JP2018516829A - レーザ溶融ペデスタル成長法を用いて細径結晶ファイバを作製するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

光加熱によって細径結晶ファイバを成長させるための装置および方法について開示する。この装置は、溶融原料物質の溶融ゾーンを形成するために原料物質を加熱するための光エネルギー源と、溶融ゾーンから規定の並進軸に沿って成長中の結晶ファイバを引き出すための上部ファイバガイドと、追加の原料物質を規定の並進軸に沿って溶融ゾーンに向けて押し進めるための下部フィードガイドと、を備えてよく、また、本方法では、これらを採用してよい。そのようないくつかの装置およびそれらを採用する方法では、場合によっては約５μｍの水平公差の範囲内で、光エネルギー源から放出される光エネルギーの経路内に原料物質を水平方向に位置決めするように、下部フィードガイドの並進軸と上部ファイバガイドの並進軸を、垂直方向かつ軸方向に略位置合わせする。
【選択図】図２

Description

［関連出願の相互参照］
本開示は、「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＰＲＯＤＵＣＩＮＧ ＴＨＩＮ ＣＲＹＳＴＡＬ ＦＩＢＥＲＳ ＵＳＩＮＧ ＬＡＳＥＲ ＨＥＡＴＩＮＧ ＰＥＤＥＳＴＡＬ ＧＲＯＷＴＨ（レーザ溶融ペデスタル成長法を用いて細径結晶ファイバを作製するための装置および方法）」という名称で２０１５年３月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／１３８，３０１号（代理人整理番号ＳＣＲＳＰ００１ＰＵＳ）の優先権を主張するものであり、この文献は、参照により本明細書に組み込まれる。

ファイバレーザは、これにより、非常にコンパクトなジオメトリに相当するもので非常に長尺のレーザ利得媒質を実現する（ひいては、非常に高出力のレーザ光を生成する）ことが可能であることから、従来の相当物と比較して有利である。図１は、ファイバの中心軸に沿って見下ろしたときの、単純なファイバレーザ設計の断面を概略的に示している。この図は、導波路として作用するとともに光共振器を構成するのに必要な反射を提供する外側クラッド１２０によって取り囲まれた、ドープされたレージング物質のコア１１０で、基本ファイバ１００が構成されることを示している。従来のファイバレーザでは、レーザファイバのコア１１０はドープガラスで構成されるが、ガラス物質を使用することで、通常の（非ファイバ）レーザ設計で一般的に採用される結晶レーザ利得媒質の使用にしばしば関連付けられる利点の多くが損なわれる。

光加熱によって細径結晶ファイバを成長させるための装置について、本明細書で開示する。この装置は、溶融原料物質の溶融ゾーンを形成するために原料物質を加熱するための光エネルギー源と、溶融ゾーンから規定の並進軸に沿って成長中の結晶ファイバを引き出すための（これにより、さらに、結晶ファイバに結合される非結晶溶融原料物質を、その溶融原料物質が冷却、結晶化して、成長中の結晶ファイバに付加され得るように溶融ゾーンから引き出すための）上部ファイバガイドと、追加の原料物質を規定の並進軸に沿って溶融ゾーンに向けて押し進めるための下部フィードガイドと、を備え得る。そのようないくつかの実施形態では、光エネルギー源から放出される光エネルギーの経路内に原料物質を水平方向に位置決めするように、下部フィードガイドの並進軸を位置合わせする。そのようないくつかの実施形態では、光エネルギー源から放出される光エネルギーの経路内に原料物質を水平方向に位置決めするように、上部ファイバガイドの並進軸を位置合わせする。そのようないくつかの実施形態では、光エネルギー源から放出される光エネルギーの経路内に原料物質を水平方向に位置決めするように、下部フィードガイドの並進軸と上部ファイバガイドの並進軸を、垂直方向かつ軸方向に略位置合わせする。いくつかの実施形態では、上部ファイバガイドは、下部フィードガイドが原料物質を溶融ゾーンに向けて押し進めるように構成されている並進レートよりも高い並進レートで、結晶ファイバを溶融ゾーンから引き出すように構成されている。

いくつかの実施形態では、装置は、さらに、直径制御フィードバックシステムを備え得る。直径制御フィードバックシステムは、成長中の結晶ファイバの直径を測定するように構成されたファイバ径測定モジュールと、成長中の結晶ファイバの直径を略一定に維持するように、ファイバ径測定システムから受信する信号に応じて下部フィードガイドが原料物質を押し進める並進レートを調整するように構成されたコントローラと、を有し得る。そのようないくつかの実施形態では、ファイバ径測定モジュールは、成長中の結晶ファイバにレーザ光を照射するように構成されたプローブレーザと、上記レーザ光と成長中の結晶ファイバとの相互作用によって生じる１つ以上の干渉縞を測定するように構成された光検出器と、を含む。

実施形態に応じて、下部フィードガイドは、それに沿って下部フィードガイドが原料物質を溶融ゾーンに向けて押し進める並進軸を規定する内部を有する下部案内管と、溝を有する案内ブロックと、送りベルトと、を含んでよい。実施形態に応じて、上部ファイバガイドは、それに沿って上部ファイバガイドが成長中の結晶ファイバを溶融ゾーンから引き出す並進軸を規定する内部を有してよく、さらに、溶融ゾーンから引き出されるときの結晶ファイバに対して、その水平位置をさらに安定させるために両側方から水平圧力を作用させるように構成された一対の案内パッドを含んでよく、さらに、回転することで、溶融ゾーンから案内パッド対を通して結晶ファイバを引き出すように構成された巻取りドラムを含んでよい。

さらに、光加熱によって細径結晶ファイバを成長させる方法ついて、本明細書で開示する。この方法は、溶融原料物質の溶融ゾーンを形成するために原料物質を光エネルギーで加熱することと、溶融ゾーンからファイバガイドで規定される並進軸に沿って成長中の結晶ファイバを引き出すことと（これにより、さらに、結晶ファイバに結合される非結晶溶融原料物質を、その溶融原料物質が冷却、結晶化して、成長中の結晶ファイバに付加され得るように溶融ゾーンから引き出すことと）、追加の原料物質をフィードガイドで規定される並進軸に沿って溶融ゾーンに向けて押し進めることと、を含み得る。そのようないくつかの実施形態では、約５μｍの水平公差の範囲内で光エネルギーの経路内に原料物質を水平方向に位置決めするように、フィードガイドで規定される並進軸とファイバガイドで規定される並進軸を、垂直方向かつ軸方向に略位置合わせする。

いくつかの実施形態の方法では、原料物質を溶融ゾーンに向けて押し進める並進レートよりも高い並進レートで、結晶ファイバを溶融ゾーンから引き出し、さらに、そのようないくつかの実施形態では、結晶ファイバを引き出す並進レートは、原料物質を押し進める並進レートの２〜２５倍の間である。いくつかの実施形態では、細径結晶ファイバを成長させる方法は、さらに、成長中の結晶ファイバの直径を測定することと、成長中の結晶ファイバの直径を略一定に維持するように、下部フィードガイドが原料物質を押し進める並進レートを調整することと、を含み得る。いくつかの実施形態の方法は、さらに、成長させるときの結晶ファイバの長さの一部分にわたって、並進引き出し対並進押し出しの比率を、線引き結晶ファイバ１ｃｍ当たり約０．１％〜１０％のレートで変化させることを含み得る。

いくつかの実施形態の方法では、溶融ゾーンに向けて押し進められる原料物質は、ドープ多結晶ＹＡＧのような多結晶材料のロッドである一方、いくつかの実施形態の方法では、溶融ゾーンに向けて押し進められる原料物質は、前の光加熱オペレーションで成長させた結晶ファイバであり、成長させた結晶ファイバの直径は、原料結晶ファイバの直径よりも約１．５〜５倍小さい。

いくつかの実施形態では、上記の方法および／または装置で作製され得る結晶ファイバは、４０μｍ以下の直径および３０ｃｍ以上の長さを有してよく、さらに、いくつかの実施形態では、それらは、ドープ結晶ＹＡＧで構成されてよい。

図１は、外側クラッドによって取り囲まれた、ドープされたレージング物質のコアを有するレーザファイバの、軸に沿って見下ろした断面図である。

図２は、本明細書で開示する種々の実施形態に適合した、レーザ溶融ペデスタル成長法（ＬＨＰＧ）によるファイバ結晶作製装置の全体概略図である。

図３Ａは、ＬＨＰＧプロセスの初期段階の概略図である。

図３Ｂは、ＬＨＰＧプロセスの連続的ファイバ成長段階の概略図である。

図４は、本明細書で開示する種々の実施形態に適合した、ファイバ結晶作製装置の下部フィードガイド構成要素の拡大概略図である。

図５は、本明細書で開示する種々の実施形態に適合した、ファイバ結晶作製装置の上部ファイバガイド構成要素の拡大概略図である。

図６は、本明細書で開示する種々の実施形態に適合した、ファイバ結晶作製装置の光エネルギー源構成要素の拡大概略図である。

図７は、直径制御フィードバックシステムを用いずに成長させた結晶ファイバに対する、閉ループ直径制御フィードバックシステムを用いて成長させた結晶ファイバの、直径の長さ方向変化の比較プロットである。

