JP4339517B2

JP4339517B2 - 流体光導体

Info

Publication number: JP4339517B2
Application number: JP2000565428A
Authority: JP
Inventors: アール．フラバル，ハナフィ; ブリンカー，シー．ジェフリー
Original assignee: ロフィンオーストラリアプロプライアタリーリミティド
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: US20030044149A1; US6983093B2; EP1119786B1; DE69935236T2; ATE354811T1; EP1119786A4; DE69935236D1; EP1119786A1; HK1039375B; JP2002522814A; AU5477299A; HK1039375A1; WO2000010044A1

Description

【０００１】
１．発明の分野
本発明は一般には光導波管に、より特異的には広範囲の波長の伝達に適した流体光導体に関する。具体的には、本発明は照明目的に適した高い受け入れ臨界角を有する液体／ゲル光導体、及びその製造の連続工程に関する。
【０００２】
２．従来の技術
赤外から紫外線まで、特に可視光域にある各種波長の電磁放射の伝達に関しては、多くの種類の光導体または光ファイバー構造体が開発されている。これらファイバーオプチックス装置は多くの産業で利用されており、特に医学、情報伝達及び照明産業では多様な目的に利用されている。多くの例で、可視光を物理的遠隔位置、又は極めて到達が困難である位置までの実質的距離伝達することが望まれている。
【０００３】
当分野で知られている一般的な光導体のタイプの一つは、全内反射の原理を利用した、通常はガラスまたはクオーツであるカラム又はコア素材に沿って光を伝達する方式である。説明を目的とすれば、光導体は光に於ける導水管に例えられる。それは一般に、この例えではパイプに相当する低屈折率型クラッディング、及び全内反射によって光が誘導される高屈折率コア部分より構成される。最も良く知られており、また利用されている光導体はガラスファイバーである。この場合、ガラスの外層はコア部に比べ低い屈折率を持つ材料から成っている。導波管に用いられるファイバーの別の例には、融解シリカ、アクリル及びその他プラスチック材料、ポリマー及び液体又はゲル材料がある。
【０００４】
典型的なガラス製又はクオーツ製光導体では、コアに沿うファイバーはコア材料に比べ屈折率が低いオプティカルクラッディングにより囲まれたガラス又はクオーツ製の中央コア部を含む。一般的に、連結部又はコア表面部に対し垂直な線を基準に測定される光入射角が特異的臨界値より大きくなると、入射光はコア及びクラッディング部の間の連結部、又は境界面上で全て反射されるようになる。即ち、光はファイバーに沿って進み、屈曲部では曲がって進むことができ、適度な入射角を維持するために屈曲した導波管の半径は小さすぎない様に規定される。米国特許第５，６８４，９０７号は、エアロゲルクラッディング層によりコーティングされた特殊なタイプのガラス製導波管コア部を開示している。
【０００５】
ガラス製コアを利用するファイバーオプティック装置は、基本的には可視光域の波長を伝達する。一方クオーツは紫外線から近赤外光までの広範囲の波長を伝達する。残念なことに、クオーツ製導波管は非常に脆く、極めて高価であり、また製造が難しい。クオーツファイバーは、長距離をエネルギー放射を少なく伝達することが求められる情報伝達の目的には理想的であるが、比較的大きなパワーを短距離伝達する場合には大きな問題を抱えている。更に、クオーツファイバーについては、必要な柔軟性を具備させるためにはファイバーを非常に細くしなければならず、クオーツの場合ファイバーを細くすると非常に脆くなるという根本的な問題も生じてくる。更にレーザーを利用した場合には、細いファイバー内に生ずるパワー密度は、コア材料を破壊するのに十分な大きさになる。更に直径が５０ｍｍ以上の広幅光線又は大直径のレーザー光を、大きな損失無しにこのタイプのファイバー内を伝達させることは極めて困難である。
【０００６】
