JP2007299774A

JP2007299774A - 高密度光励起ファイバーレーザー装置

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Publication number: JP2007299774A
Application number: JP2006041870A
Authority: JP
Inventors: Masataka Murahara; 村原正隆
Original assignee: OKAMOTO KOGAKU KAKOSHO KK
Current assignee: OKAMOTO KOGAKU KAKOSHO KK
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-11-15

Abstract

【課題】本発明によれば、冷却水で満たされた円形ガラス容器の外壁に沿って並べたファイバーレーザーに、集光された高密度半導体レーザーダイオード光をファイバーの光軸に対して垂直方向から入射するため、レーザー媒質やクラッドが熱破壊を起こさない高出力高効率光励起ファイバーレーザー装置であり、さらにフォトニック結晶ファイバーレーザーにより柔軟性があり曲げ耐力に富むファイバーレーザーは血管内ファイバーレーザーメスを提供することができる。
【解決手段】集光された高密度半導体レーザーダイオード光を冷却水で満たされた円形ガラス容器の内部から容器外壁に並べたフォトニック結晶ファイバーレーザーに側面から入射する。このファイバーレーザーの両端には反射膜と反射防止膜を有する平面石英ガラスをシリコーンオイルの光酸化により光接着する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、高密度光励起ファイバーレーザー装置に関する。

固体レーザーや液体レーザーなどの光励起源はXeやKrフラッシュランプや半導体レーザーがある。XeやKrフラッシュランプによる励起には楕円鏡の2つの焦点の一方にランプを、他方にレーザーロッドを配置する方法が取られている。また半導体励起では固体レーザーヘッドやロッドの極近傍に光学系を介さず半導体レーザーを置く。とくに高出力レーザーでは光源とレーザー媒質の間に冷却水を流す事が多い。

ファイバーレーザーは励起光の閉じ込めや吸収が可能であり、コアー部の体積容量が大きく、断面の直径に対する長さが比大きいため表面積が大きくなる。このため冷却能率が高くなる。半導体レーザーの発振波長はファイバーレーザー媒質の吸収帯に近接しているため、高効率レーザー発振が期待できる。非特許文献1によるとYbをドープしたダブルクラッドファイバーレーザーは975nmに吸収があるため、100μφで２０メーターのファイバーに2.2Wの高出力半導体レーザーダイオードで光励起して1.3Wの出力、すなわち６３％の高効率を出している。さらに、非特許文献２によるとコアー径４０μφ、長さ12メーターのYb⁺³ドープダブルクラッドファイバーレーザー端面の一方のクラッドに発振波長975nmの半導体レーザーダイオードスタックから0.6kW、他方側から1.2kW、合計1.8kWを投入して1.2kW の出力、すなわち83%の効率を出している。このようにほとんどがファイバーレーザー端面の一方のクラッドに半導体レーザーダイオー光を入れる方式が取られているが、円柱体すなわち丸棒の外周部にファイバーレーザーを巻き丸棒に半導体レーザーダイオード光を射入射してファイバーレーザーを励起する方法が特許文献１に開示されている。以上述べたようにファイバーレーザーでは高い励起効率を有する半導体レーザーダイオードが採用されている。
特願平１０−３５０３０６（特開平１１−２８４２５５）特願２００３−２９８１５８（特開２００５−０７０２４５）特願２００５−２５１２５７特願２００３−２９８１２４（特開２００５−０７０２４３）特願２００５−０３５３５３伊藤秀明他；三菱電線工業時報第101号ｐ21-24 (2004) Y. Jeong 他；Optics Express, Vol. 12(25), p6088-6092 (2004) 村原正隆、"エキシマレーザーの加工への応用"、塑性と加工/Vol.27,934-942 (1986) 村原正隆他;"Photochemical adhesion of fused silica glass for UV transmittance", Proc. of SPIE Vol.5647, p224 (2005) 村原正隆他；"Hard protective waterproof coating for high-power laser optical elements"OPTICS LETTERS/Vol.30(24)/Dec.15, 3416-3418(2005) 遠山修、遠藤秀明、山口俊一郎；"フォトニック結晶ファイバーの製作技術"レーザー研究、34（１）p7-11 (2006)

ファイバーレーザーは励起光の閉じ込めや吸収が可能であり、コアー部の体積容量が大きく、断面の直径に対する長さが比大きいため表面積が大きくなり、冷却能率も高い。しかし、集光された高密度光を一気にダブルクラッドの第一クラッドに入れようとするとファイバー自体を熱融解してしまう。そこで現状では複数個の半導体レーザー光を夫々複数の分岐された第一クラッドからファイバーの光軸に沿って光を入れる方式が取られている。しかしこれでは装置が煩雑で経済性にかける。

