JP3811476B2 - Hollow waveguide, laser light transmission method and laser light transmission device - Google Patents

Hollow waveguide, laser light transmission method and laser light transmission device Download PDF

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Description

本発明は可視領域ばかりでなく石英系光ファイバを用いて伝送することができない赤外波長帯等、広範囲の波長帯における光の伝送媒体に関するものであり、医療、工業加工、計測、分析、化学等の分野で有用である各種レーザ光の伝送に好適な可撓性を有する中空導波路に関する。   The present invention relates to a light transmission medium in a wide wavelength band such as an infrared wavelength band that cannot be transmitted using a silica-based optical fiber as well as in the visible region, and includes medical, industrial processing, measurement, analysis, chemical The present invention relates to a flexible hollow waveguide suitable for various laser light transmissions useful in such fields.

波長2μm以上の赤外光は、医療、工業加工、計測、分析、あるいは化学等の様々な分野で利用されている。特に、波長2.94μm帯のEr−YAGレーザ、5μm帯のCOレーザ、および10.6μm帯のCO2 レーザは、発振効率が高く高出力が得られ、また、水に対しても大きな吸収を持つことから、医療用の治療機器や工業加工用の光源として重要である。 Infrared light having a wavelength of 2 μm or more is used in various fields such as medical treatment, industrial processing, measurement, analysis, and chemistry. In particular, an Er-YAG laser with a wavelength of 2.94 μm, a CO laser with a 5 μm band, and a CO 2 laser with a 10.6 μm band have high oscillation efficiency and high output, and also absorbs a large amount of water. Therefore, it is important as a medical treatment device and a light source for industrial processing.

ところで、従来の通信用に使用されている石英系光ファイバは、波長2μm以上のレーザ光を使用すると分子振動による赤外吸収が大きくなって高損失となる。このため、これらのレーザ光を伝送する導波路として石英系の光ファイバを使用することができない。そこで、応用範囲の広い赤外波長帯で使用する新しいタイプの光導波路の研究および開発が活発に行われている。   By the way, a conventional silica-based optical fiber used for communication has a high loss due to an increase in infrared absorption due to molecular vibration when a laser beam having a wavelength of 2 μm or more is used. For this reason, a quartz optical fiber cannot be used as a waveguide for transmitting these laser beams. Therefore, research and development of a new type of optical waveguide to be used in an infrared wavelength band having a wide application range is being actively conducted.

現在、研究開発が行われている波長2μm以上の赤外光用の導波路は、充実タイプのいわゆる赤外ファイバと中空導波路に大別される。   Currently, research and development of infrared waveguides having a wavelength of 2 μm or more are roughly classified into so-called infrared fibers and hollow waveguides.

赤外ファイバの材料は、重金属酸化物ガラス(GeO2 ,GeO2 −Sb3 3 等)、カルコゲナイトガラス(As−S,As−Se等)、そしてハロゲン化物に分類される。ハロゲン化物は、更にハライドガラス(ZnCl2 ,CdF3−BaF2 −ZrF4 等)、および結晶性金属ハロゲン化物(KRS5 ,AgCl,AgBr,KCl等)に分けられる。 Infrared fiber materials are classified into heavy metal oxide glasses (GeO 2 , GeO 2 —Sb 3 O 3 etc.), chalcogenite glasses (As—S, As—Se etc.), and halides. Halides are further divided into halide glasses (ZnCl 2 , CdF 3 —BaF 2 —ZrF 4 etc.) and crystalline metal halides (KRS 5 , AgCl, AgBr, KCl etc.).

中空導波路についても、構造、材料、形状の観点から種々の導波路が提案、試作されている。例えば、特許文献1ではポリイミドを誘電体として使用した中空導波路が開示されている。   As for the hollow waveguide, various waveguides have been proposed and prototyped from the viewpoint of structure, material, and shape. For example, Patent Document 1 discloses a hollow waveguide using polyimide as a dielectric.

このような中空導波路は、充実タイプの赤外光ファイバと比較して入出力射での反射が少なく、冷却効果が高いことから大電力伝送に適している。   Such a hollow waveguide is suitable for high-power transmission because it has less reflection in input / output and has a high cooling effect compared to a solid-type infrared optical fiber.

一方、紫外領域においても、エキシマレーザ等のレーザ化学の分野で重要な光源が存在する。しかし、充実タイプの光ファイバでは、短波長ほどレイリー散乱に基づいて損失が急増するために伝送路として使用できず、そのため、紫外領域における伝送路の研究開発はほとんど行われていない。
特開平8−36112号公報
On the other hand, even in the ultraviolet region, there are important light sources in the field of laser chemistry such as excimer laser. However, a full-length optical fiber cannot be used as a transmission line because its loss increases rapidly due to Rayleigh scattering as the wavelength becomes shorter. Therefore, research and development of a transmission line in the ultraviolet region has hardly been conducted.
JP-A-8-36112

