(57)【要約】【課題】低出力のレーザー光であっても、簡単な構造で、ファイバーの先端部でレーザー光を高効率で熱エネルギーに変換することができる、ファイバーを用いたレーザー光熱変換装置を提供する。【解決手段】ファイバーを用いたレーザー光熱変換装置１００であって、規定温度以下で光透過体であり、規定温度より高温になるほどレーザー光の吸光度が大きい光吸収体となる形成材料としてのＳｉＯ2を含むコア２と、クラッド３とを備える光ファイバー１を有する。その光ファイバー１は、その先端部１ａにＴｉＯ2などの光損失材の粉体を拡散した表層を有する。光ファイバー１は、レーザー光がコア２を介して先端部１ａに入射したとき、表層の光損失材による光損失で、先端部１ａが規定温度より高温状態となり、光吸収体となった先端部１ａのＳｉＯ2がレーザー光を吸収することにより、先端部１ａが高温かつ融解状態で発光する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバーを用いたレーザー光熱変換装置であって、
規定温度以下で光透過体であり、前記規定温度より高温になるほどレーザー光の吸光度が大きい光吸収体となる形成材料を含むコアと、クラッドとを備えるファイバーを有し、
前記ファイバーは、その先端部に光損失材の粉体を拡散した表層を有し、
前記ファイバーは、レーザー光が前記コアを介して前記先端部に入射したとき、前記表層の前記光損失材による光損失で、前記先端部が前記規定温度より高温状態となり、前記光吸収体となった前記先端部の前記形成材料が前記レーザー光を吸収することにより、前記先端部が高温かつ融解状態で発光することを特徴とする
ファイバーを用いたレーザー光熱変換装置。
【請求項２】
前記ファイバーは、前記先端部が高温且つ融解状態で、少なくとも可視光領域に亘ってブロードな発光スペクトルで発光することを特徴とする請求項１に記載のファイバーを用いたレーザー光熱変換装置。
【請求項３】
前記ファイバーは、前記先端部が略半球形状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のファイバーを用いたレーザー光熱変換装置。
【請求項４】
前記ファイバーのコアの前記形成材料は、石英（ＳｉＯ2）を有し、
前記光損失材は、酸化チタン（ＴｉＯ2）を有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のファイバーを用いたレーザー光熱変換装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れかに記載のファイバーを用いたレーザー光熱変換装置を有する加熱装置であって、
ファイバーにレーザー光を射出するレーザー光発生部と、
前記ファイバーの先端部を高温かつ融解状態で発光させるように、前記レーザー光発生部によるレーザー光の射出を制御する制御部と、
を有することを特徴とする加熱装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記光ファイバーの先端部が非発光時から、前記レーザー光の前記ファイバーの先端部への入射により、前記先端部が前記規定温度より高温状態となり、前記光吸収体となった前記先端部の前記形成材料が、前記レーザー光を吸収し、前記先端部が高温かつ融解状態で発光するのに要する時間だけ、少なくとも前記レーザー光発生部によるレーザー光を間欠的に射出する処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の加熱装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記レーザー光を間欠的に射出して、前記ファイバーの先端部の加熱および冷却を繰り返す処理を行うことを特徴とる請求項６に記載の加熱装置。
【請求項８】
請求項１から請求項４の何れかに記載のファイバーを用いたレーザー光熱変換装置を製造する、レーザー光熱変換装置の製造方法であって、
規定温度以下で光透過体であり、前記規定温度より高温になるほどレーザー光の吸光度が大きい光吸収体となる形成材料を含むコアと、クラッドとを備えるファイバーの先端部を、光損失体の粉体を含有した被接触体に接触させた状態で、前記ファイバーの先端部からレーザー光を射出し、前記ファイバーの先端部の前記形成材料を高温かつ融解状態とする工程と、
前記レーザー光の射出を停止して、前記ファイバーの先端部を凝固させ、前記ファイバー先端部に前記光損失材を拡散させた表層を形成する工程と、
を有することを特徴とするレーザー光熱変換装置の製造方法。
【請求項９】
前記被接触体は、酸化チタン（ＴｉＯ2）および酸化マンガン（ＭｎＯ2）の粉体を含有していることを特徴とする請求項８に記載のレーザー光熱変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバーを用いたレーザー光熱変換装置、加熱装置、および、レーザー光熱変換装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光を光ファイバーの先端部から生体組織に向けて射出し、そのレーザー光により生体組織の切開や蒸散などを行う装置が知られている。
【０００３】
また、特許文献１には、レーザー光の透過部材表面に、パルスレーザー光を吸収する吸収性粉と、前記透過部材より屈折率が高い光散乱粉とを含有する表面層を設けた、レーザー光の透過体を用いた装置が記載されている。この特許文献１に記載のパルスレーザー光の透過体を用いた装置では、パルスレーザー光が表面層の光散乱粉により散乱し、パルスレーザー光が表面層全体から種々の角度で出射する。また、この装置では、透過部材の表面層が３００℃程度となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１５９２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記光ファイバーの先端部から射出したレーザー光により、生体組織の切開や蒸散などを行う装置では、比較的高出力のレーザー光を要する。