高密度光を一気に入射する目的で、本願発明では、半導体レーザーダイオード光群をレンズで集光して高密度光とし、その光を冷却水の入った円形ガラス容器内部に集光し、その円形ガラス容器の外壁に固定されたファイバーレーザーの側面から入射して高効率な高密度光直接励起を行う。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究した結果、冷却水で満たされた二重管構造の容器のうち少なくとも内管が円筒あるいは球またはトロイダル面を有するガラス容器であり、その内管の外壁に沿って並べたファイバーレーザーをアモルファスシリカガラスで固定し、その円形ガラス容器の内壁から冷却水を介して集光された高密度光を側面入射する。

本発明ではファイバーレーザーの光軸の側面から励起光を入射するため、レーザー媒質よりも屈折率が低い透明な板の中にレーザー媒質を埋め込み、帯状ファイバーレーザー群を円形ガラス容器の内管の外壁に接着固定する。この目的のために接着力に富み、低屈折率、透明性、耐水性、低応力性、強硬度、弾力性に優れたアモルファスシリカガラス膜をシリコーンオイルの光酸化により形成する。一般にファイバーレーザー用ファイバーはダブルクラッドの上皮に被覆が被されているが、この被覆と第2クラッドのないファイバーを円形ガラス容器外壁にアモルファスシリカガラスで固定してコアーのレーザー媒質に側面から光が入るようにする。

代表的シリコーンオイルであるジメチルシロキサンシリコーンオイル(-O-Si(CH3)2)n は空気中で193nmのArFレーザー光を照射するとガラス化してSiO2硬質膜ができることは本願発明者により非特許文献３で開示している。さらに本願発明者はこれらシリコーンオイルを空気中でXe2エキシマランプ光を照射して石英ガラスが強接着し、耐熱性、紫外線透過性に優れていることが特許文献２、３および非特許文献４で開示している。さらに石英ガラスの表面にシリコーンオイルをスピーンコーティングしてそれに空気中でXe2エキシマランプ光を照射すると、耐水性、耐硬度、水中で完全反射防止膜に成ることも特許文献４、５および非特許文献５で開示している。

ファイバーレーザーを構成するクラッド外面が円形ガラス容器の外壁に固着させるための接着剤兼コーティング膜の屈折率がクラッドと同じか低ければレーザー媒質を効率よく光励起できる。そこで本発明ではプリフォームを線引きした一般のファイバーレーザーの他に、シリコーンオイルの光酸化によって形成するアモルファスシリカガラスの形成過程を、ファイバーレーザー形成プロセスに導入する。すなわちコアーとしてレーザー媒質から成る直径数ミクロンから数ミリ程度のロッドの外周に、クラッドを形成するためにシリコーンオイルを塗布した後、酸素雰囲気でXe2ランプ光を照射し光硬化させながら引き上げる。この形成プロセスでは熱によるファイバーの細線化は行わない。

一般に光ファイバーやファイバーレーザーは曲げ強度が低い。このため許容曲率半径は大きく設定されている。したがって糸や銅線を円筒や球の外壁に沿ってコイル状に巻くのと同じ方法を、光ファイバーやファイバーレーザーで実施することは難しい。そこで円筒ガラス容器の円筒軸に平行あるいは斜め方向にプリフォームを線引きした一般のファイバーレーザーを配列し、円筒容器終端を過ぎたところでそれら並べられた全てのファイバーレーザーを束ねて集合ビームを形成する。これによって大きな曲率を保ちながらファイバーを一箇所で束ねる事ができる。この手法を用いれば、クラッドがシリコーンオイルの光酸化により形成したアモルファスシリカガラスから成るコアー径が大きいファイバーレーザーにも適用できる。

許容曲げ半径が小さく柔軟性のあるファイバーレーザーが存在すれば、円筒あるいは球面あるいはトロイダル面を有する石英ガラスから成る容器の外壁の円周に沿って1本または複数本のファイバーレーザーを密に巻くことが可能である。とくにガラス容器が球型の場合は積分球として入射光を全てトラップできるためファイバーレーザー用光励起装置として最適である。非特許文献６によるとフォトニック結晶ファイバーは複数本のエアホールがファイバー軸方向に沿って伸び、ファイバー断面内に屈折率が周期的に変化する構造を持つファイバーである。このファイバーの製作法の一つとしてキャピラリー法があるが、これはコアーロッドの周りにエアーホールを構成するキャピラリー（石英細管）を多数束ね、それをサポート管に挿入し、これをプリフォームとして線引きする事により外径125ミクロンメーター程度のファイバーに加工される。そのコアーと空孔を含むクラッドにより得られる非常に大きい比屈折率差により、超広帯域シングルモード動作、高非線形、分散制御、偏波保持、低曲げ損失性等の独特の特性を得る事ができる他、多数の微細なエアーホールを有する断面積構造を有するため、ファイバーの柔軟性が良くなり曲げ半径が小さくなると考える。このフォトニック結晶ファイバーのコアー部をレーザー媒質に置き換えれば、柔軟性に富み、コアー内に光の閉じ込め効果が高く、効率の高いファイバーレーザー発振が期待できる。