以下の説明では、本発明についての完全な理解を与えるため、様々な具体的詳細について記載する。しかしながら、本発明は、それら特定の詳細の一部またはすべてを伴うことなく実施してよい。一方で、本研究の発明的側面を不必要に不明瞭にすることがないよう、周知の工程処理またはハードウェアについては詳細に記載していない。本発明は、特定の詳細な実施形態に関連して説明されるものの、それら特定の詳細な実施形態は、本明細書で開示する発明概念の範囲を限定するものではないことは理解されるべきである。

［序論］
単結晶ファイバは、レーザ結晶とドープガラスファイバの中間的なものとみなすことができる。いくつかの実施形態では、それらは、レーザ光のための効率的な導波路として作用する能力と、バルク結晶で一般的に見られる効率整合能力と、その両方を有し得る。この組み合わせによって、それらは、高出力レーザおよびファイバレーザ用途の候補となる。従って、従来のファイバレーザ設計におけるコアレージング物質（図６Ａを参照）がドープガラスで構成されるのは事実であるが、本明細書では、ファイバレーザ用途でコアレージング物質として使用するのに適した細径のドープ単結晶ファイバおよびその細径結晶ファイバを作製するためのＬＨＰＧに基づく方法（および装置）について開示する。

例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ，Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）の単結晶ファイバは、より高出力のファイバレーザへの道筋となる可能性がある。非晶質シリカガラスファイバと比較して、単結晶ＹＡＧファイバは、より高い熱伝導率、より高い誘導ブリルアン散乱閾値、より高い融解温度、およびより高いドーピング濃度、ならびに優れた環境安定性を提供する。表１は、非晶質シリカガラスファイバと単結晶ＹＡＧファイバについて、熱特性、物理特性、および光学特性を比較している。

［ＬＨＰＧ装置および方法］

本明細書では、各種材料の細径結晶ファイバを作製するためにレーザ溶融ペデスタル成長（ＬＨＰＧ）技術を採用した、種々のファイバ結晶作製装置および関連した方法について開示する。その最初の先駆けとなった技術の詳細については、例えば、Ｍ．Ｍ．Ｆｅｊｅｒ，Ｊ．Ｌ．Ｎｉｇｈｔｉｎｇａｌｅ，Ｇ．Ａ．Ｍａｇｅｌ，Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ著「Laser-Heated Miniature Pedestal Growth Apparatus for Single-Crystal Optical Fibers（単結晶光ファイバのためのレーザ溶融微細ペデスタル成長装置）」Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．，Ｖｏｌｕｍｅ ５５，１７９１〜１７頁（１９８４年）を参照し、この文献は、その全体があらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。従来、このような方法によって作製される結晶ファイバは、約１００μｍのオーダまたはそれ以上の直径を有するものに限られていた。本明細書では、約１００μｍ以下（または、実施形態に応じて、さらに約９０もしくは８０もしくは７０もしくは６０もしくは５０もしくは４０もしくは３０μｍ以下）の直径を有する細径結晶光ファイバを作製することが可能な、改善されたＬＨＰＧ装置および関連した方法について開示する。さらに、（これらの装置および関連した方法によって作製される）それらの細径結晶ファイバは、約２０ｃｍ以上（または、実施形態に応じて、さらに約３０もしくは４０もしくは５０もしくは６０もしくは７０もしくは８０もしくは９０もしくは１００ｃｍ以上）の長さを有し得る。上述のように、このような細径結晶ファイバは、例えば、（図１に示すような）ファイバレーザにおける導波路コアとしての機能を果たすなど、様々な用途に使用され得る。

図２は、本明細書で記載する種々の実施形態に適合した、ＬＨＰＧによるファイバ結晶作製装置の全体概略図を示している。この図に示すように、装置２００は、下部フィードガイド４００と、上部ファイバガイド５００と、光エネルギー源６００と、を備え、光エネルギー源は、レーザ源６１０（例えば、典型的には約１〜１００Ｗの出力範囲を有する、波長１０．６μｍの赤外線ＣＯ₂レーザ）と、そのレーザ源６１０からのレーザ発光を、光加熱により結晶ファイバが形成される領域まで導くための各種光学部品６２０以降と、を有する。同じくこの図に示すように、この光加熱および結晶形成の領域は、溶融ゾーン３１０と呼ばれ、下部フィードガイド４００と上部ファイバガイド５００の間に位置し、本実施形態では、下部フィードガイドのわずかに垂直上方に位置する。

細径結晶ファイバを成長させるオペレーションでは、装置２００は、原料物質３４０のファイバまたはロッド（以下、単に原料物質と呼ぶ）を、図１Ａにおいて溶融ゾーン３１０と呼ばれる空間領域内に下方から（下部フィードガイド４００の詳細表示を参照）供給することによって作動する。原料物質３４０は、未加工の多結晶素材をプレスおよび／もしくは焼結および／もしくは切断したペレットもしくはロッドであってよく、または前のＬＨＰＧオペレーションで成長させた結晶ファイバであってよく、この場合、それを再度処理することで、その結晶ファイバをさらに細径化すること、または溶融および結晶化の再度実施によってその結晶構造を改善すること、または一般的にはその両方の目的、を達成する。前者の場合、例えば、原料物質は、約１インチ（約２．５４ｃｍ）長かつ１ｍｍ角のドープ多結晶ＹＡＧ素材であってよい。このような原料物質の場合、約１０〜１５Ｗの間の出力レベルでＣＯ₂レーザを作動させてよいが、フィードストックの太さが様々に異なれば、十分な加熱を実施するためにレーザ出力を増減させる必要があり得ること、さらには、前に成長させたファイバに対する後続のファイバ成長オペレーションでは、一般的に、より細径であることから、これに応じたレーザ出力の低減が必要になること、は理解されるべきである。（例えば、ファイバ直径を順次縮小させるための一連のＬＨＰＧオペレーションでは、最終的な縮径で必要となる出力は１ワット未満であり得る。）

原料物質３４０は、溶融ゾーン内に入ると、溶融状態に溶融する程度まで、光エネルギー源６００からの光エネルギーで加熱される。その後、溶融物質は、上向きに引き上げられて、溶融ゾーンから引き出されることで、冷却、結晶化して、成長中の結晶ファイバ３５０に付加される。概して、このプロセスは連続的に実施され、すなわち、原料物質３４０は、下部フィードガイド４００によって下方から（溶融ゾーンに向けて）押し進められることにより連続的に溶融ゾーン３１０内に移送されつつ、同時に、成長中の細径結晶ファイバ３５０が溶融ゾーンから引き出されて、上部ファイバガイド５００によって上方から引き上げられる。

ただし、メルトから結晶ファイバを連続的に線引きし得る前に、ＬＨＰＧプロセスを開始させなければならない。これは、図３Ａに示すように、原料物質３４０（例えば、未加工の多結晶ロッドまたはペレット、前のＬＨＰＧオペレーションで形成された結晶ファイバ、など）を、そのような物質の先端に集束されるレーザビーム３７０の光路内に位置決めすることにより実施され、これにより、物質を溶融させて、メルト３４５ひいては上記の溶融ゾーン３１０を形成する。次に、図３Ａにさらに示すように、種結晶３６０をメルト３４５内に下降させ、例えば、その種結晶を、糸に装着することによって機械的に下降させ、その後、図３Ｂに示すように、それをメルトから引き抜く／引き出すと、それに付着／結合した溶融原料物質が、集束レーザの近傍から取り出されて、これにより、冷却および結晶化を開始し得ることで、結晶ファイバ３５０を形成する。このとき、上述のように十分な追加原料物質が溶融ゾーンに下方から充足供給される限りにおいて、結晶ファイバは、メルト３４５から線引きされつつ、連続的に成長し得る。なお、種結晶３６０をメルト３４５内に下降させて、そこから引き抜く／引き出す際の、種結晶３６０の向きを選択することにより、種結晶３６０と略同じ結晶方位を有する結晶ファイバ３５０が作製され得るということに留意すべきである。また、図３Ａおよび３Ｂにおけるレーザビーム３７０は概略断面で示しているということにも留意すべきであり、従って、メルトへのレーザ伝搬方向を示すための２つの矢印を、これらの図に表示しているものの、理解されるべきことは、２つの矢印は、２つのレーザビームを表し得るか、または、より好ましくは、具体的には、リフラキシコン６５０、回転楕円ミラー６６０、放物面集光ミラー６７０である（図６に関して詳細に後述する）図２に示す光学素子によって形成されるような単一の円錐ビームの断面を表し得るということである。