【０００６】
また、上述したように、特許文献１に記載のレーザー光の透過体を用いた装置では、透過部材の表層部が３００℃程度となる。しかし、それより高温となるファイバー先端部を備え、生体組織の蒸散などを短時間で行える装置が望まれている。
【０００７】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、低出力のレーザー光であっても、簡単な構造で、ファイバーの先端部でレーザー光を高効率で熱エネルギーに変換することができる、ファイバーを用いたレーザー光熱変換装置を提供すること、レーザー光熱変換装置を備える加熱装置を提供すること、簡単に、上記レーザー光熱変換装置を製造することができる、レーザー光熱変換装置の製造方法を提供すること、などを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のファイバーを用いたレーザー光熱変換装置は、規定温度以下で光透過体であり、前記規定温度より高温になるほどレーザー光の吸光度が大きい光吸収体となる形成材料を含むコアと、クラッドとを備えるファイバーを有し、前記ファイバーは、その先端部に光損失材の粉体を拡散した表層を有し、前記ファイバーは、レーザー光が前記コアを介して前記先端部に入射したとき、前記表層の前記光損失材による光損失で、前記先端部が前記規定温度より高温状態となり、前記光吸収体となった前記先端部の前記形成材料が前記レーザー光を吸収することにより、前記先端部が高温かつ融解状態で発光することを特徴とする。
【０００９】
本発明の加熱装置は、上記本発明に係るファイバーを用いたレーザー光熱変換装置と、ファイバーにレーザー光を射出するレーザー光発生部と、前記ファイバーの先端部を高温かつ融解状態で発光させるように、前記レーザー光発生部によるレーザー光の射出を制御する制御部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明のレーザー光熱変換装置の製造方法は、上記本発明に係るファイバーを用いたレーザー光熱変換装置を製造する、レーザー光熱変換装置の製造方法であって、規定温度以下で光透過体であり、前記規定温度より高温になるほどレーザー光の吸光度が大きい光吸収体となる形成材料を含むコアと、クラッドとを備えるファイバーの先端部を、光損失体の粉体を含有した被接触体に接触させた状態で、前記ファイバーの先端部からレーザー光を射出し、前記ファイバーの先端部の前記形成材料を高温かつ融解状態とする工程と、前記レーザー光の射出を停止して、前記ファイバーの先端部を凝固させ、前記ファイバー先端部に前記光損失材を拡散させた表層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低出力のレーザー光であっても、簡単な構造で、ファイバーの先端部でレーザー光を高効率で熱エネルギーに変換することができる、ファイバーを用いたレーザー光熱変換装置を提供することができる。また、レーザー光熱変換装置を備える加熱装置を提供することができる。また、簡単に、上記レーザー光熱変換装置を製造することができる、レーザー光熱変換装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置を有する加熱装置の一例を示す概略図。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置としてのファイバーの先端部の拡大図。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置のファイバーの先端の発光時の発光スペクトルの一例を示す図。
【図４】本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置の製造方法の一例を示す図であり、（ａ）は光ファイバーの先端部の断面図、（ｂ）は先端部の被覆（保護層）を一部除去した光ファイバーの断面図、（ｃ）は光損失体を含むシートと光ファイバーの断面図、（ｄ）はシートと光ファイバー先端部の接触状態でレーザー光を照射した時の一例を示す図、（ｅ）は先端部に略半球状部が形成された光ファイバーの断面の一例を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置の光ファイバー先端部の電子顕微鏡写真の一例を示す図。
【図６】本発明の実施形態に係る加熱装置の動作の一例を示す図であり、（ａ）はレーザー光発生装置の半導体レーザー素子へ入力される電流値の一例を示す図、（ｂ）はレーザー光発生装置から出力されるレーザー光の強度の一例を示す図、（ｃ）はファイバー先端部の発光強度の一例を示す図。
【図７】本発明の実施形態に係る加熱装置の動作の他の例を示す図であり、（ａ）はレーザー光発生装置の半導体レーザー素子へ入力される電流値の一例を示す図、（ｂ）はファイバー先端部の発光強度の一例を示す図。
【図８】本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置の動作の一例を示す図であり、（ａ）はレーザー光発生装置の半導体レーザー素子へ入力される電流値の一例を示す図、（ｂ）はファイバー先端部を空気中に配置した場合のファイバー先端部の発光強度の一例を示す図、（ｃ）はファイバー先端部をヒアルロン酸溶液中に配置した場合の発光強度の一例を示す図、（ｄ）はファイバー先端部を生理食塩水中に配置した場合の発光強度の一例を示す図。
【図９】本発明の実施形態に係る加熱装置の動作時、高温状態のファイバー先端部から透過したレーザー光の強度の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態に係るファイバーを用いたレーザー光熱変換装置１００を有する加熱装置２００を、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００を有する加熱装置２００の一例を示す概略図である。図２は、レーザー光熱変換装置１００としての光ファイバー１の先端部１ａの拡大図である。