クラッドが複数本の空孔を有するフォトニック結晶ファイバーレーザーの場合はファイバーが柔軟性に富み極度の曲げにも耐性がある。このため血管内や内視鏡手術のレーザーメスや紫外線による局所的光化学反応光源として使える。一般に動脈注射針の内径は0.4から0.57ミリメートル、外径は0.65から0.8ミリメートルであり、輸血用では内径0.78から0.94ミリメートル、外径で1.1から1.2ミリメートルである。然るにファイバーレーザー外径を0.5から0.9ミリメートル内外にすれば、ファイバーレーザーを注射針から動脈や静脈に挿入することができ、レーザーメスとして狭心症や心筋梗塞あるいは脳梗塞の原因としての、血管内の血栓、凝固塊、脂肪塊、石灰片、腫瘍塊などを熱切除あるいは光化学的切除することができる。内視鏡の先端部に柔軟性に富み極度の曲げにも耐性がある柔軟性があるフォトニック結晶ファイバーレーザーを取り付ければ、気管支や肺、食道、胃、十二指腸までの上部消化管、小腸、大腸、肛門などの下部消化管あるいは肝臓、胆嚢、膵臓などのポリープ、腫瘍、癌細胞、結石、悪性粘膜などの切除や出血止めあるいはアニサキス、義歯などの異物の溶解などに使われる。これらをレーザーメスとして使うためには一本の長尺フォトニック結晶ファイバーレーザーを用い、光励起部と光導波路部を一体構造とし、レーザー媒質に直接励起光を入力するための高密度光励起ファイバーレーザー装置から出力されるレーザー光を被照射体に繋ぎ目なしで連続して導くための導波路として、高密度光励起ファイバーレーザー媒質としてのコアーロッドの周りにエアーホールを構成する第一クラッドの上に第二クラッドとしてアモルファスシリカガラスやプラスチックをコーティングしその上部をプラスチックで被覆する。

ファイバーレーザー導波路の末端の出力窓にシリコーンオイルを用いてBBOやCLBOなどの非線形素子を光接着し、さらに非線形素子を血液中や体液中で耐性を持たすためアモルファスシリカガラス膜をコーティングて、紫外線を発生させ、注射針から血管に挿入したりあるいは内視鏡に挿入して組織や血管内の異物を光化学的に変性する。

シリコーンオイルは二重管構造のガラス容器内管の外壁とそれに沿って並べたファイバーレーザーの接着およびコーティングにも使われる。ガラス容器内管の外壁に沿って並べたファイバーレーザーにシリコーンオイルを浸透させた後、酸素雰囲気でXe２エキシマランプ光を石英ガラスの容器の外側あるいは内側あるいは両方から照射してガラス容器の外壁とファイバーレーザーとを光接着し、耐水性、紫外線透過、耐熱性にも優れた接着と保護膜が出来る。特にシリコーンオイルの光酸化によって形成した保護膜は耐水性に優れた硬質膜であるため、高速冷却水に耐性を有する。

シリコーンオイルはファイバーレーザーの端面で共振器を構成する反射膜や反射防止膜を有する平面ガラス窓材の接着に使われる。ファイバーレーザーの端面にシリコーンオイルを塗布し、ファイバーレーザーの端面と垂直に平面研磨された石英ガラスを圧着した状態で被接着面の反対面からXe２エキシマランプ光を照射して両者を光接着した後、レーザー出力側には反射防止膜を、その反対端には反射膜を蒸着することによりレーザー出力の減衰を抑え、かつ、レーザー耐性を持たせることができる。同様の接着を予め反射防止膜あるいは反射膜を施した石英ガラス面をシリコーンオイルで光接着することもできる。