ところで、赤外波長帯で用いる充実タイプの光ファイバには、一般に屈折率が高く反射損が大きいことから大電力伝送には不利である。特に、上記した従来のガラス質の光ファイバは、一般に融点や軟化点が低く、僅かな損失でも光ファイバの端面に損傷が生じやすい。また、透過域もほとんどが波長6〜7μmで、CO2 レーザ光を伝送することは困難である。結晶性の赤外ファイバは、透過域がCO2 レーザの波長帯である10.6μmにまで達するものもあるが、繰り返し曲げによる塑性変形が生じたり、また、潮解性が大であるものが多く長期的な信頼性に問題がある。 By the way, a solid type optical fiber used in the infrared wavelength band is generally disadvantageous for high power transmission because of its high refractive index and large reflection loss. In particular, the above conventional glassy optical fiber generally has a low melting point and softening point, and even a slight loss tends to damage the end face of the optical fiber. Further, most of the transmission region has a wavelength of 6 to 7 μm, and it is difficult to transmit the CO 2 laser beam. Some crystalline infrared fibers have a transmission range up to 10.6 μm, which is the wavelength band of the CO 2 laser, but many of them are plastically deformed by repeated bending and have high deliquescence. There is a problem with long-term reliability.

一方、特許文献1記載のポリイミドを誘電体として用いた中空導波路においては、誘電体の吸水率の点から赤外レーザ光を伝送する場合の伝送損失が問題となる。特に、Er−YAGレーザの発振波長2.94μmは、水によるレーザ光の最大吸収ピークの波長と一致することから、ポリイミドを誘電体として用いた中空導波路ではわずかな水分の含有によって導波路の伝送損失が増加するという課題があった。   On the other hand, in the hollow waveguide using the polyimide described in Patent Document 1 as a dielectric, transmission loss in the case of transmitting infrared laser light becomes a problem from the viewpoint of the water absorption rate of the dielectric. In particular, since the oscillation wavelength of 2.94 μm of the Er-YAG laser coincides with the wavelength of the maximum absorption peak of the laser beam by water, in the hollow waveguide using polyimide as a dielectric, the inclusion of a slight amount of moisture causes the waveguide to There was a problem that transmission loss increased.

紫外波長帯では、充実タイプの光ファイバでは前述したように短波長ほどレイリー散乱による損失が急激に増加するので、導波路の開発はほとんど行われていないのが現状であるが、レイリー散乱が無視できる中空構造の導波路が有望と考えられる。   In the ultraviolet wavelength band, as described above, the loss of Rayleigh scattering increases sharply with short-wavelength optical fibers in the ultraviolet wavelength band, so there is almost no development of waveguides, but Rayleigh scattering is ignored. A hollow waveguide that can be formed is considered promising.

従って、本発明の目的は、石英系光ファイバが使用できない光の波長帯、特に赤外波長帯において伝送損失の少ない中空導波路を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a hollow waveguide with a small transmission loss in a wavelength band of light in which a silica-based optical fiber cannot be used, particularly in an infrared wavelength band.

本発明は上記の目的を達成するため、導波路を構成する管状部材と、前記管状部材の内壁に内装され、紫外領域または波長2μm以上の赤外領域の波長帯で透明な環状オレフィンポリマーよりなる誘電体薄膜とを有し、かつ、その吸水率が0.01%以下であることを特徴とする中空導波路を提供する。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a tubular member constituting a waveguide, and a cyclic olefin polymer which is embedded in the inner wall of the tubular member and is transparent in the ultraviolet region or the wavelength region of the infrared region having a wavelength of 2 μm or more. And a dielectric thin film having a water absorption of 0.01% or less.

環状オレフィンポリマーは、ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、またはテトラシクロドデセンを原料とするポリマー溶液の熱処理に基づく非結晶性環状オレフィンポリマーであることが好ましい。   The cyclic olefin polymer is preferably an amorphous cyclic olefin polymer based on heat treatment of a polymer solution using norbornene, dicyclopentadiene, or tetracyclododecene as a raw material.

管状部材は、金属パイプであっても良く、リン青銅あるいはステンレスを用いることができる。また、非金属パイプであっても良く、フッ素樹脂あるいは石英ガラスを用いることができる。この金属あるいは非金属パイプは内壁に他の金属材料からなる金属薄膜を設けた構成としても良く、金属薄膜として、金,銀,モリブデン,あるいはニッケルをコーティングしても良い。また、このようにして構成された中空導波路、即ち、管状部材によって囲まれた領域には、可視光および波長2μm以上の赤外光を重畳、または切り替えて入射することができる。また、管状部材の中空領域には、空気,窒素,あるいは炭酸ガスを挿通させることもできる。   The tubular member may be a metal pipe, and phosphor bronze or stainless steel can be used. Further, it may be a non-metallic pipe, and fluororesin or quartz glass can be used. The metal or non-metal pipe may have a configuration in which a metal thin film made of another metal material is provided on the inner wall, and gold, silver, molybdenum, or nickel may be coated as the metal thin film. In addition, visible light and infrared light having a wavelength of 2 μm or more can be superimposed or switched on the hollow waveguide thus configured, that is, a region surrounded by the tubular member. In addition, air, nitrogen, or carbon dioxide gas can be inserted into the hollow region of the tubular member.