このタイプのオプティカルファイバーの幾つかは、液体で満たされた細く牽引されたクオーツ製毛細管より形成されているが、材料の脆弱性、アラインメント及び破損に関する同問題により、高パワーレベルが必要とされる上記応用への利用が妨げられている。多くの応用に於いて、単一ファイバーよりも多数の単一グラスファイバーを束ねた大直径を有する柔軟なファイバーオプティクス束の方が有用である。しかし、使用中に個々のファイバーが破損し始めると、デッドスポットの数が多くなり、この束の効率は低下する。更に、個々のファイバーのコアだけが光を伝達すること、そしてコア部分の面積がファイバーオプティクス束断面積の極わずかでしかないことから、ファイバー間の材料に漏れた光は伝達されずに吸収されてしまう。これは束の非伝達面積に比例した初期損失を招き、入射光束のエネルギーが十分に高い場合には、吸収されたエネルギーによる束の破壊を招く。即ち、このタイプの導波管は一般に高エネルギー放射の伝達には利用できない。
【０００７】
これまでにプラスチック製のコアを持つオプティカルファイバーが報告されている。しかし、それらは構築材料の特性により光損失が大きい傾向にあり、一般には低温でのみ作動が可能であり、通常は非臨界的な弱い光を利用する場合にのみ適している。更に、アエロゲル材料については米国特許第５，４９６，５２７号及び前期参照の米国特許に例示されている如く、屈折率が小さいと報告されている。
【０００８】
米国特許第4,045,119号及び第5,452,395号に開示されている様な液体及びゲル-コア光導体は、極めて大きなコアファイバーが構築できる利点を提供する。ファイバー束に付随する隣接の環状ファイバー間にデッドスペースがないこれら光導体では、高い光伝達が可能である。これら大直径型の流体コアファイバーに付随する主な問題は、低屈折率型のクラッディングと高屈折率型の低消失型コア材料の使用可能性にまつわる問題である。換言すれば、問題は得られるファイバーについて、その屈折率差が受け入れ可能な開口数を提供できる固体クラッディングと流体コア材料の実行可能な組合せを見いだすことである。開口数は、ファイバー内に導入可能な光の受け入れコーンの値であり、その目的は可能な限り大きな開口数を得ることである。
【０００９】
現在、流体光導体は、典型的には塩化カルシウムのコアとフッ化エチレンポリマー（ＦＥＰ）クラッディングより作られる。これら材料は比較的高価であり、正確な製造技術と標準規格を必要とする。シリコン又はポリマー材料といった他のコア材料も利用できる。同様に、チューブ内面上を低屈折率層でコーティングされた単一管やプラスチックチューブの様な、より安価なクラッディングも利用できるだろう。しかし、現在利用可能な材料は高価であるか、又は光伝達あるいは波長域特性が限定されている。更に、製造工程に於けるコーティング作業はバッチ形式であり、導波管を５０−１００フィート以上のような本質的に長く製造するには極めて利用しにくい。
【００１０】
従って現在に至るも、水又はその他優れた伝達コア液体、又はゲルをその中で利用できる流体光導体のベースを形成する、ポリエチレン等の低価格のプラスチック製チューブ内面に利用できる屈折率が極めて低いコーティングが求められている。更に、コーティング材料は流体コアに対し非反応性でなければならず、また連続工程にて長いチューブの内面に容易に適用でき、実質的な経済効果をもたらすものでなければならない。その結果、優れた波長及び伝達性能を持つ低コスト光導体が得られるだろう。
【００１１】
発明の要約
従って、本発明の目的の一つは改良された波長及び伝達性能を持つ流体光導体を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、遠隔位置へのエネルギー効率的な光伝達利用に適した経済的に価値ある大きなコア光導体を提供することである。
【００１３】
本発明の更に別の目的は、ビルディング等の中での敷設を目的とした、受動ソーラーベースまたはコア−デイライトニングシステムでの利用に適した実質的長さを持つ光導体を提供することである。
【００１４】
本発明の更に別の目的は、実質的な長さの低コストチューブ内面に連続工程にて適用できる、極めて低い屈折率を持つコーティングを提供し、高い効率及び安価な導波管を提供することである。
【００１５】
前記およびその他目的を達成し、更にここに包含され、広く記載される本発明の目的を達成するための光導体が開示され、またその光導体は、内面と第１及び第２端を有する柔軟な延長チューブが包含する。エアロゲルフィルムがクラッディング層としてチューブ内面に付着され、そして流体コアがチューブ内に配置される。流体コアはエアロゲルクラッディングフィルムの屈折率より大きな屈折率を有する。
【００１６】
