JP2021132755A - 光ファイバプローブ - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバプローブの側面から照射される光の角度を、側面に対してより垂直にすることが可能な光ファイバプローブを提供する。【解決手段】光ファイバプローブ１Ａは、コア１１およびクラッド１２を有する光ファイバ１０と、基端２０ａが光ファイバの出射端１０ａに接続されたコアレスファイバ２０と、を備える。コアレスファイバの屈折率は、コアレスファイバの中心部から径方向外側に向かうに従って連続的に増加している。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバプローブに関する。

例えば、前立腺肥大症治療法である前立腺レーザ蒸散術、早期肺がん等の治療法である光線力学治療、アレルギー性鼻炎治療法である下甲介粘膜レーザ治療、等では、医療用レーザ発振器に接続した光ファイバを利用して患部にレーザ光を照射することが行なわれている。光ファイバから患部へのレーザ光照射は、照射範囲の増大、患部への確実なレーザ光照射等を目的に、光ファイバ先端からその光軸方向に沿った前方への照射よりも、光ファイバの先端部から側方への照射が有効とされている。そのため、患部にレーザ光を照射するための装置として、特許文献１には、光ファイバと、光ファイバの先端に接続されたプローブ先端部と、を備えた光ファイバプローブが開示されている。そしてプローブ先端部は、第１の光透過領域と、第１の光透過領域を被覆する第２の光透過領域と、を有している。この光ファイバプローブでは、第２の光透過領域の屈折率が第１の光透過領域の屈折率よりも大きいことで、プローブ先端部の側面から、プローブ先端部の外側へと光を照射させている。

特開２０１９−７２４９１号公報

特許文献１の構成において、レーザ光はプローブ先端部の軸方向に対して平行に近い（浅い）角度を有する光の割合が多く、第２の光透過領域へ到達するまでにプローブ先端部の先端領域まで到達してしまう光の割合が多くなる。この場合、プローブ先端部の側面から照射する光は、プローブ先端部の先端領域に近い側面から多く照射されることになる。しかしながら、患部に正確かつ広範囲に光を照射させるためには、プローブ先端部の基端領域から先端領域まで側面全体から均等な割合で照射されることが好ましい。

本発明はこのような事情を考慮してなされ、光ファイバプローブの側面から照射される光の割合を、当該側面全体においてより均等にすることが可能な光ファイバプローブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１態様に係る光ファイバプローブは、コアおよびクラッドを有する光ファイバと、基端が前記光ファイバの出射端に接続されたコアレスファイバと、を備え、前記コアレスファイバの屈折率は、前記コアレスファイバの中心部から径方向外側に向かうに従って連続的に増加している。

上記態様によれば、コアレスファイバの屈折率が、コアレスファイバの中心部から径方向外側に向かうに従って連続的に増加していることで、スネルの法則に従い、光の進行方向が徐々に屈折していく。その結果、コアレスファイバの中心軸線に対して平行に近い光であっても、先端領域まで到達する前にコアレスファイバの側面から照射されるため、当該側面全体においてより均等に光を照射することが可能となる。

また、本発明の第２態様に係る光ファイバプローブは、コアおよびクラッドを有する光ファイバと、基端が前記光ファイバの出射端に接続されたコアレスファイバと、を備え、前記コアレスファイバの屈折率は、前記コアレスファイバの中心部から径方向外側に向かうに従って３段階以上にわたってステップ状に増加している。

第２態様の場合も、第１態様と同様に、コアレスファイバの側面全体において、より均等に光を照射する効果が得られる。

ここで、前記コアレスファイバの外径と前記クラッドの外径とが同等であってもよい。

また、前記コアレスファイバの外径が前記クラッドの外径よりも大きくてもよい。

また、前記コアが純粋石英により形成されていてもよい。

また、前記コアレスファイバの外周面には光を透過する被覆層が設けられ、前記被覆層の外周面に凹凸が形成されていてもよい。

また、前記コアレスファイバの先端に反射材が設けられていてもよい。

また、前記コアの屈折率と前記コアレスファイバの中心部の屈折率とが同等であってもよい。

本発明の上記態様によれば、光ファイバプローブの側面から照射される光の割合を、当該側面全体においてより均等にすることが可能な光ファイバプローブを提供することができる。