本発明の中空導波路は、誘電体薄膜として用いる環状オレフィンポリマーの吸水率が0.01%以下と低吸水率であるため、赤外レーザ光を伝送する場合の伝送損失が小となり、特に、Er−YAGレーザの発振波長2.94μmにおいても、水分の吸着による導波路の伝送損失の増加を防止できる。   Since the hollow waveguide of the present invention has a low water absorption of 0.01% or less as the water absorption of the cyclic olefin polymer used as the dielectric thin film, the transmission loss when transmitting infrared laser light is small. Even at an oscillation wavelength of 2.94 μm of the Er-YAG laser, an increase in transmission loss of the waveguide due to moisture adsorption can be prevented.

図1は、本発明の実施の形態における中空導波路1を示し、金属パイプ2の内壁に環状オレフィンポリマーを材料とする誘電体層3と、誘電体層3の内側に設けられる中空領域4を有する。   FIG. 1 shows a hollow waveguide 1 according to an embodiment of the present invention, in which a dielectric layer 3 made of a cyclic olefin polymer is formed on the inner wall of a metal pipe 2 and a hollow region 4 provided inside the dielectric layer 3. Have.

中空導波路1内に入射するレーザ光は、中空領域4と誘電体層3との境界および誘電体層3と金属パイプ2との境界で反射を繰り返すことにより伝搬される。一般に、金属材料は導波路内を伝送するレーザ光の吸収特性が大であるので、レーザエネルギーが金属層内に深く入り込むことはない。従って、光学的には誘電体層3Bに接する金属層の厚さはスキンデプス以上あれば充分である。   The laser light entering the hollow waveguide 1 is propagated by repeating reflection at the boundary between the hollow region 4 and the dielectric layer 3 and at the boundary between the dielectric layer 3 and the metal pipe 2. In general, a metal material has a large absorption characteristic of laser light transmitted through a waveguide, so that laser energy does not penetrate deeply into the metal layer. Therefore, optically, it is sufficient that the thickness of the metal layer in contact with the dielectric layer 3B is not less than the skin depth.

金属パイプ2は、光学的に伝送特性に関与するだけでなく、中空導波路1の機械的強度を維持している。誘電体層3に接する金属として、例えば、銀や金のように複素屈折率の絶対値が大であるものほど低損失になることから、銀や金で構成される金属パイプ2を用いれば導波路の低損失化に有効である反面、経済的、機械的特性を考慮すると実用的ではない。   The metal pipe 2 is not only optically involved in transmission characteristics but also maintains the mechanical strength of the hollow waveguide 1. As the metal in contact with the dielectric layer 3, for example, the higher the complex refractive index, such as silver or gold, the lower the loss. While effective for reducing the loss of the waveguide, it is not practical considering economic and mechanical characteristics.

また、金属パイプ2として、安価で機械的強度に優れた厚肉の金属パイプの内壁に別の金属材料からなる金属膜を形成したものを用いても良い。このような条件を満足するものとして、熱伝導率が高く、かつ機械的曲げ特性の優れたリン青銅パイプや、化学的に安定で内壁表面粗さが小であるパイプが安価で入手できるステンレスパイプがある。これらの金属パイプの内壁に形成される金属膜として、複素屈折率の絶対値が特に大である金,銀,銅,あるいは硬質で傷の付きにくいモリブデンが好適である。   Further, as the metal pipe 2, an inexpensive and thick metal pipe having a metal film made of another metal material on the inner wall may be used. Satisfying these conditions include phosphor bronze pipes with high thermal conductivity and excellent mechanical bending properties, and stainless steel pipes that can be obtained inexpensively with chemically stable and low inner wall surface roughness. There is. As the metal film formed on the inner wall of these metal pipes, gold, silver, copper having a particularly large absolute value of the complex refractive index, or molybdenum that is hard and hardly scratches is preferable.

環状オレフィンポリマーには、低屈折率で紫外領域から赤外領域までの幅広い領域で透明なものが存在する。本発明では、特に、ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、またはテトラシクロドデセンを原料とする非結晶性の環状オレフィンポリマーを使用している。このような環状オレフィンポリマーは、赤外波長帯で材料固有の吸収ピークを有するが、波長に対して離散的に存在することから、例えば、Er−YAGレーザ、COレーザ、CO2 レーザ等の実用上重要なレーザ光源の発振波長を避けることができる。 Cyclic olefin polymers are transparent in a wide range from the ultraviolet region to the infrared region with a low refractive index. In the present invention, in particular, an amorphous cyclic olefin polymer using norbornene, dicyclopentadiene, or tetracyclododecene as a raw material is used. Such a cyclic olefin polymer has an absorption peak specific to the material in the infrared wavelength band, but exists discretely with respect to the wavelength. For example, an Er-YAG laser, a CO laser, a CO 2 laser, etc. The oscillation wavelength of the laser light source, which is important, can be avoided.