内部あるいは外部が冷却水で満たされる二重管構造容器のうち少なくとも内管が円筒あるいは球またはトロイダル面を有する石英ガラスから成るガラス容器を作り、その内管の外壁に沿ってファイバーレーザーを密に並べる。そしてガラス容器内壁から冷却水を介して高密度光を側面から励起する。レンズやミラーで集光された半導体レーザーダイオード光やランプ光などの輻射光はこのガラス容器の中心軸上の延長線上、すなわちガラス管容器末端に付けられた合成ガラス製窓の前あるいは後で集光され、冷却水とガラス管容器を介してファイバーレーザーの側面からレーザー媒質を励起する。この合成石英製ガラス窓は容器内部で光を有効に散乱させるため用途に応じ平面でも凸レンズでもあるいは凹レンズでも良い。さらにこのガラス容器内に投入された高密度光を外に漏らさず全ての光をファイバーレーザー励起に用いるために円形ガラス容器の内管外壁に固定されたファイバーレーザーの上表部分にコーティングされたアモルファスシリカ膜上にはアルミやプラチナあるいは金や銀などの金属反射膜で覆う。これによりこの構造によりガラス容器に入射した光の全てが容器内でトラップされる。このように光をトラップするためのガラス容器としては柔軟性の無いファイバーを使う場合には円筒型が相応しいが、ファイバーに柔軟性があれば積分球をなす球型ガラス容器が最適である。この様にガラス容器内管の中に満たされた水は冷却水としての役割も然ることながら本発明者が非特許文献６で開示したように屈折率1.33の水の中では屈折率1.42近傍の石英ガラスは完全反射防止効果が在るためファイバーレーザーへの光励起にも欠かせない。ここで円形ガラス容器に相似形を成す外管を作り二重管構造にし、かつ、内管外壁には金属反射膜を施さず、外管外壁に金属反射膜を蒸着し、外管の内側と内管の外壁に固定したファイバーレーザーとの間に冷却水を循環すれば、冷却水としての役割も然ることながら、内管側からファイバーレーザーに入射された高密度光の漏れ光が外管外壁の金属膜で反射され、再度冷却水による完全反射防止効果が発揮されてファイバーの裏面からレーザー媒質を励起する。このように内管外壁には金属反射膜を施さなければ冷却水による金属膜の剥離が皆無となる。また内管外壁に金属反射膜を施す場合でも冷却を内管の外壁かファイバー媒質を直接冷却水で冷却する時は外管の形状材質には拘らず単なる冷却外箱をそなえれば良いし、除熱が内管で処理できる場合には内管の外壁からの冷却は必要ない。

1個または複数個の半導体レーザーダイオード素子を平面状または球面上に並べたレーザーアレイからの発光群をレンズで集光した高密度半導体レーザー光あるいは集光されたハロゲンランプ光を冷却水で満たされた円形ガラス容器の内管から冷却水を介して入射することによりガラス容器内管外壁に固定されたファイバーレーザーを高温から保護し高効率でレーザー媒質を励起できる。これにより従来ファイバーレーザーの第一クラッドに分岐ファイバーを多数付け夫々に半導体レーザーダイオードと冷却部を取り付けていたが、本発明により、1つの冷却槽に多段の半導体レーザーダイオードをレンズで集光して入力できるため効率が高く経済的である。

冷却水の代わりに液体レーザー媒質を循環させることにより、ランプ励起色素レーザーが出来、この発振光でレーザー媒質を効率よく励起することが出来る。

本発明によれば、冷却水で満たされた円形ガラス容器の外壁に沿って並べたファイバーレーザーに、集光された半導体レーザー光やランプ光などの輻射光をファイバーの光軸に対して垂直方向から側面入射するため、従来のファイバーレーザーのように第一クラッドにのみ集光された高密度光を入射する場合と比較して、レーザー媒質やクラッドの熱破壊を起こすことは無く、冷却も容易であるため経済的であり、高出力高効率ファイバーレーザー装置を提供することができる。

シリコーンオイルの光酸化によるアモルファスガラス化を利用して、ファイバーレーザーと円形ガラス容器との接着、比較的太いレーザー媒質の周囲のクラッド作成あるいはファイバーレーザー媒質の端面と平面石英ガラスの光接着により、レーザー出力の減衰を抑え、かつ、レーザー耐性を有する高出力高効率光励起ファイバーレーザー装置を提供することができる。

コアーとしてのレーザー媒質の周りに多数本のエアーホールが存在するクラッドから成るフォトニック結晶ファイバーレーザーは、コアーと空孔を含むクラッドにより得られる大きな比屈折率差と多数の微細エアーホールがファイバーの柔軟性を良くするため、この結晶ファイバーを積分球ガラス容器に密に巻いたファイバーレーザーはコアー内に光の閉じ込める効果が高く、効率の良いファイバーレーザーを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図１８に基づいて説明する。

図１で本発明の高密度光励起ファイバーレーザー装置の動作原理を説明する。二重管構造円筒ガラス容器１０の内管４の外壁に沿って並べたファイバーレーザー５にガラス容器の中心軸に沿って半導体レーザー光やランプなどの輻射光１がミラーやレンズ２で集光され高密度光３と成って、ファイバーレーザー５の軸方向と垂直になる方向から入射する。円筒ガラス容器内管４と外管７には冷却水出入り口９から冷却水を循環させる。

図２はファイバーレーザーを円筒管外壁に密に並べたファイバーレーザー装置でファイバー裏面側に金属反射膜蒸着を施した断面図である。ファイバーレーザー５はコアーとしてのレーザー媒質１２とクラッド１３から成る。二重管構造円筒型ガラス容器１０の内管４の外壁上にはシリコーンオイルを光酸化させたアモルファスシリカガラス１５により複数本のファイバーレーザー５を接着とコーティングにより固定する。このアモルファスシリカ膜上皮にアルミや白金、金などの金属反射膜１６をコーティングした後保護膜として再度アモルファスシリカガラス膜をコーティングする。この金属反射膜の役割は円筒ガラス容器4の内壁から冷却水１７を介してファイバーレーザー５の励起に使われなかった光を再度レーザー媒質に戻すことである。さらに二重管構造円筒型ガラス容器１０の内管４には高密度光を入射するための窓１１と冷却水中の散乱光をファイバー媒質の励起に再利用するための反射鏡14が装着されている。さらに外管７と金属反射膜１６との間は冷却水１７を循環させ、レーザー媒質の発熱を抑制する。

