JPS6363005A - 赤外フアイバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （２）技術分野 この発明は、炭酸ガスレーザなどの高出力赤外レーザの
光の伝送路として用いられる赤外光ファイバに関する。

炭酸ガスレーザの光は、波長が１０．６μｍ　であって
、赤外域にある。波長が長いので、石英ガラスファイバ
のような可視、近赤外用のファイバは使えない。

この波長域の光をよく通す材料があまりないという問題
がある。

さらに、炭酸ガスレーザの光は、パワーが大きいので、
ファイバを通る際、ファイバによる吸収があるとすぐ発
熱し、熱により、光ファイバが損傷する、という問題が
ある。

（イ）従来技術 高出力の炭酸ガスレーザ光を伝送できる赤外光ファイバ
として、金属のハロゲン化物（クリラムハライド、アル
カリハライド、銀ハライド〕からなる結晶質ファイバや
、カルコゲナイドガラスからなるガラスファイバが開発
されている。

これらの材料は、比較的低損失で炭酸ガスレーザの光全
通すことができる。低損失といっても、可視光に対する
石英ガラスファイバとは比べものにならない程の損失が
ある。

これらの材料をコアとして、１ｍ〜数ｍの長さの赤外光
ファイバが作られている。

このようにコアとして適当な材料が既にあるのであるが
、クラッドとして適するものが得難い、という難問があ
った。

可視から近赤外に於て用いられる石英ガラスファイバ、
多成分ガラス系ファイバなどは、コア、クララＦの二重
構造よりなっている。

クラッドは、光を通し、しかも屈折率がコアより僅かに
小さい材料で作られる。コア、クラッドの屈折率の差が
、コア中を伝搬する光のモード数に決定する。

クラッドは屈折率がコアより僅かに低い、という条件の
他に、その光を吸収せずに通す、という条件が必要であ
る。

石英ガラスの場合、コア、クラッドともに石英として、
いずれかに酸化物を添えることにより、屈折率の差を与
える事ができる。

コアとクラッドよりなる構造が光ファイバの典型的な構
造である。クラッドを有すると、光を有効に閉じこめる
ことができるし、外部の状態により光の伝搬状態が影響
全受けないという利点がある。

赤外光ファイバの場合であっても、コアとクラッドから
なる二重構造が望ましい。

しかし、従来の赤外光ファイバは、適当なりラッド構造
を持っていない。

クラッドを作り難い理由はふたつある。

コアより僅かに屈折率が低く、しかも赤外光をよく通す
材料をクラッドとしなければならない。

しかし、このような材料が従来見出されていなかった。

これが第１の理由である。

もうひとつは、コ′アの上にクラッド材料を被覆すると
いう、コア／クラッド構造の作製が困難である。これが
第２の理由である。

そこで、結晶質ファイバでは、コアだけを形成し、クラ
ッド物質を被覆しないようにしている。

つまり、周囲の空気をクラッドとしている。エアクラッ
ド構造と呼ばれる。つまり、有形的なりラッド層がない
。しかし、空気は赤外光をよ（通すし、屈折率はコアよ
り低いので、クラッドの条件をいちおう満足している、
といえる。

カルコゲナイドガラスファイバでは、テフロン全クラッ
ドとした樹脂クラッド構造が従来から用いられている。

この構造に於て、テフロンは炭酸ガスレーザの光を透過
しないので、通常の意味のクラッドという定義からは外
れている。

位）発明が解決しようとする問題点 エアクラッド構造の結晶質光ファイバ、樹脂クラッド構
造のカルコゲナイドガラス光ファイバは、高出力の炭酸
ガスレーザの光を伝送する上で次のような問題があった
。

エアクラッド構造では、光ファイバを他の支持物体に接
触させない状態（エアクラッドの状態というンで伝送で
きていたパワー量が、支持物体を光ファイバに接触させ
ると伝送できすくする。支持物体を接触させると、伝送
可能なパワー量が著しく低下する。これは、支持物体接
触部で光パワーが洩れるからである。

より大きい光パワーを伝送しようとすると、支持物体と
の接触部で光ファイバが瞬時のうちに溶断する。接触部
では、エアが存在しないので、光が良好に閉じこめられ
ず、光パワーが洩れ、接触物体が強く加熱される。光フ
ァイバも同様に強く加熱される。このため、光ファイバ
が溶断する。