【００１５】
レーザー光熱変換装置１００は、図１、図２に示したように、光ファイバー（ファイバー）１を有する。加熱装置２００は、レーザー光熱変換装置１００と、そのレーザー光熱変換装置１００の光ファイバー１の端部に接続されたレーザー光発生装置１０と、を有する。
【００１６】
＜光ファイバー１＞
光ファイバー１は、光透過体としてのコア２と、コア２の外周に形成され、このコア２より僅かに小さい屈折率を有するクラッド３と、クラッド３の外周に形成された被覆４とを備える。コア２、クラッド３、および、被覆４は同心状に形成されている。
【００１７】
コア２は、石英（ＳｉＯ2）などの高い屈折率を有する材料で形成されている。クラッド３は、石英または樹脂などの材料により形成され、コア２よりも０．２〜１％程度低い屈折率を有する。被覆４は、フッ素樹脂などの樹脂材料により形成され、コア２およびクラッド３を保護する。本実施形態では、コア２が石英（ＳｉＯ2）から形成されており、クラッド３が硬質の樹脂材で形成され、被覆４がフッ素を含む樹脂材料により形成されている。
【００１８】
図１、図２に示したように、光ファイバー１は、先端部１ａに略半球形状部が形成されており、その先端部１ａにレーザー光を散乱させる光散乱粉やレーザー光を吸収する光吸収粉などの光損失体６の粉体を拡散した表層を有する。
【００１９】
光ファイバー１の先端部１ａは、後述するように、レーザー光入射時、高温状態のＳｉＯ2が融解して、光損失体６がＳｉＯ2内に拡散した状態となり、発光する。そして、レーザー光の入射を停止した場合（レーザー光非入射時）、光ファイバー１の先端部１ａの温度が低下し、先端部１ａが略半球形状で凝固して、表層内に光損失体６が拡散して、埋入した状態となり、詳細には、先端部１ａのＳｉＯ2が光損失体６の拡散により点欠陥状態となる。
【００２０】
光損失体６としては、ＴｉＯ2（酸化チタン）などを採用することができる。ＴｉＯ2の粉体の平均粒度（粒子径）は、１μｍ〜５０μｍ程度であり、好ましくは約１０μｍ〜５０μｍである。このＴｉＯ2（分子量７９．８８、ルチル型結晶構造）の粉体は、白色であり、光の波長に応じて、その光を散乱または吸収する。尚、光損失体６として、アナターゼ型結晶構造のＴｉＯ2の粉体を採用してもよい。
【００２１】
本実施形態の光ファイバー１は、コア２の直径が約５０μｍ、クラッド３の外径が約３００μｍ、光ファイバー１の先端部１ａの高温かつ融解状態で発光する部分は、直径が約３００μｍ、ファイバー軸方向に沿った長さが約２００μｍ程度である。また、融解状態で、酸化チタン（ＴｉＯ2）が光ファイバー１の先端の表面から内部に１μｍ〜２００μｍ程度、拡散されている状態である。
【００２２】
＜レーザー光発生装置１０＞
レーザー光発生装置１０は、図１に示したように、レーザー光発生部１１と、操作入力部１２と、表示部１３と、記憶部１４と、制御部（ＣＰＵ）１５とを有する。
【００２３】
レーザー光発生部１１は、制御部１５の制御によりレーザー光（Ｌ）を射出し、そのレーザー光を光ファイバー１に出力する。
【００２４】
レーザー光発生部１１としては、半導体レーザー素子、固体レーザー装置、ファイバーレーザー装置などを採用することができる。本実施形態に係るレーザー光発生部１１は、半導体レーザー素子を有する。この半導体レーザー素子は、電源回路（不図示）から入力された電流に応じて所定の波長のレーザー光を出力する。また、レーザー光発生部１１は、連続的にレーザー光を出すＣＷモードや、一定の設定時間、一定の出力強度でレーザー発振（オンタイム）と発振停止（オフタイム）を間欠的に繰り返すリピートモードなど、各種レーザー出力モードを備えていてもよい。上記リピートモードは、例えば半導体レーザー素子へ所定電流値の駆動電流を間欠的に入力することで、簡単に実現することができる。
【００２５】
本実施形態では、レーザー光発生部１１は、波長９８０ｎｍ、出力４〜３０Ｗ程度、ＣＷモード、リピートモードでの出力が可能である。レーザー光発生部１１は、リピートモードで、オンタイム１ｍｓ〜１０００ｍｓ、オフタイム１ｍｓ〜１０００ｍｓの間で調整可能にレーザーを出力することができる。
【００２６】
操作入力部１２は、フットスイッチ、操作ボタンなどを備え、ユーザの操作に応じた信号を制御部１５に出力する。制御部１５は、操作入力部１２の操作に応じて、レーザー光発生部１１から射出するレーザー光の出力の大きさ、オンタイム、オフタイムなどを制御する処理を行う。
【００２７】
表示部１３は、制御部１５の制御により、本発明に係る動作に応じた表示を行う。
記憶部１４は、ＲＡＭやＲＯＭなどの半導体記憶装置、ハードディスクドライブなどの磁気ディスク記憶装置等を有し、本発明に係る機能を実現させるためのプログラム、データなどを記憶する。また、記憶部１４は、制御部１５によるプログラム実行の作業エリアとしても用いられる。
【００２８】
制御部１５は、レーザー光熱変換装置１００の各構成要素を統括的に制御する。また、制御部１５は、記憶部１４に記憶したプログラムを実行することにより、レーザー光熱変換装置１００に本発明に係る機能を実現する。
【００２９】
また、制御部１５は、レーザー光発生部１１からレーザー光を射出させる処理を行うとともに、光ファイバー１の先端部１ａを高温状態かつ融解状態にさせ、先端部１ａを発光させるレーザー光を射出するようにレーザー光発生部１１を制御する処理を行う。制御部１５の詳細な処理については後述する。
【００３０】
＜加熱装置２００の動作＞
次に、本発明の実施形態に係る加熱装置２００の動作を説明する。
【００３１】
操作入力部１２が操作された場合、制御部１５は、レーザー光発生部１１からレーザー光を射出する処理を行う。図１、図２に示したように、レーザー光が光ファイバー１の端部に入射するとコア２を伝搬し、光ファイバー１の先端部１ａに拡散された光損失体６によりＳｉＯ2が点欠陥状態となった領域で、反射、吸収などの繰り返しにより、先端部１ａが高温となる。このため、先端部１ａの光損失体６近傍のＳｉＯ2が高温となる。
