JP4554154B2 - レーザを使用する光ファイバコーティングのｕｖ硬化 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、光ファイバに関する線引き速度を増大させることを可能にする、連続波（ｃｗ）レーザまたはパルスレーザを使用して、光ファイバ上の保護コーティングを硬化させる有効な方法に関する。詳細には、本方法は、ファイバ上に配置されたコーティングの一様な照射と硬化のために、線引き光ファイバ上にレーザビームを位置合わせすることに関する。
【０００２】
関連技術の説明
光ファイバの製造では、ガラスプリフォームロッドを炉内において制御した速度で動かす。炉は、プリフォームを軟化させ、プリフォームロッドの溶融した端からキャプスタンによって光ファイバを線引きできるようにする。
【０００３】
線引きされた光ファイバは損傷を受けやすいので、光ファイバをプリフォームロッドから線引きした後、ただし別の表面に光ファイバが接触する前に、コーティングをその光ファイバに適用しなければならない。そのような保護コーティングを提供するため、材料をファイバに適用する。この材料は、線引きされたファイバが、キャプスタンに到達する前に固めなければならない。この固化は、硬化技術によって促進される。ウェットオンウエット線引き技術が、プリフォームから光ファイバを線引きする例としての形態である。ウェットオンウェット技術は、第１のコーティングをファイバに適用することと、第１のコーティングがまだその粘性状態にあるうちに、第２のコーティングをこのファイバに適用することとを含む。第１のコーティングと第２のコーティングとをその後に硬化させる。第１のコーティングを適用し、次にその第１のコーティングを硬化させ、その後、第２のコーティングを適用し、その第２のコーティングを硬化させるなどの、その他の技術も知られている。この第２の技術は、線引きタワー内に追加の装置を含むことを必要とするが、第１のコーティングが粘性状態にあるうちに、第１のコーティング処理を必要とする、ウェットオンウェット線引き技術より単純である。その他の技術も使用することが可能であり、本発明は、使用する技術の種類に限定されない。
【０００４】
光ファイバのためのコーティングを硬化させるための従来の技術には、Ｆｕｓｉｏｎランプなどのマイクロ波ランプを使用するコーティングの照射が含まれる。一般に使用されるＦｕｓｉｏｎランプは、直径９ｍｍ、１１ｍｍ、または１３ｍｍの、Ｈバルブ、Ｄバルブ、およびＶバルブである。ただし、細いファイバ上に相当な量のランプ光を集束させることは不可能である。実際には、Ｆｕｓｉｏｎランプの１パーセントないし数パーセントだけを、コーティングされたファイバ要素上に集束することができる。さらに、熱Ｆｕｓｉｏｎランプのエネルギーを十分に向けることができず、これにより、ファイバを一様にコーティングすることが困難になる。また、Ｆｕｓｉｏｎランプによって引き起こされる過剰な加熱効果および赤外線照射も、コーティング材料の特性を低下させる。
【０００５】
米国特許第５０００７７２号（Ｐｅｔｉｓｃｅ）で議論されるとおり、磁界の印加が、しばしば、ファイバコーティングの重合を促進する。ただし、Ｆｕｓｉｏｎランプの大きいことが、そのような磁界をファイバに印加するのを困難にしている。Ｆｕｓｉｏｎランプ構成において硬化速度に影響を与えるのに十分なだけ強力な磁界を提供するには、余りにも強力な磁界が必要とされるため、それにより、Ｆｕｓｉｏｎランプのマイクロ波放出が低下することになる。ランプの輝度が抑制されることになり、これにより、コーティングを硬化させるのに十分な輝度を提供するのが困難になる。したがって、磁界を使用して硬化速度を増加させる技術は、Ｆｕｓｉｏｎランプを使用しては実行不可能または不都合である。
【０００６】
