JP2005215632A - Hollow fiber for laser energy transmission - Google Patents

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Mitsunobu Miyagi
光信 宮城
Akishi Hongo
晃史 本郷
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Miyagi Mitsunobu
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser energy transmission hollow fiber which is used to transmit laser light beams having high peak power over a long distance. <P>SOLUTION: The core is made into a hollow region in the laser energy transmission hollow fiber. The fiber is provided with a hollow core 12 having a diameter that is equal to one hundred times the propagation light beam wavelength or larger, and a solid section 11 which surrounds the hollow core 12. A plurality of air holes 13 is formed in the solid section 11 and extended along the fiber longitudinal direction. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to a transmission medium suitable for transmission of high-power, short-pulse laser light, and more particularly to a hollow fiber for laser energy transmission.

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。   Development of various applications using laser energy with high peak power has become active due to higher output and shorter pulses of semiconductor lasers and solid-state lasers. In particular, it has attracted attention in the fields of display, processing of substrates in the field of semiconductors, laser knife and chemical analysis in the fields of medicine and biotechnology.

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。   As shown in FIG. 5, conventionally, a large-diameter silica-based optical fiber 50 has been used to transmit high-power laser light. This is because, like an optical fiber used for optical communication, a solid core region 52 having a relatively high refractive index by adding a doping material such as germanium, and a clad having a refractive index lower than that of the core region 52 The optical power is concentrated and transmitted to the core region 52 while satisfying the total reflection condition at the boundary with the region 51. Such a silica-based optical fiber 50 can transmit laser light having a wavelength of approximately 2 μm or less over a long distance with low loss. The difference from a normal optical communication optical fiber is that there is no need for single mode transmission, and the power density of laser light to be transmitted is lowered by using a core with a large diameter of about 100 to 200 μm.

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。   When laser light is confined and transmitted in a certain region, a transmission path is generally formed in which a region having a high refractive index and a region having a low refractive index surrounding it are formed and guided by total reflection.

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)。   However, the leaky waveguide 60 as shown in FIG. 6 (see Non-Patent Document 1) developed by the present inventors or a dielectric-incorporated metal hollow as shown in FIG. There is a waveguide 70 (see Non-Patent Document 2).

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。   The leaky waveguide 60 is composed of a ring-shaped dielectric layer 61 surrounding the hollow core region 62. By optimizing the thickness of the dielectric layer 61, low-loss transmission of laser energy becomes possible.

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。 The dielectric-embedded metal hollow waveguide 70 includes a ring-shaped dielectric layer 71 and a metal layer 72 that surrounds the outer periphery thereof, and a hollow core region 73 is formed inside the dielectric layer 71. The thickness of the dielectric layer 71 is optimized depending on the wavelength of the laser beam to be transmitted, and it is sufficient that the thickness of the metal layer 72 as the lossy medium is equal to or greater than the skin depth of the laser beam. Thus, even in a hollow waveguide in which the dielectric layer 71 having an appropriate thickness is housed inside the metal layer 72 having a large complex refractive index, low loss transmission of laser energy is possible. The dielectric-embedded metal waveguide 70 has been demonstrated to transmit high-power laser energy with relatively low loss, and is mainly used as a transmission path for a CO 2 laser and an Er-YAG laser for laser processing and medical use. It has been developed for the purpose of laser scalpels.

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。   The leaky waveguide 60 and the dielectric-incorporated metal waveguide 70 are mainly intended for transmission in an infrared wavelength band where a silica-based optical fiber cannot be used.

特開平9−159845号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-159845 特開2000−35521号公報JP 2000-35521 A 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.536-541Miyagi et al., “Transmission Characteristics of Dielectric Tube Leaky Waveguide”, I Triple E, Transaction on Microwave Theory and Technics (IEEE, Trans. Microwave Theory Tech.), 1980 June, 28, 6, 536-541 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.1510-1515Miyagi et al. “Transmission Characteristics of Germanium Thin-Films-coated Metallic Hollow Waveguides for High-Powered CO2 Laser Light”, Eye Triple E, J. Quantum Electrin. (IEEE, J.Quantum Electrin.), September 1990, Vol. 28, No. 9, p. 1510-1515

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。   In general, a silica-based optical fiber can perform low-loss transmission with respect to light having a wavelength of 2 μm or less.

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。   However, even in the case of a short wavelength laser such as an Nd-YAG laser having a wavelength of 1.06 μm or a semiconductor laser having a wavelength of 0.85 μm, the peak power is spatially or temporally high in the case of a high output, short pulse laser beam. When it becomes very large, the self-focusing action of the laser energy works due to the nonlinear optical effect, and the core region is destroyed. Further, when a foreign substance adheres to the fiber end face, end face destruction occurs.