環状オレフィンポリマーは、ゲルマニウムや硫化亜鉛等と比較して、赤外領域における材料固有の吸収ピークを有する波長帯以外でも吸収係数は大である。しかし、充実タイプの光ファイバと異なり、中空導波路は伝送されるレーザエネルギーのほとんどが損失のない中空領域4に集中し、わずかに誘電体層3に吸収されるだけなので、誘電体層3のわずかな吸収損失が導波路の伝送損失に与える影響は極めて小である。   The cyclic olefin polymer has a larger absorption coefficient than germanium, zinc sulfide, and the like other than the wavelength band having the absorption peak specific to the material in the infrared region. However, unlike a solid optical fiber, the hollow waveguide concentrates most of the transmitted laser energy in the lossless hollow region 4 and is only slightly absorbed by the dielectric layer 3. The influence of a slight absorption loss on the transmission loss of the waveguide is extremely small.

誘電体内装金属中空導波路では、内装される誘電体薄膜の屈折率が√2に近いほど伝送損失が小になる。環状オレフィンポリマー材料の屈折率は1.45〜1.55程度であることから低損失な導波路を形成でき、内装する薄膜の膜厚許容範囲が広くなるので製作も容易となる。   In the dielectric-incorporated metal hollow waveguide, the transmission loss is smaller as the refractive index of the dielectric thin film to be embedded is closer to √2. Since the refractive index of the cyclic olefin polymer material is about 1.45 to 1.55, a low-loss waveguide can be formed, and the allowable film thickness range of the thin film to be built is widened, so that the manufacture is facilitated.

環状オレフィンポリマーは、光学ポリマーとして広く用いられているポリメチルメタクリレートと比較して耐熱温度が高く、ポリメチルメタクリレートのガラス転移点が約105℃であるのに対し、環状オレフィンポリマーのガラス転移点は約140℃である。前述のように内装誘電体層中を伝搬するレーザエネルギーはわずかであるが、吸収されたレーザエネルギーは全て熱エネルギーに変換されるので、特に、本発明のような高いレーザエネルギーの伝送路において耐熱性は重要な特性となる。   The cyclic olefin polymer has a higher heat resistance temperature than polymethyl methacrylate, which is widely used as an optical polymer, and the glass transition point of the polymethyl methacrylate is about 105 ° C., whereas the glass transition point of the cyclic olefin polymer is About 140 ° C. As described above, the laser energy propagating in the interior dielectric layer is small, but all absorbed laser energy is converted into thermal energy. Sex is an important property.

また、環状オレフィンポリマーの吸水率は0.01%以下であり、ポリカーボネートやポリメチルメタクリレートの吸水率0.2%以上と比較して吸水性が低いことから、赤外レーザ光を伝送する場合の伝送損失が小になる。特に、Er−YAGレーザの発振波長2.94μmは、水によるレーザ光の最大吸収ピークの波長と一致することから、わずかな水分の含有によって導波路の伝送損失が増加する。   Further, the water absorption rate of the cyclic olefin polymer is 0.01% or less, and the water absorption rate is lower than that of polycarbonate or polymethyl methacrylate of 0.2% or more. Transmission loss is small. In particular, since the oscillation wavelength of 2.94 μm of the Er-YAG laser coincides with the wavelength of the maximum absorption peak of the laser beam by water, the transmission loss of the waveguide increases due to the slight water content.

図1の中空導波路1において、金属パイプ2の代わりに金属膜をコーティングした非金属パイプを用いても良い。この非金属パイプとしてはフッ素樹脂パイプや石英ガラスパイプが特に好ましい。フッ素樹脂パイプは可撓性、耐薬品性に優れており、石英ガラスパイプは耐熱、耐薬品性に優れ、更に、内壁の表面粗さが極めて小であるので伝送損失を低減させることができる。ガラスパイプの機械的強度は、ガラスパイプ外面に樹脂を塗布することで飛躍的に向上させることができる。   In the hollow waveguide 1 of FIG. 1, a non-metal pipe coated with a metal film may be used instead of the metal pipe 2. As this non-metallic pipe, a fluororesin pipe or a quartz glass pipe is particularly preferable. The fluororesin pipe is excellent in flexibility and chemical resistance, the quartz glass pipe is excellent in heat resistance and chemical resistance, and the surface roughness of the inner wall is extremely small, so that transmission loss can be reduced. The mechanical strength of the glass pipe can be dramatically improved by applying a resin to the outer surface of the glass pipe.

上記した非金属パイプの内壁にコーティングする金属膜として、前述したように複素屈折率の絶対値が特に大である金,銀,銅,あるいは硬質で傷の付きにくいモリブデンが好適である。光学的にはこれらの金属膜一層で充分であるが、例えば、ニッケル層を非金属パイプとこれら金属膜との間に介在させることによって金属膜の付着力を高めることができる。このニッケル層は、非金属パイプの内部に無電解のニッケルめっき液を流入して排出することにより容易に形成できる。   As the metal film to be coated on the inner wall of the non-metallic pipe described above, gold, silver, copper having a particularly large absolute value of the complex refractive index or molybdenum that is hard and hardly scratched is preferable as described above. Optically, these metal films are sufficient, but for example, the adhesion of the metal film can be enhanced by interposing a nickel layer between the non-metal pipe and these metal films. This nickel layer can be easily formed by flowing an electroless nickel plating solution into and discharging the non-metallic pipe.