図３は円筒容器外管外壁に金属反射膜を蒸着した場合のファイバーレーザーを円筒管外壁に密に並べたファイバーレーザー装置の断面図である。図２の金属反射膜は内管外壁のアモルファスシリカ膜上皮にアルミや白金、金などの金属反射膜１６をコーティングしたが、高速流量の冷却水により金属反射膜が剥離することもある。この金属反射膜の長寿命化を満たすために金属反射膜１６を二重管構造円筒型ガラス容器１０の外管外壁に蒸着する

図４は大口径ファイバーレーザー断面図である。ファイバーレーザーを構成するクラッド外面が円形ガラス容器の外壁に固着させるための接着剤兼コーティング膜の屈折率がクラッドと同じか低ければレーザー媒質を効率よく光励起できる。そこで本発明では特許文献４、５および非特許文献５で開示したシリコーンオイルの光酸化によって形成するアモルファスシリカガラスの形成過程を、ファイバーレーザー形成プロセスに導入する。すなわちファイバーレーザーのプリファオームを製造する時の寸法のEr、Yb、Nd などの希土類元素をドープしたレーザー媒質やNd YAGレーザーあるいはセラミックレーザーなどのロッドから成る直径数ミクロンから数ミリ程度のロッド１２あるいは１８の外周に、クラッド１３や１９を形成するためにシリコーンオイルを塗布した後、酸素雰囲気でXe2ランプ光を照射し光硬化させながら室温で引き上げるもので、熱によるファイバーの細線化は行わない大口径ファイバーレーザー２０である。

図５は二重管構造円筒ガラス容器１０の内管外壁４に沿って並べた複数本の外皮を被覆しないコアーとクラッドのみから成る一般のファイバーレーザー５または大口径ファイバー２０を末端で束ね集合ビーム６にしてレーザーの高出力化を狙ったものである。内管４の内側および外管７の内側には冷却水１７を循環させるための冷却水入出力口９を備える。この二重管構造円筒ガラス容器１０の両端の一方には高密度光の入射窓１１を他方には励起光の漏れ光を有効利用するための反射鏡１４が施されてある。

図６は二重管構造円筒ガラス容器１０の内管４の外壁に沿って１本の長尺ファイバーレーザー５あるいは柔軟性があり曲げ耐性があるフォトニック結晶ファイバーレーザー３１をコイル状に巻いたものである。ファイバーレーザーの両端の一方は反射膜付石英ガラス板２１、他方側にはレーザー出力のための反射防止膜付石英ガラス窓２２がシリコーンの光酸化接着により接合されている。円筒容器１０の内管４の内側と外管７の内側には冷却水１７を循環させるための冷却水入出力口９を備える。

図７は二重管構造トロイダル型ガラス容器２３の内管２５の外壁に沿って１本の長尺ファイバーレーザー５あるいは３１をコイル状に巻いたものである。ファイバーレーザーの両端の一方は反射膜付石英ガラス板２１、他方側にはレーザー出力のための反射防止膜付石英ガラス窓２２がシリコーンの光酸化接着により接合されている。トロイダル型容器２３の内管２５の内側と外管２３の内側には冷却水１７を循環させるための冷却水入出力口９を備える。

図８は二重管構造球型ガラス容器（積分球）２６の内管２７の外壁に沿って１本の長尺ファイバーレーザー媒質５あるいはフォトニック結晶ファイバーレーザー３１をコイル状に巻いたものである。集光された高密度光は石英ガラス窓１１から冷却水で満たされた積分球に閉じ込められ、全ての光は球型容器２７の外壁に巻かれたレーザー媒質を励起する。ファイバーレーザー上のアモルファスシリカ膜にはアルミや白金、金などの金属反射膜がコーティングされている。ファイバーレーザーの両端の一方は反射膜付石英ガラス板２１、他方側にはレーザー出力のための反射防止膜付石英ガラス窓２２がシリコーンの光酸化接着により接合されている。さらにファイバーレーザー球型容器２７の内側および外箱２８冷却水を循環させるための冷却水出入り口９を備えている。

図９は二重管構造円筒ガラス容器１０の内管４の外壁に沿って２本の長尺ファイバーレーザー５あるいはフォトニック結晶ファイバーレーザー３１をコイル状に巻き、高出力化を図り、かつ、２ビームを出力するものである。ファイバーレーザーの両端の一方は反射膜付石英ガラス板２９、他方側にはレーザー出力のための反射防止膜付石英ガラス窓２３がシリコーンの光酸化接着により接合されている。円筒型容器１０の内管４の内側と外管７の内側には冷却水１７を循環させるための冷却水入出力口９を備える。

