現状 の レー ザ ー ビー ム誘 導 系 の 問題 点 は 波 長2μm以 上 の 赤 外 域 と300nm以 下 の 紫 外 域 で 有 効 な レー ザ ー ビー ム 誘 導 系 が 確 立 され て い な い こ とで あ る.赤 外 域 で は 波 長
10μmのCO2レ ー ザ ー を,紫 外 域 で は248nmのKrFエ キ シ マ レー ザ ー と193nmのArFエ キ シ マ レー ザ ー 対 象 と した.こ れ らの レー ザ ー は何 れ も レー ザ ー 加 工 分 野 お よび レー ザ ー 医 療 分 野 で 重 要 な ヅー ル と して使 用 され て い る.し か しな が ら,こ れ らの レー ザ ー に は 有効 な レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 が な く
,赤 外 用 あ る い は紫 外 用 の反 射 鏡,レ ンズ 等 を利 用 して レー ザ ー ビー ム を誘 導 して い るの が現 状 で あ る.実 用 的 な レー ザ ー パ ワ ー 伝 送 路 が 実 現 さ れ れ ば
,CO2レ ー ザ ー お よ び エ キ シマ レー ザ ー の応 用 範 囲 は さ らに 拡 が る と考 え られ る.
理 想 的 な レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 は細 径 で,十 分 な 可 撹 性 を持 ち,機 械 的強 度 に優 れ, 安 定 な パ ワー 伝 送 が 可能 な 伝 送 路 で あ る.た とえ ば,波 長1.06岬 の連 続 発 振Nd:YAG
レー ザ ー の 導 光 に 使 わ れ て い る,石 英 ガ ラス フ ァイ バ ー が理 想 的 な伝 送 路 と云 え る.
著 者 は 各 種 レー ザ ー 伝 送 方 式 の 中 か ら,中 空 導 光路 方 式 が 可 擁 性 を持 ち,高 レー ザ ー パ ワ ー 伝 送 に適 す る と判 断 し,ア ル ミニ ウ ム を用 い た 中空 導 光 路 を提 案 ・試 作 し,実 用 的 な レー ザ ー ビー ム誘 導 系 を 開発 した.
以 下 に,本 研 究 で 明 らか に な った 内 容 を整 理 し,得 られ た研 究成 果 と展 望 に つ いて 述 べ た.
第1章 緒 論
レー ザ ー パ ワー 伝 送 を 目的 と した 誘 導 系 につ いて,そ の現 状 と 問題 点 の概 略 を述 べ, 本 研 究 の 目的 ・意 義 と方 針 を述 べ た.
第2章 レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 の原 理
可視 ・近 赤 外 域 の石 英 ガ ラ ス フ ァイ バ ー の 現状 に つ いて 述 べ,次 い で,赤 外 域,紫 外 域 で の レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 の 背 景,理 論,現 状 と問題 点 を 明 らか に した.具 体 的
に は多 関節 反 射 鏡 方 式,フ ァ イ バ ー 方 式,中 空 導 光 路 方 式 につ いて 調 査 し,レ ー ザ ー パ ワー 伝 送 路 の 抱 え る 問題 点 を明 らか に し,本 研 究 を進 め る た めの 基 本 的 な意 義 を述
べ た.本 研 究 で採 用 した 中 空 導 光 路 の 形 状 と材 料 につ い て ま とめ た .
第3章 赤 外 レー ザ ー パ ワ ー伝 送 中空 導 光 路
赤 外 レー ザ ー と して 波 長10.6μmのCO2レ ー ザ ー を対 象 と し,自 在 性 に優 れ た レー ザ ー 伝 送 路 を実 現 す る た め
,中 空 導 光 路 の 構 造 と構 成 材 料 の 検 討,中 空 導 光 路 の伝 送 特 性 を調 べ た.以 下 に,そ の 成 果 を ま とめ る.
3.1連 続 発 振CO2レ ー ザ ー 伝 送
(1)中 空 導 光 路 の 構 造 は,2枚 の 金 属 反 射 板 を プ ラス チ ッ ク ス ペー サ ー を介 して 平行 に配 置 し,こ れ を熱 収 縮 チ ュー ブで 被 覆 した もの と した.
