説明

中空導波路及びその製造方法

【課題】中空導波路内で発生する熱を効率よく放熱することにより、温度上昇による中空導波路の損傷を抑えることができる中空導波路及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ガラスキャピラリ1と、そのガラスキャピラリ1の内周に形成された金属薄膜2と、その金属薄膜2の内周に形成され、波長2μm以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜3とを有する中空導波路において、ガラスキャピラリ1の外周に、金属ナノ粒子を焼結して形成された金属膜5を有する中空導波路10である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光のパワー伝送に使用される中空導波路及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
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、及び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。
【0003】
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及び開発が活発に行われている。
【0004】
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、種々のタイプがある。なかでも、図6に示すような石英系ガラスキャピラリ62をベースにし、内壁を金属薄膜63及び誘電体膜64でコーティングした中空導波路61は、端面反射がないために端面損傷の恐れが無く、フレキシブルという点で優れており、有望視されている。
【0005】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【0006】
【特許文献1】特開2005−227707号公報
【特許文献2】特許第3299477号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
一般に、中空導波路では、導波路の損失により、透過しない光パワーが熱に変換される。このため、中空導波路に大パワーを入力すると発熱量が大きくなり、従来の石英ガラスキャピラリをベースとした中空導波路では、熱が蓄積してしまい、キャピラリ内部の誘電体膜に損傷が生じてしまうという間題があった。
【0008】
また、中空導波路は曲げの長さにより損失が増加するため、複雑な曲げにすると、より高温になってしまい、損傷しやすくなるという間題もあった。
【0009】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、中空導波路内で発生する熱を効率よく放熱することにより、中空導波路が高温になることを防いだ中空導波路及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、石英系管状部材と、その石英系管状部材の内周に形成された金属薄膜と、その金属薄膜の内周に形成され、波長2μm以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜とを有する中空導波路において、上記石英系管状部材の外周に、金属ナノ粒子を焼結して形成された金属膜を有する中空導波路である。
【0011】
上記金属ナノ粒子は、平均粒子径が500nm未満であるとよい。
【0012】
上記金属膜の材質が、金、銀、銅のいずれかであるとよい。
【0013】
また、本発明は、導波路を構成する石英系管状部材と、その石英系管状部材の内周に形成された金属薄膜と、その金属薄膜の内周に形成され、波長2μm以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜とを有する中空導波路の製造方法において、ガラス管を線引きして石英系管状部材を形成する工程と、上記石英系管状部材の外周に、金属ナノ粒子を溶媒中に分散させたスラリーを塗布し、加熱・焼結して金属膜を形成する工程と、上記金属膜を形成した石英系管状部材の内周に上記金属薄膜を形成する工程と、上記金属薄膜の内周に上記誘電体膜を形成する工程とを含む中空導波路の製造方法である。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、石英系管状部材の外周に金属膜を設けることにより、中空導波路の放熱が効率よく行え、温度上昇による中空導波路の損傷を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。
【0016】
本実施形態に係る中空導波路は、波長2μm以上の赤外光のパワー伝送に用いるためのものであり、例えばEr−YAGレーザ、COレーザ、CO2レーザを伝送するために用いるものである。
【0017】
図1は、本発明の好適な実施形態を示す中空導波路の横断面図である。
【0018】
図1に示すように、本実施形態に係る中空導波路10は、石英系管状部材(ガラスキャピラリ)1と、このガラスキャピラリ1の内周に形成された金属薄膜2と、その金属薄膜2の内周に形成された波長2μm以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜3と、ガラスキャピラリ1の外周にコーティングされた放熱用の金属膜5とで構成され、中心部にはレーザ光を通すための中空領域4が形成される。
【0019】
金属膜5は、平均粒子径500nm未満の金属ナノ粒子をガラスキャピラリ1に被覆・焼結して形成される。なお、平均粒子径は、例えば、レーザ回折法等によって得られる粒度分布から求めたメジアン径で表したものである。
【0020】
また、金属膜5の材質は、金、銀、銅いずれかを用いるとよい。
【0021】
次に、中空導波路10の製造に用いる中空導波路製造装置を説明する。
【0022】
この中空導波路製造装置は、図2の放熱用金属膜作製装置20と、図3の金属薄膜製造装置30とを備える。
【0023】
図2に示すように、放熱用金属膜作製装置20は、ガラス管11を加熱してガラスキャピラリ1に線引きするための線引き炉12と、ガラスキャピラリ1の外径を測定するための外径測定器13と、金属ナノ粒子を溶媒中に分散させたスラリー15で満たされ、ガラスキャピラリ1を通過させてガラスキャピラリ1にスラリー15を塗布するためのダイス14と、ガラスキャピラリ1とスラリー15とを加熱し金属膜5を焼結し、金属膜付ガラスキャピラリ1aを形成するための管状焼成炉16と、放熱用の金属膜付ガラスキャピラリ1aの外径を測定するための外径測定器17と、金属膜付ガラスキャピラリ1aの外径を均一にするための引取器18と、金属膜付ガラスキャピラリ1aを巻き取る巻取器19とを、上流側から下流側に順次配置して構成される。
【0024】
図3に示すように、金属薄膜製造装置30は、所定の長さに切断した4本の金属膜付ガラスキャピラリ1aと、その金属膜付ガラスキャピラリ1aの一端に接続される2組のコ字状の分岐管31と、分岐管31同士を接続する1組コ字状の分岐管32と、結合管33に接続され、廃液を廃液容器34に排出するための排管35と、廃液容器34に接続され、真空引きする真空ポンプPと、分岐管32に接続され、銀液容器36から延びる銀液管37と、分岐管32に接続され、還元液容器38から延びる還元液管39と、銀液管と還元液管を合流する混合管40とで構成される。
【0025】
次に、放熱用金属膜作製装置20と、金属薄膜製造装置30を用いた中空導波路10の製造方法を説明する。
【0026】
まず、放熱用金属膜作製装置20を用いて、線引き炉12でガラス管11の先端部を加熱・溶融し、外径測定器13で線引きで形成されたガラスキャピラリ1の外径を連続的に測定すると共に、目標径に対する偏差信号を引取器18にフィードバックすることによりガラスキャピラリ1の径が均一になるように制御する。
【0027】
外径測定器13を通過したガラスキャピラリ1には、スラリー15で満たされたダイス14を通過する際、スラリー15が塗布される。
【0028】
スラリー15が塗布されたガラスキャピラリ1を管状焼成炉16で加熱・焼結し、放熱用の金属膜付ガラスキャピラリ1aを形成する(図5(a))。
【0029】
その後、金属膜付ガラスキャピラリ1aを所定の長さに切断し、金属膜付ガラスキャピラリ1aを複数本金属薄膜製造装置30にセットする。各金属膜付ガラスキャピラリ1aの内部に、真空ポンプPを運転し、銀液Aと還元液Rをそれぞれ管37、39から流し、混合管40で混合し、銀鏡反応により金属薄膜2を形成する(図5(b))。
【0030】
続いて、金属薄膜2を形成した金属膜付ガラスキャピラリ1aの内周に誘電体膜3を形成する。誘電体膜は、環状オレフィンポリマの溶液を、金属薄膜2を形成した金属膜付ガラスキャピラリ1a内部に送液・塗布し、その後、電気炉で加熱・固化して形成する(図5(c))。
【0031】
誘電体膜に環状オレフィンポリマを用いた場合、その膜厚は、波長2.94μmのEr−YAGレーザ用では、0.35μm程度、波長10.6μmのCO2レーザ用では、1.37μm程度とすることにより、最大透過率を得ることができる。誘電体膜の膜厚は、溶液の送液速度により調整可能である。
【0032】
最後に、誘電体膜3にアニール処理を施すと、中空導波路10が得られる(図5(d))。図5(b)〜図5(d)は内装工程である。
【0033】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【0034】
中空導波路10の端面から入射されるレーザ光Lは、誘電体膜3と中空領域4、及び金属薄膜2と誘電体膜3との境界で反射を繰り返すことによって伝搬する。このとき、それぞれの境界面で反射された光が同相で重なり合う(図4点線部の反射光L1と実線部の反射光L2が重なる)ときに反射率が最大となるが、誘電体膜3の膜厚は伝搬させるレーザ光Lの波長によって最適値が異なる。理想的には誘電体膜の膜厚は長手方向に一定であることが望まれるが、製造ばらつきや、膜厚が長手で異なる等の要因により、若干の伝送損失を生じる。実際には、長さ2m程度の中空導波路の透過率は70〜90%程度である。この伝送損失分は、そのほとんどが熱に変換されるため、伝送損失の大きい箇所(例えば、誘電体膜の膜厚が最適値からずれている点や中空導波路を曲げる箇所等)は、高温になってしまう。
【0035】
本実施形態に係る中空導波路10は、ガラスキャピラリ1の外側に放熱用の金属膜5をコーティングすることにより、伝送損失により発生した熱を効率よく放熱でき、温度上昇による中空導波路の損傷を抑えることができる。
【0036】
中空導波路10は、ガラスキャピラリ1の外周に放熱用の金属膜5を設けた構造であるが、放熱用の金属膜5の表面に凹凸をつけて表面積を大きくすることにより、より効率の良い放熱を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明の好適な実施形態を示す中空導波路の横断面図である。
【図2】図1に示した中空導波路の放熱用金属膜付ガラスキャピラリの製造工程を示す図である。
【図3】図1に示した中空導波路の銀鏡反応工程を示す図である。
【図4】図1に示した中空導波路の光の伝搬原理を示す図である。
【図5】図1に示した中空導波路の内装工程を示す図である。
【図6】従来の中空導波路を示す横断面図である。
【符号の説明】
【0038】
1 ガラスキャピラリ
2 金属薄膜
3 誘電体膜
4 中空領域
5 金属膜
10 中空導波路