本発明では、金属パイプ2の内壁にコーティングする金属膜の厚さを50μm以下とした。この金属膜の膜厚はスキンデプス以上あれば充分であり、あまり厚すぎると金属膜の内部応力および線膨張係数の違いによって付着力が低下する。   In the present invention, the thickness of the metal film coated on the inner wall of the metal pipe 2 is set to 50 μm or less. The thickness of the metal film is sufficient if it is equal to or greater than the skin depth.

中空導波路1は、その内部にHe−Neレーザ等の可視光を重畳または切り替えて伝送することができる。これは目に見えないレーザ光を安全に目的物に照射するために有効である。また、乾燥させた空気、窒素、あるいは炭酸ガス等の気体を導波路内部へ挿通することができる。これらの乾燥ガスは導波路内部への粉塵や水分の侵入を防止するだけでなく、レーザエネルギーの吸収に基づいて発熱した導波路を冷却する。医療分野で使用する場合には、患部へレーザ光を照射すると同時に前述した気体を噴射する必要があるが、これらの気体を導波路の中空構造を利用して導入することができる。   The hollow waveguide 1 can transmit visible light such as a He—Ne laser superimposed or switched inside. This is effective for safely irradiating an object with invisible laser light. In addition, a gas such as dried air, nitrogen, or carbon dioxide can be inserted into the waveguide. These dry gases not only prevent the entry of dust and moisture into the waveguide, but also cool the waveguide that generates heat based on the absorption of laser energy. When used in the medical field, it is necessary to inject the above-mentioned gas simultaneously with the irradiation of the laser beam to the affected area, and these gases can be introduced using the hollow structure of the waveguide.

図2は、中空導波路1の製造装置を示し、図2(a)に示す環状オレフィンポリマーの塗布装置と、図2(b)に示す環状オレフィンポリマーの乾燥装置より構成される。   FIG. 2 shows an apparatus for manufacturing the hollow waveguide 1, and is composed of a cyclic olefin polymer coating apparatus shown in FIG. 2 (a) and a cyclic olefin polymer drying apparatus shown in FIG. 2 (b).

環状オレフィンポリマーの塗布装置は、非結晶環状オレフィンポリマーをメシチレンに溶解した溶液14を収容した注入容器13と、導波路となるパイプ15の一端にジョイント18を介して接続される注入側パイプ17aと、パイプ15の他端にジョイント18を介して接続される排出側パイプ17bと、排出側パイプ17bに接続される注液ポンプ16を有する。   The cyclic olefin polymer coating apparatus includes an injection container 13 containing a solution 14 in which an amorphous cyclic olefin polymer is dissolved in mesitylene, and an injection side pipe 17a connected to one end of a pipe 15 serving as a waveguide via a joint 18. The discharge pipe 17b is connected to the other end of the pipe 15 via the joint 18, and the liquid injection pump 16 is connected to the discharge pipe 17b.

溶剤14は、非結晶環状オレフィンポリマーをメシチレンまたはシクロヘキサンに溶解して構成されており、濃度(固形分含有量)は8〜10%に設定されている。パイプ15は、内径700μm,外径800μmの石英キャピラリーで、内壁に銀薄膜がコーティングされており、長尺化に対応するためにコイル状に巻装されている。   The solvent 14 is constituted by dissolving an amorphous cyclic olefin polymer in mesitylene or cyclohexane, and the concentration (solid content) is set to 8 to 10%. The pipe 15 is a quartz capillary having an inner diameter of 700 μm and an outer diameter of 800 μm, and an inner wall is coated with a silver thin film, and is wound in a coil shape in order to cope with an increase in length.

環状オレフィンポリマーの乾燥装置は、ポリマー溶液が注入されたパイプ15を熱処理する電気炉19と、パイプ15の内圧を減じる真空ポンプ20と、パイプ15に挿通されるガスの流量を表示する流量計21と、パイプ15,真空ポンプ20,流量計21を接続する配管22a,22b,および22cを有する。   The cyclic olefin polymer drying apparatus includes an electric furnace 19 that heat-treats the pipe 15 into which the polymer solution is injected, a vacuum pump 20 that reduces the internal pressure of the pipe 15, and a flow meter 21 that displays the flow rate of the gas inserted through the pipe 15. And pipes 22a, 22b, and 22c for connecting the pipe 15, the vacuum pump 20, and the flow meter 21.

以下に、誘電体の内装工程を説明する。まず、パイプ15と注入側パイプ17a、およびパイプ15と排出側パイプ17bをジョイント18によって接続する。そして、注入側パイプ17aの先端を注入容器13に収容された溶液14に浸漬し、排出側パイプ17bを注液ポンプ16に接続する。   The dielectric interior process will be described below. First, the pipe 15 and the injection side pipe 17 a and the pipe 15 and the discharge side pipe 17 b are connected by the joint 18. Then, the tip of the injection side pipe 17 a is immersed in the solution 14 accommodated in the injection container 13, and the discharge side pipe 17 b is connected to the liquid injection pump 16.