(2)中 空 導 光 路 の構 成 材 料 を検 討 した 結 果,次 の 材 料 を採 用 した.反 射 板 材 料 には レー ザ ー 光 に対 し て反 射 率 の 高 い アル ミニ ウ ム を選 択 した.ス ペ ー サ ー に は柔 軟 性 お よ び 耐熱 性 の 高 い もの と して,フ ヅ素 樹 脂 の ポ リテ トラ フル オ ロエ チ レ ン(テ フ ロ ン) を選 ん だ.熱 収 縮 チ ュー ブ は 収 縮 後 も柔 軟 性 を もち,収 縮 完 了温 度 の低 い も の と して, ポ リオ レ フ ィ ン系 ゴ ム状 の もの を用 い た.
(3)断 面 サ イ ズ は 最 適 な 短 辺 お よ び 長 辺 長 さ を実 験 検 討 し,短 辺 長 さ は0.5mm,長 辺 長 さ は8mmと した.導 光 路 長 は 最 長120cmで あ る.
(4)レ ー ザ ー ビ ー ム の 偏 光 方 向 とア ル ミニ ウ ムの 反 射 率 との 関 係 を理 論 と実 験 か ら 検 討 し た 結 果,反 射 面 に対 し て垂 直 な 電 界成 分 を持 つ レー ザ ー ビー ムの 反 射 率 が高 い こ とが確 か め られ た.
(5)レ ー ザ ー ビ ー ム と中 空 導 光 路 との 結 合 方 式 を 検 討 した結 果,次 に示 す 方 式 が 実 用 的 で あ る こ と を 明 らか に し た.発 振 器 か らの レー ザ ー ビー ム は拡 が りを 持 つ の で, レ ンズ 系 で 平行 ビー ム に す る.こ の 平行 ビー ムの 一 方 向 を シ リ ン ドリカル レ ンズ で 線 状 に集 光 し,中 空 導 光 路 と結 合 す る.集 光 され た線 状 ビー ム は,そ の 長 軸 方 向 と中空 導 光 路 の 矩 形 中空 部 の 長 辺 方 向 が平 行 に な る よ うに 合 わせ る.非 偏 光 ビー ムの 場 合 は 直 線 偏 光 ビー ム に 変 換 す る.偏 光 ビー ム を 中空 導 光 路 と結 合 す る場 合 は,偏 光 ビー ム の 電 界 ベ ク トル の 方 向 を,中 空 導 光 路 の 矩 形 中空 部 の 長 辺 方 向 と平 行 にな る よ う に合 わ せ る.
(6)レ ー ザ ー の 偏 光 方 向 が 中空 導 光路 の伝 送 率 に及 ぼ す 影 響 を調 べ た.そ の結 果,
レー ザ ー の偏 光 方 向が 導 光路 中空 断 面 の 長 辺 方 向 と 平行 な場 合 に伝 送 パ ワ ー は高 い こ とが確 か め られ た.
(7)長 さ100cmの 中 空 導 光 路 のCO2レ ー ザ ー 入 出力 パ ワー を 調 べ た結 果,95Wの 入 射 パ ワー に対 して 放 射 パ ワー81Wが 得 られ た.伝 送 率 は85%/mで あ り,15分 間 の伝 送 で も 中空 導 光 路 に損 傷 は み られ ず,出 力 変 動 もみ られ ず,安 定 に伝 送 で きる こ とが 判 った.
(8)レ ー ザ ー 伝 送 時 の 中空 導 光路 の伝 送 軸 方 向 温 度 分 布 を調 べ た結 果,導 光 路 入射 部 で 温 度 上 昇 が高 く,入 射 端 で は 約50℃ に達 す る.入 射 部 分 の み を 空 冷 し,発 熱 抑 制 を試 み た 結 果,入 射 部 で 風 速15m/sec程 度 の 空 冷 で 約20℃ ま で 下 げ る こ とが で きた,
(9)試 作 し た 中空 導 光 路 は 半径10cmま で 容 易 に 曲 げ る こ とが で きた が,伝 送 パ ワー を10%以 内の 減 少 に留 め る に は 曲 げ 角 度90° 以 内,曲 げ 半径10cm以 上 で あ れ ば 良 い こ とが 判 っ た.ま た,中 空 導 光 路 は 捻 り角 度180° ま で容 易 に 曲 げ る こ ともで き る.導 光路 放 射 端 の 捻 り角度 を変 え て伝 送 率 を調 べ た 結 果,捻 り角 度 ユ20° 以 内 で あ れ ば, 伝 送 パ ワー を10%以 内 の 減 少 に留 め る こ とが で き,実 用 上 問 題 の な い こ とを 明 らか に
した.