上記のＬＨＰＧに基づく技術は、多結晶原料物質を結晶ファイバ（例えば、単結晶ファイバ）に転化させるために用いられることがあるが、そのプロセスは、原料物質の直径に対して相対的にファイバの縮径（または、後述するように、前に成長させた結晶ファイバを原料物質として使用する場合の、さらなる縮径）を実現するようにも作用し得る。これは、図３Ｂに示すように、溶融ゾーン３１０から結晶ファイバ３５０を（上部ファイバガイド５００によって）上方から引き出す並進レート３９５を、未加工の原料物質３４０を溶融ゾーンに向けて（下部フィードガイド４００によって）下方から押し進める並進レート３９０よりも高くすることにより実施してよい。これは、概念的には、溶融原料物質が冷却および結晶化して結晶ファイバを形成する際に延伸または線引きされるのと類似している。従って、一般に、溶融ゾーンから出てくる結晶ファイバの直径は、溶融ゾーンに入る原料物質の直径よりも、何らかの縮径率で小さい。実施形態に応じて、約１．５〜５の間の、より具体的には約２〜４の間の、さらに具体的には約２〜３の間の縮径率で、ファイバ直径を縮小させてよい。これに伴い、下部フィードガイドが原料物質を下方から押し進めるように構成される並進レートの約２〜２５倍の間、より具体的には約４〜１６倍の間、さらに具体的には約４〜９倍の間であり得る並進レートで、上部ファイバガイドは結晶ファイバを上方から引き上げるように構成される。

なお、「一定の」太さのファイバであっても、実際には、依然として、その長さに沿って直径にいくらかの変動を示すということに留意すべきである。従って、本開示の目的のために、本明細書では、ファイバの直径または太さを、ファイバの長さの一部にわたって平均化した径方向平均太さ（例えば、ファイバは、わずかに楕円状であり得る）と定義する。特に指定のない限り、一般的には、平均を取る範囲であるファイバの当該長さ部分は、安定化したＬＨＰＧプロセスによって作製されたファイバの領域である。さらに、平均を取る範囲の当該長さは、特に指定のない限り、２ｃｍであると想定される。これらの定義を用いて、一定直径のファイバとは、そのファイバの一定直径を有するとされる長さ部分にわたる平均太さの偏差が約２％以下であるファイバである。

さらに、直径が漸減していくファイバを形成するために、かつ、一部の実施形態では、結晶構造の品質（均一性）が漸進的に向上していくファイバを形成するために、上記のプロセスを、同じ物理的物質に対して順次繰り返してよい。従って、例えば縮径率が約３である場合に、１ｍｍのＹＡＧ原料フィードロッドから開始して、１００μｍ未満のファイバを得るために、３段階の縮径プロセスを実施してよく、例えば、第１段階で、約１０００μｍから開始して約３５０μｍに縮径し、第２段階で、約３５０μｍから開始して約１２０μｍに縮径し、最後に第３段階で、約１２０μｍから約４０μｍへの縮径を実現する。なお、これらの段階は、単一のＬＨＰＧ装置を用いて、前の段階で形成された結晶ファイバを次の段階の原料物質として装置に戻すように再供給することにより順次実施してよく、または、それぞれが個別に縮径プロセス全体の特定の段階に専用である複数のＬＨＰＧステーションを有する装置によって一連の縮径を実施してよい、ということに留意すべきである。

実施形態に応じて、このようなプロセスにおいて結晶ファイバを成長させ得る速度は、典型的には、（適切な直径の原料物質で開始して）例えば直径が５００〜１０００μｍの結晶を成長させる場合に約１〜２ｍｍ／分の間であり、例えば３０〜１２０μｍの直径の結晶を成長させる場合に約３〜５ｍｍ／分の間である。実施形態に応じて、ファイバを、このようにして約１０〜９０ｃｍの長さまで成長させてよい。結晶ファイバは、その直径が減少するにつれて、より可撓性が高くなり、直径が約１００μｍのファイバは曲げ半径が約１ｃｍであり、より細径のファイバは、これに応じて曲げ半径はより小さくなる。従って、長尺で可撓性の結晶ファイバを成長させるために、上記のＬＨＰＧに基づく技術を用いてよい。さらに、留意すべきことは、このようなファイバを作製するために、上記の技術を、周囲温度および圧力条件で実施してよいということである。

縮径を実現するように、原料物質を下方から押し進める並進レートに対する、結晶ファイバを上方から引き出す相対並進レートを設定することに加えて、一部の実施形態では、結晶ファイバ形成プロセス中に、押し出しと引き出しの相対並進レートを調整することも実現可能である。これは、作製されるファイバがその長さの略全体にわたって（または、その長さの特定の部分にわたって）一貫して均一な直径を有することを確保するように設計された閉ループ直径制御フィードバックシステムの一環として実施してよい。そのような閉ループ直径制御フィードバックシステムは、作製されるときのファイバの直径を測定して、それに応じて自動的にプロセス調整を行うことによって作動し得るものであり、さらなる詳細は後述する。

他の実施形態では、結晶ファイバを特定の用途で使用するのに適した何らかの所定の径方向プロファイルを実現するように、作製される結晶ファイバの直径を意図的に変化させるために、引き出し／押し出し相対並進レートの調整を行ってよい。例えば、いくつかの用途では、径方向にフレア状の端を有するファイバ、または径方向にフレア状の各端を有するファイバ、またはその長さの一部に沿って一定のテーパ状に減少する直径を有するファイバを作製することが効果的な場合がある。原理的には、相対的な引き出しレートと押し出しレートの制御は、押し出しレートの調整、引き出しレートの調整、またはその両方の調整によって実施してよい。実際には、（閉ループ直径制御フィードバックシステムにより一定直径の結晶ファイバを作製するためと、さらに、可変直径の何らかの所定プロファイルの結晶ファイバを作製することが望ましいシナリオと、そのどちらの場合も）引き出しレートを一定に維持しつつ、押し出しレートのみを調整することが効果的であることが判明している。

フレア状の端を有するファイバ（および／またはフレア状の各端を有するファイバ、および／または一定のテーパ状の領域を有するファイバ）を作製することに加えて、一般的に、ファイバの長さに沿って（またはその一部に沿って）直径における所望の変化を規定（および生成）するために、（本技術により）任意の適切な機能を用いてよい。上述のように、より太い原料素材から細径ファイバを作製するために、溶融ゾーン内に押し出す並進レートよりも高い並進レートで溶融ゾーンから引き出すことにより、ファイバを線引きする。従って、その長さに沿った何らかの直径変化を実現するように作製中にファイバの直径を変化させるために、これに応じて、ファイバの線引きの際の並進引き出し対並進押し出しの比率を調整してよい。この比率を変化させる間に、これに応じた変化がファイバの直径に生じることになり、同様に、その比率が再び一定に維持されると、これに対応した部分のファイバの直径は、再び、その長さに沿って一定の直径（ただし、場合によっては、すなわち、最初に用いたのと異なる引き出し／押し出し比率である場合には、最初に作製されたのとは異なる直径）を有して生成されることになる。線引きされるファイバにおける何らかの直径変化（テーパ）を実現するために、線引きされるファイバの単位長さ当たりの調整／変化／変更の可能性のある引き出し／押し出し比率のレートは、実施形態に応じて、線引きファイバ１ｃｍ当たり約０．１％〜７５％の間、より具体的には線引きファイバ１ｃｍ当たり約０．１％〜５０％の間、さらに具体的には線引きファイバ１ｃｍ当たり約０．１％〜２５％の間、さらには、線引きファイバ１ｃｍ当たりわずか約０．１％〜１０％の間、であり得る。ファイバ直径は、（単位長さ当たりの）引き出し／押し出し比率の変化の平方根に概ね反比例して（単位長さ当たり）変化するものと認識されている。実施形態に応じて、ファイバの一部分にわたる単位長さ当たりの直径変化は、線引きファイバ１ｃｍ当たり約０．１％〜１０％の間、より具体的には線引きファイバ１ｃｍあたり約１％〜５％の間、であり得る。