図１０はファイバーレーザー媒質１２の周囲に空孔３２を並べた第一クラッドのみを有するフォトニック結晶ファイバーレーザー断面図である。外径１２ミリメートル、内径１０ミリメートル程度の石英管の中心部に外径約2.5ミリメートルレーザー媒質であるコアーロッドを入れ、その周囲に外径1.5ミリメートル、内径１ミリメートル内外の石英管を密に並べるか、あるいは外径１２ミリメータの石英丸棒３３の中心部にコアーロッド１２を入れるための穴を開けレーザー媒質を挿入し、同時にその周囲にエアホール３２に成るための複数個の穴を開け、プリフォーム３１を作る。このプリフォームの中の細管が入っている場合は細管間の隙間を減圧し、細管内を加圧し、中心部がレーザーロッドであり周囲がドリルホールの場合はレーザー媒質周囲を減圧し、ドリルホール部を加圧しながら高温雰囲気で線引きを行い外径125ミクロンメーター、レーザー媒質直径25ミクロンメーター内外のフォトニック結晶ファイバーレーザーができる。

図１１は図１０で線引きしたフォトニック結晶ファイバーレーザー３１に第二クラッドとしてのシリコーンオイルによる光酸化膜３５とプラスチック製被覆３６を被せた導波路３４の断面図である。

図１２はフォトニック結晶ファイバーレーザー３１と導波路３４を一体化したファイバー模式図である。レーザー媒質１２と空孔３２を多数有する第一クラッド３３は一体物で、第二クラッドが存在しない部分のフォトニック結晶ファイバーレーザー３１の側面から励起された光は導波路３４の第一クラッド３３に入り第二クラッドで反射されてファイバーレーザー媒質１２を僅かではあるが励起する。シリコーンの光酸化を利用してフォトニック結晶ファイバーレーザー３１の末端には反射膜付石英ガラス板２９を、導波路３４の末端には反射防止膜付石英ガラス窓２３を接着し、導波路３４側の反射防止膜付石英ガラス窓２３からレーザー光が出力される。

図１３に示すように半導体レーザーダイオード固定台3７に取り付けた半導体レーザーダイオード３８から出力される高出力半導体レーザー光１をレンズ２で集光した高密度光３を内管の内側と外管の内側が冷却水出入り口９で循環するように製作した二重管構造の石英ガラス容器１０（二重管の外管を省略）に入射する。外管１０の外径は１５φｍｍ、長さ１００mm、内管の外径は５φｍｍ、長さ９０mmである。この内管の外壁の中心軸に平行に直径0.125φｍｍのファイバーレーザー５を約１５００本並べ、ファイバーレーザー群の片端には反射膜を蒸着した石英ガラス板２９と高密度光を容器内に入れるための合成石英ガラス窓１１を付け、他端の１５００本のファイバーレーザーを束ねた出力側には反射防止膜を蒸着した石英ガラス窓３０を、大気中で夫々シリコーンオイル（KF96-1000:信越化学工業製）とXe2エキシマランプ光を60分照射して光接着した後、高密光をガラス容器の窓に入射する。

図１４に示すように半導体レーザーダイオード固定台3７に取り付けた半導体レーザーダイオード３８から出力される高出力半導体レーザー光１をレンズ２で集光した高密度光３を積分球型ガラス容器２６の内管２７の内側と外箱の内側に冷却水出入り口９から水を循環するように製作した二重管構造の石英ガラス容器（外箱を省略）である。積分球２６の内球２７の直径は５０φｍｍである。この内球の外壁に直径125ミクロンメータのフォトニックス結晶ファイバーレーザーを約600回巻く。ファイバーレーザーの片端には反射膜を蒸着した石英ガラス窓２１を、他端の出力側には反射防止膜を蒸着した石英ガラス窓２２を、大気中で夫々シリコーンオイル（KF96-1000:信越化学工業製）とXe2エキシマランプ光を60分照射して光接着した後、高密光をガラス容器の窓に入射する。

図１７に示すように口径５００mm、焦点距離１０００mmのフレネルレンズ２で集光されたXe-Hgランプ光５を、積分球型ガラス容器２６の内管２７の内側と外箱（省略）の内側に冷却水出入り口９から水を循環する。積分球の内球径は５０φｍｍである。この内球の外壁に直径125ミクロンメーターのフォトニック結晶ファイバーレーザー３１を約600回巻く。ファイバーレーザーの片端には反射膜を蒸着した石英ガラス窓２１を、他端の出力側には反射防止膜を蒸着した石英ガラス窓２２を、大気中で夫々シリコーンオイル（KF96-1000:信越化学工業製）とXe2エキシマランプ光を60分照射して光接着した後、高密光をガラス容器の窓に入射する。