(10)以 上 の結 果 を踏 まえ て,医 療 分 野 で 使 用 で き るCO2レ ー ザ ー メス 装 置 を 本 中 空 導 光 路 を用 い て 構 築 した.具 体 的 に は レー ザ ー ビ ー ム と 中空 導 光 路 との 結合 部,ハ
ン ドピ ー ス と呼 ば れ る レー ザ ー ビー ム放 射 部 と レー ザ ー伝 送 部(中 空 導 光 路)を 装 着 した シス テ ム で あ る.
3.2パ ル ス発 振CO2レ ー ザ ー 伝 送
(1)パ ル ス発 振CO2レ ー ザ ー の 伝 送 特 性 は概 ね連 続 発 振CO2レ ー ザ ー と同様 で あ る こ とが 明 らか に な った.
(2)連 続 発振CO2レ ー ザ ー の 場 合 と異 な る特 性 と して,入 射 伝 送 で き得 る ピー ク パ ワー 伝 送 限 界 を調 べ た.入 射 ピ ー クパ ワー の 伝 送 限 界 は1.7MWで あ り,こ れ以 上 のパ ワー で は入 射 部 近 傍 の アル ミ ニ ウム反 射 板 表 面 が 損 傷 した.こ の場 合,ピ ー クパ ワー 密 度 は57MW!cm2に 達 す る こ とが 判 った.
(3)パ ル ス 発 振CO2レ ー ザ ー は 非 偏 光 ビー ム で あ り,直 線 偏 光 ビー ム に変 換 す る 必 要 が あ る.レ ー ザ ー ビー ム の偏 光 度 が悪 い と伝 送 率 は低 い が,偏 光 度80%で 伝 送 率
90%/mが 得 られ た.
(4)発 振 器 か らの レー ザ ー ビー ム は ゼ ブ ラモ ー ドで あ るが,こ の ビー ム は 中 空導 光 路 を伝 送 す る と矩 形 状 の 強 度 分 布 を持 つ レー ザ ー ビ ー ム に変 換 さ れ た.こ の横 モ ー ド
変換 に必 要 な導 光 路 の 長 さ は約30cmで あ っ た.
(5)導 光 路 か らの放 射 ビー ム は,シ リ ン ドリカル レ ンズ と平 凸 円 レ ンズ を 用 い て 約 0。6mmφ に集 光 す る こ とが で き た.
第4章 紫 外 レー ザ ー パ ワー 伝 送 中空 導 光 路
紫外 レー ザ ー と して 波 長248nmのKrFお よび193nmのArFエ キ シマ レー ザ ー を対 象 と した.CO2レ ー ザ ー の 場 合 と異 な り,レ ー ザ ー 波 長 が短 くな る と,反 射 面 の 傷 の 大 き さ が 問題 にな る こ とが 判 っ た の で,反 射 板 製 法 を検 討 し,伝 送 特 性 の改 善 を 図 った.
以 下 に,そ の 成 果 を ま と め る.
4。1KrFエ キ シ マ レー ザ ー 伝 送
(1)市 販 の アル ミニ ウム 高 光 沢 板 の エ キ シマ レー ザ ー 光 の45度 反 射 率 を調 べ た 。 そ の 結 果,レ ー ザ ー 光 の 反 射 率 は 主 に,反 射 板 の 溝 幅 に依 存 す る こ とが 判 っ た.反 射 板 の 溝 幅 と レー ザ ー 波 長 の 比 が 小 さ い ほ ど,反 射 率 は 高 い こ とが確 か め られ た.
(2)CO2レ ー ザ ー の 場 合 に使 用 した ア ル ミニ ウ ム 反射 板 で は研 磨 精 度 を上 げ る こ と が 困難 と判 断 し,エ キ シマ レ ー ザ ー の 場 合 に は レー ザ ー 反 射 薄 板 に アル ミニ ウ ム を蒸 着 した リン青 銅 薄 板 を使 用 した.
最 適 な反 射 板 製 法 を見 つ け るた め,そ の 製 作 工程 を検 討 した.
(3)リ ン青 銅 薄 板 の研 磨 工 程 で は,長 さ15cm程 度 の もの は 手 作 業 で研 磨 で き るが, 長 さ が120cmの 長 尺 にな る と手 作 業 で は 研 磨 ム ラ が生 じるの で,機 械 研 磨 を採 り入 れ た.こ の機 械 研 磨 に は 市 販 の 研 磨 機 が 使 え な い の で,専 用 の 長 尺 用 研 磨 機 を試 作 した 。
(4)研 磨 した リ ン青銅 薄 板 の洗 浄 工 程 で は,超 音 波 洗 浄 に よ り研 磨 面 に残 存 す る研 磨 剤 の 除 去,脱 脂 を行 い,エ タ ノ ール 脱 水,温 風 乾 燥 の順 で 行 う方 法 が最 適 で あ った.