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。   Therefore, the solid core laser energy transmission optical fiber 50 is used in a range in which the core diameter is increased and the optical fiber breakdown threshold is not exceeded, and the laser energy transmission capacity and transmission distance are limited. is there.

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。   In addition, the leaky waveguide 60 as shown in FIG. 6 has a low loss in theory, but since the thickness of the solid portion 61 is as thin as a wavelength and is not a structure capable of maintaining mechanical strength, it is practically realized. Strict.

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。   Furthermore, the dielectric-embedded metal hollow waveguide 70 as shown in FIG. 7 uses a metal as a part of the material, and a manufacturing method based on a drawing technique such as a normal silica-based optical fiber cannot be applied. The length that can be transmitted is only a few meters.

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。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a hollow fiber for laser energy transmission that solves the above-described problems and enables long-distance transmission of laser light having high peak power.

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。   In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is an energy transmission hollow fiber comprising a hollow core having a diameter of 100 times or more of a transmission light wavelength, and a solid portion surrounding the hollow core. It is a hollow fiber for laser energy transmission in which a plurality of holes extending in the longitudinal direction of the fiber are formed.

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。   The invention according to claim 2 is the hollow fiber for laser energy transmission according to claim 1, wherein the holes are provided on a circumference centered on the center of the hollow core.

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。   The invention according to claim 3 is the hollow fiber for laser energy transmission according to claim 1 or 2, wherein the holes are formed at equal intervals on a circumference centered on the center of the hollow core.

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。   The invention according to claim 4 is the hollow fiber for laser energy transmission according to any one of claims 1 to 3, wherein the holes are formed on two or more concentric circles centered on the center of the hollow core.

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。   The invention according to claim 5 is the hollow fiber for laser energy transmission according to claim 4, wherein the inner and outer holes formed on concentric circles having different diameters are aligned in the radial direction.

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。   The invention according to claim 6 is characterized in that adjacent inner and outer holes formed on concentric circles having different diameters are aligned at radial positions passing through the middle between adjacent holes in the circumferential direction. The hollow fiber for laser energy transmission according to claim 4.

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、 In the invention of claim 7, the distance δ s between the hollow core side in the radial direction of the holes arranged on the same circumference and the outer periphery of the hollow core is expressed as follows: n s is the refractive index of the solid part, λ is the wavelength of the propagating light , Where m is an integer greater than or equal to 0,

Figure 2005215632
Figure 2005215632

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。   The hollow fiber for laser energy transmission according to claim 1, wherein:

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、 In the invention of claim 8, when the distance δ ss between adjacent holes inside and outside the concentric circles is λ, the wavelength of the propagating light is λ, the refractive index of the solid part is n s , and m is an integer of 0 or more,

Figure 2005215632
Figure 2005215632

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。   The hollow fiber for laser energy transmission according to any one of claims 4 to 7, wherein:

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、 In the invention of claim 9, when the hole has a radial width δ 0 of a circle centered on the center of the hollow core, the wavelength of propagating light is λ, and m is an integer greater than or equal to 0,

Figure 2005215632
Figure 2005215632

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。   The hollow fiber for laser energy transmission according to claim 1, wherein:

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。   A tenth aspect of the present invention is the hollow fiber for laser energy transmission according to any one of the first to ninth aspects, wherein the hole has a circular, oval or polygonal cross-sectional shape.

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。   The invention of claim 11 is the laser energy transmitting hollow fiber according to any one of claims 1 to 10, wherein the material forming the solid portion is quartz.

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。   According to the present invention, an excellent effect that high-power, short-pulse light can be transmitted over a long distance is exhibited.

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。   Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

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。   FIG. 1A is a cross-sectional view showing a laser energy transmission hollow fiber 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a refractive index distribution diagram thereof.

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。   As shown in FIG. 1A, a hollow fiber 10 for laser energy transmission is formed with a cylindrical solid portion 11 made of pure quartz so as to surround a cylindrical hollow core 12, and the solid portion 11 A plurality of holes 13 are formed in the vicinity of the hollow core 12 side. The air holes 13 are arranged on the circumference centered on the center O of the hollow core and at equal intervals in the circumferential direction, extend in the fiber longitudinal direction, and have a circular cross-sectional shape.

