(57)【要約】【課題】  高いピークパワーを有するレーザ光の長距離伝送可能にするレーザエネルギー伝送用中空ファイバを提供する。【解決手段】  コアを中空領域としたレーザエネルギー伝送用中空ファイバにおいて、伝搬光波長の１００倍以上を直径とする中空コア１２と、中空コア１２を囲むソリッド部１１とを備え、ソリッド部１１にファイバ長手方向に延びる複数の空孔１３を形成したものである。【選択図】  図１
2005215632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアを中空領域としたレーザエネルギー伝送用中空ファイバにおいて、伝搬光波長の１００倍以上を直径とする中空コアと、中空コアを囲むソリッド部とを備え、ソリッド部にファイバ長手方向に延びる複数の空孔を形成したことを特徴とするレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【請求項２】
前記空孔を、中空コアの中心を中心とする円周上に設けた請求項１記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【請求項３】
前記空孔を、中空コアの中心を中心とする円周上に等間隔に形成した請求項１または２記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【請求項４】
前記空孔を、中空コアの中心を中心とする２つ以上の同心円上に形成した請求項１から３いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【請求項５】
径の異なる同心円上に形成される内外の空孔は、径方向に整列されて形成される請求項４記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【請求項６】
径の異なる同心円上に形成される隣接する内外の空孔は、その円周方向で隣り合う空孔同士の中間を通る径方向の位置に整列されることを特徴とする請求項４記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【請求項７】
同一円周上に配置された空孔の径方向の中空コア側と中空コア外周との距離δs が、ｎs をソリッド部の屈折率、λを伝搬光の波長、ｍを０以上の整数としたとき、
【数１】
2005215632.tif 000009
を略満たす請求項１から６いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【請求項８】
前記同心円の内外で隣接する空孔間の距離δssが、伝搬光の波長をλ、ソリッド部の屈折率をｎs 、ｍを０以上の整数としたとき、
【数２】
2005215632.tif 000010
を略満たす請求項４から７いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【請求項９】
前記空孔は、前記中空コアの中心を中心とする円の径方向の幅δ0 が、伝搬光の波長をλ、ｍを０以上の整数としたとき、
【数３】
2005215632.tif 000011
を略満たす請求項１から８いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【請求項１０】
前記空孔の断面形状は、円形、楕円形、多角形である請求項１から９いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【請求項１１】
前記ソリッド部を形成する材料は、石英である請求項１から１０いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力、短パルスレーザ光の伝送に好適な伝送媒体に係り、特に、レーザエネルギー伝送用中空ファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザや固体レーザの高出力化や短パルス化によって、高ピークパワーのレーザエネルギーを利用した様々な用途開発が活発化している。特に、ディスプレイ、半導体分野における基板の加工、あるいは医療、バイオ分野におけるレーザメスや化学分析等の分野で注目を集めている。
【０００３】
図５に示すように、従来、高出力のレーザ光を伝送するために大口径の石英系光ファイバ５０が用いられてきた。これは、光通信用に使用されている光ファイバと同様に、ゲルマニウム等のドープ材を添加して相対的に屈折率が高い中実のコア領域５２と、コア領域５２より屈折率の低いクラッド領域５１との境界で全反射条件を満足しながらコア領域５２に光パワーを集中させて伝送させる構造となっている。このような石英系の光ファイバ５０は、概ね波長２μｍ以下のレーザ光を低損失で長距離伝送できる。通常の光通信用光ファイバと異なる点は、シングルモード伝送である必要がなく、直径１００〜２００μｍ程度の大口径のコアを用いて、伝送するレーザ光のパワー密度を下げている。
【０００４】
