に内装され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明な環状オレフィンポリマーよりなる薄膜の誘電体を有し、前記薄膜の誘電体は、ＣＯ2レーザの波長によって定まる所定の厚みを有することを特徴とする中空導波路を提供する。
【００１３】
更に、本発明は、導波路を構成する管状部材と、前記管状部材の内壁に内装され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明な環状オレフィンポリマーよりなる薄膜の誘電体を有し、前記薄膜の誘電体は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザの波長によって定まる所定の厚みを有することを特徴とする中空導波路を提供する。
【００１４】
環状オレフィンポリマーは、ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、またはテトラシクロドデセンを原料とするポリマー溶液の熱処理に基づく非結晶性環状オレフィンポリマーであることが好ましい。
【００１５】
管状部材は、金属パイプであっても良く、リン青銅あるいはステンレスを用いることができる。また、非金属パイプであっても良く、フッ素樹脂あるいは石英ガラスを用いることができる。この金属あるいは非金属パイプは内壁に他の金属材料からなる金属薄膜を設けた構成としても良く、金属薄膜として、金，銀，モリブデン，あるいはニッケルをコーティングしても良い。また、このようにして構成された中空導波路、即ち、管状部材によって囲まれた領域には、可視光および波長２μｍ以上の赤外光を重畳、または切り替えて入射することができる。また、管状部材の中空領域には、空気，窒素，あるいは炭酸ガスを挿通させることもできる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の中空導波路は、誘電体薄膜として用いる環状オレフィンポリマーの吸水率が０．０１％以下と低吸水率であるため、赤外レーザ光を伝送する場合の伝送損失が小となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態における中空導波路１を示し、金属パイプ２の内壁に環状オレフィンポリマーを材料とする誘電体層３と、誘電体層３の内側に設けられる中空領域４を有する。
【００１８】
中空導波路１内に入射するレーザ光は、中空領域４と誘電体層３との境界および誘電体層３と金属パイプ２との境界で反射を繰り返すことにより伝搬される。一般に、金属材料は導波路内を伝送するレーザ光の吸収特性が大であるので、レーザエネルギーが金属層内に深く入り込むことはない。従って、光学的には誘電体層３Ｂに接する金属層の厚さはスキンデプス以上あれば充分である。
【００１９】
金属パイプ２は、光学的に伝送特性に関与するだけでなく、中空導波路１の機械的強度を維持している。誘電体層３に接する金属として、例えば、銀や金のように複素屈折率の絶対値が大であるものほど低損失になることから、銀や金で構成される金属パイプ２を用いれば導波路の低損失化に有効である反面、経済的、機械的特性を考慮すると実用的ではない。
【００２０】
また、金属パイプ２として、安価で機械的強度に優れた厚肉の金属パイプの内壁に別の金属材料からなる金属膜を形成したものを用いても良い。このような条件を満足するものとして、熱伝導率が高く、かつ機械的曲げ特性の優れたリン青銅パイプや、化学的に安定で内壁表面粗さが小であるパイプが安価で入手できるステンレスパイプがある。これらの金属パイプの内壁に形成される金属膜として、複素屈折率の絶対値が特に大である金，銀，銅，あるいは硬質で傷の付きにくいモリブデンが好適である。
【００２１】
環状オレフィンポリマーには、低屈折率で紫外領域から赤外領域までの幅広い領域で透明なものが存在する。本発明では、特に、ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、またはテトラシクロドデセンを原料とする非結晶性の環状オレフィンポリマーを使用している。このような環状オレフィンポリマーは、赤外波長帯で材料固有の吸収ピークを有するが、波長に対して離散的に存在することから、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光源の発振波長を避けることができる。
【００２２】
環状オレフィンポリマーは、ゲルマニウムや硫化亜鉛等と比較して、赤外領域における材料固有の吸収ピークを有する波長帯以外でも吸収係数は大である。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ほとんどが損失のない中空領域４に集中し、わずかに誘電体層３に吸収されるだけなので、誘電体層３のわずかな吸収損失が導波路の伝送損失に与える影響は極めて小である。
【００２３】
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√２に近いほど伝送損失が小になる。環状オレフィンポリマー材料の屈折率は１．４５〜１．５５程度であることから低損失な導波路を形成でき、内装する薄膜の膜厚許容範囲が広くなるので製作も容易となる。
【００２４】
