JP2827365B2 - 誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザ加工装置 - Google Patents
誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザ加工装置Info
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- JP2827365B2 JP2827365B2 JP1324376A JP32437689A JP2827365B2 JP 2827365 B2 JP2827365 B2 JP 2827365B2 JP 1324376 A JP1324376 A JP 1324376A JP 32437689 A JP32437689 A JP 32437689A JP 2827365 B2 JP2827365 B2 JP 2827365B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はレーザ加工装置に係り、特に波長の異なるE
r;YAGレーザ,COレーザ,CO2レーザに共通して適用できる
誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザ加工装置に
関する。
r;YAGレーザ,COレーザ,CO2レーザに共通して適用できる
誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザ加工装置に
関する。
［従来の技術］ 工業加工や医療等、応用範囲の広い赤外領域における
レーザの開発が活発に行われている。
レーザの開発が活発に行われている。
CO2レーザは波長10.6μｍで発振し、高エネルギー密
度の光ビームを効率よく発生できるので工業加工分野で
広く普及し、マーキング、穿孔、溶接から切断まで、幅
広く利用されている。また、COレーザは波長5.5μｍで
発振し、CO2レーザよりも切断加工における反射損が少
なく、金属のような高反射率をもつ材料の切断用として
検討されている。さらに、エルビウムをドープしたYAG
レーザ（以下、Er;YAGレーザという）は波長2.9μｍで
発振し、水による吸収がCO2レーザよりも１桁程度大き
く、このためCO2レーザに代わる医療用レーザとして期
待されている。
度の光ビームを効率よく発生できるので工業加工分野で
広く普及し、マーキング、穿孔、溶接から切断まで、幅
広く利用されている。また、COレーザは波長5.5μｍで
発振し、CO2レーザよりも切断加工における反射損が少
なく、金属のような高反射率をもつ材料の切断用として
検討されている。さらに、エルビウムをドープしたYAG
レーザ（以下、Er;YAGレーザという）は波長2.9μｍで
発振し、水による吸収がCO2レーザよりも１桁程度大き
く、このためCO2レーザに代わる医療用レーザとして期
待されている。
ところで、これらのレーザは全て波長２μｍ以上の赤
外領域で発振するため、この領域で損失が極めて高くな
る従来の石英系光ファイバは伝送手段として全く使用す
ることができない。
外領域で発振するため、この領域で損失が極めて高くな
る従来の石英系光ファイバは伝送手段として全く使用す
ることができない。
このため、従来、赤外レーザを伝送する手段としては
複数のミラーを組合せてレーザ光を空間伝搬させる、い
わゆる多関節型ビームガイドが主に用いられている。ま
た最近では石英に代わる全く新しい材料を使用した赤外
ファイバや、さらには空気をコアとする中空光導波路の
研究開発も盛んに行われている。しかし、これらの手段
は次に述べるような欠点であった。
複数のミラーを組合せてレーザ光を空間伝搬させる、い
わゆる多関節型ビームガイドが主に用いられている。ま
た最近では石英に代わる全く新しい材料を使用した赤外
ファイバや、さらには空気をコアとする中空光導波路の
研究開発も盛んに行われている。しかし、これらの手段
は次に述べるような欠点であった。
多関節型ビームガイドでレーザ光を伝送する場合、
光軸の調整が複雑でかつ精密な制御を要求されるため伝
送系全体が極めて高価なものになる。また空間的にビー
ムを閉じ込める機能がないので、伝送距離に従いビーム
径は拡がり、光源と照射点との距離を十分に離すことが
できない。
光軸の調整が複雑でかつ精密な制御を要求されるため伝
送系全体が極めて高価なものになる。また空間的にビー
ムを閉じ込める機能がないので、伝送距離に従いビーム
径は拡がり、光源と照射点との距離を十分に離すことが
できない。
赤外ファイバは赤外領域において透明な材料を用い
て、屈折率の高いコア領域にビームを閉じ込めてレーザ
光を伝送するもので、基本原理は従来の石英系光ファイ
バと同じである。一般に分子量の大きな材料ほど、より
長波長側で低損失となる。これまでに波長３μｍ以下で