レーザ光をある領域に閉じ込めて伝送する際には、屈折率の高い領域とそれを囲む屈折率の低い領域を構成し、全反射によって導波させる伝送路が一般的である。
【０００５】
しかし、別の導波原理を用いたものに、本発明者等が開発した図６に示すようなリーキー導波路６０（非特許文献１参照）や、図７に示すような誘電体内装金属中空導波路７０がある（非特許文献２参照）。
【０００６】
リーキー導波路６０は、中空コア領域６２を囲むリング状の誘電体層６１で構成されており、誘電体層６１の厚さを最適化することによってレーザエネルギーの低損失伝送が可能になる。
【０００７】
誘電体内装金属中空導波路７０は、リング状の誘電体層７１と、その外周を囲む金属層７２とで構成され、誘電体層７１の内側は中空コア領域７３が形成されている。誘電体層７１の厚さは伝送するレーザ光の波長によって最適化され、損失性媒質である金属層７２の厚さはレーザ光のスキンデプス以上あれば十分である。このように、大きな複素屈折率を有する金属層７２の内側に適当な厚さの誘電体層７１を内装した中空導波路でもレーザエネルギーの低損失伝送が可能である。誘電体内装金属導波路７０は、高出力のレーザエネルギーを比較的低損失で伝送できることが実証されており、主に、ＣＯ2 レーザやＥｒ−ＹＡＧレーザ用の伝送路としてレーザ加工や医療用のレーザメス等を目的に開発されている。
【０００８】
リーキー導波路６０や誘電体内装金属導波路７０は、主に、石英系光ファイバが使用できない赤外波長帯での伝送を目的としたものである。
【０００９】
【特許文献１】特開平９−１５９８４５号公報
【特許文献２】特開２０００−３５５２１号公報
【非特許文献１】宮城等，「トランスミッション  キャラクタリスティクス  オブ  ダイエレクトリック  チューブ  リーキー  ウェブガイド（Transmission Characteristics of Dielectric Tube Leaky Waveguide ）」，アイトリプルイー，トランザクション  オン  マイクロウェーブ  セオリー  アンド  テクニクス（IEEE，Trans. Microwave Theory Tech. ），１９８０年６月，第２８巻，第６号，p.536-541
【非特許文献２】宮城等，「トランスミッション  キャラクタリスティクス  オブ  ゲルマニウム  シン−フィルム−コーテド  メタリック  ホーロー  ウェブガイド  フォー  ハイ−パワード  ＣＯ2   レーザ  ライト（Transmission Characteristics of Germanium Thin-Films-coated Metallic Hollow Waveguides for High-Powered CO2  Laser Light ）」，アイトリプルイー，ジェイ  クオンタム  エレクトロニクス（IEEE，J.Quantum Electrin. ），１９９０年９月，第２８巻，第９号，p.1510-1515
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般に、石英系光ファイバは、波長２μｍ以下の光に対して低損失伝送が可能である。
【００１１】
しかし、波長１．０６μｍのＮｄ−ＹＡＧレーザ、あるいは波長０．８５μｍの半導体レーザ等の波長の短いレーザであっても、高出力、短パルスレーザ光の場合、空間的または時間的にピークパワーが非常に大きくなると、非線形光学効果によりレーザエネルギーの自己集束作用が働き、コア領域の破壊が生じてしまう。また、ファイバ端面に異物が付着した場合には、端面破壊が起こってしまう。
【００１２】
よって、中実コアのレーザエネルギー伝送用の光ファイバ５０は、コア径を大きくし、光ファイバの破壊閾値を超えない範囲で使用され、レーザエネルギーの伝送容量及び伝送距離が制限されるという問題がある。
【００１３】
また、図６に示すようなリーキー導波路６０は、理論上は低損失であるが、ソリッド部６１の厚さが波長程度と極めて薄く、機械的強度を保てる構造ではないため、実質上実現は厳しい。
【００１４】
さらに、図７に示すような誘電体内装金属中空導波路７０は、一部材料として金属を用いており、通常の石英系光ファイバのような線引技術による製造方法が適用できないため、レーザ光を伝送できる長さは数ｍ程度しかないという問題点がある。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高いピークパワーを有するレーザ光の長距離伝送を可能にするレーザエネルギー伝送用中空ファイバを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、エネルギー伝送用中空ファイバにおいて、伝送光波長の１００倍以上を直径とする中空コアと、中空コアを囲むソリッド部とを備え、ソリッド部にファイバ長手方向に延びる複数の空孔を形成したレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【００１７】