本発明の光導体の応用の１つでは、コアの液体は、液体及びゲルから成るグループより選択される。別の発明の応用では、エアロゲルフィルムは、好ましくは疎水性である。さらに別の応用では、エアロゲルフィルムは、シリカエアロゲルを含む。よりさらに別の発明の応用では、光導体のエアロゲルフィルムは、チューブ内面に共有結合される。発明のさらに別の応用では、光導体のエアロゲルフィルムは、多孔率約５０−９９％、より好ましくは多孔率約６０−９０％の安定した多孔性の疎水性コーティングを含む。更に光導体発明の別の応用では、シリカエアロゲルは、１．２８以下の屈折率を有する。
【００１７】
本発明の別の応用では、光導体が開示され、低屈折率の内部エアロゲルクラッディングライニングとチューブ内に配置された流体コアを有し、コアがエアロゲルライニングの屈折率より大きな屈折率を有する柔軟な延長チューブを含む。光導体チューブは、フッ化ポリマーより製造され、ライニングは低い屈折率を有するだろう。本発明の別の応用では、光導体のエアロゲルライニングは約５０−９９％の多孔率、より好ましくは６０−９０％の多孔率を持ち、屈折率が１．２８以下である安定した多孔性の疎水性コーティングを含む。本発明の更に別の応用では、光導体のコアの液体は、液体及びゲルより成るグループから選択される。
【００１８】
本発明の別の応用は、内面、チューブ内面に付着されたエアロゲルクラッディング層、及びチューブ内に配置された流体コアを含むオプティカルファイバーを包含する。発明の本応用の１形態では、エアロゲルフィルムは、疎水性である。発明のオプティカルファイバーの別の形態では、コアの液体は、液体及びゲルより成るグループから選択される。最後に、本発明の本応用のさらに別の形態では、オプティカルファイバーのエアロゲルフィルムは、シリカエアロゲルを含む。
【００１９】
最後に、流体光導体の形成方法が開示される。本法は、内面と第１及び第２端部を有する延長チューブを形成する段階；チューブをゾルで充填し、充填されたチューブをコントロールされた速度で廃液し、実質均一なフィルムをチューブ内面上に形成し、フィルムを硬化させてチューブ内面上にエアロゲルクラッディングコーティングを形成せしめ、チューブの第１及び第２端部を塞ぎ、そしてチューブをエアロゲルクラッディングライニングの屈折率より実質大きな屈折率を有する流体コア材料で満たす段階を含む。本発明の方法の応用の１つでは、ゾルはシリカゾルである。本発明の別の応用では、ゾルは、排液されたチューブ内を通る窒素キャリアー内に、アンモニア及びＨＣｌより成るグループから選別された気体を泡立たせることで硬化される。更に別の応用では、排液されたチューブは、マイクロ波処理されゾルを硬化する。本発明の方法の更に別の応用では、流体コア材料は、水、炭化水素、シリコン液、ミネラルオイル、ゲル、及びナトリウム、カルシウム、カリウム及びその混合体より成るグループから選択される塩の溶液から構成されるグループから選択される。最後に、本発明の方法の別の応用では、ゾルは、硬化され、疎水性のエアロゲルクラッディング層を形成する。
【００２０】
明細書中に取り込まれ、その一部を形成する添付の図面は、本発明の好適実施態様を例示しており、記載と共に発明の原理の説明に役立つ。
【００２１】
好適実施態様の詳細な説明
図１〜図５を参照すると、導波管１０は、管状の内部空所１４を規定する外部管部１２を有する形に形成される。空所１４は、以下詳細記述される様な液体又はゲルの様な適当な流体１６によって満たされる。チューブ１２は、その上に層２０が形成される内面１８を含む。流体１６は好ましくは液体又はゲルであると理解すべきであり、ここで流体または溶液という用語が使用される場合には、用語にはゲルまたはその他適当な流動性物質を含むと理解すべきである。
【００２２】
好ましくは層２０は、多孔性であるが、流体１６との相互作用を阻止するのに好ましい強疎水性のエアロゲル材料である。開示の発明の目的に関し、エアロゲルは、４０ないし９０容積％以上の多孔率を有するものと規定される。好ましくはエアロゲルという用語は、低温、低圧エアロゲル工程に於いて調製される、さらにその多孔性が、乾燥中のゲルの膨張又はスプリングバックによって形成される上記材料、もしくは無機シリカのネットワークが有機液体−結晶又はミセル構造体の周辺に形成され、続いて有機鋳型が除くことで有機アッセンブリーの多孔性シリカ化石が形成される界面活性剤−型取り法により調製される上記材料を含む。更に、ここに使用されるエアロゲルという用語は、その内容がここに特異的に取り込まれている”ゾル−ゲル浸漬被覆による裏付き立方形及び６辺形間孔フィルムの連続形成（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｕｐｐｏｒｔｅｄｃｕｂｉｃａｎｄｈｅｘａｇｏｎａｌｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｆｉｌｍｓｂｙｓｏｇ−ｇｅｌｄｉｐ−ｃｏａｔｉｎｇ”），Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．３８９，１９９７年、９月２５日と題する文献に開示された様な、間孔性薄フィルムも含む。