本実施形態に係る光ファイバプローブの断面図である。 図１のコアレスファイバの屈折率分布である。 図１の光ファイバプローブの作用を説明する図である。 図２の屈折率分布の変形例を示す図である。 図２の屈折率分布の他の変形例を示す図である。 変形例１に係る光ファイバプローブの断面図である。 変形例２に係る光ファイバプローブの断面図である。

以下、本実施形態に係る光ファイバプローブの構成を、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、光ファイバプローブ１Ａは、光ファイバ１０と、コアレスファイバ２０と、を備えている。コアレスファイバ２０は、光ファイバ１０の先端側に設けられており、コアレスファイバ２０の基端２０ａが、光ファイバ１０の出射端１０ａに接続されている。

（方向定義）
ここで本実施形態では、光ファイバプローブ１Ａの長手方向を単に長手方向といい、光ファイバプローブ１Ａの中心軸線を中心軸線Ｏという。また、中心軸線Ｏに直交する断面を横断面という。横断面視で、中心軸線Ｏに交差する方向を径方向という。

（光ファイバプローブ）
光ファイバ１０は、横断面視において中央部に設けられたコア１１と、コア１１の外周を覆うクラッド１２とを有している。クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低い。本実施形態では、光ファイバ１０の材質として、コア−クラッド構造の石英ガラスファイバを用いる。

光ファイバ１０及びコアレスファイバ２０は、横断面視において、それぞれ円形状に形成され、径方向の寸法は同一である。光ファイバ１０とコアレスファイバ２０とは、同軸に接続されている。光ファイバ１０の出射端１０ａとコアレスファイバ２０の基端２０ａとは、融着により接続されている。これにより、コアレスファイバ２０の基端２０ａが光ファイバ１０の出射端１０ａと連続するように、コアレスファイバ２０は、光ファイバ１０に一体化されている。

コアレスファイバ２０の外径は、光ファイバ１０のコア１１の外径と同じ、または、光ファイバ１０のコア１１の外径よりも大きくてもよい。ただし、コアレスファイバ２０を光ファイバ１０に接続する際の作業性の観点から、コアレスファイバ２０の外径は光ファイバ１０の外径（クラッド１２の外径）の１．５倍以下であることが好ましい。
なお、コアレスファイバ２０の光ファイバ１０の出射端１０ａへの融着接続は、市販の融着接続機等を用いるなど公知の方法を利用することができる。

本実施形態では、コアレスファイバ２０の材質として、石英ガラスを用いる。また、コアレスファイバ２０の長さ（長手方向に沿う寸法）は、例えば、５〜１００ｍｍ程度である。

（反射膜）
反射膜（反射材）３０は、コアレスファイバ２０の先端２０ｂ全体に層状に形成されていてもよい。
光ファイバ１０は、コアレスファイバ２０が接続された出射端１０ａとは反対側の入射端から入射された光Ｌを出射端１０ａに向かって導光する。すなわち、光ファイバ１０は、入射端から導光された光Ｌを光ファイバ１０の出射端１０ａからコアレスファイバ２０内へ出射する。
コアレスファイバ２０は、光ファイバ１０から出射された光を基端２０ａから先端２０ｂに向かって伝搬する。光は伝搬する過程でコアレスファイバ２０の側面２０ｃから出射されるが、出射されず先端２０ｂまで到達する光もある。
反射膜３０は、光を反射する膜である。すなわち、光ファイバ１０によって導光され、光ファイバ１０の出射端１０ａから出射され、コアレスファイバ２０内を伝搬し、先端２０ｂに到達した光が、先端２０ｂから出射されることなく反射膜３０によりコアレスファイバ２０内に反射される。反射された光は再度コアレスファイバ２０を伝搬する過程で側面２０ｃから出射される。これにより、側面２０ｃからより効率よく光を出射させることができる。

反射膜３０は、光ファイバ１０及びコアレスファイバ２０を伝搬する光を反射可能なものであれば特に限定されない。
光ファイバ１０の入射端から入射させる光が、前立腺レーザ蒸散術、光線力学治療、下甲介粘膜レーザ治療等のために人体の患部へ照射するレーザ光である場合、反射膜３０は、その反射特性の安定維持等の点で金属膜を採用することが好ましい。