請求項２の発明は、空孔を、中空コアの中心を中心とする円周上に設けた請求項１記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【００１８】
請求項３の発明は、空孔を、中空コアの中心を中心とする円周上に等間隔に形成した請求項１または２記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【００１９】
請求項４の発明は、空孔を、中空コアの中心を中心とする２つ以上の同心円上に形成した請求項１から３いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【００２０】
請求項５の発明は、径の異なる同心円上に形成される内外の空孔は、径方向に整列されて形成される請求項４記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【００２１】
請求項６の発明は、径の異なる同心円上に形成される隣接する内外の空孔は、その円周方向で隣り合う空孔同士の中間を通る径方向の位置に整列されることを特徴とする請求項４記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【００２２】
請求項７の発明は、同一円周上に配置された空孔の径方向の中空コア側と中空コア外周との距離δs が、ｎs をソリッド部の屈折率、λを伝搬光の波長、ｍを０以上の整数としたとき、
【００２３】
【数１】
2005215632.tif 000003
【００２４】
を略満たす請求項１から６いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【００２５】
請求項８の発明は、同心円の内外で隣接する空孔間の距離δssが、伝搬光の波長をλ、ソリッド部の屈折率をｎs 、ｍを０以上の整数としたとき、
【００２６】
【数２】
2005215632.tif 000004
【００２７】
を略満たす請求項４から７いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【００２８】
請求項９の発明は、空孔は、中空コアの中心を中心とする円の径方向の幅δ0 が、伝搬光の波長をλ、ｍを０以上の整数としたとき、
【００２９】
【数３】
2005215632.tif 000005
【００３０】
を略満たす請求項１から８いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【００３１】
請求項１０の発明は、空孔の断面形状は、円形、楕円形、多角形である請求項１から９いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【００３２】
請求項１１の発明は、ソリッド部を形成する材料は、石英である請求項１から１０いずれかに記載のレーザエネルギー伝送用中空ファイバである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば高出力、短パルスの光を長距離伝送できるといった優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３５】
図１（ａ）は、本発明に係る第一の実施形態のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ１０を示す断面図であり、図１（ｂ）は、その屈折率分布図である。
【００３６】
図１（ａ）に示すように、レーザエネルギー伝送用中空ファイバ１０は、円筒状の中空コア１２を囲繞するように純粋石英で形成された円筒状のソリッド部１１が形成され、そのソリッド部１１の中空コア１２側近傍には、複数の空孔１３が形成されている。空孔１３は、中空コアの中心Ｏを中心とする円周上に、かつその円周方向に等間隔に配置され、ファイバ長手方向に延びており、その断面形状は円形である。
【００３７】
図１（ｂ）に示すように、中空コア１２の中心Ｏから空孔１３の中心を通る径方向線ｒにおける屈折率分布は、分布線１７のようになり、中空コア１２及び空孔１３は空気であるため、その屈折率ｎ0 は略１であり、ソリッド部１１は純粋石英で形成されているため、その屈折率ｎs は、略１．４８である。
【００３８】
図１（ｂ）中のδs は、中空コア外周（中空コア１２とソリッド部１１との境界）１４と空孔１３の径方向の中空コア１２側との距離（中空コア外周１４と空孔外周１５との最短距離）を表し、δ0 は空孔１３の直径を表す。
【００３９】
中空コア領域１２の直径２Ｒは、伝送する光の波長λの１００倍以上あればよい。本実施の形態では、中空ファイバ１０を伝搬する光を波長１．０６μｍのＮｄ−ＹＡＧレーザの出射光とするので、中空コア領域１２の直径は２００μｍとした。
【００４０】
中空コア外周１４と空孔１３との距離δs は、伝搬光波長λ、ソリッド部１１の屈折率をｎs とすると、下記の式（１）を略満たす（以下「略満たす」は式の値の±１０％以内を満たすものとする）。
【００４１】
【数４】