【００３２】
コア２の形成材料であるＳｉＯ2は、室温（規定温度より低い温度）で吸光度が低い値を示し、例えば波長９８０ｎｍなどのレーザー光に対して光透過体であるが、約１０５０℃（規定温度）以上の温度で吸光度が急激に増大する性質を有する。このため、高温状態の光損失体６近傍のＳｉＯ2は、約１０５０℃以上の温度となった場合、例えば波長９８０ｎｍなどのレーザー光に対して光吸収体となる。この高温状態のＳｉＯ2は、レーザー光を吸収し、レーザー光のエネルギーを高効率で熱エネルギーに変換する。この熱エネルギーにより、その先端部１ａの高温領域の温度がさらに上昇して、ＳｉＯ2の吸光度がさらに高くなる。ファイバー先端部１ａは、その温度に応じて発光する。
【００３３】
本実施形態に係る加熱装置２００では、制御部１５は、ファイバー先端部１ａを高温状態（温度が４０００Ｋ程度）、先端部１ａを融解状態、先端部１ａを発光させるように、レーザー光の出力を制御する。約４０００Ｋ程度の高温状態のファイバー先端部１ａは、コア２とクラッド３が融解状態となっており、熱エネルギーにより発光している。
【００３４】
図１、図２に示したように、ファイバー先端部１ａが高温で発光した状態では、ファイバー先端部１ａから、そのファイバー先端部１ａの周囲の物質（生体組織、液体、気体など）に、熱伝導、熱放射などによりエネルギーを伝達させ、周辺の物質を短時間に高温化することができる。
また、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００の光ファイバー１の先端部１ａの周辺には、高温（４０００Ｋ程度）のプラズマ状態が形成される。詳細には、光ファイバー１の先端部１ａは、４０００Ｋ程度の高温且つ発光状態となり、その周囲の酸素、ファイバー自体のＳｉＯ2の酸素などと結合して燃焼した状態となる。また、先端部１ａおよびその周辺部において、高温状態の酸素、炭素などがイオン化し、プラズマ状態（低密度プラズマ）となる。この現象を熱プラズマと称呼する。
【００３５】
レーザー光発生装置１０からのレーザー光（Ｌ）が光ファイバー１に入射すると、レーザー光が光ファイバー１のコア２中を伝搬し、光ファイバー１の先端部１ａで光損失体６による光散乱、光吸収などの光損失により熱エネルギーに変換される。そして、光ファイバー１の先端部１ａが４０００Ｋ程度の高温となって融解した状態で白色に発光し、その光が略全方位に放射される。
【００３６】
図３は、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００のファイバー先端部１ａの発光時の発光スペクトルの一例を示す図である。本願発明者は、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００のファイバー先端部１ａの発光による光を分光器によりスペクトル解析を行った。
【００３７】
本発明の実施形態に係る加熱装置２００では、例えば、波長９８０ｎｍのレーザー光が光ファイバー１に入射すると、光ファイバー１の先端部１ａが高温状態かつ融解状態となり発光する。図３に示したように、その先端部１ａから放射される光のスペクトルは、可視光領域で最も強度が大きく、赤外線領域、可視光領域、紫外線領域に亘ってブロードな発光強度となっている。赤外線領域、紫外線領域では、可視光領域と比較して発光強度が小さい。
また、上記発光スペクトルに基いて、黒体放射による分光放射輝度の分布式を用いて算出した光温度は、約４０００Ｋであった。
【００３８】
＜レーザー光熱変換装置１００の製造方法＞
図４は、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００の製造方法の一例を示す図であり、図４（ａ）は光ファイバー１の先端部１ａの断面図、図４（ｂ）は先端部１ａの被覆（保護層）４を一部除去した光ファイバー１の断面図、図４（ｃ）は光損失体６を含むシート９と光ファイバー１の断面図、図４（ｄ）はシート９とファイバー先端部１ａの接触状態でレーザー光（Ｌ）を照射した時の一例を示す図、図４（ｅ）は先端部１ａに略半球状部が形成された光ファイバー１の断面の一例を示す図を示す。
【００３９】
図４（ａ）に示したように、光ファイバー１は、コア２と、クラッド３と、外周に形成された被覆４と、を有する。
【００４０】
図４（ｂ）に示したように、光ファイバー１の先端から数センチ程度の被覆４のみを、治具などで除去する。
【００４１】
次に、図４（ｃ）に示したように、ファイバー先端加工用のシート９を準備する。シート９は、紙、樹脂、金属などの各種材料により形成されている。また、このシート９は、ＴｉＯ2、ＭｎＯ2などの光損失体６の粉体を含有した領域９ａを有する。この領域９ａは、クラッド３の径と同じ、または、それよりも大きい領域に設定されている。なお、シート９全体に光損失体６の粉体を含有させてもよい。
【００４２】
このＴｉＯ2の平均粒度（粒子径）は、１μｍ〜５０μｍ程度である。例えば、３２５メッシュなどを使用して、ＴｉＯ2の粉体を濾過することにより、ＴｉＯ2の粉体の平均粒子径を所定径（５０μｍ程度）以下とする。
【００４３】
このシート９の上記領域９ａ中、ＴｉＯ2は約３９〜５９ｗｔ％であり、ＭｎＯ2は約１．０〜１．６ｗｔ％である。
【００４４】
図４（ｄ）に示したように、ＴｉＯ2を含有させたシート９に、光ファイバー１の先端部１ａを当接させて、出力６Ｗ程度のレーザー光を光ファイバー１に出射すると、レーザー光が光損失体６で散乱、吸収し、そのとき生じた熱により、ファイバー先端部１ａが加熱、融解してＴｉＯ2が先端部１ａに拡散する。この際、レーザー光（Ｌ）を出力した状態で、光ファイバー１の先端部１ａとシート９とを接触、離間を繰り返すことにより、ＴｉＯ2を先端部１ａに拡散させてもよい。加熱時のファイバー先端部１ａの温度は、４０００Ｋ程度となり、先端部１ａが発光する。
【００４５】