エアクラッド構造は、空気ｔクラッドとするので、この
ような不安定性がある。

光ファイバがどのような物体とも接触していなければよ
いのであるが、どこかで支持しなければならない。どこ
で支持をするにしても、支持物体に於ける発熱という問
題がある。

テフロンなどをクラッドとする樹脂クラッド構造は、パ
ワー伝送時に、クラツド材の光吸収によって、光フアイ
バ全体が急速に発熱する。このなめファイバ自体の溶断
が発生しやすい。

に）発熱、溶断の原因についての考察 炭酸ガスレーザは、強力な光パワーと発生するから、炭
酸ガスレーザ用の赤外光ファイバには、常に溶断の危険
性がある。

前述の発熱、溶断の発生原因を考察する。

赤外光ファイバを伝搬する光波モードの電磁界分布につ
いて考察すれば、この原因を理解する事ができる。

゛光ファイバ内の光モードは、伝搬可能なものとして、
第８図に示すように、ファイバのコア／クランド界面を
全反射してゆくものがある。伝搬方向０の最大角は、コ
ア、クラッドの屈折率によって決まる。これを導波モー
ドという。

この場合、幾何光学的には、クラッド領域に光が存在し
ないが、全反射している場合であっても、実際には、第
９図に示すように、電磁界がクラッド領域にしみ出して
いる。第９図はコア、クラッド境界に於ける電界強度で
ある。

また、第１０図に示すように、コア内を伝搬する光線が
何らかの要因によって散乱される事がある。

このため伝搬方向０が変化し、θが増えたものの一部は
コア・クラッド界面で全反射せず、クラッドへ抜けてゆ
く。第１１図にこのような光線に対応する電界強度分布
全示した。このように、クラッドへ抜けてゆくモードを
放射モードという。

光ファイバにはなんらかの光散乱要因が存在するし、光
フアイバ全曲げることもあるので、必ず放射モードが発
生する。

このように、導波モードであっても、クラッド領域にし
み出した電磁界があるし、全反射条件から外れてクラッ
ド領域に伝搬してゆく放射モードの電磁波が存在する。

エアクラッド構造の場合、光フアイバコアに光吸収度の
大きい支持物体が接触しているので、支持物体に、クラ
ッド領域の電磁波成分が吸収される。このため支持物体
との接触部で著しい発熱が起こる。

テフロン樹脂クラッド構造の場合、光吸収の大きいテフ
ロンによって、クラッド領域に出た電磁波成分が吸収さ
れる。これが熱エネルギーとなって、テフロンと、光フ
アイバコアとが著しく発熱する。

ｍ　　　　目　　　　　　　的 以上の考察から、高出力炭酸ガスレーザ光を伝送する光
ファイバとしては、光フアイバ表面より外側に電磁界が
存在しないようなファイバ構造が必要となる。

光フアイバ表面より外側に電磁界が存在しないような赤
外光ファイバを提供する事が本発明の目的である。

（ロ）構成 本発明の赤外光ファイバは、コアと、赤外透過材料から
なる薄膜と、金属薄膜とよりなる三重構造の光ファイバ
である。

順に説明する。

（１）　　コア、結晶質ファイバ、ガラスファイバ銀ハ
ライド結晶　　　・・・・　ＡｇＢｒ　、　ＡｇＣ５又
はそれらの混晶 タリウムハライド結晶　　・・・・　ＴｌＣ１、Ｔｌｌ
　、　ＴｌＢｒ又はそれらの混晶 カルコゲナイドガラス・・−・Ｇｅ−９、Ｇｅ−５ｅ　
、　　Ａｓ　−３。