図２に示すように、（レーザ溶融ペデスタル成長（ＬＨＰＧ）技術によって）上記したような細径結晶ファイバを成長させるための装置は、溶融原料物質の溶融ゾーンを形成するために原料物質を加熱するための光エネルギー源６００と、溶融ゾーンから成長中の結晶ファイバを引き出すための上部ファイバガイド５００と、追加の原料物質を溶融ゾーンに向けて押し進めるための下部ファイバガイド４００と、を備え得る。溶融ゾーンから成長中の結晶を引き出すことによって、上部ファイバガイド３００は、さらに、結晶ファイバに結合される非結晶溶融原料物質をメルトから（かつ溶融ゾーンから）引き出し、これにより、引き出される溶融原料物質は、（図１Ｃにおいて、その初期段階に示すように）冷却、結晶化して、成長中の結晶ファイバに付加され得る。

ところで、上述の精密な結晶成長プロセスを実現するためには、結晶成長装置が、光エネルギー源から放出される光エネルギーの経路内に、結晶化される物質を正確に位置決め可能であることが重要である。これを実現するために、下部フィードガイド４００は、それに沿って溶融ゾーンに向けて原料物質が押し進められる並進軸を正確に規定するように構成され、同様に、上部ファイバガイド５００は、それに沿って溶融ゾーンから成長中の結晶ファイバが引き出される同様の並進軸を正確に規定するように構成される。この場合、全体としての結晶成長装置は、図２に示すように、これら２つの並進軸が互いに軸方向に整列されるとともに、典型的には略垂直向きであるように構成されることで、原料物質および成長中の結晶ファイバ、ならびに溶融ゾーン内の溶融部分は、すべて垂直方向に整列されるとともに、正確に光エネルギー経路内に水平方向に位置決めされる。いくつかの実施形態では、下部フィードガイド４００および上部ファイバガイド５００は、約２５μｍの水平公差の範囲内で、より具体的には約１０μｍの範囲内で、さらに具体的には約５μｍの範囲内で、さらには、わずか約２μｍの水平公差の範囲内で、（光エネルギー源６００から放出される）光エネルギーの経路内に原料物質を水平方向に位置決めするように構成される。

原料物質を溶融ゾーンに向けて押し進めるための正確に規定された並進軸を有して構成された下部フィードガイドの一実施形態の詳細図を、図４に示している。この図に示すように、下部フィードガイド４００は、下部案内管４１０および送りベルト４４０を有してよく、送りベルトは、前進するときに、未加工の原料ファイバまたはロッド３４０を上向きに溶融ゾーンに向けて下部案内管４１０を通して押し進める。この具体的な実施形態では、下部案内管４１０は、案内管マウント４２０で支持されており、その案内管マウント自体はマウント構造体４５０に装着されている。この図に示すように、マウント構造体４５０は、Ｔｅｆｌｏｎ案内ブロック４３０（ただし、例えばＤｅｌｒｉｎのような他の適切な低摩擦材料で代用してよいことは理解されなければならない）を支持する機能も有し、案内ブロックは、上向きに溶融ゾーンに向けて押し出される際の未加工の原料物質のための追加的な支持を提供する。

実施形態に応じて、案内ブロック４３０は、これに形成された（図４の視点では表示されない）溝を有してよく、その溝内に、送りベルト４４０によって押し当てられる未加工の原料が位置する。従って、未加工の原料物質は、送りベルト４４０と案内ブロック４３０の溝（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ溝）との間に挟まれて、これにより、送りベルトが前進する際に、未加工の原料物質が案内ブロックの溝に押し当てられるとともに、この溝を通って上向きに下部案内管４１０の内部に入って通り抜けるように押し進められる。この種の設計によって、図２に示すように、未加工の原料物質の溶融ゾーン内への円滑な移送が得られる。さらに、下部案内管４１０は、ファイバフィードガイド４００を出る際の未加工の原料の向きを規定し、従って、下部案内管の内部は、溶融ゾーンに向けて押し出されるときの原料物質を整列させる並進軸を規定する。下部案内管４１０は、未加工の原料物質の直径よりもわずかに大きい内径を有してよく、これにより、下部案内管は、溶融ゾーンに向けて押し出されるときの未加工の原料物質を、光エネルギー源６００から放出される光エネルギーの経路内に水平方向に正確に位置決め可能である。従って、いくつかの実施形態では、下部案内管４１０の内径は、処理される未加工の原料物質の直径よりも約１５％大きいかもしくはそれ以下、より具体的には約１０％大きいかもしくはそれ以下、さらに具体的には約５％大きいかもしくはそれ以下、であるように選択してよい。同様に、案内ブロック４３０の溝の半径は、処理される未加工の原料物質の半径よりも約１５％大きいかもしくはそれ以下、より具体的には約１０％大きいかもしくはそれ以下、さらに具体的には約５％大きいかもしくはそれ以下、であるように選択してよい。従って、（例えば、最終縮径段階において）適切な細径の結晶ファイバを作製するために、下部案内管４１０の内径は、約２５０μｍ以下、または約２００μｍ以下、または約１５０μｍ以下、さらに具体的には約１００μｍ以下の内径であるように選択してよい。

上述のように、結晶ファイバの直径を縮小させるために、ファイバは、一般的に、下部フィードガイド４００によって下方から押し進められる並進レートよりも高い並進レートで、上部ファイバガイド５００によって上方から引き出される。成長中の結晶ファイバを溶融ゾーンから引き出すための正確に規定された並進軸を有して構成された上部ファイバガイドの一実施形態の詳細図を、図５に示している。この図に示すように、上部ファイバガイド５００は、フレーム５５０を有し、これにより、上部案内管５１０と、一対の案内パッド５２０と、巻取りドラム５３０と、を支持している。

（上部案内管５１０を含む）上部ファイバガイド５００は、それに沿って結晶ファイバが溶融ゾーンから引き出される並進軸を上部ファイバガイドが規定するという意味で、下部案内管４１０に対応する機能を果たし得る。従って、上部ファイバガイド５００は、上向きに引き上げられるときのファイバを水平次元において正確に位置決めするとともに安定させるが、溶融ゾーンから出てくる単結晶ファイバは、一般に、溶融ゾーンに入る結晶ファイバまたは未加工の多結晶原料物質よりも細径であるため、これに比例して、上部案内管５１０は、いくつかの実施形態では、概して、下部案内管４１０の内径に対して相対的に小さい内径を有し得る。実施形態に応じて、上部案内管５１０の内径は、例えば、約１００μｍ以下、より具体的には約７５μｍ以下、さらには、わずか約５０μｍ以下の内径であるように選択してよい。従って、実施形態に応じて、上部案内管５１０の内径は、溶融ゾーンから出てくる結晶ファイバの直径よりも約１０％大きいかもしくはそれ以下、より具体的には約５％大きいかもしくはそれ以下、さらに具体的には約２％大きいかもしくはそれ以下、であるように選択してよい。一方、いくつかの実施形態では、上部案内管５１０は、最大で１ｍｍの直径など、下部案内管よりもかなり大きい内径を有してよく、この場合、上部ファイバガイドの他の構成要素によって、成長中の結晶ファイバに対して追加的な水平方向安定化を提供してよい。

例えば、結晶ファイバが上部ファイバガイド５００によって上向きに引き上げられるときの追加的な水平方向安定化は、一対の案内パッド５２０など、上部ファイバガイド５００の案内パッドのセットによって提供してよい。案内パッド５２０は、圧縮性かつ／または弾性であってよく、溶融ゾーンから引き出されるときのファイバを水平次元において位置決めするため、および／またはその水平位置をさらに安定させるために、わずかな水平力／圧力を結晶ファイバに作用させるように構成してよい。従って、案内パッド５２０は、ファイバに対して、その正確な位置決めのために、わずかな力／圧力を付与し得るが、ただし、上向きに引き上げられるときのファイバの垂直方向の動きを妨げることになるような相当な摩擦力を発生させるほどの圧力ではない。これらの検討事項の間の適切なバランスを実現するために、案内パッドは、発泡体または他の適切な圧縮性材料で構成してよく、さらに、ポリマ材料の薄層のような滑らかな低摩擦材料であって、かつ引き出されるときのファイバにほとんど付着しない材料でコーティングしてよい。いくつかの実施形態では、案内パッドによりファイバに付与される圧力は、一方のパッドを他方に向けてまたは両パッドを互いに向けて水平方向に並進させ得る案内パッド配向装置によって調整可能であってよい。配向装置は、上記のことを実現するために、ネジ式、バネ式、または他の何らかの適切な圧力発生機構を採用してよい。