上記ＴｉＯ2などの白色の粉体を光ファイバー１の先端部１ａに拡散させる際に、ＳｉＯ2を融解せるために、ＭｎＯ2などの黒色の光吸収体（黒色体）を少量だけシート９の領域９ａに含有させる。ＭｎＯ2の含有量は、この先端部１ａのＳｉＯ2が融解したとき、黒色体が燃え尽きる程度であることが好ましい。
例えば、黒色体の含有率が多すぎると、黒色体がＴｉＯ2などと一緒に、光ファイバーの先端部１ａに拡散して残存し、レーザー光入射時、ファイバー先端が瞬時に必要以上に高温となり、ＴｉＯ2を維持できないほど、ＳｉＯ2が融解してしまう。また、黒色体の含有率が少なすぎると、ファイバー先端部１ａのＳｉＯ2が融解しない。このＭｎＯ2などの黒色体は、光ファイバー１の先端部１ａを高温状態にさせるための着火剤として用いられる。つまり、光ファイバー１の先端部１ａにレーザー光入射時、最初にＭｎＯ2などの黒色体が熱せられ、次にＳｉＯ2が融解状態となりＴｉＯ2が拡散する。
【００４６】
図４（ｅ）に示したように、光ファイバー１にレーザー光を入射して先端部１ａを高温状態とさせた場合、光ファイバー１の先端部１ａが融解により半球形状となる。また、ファイバー先端部１ａには、光損失体６としての酸化チタン（ＴｉＯ2）が表層に拡散した状態となる。また、レーザー光の入射を停止して、ファイバー先端部１ａを冷却させた場合、図４（ｅ）に示したように、ファイバー先端部１ａが略半球形状で凝固する。
【００４７】
＜電子顕微鏡写真＞
図５は、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００の光ファイバー１の先端部１ａの電子顕微鏡写真の一例を示す図である。詳細には、図５は、レーザー光を間欠的に、２、３回、光ファイバー１の先端部１ａに入射して、先端部１ａを高温状態で融解させた後、レーザー光入射の停止により先端部１ａを冷却させて、先端部１ａを再凝固させた状態を電子顕微鏡で観察した先端部１ａを示している。
【００４８】
図５に示したように、光ファイバー１の先端部１ａは、レーザー光入射による融解と、レーザー光の入射の停止による凝固で、略半球形状に形成されている。被覆４を含めたファイバー径が４００μｍの光ファイバー１（コア径が約５０μｍ、クラッド外径が約３００μｍ）を用いた場合、光ファイバー１の先端部１ａは、光損失体６としてのＴｉＯ2が表面から１〜２００μｍ程度拡散し、埋入された状態となっている。
尚、被覆４を含めたファイバー径が８００μｍの光ファイバー１を用いた場合、光ファイバー１の先端部１ａは、光損失体６としてのＴｉＯ2が表面から１〜４００μｍ程度拡散し、埋入された状態となる。つまり、ファイバー先端部１ａの表面からのＴｉＯ2の拡散距離は、ファイバー径に応じて増加する傾向を有する。
また、ファイバー先端部１ａは、融解、再凝固により略半球形状に形成され、光ファイバー１のクラッド３の直径よりも僅かに大きな直径部分を有する。
【００４９】
本発明の実施形態に係る光ファイバー１の先端部１ａは、図５に示したように、クラッド３の直径よりも僅かに大きな直径部分を有する略半球形状に形成されているので、先端部１ａの発光時に、軸方向だけでなく、略全方向に亘って光を放射することができる。
【００５０】
＜発光制御＞
図６は、本発明の実施形態に係る加熱装置２００の動作の一例を示す図であり、図６（ａ）はレーザー光発生装置１０の半導体レーザー素子へ入力される電流値の一例を示す図、図６（ｂ）はレーザー光発生装置１０から出力されるレーザー光の強度の一例を示す図、図６（ｃ）はファイバー先端部１ａの発光強度の一例を示す図である。
【００５１】
次に、加熱装置２００の制御部１５による、レーザー光発生部１１によるレーザー光の出力の大きさ、オンタイム、オフタイムなどの制御による、光ファイバー１の先端部１ａの高温かつ発光状態の制御の一例を説明する。
【００５２】
制御部１５は、図６（ａ）に示したように、レーザー光発生部１１内の半導体レーザー素子へ駆動電流を入力し、レーザー光発生部１１の半導体レーザー素子から、図６（ｂ）に示したようなレーザー光を間欠的に出力させる処理を行う。レーザー光発生部１１からのレーザー光が光ファイバー１に入射すると、図６（ｃ）に示したように、レーザー光の入射に応じて、光ファイバー１の先端部１ａが発光する。
【００５３】
詳細には、図６（ａ）に示したように、基準時０ｓ（秒）で所定レベルの電流が半導体レーザー素子へ入力すると、図６（ｂ）に示したように、基準時から約１〜２ｍｓ後にレーザー光強度が所定レベルとなる。図６（ｃ）に示したように、基準時から約１５ｍｓ後に、光ファイバー１の先端部の発光強度が０から上昇し始める。
約１００ｍｓ間、レーザー光をオン状態とすると、光ファイバーの先端部１ａの発光強度が時間経過とともに大きくなり、ファイバー先端部が４０００Ｋ程度の高温となる。
【００５４】
電流を所定のレベルから０に減少させると、レーザー光の発光強度が０となり、ファイバー先端部１ａの発光強度が時間経過とともに急激に小さくなり、電流の大きさが０となった時間から約３０〜５０ｍｓ後に、ファイバー先端部１ａの発光強度が０となり、ファイバー先端部１ａが冷却する。そして、所定時間経過後、再び、電流のオン／オフを繰り返す。
【００５５】
制御部１５は、レーザー光のオン時間、および、オフ時間を調整することにより、ファイバー先端部１ａの高温、発光、冷却を制御する。
【００５６】
レーザー光のオン時間が所定時間より短いと、ファイバー先端部１ａが十分に高温とならずに発光しない。このため、制御部１５は、レーザー光のオン時間を、光ファイバー１の先端部１ａが高温となり発光するのに十分な時間となるように制御を行う。
【００５７】
また、レーザー光のオン時間が所定時間より長いと、ファイバー先端部１ａが必要以上に高温となり、ファイバー先端部１ａが融解により短くなる速度が大きくなる。
このため、制御部１５は、レーザー光のオン時間を、光ファイバー１の先端部が融解により短くなる速度が小さく（所定速度より小さく）なるように、その時間を設定する制御を行う。