硬化プロセスの効率を高めるため、マイクロ波ランプの代りにレーザを使用することができる。米国特許第４８１２１５０号が、レーザを熱源として使用することによってコーティングを硬化させる、レーザの使用を開示している。ただし、レーザは、ファイバを屈曲させる局所化された加熱を提供する。これは、ファイバの一方の側面上での加熱および硬化が、他方の側面上での加熱および硬化よりも大きくなるからである。さらに、レーザビームの局所的な集束に起因して、過度の熱が生成され、その結果、コーティングのモジュラスが望ましくないものになる可能性がある。米国特許第４２２７９０７号および米国特許第５７６１３６７号などの、光硬化の目的でレーザを照射するその他の知られている方法も、レーザビームに与えられる指向性の欠如に起因して同様の欠点を抱えている。
【０００７】
発明の概要
本発明は、コーティングの光化学的プロセスを開始するためにレーザ源を使用することにより、また硬化の目的で平行レーザビームを生成する光学装置を使用することによって、前述した欠点を克服する。そのような構成では、目標ファイバからずらされたレーザ源を使用して、ファイバコーティングを硬化させることが可能である。このレーザ源と目標ファイバとの間の隔たりが、硬化中にコーティングに対する熱および赤外線による損傷を軽減する。光学装置が、目標ファイバのまわりにレーザをさらに拡散し、硬化の目的でのエネルギーの一様な分散を実現する。ビーム拡大器および平凹レンズを介して提供される細長いビームにより、目標ファイバコーティングのより大きい部分を一度に硬化させることが可能になる。レーザ源はファイバからずらしているので、硬化可能なコーティングを有する目標ファイバに磁界を印加するのが実行可能となり、これにより、硬化速度がさらに２０〜４０％増大する。Ｉ．Ｖ．Ｋｈｕｄｙａｋｏｖ他による「Ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｃｒｙｌａｔｅｓ Ｓｔｕｄｉｅｄ ｗｉｔｈ ａ Ｃｕｒｅ Ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ ＰｈｏｔｏＤＳＣ」、Ｐｒｏｃｅｅｓｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、ｖｏｌ．３８４８、１９９９年、ｐ．１５１〜１５６。これにより、さらに、光ファイバの線引き速度の増大が可能となる。
【０００８】
レーザビーム波長は、レーザエネルギーが、コーティングの光開始剤によって吸収されるように選択する。好ましい実施形態では、コーティングは、２つの光開始剤を有し、その１つはおよそ３００ナノメートルの波長で吸収率が最大となり、もう１つはおよそ４００ナノメートルの波長で吸収率が最大となる。２つの光開始剤を使用することは、ウェットオンウェット線引き技術には重要である。
【０００９】
好ましい実施形態の説明
目標ファイバのまわりに一様に平行レーザビームを向けるための構成を示す単一の図面を参照して、以下に好ましい実施形態を議論する。
【００１０】
図面を参照すると、目標ファイバ１が、プリフォーム（図示せず）から線引きされ、コーティングプロセスを開始するための環境におかれている。本発明は、一次コーティングおよび二次コーティングを適用するための環境を含め、任意の標準の硬化環境に適用することができる。例として、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１の光開始剤、または２、４、６−トリメチルベンゾイルホスフィンオキシド（またはそれらの組み合わせ）の光開始剤を含む環境を使用することができる。
【００１１】
目標ファイバ１は、レーザ２からずらされる。一例としての距離は、およそ１０フィート（約３ｍ）である。この隔たりは、Ｆｕｓｉｏｎランプを使用する従来の技術よりも大きく、目標ファイバに照射される損傷を与える赤外線熱の量を低減することによって便益を提供する。レーザ源２は、多くの種類の連続レーザおよびパルスレーザから選択することができる。連続波レーザの例には、Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓによって製造されるＢｅａｍｌｏｋ Ａｒ^＋が含まれる。このレーザは、紫外線範囲で３３３ナノメートルから３５１ナノメートルのいくつかの波長λを放出するように動作可能である。Ａｒ^＋レーザは、およそ７Ｗのパワー出力を有し、産業用途に適している。