図５に概略的に示す実施形態では、回転することで、溶融ゾーンから案内パッド５２０を通して結晶ファイバ３５０を引き出すように構成された巻取りドラム５３０の回転によって、実際の引張力を発生させる。この図に示すように、巻取りドラム５３０は、その表面に接する垂直ベクトルが、すなわち、巻き取られるときの結晶ファイバ３５０に最初に接触するドラム上の点における接線が、（同じく、この図に示すように）上部ファイバガイド５１０と垂直方向に整列されるように、位置決めされる。上述のように、巻取りドラムは、垂直方向の引張力を付与するとともに、さらに十分に細径かつ可撓性のファイバである場合には、処理中のファイバをコンパクトに収納するために、ファイバをドラム本体に巻き付け／巻き上げてよい。一方、ファイバ３５０が十分に細径かつ可撓性でない場合には、ファイバの端を、（例えば接着など、何らかの機構によって）他の細径の可撓性材料（図５に示していない、例えば、線材および／または糸材など）に装着してよく、そしてこれを巻取りドラムによって直接引き上げて巻き付け／巻き上げることで、形成されたファイバに対して、そのファイバを（巻取りドラムの周囲に沿わせて無理に湾曲させることにより）損傷することなく、垂直方向の引張力を付与する。

下部フィードガイド４００および上部ファイバガイド５００によって、ＬＨＰＧ装置内で、成長中の結晶ファイバを水平方向に正確に位置決めする一方で、ＬＨＰＧオペレーションでは、溶融ゾーン３１０で原料物質を加熱して溶融させるために、安定した均一な光エネルギー源を備えることも重要である。いくつかの実施形態では、図６に詳細に示すように、光エネルギー源６００は、レーザ源６１０と、種々の回転平面ミラー６２１、６２２と、減衰器６３０と、ビームエキスパンダ６４０と、リフラキシコン６５０と、回転楕円ミラー６６０と、放物面集光ミラー６７０と、を有し得る。レーザ源６１０からこれらの各種光学部品を経て最終的に溶融ゾーン３１０に至る光路を、（図２にも縮小して示すように）図６に概略的に示している。

図６に示すように、コヒーレント光ビームは、レーザ源６１０から出て、回転ミラー６２１および６２２によって誘導されて、ビーム強度を適切なレベルまで低減するための減衰器６３０を通り、そしてビームエキスパンダ６４０に入射する。このようにして初期拡径されると、その拡径されたビームは、次にフラキシコン６５０に衝突し、これにより、ビームはさらに拡径されるが、ただし中央に間隙が残り、すなわち、その伝搬軸に沿って依然として軸対称であるリング状のビームが形成される。なお、図６ではリフラキシコン６５０の断面を示しているので、３つの分離した断片として概略的に表示されているものの、当然のことながら、リフラキシコン６５０は、上記の拡径されたリング状ビームを形成するように作用する２つの同心環状反射面を有する光学素子であることは理解されるべきである。この点では、リング状ビームは依然として水平方向に伝搬しているが、光路に沿った次の素子は、回転楕円ミラー６６０であり（同じく断面で示しているが、１つの反射面を表していることは理解されるべきである）、これにより、水平方向のリング状ビームは、垂直方向に伝搬するように方向転換されて、このとき、垂直となったリング状ビームの中心軸は、上部ガイドおよび下部ガイドならびに成長中の結晶ファイバの軸と略整列される。従って、この点では、ビームは、リングで周囲を取り囲まれたファイバと平行に伝搬しているが、まだファイバに接触していない。放物面集光ミラー６７０は（同じく図６では２つの断片として断面で示しているが、この表現は、単一の環状反射面を表すものと理解されなければならない）、ビームを、対称に溶融ゾーン３１０に集束させることで、略均一な光放射強度の空間領域を形成し、この空間領域は、（未加工の多結晶原料物質であるか、または前のオペレーション（例えば、前のＬＨＰＧオペレーション）で形成された結晶ファイバ材料であるかに関わりなく）ファイバ原料物質を加熱して溶融させるのに十分な光放射強度を有する。

上述のように、開示される結晶ファイバ成長装置（および関連した方法）では、作製されるときの結晶ファイバの直径を略連続的に測定（かつ／または特定の離散間隔で測定）するとともに、これに応じて自動的にプロセス調整を行うことによって作動する閉ループ直径制御フィードバック回路／システムを採用してよく、これにより、成長中の結晶ファイバの直径を略一定／均一に維持する。そこで、再び図４を参照して、いくつかの実施形態では、閉ループ直径制御フィードバックシステムは、成長中の結晶ファイバ３５０の直径を測定するように構成されたファイバ径測定モジュール４６０と、下部フィードガイド４００が原料物質３４０を押し出す並進レートを（コントローラ４７０に測定モジュール４６０を接続する信号線４６１で図中に概略的に示すように）ファイバ径測定モジュール４６０から受信した信号に応じて調整するように構成されたコントローラ４７０と、を含み得る。なお、原料物質３４０が下部フィードガイド４００によって押し出されるレートに対する適切な調整を決定する目的で直径が測定されるのは、成長中の結晶ファイバ３５０であるということに留意すべきである（下部フィードガイド４００によって押し出される原料物質３４０と、光加熱オペレーション後の結晶化された成長中の結晶ファイバ３５０と、の間の断絶を概略的に示す図４のジグザグ二重線を参照）。この具体的な実施形態では、コントローラ４７０は、原料物質が押し出される並進レートを調整する信号を、送りベルト４４０に対して（これら２つを接続する信号線４７１で図４に示すように）送信する。

原理的には、ファイバ直径を測定するための任意の技術を採用してよいが、作製されるときの特定のファイバセグメントの概略直径を特定するために、レーザ光を照射した／当てたときの成長中の結晶ファイバの回折パターンを監視することが特に効果的であることが判明している。従って、図４に示すように、いくつかの実施形態では、ファイバ径測定モジュール４６０は、プローブレーザ４６２（例えば、赤色Ｈｅ−Ｎｅレーザ）と、光検出器４６４（例えば、ラインＣＣＤカメラ、および場合によってはデータ処理ユニット）と、を含んでよく、プローブレーザは、成長中の結晶ファイバ３５０にレーザ光４６３を照射するように構成され、光検出器４６４は、レーザ光４６３と成長中の結晶ファイバとの相互作用によって生じる１つ以上の干渉縞（または一連の干渉縞）を測定するように構成される。そして、測定された干渉縞を、直径制御フィードバックシステムに関連付けられた（実施形態に応じて、ファイバ径測定モジュール内、フィードバックシステムのコントローラ内、またはそれ以外の場所に物理的に常駐し得る）データ解析ソフトウェア（または、実施形態に応じて、ハードウェア）で解釈し、それらから、Ｌ．Ｓ．Ｗａｔｋｉｎｓ著「Scattering from side-illuminated clad glass fibers for determination of fiber parameters（ファイバパラメータを特定するための側方照射によるクラッドガラスファイバからの散乱）」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌｕｍｅ ６４，７６７頁（１９７４年）、およびＭ．Ｍ．Ｆｅｊｅｒ，Ｇ．Ａ．Ｍａｇｅｌ，Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ著「High-speed high-resolution fiber diameter variation measurement system（高速高分解能ファイバ直径変動測定システム）」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ２４，２３６２頁（１９８５年）に詳述されているように、ファイバ直径をその干渉パターンに関連付ける各種公式を評価することによって、ファイバの概略直径を算出し、これらの文献の各々は、その全体があらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。いくつかの例では、ファイバ直径を推定するために一連の干渉縞におけるピーク間の距離および／またはピーク数を用いてよく、または結晶ファイバ直径における変化を測定するために時間経過に伴う一連の干渉縞におけるピークのシフトを監視してよく、または上記のものの何らかの組み合わせ（さらには、上記のメトリクスのいずれかと、ファイバ直径測定のための他の可能な技術とを併用する何らかの組み合わせ）を用いてよい。

ファイバの概略直径が特定されたら、これを、フィードバックシステムの制御ソフトウェア（または、実施形態に応じて、ハードウェア）によって、フィードレート（例えば、本明細書で詳述するように、下部フィードガイド４００で採用する押し出しレート）を調整するために用いてよく、これにより、計算されたファイバ直径における変化／変動を適切に補償する。この場合も、原理的には、直径変動を補償するために、（本明細書で詳述するように）上部ファイバガイド５００で採用する引き出しレートを（または、押し出しレートと併用して引き出しレートを）用いることも可能であるが、実際には、押し出しレートのみを調整することが、より効果的であることが判明している。