本実施形態では、レーザー光のオン時間は、３０〜６００ｍｓ程度であり、好ましくは５０〜２００ｍｓ程度である。
【００５８】
レーザー光の強度が所定レベルより小さいと、ファイバー先端部１ａが十分に高温とならずに発光しない。このため、制御部１５は、光ファイバー１の先端部が高温となり発光するのに十分な強度となるように設定する制御を行う。
【００５９】
また、レーザー光の強度は、規定レベルよりも大きいと、ファイバー先端部１ａが必要以上に高温となり、ファイバー先端部１ａが融解により短くなる速度が大きくなり、極端には、ファイバー先端部の光損失体６が焼失する。
このため、制御部１５は、レーザー光の強度を、ファイバー先端部の光損失体６が焼失せずに、光ファイバー１の先端部が融解により短くなる速度が小さく（所定速度より小さく）なるように、そのレーザー強度を設定する制御を行う。
本実施形態では、被覆４を含めたファイバー径が４００μｍの光ファイバー１を用いた場合、レーザー光の強度は２〜２０Ｗ程度であり、好ましくは４〜８Ｗ程度である。
また、レーザー光の強度などは、光ファイバー１の径に応じて適宜設定する。例えば、光ファイバー１の径が大きいほど、レーザー光の強度を大きく設定する。
【００６０】
また、上述したように、電流が所定のレベルから０に減少した時間から約３０〜５０ｍｓ後にはファイバー先端部１ａの発光強度が０となり、ファイバー先端部１ａが冷却する。
このため、制御部１５は、駆動電流のオンタイムと、オフタイムを調整することにより、光ファイバー１の先端部１ａの加熱と冷却を制御して、光ファイバー１の先端部１ａの劣化を低減させることができる。
図６に示した例では、周期Ｔ0が０．３ｓであり、オンタイムＴａが０．１２ｓであり、デューティー比が０．４である。
【００６１】
図７は、本発明の実施形態に係る加熱装置２００の動作の他の例を示す図であり、図７（ａ）はレーザー光発生装置１０の半導体レーザー素子へ入力される電流値の一例を示す図、図７（ｂ）はファイバー先端部１ａの発光強度の一例を示す図を示す。
【００６２】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示したように、２つのオンタイムを１グループとして、駆動電流、およびレーザーを出力する。図７に示した例では、１グループ内の２つのレーザー発振に関し、第１及び第２のレーザー射出時間（Ｔａ1、Ｔａ2）が約０．０９ｓであり、第１と第２のレーザー射出時間の間のオフ時間Ｔｂ1が０．０１ｓである。各グループの周期Ｔ0は、約０．３ｓである。また、本実施形態では、各グループの間に、冷却時間としてグループオフ時間Ｔｂ2が設けられている。
【００６３】
詳細には、図７に示したように、第１レーザーのオン（０〜０．０９ｓ）によりファイバー先端部１ａを加熱し、所定時間だけレーザーレベル０にしてファイバー先端部１ａを冷却した後（０．０９〜０．１０ｓ）、更に第２のレーザーのオン（０．１０〜０．１９ｓ）によりファイバー先端部１ａを加熱し、所定時間だけレーザーレベル０にしてファイバー先端部１ａを冷却する０．１９ｓ〜）。
上述したように、制御部１５は、１グループ内で第１のレーザーと第２のレーザーとの間に、僅かな０．０１ｓ程度のオフ時間（冷却時間）を設けるように制御するので、ファイバー先端部１ａの温度を比較的長時間、略連続して高温状態かつ発光状態とすることができる。
【００６４】
図８は、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００の動作の一例を示す図であり、図８（ａ）はレーザー光熱変換装置１００の半導体レーザー素子へ入力される電流値の一例を示す図、図８（ｂ）はファイバー先端部１ａを空気中に配置した場合のファイバー先端部１ａの発光強度の一例を示す図、図８（ｃ）はファイバー先端部１ａをヒアルロン酸溶液中に配置した場合の発光強度の一例を示す図、図８（ｄ）はファイバー先端部１ａを生理食塩水中に配置した場合の発光強度の一例を示す図を示す。
【００６５】
レーザー光熱変換装置１００は、レーザー光の出力が５Ｗ、レーザー光の波長が９８０ｎｍに設定されている。
【００６６】
本願発明者は、レーザー光熱変換装置１００のファイバー先端部１ａを、空気中、ヒアルロン酸溶液中、生理食塩水中に配置した場合、ファイバー先端部１ａの発光強度を測定した。生理食塩水は、塩化ナトリウムを０．９ｗ／ｖ％含有する食塩水である。ヒアルロン酸は、生体組織内の関節、硝子体などに含まれており、特に、関節軟骨に多く含まれている。
【００６７】
レーザー光が光ファイバー１に入射時、図８（ｂ）、図８（ｃ）、図８（ｄ）に示したように、空気中、ヒアルロン酸溶液中、生理食塩水中であっても、ファイバー先端部１ａが高温となり発光することを確認した。また、本願発明者は、純水中にファイバー先端部１ａを配置した状態でも、ファイバー先端部１ａの高温状態かつ発光状態を確認している。
【００６８】
図９は、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００の動作時、高温状態のファイバー先端部１ａから透過したレーザー光の強度の一例を示す図である。
【００６９】
本願発明者は、レーザー光熱変換装置１００の高温状態のファイバー先端部１ａから透過したレーザー光の強度を測定した。横軸は入射レーザー強度（Ｗ）、縦軸は透過してきたレーザー光の強度を示す。ファイバー径４００μｍの光ファイバー１を用いて測定した。
上記測定では、レーザー光の波長８５０ｎｍ以上の波長を透過し、それ以下の波長の光を遮蔽するフィルターを介して、光強度を測定した。測定時には、図８（ａ）に示したように、駆動電流を半導体レーザー素子に入力し、レーザーを光ファイバー１に入射した。
【００７０】
図９に示したように、入射レーザーの強度が４〜８Ｗでは、略一定の値であり、その範囲では、入射レーザーのエネルギーに対して、検出されたレーザー光のエネルギーは、０．１〜０．２％程度である。すなわち、入射レーザー光のエネルギーの約９９．９８％が、ファイバー先端部１ａで熱エネルギーに変換されていると推測される。