環状オレフィンポリマーは、光学ポリマーとして広く用いられているポリメチルメタクリレートと比較して耐熱温度が高く、ポリメチルメタクリレートのガラス転移点が約１０５℃であるのに対し、環状オレフィンポリマーのガラス転移点は約１４０℃である。前述のように内装誘電体層中を伝搬するレーザエネルギーはわずかであるが、吸収されたレーザエネルギーは全て熱エネルギーに変換されるので、特に、本発明のような高いレーザエネルギーの伝送路において耐熱性は重要な特性となる。
【００２５】
また、環状オレフィンポリマーの吸水率は０．０１％以下であり、ポリカーボネートやポリメチルメタクリレートの吸水率０．２％以上と比較して吸水性が低いことから、赤外レーザ光を伝送する場合の伝送損失が小になる。特に、Ｅｒ−ＹＡＧレーザの発振波長２．９４μｍは、水によるレーザ光の最大吸収ピークの波長と一致することから、わずかな水分の含有によって導波路の伝送損失が増加する。
【００２６】
図１の中空導波路１において、金属パイプ２の代わりに金属膜をコーティングした非金属パイプを用いても良い。この非金属パイプとしてはフッ素樹脂パイプや石英ガラスパイプが特に好ましい。フッ素樹脂パイプは可撓性、耐薬品性に優れており、石英ガラスパイプは耐熱、耐薬品性に優れ、更に、内壁の表面粗さが極めて小であるので伝送損失を低減させることができる。ガラスパイプの機械的強度は、ガラスパイプ外面に樹脂を塗布することで飛躍的に向上させることができる。
【００２７】
上記した非金属パイプの内壁にコーティングする金属膜として、前述したように複素屈折率の絶対値が特に大である金，銀，銅，あるいは硬質で傷の付きにくいモリブデンが好適である。光学的にはこれらの金属膜一層で充分であるが、例えば、ニッケル層を非金属パイプとこれら金属膜との間に介在させることによって金属膜の付着力を高めることができる。このニッケル層は、非金属パイプの内部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容易に形成できる。
【００２８】
本発明では、金属パイプ２の内壁にコーティングする金属膜の厚さを５０μｍ以下とした。この金属膜の膜厚はスキンデプス以上あれば充分であり、あまり厚すぎると金属膜の内部応力および線膨張係数の違いによって付着力が低下する。
【００２９】
中空導波路１は、その内部にＨｅ−Ｎｅレーザ等の可視光を重畳または切り替えて伝送することができる。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有効である。また、乾燥させた空気、窒素、あるいは炭酸ガス等の気体を導波路内部へ挿通することができる。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、レーザエネルギーの吸収に基づいて発熱した導波路を冷却する。医療分野で使用する場合には、患部へレーザ光を照射すると同時に前述した気体を噴射する必要があるが、これらの気体を導波路の中空構造を利用して導入することができる。
【００３０】
図２（ａ）に示す環状オレフィンポリマーの塗布装置と、図２（ｂ）に示す環状オレフィンポリマーの乾燥装置より構成される。
【００３１】
環状オレフィンポリマーの塗布装置は、非結晶環状オレフィンポリマーをメシチレンに溶解した溶液１４を収容した注入容器１３と、導波路となるパイプ１５の一端にジョイント１８を介して接続される注入側パイプ１７ａと、パイプ１５の他端にジョイント１８を介して接続される排出側パイプ１７ｂと、排出側パイプ１７ｂに接続される注液ポンプ１６を有する。
【００３２】
溶剤１４は、非結晶環状オレフィンポリマーをメシチレンまたはシクロヘキサンに溶解して構成されており、濃度（固形分含有量）は８〜１０％に設定されている。パイプ１５は、内径７００μｍ，外径８００μｍの石英キャピラリーで、内壁に銀薄膜がコーティングされており、長尺化に対応するためにコイル状に巻装されている。
【００３３】
環状オレフィンポリマーの乾燥装置は、ポリマー溶液が注入されたパイプ１５を熱処理する電気炉１９と、パイプ１５の内圧を減じる真空ポンプ２０と、パイプ１５に挿通されるガスの流量を表示する流量計２１と、パイプ１５，真空ポンプ２０，流量計２１を接続する配管２２ａ，２２ｂ，および２２ｃを有する。
【００３４】
以下に、誘電体の内装工程を説明する。まず、パイプ１５と注入側パイプ１７ａ、およびパイプ１５と排出側パイプ１７ｂをジョイント１８によって接続する。そして、注入側パイプ１７ａの先端を注入容器１３に収容された溶液１４に浸漬し、排出側パイプ１７ｂを注液ポンプ１６に接続する。
【００３５】
この状態で、注液ポンプ１６を作動させると、注入側パイプ１７ａからパイプ１５の内部に溶液１４が吸引され、溶液１４はパイプ１５内部へ充填、排出されてパイプ１５の内壁に一定量の溶液１４が塗布される。
【００３６】
次に、内壁に溶液１４が塗布されたパイプ１５を電気炉１９に入れ、一端に配管２２ａを介して真空ポンプ２０を接続し、他端に配管２２ｂを介して流量計２１を接続する。そして、電気炉１９を所定の温度に加熱することにより溶液１４のメシチレンを蒸発させて環状オレフィンポリマーを乾燥、固化させる。メシチレンの沸点は１６５℃であるので、加熱温度をこれより高い温度に設定する。
【００３７】