図７は、開ループモードで（すなわち、直径制御フィードバックシステムを外して）成長させた結晶ファイバに対する、上記の閉ループ直径制御フィードバック回路を用いて成長させた結晶ファイバの、直径の長さ方向変化の比較を示している。開ループモードでは、主に、原料物質の直径変化、および／またはレーザ出力の変動、および／または他の可能性のある環境要因の結果として、直径変動がファイバ全径の約７％のオーダで生じることが観測された。これに対し、閉ループ直径制御フィードバック回路を採用すると、必然的に変動するそれらの条件にも関わらず、直径変動は約１％に低減する。また、いくつかの実施形態では、ファイバ成長中に制御ソフトウェアの介入が許可される程度を、可変制御回路の比例利得設定によって事前設定してよいということにも留意すべきである。比例利得設定によって、検出された変化に対して制御回路がどの程度の感度で応じるのか（どの程度の補正係数を採用するのか）が決まる。また、そのような制御回路は、制御回路がレートを変更することが適切であると判断した場合に、押し出しレート（または、いくつかの実施形態では、引き出しレート、もしくは押し出しレートと引き出しレートの両方）を所与の時間間隔で変更することを制御回路が許可される実際の量の上限として作用する調整可能なｍａｘＶパラメータによって調整してもよい。図７に示すプロットでの、閉ループ直径制御の結果は、比例利得を１０に設定し、ｍａｘＶを２０％に設定して成長させたファイバに対応するものである。

［他の実施形態］
上記で開示した技術、オペレーション、プロセス、方法、システム、装置、ツール、膜、ケミストリ、および組成物は、明確さと理解を促す目的で、具体的な実施形態の文脈において詳細に記載しているが、本開示の趣旨および範囲内で、上記の実施形態を実施する数多くの代替的方法があることは、当業者には明らかであろう。従って、本明細書に記載の実施形態は、限定するものではなく、開示した発明概念の例示とみなされるべきであり、拒絶の根拠として請求項の範囲ひいては本開示の主題を不当に制限するために用いられるべきではない。

いくつかの実施形態では、装置は、さらに、直径制御フィードバックシステムを備え得る。直径制御フィードバックシステムは、成長中の結晶ファイバの直径を測定するように構成されたファイバ径測定モジュールと、成長中の結晶ファイバの直径を略一定に維持するように、ファイバ径測定モジュールから受信する信号に応じて下部フィードガイドが原料物質を押し進める並進レートを調整するように構成されたコントローラと、を有し得る。そのようないくつかの実施形態では、ファイバ径測定モジュールは、成長中の結晶ファイバにレーザ光を照射するように構成されたプローブレーザと、上記レーザ光と成長中の結晶ファイバとの相互作用によって生じる１つ以上の干渉縞を測定するように構成された光検出器と、を含む。

実施形態に応じて、下部フィードガイドは、それに沿って下部フィードガイドが原料物質を溶融ゾーンに向けて押し進める並進軸を規定する内部を有する下部案内管と、溝を有する案内ブロックと、送りベルトと、を含んでよい。実施形態に応じて、上部ファイバガイドは、それに沿って上部ファイバガイドが成長中の結晶ファイバを溶融ゾーンから引き出す並進軸を規定する内部を有する上部案内管を含んでよく、さらに、溶融ゾーンから引き出されるときの結晶ファイバに対して、その水平位置をさらに安定させるために両側方から水平圧力を作用させるように構成された一対の案内パッドを含んでよく、さらに、回転することで、溶融ゾーンから案内パッド対を通して結晶ファイバを引き出すように構成された巻取りドラムを含んでよい。

いくつかの実施形態の方法では、原料物質を溶融ゾーンに向けて押し進める並進レートよりも高い並進レートで、結晶ファイバを溶融ゾーンから引き出し、さらに、そのようないくつかの実施形態では、結晶ファイバを引き出す並進レートは、原料物質を押し進める並進レートの２〜２５倍の間である。いくつかの実施形態では、細径結晶ファイバを成長させる方法は、さらに、成長中の結晶ファイバの直径を測定することと、成長中の結晶ファイバの直径を略一定に維持するように、フィードガイドが原料物質を押し進める並進レートを調整することと、を含み得る。いくつかの実施形態の方法は、さらに、成長させるときの結晶ファイバの長さの一部分にわたって、並進引き出し対並進押し出しの比率を、線引き結晶ファイバ１ｃｍ当たり約０．１％〜１０％のレートで変化させることを含み得る。

本明細書では、各種材料の細径結晶ファイバを作製するためにレーザ溶融ペデスタル成長（ＬＨＰＧ）技術を採用した、種々のファイバ結晶作製装置および関連した方法について開示する。その最初の先駆けとなった技術の詳細については、例えば、Ｍ．Ｍ．Ｆｅｊｅｒ，Ｊ．Ｌ．Ｎｉｇｈｔｉｎｇａｌｅ，Ｇ．Ａ．Ｍａｇｅｌ，Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ著「Laser-Heated Miniature Pedestal Growth Apparatus for Single-Crystal Optical Fibers（単結晶光ファイバのためのレーザ溶融微細ペデスタル成長装置）」Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．，Ｖｏｌｕｍｅ ５５，１７９１頁（１９８４年）を参照し、この文献は、その全体があらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。従来、このような方法によって作製される結晶ファイバは、約１００μｍのオーダまたはそれ以上の直径を有するものに限られていた。本明細書では、約１００μｍ以下（または、実施形態に応じて、さらに約９０もしくは８０もしくは７０もしくは６０もしくは５０もしくは４０もしくは３０μｍ以下）の直径を有する細径結晶光ファイバを作製することが可能な、改善されたＬＨＰＧ装置および関連した方法について開示する。さらに、（これらの装置および関連した方法によって作製される）それらの細径結晶ファイバは、約２０ｃｍ以上（または、実施形態に応じて、さらに約３０もしくは４０もしくは５０もしくは６０もしくは７０もしくは８０もしくは９０もしくは１００ｃｍ以上）の長さを有し得る。上述のように、このような細径結晶ファイバは、例えば、（図１に示すような）ファイバレーザにおける導波路コアとしての機能を果たすなど、様々な用途に使用され得る。

図２に示すように、（レーザ溶融ペデスタル成長（ＬＨＰＧ）技術によって）上記したような細径結晶ファイバを成長させるための装置は、溶融原料物質の溶融ゾーンを形成するために原料物質を加熱するための光エネルギー源６００と、溶融ゾーンから成長中の結晶ファイバを引き出すための上部ファイバガイド５００と、追加の原料物質を溶融ゾーンに向けて押し進めるための下部フィードガイド４００と、を備え得る。溶融ゾーンから成長中の結晶を引き出すことによって、上部ファイバガイド５００は、さらに、結晶ファイバに結合される非結晶溶融原料物質をメルトから（かつ溶融ゾーンから）引き出し、これにより、引き出される溶融原料物質は、（図３Ａおよび図３Ｂにおいて、その初期段階に示すように）冷却、結晶化して、成長中の結晶ファイバに付加され得る。

実施形態に応じて、案内ブロック４３０は、これに形成された（図４の視点では表示されない）溝を有してよく、その溝内に、送りベルト４４０によって押し当てられる未加工の原料が位置する。従って、未加工の原料物質は、送りベルト４４０と案内ブロック４３０の溝（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ溝）との間に挟まれて、これにより、送りベルトが前進する際に、未加工の原料物質が案内ブロックの溝に押し当てられるとともに、この溝を通って上向きに下部案内管４１０の内部に入って通り抜けるように押し進められる。この種の設計によって、図２に示すように、未加工の原料物質の溶融ゾーン内への円滑な移送が得られる。さらに、下部案内管４１０は、下部フィードガイド４００を出る際の未加工の原料の向きを規定し、従って、下部案内管の内部は、溶融ゾーンに向けて押し出されるときの原料物質を整列させる並進軸を規定する。下部案内管４１０は、未加工の原料物質の直径よりもわずかに大きい内径を有してよく、これにより、下部案内管は、溶融ゾーンに向けて押し出されるときの未加工の原料物質を、光エネルギー源６００から放出される光エネルギーの経路内に水平方向に正確に位置決め可能である。従って、いくつかの実施形態では、下部案内管４１０の内径は、処理される未加工の原料物質の直径よりも約１５％大きいかもしくはそれ以下、より具体的には約１０％大きいかもしくはそれ以下、さらに具体的には約５％大きいかもしくはそれ以下、であるように選択してよい。同様に、案内ブロック４３０の溝の半径は、処理される未加工の原料物質の半径よりも約１５％大きいかもしくはそれ以下、より具体的には約１０％大きいかもしくはそれ以下、さらに具体的には約５％大きいかもしくはそれ以下、であるように選択してよい。従って、（例えば、最終縮径段階において）適切な細径の結晶ファイバを作製するために、下部案内管４１０の内径は、約２５０μｍ以下、または約２００μｍ以下、または約１５０μｍ以下、さらに具体的には約１００μｍ以下の内径であるように選択してよい。