この状態で、注液ポンプ16を作動させると、注入側パイプ17aからパイプ15の内部に溶液14が吸引され、溶液14はパイプ15内部へ充填、排出されてパイプ15の内壁に一定量の溶液14が塗布される。   In this state, when the liquid injection pump 16 is operated, the solution 14 is sucked into the pipe 15 from the injection side pipe 17a, and the solution 14 is filled and discharged into the pipe 15, and a certain amount of solution is discharged to the inner wall of the pipe 15. 14 is applied.

次に、内壁に溶液14が塗布されたパイプ15を電気炉19に入れ、一端に配管22aを介して真空ポンプ20を接続し、他端に配管22bを介して流量計21を接続する。そして、電気炉19を所定の温度に加熱することにより溶液14のメシチレンを蒸発させて環状オレフィンポリマーを乾燥、固化させる。メシチレンの沸点は165℃であるので、加熱温度をこれより高い温度に設定する。   Next, the pipe 15 having the inner wall coated with the solution 14 is placed in an electric furnace 19, and the vacuum pump 20 is connected to one end via a pipe 22a, and the flow meter 21 is connected to the other end via a pipe 22b. Then, by heating the electric furnace 19 to a predetermined temperature, the mesitylene in the solution 14 is evaporated, and the cyclic olefin polymer is dried and solidified. Since the boiling point of mesitylene is 165 ° C., the heating temperature is set to a higher temperature.

このとき、パイプ15の内部にはメシチレンの乾燥が充分に行われるようにN2 ガスやHeガス等の乾燥ガスを挿通する。この乾燥ガスは、流量計21に接続された配管22cを介して挿通され、流量計21の指針に基づいて流量が制御される。このようにしてパイプ15に内装される環状オレフィンポリマーの薄膜が所望の厚さに内装されるまで、溶液14の塗布工程、および乾燥工程を繰り返し行う。 At this time, a dry gas such as N 2 gas or He gas is inserted into the pipe 15 so that the mesitylene is sufficiently dried. This dry gas is inserted through a pipe 22 c connected to the flow meter 21, and the flow rate is controlled based on the pointer of the flow meter 21. Thus, the application | coating process of the solution 14 and a drying process are performed repeatedly until the thin film of the cyclic olefin polymer built in the pipe 15 is built in desired thickness.

環状オレフィンポリマーの薄膜が所望の厚さに内装された時点で、電気炉19の温度を200℃に設定し、パイプ15を約1時間加熱して完全に乾燥させる。   When the thin film of the cyclic olefin polymer is loaded to a desired thickness, the temperature of the electric furnace 19 is set to 200 ° C., and the pipe 15 is heated for about 1 hour to be completely dried.

図2(a)では、ポリマー溶液の塗布方法として注液ポンプを用いたが、塗布方法はこれに限定されるものではない。例えば、溶液中にキャピラリーを浸漬し、その後これを引き上げ、溶液の重力を利用してキャピラリー内壁に一様な溶液を塗布することもできる。   In FIG. 2A, an injection pump is used as a method for applying the polymer solution, but the application method is not limited to this. For example, it is possible to immerse the capillary in the solution, then pull it up, and apply the uniform solution to the inner wall of the capillary using the gravity of the solution.

図3は、環状オレフィンポリマーと銀層からなる誘電体内装金属中空導波路の損失−波長特性を示し、比較例として環状オレフィンポリマー層を内装していない銀中空導波路の特性も合わせて示している。導波路の長さは1mで、導波路の内径は700μmである。誘電体内装金属中空導波路の環状オレフィンポリマー層は約0.5μmである。図からも明らかなように、波長5μm近傍で誘電体内装金属中空導波路は低損失となり、波長5.3μmで発振するCOレーザ光伝送用の導波路として適していることがわかる。この誘電体内装金属中空導波路の伝送損失は、内装する誘電体の膜厚に依存し、その最適膜厚は伝送するレーザ光の波長によって決定される。   FIG. 3 shows the loss-wavelength characteristics of a dielectric-incorporated metal hollow waveguide composed of a cyclic olefin polymer and a silver layer, and also shows the characteristics of a silver hollow waveguide that does not have a cyclic olefin polymer layer as a comparative example. Yes. The length of the waveguide is 1 m, and the inner diameter of the waveguide is 700 μm. The cyclic olefin polymer layer of the dielectric-embedded metal hollow waveguide is about 0.5 μm. As is apparent from the figure, it can be seen that the dielectric-incorporated metal hollow waveguide has a low loss in the vicinity of a wavelength of 5 μm and is suitable as a waveguide for CO laser light transmission that oscillates at a wavelength of 5.3 μm. The transmission loss of this dielectric-incorporated metal hollow waveguide depends on the film thickness of the dielectric inside, and the optimum film thickness is determined by the wavelength of the laser beam to be transmitted.