【特許請求の範囲】
【請求項1】
石英系管状部材と、その石英系管状部材の内周に形成された金属薄膜と、その金属薄膜の内周に形成され、波長2μm以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜とを有する中空導波路において、
上記石英系管状部材の外周に、金属ナノ粒子を焼結して形成された金属膜を有することを特徴とする中空導波路。
【請求項2】
上記金属ナノ粒子は、平均粒子径が500nm未満である請求項1に記載の中空導波路。
【請求項3】
上記金属膜の材質が、金、銀、銅のいずれかである請求項1または2に記載の中空導波路。
【請求項4】
導波路を構成する石英系管状部材と、その石英系管状部材の内周に形成された金属薄膜と、その金属薄膜の内周に形成され、波長2μm以上の赤外領域の波長帯で透明となる誘電体膜とを有する中空導波路の製造方法において、
ガラス管を線引きして石英系管状部材を形成する工程と、
上記石英系管状部材の外周に、金属ナノ粒子を溶媒中に分散させたスラリーを塗布し、加熱・焼結して金属膜を形成する工程と、
上記金属膜を形成した石英系管状部材の内周に上記金属薄膜を形成する工程と、
上記金属薄膜の内周に上記誘電体膜を形成する工程とを含むことを特徴とする中空導波路の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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