JP2003207653A - 光ファイバおよびレーザーガイド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工用に用いられ得る高出力のレーザー光を
伝送する際に、損傷が起こり難い光ファイバを提供し、
さらに、該光ファイバを用いたレーザーガイドを提供す
ること。 【解決手段】 石英系光ファイバ本体１の少なくとも一
つの端部の端面に先端被覆層２を有し、且つ、該端部の
外周に、該石英系光ファイバ本体１の長手方向に沿っ
て、先端側から順に側面反射層３および側面高屈折率層
４を有する光ファイバであって、該先端被覆層２は、１
より大きく、該石英系光ファイバ本体１より小さい屈折
率を有する層であり、該側面反射層３は、伝送する光を
反射する層であり、該側面高屈折率層４は、該石英系光
ファイバ本体１より屈折率が大きく、伝送する光に対し
透明な層であることを特徴とする光ファイバ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバおよびレ
ーザーガイドに関する。特に、高出力のレーザー光の伝
送に適した、端末構造に特徴のある光ファイバおよびそ
れを用いたレーザーガイドに関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザーによる材料加工等においては、
レーザー光を伝送するためのレーザーガイドが用いられ
る。レーザーガイドにおいては、石英系光ファイバがレ
ーザー光を伝送する役割を担う。加工用のレーザーとし
ては、ＹＡＧレーザー等が用いられるが、その特徴は出
力（パワー）が高いことである。高出力のレーザー光を
伝送する場合の問題点は、伝送する光ファイバが損傷す
ることである。その原因は、本来的にはレーザー光を吸
収すべきでない光ファイバが、レーザー光を吸収して発
熱することである。そして、高出力のレーザー光の場合
には、発熱の程度が大であるため、光ファイバが損傷す
る懸念がある。特に、レーザー光が光ファイバに入る部
分、すなわち、光ファイバの端部においては、レーザー
光が集束されるため、前述した光ファイバの損傷が起こ
り易い。

【０００３】上記問題の解消を図る光ファイバとして、
独国特許ＤＥ４３０５３１３Ｃ１には、光ファイバの入
口側の端部から長手方向にある一定の距離だけ離して、
レーザー光を偏光するための手段を備えた光ファイバが
記載されている。該光ファイバに入射したレーザー光の
うち、光ファイバに吸収された光を、前記偏光するため
の手段により光ファイバ外に放出させることにより、上
記問題を図ろうとするものである。

【０００４】しかし、上記特許に記載の光ファイバにお
いても、高出力のレーザー光に対する光ファイバの耐性
は十分ではなく、さらにレーザー光に対する耐性の高い
光ファイバが求められている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、加工用に用
いられ得る高出力のレーザー光を伝送する際に、損傷が
起こり難い光ファイバを提供し、さらに、該光ファイバ
を用いたレーザーガイドを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、光ファイ
バの端部、特にレーザー光の入路側の端部においてレー
ザー光が光ファイバ本体に吸収される機構等を詳細に検
討した。そして、光ファイバの端部の適切な位置に、適
切な層を設けることで、光ファイバ本体へのレーザー光
の吸収を抑制し得る光ファイバ、すなわち、レーザー光
に対する大きな耐性を有する光ファイバ、およびレーザ
ーガイドに関する本発明を完成した。

【０００７】すなわち、本発明は以下の特徴を有するも
のである。 （１）石英系光ファイバ本体の少なくとも一つの端部の
端面に先端被覆層を有し、且つ、該端部の外周に、該石
英系光ファイバ本体の長手方向に沿って、先端側から順
に側面反射層および側面高屈折率層を有する光ファイバ
であって、該先端被覆層は、１より大きく、該石英系光
ファイバ本体より小さい屈折率を有する層であり、該側
面反射層は、伝送する光を反射する層であり、該側面高
屈折率層は、該石英系光ファイバ本体より屈折率が大き
く、伝送する光に対し透明な層であることを特徴とする
光ファイバ。 （２）上記先端被覆層がフッ化カルシウム層である、
（１）に記載の光ファイバ。 （３）上記側面反射層が金属層である、（１）または
（２）のいずれかに記載の光ファイバ。 （４）上記側面高屈折率層がサファイア層である、
（１）〜（３）のいずれかに記載の光ファイバ。 （５）（１）〜（４）のいずれかに記載の光ファイバを
有するレーザーガイド。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明に係る光ファイバを図面を
参照して説明するが、本発明は参照した図面に限定され
るわけではない。本発明に係る光ファイバ５は、図１に
示すように、光ファイバ５の端部における構造に特徴が
ある。すなわち、本発明に係る光ファイバ５は、石英系
光ファイバ本体１の少なくとも一つの端部に、以下に詳
述する先端被覆層２、側面反射層３、側面高屈折率層４
の３つの層を有する。