Ａｓ−９ｅｔ主成分とする ガラス これらは、赤外光ファイバ材料として既に知られている
ものである。

（１１）赤外透過材料の薄膜 ＢａＦ、フッ化バリウム ＰｂＦ　２フフ化鉛 どちらかを使った１層の薄膜、或は両方の薄膜２層とす
る。

これは赤外光を透過する材料でなければならない。テフ
ロンなどの樹脂は左外光を通さないので使えない。

赤外透過材料薄膜の厚さは５μｍ以上が望ましい◇ （ｉｆｆ）　　金属薄膜 全Ａｕ１銀Ａｇ１アルミニウムＡｌ　のいずれかひとつ
の薄膜。膜厚は１μｍ以上とする。

第１図は本発明の赤外光ファイバの一例全示す断面図で
ある。

臭化銀結晶（ＡｇＢｒ　）　　よりなる光フアイバコア
１の周囲に、フッ化鉛（ＰｂＦ、　）のコーティング層
２が形成しである。

コーティング方法としては、真空蒸着法、スパッタリン
グ法などが用いられる。フッ化鉛層の厚さは５μｍ以上
とする。

さらに、その上に金属層として、金コーティング層３を
設けている。金層の厚さは１μｍ以上とする。コーティ
ング方法は、フッ化鉛層と同じく、真空蒸着法、スパッ
タリング法などを用いる。

（ホ）作　用 前述した高出力炭酸ガスレーザ光の伝送用ファイバに関
する問題点が、本発明によってどの２ようにして解決で
きるかを説明する。

簡単のため、第１図の例によって説明する。

前述のように、ファイバコアの外側に電磁界成分を有す
る光のモードとしては、導波モードと放射モードがある
。

導波モードのファイバクラッドにおけるしみ出し電磁界
は遠方へゆくに従って減衰してゆく。ファイバコアにフ
ッ化鉛をコーティングした場合、そのしみ出し電磁界が
十分小さくなる距離は、５μｍであることを実験により
確認した。このような事を図で説明すると第２図のよう
になる。

第２図に於て、横軸は導波モードの電磁界強度である。

縦軸はファイバの半径方向の距離を示す。

臭化銀ＡｇＢｒコアと、ＰｂＦ　２クラツドの境界から
、約５μｍで、電磁界強度が減衰する。

この光ファイバは、シングルモードファイバである事モ
できる。マルチモードファイバである事もできる。コア
の半径の大きさによっていずれも可能である。

炭酸ガスレーザの光は、多くの場合、パワーを利用する
のであるから、マルチモードファイバであることが多い
。マルチモードの場合、導波モードは数多くあるが、ど
のモード次数のものも、コア・クラッド境界からクラッ
ド側へ入るに従って減衰してゆく。

導波モーＦのみを考えれば、第２図の構造で、ファイバ
外側での電磁界は無視できる。クラッドが十分の厚みを
もっているからである。従って、ファイバの外側に光吸
収性のあるファイバ支持体が存在しても、余分な発熱は
生じないはずである。

ところが、実際には、第２図に示すような、ＰｂＦ２ク
ラッドを持つだけのファイバの構造では、ファイバ支柱
体との接触部に於て、余分な発熱が生ずる。この発熱は
、導波モードだけを考えていたのでは説明できない。

これは、もうひとつの光モードである放射モードの影響
と考えられる。

放射モードがＰｂＦ２　　クラッド層の外側へ注湯して
ゆくのである。

放射モードは、クラッドの中で電界成分が少なくとも一
度振動するようなモードであるから、クラッドから抜け
てゆくことができる。

長いファイバであって、ベンディングのない一様なファ
イバであれば、光源から十分離れた位置に於て、放射モ
ードが存在しないはずである。

しかし、炭酸ガス用の光ファイバの場合は、短いし、彎
曲している部分もあるし、ファイバ支持体との接触部に
於て、モード変換が起こることもある。このような理由
で、放射モードも存在しているのである。

そこで、本発明に於ては、第２図のコア、クラッド構造
に加えて、さらに金属層ｔコーティングする。第１の例
では金Ａｕを金属層としている。

クラッドが２層構造となり、全体として三重構造となっ
ている。

第３図に、本発明の光ファイバの三重構造に於ける導波
モード、放射モードの電界強度を示す。

放射モードは、第２図の構造で、はクラッドの外側にま
で拡がる存在確率をもっていたが、第３図に於ては、ク
ラッドの外側へ全く漏れていない。

放射モードの光は、フッ化鉛ＰｂＦ　２と金Ａｕ層の境
界で反射される。反射されるから、放射モード光は金層
より外側へ出る事ができない。従って、フッ化鉛と金層
の境界での放射モード光の強度分布はほぼＯになってい
る。