レーザ光源としてCOレーザ以外のレーザ、例えば、Er−YAGレーザを使用する場合には、環状オレフィンポリマーの膜厚を約0.25μmに設定することが必要で、この場合、導波路の最低損失波長は短波長側にシフトしてEr−YAGレーザの発振波長2.94μm付近で低損失となる。一方、発振波長の長いCO2 レーザのように、より発振波長が長いレーザ光を伝送するのであれば、内装する環状オレフィンポリマーの膜厚をより厚く設定しなければならない。このようにレーザ光の発振波長に基づいて環状オレフィンポリマーの膜厚を適宜設定することにより、低損失な導波路が実現できる。環状オレフィンポリマーの膜厚は、中空導波路1の製作工程において、環状オレフィンポリマー溶液の固形分含有量、塗布速度、塗布回数等によって容易に制御することができる。 When a laser other than a CO laser, such as an Er-YAG laser, is used as the laser light source, it is necessary to set the film thickness of the cyclic olefin polymer to about 0.25 μm. In this case, the minimum loss wavelength of the waveguide Shifts to the short wavelength side and has a low loss in the vicinity of the oscillation wavelength of 2.94 μm of the Er-YAG laser. On the other hand, if laser light having a longer oscillation wavelength is transmitted, such as a CO 2 laser having a longer oscillation wavelength, the film thickness of the cyclic olefin polymer to be incorporated must be set larger. Thus, a low-loss waveguide can be realized by appropriately setting the film thickness of the cyclic olefin polymer based on the oscillation wavelength of the laser light. The film thickness of the cyclic olefin polymer can be easily controlled in the manufacturing process of the hollow waveguide 1 by the solid content of the cyclic olefin polymer solution, the coating speed, the number of coatings, and the like.

本発明の実施の形態で使用する環状オレフィンポリマーは、赤外領域において材料固有の吸収損失が存在する。図3からも明らかなように、波長3.4μm付近にCH基に起因すると思われる吸収ピークが存在しており、このように吸収ピークが大である波長帯では、誘電体薄膜を内装しても導波路の低損失化を実現することができない。   The cyclic olefin polymer used in the embodiment of the present invention has absorption loss inherent to the material in the infrared region. As is clear from FIG. 3, there is an absorption peak that appears to be caused by the CH group in the vicinity of a wavelength of 3.4 μm. In such a wavelength band where the absorption peak is large, a dielectric thin film is incorporated. However, the loss reduction of the waveguide cannot be realized.

一方、赤外領域において実用上重要な光源であるEr−YAGレーザ,COレーザ,およびCO2 レーザの発振波長帯である2.94μm,5μm,10.6μmに大きな吸収ピークは見られず、銀中空導波路と比較すれば環状オレフィンポリマーを内装することによって導波路の低損失化が可能である。このように内装する環状オレフィンポリマー材料からなる誘電体層の膜厚を波長に対して適宜設定することにより、材料特有の吸収ピークの波長を除いて紫外から赤外の広範囲な波長領域にわたって低損失導波路の実現が可能である。 On the other hand, no large absorption peak is observed in the oscillation wavelength bands of Er-YAG laser, CO laser, and CO 2 laser, which are practically important light sources in the infrared region, and 2.94 μm, 5 μm, and 10.6 μm. Compared with a hollow waveguide, the loss of the waveguide can be reduced by incorporating a cyclic olefin polymer. By appropriately setting the film thickness of the dielectric layer made of cyclic olefin polymer material in this way with respect to the wavelength, low loss can be achieved over a wide wavelength range from ultraviolet to infrared, excluding the wavelength of the absorption peak unique to the material. A waveguide can be realized.

上記したように、導波路内を伝送される光の多くが中空領域を伝搬するが、光が導波路内を伝搬する際に環状オレフィンポリマー材料からなる誘電体層で吸収される光の量はわずかであるため、低損失で光伝送を行うことができ、細経導波路に適用することによって優れた可撓性を付与することができる。   As described above, much of the light transmitted through the waveguide propagates through the hollow region, but when the light propagates through the waveguide, the amount of light absorbed by the dielectric layer made of the cyclic olefin polymer material is Since it is slight, optical transmission can be performed with low loss, and excellent flexibility can be imparted by applying it to the meridian waveguide.

また、中空の金属導波路の内部に溶媒で溶解した環状オレフィンポリマー溶液を流入し、これを排出した後、乾燥、固化させることで金属導波路の内壁に環状オレフィンポリマーの誘電体層を容易に内装することができる。この誘電体層の厚さは、充填、排出および乾燥の工程の回数、溶液の粘度、固形物含有量、塗布速度等の製造条件によって任意に、かつ、精度良く制御することができる。また、この製造方法は、高価な製造装置を必要とせず、可撓性に優れた細径な導波路の製造に適用でき、導波路の長さは製造装置に依存しないことから長尺化させることもできる。   In addition, a cyclic olefin polymer solution dissolved with a solvent flows into the hollow metal waveguide, and after discharging it, it is dried and solidified to easily form a dielectric layer of the cyclic olefin polymer on the inner wall of the metal waveguide. Can be decorated. The thickness of the dielectric layer can be arbitrarily and accurately controlled by the manufacturing conditions such as the number of filling, discharging and drying steps, the viscosity of the solution, the solid content, and the coating speed. In addition, this manufacturing method does not require an expensive manufacturing apparatus and can be applied to manufacturing a thin waveguide having excellent flexibility, and the length of the waveguide does not depend on the manufacturing apparatus, so that the length is increased. You can also.