はフッ化物系がガラスファイバが、波長５μｍ以下では
カルコゲナイドガラスファイバが試作され、それぞれE
r;YAGレーザ及びCOレーザの伝送実験が行われている。
これらのガラスファイバは、それぞれのレーザに対する
損失は小さいが、本質的に機械的に脆く、また軟化点が
低いため高エネルギーのレーザ光を伝送するには適さな
い。さらに長波長で発振するCO2レーザに対しては、フ
ッ化物系ガラス、カルコゲナイドガラスともに損失が大
きくなり、KRS−５やハロゲン代物を材料とする結晶性
の光ファイバが試作されている。これらの結晶性の赤外
ファイバはガラスファイバのような線引きができず、一
般には大きな荷重を加える押出し法によってファイバ化
される。このため大きな内部応力が存在し、経時劣化が
激しく、また機械的に脆い。
て、屈折率の高いコア領域にビームを閉じ込めてレーザ
光を伝送するもので、基本原理は従来の石英系光ファイ
バと同じである。一般に分子量の大きな材料ほど、より
長波長側で低損失となる。これまでに波長３μｍ以下で
はフッ化物系がガラスファイバが、波長５μｍ以下では
カルコゲナイドガラスファイバが試作され、それぞれE
r;YAGレーザ及びCOレーザの伝送実験が行われている。
これらのガラスファイバは、それぞれのレーザに対する
損失は小さいが、本質的に機械的に脆く、また軟化点が
低いため高エネルギーのレーザ光を伝送するには適さな
い。さらに長波長で発振するCO2レーザに対しては、フ
ッ化物系ガラス、カルコゲナイドガラスともに損失が大
きくなり、KRS−５やハロゲン代物を材料とする結晶性
の光ファイバが試作されている。これらの結晶性の赤外
ファイバはガラスファイバのような線引きができず、一
般には大きな荷重を加える押出し法によってファイバ化
される。このため大きな内部応力が存在し、経時劣化が
激しく、また機械的に脆い。
CO2レーザ光を伝送することを目的として、検討さ
れている中空導波路には、屈折率が１よりも小さい材料
を用いた中空光導波路や、吸収損失の小さな誘電体薄膜
を内装した金属中空光導波路がある。前者は特定の波長
帯域において屈折率が１よりも小さくなるような材料を
クラッド材として用い、相対的に屈折率が高い中空領域
をコアとして光エネルギーを閉じ込めて伝送するもので
ある。この屈折率が１よりも小さくなる透過波長帯域は
添加物により、ある程度シフトすることができ、波長1
0.6μｍ近傍で検討されているが、透過帯域の幅は狭
く、各種レーザに対応することはできない。一方、後者
の吸収損失の小さな誘電体薄膜を内装した金属中空光導
波路は、上記中空光導波路と同様にパイプを外装するこ
とで機械的強度を高めることができるものの、内装する
誘電体薄膜の膜厚によって損失が変化し、これまでにCO
2レーザの伝送を目的とした検討がされているが、Er;YA
Gレーザの伝送用としてはそのまま用いることができな
い。
れている中空導波路には、屈折率が１よりも小さい材料
を用いた中空光導波路や、吸収損失の小さな誘電体薄膜
を内装した金属中空光導波路がある。前者は特定の波長
帯域において屈折率が１よりも小さくなるような材料を
クラッド材として用い、相対的に屈折率が高い中空領域
をコアとして光エネルギーを閉じ込めて伝送するもので
ある。この屈折率が１よりも小さくなる透過波長帯域は
添加物により、ある程度シフトすることができ、波長1
0.6μｍ近傍で検討されているが、透過帯域の幅は狭
く、各種レーザに対応することはできない。一方、後者
の吸収損失の小さな誘電体薄膜を内装した金属中空光導
波路は、上記中空光導波路と同様にパイプを外装するこ
とで機械的強度を高めることができるものの、内装する
誘電体薄膜の膜厚によって損失が変化し、これまでにCO
2レーザの伝送を目的とした検討がされているが、Er;YA
Gレーザの伝送用としてはそのまま用いることができな
い。
［発明が解決しようとする課題］ 上述した伝送手段のうち、高価な多関節型ビームガイ
ドや、機械的に脆い赤外ファイバは改良の余地がないの
で将来あまり期待できないが、中空光導波路、とりわけ
誘電体を内装した金属中空光導波路は開発途上であり、
将来を期待されている。
ドや、機械的に脆い赤外ファイバは改良の余地がないの
で将来あまり期待できないが、中空光導波路、とりわけ
誘電体を内装した金属中空光導波路は開発途上であり、
将来を期待されている。
しかし、現段階の金属中空光導波路は、機械的強度に
優れているものが開発されてはいるものの、赤外領域に
おいて特に重要なEr;YAGレーザ、COレーザ、CO2レーザ
の各々のレーザに対して、全てに低損失で大電力伝送が
可能となるレベルまでには至っていない。
優れているものが開発されてはいるものの、赤外領域に
おいて特に重要なEr;YAGレーザ、COレーザ、CO2レーザ
の各々のレーザに対して、全てに低損失で大電力伝送が
可能となるレベルまでには至っていない。