このように、放射モード光は完全に反射されるが、この
ように反射されるなめには、金層の厚みは１μｍ以上必
要である 以上は、放射モードについての説明であった。

導波モードの方は、第２図の場合と同じように、フッ化
鉛層によって、十分減衰し、電磁界のしみ出しは金層に
まで到達しない。

結局、本発明の光ファイバに於ては、光ファイバの外側
、すなわち金層の外側へ漏洩してゆく光の成分は存在し
ない。

このように、導波モードは、フッ化鉛層により、電磁界
のしみ出しがカットされるし、放射モードは、金層によ
って電磁界のしみ出しがカットされる。

汐）実　験 以上の説明を実証するために、ＡｇＢｒをコアとしクラ
ッドの異なる３種類の赤外ファイバについて、光の電磁
界がファイバ外部へどの程度漏洩しているのかを調べる
実験を行なった。

ファイバは （ａ）ＡｇＢｒコア （ｂ）ＡｇＢｒ　：ｌア＋（出射端ｘｏｃｍニ）　Ｐｂ
Ｆ２コーティング（Ｃ）ＡｇＢｒ　コア　＋　（出射端
１０αにン（ＰｂＦ２薄膜ｕ）：ｒ−ティングの３本で
ある。（ｂ’＋は第２図に、（ｃ）は第３図に対応する
ファイバである。出射端のみにコーティングするのは、
出射端での発熱が特に著しいがらである。全体をコーテ
ィングしてもよいのはもちろんである。

順に説明する。

直径７００μｍのＡｇＢｒファイバコア１　ｍ　ｆ　３
　本準備した。

１本をコアクラッド構造のファイバとして、そのまま用
いた（ファイバａ）。もう１本のファイバは出射端から
１０１の所まで、第２図のように、ＰｂＦ２薄膜を５μ
ｍの（ファイバｂ）厚さでコーティングした。ｔａの１
本のファイバは出射端から１０百の所まで、第３図のよ
うにＰｂＦ　２薄膜５μｍ１金薄膜１μｍのコーティン
グを施した（ファイバＣ）。

第４図に示すように、各々のファイバについてその出射
端にアルミナ製のスリーブ６全接着剤によって固定した
。スリーブ６の温度を熱電対７によって測定した。

それぞれの光ファイバには、炭酸ガスレーザの光を通し
六〇光ファイバの出力側で測定した光のパワーは２０Ｗ
であるようにし六〇ファイバ自体の表面温度（中間部の
ファイバが露出している部分のコア温度）はいずれも７
０℃であった。

スリーブの温度は、ファイバの構造に対応して異なって
いる。第１表に、各ファイバのスリーブの温度の測定結
果を示す。

第１表炭酸ガスレーザを通した時の諷リーブ温度（ファ
イバ自体の表面温度はいずれも７０℃）この実験結果か
ら次のような事がわかる。

フッ化鉛と金とを第３図のようにコーティングした本発
明に係るファイバを使った場合、出射端のスリーブ温度
は７０〜７５℃で、ファイバ表面温度７０℃とあまり差
がない。導波モード、放射モードともに、光ファイバの
外側へ殆どしみ出していない、という事である。

これに比べて、コアだけからなるエアクラッド構造のフ
ァイバは、スリーブ温度が、ファイバ表面温度に比べて
１１０℃〜１５０℃も高くなっている。

これは光が多量に光ファイバの外側へ漏れている、とい
う事を表わしている。

フッ化鉛のみをコーティングしたファイバでは、ファイ
バ表面温度に比べて、スリーブ温度は４５℃〜８５℃も
温度が高くなっている。

前者のエアクラッド構造のファイバに於ては、導波モー
ドと放射モードとが光ファイバの外側へ漏洩しているも
のと考えられる。また後者のフッ化鉛コーティングファ
イバでは、放射モードの光が光ファイバの外側へ漏洩し
ているものと考えられる。

フッ化鉛層の厚さの下限を調べるために、ファイバ（ｄ
）として、フッ化鉛層２μｍ１金層１μｖａ全コーティ
ングしたファイバを作製した。これも第１表に実験結果
を示している。