図５に概略的に示す実施形態では、回転することで、溶融ゾーンから案内パッド５２０を通して結晶ファイバ３５０を引き出すように構成された巻取りドラム５３０の回転によって、実際の引張力を発生させる。この図に示すように、巻取りドラム５３０は、その表面に接する垂直ベクトルが、すなわち、巻き取られるときの結晶ファイバ３５０に最初に接触するドラム上の点における接線が、（同じく、この図に示すように）上部案内管５１０と垂直方向に整列されるように、位置決めされる。上述のように、巻取りドラムは、垂直方向の引張力を付与するとともに、さらに十分に細径かつ可撓性のファイバである場合には、処理中のファイバをコンパクトに収納するために、ファイバをドラム本体に巻き付け／巻き上げてよい。一方、ファイバ３５０が十分に細径かつ可撓性でない場合には、ファイバの端を、（例えば接着など、何らかの機構によって）他の細径の可撓性材料（図５に示していない、例えば、線材および／または糸材など）に装着してよく、そしてこれを巻取りドラムによって直接引き上げて巻き付け／巻き上げることで、形成されたファイバに対して、そのファイバを（巻取りドラムの周囲に沿わせて無理に湾曲させることにより）損傷することなく、垂直方向の引張力を付与する。

［他の実施形態］
上記で開示した技術、オペレーション、プロセス、方法、システム、装置、ツール、膜、ケミストリ、および組成物は、明確さと理解を促す目的で、具体的な実施形態の文脈において詳細に記載しているが、本開示の趣旨および範囲内で、上記の実施形態を実施する数多くの代替的方法があることは、当業者には明らかであろう。従って、本明細書に記載の実施形態は、限定するものではなく、開示した発明概念の例示とみなされるべきであり、拒絶の根拠として請求項の範囲ひいては本開示の主題を不当に制限するために用いられるべきではない。
本発明は、たとえば、以下のような態様で実現することもできる。
適用例１：
光加熱によって細径結晶ファイバを成長させるための装置であって、
溶融原料物質の溶融ゾーンを形成するために原料物質を加熱するための光エネルギー源と、
前記溶融ゾーンから規定の並進軸に沿って成長中の結晶ファイバを引き出すための上部ファイバガイドであって、これにより、さらに、前記結晶ファイバに結合される非結晶溶融原料物質を、その溶融原料物質が冷却、結晶化して、前記成長中の結晶ファイバに付加され得るように前記溶融ゾーンから引き出すための上部ファイバガイドと、
追加の原料物質を規定の並進軸に沿って前記溶融ゾーンに向けて押し進めるための下部フィードガイドと、を備え、
前記光エネルギー源から放出される光エネルギーの経路内に前記原料物質を水平方向に位置決めするように、前記下部フィードガイドの並進軸と前記上部ファイバガイドの並進軸は、垂直方向かつ軸方向に略位置合わせされている、装置。
適用例２：
適用例１の装置であって、前記原料物質は、約５μｍの水平公差の範囲内で前記光エネルギーの経路内に水平方向に位置決めされる、装置。
適用例３：
適用例１の装置であって、前記上部ファイバガイドは、前記下部フィードガイドが前記原料物質を前記溶融ゾーンに向けて押し進めるように構成されている並進レートよりも高い並進レートで、前記結晶ファイバを前記溶融ゾーンから引き出すように構成されている、装置。
適用例４：
適用例３の装置であって、前記上部ファイバガイドが前記結晶ファイバを引き出すように構成される前記並進レートは、前記下部フィードガイドが前記原料物質を押し進めるように構成される前記並進レートの約４〜９倍の間である、装置。
適用例５：
適用例１の装置であって、
直径制御フィードバックシステムをさらに備え、前記直径制御フィードバックシステムは、
前記成長中の結晶ファイバの直径を測定するように構成されたファイバ径測定モジュールと、
前記成長中の結晶ファイバの直径を略一定に維持するように、前記ファイバ径測定システムから受信する信号に応じて、前記下部フィードガイドが前記原料物質を押し進める並進レートを調整するように構成されたコントローラと、を有する、装置。
適用例６：
適用例５の装置であって、前記ファイバ径測定モジュールは、
前記成長中の結晶ファイバにレーザ光を照射するように構成されたプローブレーザと、
前記レーザ光と前記成長中の結晶ファイバとの相互作用によって生じる１つ以上の干渉縞を測定するように構成された光検出器と、を含む、装置。
適用例７：
適用例１の装置であって、前記下部フィードガイドは、
それに沿って前記下部フィードガイドが前記原料物質を前記溶融ゾーンに向けて押し進める前記並進軸を規定する内部を有する下部案内管を含む、装置。
適用例８：
適用例７の装置であって、前記下部案内管は、約１５０μｍ以下の内径を有する、装置。
適用例９：
適用例７の装置であって、前記下部フィードガイドは、
溝を有する案内ブロックと、
送りベルトと、をさらに含み、
前記下部フィードガイドは、前記原料物質を前記案内ブロックの前記溝に当てて前記下部案内管の前記内部に入って通り抜けるように移送する前記送りベルトを前進させることにより、前記原料物質を前記溶融ゾーンに向けて押し進めるように構成されている、装置。
適用例１０：
適用例９の装置であって、前記案内ブロックは、Ｔｅｆｌｏｎを含む、装置。
適用例１１：
適用例１の装置であって、前記上部ファイバガイドは、
それに沿って前記上部ファイバガイドが前記成長中の結晶ファイバを前記溶融ゾーンから引き出す前記並進軸を規定する内部を有する上部案内管を含む、装置。
適用例１２：
適用例１１の装置であって、前記上部案内管は、約１ｍｍ以下の内径を有する、装置。
適用例１３：
適用例１１の装置であって、前記上部ファイバガイドは、
前記溶融ゾーンから引き出されるときの前記結晶ファイバに対して、その水平位置をさらに安定させるために両側方から水平圧力を作用させるように構成された一対の案内パッドと、
回転することで、前記溶融ゾーンから前記一対の案内パッドを通して前記結晶ファイバを引き出すように構成された巻取りドラムと、をさらに含む、装置。
適用例１４：
適用例１３の装置であって、前記案内パッドは、滑らかな材料でコーティングされた圧縮性材料を含む、装置。
適用例１５：
適用例１４の装置であって、前記圧縮性材料は発泡体であり、前記滑らかな材料はポリマ材料の薄層である、装置。
適用例１６：
適用例１３の装置であって、前記巻取りドラムは、前記ファイバを前記ドラムの本体に巻き付けることにより、前記結晶ファイバを引き出すように構成されている、装置。
適用例１７：
適用例１３の装置であって、前記巻取りドラムは、前記結晶ファイバに装着された線材を前記ドラムの本体に巻き付けることにより、前記結晶ファイバを引き出すように構成されている、装置。
適用例１８：
光加熱によって細径結晶ファイバを成長させる方法であって、
溶融原料物質の溶融ゾーンを形成するために原料物質を光エネルギーで加熱することと、
前記溶融ゾーンからファイバガイドで規定される並進軸に沿って成長中の結晶ファイバを引き出すことと、これにより、さらに、前記結晶ファイバに結合される非結晶溶融原料物質を、その溶融原料物質が冷却、結晶化して、前記成長中の結晶ファイバに付加され得るように前記溶融ゾーンから引き出すことと、
追加の原料物質をフィードガイドで規定される並進軸に沿って前記溶融ゾーンに向けて押し進めることと、を含み、
約５μｍの水平公差の範囲内で前記光エネルギーの経路内に前記原料物質を水平方向に位置決めするように、前記フィードガイドで規定される前記並進軸と前記ファイバガイドで規定される前記並進軸を、垂直方向かつ軸方向に略位置合わせする、方法。
適用例１９：
適用例１８の方法であって、前記原料物質を前記溶融ゾーンに向けて押し進める並進レートよりも高い並進レートで、前記結晶ファイバを前記溶融ゾーンから引き出す、方法。
適用例２０：
適用例１９の方法であって、前記結晶ファイバを引き出す前記並進レートは、前記原料物質を押し進める前記並進レートの２〜２５倍の間である、方法。
適用例２１：
適用例１８の方法であって、
前記成長中の結晶ファイバの直径を測定することと、
前記成長中の結晶ファイバの直径を略一定に維持するように、前記下部フィードガイドが前記原料物質を押し進める並進レートを調整することと、をさらに含む、方法。
適用例２２：
適用例１８の方法であって、前記溶融ゾーンに向けて押し進められる前記原料物質は、多結晶材料のロッドである、方法。
適用例２３：
適用例１９の方法であって、前記原料物質は、ドープ多結晶ＹＡＧである、方法。
適用例２４：
適用例１８の方法であって、前記溶融ゾーンに向けて押し進められる前記原料物質は、前の光加熱オペレーションで成長させた結晶ファイバである、方法。
適用例２５：
適用例２４の方法であって、前記成長させた結晶ファイバの直径は、原料結晶ファイバの直径よりも約１．５〜５倍小さい、方法。
適用例２６：
適用例１８の方法であって、前記成長させる結晶ファイバの直径は４０μｍ以下であり、その長さは３０ｃｍ以上である、方法。
適用例２７：
適用例１８の方法であって、成長させるときの前記結晶ファイバの長さの一部分にわたって、並進引き出し対並進押し出しの比率を、線引き結晶ファイバ１ｃｍ当たり約０．１％〜１０％のレートで変化させることをさらに含む、方法。
適用例２８：
レーザ溶融オペレーションによって成長させた、４０μｍ以下の直径および３０ｃｍ以上の長さを有する結晶ファイバ。
適用例２９：
適用例２８の結晶ファイバであって、ドープ結晶ＹＡＧを含む結晶ファイバ。