本発明の目的は、波長の異なるEr;YAGレーザ,COレー
ザ,CO2レーザの３つのレーザに共通して適用できる最適
な誘電体薄膜の膜厚を見い出すことによって、前記した
金属中空光導波路における従来技術の欠点を解決し、E
r;YAGレーザ,COレーザ,CO2レーザのレーザ光に対し、共
通の導波路で全て低損失で伝送できる誘電体内装金属中
空光導波路を用いたレーザ加工装置を提供することにあ
る。
ザ,CO2レーザの３つのレーザに共通して適用できる最適
な誘電体薄膜の膜厚を見い出すことによって、前記した
金属中空光導波路における従来技術の欠点を解決し、E
r;YAGレーザ,COレーザ,CO2レーザのレーザ光に対し、共
通の導波路で全て低損失で伝送できる誘電体内装金属中
空光導波路を用いたレーザ加工装置を提供することにあ
る。
［課題を解決するための手段］ 本発明の誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザ
加工装置は、Er;YAGレーザ,COレーザ,CO2レーザのうち
少なくとも２種類のレーザを用い、各々のレーザから出
射されるビームが、複数の凹面金ミラーにより集光さ
れ、導波路に結合されてなるレーザ加工装置において、 導波路として、誘電体薄膜の材料にセレン化亜鉛を用
い、このセレン化亜鉛の厚さを0.68〜0.92μｍにしたも
のである。
加工装置は、Er;YAGレーザ,COレーザ,CO2レーザのうち
少なくとも２種類のレーザを用い、各々のレーザから出
射されるビームが、複数の凹面金ミラーにより集光さ
れ、導波路に結合されてなるレーザ加工装置において、 導波路として、誘電体薄膜の材料にセレン化亜鉛を用
い、このセレン化亜鉛の厚さを0.68〜0.92μｍにしたも
のである。
［作用］ 本発明のレーザ加工装置に用いる誘電体内装金属中空
光導波路は、内装する誘電体材料の厚さを所定値に設定
することにより、波長10.6μｍのCO2レーザ光に限ら
ず、波長2.9μｍのEr;YAGレーザ光及び波長5.2〜5.7μ
ｍのCOレーザ光の３つのレーザ光をすべて低損失で、同
時に伝送できる。
光導波路は、内装する誘電体材料の厚さを所定値に設定
することにより、波長10.6μｍのCO2レーザ光に限ら
ず、波長2.9μｍのEr;YAGレーザ光及び波長5.2〜5.7μ
ｍのCOレーザ光の３つのレーザ光をすべて低損失で、同
時に伝送できる。
３つのレーザ光を低損失で伝送するためには、第５図
に示したように、損失が極小となる周期がセレン化亜鉛
の厚さｄに比例して右にシフトすることから、そのシフ
ト量により伝送損失が極小レベルを保つｄ＝0.68〜0.92
μｍに設定すればよい。この範囲内であれば、３つのレ
ーザ光に対し、全て低損失となることがわかる。
に示したように、損失が極小となる周期がセレン化亜鉛
の厚さｄに比例して右にシフトすることから、そのシフ
ト量により伝送損失が極小レベルを保つｄ＝0.68〜0.92
μｍに設定すればよい。この範囲内であれば、３つのレ
ーザ光に対し、全て低損失となることがわかる。
なお、この損失波長特性における損失が極小をとる周
期は、セレン化亜鉛が内装される金属膜の材料によって
ほとんど影響を受けないので、これらの金属材料はニッ
ケルの場合だけでなく、金、銀、銅などの場合でも有効
である。
期は、セレン化亜鉛が内装される金属膜の材料によって
ほとんど影響を受けないので、これらの金属材料はニッ
ケルの場合だけでなく、金、銀、銅などの場合でも有効
である。
［実施例］ 以下、本発明の実施例を説明する。
（実施例１） ZnSe8を誘電体に用い、膜厚を0.7μｍに設定して第１
図に示したようなZnSe内装Ag中空光導波路９を作製し
た。この導波路９に第２図に示す光学結合系を用い、E
r;YAGレーザ５、COレーザ６、CO2レーザ７の３つの光を
各々入射して、透過率を測定したところ、Er:YAGレーザ
５で82％、COレーザ６で85％、CO2レーザ７で90％とな
った。
図に示したようなZnSe内装Ag中空光導波路９を作製し
た。この導波路９に第２図に示す光学結合系を用い、E
r;YAGレーザ５、COレーザ６、CO2レーザ７の３つの光を
各々入射して、透過率を測定したところ、Er:YAGレーザ
５で82％、COレーザ６で85％、CO2レーザ７で90％とな
った。
次に、このZnSe内装Ag中空光導波路９に、第４図に示
したような円筒鏡面法を採用した光学系によってEr:YAG
レーザ５とCO2レーザ７を結合させる。各々のビームは
凹面金ミラー12及び、13、14によって導波路９の光軸に
合わせ、結合されている。導波路９の出射端部17は片手
で保持することができ、Er;YAGレーザ５とCO2レーザ７
の外部シャッター20、21を開閉するスイッチ22が付いて
いるため、このスイッチ22の操作によりどちらか一方の
レーザ光の随時選択するか、または遮断することができ