このように、本実施形態では、入射レーザー光の出力が４〜８Ｗの場合に、入射レーザー光のエネルギーを高効率で熱エネルギーに変換することができる。
【００７１】
入射レーザーの強度が８Ｗより大きいほど、高温状態のファイバー先端部１ａから透過したレーザー光の強度が大きくなり、熱エネルギーへの変換効率が低下する。
また、入射レーザーの強度が４Ｗより小さいほど、高温状態のファイバー先端部１ａから透過したレーザー光の強度が小さくなり、ファイバー先端部１ａの温度が低下する。
【００７２】
また、例えば、直径８００μｍ程度の太い光ファイバー１を用いた場合、８Ｗ〜２０Ｗ程度のレーザー出力であることが好ましい。また、直径２００μｍ程度の光ファイバー１を用いた場合、２〜３Ｗ程度のレーザー出力であることが好ましい（根間治療など）。
【００７３】
上述したように、レーザー光熱変換装置１００は、ファイバー先端部１ａに入射されるレーザー光の強度によって、高温状態のファイバー先端部１ａから透過するレーザー光の強度が変化するという特性を有する。このため、制御部１５は、入射レーザー光の強度の変化に対する、高温状態のファイバー先端部１ａから透過するレーザー光の強度の変化値が、ゼロまたは所定値より小さい値となるように、入射レーザー光の強度を設定する。
このようにすることで、レーザー光熱変換装置１００は、ファイバー先端部１ａを高温状態で、レーザー光を高効率で熱エネルギーに変換することができる。
【００７４】
また、レーザー光のオン時間が所定時間より短いと、ファイバー先端部１ａが十分に高温とならずに発光しない。
【００７５】
以上、説明したように、本発明の実施形態に係る光ファイバー１を用いたレーザー光熱変換装置１００では、光ファイバー１の先端部１ａが、光損失体６の粉体が融解、凝固により拡散した状態となっており、先端部１ａの光透過体としてのＳｉＯ2が点欠陥状態となっている。そして、レーザー光発生部１１からレーザー光が光ファイバー１に入射すると、先端部１ａの光損失体６が拡散（埋入）された領域（表層）で、レーザー光の散乱、吸収などの光損失により、先端部１ａが高温となり、ファイバー先端部１ａのＳｉＯ2が高温となり、高温状態のＳｉＯ2がレーザー光を吸収してさらに高温となり、先端部１ａが融解した状態で発光する。先端部１ａの温度は、約４０００Ｋ程度となる。先端部１ａの発光による光スペクトルは、可視光領域に亘ってブロードな強度を有する。
すなわち、低出力のレーザー光が入射した場合であっても、簡単な構造で、光ファイバー１の先端部１ａで、レーザー光を高効率で熱エネルギーに変換することができるレーザー光熱変換装置１００（光ファイバー１）を提供することができる。
【００７６】
また、上述したように、レーザー入射時、約４０００Ｋ程度の高温となるファイバー先端部１ａを備えたレーザー光熱変換装置１００（光ファイバー１）を提供することができる。
【００７７】
また、本発明の実施形態に係る加熱装置２００は、レーザー光熱変換装置１００（光ファイバー１）と、光ファイバー１にレーザー光を入射するレーザー光発生部１１と、レーザー光発生部１１によるレーザー光の出力を制御する制御部１５と、などを有する。制御部１５は、光ファイバー１の先端部１ａを高温状態かつ融解状態にさせ、先端部１ａを発光させるレーザー光を射出するようにレーザー光発生部１１を制御する処理を行う。
このため、低出力のレーザー光であっても、簡単な構造で、光ファイバー１の先端部１ａでレーザー光を高効率で熱エネルギーに変換することができるレーザー光熱変換装置１００を備えた加熱装置２００を提供することができる。
【００７８】
また、本発明の実施形態では、光ファイバー１は、上述したように融解により先端部１ａが略半球形状に形成されているので、先端部１ａが発光時、周囲に高効率で熱エネルギーを伝達することができる。また、上述したように、先端部１ａの一部がクラッド径よりも大きい径の略半球形状に形成されているので、略全方向に光を放射することができる。
【００７９】
また、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００を有する加熱装置２００は、高温で発光するファイバー先端部１ａを備えているので、生体組織など蒸散、切開などを簡単に、短時間で行うことができる加熱装置２００を提供することができる。
【００８０】
また、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００は、光ファイバー１の先端部１ａが高温且つ融解状態で、少なくとも可視光領域に亘ってブロードな発光スペクトルで発光するので、簡単な構成で、例えば単一波長のレーザー光を、可視光領域に亘ってブロードな発光スペクトルの光に変換して放射することができるレーザー光熱変換装置１００を提供することができる。
【００８１】
本発明の実施形態では、レーザー光熱変換装置１００の光ファイバー１の先端部１ａから、可視光領域のブロードな発光スペクトルの白色光が射出されるので、例えば、生体組織の指肪を融解させる施術を行うとき、先端部１ａから射出された白色光のうち、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の光がヘモグロビンに高効率で吸収され、血管そのものを凝固させて、略無出血で施術を行うことができるレーザー光熱変換装置１００を有する加熱装置２００を提供することができる。
【００８２】
また、本発明の実施形態では、光ファイバー１のコア２の形成材料は、石英（ＳｉＯ2）を有し、光損失体６は、酸化チタン（ＴｉＯ2）を有するので、簡単な構成で、上記効果を奏するレーザー光熱変換装置１００を提供することができる。
【００８３】
また、本発明の実施形態では、レーザー光熱変換装置１００の光ファイバー１の先端部１ａが高温かつ発光し、周囲の物質を短時間に高温化することができるので、レーザー光照射と比較して、広範囲の生体組織に対して蒸散や切開などを行うことができるレーザー光熱変換装置１００を有する加熱装置２００を提供することができる。