【００２３】
本発明を具体的且つ詳細に記載する前に、流体光導体の動態を理解することは有益である。光導体の本質は、内部コアの屈折率ｎ_１が外部クラッディング材料の屈折率ｎ_２に比べ大きくなる様な２種類の同軸性の媒体を持つことである。２種類の媒体間の界面は可能なかぎり平滑であり、鏡様の反射を提供する。発明以前は、伝達を最大にするために両媒体は好ましい波長域において光学的に好ましく透明でなければならなかった。従来の液光導体では、コア１６は液体であり、そしてクラッディングは通常プラスチックである。しかし、本発明では、プラスチックチューブ材料１２はクラッディングではない。替わりにチューブ１２の内面１８がクラッディング層２０によって裏打ちされ、それにより屈折率または透過性に関し心配することなく、いずれのタイプの入手可能な所望材料からもチューブ１２が製造できる様になる。
【００２４】
本発明の導波管１０により受け入れることができる光量は、角度Ａにより規定される受け入れコーン２２内に向かう。この角度は、関数ｓｉｎ（Ａ）＝［（ｎ_１）^２−（ｎ_２）^２］^１／２で表される屈折率ｎ_１及びｎ_２に関係しており、式中ｓｉｎ（Ａ）の大きさは開口数（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）として既知である。光導体１０では、光は全内反射を介して伝達される。しかし、２種類の媒体（コアとクラッディング）の間で規定される臨界角Ｂに等しいか、それ以上である光線のみが光導体内を伝達する。臨界角Ｂは、Ｂ＝９０°−Ａで表される単純な関係で受け入れコーンの角度Ａと関連している。
【００２５】
光導体１０の光透過効率は、一次的には２つの要因の組み合わせによって決まる。第１の要因は、伝達された光の受け入れ角Ａを最大にして臨界角Ｂをより低くするために、屈折率ｎ_１とｎ_２の差を可能な限り大きくしなければならないことである。上記の如く、臨界角Ｂ以上な光線のみが光導体１０を通過するだろう。第２の要因は、所望の分光域のみが光導体１０を通り伝達される様に流体１６の吸収特性を選択しなければならないことである。その他の要因も考慮し、また望まない波長域の伝達及び長期間及び／又は強照射下での流体１６又はチューブ１２の光学特性に及ぼす光源の影響についても含める。
【００２６】
一般的及び本発明に特異的な液導体の一次的利点は、軟質であり且つ安価である比較的大きな直径（例えば５ｍｍ）の単一ファイバー様の光導体が製造できることである。これに対し、上記の如くプラスチック、ガラス又はシリカの様な固体材料から作られるファイバー光導体は、一般に柔軟性を保つためには小さな直径に限定され、大量の光を伝達するためにはそれらを束ねる必要がある。後者を選択した場合、光導体は軟質ではあるが、非効率かつ比較的高価なものとなる。本発明の流体光導体に単一コアを利用すると、本質的に効率的な光伝達システムができる。この様な軟質光導体の直径は、１ｍｍ以下から１４ｍｍまたはそれ以上より選択できる。
【００２７】
開口数（ＮＡ）は、オプティカルファイバーの重要なパラメータであるが、特に本発明にとって重要である。図３に具体的に例示される如く、受け入れ角Ａは光導体１０の入射端及び出口端の両方について例示されている。これは、光導体１０の長軸にそって光が伝達される間、光導体１０が入射角を保存する傾向にあるためである。図５に特に認められるように、受け入れ角Ａ及びその開口数は、光源３０からの入射角Ｃに匹敵する。見て分かるように、光源３０からの光線の一部は臨界角Ｂよりも大きく、即ちそれら角度Ｃの外側になる光線は角度２Ａより小さいため、光導体１０は光源３０からの全ての光を受け入れることはできない。
【００２８】
