(57)【要約】【課題】中空導波路内で発生する熱を効率よく放熱することにより、温度上昇による中空導波路の損傷を抑えることができる中空導波路及びその製造方法を提供する。【解決手段】ガラスキャピラリ１と、そのガラスキャピラリ１の内周に形成された金属薄膜２と、その金属薄膜２の内周に形成され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜３とを有する中空導波路において、ガラスキャピラリ１の外周に、金属ナノ粒子を焼結して形成された金属膜５を有する中空導波路１０である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英系管状部材と、その石英系管状部材の内周に形成された金属薄膜と、その金属薄膜の内周に形成され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜とを有する中空導波路において、
上記石英系管状部材の外周に、金属ナノ粒子を焼結して形成された金属膜を有することを特徴とする中空導波路。
【請求項２】
上記金属ナノ粒子は、平均粒子径が５００ｎｍ未満である請求項１に記載の中空導波路。
【請求項３】
上記金属膜の材質が、金、銀、銅のいずれかである請求項１または２に記載の中空導波路。
【請求項４】
導波路を構成する石英系管状部材と、その石英系管状部材の内周に形成された金属薄膜と、その金属薄膜の内周に形成され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜とを有する中空導波路の製造方法において、
ガラス管を線引きして石英系管状部材を形成する工程と、
上記石英系管状部材の外周に、金属ナノ粒子を溶媒中に分散させたスラリーを塗布し、加熱・焼結して金属膜を形成する工程と、
上記金属膜を形成した石英系管状部材の内周に上記金属薄膜を形成する工程と、
上記金属薄膜の内周に上記誘電体膜を形成する工程とを含むことを特徴とする中空導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光のパワー伝送に使用される中空導波路及びその製造方法に関する。
【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、及び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】
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及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、種々のタイプがある。なかでも、図６に示すような石英系ガラスキャピラリ６２をベースにし、内壁を金属薄膜６３及び誘電体膜６４でコーティングした中空導波路６１は、端面反射がないために端面損傷の恐れが無く、フレキシブルという点で優れており、有望視されている。
【０００５】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２２７７０７号公報
【特許文献２】特許第３２９９４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、中空導波路では、導波路の損失により、透過しない光パワーが熱に変換される。このため、中空導波路に大パワーを入力すると発熱量が大きくなり、従来の石英ガラスキャピラリをベースとした中空導波路では、熱が蓄積してしまい、キャピラリ内部の誘電体膜に損傷が生じてしまうという間題があった。
【０００８】
また、中空導波路は曲げの長さにより損失が増加するため、複雑な曲げにすると、より高温になってしまい、損傷しやすくなるという間題もあった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、中空導波路内で発生する熱を効率よく放熱することにより、中空導波路が高温になることを防いだ中空導波路及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、石英系管状部材と、その石英系管状部材の内周に形成された金属薄膜と、その金属薄膜の内周に形成され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜とを有する中空導波路において、上記石英系管状部材の外周に、金属ナノ粒子を焼結して形成された金属膜を有する中空導波路である。
【００１１】
上記金属ナノ粒子は、平均粒子径が５００ｎｍ未満であるとよい。
【００１２】
上記金属膜の材質が、金、銀、銅のいずれかであるとよい。
【００１３】
また、本発明は、導波路を構成する石英系管状部材と、その石英系管状部材の内周に形成された金属薄膜と、その金属薄膜の内周に形成され、波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜とを有する中空導波路の製造方法において、ガラス管を線引きして石英系管状部材を形成する工程と、上記石英系管状部材の外周に、金属ナノ粒子を溶媒中に分散させたスラリーを塗布し、加熱・焼結して金属膜を形成する工程と、上記金属膜を形成した石英系管状部材の内周に上記金属薄膜を形成する工程と、上記金属薄膜の内周に上記誘電体膜を形成する工程とを含む中空導波路の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、石英系管状部材の外周に金属膜を設けることにより、中空導波路の放熱が効率よく行え、温度上昇による中空導波路の損傷を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１６】
本実施形態に係る中空導波路は、波長２μｍ以上の赤外光のパワー伝送に用いるためのものであり、例えばＥｒ−ＹＡＧレーザ、ＣＯレーザ、ＣＯ2レーザを伝送するために用いるものである。
【００１７】
図１は、本発明の好適な実施形態を示す中空導波路の横断面図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係る中空導波路１０は、石英系管状部材（ガラスキャピラリ）１と、このガラスキャピラリ１の内周に形成された金属薄膜２と、その金属薄膜２の内周に形成された波長２μｍ以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜３と、ガラスキャピラリ１の外周にコーティングされた放熱用の金属膜５とで構成され、中心部にはレーザ光を通すための中空領域４が形成される。