(5)ア ル ミニ ウ ム蒸 着 工 程 で は,長 さ15cm程 度 の もの は 真 空 チ ャ ンバ ー 内で 容 易 に蒸 着 す る事 が で き る が,長 さが120cmの 長尺 にな る と 困難 にな る.そ こで,無 酸 素 銅 の リ ン グの 内側 に リン青 銅 薄 板 を取 り付 け,リ ン グの 中央 に 蒸 着 源 を配 置 す る構 造
の蒸 着 用 長 尺 基 板 取 付 器 具 を試 作 した.
(6)リ ン青 銅 薄 板 を 曲 げ た 状 態 で ア ル ミニ ウム を 蒸 着 す る の で,蒸 着 後 の反 射 率 へ の 影 響 を調 べ た.蒸 着 時 の リ ン 青銅 基 板 の 曲 げ半 径 を 変 え て 調 べ た結 果,曲 げ 半 径 ユOcm以 上 で あ れ ば良 好 な 反射 率 が 得 られ る こ とが 判 った.
(7)リ ン青銅 基 板 温 度 を変 え て反 射 率 お よび アル ミニ ウム と リン青銅 薄 板 との 密着 性 を調 べ た 結 果,基 板 温 度 が約80℃ 以 下 で 高 反 射 率 が得 られ,約150℃ 以 上 で 良好 な 密 着 性 の 得 られ る こ と が判 っ た.ま た,150°C以 上 の 温 度 で は高 す ぎ る と,リ ン青 銅
の 弾 性 が 失 わ れ る こ と も確 認 した.
(8)以 上 の 結 果 よ り,リ ン 青銅 基 板 温 度 を150°Cで アル ミニ ウ ム を蒸 着 した 後,基 板 温 度 を80°C以 下 ま で 下 げ て 再 度 ア ル ミニ ウ ム を蒸 着 す る 「2回 蒸 着 法 」 が 反射 板 製
法 と して有 効 で あ る こ とを 明 らか に した.
(9)ア ル ミ板 と ア ル ミ ・リ ン青銅 板 の 反 射 率,耐 パ ワー性 お よび 曲 げ試 験 結 果 を比 較 した.ア ル ミ ・リン青 銅 板 は ア ル ミ板 に較 べ,反 射 率 で約9%,伝 送 率 で 約5%高 い こ とが 判 った.ア ル ミ ・リン青 銅 板 は10,000回 の 曲 げ に対 して も反 射 面 に亀 裂 な ど は 見 ら れ ず,反 射 率 も変 わ ら な い こ とが 判 っ た.耐 パ ワー 性 は アル ミ ・リン青 銅板 が アル ミ板 に比 較 して優 れ るこ とが 判 っ た.
(10)長 さ100cmの アル ミ ・リン青 銅 板 の 中 空 導 光路 の 伝 送 率 は77.5%/mで あ り, ア ル ミ板 の 場 合 の68%/mよ りも 約10%向 上 す る こ と が で き た.伝 送 エ ネ ル ギ ー は 110mJ/pulse,伝 送 ピー クパ ワー4.8MWで あ った.
(11)以 上 の結 果 に 基 づ き,医 療 分 野 で 使 用 で き るKrFエ キ シマ レー ザ ー メス 装 置 を本 中空 導 光 路 を用 い て構 築 した.す な わ ち,KrFエ キ シ マ レー ザ ー ビー ム と中 空 導 光 路 との 結 合 部,ハ ン ドピー ス と 呼 ばれ る レー ザ ー ビー ム放 射 部 と レーザ ー 伝 送 部(中 空 導 光 路)を 設 計,試 作 した.
4.2ArFエ キ シマ レー ザ ー 伝 送
(1)波 長193nmのArFレ ー ザ ー は空 気 中 の 酸 素 に よ る吸 収 が強 い の で,KrFレ ー ザ ー の 場 合 に 較 べ て 伝 送 率 が 低 い .例 え ば,ア ル ミ板 の場 合,KrFレ ーザ ー の伝 送 率68
%1mに 対 し て,ArFレ ー ザ ー で は50%/mで あ っ た.そ こで,空 気 以 外 の ガ ス と して 酸 素,窒 素 お よび ヘ リウ ム を の 透 過 率 を調 べ た.そ の 結 果,ヘ リウ ム ガ ス の 場 合 に最 も 吸 収 が少 な い こ とが判 った.