本発明のチューブ１０は、好適材料よりできているだろう。それは、従来の光導体の設計と全く異なり、チューブ１０が波動クラッディングとして機能しないという事実に基づいている。エアロゲルコーティング２０は表面１８の形又はパターンに順応するため、チューブ１０の内面１８が極めて平滑であることは非常に重要ではあるが、一方チューブ１０の性質及び特性は重要ではない。好ましくは、チューブ１０は平滑な内面を有し、且つ不活性、難燃焼性、比較的高温に対し耐性であるという特性を持つ。チューブ１０として本発明に於いて有用なフッ化ポリイマー樹脂の具体的な例には、ＦＥＰ、ＫＥＬ−Ｐ、テフロンＰＦＡ、Ｔｅｆｚｅｌ及び３ＭＴＭＶ−５００が含まれる。更に、幾つかの応用ではポリエチレン、ＰＶＣ、ポリカーボネート、及びその他のプラスチックも利用できるだろう。チューブ１０は透明であってはならないことから、金属で作ることもできる。しかし、側方への光照射を促進する特定の応用では、透明なチューブ１０が望ましいだろう。
【００２９】
コア１４の流体１６は、当分野既知の何れの好適タイプでも良い。好適形態では、液コア１４は非可燃性、化学的に安定且つ導波管の他コンポーネントと非反応性であることを含む１またはそれ以上の特性を有する。更に、流体１６が特に伝達される放射光の波長での吸収に対し耐性であり、温度に対し安定であり、比較的無色であり、無毒であることが好ましい。更に、流体１６内の空所及び気泡の形成を防ぐためは、流体１６がチューブ１２の中で圧縮状態にあることが好ましいが、これは非圧縮充填液またはコア１４に関する低圧縮充填液の利用を除外するものでは無い。好ましい流体１６には、水、炭化水素、シリコン液、ミネラルオイル及びその他の油、ゲル及び、ナトリウム、カルシウムやカリウム及びその混合物の様な各種塩溶液を含む各種溶液が含まれるだろう。更に、合成高性能液も利用できるだろう。しかし、シリコンオイル、アルコール等は特定環境に於いてエアロゲルフィルムを湿潤し、波誘導能を破壊する可能性があることから、最も好適な液は水／水溶液系である。従って、これら他の液体を流体１６に利用する場合には、適当なシリカ誘導体を用いて導波管液による湿潤を防ぐことが好ましい。
【００３０】
本発明及びその重要な観点によれば、チューブ１２の内面１８に固定される内ライナー又はクラッディング層２０はエアロゲルである。エアロゲルは高多孔性固体であり、多くは直径１００〜２００オングストロームの小孔が連続する網目と共にシリカのフレーム構造が散在している、スポンジ様構造に配置されシリコン−酸素マトリックスをベースにしている。その結果、極めて強靱且つ柔軟性に富む構造を形成し、９５％まで空気又はその他の気体を含むと考えられている。本発明の目的に関し、その構造的な強靱さ以外にも、その低い屈折率もこれら光材料の原理的な魅力の１つである。
【００３１】
本発明には、エアロゲルをクラッディングライニング２０として利用することを不適であると考えさせる数多くの理由が存在することに注意すべきである。しかし、事実は逆であることが見いだされた。第１に通常エアロゲルは前参照の米国特許第５，４９６，５２７号に例示された如くに、その形成に関しオートクレーブを利用した超臨界的抽出を必要とする。この様な工程は、本発明にて求められるような非常に長い構造体表面へのエアロゲルの連続適用には不向きである。
【００３２】
更に本発明はこれに限定されないが、エアロゲルは一般にはシリコンをベースとした構造体である。エアロゲル構造体に圧を加えることはできるが、それ自体は極めて不安定であることから、一般に圧力を加えられた状態でのその性能について危惧されている。従来、前記参照の米国特許に例示されている如く、この様なコーティングは固体ガラス基質の外側、又はグラスファイバーそのものに行われてきた。しかし、本発明による柔軟なプラスチックチューブの内表面にこれを適用することは全く別の事象である。それにも関わらず、この応用について特別なエアロゲル沈積工程が工夫され、室温にて軟質プラスチックチューブ内面にエアロゲルコーティングすることが出きるようになった。
【００３３】
最後に、エアロゲルは実質的に疎水性であるか、又は少なくとも永久疎水性に耐える様に典型的に構築されている。その理由は、エアロゲル構造の大部分が空気又はその他の気体であるためである。上記の如くエアロゲルは、スポンジ構造を構築している要素が堅牢なシリコンをベースとした材料であることを以外、実際のスポンジに類似している。孔は極めて構造的であり、かつ配向性を有しているが、多孔性材料自体は類似している。従って、液体は時間と共にスポンジ様の疎水性エアロゲルの孔の中に浸透していくだろう。
【００３４】
しかし、発明の必須の特性は、液体又はゲル光導チューブ１２内面上のエアロゲルコーティング２０が、フィルム２０がコア材料によって湿潤されない様にするため、即ち加圧時に於いてもコアからの液体がエアロゲルフィルム孔内を貫通しない様に、好ましく疎水性でなければならない点である。さもなければ、クラッディングの屈折率は許容不能な程大きくなり、クラッディングとコアの間の屈折率差が小さくなり、その結果エアロゲルフィルムの持つ第１の利点が失われることになるだろう。水をベースとするコア１６について、エアロゲルが極めて疎水性になる様に工夫できることが判明し。更に、別の液体をコアとして利用する場合には、液体がそのマトリックスから排除される様にエアロゲル層２０を作ることもできる。