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。 As shown in FIG. 1B, the refractive index distribution in the radial line r passing from the center O of the hollow core 12 to the center of the hole 13 becomes a distribution line 17, and the hollow core 12 and the hole 13 are Since it is air, its refractive index n 0 is approximately 1, and since the solid part 11 is made of pure quartz, its refractive index n s is approximately 1.48.

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。 In FIG. 1B, δ s is the distance between the hollow core outer periphery (boundary between the hollow core 12 and the solid part 11) 14 and the radial direction of the hollow core 13 (the hollow core outer periphery 14 and the void). Represents the shortest distance from the outer periphery 15), and δ 0 represents the diameter of the hole 13.

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。   The diameter 2R of the hollow core region 12 may be at least 100 times the wavelength λ of the transmitted light. In the present embodiment, since the light propagating through the hollow fiber 10 is emitted from the Nd-YAG laser having a wavelength of 1.06 μm, the diameter of the hollow core region 12 is 200 μm.

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)。 The distance δ s between the hollow core outer periphery 14 and the hole 13 substantially satisfies the following equation (1) when the propagation light wavelength λ and the refractive index of the solid portion 11 are n s (hereinafter “substantially satisfy” is: It shall be within ± 10% of the value).

Figure 2005215632
Figure 2005215632

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。 In the present embodiment, the propagation light wavelength λ is 1.06 μm, the refractive index n s of the solid portion 11 is 1.48, m = 0, and δ s is 0.24 μm from Equation (1).

また、空孔径(直径)δ0 は、下記の式(2)を略満たす。 The hole diameter (diameter) δ 0 substantially satisfies the following expression (2).

Figure 2005215632
Figure 2005215632

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。   In this embodiment, the propagation light wavelength λ is 1.06 μm, m = 2, and the hole diameter is 1.3 μm from the equation (2).

本実施の形態の作用について説明する。   The operation of the present embodiment will be described.

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。   The hollow fiber 10 is a fiber having a leak structure in which the core (hollow core 12) that confines light has a refractive index much smaller than that of the clad (solid portion 11), and interference reflection between the hollow core outer periphery 14 and the hole outer periphery 15 occurs. Light transmitted by repetition is confined in the hollow core 12, and the hollow core 12 is used as a propagation region.

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。 When the diameter of the hollow core 12 is sufficiently larger than the wavelength of light to be transmitted, when the distance δ s substantially satisfies the equation (1) in the radial line r, the hollow core outer periphery 14 and the hole outer periphery 15 When the phase of the light reflected to the 12 side interferes, it is in phase. At this time, the intensity of light reflected by the hollow core 12 is maximized (reflectance is maximized). Therefore, the light confinement effect in the hollow core 12 is maximized, and low-loss transmission of light propagating through the hollow core 12 is enabled.

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。   In the hollow fiber 10 of the present embodiment, since most of the laser energy propagates through the hollow core 12, self-focusing is performed on a high-power, short-pulse laser beam having a very large spatial or temporal peak power. There is no destruction of the core due to action or foreign matter adhesion, and the destruction threshold is much higher than that of a solid core optical fiber.

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。   In addition, the solid portion 11 surrounding the hollow core 12 is formed only of a dielectric such as quartz. However, since the solid portion 11 has a structure having a sufficient thickness to maintain mechanical strength, it is damaged by an external force. Can be prevented.

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。   Furthermore, since a silica-based material is used, a drawing technique used when manufacturing a silica-based optical fiber for long-distance communication can be applied, and a long laser energy transmission hollow fiber can be easily manufactured. Therefore, long-distance transmission of high-power, short-pulse laser light is possible.

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。   All the loss in the hollow fiber 10 is converted into heat, but the solid part 11 of the hollow fiber 10 is formed of pure quartz having a very high melting point of 1000 ° C. or higher, and thus has excellent heat resistance.

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。   Next, the laser energy transmission hollow fiber according to the second embodiment will be described.

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。   As shown in FIG. 2A, the hollow fiber 20 for laser energy transmission has an outer peripheral side of a hole 13 formed on the circumference in addition to the configuration of the hollow fiber 10 of the first embodiment. In addition, a plurality of holes 23 are formed.

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。   The holes 13 are formed at equal intervals on the circumference centered on the center O of the hollow core 12 in the solid portion 21, and the holes 23 are arranged at equal intervals in the circumferential direction on a concentric circle on the outer peripheral side thereof. It is formed to be.

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。   Furthermore, the holes 13 and the holes 23 formed on concentric circles having different diameters are aligned at radial positions passing through the middle between adjacent holes in the circumferential direction.