【０００９】本発明に係る光ファイバ５に用いる石英系
光ファイバ本体１は特に限定はなく、当業界において公
知の石英系光ファイバ本体を用いることができ、例え
ば、石英系光ファイバ母材を加熱（例えば２０００℃〜
２５００℃）して、線引きすることにより得ることがで
きる。石英系光ファイバ本体１は、通常、コアと呼ばれ
る中心部分（図示せず）とコアの外周のクラッドと呼ば
れる部分（図示せず）からなる。以下、本発明の特徴で
ある、先端被覆層２、側面反射層３、側面高屈折率層４
について順次説明する。

【００１０】（Ａ）先端被覆層 先端被覆層２は、石英系光ファイバ本体１の先端に設け
られており、その屈折率は１より大きく、好ましくは
１．３以上であり、より好ましくは１．４以上である。
屈折率が１より大きいというのは、空気の屈折率より大
きいという意味である。また、該先端被覆層２の屈折率
は、石英系光ファイバ本体１の屈折率より小さく、好ま
しくは１．４６以下、より好ましくは１．４３以下であ
る。該層の存在により、伝送すべきレーザー光は、空気
（屈折率は約１）から、石英系光ファイバ本体１へ、直
接ではなく、両者の中間の屈折率を有する先端被覆層２
を経ることになる。これにより、レーザー光の経路にお
いて、屈折率の局所的な変化率が低減することになるの
で、石英系光ファイバ１の端部の損傷を抑制することが
できると期待される。

【００１１】上述の先端被覆層２の材料の非限定的な例
示として、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム等の
フッ化物材料等を挙げることができるが、より短波長域
のレーザー光に対して透過率が高い、耐性が良好である
等の点からフッ化カルシウムが好ましい。

【００１２】上述の作用を奏せしめるため、先端被覆層
２は石英系光ファイバ本体１の端面全体を覆う必要があ
るが、もっと広く覆っていてもよい。例えば、図１
（ａ）および図２（ａ）においては、先端被覆層２は、
石英系光ファイバ本体１の端面のみを覆うように描写さ
れているが、図２（ｂ）のように、後述する側面反射層
３の端面をも覆っていてもよい。先端被覆層２の厚さ
は、特に限定はないが、好ましくは１〜１０μｍであ
り、１〜５μｍがより好ましい。その理由は、厚さが１
μｍ以上であれば、透過率が高く設定できる、耐性が良
好になる点で好ましく、厚さが５μｍ以下であれば、厚
くなるほど適用波長帯域を広く設定できる点で好ましい
からである。

【００１３】先端被覆層２の形成方法としては、化学的
に形成する方法（蒸着法、イオンビーム法、ＣＶＤ法
等）、物理的に形成する方法（浸漬法、塗布法等）等が
例示されるが、特に限定されない。石英系光ファイバ本
体１と先端被覆層２との接着性を高める、耐性を良好に
する、耐環境特性を良好にするという観点から、化学的
に形成する方法が好ましい。

【００１４】（Ｂ）側面反射層 側面反射層３は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すよ
うに、石英系光ファイバ本体１の先端を含む端部の外周
に設けられていて、レーザーガイド（光ファイバ５）が
伝送する光を反射する層である。該層の存在により、伝
送するレーザー光の石英系光ファイバ本体１への外周か
らの吸収が抑制されるので、レーザー光が集束する端部
における石英系光ファイバ本体１のレーザー光に対する
耐性が向上し得る。

【００１５】側面反射層３は、石英系光ファイバ本体１
の先端を含む端部の外周に設けられていればよい。例え
ば、図１（ａ）および図２（ａ）のように、側面反射層
３は、石英系光ファイバ本体１のちょうど先端までを覆
っていてもよく、また、図２（ｃ）のように、上述の先
端被覆層２の側面をも覆っていてもよい。側面反射層３
の厚さは、特に限定はないが、好ましくは０．０１〜１
０μｍであり、０．０５〜１μｍがより好ましい。その
理由は、厚さが０．０５μｍ以上であれば、側面反射層
３をレーザー光が透過してしまうことが少なくなり、石
英系光ファイバ本体１をより効果的に保護し得る点で好
ましく、厚さが１μｍ以下であれば、耐性が良好とな
り、反射特性が高まる点で好ましいからである。また、
側面反射層３は、光ファイバ本体１の長手方向に５〜５
０ｍｍ設けることが好ましく、そのような範囲にするこ
とで、レーザー光が集束する部分において光ファイバ本
体１を有効に保護することができ、かつ、後述する側面
高屈折率層４を適切な位置に設けることができるように
なる。