反射膜３０は、例えば、コアレスファイバ２０の先端２０ｂに形成された無電解めっき層を好適に採用できる。また、反射膜３０は、コアレスファイバ２０の先端２０ｂに形成された金属蒸着膜等であってもよい。反射膜３０の材質は、例えばニッケル、錫、金、銀、アルミニウムやこれらから選択される２以上を含む合金等を挙げることができる。また、反射膜３０は、誘電体多層膜であっても良い。

（被覆層）
コアレスファイバ２０の側面（外周面）２０ｃには、被覆層４０が設けられていてもよい。被覆層４０は、光透過性を有する樹脂被覆層である。被覆層４０は、コアレスファイバ２０の側面２０ｃ全面を覆っている。被覆層４０の屈折率は、コアレスファイバ２０の側面２０ｃにおける屈折率と同等か、それよりも高い。被覆層４０は、コアレスファイバ２０内を伝搬する光を透過させて被覆層４０から出射することができる。
被覆層４０は、コアレスファイバ２０の側面２０ｃに塗布した硬化性の液状樹脂材料の硬化等によって形成できる。硬化性の液状樹脂材料は、例えば、熱硬化性樹脂、反応硬化型樹脂、紫外線硬化樹脂等を用いることができる。

光ファイバ１０の側面（外周面）１０ｂには、ファイバコート層４１が設けられていてもよい。ファイバコート層４１は、例えば、ポリイミドによって形成されている。ポリイミドは、耐熱性に優れているため、ファイバコート層４１をポリイミドによって作製することにより、光ファイバ１０に入射したレーザ光のエネルギによって光ファイバ１０が発熱しても、光ファイバ１０の側面１０ｂを覆った状態を安定に保つことができる。

（屈折率分布）
ここで本実施形態のコアレスファイバ２０は、図２に示すような屈折率分布を有している。なお、図２の横軸は図１のＺ軸に対応している。つまり、図２の横軸は、コアレスファイバ２０の径方向における位置を示しており、コアレスファイバ２０の半径はｒによって表されている。図２に示すように、コアレスファイバ２０の屈折率は、中心軸線Ｏの位置において最も低くなっており、中心軸線Ｏから遠ざかるに従って連続的に増加している。このような屈折率分布は、コアレスファイバ２０に添加するドーパントの濃度を径方向において変化させることで実現できる。

例えばＧｅ（ゲルマニウム）またはＰ（リン）などのように、屈折率を上昇させるドーパントを用いる場合には、当該ドーパントの濃度を、径方向外側に向かうに従って大きくするとよい。
あるいはＦ（フッ素）などのように、屈折率を低下させるドーパントを用いる場合には、当該ドーパントの濃度を、径方向外側に向かうに従って小さくするとよい。

次に、光ファイバプローブ１Ａの作用について説明する。
図３に示すように、光ファイバ１０の入射端から導光された光（伝送光）Ｌは、光ファイバ１０の出射端１０ａからコアレスファイバ２０内に出射され、コアレスファイバ２０内に入射した光Ｌは、コアレスファイバ２０の先端２０ｂ側に向かう。ここで本実施形態では、コアレスファイバ２０の屈折率が、コアレスファイバ２０の中心部から径方向外側に向かうに従って連続的に増加している。その結果、スネルの法則に従い、コアレスファイバ２０内を伝搬する光Ｌの進行方向が、コアレスファイバ２０の先端２０ｂ側に向かうに従って、径方向外側に向かうように徐々に屈折し、コアレスファイバ２０の側面２０ｃから照射される。