【００３５】
好適形態では、フィルム２０は０．１ないし４．０μｍの厚さであり、好ましくはエアロゲルであるが、エアロゲルフィルム２０はＳｉＯ_２及びＡＬ_２Ｏ_３をベースとする溶液を特に含む適当な液体から選択されるだろう。最も好ましい形態では、可視光を伝達する導波管に関しては約１．０−２．０μｍ厚が好ましいが、フィルム２０の厚さは約２．０μｍであり、シリカエアロゲルである。チューブ１２は好ましく５０ないし１００フィート及びそれ以上の長さと、約５−１４ｍｍの直径を持つ連続した管である。本発明以前は、エアロゲル層を形成する場合、湿潤ゲル構造を破壊する水蒸気表面張力とそれに付随する乾燥応力を回避するために、液体をオートクレーブ内にて臨界温度及び圧以上にして除いた。
【００３６】
本発明では、フィルム２０はチューブ１２を最初にシリコキサン又は他所望ポリマーの液体のコロイド状分散体であるゾルで充填される排液コーティング法を利用し、内面１８上に好ましく調製される。本発明に適したゾルには粒子状又は重合性ゾルが含まれる。ゾル組成物は前記ＳｉＯ_２及びＡＬ_２Ｏ_３の様なセラミックの水性又はアルコキシル化コロイド分散体を含むが、これに限定されるものではない。追加のゾル組成物は、式中Ｍが金属でありＲが有機リガンド、好ましくはアルキル基である部分的または完全に加水分解された金属アルコキシド（Ｍ（ＯＲ）_ｎ）、部分的又は完全に加水分解された有機的置換型金属アルコキシド（式中のＲ’が非加水分解性有機リガンドであるＲ’_ｘＭ（ＯＲ）_ｎ−ｘ）、及び当業者既知のその他コロイド分散体が含まれるだろう。ゾルの液体組成物には、水、アルコール、又はヘキサン、シクロヘキサン、トルエン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、メトキシエタノール、又は複合組成体（好ましくはミセル）液混合物の様なその他の有機性液体が含まれるが、これに限定されない。ゾルに関する唯一の実際上の条件は、排液コーティング処理中にそれが安定性を保つこと、即ち沈殿せず、そして粘性及び濃度が排液コーティングに適していることである。
【００３７】
チューブ１２が充填された後、チューブ１２はコントロールされた速度で排液され、表面１８上に均一フィルムが沈積する。好適形態では、チューブ材料と液体の組合せは、チューブ１２の内面が排液前の接触時間により膨潤するよう選択される。フィルムが沈積されると、アエロゲル／ポリマーチューブ界面にてポリマーの貫入が起こり、フィルム２０による接着を促進する。例示として、ＰＶＣチューブ１２及びヘキサンベースのゾルは、チューブ１２が大きく屈曲し、チューブ１２に折り目ができる場合でも接着状態を維持するエアロゲルフィルムを生ずる。
【００３８】
本発明の低屈折率コーティングを有するプラスチック又はその他のチューブを形成するには、２つの方法が好適である。第１の好適形成方法は低温／低圧エアロゲル薄フィルム形成技術（ＬＴＰＡ法）であり、第２の好適形成方法は界面活性剤−鋳型間孔フィルム形成（ＳＴ法）である。第１の方法は、浸漬−又は排液コーティングによるチューブ内面上へのアルキル−シリル誘導化シリカゾルの沈積を含む。ゾルは充填及び排液（前記の通り）によりフィルム沈積中にチューブ内に濃縮されるために、凝集とゲル化が起こる。次にゲル化したフィルムは乾燥される。乾燥初期段階での収縮とそれに比例する多孔性の消失は、スプリングバックとして知られるゲルのネット構造の自然な膨張により、乾燥の最終段階で回復される。換言すれば、ゲルは収縮するが、それ自体反応する訳では無いことから、排液中に毛細管圧が消失する乾燥最終段階でゲルは元の容積より大きく復元する。そうして生じたゲルのネット構造は５０ないし９０容積％以上の範囲の多孔性を有することができる。こうして沈積されたフィルムは、アルキル−シリル誘導化剤の働きにより極めて疎水的である。還元状態下での熱処理により、この疎水性は少なくとも部分的に保存される。
【００３９】