本発明の中空導波路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the hollow waveguide of this invention. (a),環状オレフィンポリマーの塗布装置を示す説明図である。(b),環状オレフィンポリマーの乾燥装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the coating device of (a) and a cyclic olefin polymer. (B) It is explanatory drawing which shows the drying apparatus of a cyclic olefin polymer. 中空導波路の伝送損失特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the transmission loss characteristic of a hollow waveguide.

符号の説明Explanation of symbols

1,中空導波路
2,金属パイプ
3,誘電体層
4,中空領域
13,注入容器
14,溶液
15,パイプ
16,注液ポンプ
17a,注入側パイプ
17b,排出側パイプ
18,ジョイント
19,電気炉
20,真空ポンプ
21,流量計
22a,22b,22c,配管
1, hollow waveguide 2, metal pipe 3, dielectric layer 4, hollow region 13, injection container 14, solution 15, pipe 16, injection pump 17a, injection side pipe 17b, discharge side pipe 18, joint 19, electric furnace 20, vacuum pump 21, flow meters 22a, 22b, 22c, piping

Claims (14)

導波路を構成する管状部材と、
前記管状部材の内壁に内装され、紫外領域または波長2μm以上の赤外領域の波長帯で透明な環状オレフィンポリマーよりなる誘電体薄膜とを有し、
かつ、その吸水率が0.01%以下であることを特徴とする中空導波路。
A tubular member constituting a waveguide;
A dielectric thin film made of a cyclic olefin polymer that is embedded in the inner wall of the tubular member and is transparent in the ultraviolet region or in the wavelength region of the infrared region having a wavelength of 2 μm or more ,
And the hollow waveguide characterized by the water absorption being 0.01% or less.
前記環状オレフィンポリマーは、ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、またはテトラシクロドデセンを原料とするポリマー溶液の熱処理に基づく非結晶性環状オレフィンポリマーである構成の請求項1記載の中空導波路。   The hollow waveguide according to claim 1, wherein the cyclic olefin polymer is an amorphous cyclic olefin polymer based on a heat treatment of a polymer solution using norbornene, dicyclopentadiene, or tetracyclododecene as a raw material. 前記管状部材は、金属パイプである構成の請求項1記載の中空導波路。   The hollow waveguide according to claim 1, wherein the tubular member is a metal pipe. 前記金属パイプは、リン青銅あるいはステンレスで構成される請求項3記載の中空導波路。   The hollow waveguide according to claim 3, wherein the metal pipe is made of phosphor bronze or stainless steel. 前記金属パイプは、内壁に他の金属材料からなる金属薄膜を設けた構成の請求項3又は4のいずれか1項記載の中空導波路。   The hollow waveguide according to any one of claims 3 and 4, wherein the metal pipe is provided with a metal thin film made of another metal material on an inner wall. 前記金属薄膜は、金,銀,モリブデン,あるいはニッケルで構成される請求項5記載の中空導波路。   The hollow waveguide according to claim 5, wherein the metal thin film is made of gold, silver, molybdenum, or nickel. 前記管状部材は、非金属パイプである構成の請求項1記載の中空導波路。   The hollow waveguide according to claim 1, wherein the tubular member is a non-metallic pipe. 前記非金属パイプは、内壁に少なくとも1層の金属材料からなる金属薄膜を設けた構成の請求項7記載の中空導波路。   The hollow waveguide according to claim 7, wherein the non-metallic pipe is provided with a metal thin film made of at least one layer of metal material on an inner wall. 前記金属薄膜は、金,銀,モリブデン,あるいはニッケルで構成される請求項8記載の中空導波路。   The hollow waveguide according to claim 8, wherein the metal thin film is made of gold, silver, molybdenum, or nickel. 前記非金属パイプは、フッ素樹脂あるいは石英ガラスで構成される請求項7記載の中空導波路。   The hollow waveguide according to claim 7, wherein the non-metallic pipe is made of fluororesin or quartz glass. 前記管状部材によって囲まれた中空領域は、可視光および波長2μm以上の赤外光を重畳、または切り替えて入射する構成の請求項1記載の中空導波路。   2. The hollow waveguide according to claim 1, wherein the hollow region surrounded by the tubular member is configured to superimpose or switch incident visible light and infrared light having a wavelength of 2 μm or more. 前記管状部材によって囲まれた中空領域は、空気、窒素、あるいは炭酸ガスを挿通させる構成の請求項1記載の中空導波路。   The hollow waveguide according to claim 1, wherein the hollow region surrounded by the tubular member is configured to allow air, nitrogen, or carbon dioxide gas to pass therethrough. レーザ光源からの波長2μm以上の赤外波長帯のレーザ光を請求項1〜12いずれかに記載の中空導波路を伝送させることを特徴とするレーザ光伝送方法。A laser light transmission method comprising transmitting a laser beam in an infrared wavelength band having a wavelength of 2 μm or more from a laser light source through the hollow waveguide according to claim 1. 波長2μm以上の赤外波長帯のレーザ光を発振するレーザ光源と請求項1〜12いずれかに記載の中空導波路とを備えることを特徴とするレーザ光伝送装置。A laser light transmission device comprising: a laser light source that oscillates laser light in an infrared wavelength band having a wavelength of 2 μm or more; and the hollow waveguide according to claim 1.
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