る。
したような円筒鏡面法を採用した光学系によってEr:YAG
レーザ５とCO2レーザ７を結合させる。各々のビームは
凹面金ミラー12及び、13、14によって導波路９の光軸に
合わせ、結合されている。導波路９の出射端部17は片手
で保持することができ、Er;YAGレーザ５とCO2レーザ７
の外部シャッター20、21を開閉するスイッチ22が付いて
いるため、このスイッチ22の操作によりどちらか一方の
レーザ光の随時選択するか、または遮断することができ
る。
本装置を用いて脳腫瘍の除去手術を行った。まず皮膚
の切開には手元スイッチ22を操作してCO2レーザ発振器
のシャッター21を閉じ、Er;YAGレーザ５のみを使用す
る。Er;YAGレーザ５はCO2レーザ７よりも水に吸収され
やすく、深さ方向の制御性に優れているため、ほとんど
出血することなく切開できる。腫瘍の除去には手元スイ
ッチ22を操作してEr;YAGレーザ５のシャッター20を閉
じ、CO2レーザ７のみを使用する。CO2レーザ７はEr;YAG
レーザ５よりもはるかに大きな出力が得られるため、腫
瘍の除去はごく短時間で済ませることができる。このよ
うに、本実施例による導波路を用いることにより、手術
目的に合わせてレーザメスとなるビームの波長を手元で
選択できるため効果的な治療を短時間で施すことがで
き、患者への体力的な負担を大幅に軽減することができ
た。
の切開には手元スイッチ22を操作してCO2レーザ発振器
のシャッター21を閉じ、Er;YAGレーザ５のみを使用す
る。Er;YAGレーザ５はCO2レーザ７よりも水に吸収され
やすく、深さ方向の制御性に優れているため、ほとんど
出血することなく切開できる。腫瘍の除去には手元スイ
ッチ22を操作してEr;YAGレーザ５のシャッター20を閉
じ、CO2レーザ７のみを使用する。CO2レーザ７はEr;YAG
レーザ５よりもはるかに大きな出力が得られるため、腫
瘍の除去はごく短時間で済ませることができる。このよ
うに、本実施例による導波路を用いることにより、手術
目的に合わせてレーザメスとなるビームの波長を手元で
選択できるため効果的な治療を短時間で施すことがで
き、患者への体力的な負担を大幅に軽減することができ
た。
（実施例２） ZnSe内装Ag中空光導波路９に第３図に示したような円
筒面境法を採用した光学系を用いて、COレーザ６とCO2
レーザ７を結合し、鉄板10の切断を行った。COレーザ６
とCO2レーザ７は入射端側11に配置された凹面金ミラー1
2及び、13、14によって集光され、導波路９に結合して
いる。また、出射端側15にはZnSeレンズ16を置き、鉄板
10までの距離がほぼZnSeレンズ16の焦点距離と等しくな
るように設定されている。この加工装置において、COレ
ーザ６をパルス発振させ、連続発振のCO2レーザ７を導
波路９を通して鉄板10に同時に照射したところ、CO2レ
ーザ７のみを照射した場合よりも照射部周辺の熱溶解が
少なく、良好な切断面が容易に得られた。
筒面境法を採用した光学系を用いて、COレーザ６とCO2
レーザ７を結合し、鉄板10の切断を行った。COレーザ６
とCO2レーザ７は入射端側11に配置された凹面金ミラー1
2及び、13、14によって集光され、導波路９に結合して
いる。また、出射端側15にはZnSeレンズ16を置き、鉄板
10までの距離がほぼZnSeレンズ16の焦点距離と等しくな
るように設定されている。この加工装置において、COレ
ーザ６をパルス発振させ、連続発振のCO2レーザ７を導
波路９を通して鉄板10に同時に照射したところ、CO2レ
ーザ７のみを照射した場合よりも照射部周辺の熱溶解が
少なく、良好な切断面が容易に得られた。
［発明の効果］ 本発明によれば、セレン化亜鉛の膜厚を最適な厚さに
設定したので、赤外に於ける主要なレーザであるEr;YAG
レーザ、COレーザ、CO2レーザのすべてを一つの導波路
で低損失伝送することができる。これにより、各々の波
長ごとに導波路を用意する必要がないため、一つの導波
路で任意の波長を選びながら加工などを行うことが可能
となり、あるいは、複数の波長の光を、同一の導波路で
同時に照射して、単独のレーザ光では得られなかった、
より高度な加工効果をもたらすことも可能となる。
設定したので、赤外に於ける主要なレーザであるEr;YAG
レーザ、COレーザ、CO2レーザのすべてを一つの導波路
で低損失伝送することができる。これにより、各々の波
長ごとに導波路を用意する必要がないため、一つの導波
路で任意の波長を選びながら加工などを行うことが可能
となり、あるいは、複数の波長の光を、同一の導波路で
同時に照射して、単独のレーザ光では得られなかった、
より高度な加工効果をもたらすことも可能となる。
第１図は本発明に用いるZnSe内装Ag中空光導波路の実施
例を示す断面図、第２図は中空光導波路の透過率測定系