別の好適（ＳＴ）方法は、両親媒性分子又はブロックコポリマーが自己集合し、水性媒体中にミセル化し液晶アッセンブリーを形成する傾向を利用する。ケイ酸の様な無機前駆体が存在する状態では、液晶形成に伴って疎水性界面活性剤の頭部基またはポリマーブロック周辺に無機前駆体の組織化が起こり、規則的な有機−無機ナノ組成物が形成される。界面活性剤又はポリマーを除去すると、界面活性剤又はポリマー液晶アッセンブリーの多孔性無機化石が創られる。この方法により４０−６０％の範囲の多孔性を持つエアロゲルフィルム２０ができる。式中のＲ’がフェニル、又はフルオロアルキル（ＣＨ_２）_ｎ（ＣＦ_２）_ｘＣＦ_３のような疎水性有機基である有機アルコキシシランＲ’Ｓｉ（ＯＲ）_３を利用することで、これらＳＴ加工されたフィルムを疎水性にすることができる。更に、トリクロロベンゼンの様な非極性溶媒を膨潤剤として導入し、多孔性を増すことがもできる。
【００４０】
ポリマーチューブ内面上に確固としたエアロゲルの多孔性コーティングを生じるこれら２つの方法に関し、界面接着を最適化することは有益である。一例では、界面化学は共有結合した有機／無機界面を提供する様に工夫される。この方法は恐らくトリアルコキシラン又はビニル基で修飾された特別なポリマーの利用を必要とするだろう。別の方法は、同一ポリマー膨潤剤中に調製された有機ポリマーチューブの内面上に多孔性無機コーティングを適用する前に、有機ポリマーチューブ内面を膨潤させるものである。適当に工夫されれば、この方法は接着性の物理結合をもたらす相互に貫入したネット構造を導く。
【００４１】
本発明を調製するに当たっての重要な問題には、ポリマーチューブ支持体表面１８上にエアロゲルフィルムを適用した後、沈積したエアロゲルフィルムを硬化する問題が含まれる。この問題への対処法は幾つかある。一つはマイクロ波法を利用する方法である。マイクロ波はシリカコーティングのＳｉ−ＯＨ基を架橋し、そしてシリカのフレーム構造を更に縮合する、即ち２Ｓｉ−ＯＨからＳｉ−Ｏ−Ｓｉと水を生ずるのに極めて有効である。第２の方法は、アンモニア又はＨＣｌ上記に曝すことでこの縮合を触媒するものである。アンモニア又はＨＣｌは、コーティング操作後に導波管チューブを通して窒素キャリアーガス中に泡立てられる。いずれの場合も、長いチューブ内部部分が本発明のエアロゲルクラッディングフィルムによりコーティングされ、続いて硬化される。
【００４２】
発明の工程は、ポリマー表面上に安定した多孔性の疎水性コーティングを生ずる。処理条件（硬化温度、溶媒等）及び界面接着法は選択したポリマーに合わせ具体的に工夫されるだろう。
【００４３】
実施例Ｉ
上記ＬＴＰＡ法を用い、シリカエアロゲルの屈折率及び臨界角の例を、水中浸漬時間の関数として測定した。水中に浸漬されたサンプルの臨界角測定値は、浸漬６ヶ月後でも屈折率が１．２８以下であることを示していた。分光光学分析は、屈折率が約１．１であることを示した。これらの結果は、浸漬コーティングの屈折率を正確に側的できる光学形態を利用し、ポリマー表面上でも再現することができる。
【００４４】
実施例ＩＩ
上記実施例Ｉに類似の試験に於いて、可逆的乾燥収縮を利用する室温／圧エアロゲル工程を利用し、試験フィルムを調製した。シリカゲルをヘキサンメチルジシラザンで誘導化し、溶媒にて希釈、超音波にて液化した。続いてゾルを再濃縮し、シリコン基質上に浸漬コートした。フィルムを窒素中、１００℃にて５時間乾燥するか（フィルムＨＭＤＳ−１００）、又は窒素中、４５０℃まで熱分解した（フィルムＨＭＤＳ−４５０）。ＨＭＤＳ−１００フィルムをまず、空気中で分光楕円偏光計を用い測定した。測定結果は、厚さ７６１ｎｍ、屈折率１．０７であった。続いてフィルムを楕円偏光計に対する入射角が７５°であるセル中の水に入れ、全反射を得た。楕円偏光パラメーターを適合させた場合のフィルムの屈折率は１．０９に過ぎなかった。水の屈折率は１．３３であることから、全反射の臨界角は９０°−ｓｉｎ^−１［（１．３３）^２−（１．０９）^２］^１／２＝４０°である。２４時間水中に放置した後のフィルムの屈折率は１．０９である。
【００４５】
更に、ＨＭＤＳフィルムを空気中で試験したところ、厚さは１４１８．１ｎｍであり、屈折率は１．０５であった。このエアロゲルの浸漬後の水中での屈折率は約１．０６であり、水中に１１４時間放置した後の屈折率は１．０８である。
【００４６】
実施例ＩＩＩ
発明の沈積コーティング２０の屈折率は、複数のパラメータを利用することで１．１ないし１．２の好ましい範囲に調製できるだろう。これらには、一般に式中のＲがメチル、エチル、プロピル、フェニル、フルオロアルキル等であるＲ_３Ｓｉ−であるオルガノシリルリガンドによるゾル中のシロキサンの誘導化の程度を変えることが含まれる。屈折率はシロキサンポリマーの大きさ及び縮合の程度、Ｒ基の性質によっても変えられるだろう。好適形態では、最適な合成及び加工変数により入射角９０°以上と屈折率１．１２を得る。