【００１６】側面反射層３は、伝送する光を反射する層
である。そのような層を構成する材料としては、アルミ
ニウム、金等の金属、誘電体、セラミックス等が例示さ
れるが、これらに限定されない。側面反射層３の材質と
しては、透過波長域が広く、耐性が良好であり、光を反
射させやすいこと等の点から金属が好ましく、アルミニ
ウム、金がより好ましい。

【００１７】側面反射層３の形成方法としては、石英系
光ファイバ本体１の所定の場所に溶融した金属を物理的
に形成する方法（浸漬方、塗布法）、化学的に形成する
方法（蒸着法、イオンビーム法、ＣＶＤ法等）等が例示
されるが、特に限定されない。

【００１８】（Ｃ）側面高屈折率層 側面高屈折率層４は、図１（ａ）および図１（ｃ）に示
すように、石英系光ファイバ本体１の外周であって、石
英系光ファイバ本体１の端部から長手方向に沿って、上
述した側面反射層３の次に設けられていている。側面高
屈折率層４の存在により、レーザー光の高次の不要な光
（反射光、透過光等）を除去して、石英系光ファイバ本
体１中に吸収され難くすることによって、石英系光ファ
イバ本体１の温度上昇が抑制されるので、石英系光ファ
イバ本体１のレーザー光に対する耐性が向上し得る。

【００１９】側面高屈折率層４の厚さは、特に限定はな
いが、好ましくは１０〜２０００μｍであり、５０〜１
０００μｍがより好ましい。その理由は、厚さが５０μ
ｍ以上であれば、高次モードの伝送光を確実に除去でき
る点で好ましく、厚さが１０００μｍ以下であれば、熱
拡散が十分にできる点で好ましいからである。また、側
面高屈折率層４は、光ファイバ本体１の長手方向に５〜
５０ｍｍ設けることが好ましく、そのような範囲にする
ことで、レーザー光を伝送する光ファイバ５から、伝送
中の高次モードあるいは加工工作物からの反射光等の不
要な光を効率よく除去することが可能になる。

【００２０】側面高屈折率層４は、石英系光ファイバ本
体１よりも大きい屈折率を有し（具体的には、その屈折
率は１．５以上、好ましくは１．５５以上、より好まし
くは１．６以上であり、その上限は３以下、好ましくは
２以下、より好ましくは１．９以下である）、且つ伝送
するレーザー光に対し透明である。そのことにより、上
述した高次の光を屈折作用により光ファイバ本体１内か
ら光ファイバ５外へ除去し得る。側面高屈折率層４の材
料としては、サファイア等の金属酸化物、強誘電体、セ
ラミックス等が例示され、熱伝導率が良好である点か
ら、サファイアが好ましく用いられるが、これらに限定
されない。

【００２１】側面高屈折率層４の形成方法としては、用
いる材料に応じて公知の被覆方法を採ることができる。
例えば、サファイアを被覆するには、光ファイバ本体１
の外周部に物理的に密着させる方法（物理的密着法）、
化学的に結晶成長させる方法等が例示されるが、石英系
光ファイバ本体１と側面高屈折率層４との接着性を高め
るという観点から、物理的密着法の場合は、接着剤を用
いる方法が好ましい。

【００２２】以上のような光ファイバ５を一本以上用い
て、レーザーガイド（光ファイバアッセンブリ）を製造
することができる。通常は光ファイバ５は可とう管に収
納される。これは、レーザーガイドの運搬・使用時等に
光ファイバ５が損傷するのを防止するためである。耐熱
性、堅牢性等の観点から、可とう管４は通常ステンレス
（ＳＵＳ）製であるが、他の材質からなるものでもよ
い。また、通常は光ファイバ５の少なくとも一端は、接
着剤等を用いてスリーブに固定される。スリーブは光フ
ァイバ５の末端を保護することにより損傷を防ぎ、レー
ザーガイドを他の装置等と接続する際に、接続を容易か
つ確実にすることを目的とする。スリーブを用いる場
合、その材質、形状等は、公知のものを任意に用いるこ
とができる。

【００２３】

【実施例】（実施例１）石英系光ファイバ本体１は公知
の方法、すなわち石英系光ファイバ母材からの線引きに
より製造した。純石英からなるコア部分とフッ素ドープ
されたクラッド部分からなる石英系光ファイバ母材を２
２００℃に熱して線引きを行った。その結果、直径０．
２５ｍｍの石英系光ファイバ本体１を得た。