フッ化鉛層の厚さが５μｍの場合に比べて、２μｍのも
のは、スリーブ温度が２０℃程度高くなっている。

この理由は次のように考えられる。

導波モードのしみ出し部が、ＡｇＢｒのファイバコア表
面から十分減衰しない内に金層に達する。導波モードの
一部が金層の中へしみ出すことになる。

金層に於ける導波モードのしみ出し分が吸収されて熱に
かわり、スリーブ温度が上昇する。

以上のように考えられる。さらにフッ化鉛層を薄くした
ファイバを作り、同様な実験を行なったが、フッ化鉛層
を薄くすると、スリーブ温度が急激に上昇してゆく、と
いう事が分った。

これらの実験結果から、フッ化鉛層は５μｍ以上なけれ
ばならない、という事が分る。５μｍ未満の場合は、導
波モードのしみ出しがあって、これが発熱の原因となる
。

このように、本発明の赤外光ファイバは、赤外透過材料
の薄膜をコアの周囲に設ける事により、導波モードの漏
れを防ぎ、赤外透過材料の周囲に金属薄膜を設ける事に
より放射モードのしみ出しを防ぐことができる。

光ファイバの外側へ光が殆ど漏れないから、光ファイバ
が発熱せず、炭酸ガスレーザの強力な力によって損傷を
受けない。

ケ）その他の実施例 以上述べた実験は、光フアイバ出射端のみに本発明のコ
ーティング層を設けた光ファイバに関するものである。

光ファイバに炭酸ガスレーザの光を通しな場合、出射端
近傍に於て、光の洩れが特に大きい。伝送された光の吸
収による発熱及び溶断の発生しやすいのが出射端近傍で
ある。

出射端に次いで発熱するのが入射端である。中間部は比
較的発熱が少ない。

そのような理由で、前述の実施例では、出射端近傍１０
αの長さの部分にのみＰｂＦ２、Ａｕのコーティングを
した。

しかし、本発明に於ては、ファイバ出射端近傍のみなら
ず、ファイバ入出力端近傍に、或はファイバ全長にわな
って本発明のコーティング層を設けてよいのはもちろん
である。

第５図の構成は、光フアイバ入出力端近傍に、各端面か
らＩＯｔＭの長さで本発明のコーティング層を設けた例
である。出力端だけでなく入力端にもコーティング層を
形成している。

実験によれば、入出力端近傍各端面上９１０１ｍ以内で
、特に光の洩れが大きいということが確認できている。

この部分のみに本発明の二層コーティング層を設ける事
により、発熱、溶断の発生しにくい、伝送パワー量の大
きい光ファイバを構成することができる。

このように、出射端のみ、或は入出射端のみにコーティ
ングを設ける事は、コーティング長さに比べて効果が大
きく、極めて効率的である。しかし、最も良いのは、光
フアイバ全長にわたってコーティングする事である。

第６図はファイバの全長にわたって本発明のコーティン
グＷＪを設けたものの構成を示している。

入射、出射端以外に、中間部にもコーティングするから
、次のような効果がある。、光ファイバの実使用時には
、屈曲の繰りかえしが行なわれる。くりかえし屈曲によ
って、ファイバコア部に表面凹凸やキズが発生する。こ
れらの欠陥の発生により、光の洩れが、これらの部分で
大きくなる。

しかし、本発明のコーティングが施しであるから、コア
部から漏れた光がクラッドで反射され、あるいは引戻さ
れるから、ファイバ外周部には漏れない。

したがって、発熱が起こりに＜＜、溶断も起こりにくい
。

つまり、屈曲性の優れた赤外光ファイバとする事ができ
る。

前述の実験データの説明において採用したコーティング
層の構造は、フッ化鉛層ＰｂＦ　２と金属Ａｕの２層構
造であった。

しかし、本発明の光フアイバコーティング構造は、これ
に限るものではない。

赤外透過材料よりなる薄膜として、１層のＰｂＦ　２の
かわりに、フッ化鉛ＰｂＦ　、とフッ化バリウムＢａＦ
２の２層薄膜としてもよい。この場合、ｐｂＦ２＋Ｂａ
Ｆ２の膜厚は全体として５μｍ以上ある事が必要である
。