例としてのパルスレーザには、Ｓｐｅｃｔｒｏｎ Ｌａｓｅｒ ＳｙｓｔｅｍｓからのＮｄ：ＹＡＧが含まれる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波は、３５５ナノメートルという波長λを有し、この波長が、ファイバコーティングの硬化に最も適している。ただし、その他の高調波も、硬化の目的で使用することができる。その出力パワーは、１０ｋＨｚという周波数で５Ｗである。どの高周波数ＵＶパルスレーザでも適している。別の許容可能なレーザは、３０８ナノメートルのλを有する紫外線エキシマーＸｅＣＩレーザーであり、このレーザは、Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｋによって製造されている。
【００１２】
前述の範囲の波長を有する光は、コーティング材料のために従来、使用されるほとんどの光開始剤によって吸収される。ただし、いくつかの光開始剤は、可視光範囲内（例えば、４００ナノメートルから８００ナノメートル）のエネルギーを吸収することができ、したがって、この範囲内のエネルギーを放出するレーザ源を使用することもできる。例えば、可視範囲内の光を放出するレーザダイオードも、重合を開始させるように構成することができる。このプロセスは、ファイバコーティングにこの範囲の光を吸収する染料を含めることで促進することができる。紫外線領域内で最大吸収率を有する２つの光開始剤を同時に励起するために、Ａｒ^＋レーザを使用することができる。１つの光開始剤は、３００ナノメートルにより近いところで最大吸収率を有し、もう１つの光開始剤は、４００ナノメートルにより近いところで最大吸収率を有する。
【００１３】
また、レーザビーム源の使用は、より狭い波長（例えば、±５ナノメートル）内の単色光によって光開始剤を励起することを可能にする。これにより、コーティング材料に関する重合を選択的に開始し、制御することが可能になる。これに比べて、広い範囲（およそ１００ナノメートル程度）の波長にわたって無差別に励起するＦｕｓｉｏｎランプを使用すると、そのような選択性または制御は全く不可能である。Ｆｕｓｉｏｎランプは、光ファイバのコーティングに含まれる染料または顔料などの材料を制御不可能に励起する可能性がある。
【００１４】
図面を参照すると、レーザがビーム拡大器３の方向に照射される。レーザの平行ビームは、高輝度スポットの形状をしている。このスポットが硬化の目的で使用されたとすると、その輝度により、従来のシステムの場合と同様に、場合によっては、目標ファイバが損傷を受ける可能性がある。したがって、ビーム拡大器４を使用し、およそ２ミリメートルという小さい直径を有する平行ビームを、１インチないし数インチというより大きな直径に拡散する。拡大されたビームは、平凹レンズ４および円柱レンズ５をさらに通過させ、およそ３〜４インチの長さで、目標ファイバの数倍の直径を有するレーザに集束させる。ストリップビームに関する例としての直径範囲は、１〜３ｍｍである。ファイバの反対側では円柱レンズに対向して、半円柱形に形成された鏡６がある。この鏡の中央部分にファイバを配置する。この鏡は、目標ファイバのまわりに光を均等に分散させることを促進する。
【００１５】
レーザ源と目標ファイバとの間の隔たりは、レーザの視準および光学要素によって提供される集束のために、大きい距離に構成することができる。２メートルより大きな隔たりを許容することができる。余計な熱効果を緩和することに加え、この隔たりにより、硬化装置内に磁界生成器（図示せず）のためのスペースを含めることが可能になるというさらなる便益を有する。この磁界の印加は、知られている機構によって提供され、したがって、その詳細は、この説明では省略する。
【００１６】
また、本発明は、目標ファイバのまわりに１つまたは複数の追加のレーザ源を配置して、対称的な照射を提供することにより、鏡６なしに実施することも可能である。例えば、目標ファイバのまわりに２つのレーザを互いに１８０度離して配置する、または３つのレーザを互いに１２０度離して配置することができる。いくつかのレーザ源を含めることにより、輝度（Ｗ／ｃｍ^２）が増し、またビーム露光（Ｊ／ｃｍ^２）も増すことになる。ただし、レーザ源は高価であるので、半円柱鏡６を含めることは、硬化装置の費用を最小限に抑えるのを促進する。