【００２４】この石英系光ファイバ本体１の先端に先端
被覆層２として、フッ化カルシウムを電子ビーム蒸着法
により化学的に成長させた。これにより、１．５μｍの
厚みの先端被覆層２（フッ化カルシウム層）を設けるこ
とができた。

【００２５】次いで、側面反射層３として金を蒸着によ
り、先端被覆層２を有する石英系光ファイバ本体１に被
覆した。石英系光ファイバ本体１の先端から１０ｍｍを
被覆した。蒸着は、市販の蒸着装置（日本真空技術株式
会社製）を用いて行った。蒸着の厚みは、０．１μｍと
した。

【００２６】さらに、先端被覆層２と側面反射層３とを
有する光ファイバ本体１に、側面高屈折率層４としての
サファイアを物理的密着法により被覆した。側面高屈折
率層４は、側面反射層３から、石英系光ファイバ本体１
の長手方向に沿って１０ｍｍの長さ、５００μｍの厚み
に被覆した。

【００２７】（比較例１）実施例１と同様の線引き工程
により得た光ファイバ本体１に、被覆を施さないものを
比較例１の光ファイバとして、以下の評価に用いた。

【００２８】実施例１および比較例１で得た光ファイバ
の耐光強度の評価を行った。評価は、高強度のレーザー
光を照射した後の光ファイバの端部の温度を測定するこ
とで行った。各々の光ファイバにＹＡＧレーザー（日本
電気株式会社製）を用いて、レーザー光（波長１．０６
μｍ、強度２ｋＷ）を１時間連続照射した。照射後の光
ファイバの端部（側面高屈折率層４該当部分）の温度を
測定した。その結果、実施例１の光ファイバでは５０℃
であり、比較例１の光ファイバでは１００℃であった。
このように、実施例１の光ファイバが、比較例１の光フ
ァイバに比べて温度上昇が極めて小さかったことは、実
施例１の光ファイバへのレーザー光の吸収が極めて少な
かったことに相当し、実施例１の光ファイバのレーザー
光に対する耐性が極めて高いことを示す。

【００２９】

【発明の効果】本発明の光ファイバ５は、（Ａ）先端被
覆層２の存在により、光ファイバ５の先端における光路
の屈折率差が小さくなり、（Ｂ）側面反射層３の存在に
より、石英系光ファイバ本体１の側面からの光の吸収を
抑制し、（Ｃ）側面高屈折率層４の存在により、石英系
光ファイバ本体１から高次の反射光を偏光により除去し
得る。以上の作用により、耐光強度の高い光ファイバ５
を提供することができ、そのような光ファイバ５を用い
ることで、ＹＡＧレーザーなどの高出力レーザーを伝送
するレーザーガイドの耐光強度を向上し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバの端部の構造の概略図であ
る。（ａ）は長手方向に沿った断面図であり、（ｂ）、
（ｃ）は、それぞれ（ａ）におけるＩ−Ｉ断面、ＩＩ−
ＩＩ断面を示す図である。

【図２】本発明の光ファイバの端部（図１のＩ−Ｉ断面
より端部側）の構造の概略図である。（ａ）〜（ｃ）
は、長手方向に沿った断面図であって、本発明の各々の
実施態様を示す。

【符号の説明】

１ 石英系光ファイバ本体 ２ 先端被覆層 ３ 側面反射層 ４ 側面高屈折率層 ５ 光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H050 AB03 AC01 AC88 4G060 AA01 AB01 AC00 AD12 AD13 AD22 AD30 AD32 CA00 CA07 CA16 CA30

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石英系光ファイバ本体の少なくとも一つ
   の端部の端面に先端被覆層を有し、且つ、該端部の外周
   に、該石英系光ファイバ本体の長手方向に沿って、先端
   側から順に側面反射層および側面高屈折率層を有する光
   ファイバであって、 該先端被覆層は、１より大きく、該石英系光ファイバ本
   体より小さい屈折率を有する層であり、 該側面反射層は、伝送する光を反射する層であり、 該側面高屈折率層は、該石英系光ファイバ本体より屈折
   率が大きく、伝送する光に対し透明な層であることを特
   徴とする光ファイバ。
2. 【請求項２】 上記先端被覆層がフッ化カルシウム層で
   ある、請求項１に記載の光ファイバ。
3. 【請求項３】 上記側面反射層が金属層である、請求項
   １または２のいずれかに記載の光ファイバ。
4. 【請求項４】 上記側面高屈折率層がサファイア層であ
   る、請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバ。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の光ファ
   イバを有するレーザーガイド。