2005215632.tif 000006
【００４２】
本実施の形態では、伝搬光波長λを１．０６μｍ、ソリッド部１１の屈折率ｎs を１．４８、ｍ＝０とし、式（１）よりδs を０．２４μｍとした。
【００４３】
また、空孔径（直径）δ0 は、下記の式（２）を略満たす。
【００４４】
【数５】
2005215632.tif 000007
【００４５】
本実施の形態では、伝搬光波長λを１．０６μｍ、ｍ＝２とし、式（２）より空孔径を１．３μｍとした。
【００４６】
本実施の形態の作用について説明する。
【００４７】
中空ファイバ１０は、光を閉じ込めるコア（中空コア１２）がクラッド（ソリッド部１１）よりも屈折率が非常に小さい漏れ構造のファイバであり、中空コア外周１４と空孔外周１５での干渉反射の繰り返しにより伝送する光を中空コア１２内に閉じ込め、中空コア１２を伝搬領域とする。
【００４８】
中空コア１２の直径が伝送する光の波長よりも十分に大きいとき、径方向線ｒにおいて、距離δs が式（１）を略満たすとき、中空コア外周１４及び空孔外周１５で、中空コア１２側に反射される光の位相が干渉する際に同相となる。このとき、中空コア１２に反射される光の強度が最大（反射率が最大）となる。よって、中空コア１２内への光の閉じ込め効果が最も大きくなり、中空コア１２を伝搬する光の低損失伝送を可能にする。
【００４９】
本実施の形態の中空ファイバ１０は、レーザエネルギーのほとんどが中空コア１２を伝搬するために、空間的あるいは時間的なピークパワーが非常に大きな高出力、短パルスのレーザ光に対して、自己集束作用や異物付着によるコアの破壊がなく、中実コアの光ファイバよりも破壊閾値が格段に高い。
【００５０】
また、中空コア１２を囲むソリッド部１１が石英等の誘電体のみで形成されているが、ソリッド部１１は、機械的強度を保持するのに十分な厚みを有する構造であるため、外力による損壊を防ぐことができる。
【００５１】
さらに、石英系材料を用いているため、長距離通信用の石英系光ファイバ製造時に用いる線引技術が適用でき、長尺なレーザエネルギー伝送用中空ファイバを容易に製造することができる。よって、高出力、短パルスのレーザ光の長距離伝送を可能にする。
【００５２】
中空ファイバ１０における損失は、すべて熱に変換されるが、中空ファイバ１０のソリッド部１１は融点が１０００℃以上と非常に高い純粋石英で形成されているため、耐熱性に優れている。
【００５３】
次に、第二の実施形態のレーザエネルギー伝送用中空ファイバについて説明する。
【００５４】
図２（ａ）に示すように、レーザエネルギー伝送用中空ファイバ２０は、第一の実施形態の中空ファイバ１０の構成に加え、円周上に配置されるよう形成された空孔１３の外周側にも複数の空孔２３を形成したものである。
【００５５】
空孔１３は、ソリッド部２１において、中空コア１２の中心Ｏを中心とする円周上に等間隔に形成され、その外周側の同心円上に、空孔２３が円周方向に等間隔に配置されるよう形成されている。
【００５６】
さらに、径の異なる同心円上に形成された空孔１３と空孔２３とは、その円周方向で隣り合う空孔同士の中間を通る径方向の位置に整列されている。
【００５７】
図２（ｂ），（ｃ）に示すように、それぞれ中空コア中心Ｏから空孔１３，２３を通る径方向線ｒ１、ｒ２における屈折率分布は、それぞれ分布線２７，２８のようになり、中空コア１２，空孔１３，２３は空気であるため屈折率は略１となり、ソリッド部２１での屈折率ｎs は略１．４８である。
【００５８】
中空コア外周１４と内側の円周上に配置された空孔１３との距離δs1は式（１）においてｍ＝０としたときのδs の値であり、ソリッド部２１の屈折率ｎs を１．４８、伝送光波長λを１．０６μｍとしたとき、δs1は０．２４μｍである。また、中空コア外周１４と外側の円周上に配置された空孔２３との距離δs2は、式（１）においてｍ＝１としたときのδs の値であり、ソリッド部２１の屈折率ｎs を１．４８、伝搬光波長λを１．０６μｍとしたとき、δs2は０．７３μｍである。
【００５９】
中空ファイバ２０も第一の実施形態の中空ファイバ１０と同様の作用効果を有する。さらに、空孔２３が空孔１３の外側に形成されているので、隣接する空孔１３，１３間のソリッド部２１から放射する光を空孔２３とソリッド部との境界面（空孔外周２５）で反射させ、その上、空孔間距離δs2も式（１）を略満たすので、中空コア側に反射される光の位相が同相で干渉し、中空コア２２への光の閉じ込め効果を大きくする。よって、中空コア２２を伝搬する光の損失を非常に小さくすることができる。
【００６０】
次に、第三の実施形態のレーザエネルギー伝送用中空ファイバについて説明する。
【００６１】
図３（ａ）に示すように、レーザエネルギー伝送用中空ファイバ３０は、第二の実施形態のレーザエネルギー伝送用中空ファイバ２０の空孔の配置を変えたものである。
【００６２】
ソリッド部３１において、内側の同心円上に形成される空孔１３と外側の同心円上に形成される空孔３３は、それぞれ円周方向で等間隔に同じ数だけ配置され、さらに、その各空孔１３，３３が同心円の径方向に整列されて形成されている。