コアレスファイバ２０内における光Ｌの進行経路は、光ファイバ１０のコア１１からコアレスファイバ２０に出射された光Ｌの中心軸線Ｏに対する角度（以下、出射角という）によって決まる。具体的に、図３の光Ｌ１〜Ｌ３を用いて説明する。光Ｌ１は、光Ｌのうち大きな出射角でコアレスファイバ２０に出射された成分である。光Ｌ２は、光Ｌ１よりも小さな出射角で出射された成分であり、光Ｌ３はさらに小さな出射角で出射された成分である。光Ｌ１〜Ｌ３はともに、コアレスファイバ２０内を進行するに従って屈折し、中心軸線Ｏに対する角度が徐々に大きくなり、最終的には側面２０ｃから出射される。ここで、光Ｌ１は光Ｌ２よりも出射角が大きいため、より早い段階で（すなわち、より基端２０ａに近い位置で）側面２０ｃに到達して外部に出射される。同様に、光Ｌ２は光Ｌ３よりも基端２０ａに近い位置で側面２０ｃに到達して外部に出射される。このようにコアレスファイバ２０の屈折率が、コアレスファイバ２０の中心部から径方向外側に向かうに従って連続的に増加していることで、光Ｌ３のように出射角が小さい光であっても、基端２０ａから離れた位置において側面２０ｃから照射させやすくなる。そして、出射角に応じて、光Ｌが側面２０ｃから出射される長手方向における位置が変わるため、光ファイバプローブ１Ａの側面から照射される光の割合を、当該側面全体においてより均等にすることができる。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバプローブ１Ａは、コア１１およびクラッド１２を有する光ファイバ１０と、光ファイバ１０の出射端１０ａに接続されたコアレスファイバ２０と、を備えている。そして、コアレスファイバ２０の屈折率が、コアレスファイバ２０の中心部から径方向外側に向かうに従って連続的に増加している。このような構成により、光ファイバプローブ１Ａの側面から照射される光の割合を、当該側面全体においてより均等にすることが可能な光ファイバプローブ１Ａを提供することができる。

また、図１の例では、コアレスファイバ２０の外径とクラッド１２の外径とが同等である。このため、光ファイバ１０とコアレスファイバ２０とを融着接続する際に、一般的な融着接続機を用いることが可能となり、光ファイバプローブ１Ａの製造を容易にしてコストを低減することができる。

また、光ファイバ１０のコア１１を純粋石英により形成した場合には、不純物が添加された石英をコア１１として使用した場合と比較して、光ファイバ１０のレーザ耐性を向上させることができる。したがって、より高出力のレーザ光を光ファイバ１０内において伝搬させることができ、光ファイバプローブ１Ａの対応可能な出力範囲を広げることができる。

また、コア１１とコアレスファイバ２０の中心部とで屈折率の差が大きいほど、コア１１とコアレスファイバ２０との界面で反射が起き、光ファイバ１０内を光源に向けて進行する光（戻り光）が生じやすくなる。戻り光が光源まで到達すると、光源の出力が不安定になったり、光源の損傷につながったりする場合がある。そこで、コア１１の屈折率と、コアレスファイバ２０の中心部の屈折率とは、同等であることがより好ましい。これにより、コア１１とコアレスファイバ２０との界面で反射が生じることを抑制できる。

さらに、コアレスファイバ２０の中心部およびコア１１の双方を純粋石英で形成した場合には、コア１１とコアレスファイバ２０の中心部とで屈折率を高精度に一致させることが可能である。なお、コアレスファイバ２０の中心部が純粋石英であれば、コアレスファイバ２０に添加する屈折率を上昇させるドーパント（Ｇｅ、Ｐなど）の濃度を、径方向外側に向かうに従って増加させることで、容易にコアレスファイバ２０の屈折率を径方向外側に向かうに従って連続的に増加させることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば図２では、コアレスファイバ２０の屈折率分布はＵ字状であった。しかしながら、図４に示すように、コアレスファイバ２０の屈折率分布はＶ字状であってもよい。この場合も、コアレスファイバ２０の屈折率が、コアレスファイバ２０の中心部から径方向外側に向かうに従って連続的に増加することとなり、前記実施形態と同様の作用効果が得られる。また、図５に示すように、コアレスファイバ２０の屈折率分布はステップ状に増加していてもよい。この場合も、屈折率が連続的に増加する場合と同様に、光ファイバプローブ１０Ａの側面から出射される光の割合をより均等にすることができる。図５では、屈折率が６段階にわたってステップ状に増加しているが、段数は３段階以上であれば適宜変更可能である。