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。 As shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c), the refractive index distributions in the radial lines r1 and r2 passing from the hollow core center O through the holes 13 and 23, respectively, are distribution lines 27 and 28, respectively. hollow core 12, the holes 13 and 23 the refractive index because it is air substantially 1, and the refractive index n s of a solid portion 21 is substantially 1.48.

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。 The distance δ s1 between the hollow core outer periphery 14 and the holes 13 arranged on the inner circumference is the value of δ s when m = 0 in the equation (1), and the refractive index n s of the solid portion 21. Is 1.48 and the transmission light wavelength λ is 1.06 μm, δ s1 is 0.24 μm. The distance δ s2 between the outer periphery 14 of the hollow core 14 and the holes 23 arranged on the outer circumference is the value of δ s when m = 1 in the equation (1), and the refraction of the solid portion 21 the rate n s 1.48, when the propagation light wavelength λ was 1.06 .mu.m, [delta] s2 is 0.73 .mu.m.

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。 The hollow fiber 20 has the same effect as the hollow fiber 10 of the first embodiment. Further, since the hole 23 is formed outside the hole 13, the light radiated from the solid part 21 between the adjacent holes 13, 13 is emitted from the boundary surface between the hole 23 and the solid part (hole outer periphery 25. ), And the distance δ s2 between the holes substantially satisfies the formula (1), so that the phase of the light reflected to the hollow core side interferes in the same phase, and the light confinement effect on the hollow core 22 is obtained. Enlarge. Therefore, the loss of light propagating through the hollow core 22 can be extremely reduced.

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。   Next, the laser energy transmission hollow fiber according to the third embodiment will be described.

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。   As shown in FIG. 3A, the laser energy transmission hollow fiber 30 is obtained by changing the arrangement of the holes of the laser energy transmission hollow fiber 20 of the second embodiment.

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。   In the solid portion 31, the holes 13 formed on the inner concentric circles and the holes 33 formed on the outer concentric circles are arranged in the same number at equal intervals in the circumferential direction. 13 and 33 are formed aligned in the radial direction of concentric circles.

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。 As shown in FIG. 3B, the refractive index distribution in the radial line r passing through the hollow holes 13 and 33 from the hollow core center O becomes a distribution line 37, and the hollow core 32 and the hollow holes 13 and 33 are obtained. Is significantly lower than the refractive index of the solid portion 31. The distance δ s between the hollow core outer periphery 14 and the inner hole 13 substantially satisfies the expression (1), and the distance δ ss between the hollow core outer periphery 14 and the outer hole 33 approximately satisfies the following expression (3). .

Figure 2005215632
Figure 2005215632

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。 δ s and δ ss may have the same thickness, and may have an odd multiple relationship with each other as long as both δ s and δ ss substantially satisfy Expression (1) and Expression (3).

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。 The hollow fiber 30 has the same effect as the hollow fiber 10 of the first embodiment. Further, since total reflection does not occur at the boundary surface between the hole 13 and the solid portion 31, the hole 33 is formed outside the hole 13, so that the light emitted without being reflected can be emitted from the hole 33. And the solid portion can be reflected at the boundary surface (hole outer periphery 35). In addition, since the inter-hole distance δ ss substantially satisfies the expression (3), the phase of the light reflected to the hollow core side interferes in the same phase on the outer periphery of the hollow core, and the light confinement effect on the hollow core 31 is greatly increased. To do. Therefore, the loss of light propagating through the hollow core 12 can be greatly reduced.

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。   The hollow fibers 20 and 30 of the second and third embodiments are formed by forming the holes 13 and 23 (33) on two concentric circles having different diameters, but there are two concentric circles forming the holes. Not limited to that, it may be more.

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。   Next, a laser energy transmission hollow fiber according to a fourth embodiment will be described.

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。   As shown in FIG. 4, the laser energy transmitting hollow fiber 40 is different from the hollow fiber 10 of the first embodiment in the cross-sectional shape of the holes.

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。   In the solid portion 41, a plurality of holes 43 are formed at equal intervals on a circumference centered on the center O of the hollow core 12. The cross section of the air hole 43 has an oval shape, the major axis direction is aligned on the circumference, and the area of the air hole outer periphery 45 is larger than that of the circular hole 13.

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。 The hole 43 is formed at a position where the distance δ s between the hollow core outer periphery 14 and each hole 43 substantially satisfies the expression (1), and the radial width δ 0 of each hole 43 approximately satisfies the expression (2). It is formed in a size that fills.

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。   As shown in FIG. 4B, the refractive index distribution in the radial line r passing from the hollow core center O through the holes 43 is as a distribution line 47, and the refractive indexes of the hollow core 42 and the holes 43 are solid portions. It is much lower than the refractive index of 41.