【００１７】
レーザおよび基本的な光学装置を使用することで、レーザエネルギーを、線引きされたファイバ上に正確かつ一様に集束させることができる。これにより、硬化エネルギーを効率的に使用することができ、ファイバを線引きする速度を高めることができる。前述した構成を使用すると、１０００メートル／分を超える速度の線引き速度が可能となろう。
【００１８】
本発明に関連して好ましい実施形態を議論してきたが、当分野の技術者は、本発明の趣旨および範囲内に留まりながらも、その特定の開示内容とは異なることを行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 目標ファイバのまわりに一様に平行レーザビームを向けるための構成を示す。

Claims (20)

1. ファイバ上のコーティングを光硬化させるための装置であって、
   レーザ源と、
   レーザ源から出力されたレーザビーム径を拡大するためのビーム拡大器と、
   ビーム拡大器によって拡大した直径を有するレーザビームを、目標ファイバ上にファイバの直径より大きい直径を有するストリップビームとして収束させるように作用する第１のレンズと、
   ビーム拡大器および前記第１のレンズに対して、目標ファイバの反対側に配置された凹面光学要素とを含む装置。
2. 前記第１のレンズが、前記ビーム拡大器に向けられて配置された平面側を有する平凹レンズからなる、請求項１に記載の装置。
3. 前記レーザ源が、可視光範囲の照射を出力する、請求項１に記載の装置。
4. 前記レーザ源が、連続波レーザである、請求項３に記載の装置。
5. 前記レーザ源が、パルスレーザである、請求項３に記載の装置。
6. 前記目標ファイバのまわりに磁界を印加するように作用する磁界源をさらに含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記レーザ源が、前記目標ファイバから少なくとも２メートル離れて配置された、請求項１に記載の装置。
8. 前記レーザ源が、３００ナノメートルと４００ナノメートルとの間にあるＵＶ範囲内の光を放出する連続波レーザである、請求項６に記載の装置。
9. 前記第１のレンズと前記凹面光学要素との間に配置された第２のレンズをさらに含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記第２のレンズが、円柱レンズを含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記レーザ源が、前記目標ファイバから少なくとも２メートル離れて配置された、請求項１０に記載の装置。
12. ファイバを光硬化させる方法であって、
    レーザビームを拡大して、拡大した直径のレーザビームを生成することと、
    拡大した直径のレーザビームを、ファイバの直径よりも大きい直径を有する光のストリップに集束させて、ファイバの前面に集束させることと、
    レーザビームの光のストリップを、ファイバの背面に反射させることとを含む方法。
13. ファイバのまわりに磁界を印加することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. レーザビームが、電磁スペクトルの可視部分内の光を連続的に出力する、請求項１２に記載の方法。
15. レーザが、可視光のパルスを出力する、請求項１２に記載の方法。
16. 前記レーザビームが、３００〜４００ナノメートルの範囲内で放出される、請求項１２に記載の方法。
17. 前記レーザビームが、４００〜８００ナノメートルの範囲内で照射を放出する、請求項１２に記載の方法。
18. 前記レーザビームの源が、ファイバから少なくとも２メートル離れて配置された、請求項１２に記載の方法。
19. レーザ源が、ＵＶ照射範囲内の照射を出力する、請求項１に記載の装置。
20. レーザ源が、４００〜８００ナノメートルの範囲内の照射を出力する、請求項３に記載の装置。

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