の構成図、第３図は本発明の誘電体内装金属中空光導波
路を用いたレーザ加工装置例の概略図、第４図は同じく
本発明の誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザメ
ス例の概略図、第５図はZnSe内装Ag中空光導波路の赤外
分光特性のZnSe膜厚依存性を示す図である。 ２はNiパイプ、３はAg、５はEr;YAGレーザ、６はCOレー
ザ、７はCO2レーザ、８はZnSe、９はZnSe内装Ag中空光
導波路、10は鉄板、11は入射端側、12は凹面金ミラー、
13は凹面金ミラー、14は凹面金ミラー、15は出射端側、
16はZnSeレンズ、17は出射端部、20は外部シャッター、
21は外部シャッター、22は手元スイッチである。
例を示す断面図、第２図は中空光導波路の透過率測定系
の構成図、第３図は本発明の誘電体内装金属中空光導波
路を用いたレーザ加工装置例の概略図、第４図は同じく
本発明の誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザメ
ス例の概略図、第５図はZnSe内装Ag中空光導波路の赤外
分光特性のZnSe膜厚依存性を示す図である。 ２はNiパイプ、３はAg、５はEr;YAGレーザ、６はCOレー
ザ、７はCO2レーザ、８はZnSe、９はZnSe内装Ag中空光
導波路、10は鉄板、11は入射端側、12は凹面金ミラー、
13は凹面金ミラー、14は凹面金ミラー、15は出射端側、
16はZnSeレンズ、17は出射端部、20は外部シャッター、
21は外部シャッター、22は手元スイッチである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 6/02,6/20
Claims (1)
- 【請求項１】Er;YAGレーザ,COレーザ,CO2レーザのうち
少なくとも２種類のレーザを用い、該各々のレーザから
出射されるビームが、複数の凹面金ミラーにより集光さ
れ、導波路に結合されてなるレーザ加工装置において、 前記導波路として、誘電体薄膜の材料にセレン化亜鉛を
用い、該セレン化亜鉛の厚さを0.68〜0.92μｍにしたこ
とを特徴とする誘電体内装金属中空光導波路を用いたレ
ーザ加工装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1324376A JP2827365B2 (ja) | 1989-12-14 | 1989-12-14 | 誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザ加工装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1324376A JP2827365B2 (ja) | 1989-12-14 | 1989-12-14 | 誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザ加工装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03184003A JPH03184003A (ja) | 1991-08-12 |
| JP2827365B2 true JP2827365B2 (ja) | 1998-11-25 |
Family
ID=18165106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1324376A Expired - Fee Related JP2827365B2 (ja) | 1989-12-14 | 1989-12-14 | 誘電体内装金属中空光導波路を用いたレーザ加工装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2827365B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2633866B2 (ja) * | 1987-10-08 | 1997-07-23 | 日立電線株式会社 | 中空光導波路 |
| JPH01292303A (ja) * | 1988-05-20 | 1989-11-24 | Hitachi Cable Ltd | 中空導波路 |
| JP2643315B2 (ja) * | 1988-06-13 | 1997-08-20 | 日立電線株式会社 | 中空光導波路 |
-
1989
- 1989-12-14 JP JP1324376A patent/JP2827365B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03184003A (ja) | 1991-08-12 |
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