図１８は血管内血栓除去用ファイバーレーザーメスの概略図である。半導体レーザーダイオード群３８からの出力光１はレンズ２で高密度光３に集光され、合成石英製入射窓１１より冷却水を介して積分球型ガラス容器内部にトラップされる。球型ガラス容器２７の内球径は５０φｍｍである。この内球の外壁に直径125ミクロンメーターのフォトニック結晶ファイバーレーザー３１を約600回巻き、残り約３メーターのフォトニック結晶ファイバーにはシリコーンオイルを光酸化させた後プラスチック被覆を施し、最大外径0.45ミリメーターの導波路兼ファイバーレーザーメス４０を製作した。これを内径0.5ミリメーター外径0.7ミリメータの一般的静脈や動脈注射針４２から動脈や静脈の血管４１に挿入する事が可能である。

本発明によれば、冷却水で満たされた円形ガラス容器の外壁に沿って並べたファイバーレーザー媒質に、集光された高密度半導体レーザーダイオード光をファイバーレーザーの光軸に対して垂直方向から入射するため、従来のファイバーレーザーのようにレーザー媒質やクラッドが熱破壊を起こすことの無い高出力高効率ファイバーレーザー装置を提供することができる。

シリコーンオイルの光酸化によるガラス化を利用して、ファイバーと円形ガラス容器の接着と表面コーティングができるに止まらず、ファイバーレーザー媒質の端面と平面石英ガラスの光接着により、レーザー出力の減衰を抑え、かつ、レーザー耐性を有する高出力高効率光励起ファイバーレーザー装置を提供することができる。

ファイバーレーザーのクラッド部に複数本の微細空孔を形成したフォトニック結晶ファイバーレーザーを用いることにより柔軟性があり曲げ耐性に優れたファイバーレーザーができ、血管内に挿入することができるファイバーは心筋梗塞や脳梗塞の治療用レーザーメスとして臨床医学に大きく貢献することができる。

高密度光励起ファイバーレーザー装置の動作原理図ファイバーレーザーを円筒管外壁に密に並べたファイバーレーザー装置断面図（ファイバー裏面側に金属反射膜蒸着）ファイバーレーザーを円筒管外壁に密に並べたファイバーレーザー装置の断面図（円筒容器外管外壁に金属反射膜蒸着）大口径ファイバーレーザー断面図ファイバーレーザーを複数本円筒容器内管の軸に平行に並べ円筒容器内管の外壁に固定し、ファイバーレーザーの両端を束ねたタイプのファイバーレーザー装置模式図１本の長尺ファイバーレーザーを円筒容器内管の外壁に巻いたコイルタイプのファイバーレーザー装置模式図１本の長尺ファイバーレーザーをトロイダル型容器内管の外壁に巻いたコイルタイプのファイバーレーザー装置模式図１本の長尺ファイバーレーザーを積分球型容器内管の外壁に巻いたコイルタイプのファイバーレーザー装置模式図２本の長尺ファイバーレーザーを円筒容器内管の外壁に巻いたコイルタイプのファイバーレーザー装置模式図ファイバーレーザー媒質の周囲に空孔を並べたフォトニック結晶ファイバーレーザー断面図（第一クラッドのみ）ファイバーレーザー媒質の周囲に空孔を並べたフォトニック結晶ファイバーレーザー導波路断面図（第2クラッドと被覆装着）フォトニック結晶ファイバーレーザーと導波路を一体化したファイバー模式図レンズで点集光された高密度半導体レーザーダイオード光を複数本のファイバーレーザーを並べた円筒管型ファイバーレーザーに照射するための装置（冷却水用外管容器を省力した図である）（実施例１）レンズで点集光された高密度半導体レーザーダイオード光を積分球型容器内管の外壁に１本の長尺ファイバーレーザーを巻いたコイルタイプのフォトニック結晶ファイバーレーザーに照射するための装置（冷却水用外箱を省力した図である）（実施例２）円筒容器内管の外壁に沿って１本の長尺フォトニック結晶ファイバーレーザーを巻いたコイルタイプのファイバーレーザーにフレネルレンズで集光されたランプ光を照射する装置（冷却水用外箱を省力した図である）（実施例３）血管内血栓除去用ファイバーレーザーメス（実施例４）