また金属薄膜として、金層Ａｕのかわりに銀Ａｇ１アル
ミニウムＡＩなどにコーティングするようにしてもよい
。この場合も、銀層、あるいはアルミニウム層の厚みは
１μｍ以上でなければならない。

第７図にこのような光ファイバの構造を示す。

さらに、光フアイバコアとしては、ＡｇＢｒのみを挙げ
たが、これに限らない。公知の赤外光用ファイバコア企
用いる事ができる。

（１）　　タリウムハライド結晶 ＴｌＣ１１ＴｄＢｒ、　ＴｌＩ及びその混晶（２）　　
銀ハライド結晶 ＡｇＡｇＢｒｌＡｇＣ１１Ａ及びその混晶（３）　　カ
ルコゲナイドガラス Ｇｅ−５，Ｇｅ−３ｅ、　Ａｓ−３ＳＡｓ−３ｅ　　を
主成分とするカルコゲナイドガラス などである。

（コ）効　果 本発明の光ファイバは、光フアイバ表面より外側に電磁
界が存在しない。レーザ光伝送時の光の洩れｔ防ぎ、発
熱、溶断が発生しにくい。

このため、高出力炭酸ガスレーザ光伝送用ファイバとし
て、大きな利用価値を持っている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例にかかる光ファイバの断面図。 第２図はＡｇＢｒコアにフッ化鉛ＰｂＦ２１コーテイン
グしたもののファイバ中での電磁界強度分布を示すグラ
フ。 第３図はＡｇＢｒコアにフッ化鉛ＰｂＦ　２と金とをコ
ーティングしたファイバの、ファイバ中での電磁界強度
分布２示すグラフ。 第４図はファイバの出射端にアルミナ製スリーブ全とり
つけ温度上昇を測定できるようにしたものの斜視図。 第５図は光ファイバの出射端と入射端とに、本発明のコ
ーティング層を設けたもの全説明する斜視図。 第６図は光ファイバの全長にわたって本発明のコーティ
ング層と設けたものの斜視図。 第７図は本発明の他の実施例の斜視断面図。 第８図は幾何光学的に表わしたファイバ内の光伝搬説明
図。 第９図は導波モードの界面近くの電界強度図。 第１０図はコア内散乱を説明する図。 第１１図は放射モードの界面近くの電界強度図。 １　・・・・　ＡｇＢｒ光フアイバコア２　・・・・　
フッ化鉛コーティング層３　・・・・　金コーティング
層 ６　　・・・・　　ス　　リ　　−　ブ７・・・・熱電
　対 発　　明　者　　　　　　　　葭　　１）　典　　之特
許出願人　　　　住友電気工業株式会社１きメ 第　　　８　　　図 光伝搬の幾何光学図 第　　　９　　　図 導波モード クラッド 第　　　１１　　　　ｒ：Ａ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）臭化銀、塩化銀、沃化銀の銀ハライド結晶又はそ
   れらの混晶、塩化タリウム、臭化タリウム沃化タリウム
   のタリウムハライド結晶又はそれらの混晶、からなる結
   晶質ファイバコア、或はゲルマニウム−イオウ、ゲルマ
   ニウム−セレン、ヒ素−イオウ、ヒ素−セレンなどを主
   成分とするカルコゲナイドガラスからなるガラスファイ
   バコアの表面に、赤外透過材料の薄膜を５μｍ以上の厚
   さに形成し、さらにその上に１μｍ以上の厚さの金属薄
   膜を設けた事を特徴とする赤外ファイバ。
2. （２）赤外透過材料の薄膜がフッ化鉛薄膜、あるいはフ
   ッ化バリウム薄膜のいずれか一層からなる事を特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の赤外ファイバ。
3. （３）赤外透過材料の薄膜がフッ化鉛薄膜およびフッ化
   バリウム薄膜の二層からなる事を特徴とする特許請求の
   範囲第（１）項記載の赤外ファイバ。
4. （４）金属薄膜が金、銀、アルミニウムの群から選ばれ
   たひとつである特許請求の範囲第（１）項記載の赤外フ
   ァイバ。
5. （５）赤外透過材料よりなる薄膜及び金属薄膜がファイ
   バの両端より１０ｃｍ以内のところにのみ形成されてい
   る事を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の赤外
   ファイバ。