【００４７】
実施例ＩＶ
本発明は、初期には電磁放射スペクトラムの全可視域で、そして最終的にはスペクトラム中のＵＶ及びＩＲ域に至るまでの性能劣化が約５０％損失／１００フィートト低い液体又はゲルコア光導体の創造に用いられる内部コーティングチューブの製造を目的としている。発明のチューブは機械的に堅牢であり、変形及び酷使に対し耐性である。フィルム２０は導波管が屈曲、捻り、及び定常運動を受けた時、通常の摩滅及び段裂下に機能する。特に、ポリエチレンチューブの内面上に形成されたシリカエアロゲル層は有意な結果を生じた。
【００４８】
上記に見られるように、本発明は電磁放射、特に可視光域の伝達に極めて効果的である新規の流体光導体を提供する。発明はまた、損失を少なくしながら大きな入射角をえるのにも有効である。エアロゲル内部コーティングを利用した本発明の光導体は、低コストのポリエチレン又は同様のチューブが利用できることから比較的低コスト／フィートで非常に大量且つ長い光導体を製造することができる。更に、エアロゲルにより非常に低い屈折率を得ることができるため、光導体開口数は劇的に大きくなる。最終的に、ｎ＝１．３３である水の様な比較的低屈折率であるコア材料の利用が可能になるため、低損失光導体に広い波長特性と高い伝達性を具備することができる。
【００４９】
前記内容及び本発明の例示的実施態様は、各種変更及び代替実施態様にて詳細記述されている。しかし、本発明の前記内容は例示であり、本発明の範囲は先行技術の観点より解釈されるクレームによって規定されると理解すべきである。更に、ここに好適に例示的に開示された発明は、ここに具体的に開示されていない要素なしに実施できるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明により実施される光導体の部分側面透視図である。
【図２】図２は、図１のライン２−２に実質沿って得られる断面図である。
【図３】図３は、内部光反射角を例示する、本発明により実施された光導体の側面透視図である。
【図４】図４は、図３のライン４−４に実質沿って得られる断面図である。
【図５】図５は、入射臨界角を例示する、本発明により構築される光導体の略図である。

Claims

以下を含む光導体：
内面及び第１ならびに第２端部を有する軟質の延長チューブ；
該チューブの内面にクラッディング層として付着されたエアロゲルフィルムであって、該チューブ内面に共有結合しているエアロゲルフィルム；及び
該エアロゲルクラッディングフィルムの屈折率より大きな屈折率を有する、該チューブ内に配置された流体コア。
該コアの流体が液体及びゲルより成るグループから選択される、請求項１記載の光導体。
該エアロゲルフィルムが疎水性である、請求項１記載の光導体。
該エアロゲルフィルムがシリカエアロゲルを含む、請求項３記載の光導体。
該エアロゲルフィルムが50-99％の多孔率を有する安定な多孔性疎水性コーティングを含む、請求項１記載の光導体。
該エアロゲルフィルムが60-90％の多孔率を有するシリカエアロゲルを含む、請求項５記載の光導体。
該シリカエアロゲルが1.28以下の屈折率を有する、請求項６記載の光導体。
以下の段階を含む流体光導体形成方法：
内面及び第１ならびに第２端部を有する延長チューブを形成し；
該延長チューブをゾルで充填し；
該充填された延長チューブからコントロールされた速度で該ゾルを排液し、該延長チューブの内面上にゾルの実質均一なフィルムを具備した排液された延長チューブを形成せしめ；
該フィルムを硬化し、該延長チューブ内面上にエアロゲルフィルムからなるエアロゲルクラッディングコーティングを形成せしめ；
該延長チューブの第１端部を閉鎖し；そして
該延長チューブを、該エアロゲルクラッディングコーティングの屈折率より実質的に大きな屈折率を有する流体コア材料で満たす。
該ゾルがシリカゾルである請求項８記載の方法。
該ゾルが該排液された延長チューブを通した窒素キャリアー中での気体の泡立てにより硬化され、該気体がアンモニア及びＨＣｌを含むグループより選択される、請求項８記載の方法。
該ゾルが、該排液された延長チューブをマイクロ波に曝露することで硬化される請求項８記載の方法。
該流体コア材料が、水、炭化水素、シリコン液、ミネラルオイル、ゲル、及びナトリウム、カルシウム、カリウムならびにその混合体より成るグループから選択された塩の溶液から成るグループから選択される、請求項８記載の方法。
該エアロゲルフィルムが疎水性である、請求項８記載の方法。