符号の説明

１平行光
２集光レンズ
３高密度光
４二重管構造円筒型容器内管
５ファイバーレーザー
６ファイバーレーザー集合ビーム
７二重管構造円筒型容器外管
８レーザー光
９冷却水出入り口
１０二重管構造円筒型容器
１１高密度光入射窓
１２コアー（レーザー媒質）
１３クラッド
１４高密度光反射鏡
１５アモルファスシリカガラス（シリコーンオイルの光酸化膜）
１６金属反射膜
１７冷却水
１８コアー（レーザー媒質・ロッド）
１９クラッド（アモルファスシリカガラス・シリコーンオイルの光酸化膜）
２０大口径ファイバーレーザー
２１１本用ファイバーレーザー反射鏡（反射膜付き）
２２１本用ファイバーレーザー出力窓（反射防止膜付き）
２３二重管構造トロイダル型容器
２４二重管構造トロイダル型容器外管
２５二重管構造トロイダル型容器内管
２６球型ガラス容器（積分球）
２７球型ガラス容器内管
２８外箱（冷却水槽）
２９複数本用ファイバーレーザー反射鏡（反射膜付き）
３０複数本用ファイバーレーザー出力窓（反射防止膜付き）
３１フォトニックス結晶ファイバーレーザー
３２空孔（エアーホール）
３３第1クラッド
３４フォトニックス結晶ファイバーレーザー導波路
３５第２クラッド
３６フォトニックス結晶ファイバーレーザー導波路被覆
３７半導体レーザーダイオード固定台
３８半導体レーザーダイオード
３９フォトニックス結晶ファイバーレーザーメス
４０血管
４１注射針

Claims

高密度光入射窓を有する円形容器の内部が冷却水で満たされた円形ガラス容器、あるいはその円形ガラス容器の外側に冷却水槽を備した二重構造容器であり、その内側の円形ガラス容器の外壁に沿って並べたファイバーレーザーをアモルファスシリカガラスで固定し、そのファイバーレーザーの両端面を夫々シリコーンオイルの光酸化で石英ガラス板と接着して、反射膜や反射防止膜を施すことを特徴とする高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記円形ガラス容器が円筒あるいは球面あるいはトロイダル面を有する石英ガラスから成ることを特徴とする請求項1に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記円形ガラス容器の中心軸に平行あるいは斜め方向に複数本のファイバーを外壁に沿って密に並べ、その複数本のファイバーレーザー群を末端で束ねて集合ビームを形成することを特徴とする請求項1および２に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記円形ガラス容器の外壁の円周に沿って1本または複数本の柔軟性のあるファイバーレーザーが密に巻かれ、1本のファイバーレーザーによる単ビームあるいは複数本のファイバーレーザーを末端で束ねて集合ビームを形成することを特徴とする請求項1および２に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記ファイバーレーザーがコアーの外周にシリコーンオイルの光酸化で形成したクラッドから成るファイバーか、あるいはプリフォームから線引きして外皮を被覆しないファイバーレーザーから成ることを特徴とする請求項1に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記アモルファスシリカガラスとはシリコーンオイルの光酸化によって形成したシリカガラスを意味し、円形ガラス容器外壁に沿って並べたファイバーレーザーがアモルファスガラスによって容器外壁に固定されていることを特徴とする請求項1、２に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記ファイバーレーザーの末端面のレーザー出力側には反射防止膜を、他方面には反射膜を施した石英ガラス板をシリコーンオイルで光接着するか、あるいはシリコーンオイで
石英板を光接着した後反射防止膜あるいは反射膜を夫々蒸着することを特徴とする請求項1に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記円形ガラス容器外壁とファイバーレーザーとを固定したアモルファスシリカ膜上、あるいはその円形ガラス容器の外側に備した二重構造容器の外壁のいずれか一方をアルミやプラチナあるいは金や銀などの金属反射膜で覆うことを特徴とする請求項1に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記高密度光とは1個または複数個の半導体レーザーダイオードアレイからの発光群をレンズやミラーで集光した高密度光あるいはランプなどの輻射光を集光した高密度光であることを特徴とする請求項1に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記ファイバーレーザーの第一クラッドが複数本の空孔細管を有するフォトニック結晶ファイバーレーザーであることを特徴とする請求項1および４に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記ファイバーレーザーがフォトニック結晶ファイバーレーザーであり、このフォトニック結晶ファイバーレーザーで発生した高出力光を増幅しながら被照射体に導くために第一クラッド上に第二クラッドとしてアモルファスシリカガラスやプラスチックをコーティングした導波路部とレーザー励起部とを一体化したファイバーであることを特徴とする請求項1および１０に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記ファイバーレーザーがフォトニック結晶ファイバーレーザーであり、このレーザー出力と導波路部とを一体化したファイバーレーザーの導波部を注射針から血管に挿入あるいは内視鏡に挿入してレーザーメスとして用いることを特徴とする請求項1、１０，１１に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記ファイバーレーザーがフォトニック結晶ファイバーレーザーであり、このファイバーレーザーの末端の出力窓に非線形素子を取り付けて紫外線を発生させた後、注射針から血管に挿入したりあるいは内視鏡に挿入して組織や血管内の異物を光化学的に変質させることを特徴とする請求項1、１２に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。
前記冷却水が水または液体レーザー媒質から成ることを特徴とする請求項1に記載の高密度光励起ファイバーレーザー装置。