Claims (29)

1. 光加熱によって細径結晶ファイバを成長させるための装置であって、
   溶融原料物質の溶融ゾーンを形成するために原料物質を加熱するための光エネルギー源と、
   前記溶融ゾーンから規定の並進軸に沿って成長中の結晶ファイバを引き出すための上部ファイバガイドであって、これにより、さらに、前記結晶ファイバに結合される非結晶溶融原料物質を、その溶融原料物質が冷却、結晶化して、前記成長中の結晶ファイバに付加され得るように前記溶融ゾーンから引き出すための上部ファイバガイドと、
   追加の原料物質を規定の並進軸に沿って前記溶融ゾーンに向けて押し進めるための下部フィードガイドと、を備え、
   前記光エネルギー源から放出される光エネルギーの経路内に前記原料物質を水平方向に位置決めするように、前記下部フィードガイドの並進軸と前記上部ファイバガイドの並進軸は、垂直方向かつ軸方向に略位置合わせされている、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記原料物質は、約５μｍの水平公差の範囲内で前記光エネルギーの経路内に水平方向に位置決めされる、装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、前記上部ファイバガイドは、前記下部フィードガイドが前記原料物質を前記溶融ゾーンに向けて押し進めるように構成されている並進レートよりも高い並進レートで、前記結晶ファイバを前記溶融ゾーンから引き出すように構成されている、装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、前記上部ファイバガイドが前記結晶ファイバを引き出すように構成される前記並進レートは、前記下部フィードガイドが前記原料物質を押し進めるように構成される前記並進レートの約４〜９倍の間である、装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、
   直径制御フィードバックシステムをさらに備え、前記直径制御フィードバックシステムは、
   前記成長中の結晶ファイバの直径を測定するように構成されたファイバ径測定モジュールと、
   前記成長中の結晶ファイバの直径を略一定に維持するように、前記ファイバ径測定システムから受信する信号に応じて、前記下部フィードガイドが前記原料物質を押し進める並進レートを調整するように構成されたコントローラと、を有する、装置。
6. 請求項５に記載の装置であって、前記ファイバ径測定モジュールは、
   前記成長中の結晶ファイバにレーザ光を照射するように構成されたプローブレーザと、
   前記レーザ光と前記成長中の結晶ファイバとの相互作用によって生じる１つ以上の干渉縞を測定するように構成された光検出器と、を含む、装置。
7. 請求項１に記載の装置であって、前記下部フィードガイドは、
   それに沿って前記下部フィードガイドが前記原料物質を前記溶融ゾーンに向けて押し進める前記並進軸を規定する内部を有する下部案内管を含む、装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、前記下部案内管は、約１５０μｍ以下の内径を有する、装置。
9. 請求項７に記載の装置であって、前記下部フィードガイドは、
   溝を有する案内ブロックと、
   送りベルトと、をさらに含み、
   前記下部フィードガイドは、前記原料物質を前記案内ブロックの前記溝に当てて前記下部案内管の前記内部に入って通り抜けるように移送する前記送りベルトを前進させることにより、前記原料物質を前記溶融ゾーンに向けて押し進めるように構成されている、装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、前記案内ブロックは、Ｔｅｆｌｏｎを含む、装置。
11. 請求項１に記載の装置であって、前記上部ファイバガイドは、
    それに沿って前記上部ファイバガイドが前記成長中の結晶ファイバを前記溶融ゾーンから引き出す前記並進軸を規定する内部を有する上部案内管を含む、装置。
12. 請求項１１に記載の装置であって、前記上部案内管は、約１ｍｍ以下の内径を有する、装置。
13. 請求項１１に記載の装置であって、前記上部ファイバガイドは、
    前記溶融ゾーンから引き出されるときの前記結晶ファイバに対して、その水平位置をさらに安定させるために両側方から水平圧力を作用させるように構成された一対の案内パッドと、
    回転することで、前記溶融ゾーンから前記一対の案内パッドを通して前記結晶ファイバを引き出すように構成された巻取りドラムと、をさらに含む、装置。
14. 請求項１３に記載の装置であって、前記案内パッドは、滑らかな材料でコーティングされた圧縮性材料を含む、装置。
15. 請求項１４に記載の装置であって、前記圧縮性材料は発泡体であり、前記滑らかな材料はポリマ材料の薄層である、装置。
16. 請求項１３に記載の装置であって、前記巻取りドラムは、前記ファイバを前記ドラムの本体に巻き付けることにより、前記結晶ファイバを引き出すように構成されている、装置。
17. 請求項１３に記載の装置であって、前記巻取りドラムは、前記結晶ファイバに装着された線材を前記ドラムの本体に巻き付けることにより、前記結晶ファイバを引き出すように構成されている、装置。
18. 光加熱によって細径結晶ファイバを成長させる方法であって、
    溶融原料物質の溶融ゾーンを形成するために原料物質を光エネルギーで加熱することと、
    前記溶融ゾーンからファイバガイドで規定される並進軸に沿って成長中の結晶ファイバを引き出すことと、これにより、さらに、前記結晶ファイバに結合される非結晶溶融原料物質を、その溶融原料物質が冷却、結晶化して、前記成長中の結晶ファイバに付加され得るように前記溶融ゾーンから引き出すことと、
    追加の原料物質をフィードガイドで規定される並進軸に沿って前記溶融ゾーンに向けて押し進めることと、を含み、
    約５μｍの水平公差の範囲内で前記光エネルギーの経路内に前記原料物質を水平方向に位置決めするように、前記フィードガイドで規定される前記並進軸と前記ファイバガイドで規定される前記並進軸を、垂直方向かつ軸方向に略位置合わせする、方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、前記原料物質を前記溶融ゾーンに向けて押し進める並進レートよりも高い並進レートで、前記結晶ファイバを前記溶融ゾーンから引き出す、方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、前記結晶ファイバを引き出す前記並進レートは、前記原料物質を押し進める前記並進レートの２〜２５倍の間である、方法。
21. 請求項１８に記載の方法であって、
    前記成長中の結晶ファイバの直径を測定することと、
    前記成長中の結晶ファイバの直径を略一定に維持するように、前記下部フィードガイドが前記原料物質を押し進める並進レートを調整することと、をさらに含む、方法。
22. 請求項１８に記載の方法であって、前記溶融ゾーンに向けて押し進められる前記原料物質は、多結晶材料のロッドである、方法。
23. 請求項１９に記載の方法であって、前記原料物質は、ドープ多結晶ＹＡＧである、方法。
24. 請求項１８に記載の方法であって、前記溶融ゾーンに向けて押し進められる前記原料物質は、前の光加熱オペレーションで成長させた結晶ファイバである、方法。
25. 請求項２４に記載の方法であって、前記成長させた結晶ファイバの直径は、原料結晶ファイバの直径よりも約１．５〜５倍小さい、方法。
26. 請求項１８に記載の方法であって、前記成長させる結晶ファイバの直径は４０μｍ以下であり、その長さは３０ｃｍ以上である、方法。
27. 請求項１８に記載の方法であって、成長させるときの前記結晶ファイバの長さの一部分にわたって、並進引き出し対並進押し出しの比率を、線引き結晶ファイバ１ｃｍ当たり約０．１％〜１０％のレートで変化させることをさらに含む、方法。
28. レーザ溶融オペレーションによって成長させた、４０μｍ以下の直径および３０ｃｍ以上の長さを有する結晶ファイバ。
29. 請求項２８に記載の結晶ファイバであって、ドープ結晶ＹＡＧを含む結晶ファイバ。

Images