【００８４】
また、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００を有する加熱装置２００によれば、ファイバー先端部１ａの高温発光部により、歯の象牙質部分にファイバー径程度の孔を形成することができる。また、歯茎の治療において、レーザー光熱変換装置１００のファイバー先端部１ａの高温発光部により、生体組織を高効率で蒸散することができる。すなわち、レーザー光熱変換装置１００を有する加熱装置２００を歯科治療などに用いることができる。
【００８５】
また、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００を有する加熱装置２００によれば、制御部１５は、光ファイバー１の先端部１ａが非発光時から、レーザー光の光ファイバー１の先端部１ａへの入射により、先端部１ａが規定温度より高温状態となり、光吸収体となった先端部１ａの形成材料がレーザー光を吸収し、先端部１ａが高温かつ融解状態で発光するのに要する時間だけ、少なくともレーザー光発生部１１によるレーザー光を間欠的に射出する処理を行うので、制御部１５により簡単に、先端部１ａの発光を制御することが可能な加熱装置２００を提供することができる。
【００８６】
また、本発明の実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００を有する加熱装置２００によれば、制御部１５は、レーザー光を間欠的に射出して、光ファイバー１の先端部１ａの加熱および冷却を繰り返す処理を行うので、光ファイバー１の先端部１ａの劣化を低減するとともに先端部１ａを発光させることが可能な加熱装置２００を提供することができる。
【００８７】
また、本発明の実施形態のファイバーを用いたレーザー光熱変換装置１００の製造方法は、図４に示したように、光ファイバー１の先端部の被覆４を除去して、コア２とクラッド３を露出させた光ファイバー１の先端部１ａを、ＴｉＯ2やＭｎＯ2などの光損失体６の粉体を含有した被接触体であるシート９に接触させた状態で、光ファイバー１の先端部１ａからレーザー光を射出し、光ファイバー１の先端部１ａの形成材料を高温かつ融解状態とする工程と、レーザー光の射出を停止して、光ファイバー１の先端部１ａを凝固させ、光ファイバーの先端部１ａに光損失材を拡散した表層を形成する工程と、を有する。
このため、簡単に、上記レーザー光熱変換装置１００を製造可能な、レーザー光熱変換装置１００の製造方法を提供することができる。
【００８８】
また、本実施形態では、被接触体としてのシート９は、酸化チタン（ＴｉＯ2）、および着火剤として機能する酸化マンガン（ＭｎＯ2）の粉体を含有している。このため、簡単に、レーザー光熱変換装置１００を製造可能な、レーザー光熱変換装置１００の製造方法を提供することができる。
【００８９】
尚、上記実施形態では、光ファイバー１の先端部１ａを、光損失材としてのＴｉＯ2などの粉体を含有させたシートを用いて加工処理したが、この形態に限られるものではない。
例えば、光損失体６として、ジルコニア粉末などを用いてもよい。また、光損失体６は、ＴｉＯ2の他に、酸化亜鉛、酸化セリウムなどでもよい。また、ＳｉＯ2を融解せるためのＭｎＯ2はカーボン、酸化鉄などの黒色体でもよい。
【００９０】
本発明に係る実施形態に係るレーザー光熱変換装置１００の光ファイバー１としては、マルチモード、または、シングルモードのファイバーを採用してもよい。
【００９１】
また、上述した実施形態では、レーザー光発生部１１は、リピートモード、ＣＷモードでレーザー光を出力したが、この形態に限られるものではない。例えば、レーザー光発生部１１は、パルスレーザーを出力してもよい。
【００９２】
また、上記実施形態では、被覆４を含めたファイバー径が４００μｍの光ファイバー１を用いたが、この形態に限られるものではない。光ファイバー１は、例えば、直径２００μｍ〜８００μｍなど、使用状況に応じて適宜最適な径のものを使用することが好ましい。例えば、歯科治療などでは、ファイバー径が２００μｍ程度の細いものが有用であり、根間治療（虫歯の神経を除去する際の殺菌処置）を効率的に行うことが可能である。比較例として、一般的な薬液処理による根間治療であれば、４〜５回の通院を繰り返す必要があるが、本発明に係る加熱装置２００を用いれば、根間治療を１回の処置で行うことが可能である。
また、光ファイバー１として、例えば、直径８００μｍ程度の太いものを採用した加熱装置２００を用いて、短い施術時間で皮下脂肪の溶解などの手術を行うことが可能である。
【００９３】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
また、上述の各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。
また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００９４】
１    光ファイバー（ファイバー、レーザー光熱変換装置）
１ａ  先端部
２    コア（光透過体）
３    クラッド
４    被覆
６    光損失
９    シート
９ａ  光損失体の粉体を含有した領域
１０  レーザー光熱変換装置
１１  レーザー光発生部
１２  操作入力部
１３  表示部
１４  記憶部
１５  制御部（ＣＰＵ）
１００  レーザー光熱変換装置
２００  加熱装置
【図１】
2013141581.tif 000003
【図２】
2013141581.tif 000004
【図３】
2013141581.tif 000005
【図４】
2013141581.tif 000006
【図６】
2013141581.tif 000007
【図７】
2013141581.tif 000008
【図８】
2013141581.tif 000009
【図９】
2013141581.tif 000010
【図５】
2013141581.tif 000011