また、図６に示すような光ファイバプローブ２Ａを採用してもよい。光ファイバプローブ２Ａでは、被覆層４０の外周面全体に、微小な凹凸を有する粗面部４０ａが形成されている。粗面部４０ａは、被覆層４０に対してレーザ加工、プラズマ加工、サンドブラスト加工等を施すことで形成できる。
粗面部４０ａは、コアレスファイバ２０から被覆層４０に入射した光を散乱させて、被覆層４０から外側へ出射される光の強度を均等化する。

このように、光ファイバプローブ２Ａでは、コアレスファイバ２０の外周面に光を透過する被覆層４０が設けられ、被覆層４０の外周面に凹凸（粗面部４０ａ）が形成されている。この構成では、被覆層４０から外側に出射される光の強度のムラを抑えることができる。

また、図７に示すような光ファイバプローブ３Ａを採用してもよい。光ファイバプローブ３Ａは、被覆層４０を備えておらず、コアレスファイバ２０の側面２０ｃ全体に微小な凹凸を有する粗面部２０ｄが形成されている。粗面部２０ｄは、コアレスファイバ２０の側面２０ｃにレーザ加工、プラズマ加工、サンドブラスト加工、フッ素エッチング加工等を施すことによって形成できる。
粗面部２０ｄは、コアレスファイバ２０から外側に出射する光を散乱させて、コアレスファイバ２０から外側へ出射される光を均等化する。この場合も、図６に示す光ファイバプローブ２Ａと同様の作用効果が得られ、かつ、光ファイバプローブ２Ａよりも構造を簡略化することができる。

また、図１ではコアレスファイバ２０の外径とクラッド１２の外径とが同じであったが、コアレスファイバ２０の外径はクラッド１２の外径より大きくてもよい。この場合、コアレスファイバ２０の外径が大きいことにより、コアレスファイバ２０の内部で側面２０ｃに向かう光の光路長を長くすることができる。光路長が長いほど、コアレスファイバ２０内における屈折率変化に応じた光の進行方向の変化量を大きくすることができる。したがって、コアレスファイバ２０の側面２０ｃまたは被覆層４０の外周面から照射する光の進行方向を、中心軸線Ｏに対してより垂直に近い角度にすることができる。

また、光ファイバ１０の材質及びコアレスファイバ２０の材質は石英ガラスに限定されず、適宜変更してもよい。
また、コアレスファイバ２０の先端２０ｂに反射膜３０を設けなくてもよい。コアレスファイバ２０内に入射した光Ｌの多くは、先述の屈折率分布により屈折されて、コアレスファイバ２０の側面２０ｃからコアレスファイバ２０の外側へ出射されるためである。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１Ａ〜３Ａ…光ファイバプローブ １０…光ファイバ １０ａ…光ファイバの出射端 １１…コア １２…クラッド ２０…コアレスファイバ ２０ａ…コアレスファイバの基端 ３０…反射膜（反射材） ４０…被覆層 ４０ａ…粗面部（凹凸）

Claims (8)

1. コアおよびクラッドを有する光ファイバと、
   基端が前記光ファイバの出射端に接続されたコアレスファイバと、を備え、
   前記コアレスファイバの屈折率は、前記コアレスファイバの中心部から径方向外側に向かうに従って連続的に増加している、光ファイバプローブ。
2. コアおよびクラッドを有する光ファイバと、
   基端が前記光ファイバの出射端に接続されたコアレスファイバと、を備え、
   前記コアレスファイバの屈折率は、前記コアレスファイバの中心部から径方向外側に向かうに従って３段階以上にわたってステップ状に増加している、光ファイバプローブ。
3. 前記コアレスファイバの外径と前記クラッドの外径とが同等である、請求項１または２に記載の光ファイバプローブ。
4. 前記コアレスファイバの外径が前記クラッドの外径よりも大きい、請求項１または２に記載の光ファイバプローブ。
5. 前記コアが純粋石英により形成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイバプローブ。
6. 前記コアレスファイバの外周面には光を透過する被覆層が設けられ、
   前記被覆層の外周面に凹凸が形成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバプローブ。
7. 前記コアレスファイバの先端に反射材が設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載の光ファイバプローブ。
8. 前記コアの屈折率と前記コアレスファイバの中心部の屈折率とが同等である、請求項１から７のいずれか１項に記載の光ファイバプローブ。

Images