【００１９】
金属膜５は、平均粒子径５００ｎｍ未満の金属ナノ粒子をガラスキャピラリ１に被覆・焼結して形成される。なお、平均粒子径は、例えば、レーザ回折法等によって得られる粒度分布から求めたメジアン径で表したものである。
【００２０】
また、金属膜５の材質は、金、銀、銅いずれかを用いるとよい。
【００２１】
次に、中空導波路１０の製造に用いる中空導波路製造装置を説明する。
【００２２】
この中空導波路製造装置は、図２の放熱用金属膜作製装置２０と、図３の金属薄膜製造装置３０とを備える。
【００２３】
図２に示すように、放熱用金属膜作製装置２０は、ガラス管１１を加熱してガラスキャピラリ１に線引きするための線引き炉１２と、ガラスキャピラリ１の外径を測定するための外径測定器１３と、金属ナノ粒子を溶媒中に分散させたスラリー１５で満たされ、ガラスキャピラリ１を通過させてガラスキャピラリ１にスラリー１５を塗布するためのダイス１４と、ガラスキャピラリ１とスラリー１５とを加熱し金属膜５を焼結し、金属膜付ガラスキャピラリ１ａを形成するための管状焼成炉１６と、放熱用の金属膜付ガラスキャピラリ１ａの外径を測定するための外径測定器１７と、金属膜付ガラスキャピラリ１ａの外径を均一にするための引取器１８と、金属膜付ガラスキャピラリ１ａを巻き取る巻取器１９とを、上流側から下流側に順次配置して構成される。
【００２４】
図３に示すように、金属薄膜製造装置３０は、所定の長さに切断した４本の金属膜付ガラスキャピラリ１ａと、その金属膜付ガラスキャピラリ１ａの一端に接続される２組のコ字状の分岐管３１と、分岐管３１同士を接続する１組コ字状の分岐管３２と、結合管３３に接続され、廃液を廃液容器３４に排出するための排管３５と、廃液容器３４に接続され、真空引きする真空ポンプＰと、分岐管３２に接続され、銀液容器３６から延びる銀液管３７と、分岐管３２に接続され、還元液容器３８から延びる還元液管３９と、銀液管と還元液管を合流する混合管４０とで構成される。
【００２５】
次に、放熱用金属膜作製装置２０と、金属薄膜製造装置３０を用いた中空導波路１０の製造方法を説明する。
【００２６】
まず、放熱用金属膜作製装置２０を用いて、線引き炉１２でガラス管１１の先端部を加熱・溶融し、外径測定器１３で線引きで形成されたガラスキャピラリ１の外径を連続的に測定すると共に、目標径に対する偏差信号を引取器１８にフィードバックすることによりガラスキャピラリ１の径が均一になるように制御する。
【００２７】
外径測定器１３を通過したガラスキャピラリ１には、スラリー１５で満たされたダイス１４を通過する際、スラリー１５が塗布される。
【００２８】
スラリー１５が塗布されたガラスキャピラリ１を管状焼成炉１６で加熱・焼結し、放熱用の金属膜付ガラスキャピラリ１ａを形成する（図５（ａ））。
【００２９】
その後、金属膜付ガラスキャピラリ１ａを所定の長さに切断し、金属膜付ガラスキャピラリ１ａを複数本金属薄膜製造装置３０にセットする。各金属膜付ガラスキャピラリ１ａの内部に、真空ポンプＰを運転し、銀液Ａと還元液Ｒをそれぞれ管３７、３９から流し、混合管４０で混合し、銀鏡反応により金属薄膜２を形成する（図５（ｂ））。
【００３０】
続いて、金属薄膜２を形成した金属膜付ガラスキャピラリ１ａの内周に誘電体膜３を形成する。誘電体膜は、環状オレフィンポリマの溶液を、金属薄膜２を形成した金属膜付ガラスキャピラリ１ａ内部に送液・塗布し、その後、電気炉で加熱・固化して形成する（図５（ｃ））。
【００３１】
誘電体膜に環状オレフィンポリマを用いた場合、その膜厚は、波長２．９４μｍのＥｒ−ＹＡＧレーザ用では、０．３５μｍ程度、波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ用では、１．３７μｍ程度とすることにより、最大透過率を得ることができる。誘電体膜の膜厚は、溶液の送液速度により調整可能である。
【００３２】
最後に、誘電体膜３にアニール処理を施すと、中空導波路１０が得られる（図５（ｄ））。図５（ｂ）〜図５（ｄ）は内装工程である。
【００３３】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３４】
中空導波路１０の端面から入射されるレーザ光Ｌは、誘電体膜３と中空領域４、及び金属薄膜２と誘電体膜３との境界で反射を繰り返すことによって伝搬する。このとき、それぞれの境界面で反射された光が同相で重なり合う（図４点線部の反射光Ｌ１と実線部の反射光Ｌ２が重なる）ときに反射率が最大となるが、誘電体膜３の膜厚は伝搬させるレーザ光Ｌの波長によって最適値が異なる。理想的には誘電体膜の膜厚は長手方向に一定であることが望まれるが、製造ばらつきや、膜厚が長手で異なる等の要因により、若干の伝送損失を生じる。実際には、長さ２ｍ程度の中空導波路の透過率は７０〜９０％程度である。この伝送損失分は、そのほとんどが熱に変換されるため、伝送損失の大きい箇所（例えば、誘電体膜の膜厚が最適値からずれている点や中空導波路を曲げる箇所等）は、高温になってしまう。
【００３５】
本実施形態に係る中空導波路１０は、ガラスキャピラリ１の外側に放熱用の金属膜５をコーティングすることにより、伝送損失により発生した熱を効率よく放熱でき、温度上昇による中空導波路の損傷を抑えることができる。
【００３６】
中空導波路１０は、ガラスキャピラリ１の外周に放熱用の金属膜５を設けた構造であるが、放熱用の金属膜５の表面に凹凸をつけて表面積を大きくすることにより、より効率の良い放熱を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す中空導波路の横断面図である。
【図２】図１に示した中空導波路の放熱用金属膜付ガラスキャピラリの製造工程を示す図である。
【図３】図１に示した中空導波路の銀鏡反応工程を示す図である。
【図４】図１に示した中空導波路の光の伝搬原理を示す図である。
【図５】図１に示した中空導波路の内装工程を示す図である。
【図６】従来の中空導波路を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ガラスキャピラリ
２  金属薄膜
３  誘電体膜
４  中空領域
５  金属膜
１０  中空導波路
【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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