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。   The hollow fiber 40 has the same effect as that of the first embodiment. Furthermore, by increasing the hole outer periphery 45 of the holes 43 formed on the same circumference, the reflection area of light radiated to the outside of the fiber is increased, and the effect of confining light in the hollow core 22 is increased. . Therefore, the loss of light propagating through the hollow core can be greatly reduced.

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。 In the first to fourth embodiments, the cross-sectional shape of the holes formed in the solid portion is a circle or an oval. However, the shape is not limited to these, and may be an ellipse or a polygon. At that time, it is preferable that the width δ 0 of the formed hole in the radial direction of the hollow fiber substantially satisfies the expression (2). In addition to the circular shape, the cross-sectional shape of the hollow core may be a polygonal shape such as a hexagon.

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。   As described above, the hollow fiber for laser energy transmission according to the present embodiment can provide a very useful transmission line in various fields using laser energy.

(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。(A) shows sectional drawing of the fiber for laser energy transmission of 1st embodiment which concerns on this invention, (b) shows the refractive index distribution of radial direction. (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。(A) shows sectional drawing of the fiber for laser energy transmission of 2nd embodiment, (b), (c) shows the refractive index distribution of radial direction. (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。(A) shows sectional drawing of the fiber for laser energy transmission of 3rd embodiment, (b) shows the refractive index distribution of radial direction. (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。(A) shows sectional drawing of the fiber for laser energy transmission of 4th embodiment, (b) shows the refractive index distribution of radial direction. (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。(A) shows a cross-sectional view of a conventional laser energy transmission fiber having a solid core as a propagation region, and (b) shows a refractive index distribution in the radial direction. (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。(A) shows sectional drawing of the conventional leaky waveguide, (b) shows the refractive index distribution of radial direction. (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。(A) shows a sectional view of a conventional dielectric-incorporated metal hollow waveguide, and (b) shows a refractive index distribution in the radial direction.

符号の説明Explanation of symbols

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
10 Hollow Fiber for Laser Energy Transmission 11 Solid Part 12 Hollow Core 13 Hole 14 Hollow Core Outer

Claims (11)

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。   A hollow fiber for laser energy transmission having a hollow core as a hollow region, comprising: a hollow core having a diameter of 100 times or more of the propagation light wavelength; and a solid portion surrounding the hollow core, wherein the solid portion includes a plurality of voids extending in the fiber longitudinal direction. A hollow fiber for laser energy transmission, wherein holes are formed. 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。   The hollow fiber for laser energy transmission according to claim 1, wherein the holes are provided on a circumference centered on a center of the hollow core. 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。   The hollow fiber for laser energy transmission according to claim 1 or 2, wherein the holes are formed at equal intervals on a circumference centered on the center of the hollow core. 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。   The hollow fiber for laser energy transmission according to any one of claims 1 to 3, wherein the holes are formed on two or more concentric circles centered on the center of the hollow core. 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。   5. The hollow fiber for laser energy transmission according to claim 4, wherein the inner and outer holes formed on concentric circles having different diameters are aligned in the radial direction. 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。   5. The laser according to claim 4, wherein the adjacent inner and outer holes formed on concentric circles having different diameters are aligned at a radial position passing between the adjacent holes in the circumferential direction. Hollow fiber for energy transmission. 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、
Figure 2005215632
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。
The distance δ s between the hollow core side in the radial direction of the holes arranged on the same circumference and the outer circumference of the hollow core is such that n s is the refractive index of the solid part, λ is the wavelength of propagating light, and m is an integer of 0 or more. When
Figure 2005215632
The hollow fiber for laser energy transmission according to claim 1, wherein:
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、
Figure 2005215632

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。
When the distance δ ss between adjacent holes inside and outside the concentric circle is λ for the wavelength of propagating light, n s for the refractive index of the solid part, and m is an integer of 0 or more,
Figure 2005215632

The hollow fiber for laser energy transmission according to claim 4, wherein:
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、
Figure 2005215632
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。
When the hole has a radial width δ 0 of a circle centered on the center of the hollow core, the wavelength of propagating light is λ, and m is an integer of 0 or more,
Figure 2005215632
The hollow fiber for laser energy transmission according to claim 1, wherein:
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。   The hollow fiber for laser energy transmission according to any one of claims 1 to 9, wherein a cross-sectional shape of the hole is a circle, an ellipse, or a polygon. 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。
The hollow fiber for laser energy transmission according to claim 1, wherein the material forming the solid portion is quartz.
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