【００６３】
図３（ｂ）に示すように、それぞれ中空コア中心Ｏから空孔１３，３３を通る径方向線ｒにおける屈折率分布は、分布線３７のようになり、中空コア３２及び空孔１３，３３の屈折率がソリッド部３１の屈折率よりかなり低くなっている。中空コア外周１４と、内側の空孔１３との距離δs は式（１）を略満たし、中空コア外周１４と外側の空孔３３との距離δssは下記の式（３）を略満たす。
【００６４】
【数６】
2005215632.tif 000008
【００６５】
δs とδssとは同じ厚さでもよく、δs ，δss共に式（１）及び式（３）を略満たせば、互いに奇数倍の関係であってもよい。
【００６６】
中空ファイバ３０も第一の実施形態の中空ファイバ１０と同様の作用効果を有する。さらに、空孔１３とソリッド部３１との境界面では全反射が起こるのではないため、空孔３３が空孔１３の外側に形成されることで、反射されずに放射する光を空孔３３とソリッド部との境界面（空孔外周３５）で反射させることができる。その上、空孔間距離δssが式（３）を略満たすので、中空コア側に反射される光の位相が中空コア外周において同相で干渉し、中空コア３１への光の閉じ込め効果を大きくする。よって、中空コア１２を伝搬する光の損失を非常に小さくすることができる。
【００６７】
第二及び第三の実施形態の中空ファイバ２０、３０は、径の異なる二つの同心円上に空孔１３、２３（３３）を形成したものであるが、空孔を形成する同心円は２つに限らず、それ以上でもよい。
【００６８】
次に、第四の実施形態のレーザエネルギー伝送用中空ファイバについて説明する。
【００６９】
図４に示すように、レーザエネルギー伝送用中空ファイバ４０は、第一の実施形態の中空ファイバ１０と空孔の断面形状が異なるものである。
【００７０】
ソリッド部４１には、中空コア１２の中心Ｏを中心とする円周上に等間隔に複数の空孔４３が形成されている。空孔４３の断面は長円形状であり、その長軸方向が円周上に整列されており、空孔外周４５の面積が円形状の空孔１３のそれより大きい。
【００７１】
空孔４３は、中空コア外周１４と各空孔４３との距離δs が式（１）を略満たす位置に形成され、各空孔４３の径方向の幅δ0 が式（２）を略満たす大きさで形成される。
【００７２】
図４（ｂ）に示すように、中空コア中心Ｏから空孔４３を通る径方向線ｒにおける屈折率分布は、分布線４７のようになり、中空コア４２及び空孔４３屈折率がソリッド部４１の屈折率よりかなり低くなっている。
【００７３】
中空ファイバ４０も第一の実施形態と同様な作用効果を有する。さらに、同一円周上に形成される空孔４３の空孔外周４５を大きくすることで、ファイバ外側へ放射しようする光の反射面積が大きくなり、中空コア２２への光の閉じ込め効果が大きくなる。よって、中空コアを伝搬する光の損失を非常に小さくすることができる。
【００７４】
第１から第４の実施形態では、ソリッド部に形成された空孔の断面形状が円形または長円形であるが、これらに限らず、楕円形、多角形であってもよい。その際、形成される空孔の中空ファイバ径方向の幅δ0 が式（２）を略満たすことが好ましい。また、中空コアの断面形状として円形状のほかに六角形等の多角形状であってもよい。
【００７５】
以上、本実施の形態のレーザエネルギー伝送用中空ファイバは、レーザエネルギーを利用する様々な分野において、極めて有用な伝送路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】（ａ）は本発明に係る第一の実施形態のレーザエネルギー伝送用ファイバの断面図を示し、（ｂ）は径方向の屈折率分布を示す。
【図２】（ａ）は第二の実施形態のレーザエネルギー伝送用ファイバの断面図を示し、（ｂ），（ｃ）は径方向の屈折率分布を示す。
【図３】（ａ）は第三の実施形態のレーザエネルギー伝送用ファイバの断面図を示し、（ｂ）は径方向の屈折率分布を示す。
【図４】（ａ）は第四の実施形態のレーザエネルギー伝送用ファイバの断面図を示し、（ｂ）は径方向の屈折率分布を示す。
【図５】（ａ）は従来の中実コアを伝搬領域とするレーザエネルギー伝送用ファイバの断面図を示し、（ｂ）は径方向の屈折率分布を示す。
【図６】（ａ）は従来のリーキー導波路の断面図を示し、（ｂ）は径方向の屈折率分布を示す。
【図７】（ａ）は従来の誘電体内装金属中空導波路の断面図を示し、（ｂ）は径方向の屈折率分布を示す。
【符号の説明】
【００７７】
１０  レーザエネルギー伝送用中空ファイバ
１１  ソリッド部
１２  中空コア
１３  空孔
１４  中空コア外周
【図１】
2005215632.tif 000012
【図２】
2005215632.tif 000013
【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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