このとき、パイプ１５の内部にはメシチレンの乾燥が充分に行われるようにＮ2 ガスやＨｅガス等の乾燥ガスを挿通する。この乾燥ガスは、流量計２１に接続された配管２２ｃを介して挿通され、流量計２１の指針に基づいて流量が制御される。このようにしてパイプ１５に内装される環状オレフィンポリマーの薄膜が所望の厚さに内装されるまで、溶液１４の塗布工程、および乾燥工程を繰り返し行う。
【００３８】
環状オレフィンポリマーの薄膜が所望の厚さに内装された時点で、電気炉１９の温度を２００℃に設定し、パイプ１５を約１時間加熱して完全に乾燥させる。
【００３９】
図２（ａ）では、ポリマー溶液の塗布方法として注液ポンプを用いたが、塗布方法はこれに限定されるものではない。例えば、溶液中にキャピラリーを浸漬し、その後これを引き上げ、溶液の重力を利用してキャピラリー内壁に一様な溶液を塗布することもできる。
【００４０】
図３は、環状オレフィンポリマーと銀層からなる誘電体内装金属中空導波路の損失−波長特性を示し、比較例として環状オレフィンポリマー層を内装していない銀中空導波路の特性も合わせて示している。導波路の長さは１ｍで、導波路の内径は７００μｍである。誘電体内装金属中空導波路の環状オレフィンポリマー層は約０．５μｍである。図からも明らかなように、波長５μｍ近傍で誘電体内装金属中空導波路は低損失となり、波長５．３μｍで発振するＣＯレーザ光伝送用の導波路として適していることがわかる。この誘電体内装金属中空導波路の伝送損失は、内装する誘電体の膜厚に依存し、その最適膜厚は伝送するレーザ光の波長によって決定される。
【００４１】
レーザ光源としてＣＯレーザ以外のレーザ、例えば、Ｅｒ−ＹＡＧレーザを使用する場合には、環状オレフィンポリマーの膜厚を約０．２５μｍに設定することが必要で、この場合、導波路の最低損失波長は短波長側にシフトしてＥｒ−ＹＡＧレーザの発振波長２．９４μｍ付近で低損失となる。一方、発振波長の長いＣＯ2 レーザのように、より発振波長が長いレーザ光を伝送するのであれば、内装する環状オレフィンポリマーの膜厚をより厚く設定しなければならない。このようにレーザ光の発振波長に基づいて環状オレフィンポリマーの膜厚を適宜設定することにより、低損失な導波路が実現できる。環状オレフィンポリマーの膜厚は、中空導波路１の製作工程において、環状オレフィンポリマー溶液の固形分含有量、塗布速度、塗布回数等によって容易に制御することができる。
【００４２】
本発明の実施の形態で使用する環状オレフィンポリマーは、赤外領域において材料固有の吸収損失が存在する。図３からも明らかなように、波長３．４μｍ付近にＣＨ基に起因すると思われる吸収ピークが存在しており、このように吸収ピークが大である波長帯では、誘電体薄膜を内装しても導波路の低損失化を実現することができない。
【００４３】
一方、赤外領域において実用上重要な光源であるＥｒ−ＹＡＧレーザ，ＣＯレーザ，およびＣＯ2 レーザの発振波長帯である２．９４μｍ，５μｍ，１０．６μｍに大きな吸収ピークは見られず、銀中空導波路と比較すれば環状オレフィンポリマーを内装することによって導波路の低損失化が可能である。このように内装する環状オレフィンポリマー材料からなる誘電体層の膜厚を波長に対して適宜設定することにより、材料特有の吸収ピークの波長を除いて紫外から赤外の広範囲な波長領域にわたって低損失導波路の実現が可能である。
【００４４】
上記したように、導波路内を伝送される光の多くが中空領域を伝搬するが、光が導波路内を伝搬する際に環状オレフィンポリマー材料からなる誘電体層で吸収される光の量はわずかであるため、低損失で光伝送を行うことができ、細経導波路に適用することによって優れた可撓性を付与することができる。
【００４５】
また、中空の金属導波路の内部に溶媒で溶解した環状オレフィンポリマー溶液を流入し、これを排出した後、乾燥、固化させることで金属導波路の内壁に環状オレフィンポリマーの誘電体層を容易に内装することができる。この誘電体層の厚さは、充填、排出および乾燥の工程の回数、溶液の粘度、固形物含有量、塗布速度等の製造条件によって任意に、かつ、精度良く制御することができる。また、この製造方法は、高価な製造装置を必要とせず、可撓性に優れた細径な導波路の製造に適用でき、導波路の長さは製造装置に依存しないことから長尺化させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の中空導波路を示す説明図である。
【図２】（ａ），環状オレフィンポリマーの塗布装置を示す説明図である。（ｂ），環状オレフィンポリマーの乾燥装置を示す説明図である。
【図３】中空導波路の伝送損失特性を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１，中空導波路
２，金属パイプ
３，誘電体層
４，中空領域
１３，注入容器
１４，溶液
１５，パイプ
１６，注液ポンプ
１７ａ，注入側パイプ
１７ｂ，排出側パイプ
１８，ジョイント
１９，電気炉
２０，真空ポンプ
２１，流量計
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，配管
【図１】
2004220057.tif 000003
【図２】
2004220057.tif 000004
【図３】
2004220057.tif 000005