赤外および紫外レーザーパワー伝送用可撓中空導光路の開発に関する研究
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(2) 博 士 学 位 論 文. 赤 外 お よ び 紫 外 レ ー ザ ー パ ワ ー伝 送 用 可 携 中空 導 光 路 の 開 発 に 関 す る研 究. 平成10年3月. 橋. 新. 裕.
(3) 目. 次. 論. 諸. 章 1 第. 1 -⊥. の. -⊥. L. 研究. 目的. ︽ ∠. 2. L. 研 究の方針. 5. 章 2 第 レー ザ ー パ ワ ー 伝 送 路 の 原 理. 5. 言 緒. 1. 2. 6. 2.2可. 視. ・近 赤 外 レ ー ザ ー パ ワ ー 伝 送 路. ル ス 発 振 レー ザ ー の パ ワ ー 伝 送. 2.2.3石. 英 系 光 フ ァイ バ ー の 医学 応 用. 2 1. 2.2.2パ. …・ 一…. Qノ. 続 発 振 レー ザ ー の パ ワ ー 伝 送. 7ダ. 2.2.1連. 2.3赤. 一 … 一…. 外 レー ザ ー 伝 送 路. 14. 2.3.1多. 関節 反 射 鏡 方 式. 2。3.2赤. 外 フ ア イバ ー 方 式. ………. 15. ……. 18. (a)タ. リウム ハ ラ イ ド. 20. (b)銀. ハ ライ ド. 22. (c)ア. ル カ リハ ラ イ ド. 24. (d)フ. 25. ツ化 物 ガ ラ ス. (e)カ. ル コ ゲ ナ イ ドガ ラ ス. 28. (f)酸. 化物 ガラス. 32. 中空導光路方式. 2.3.3. 33. (a)金. 属 円形 タイ プお よび誘 電体 円形 タイプ. 36. (b)誘. 電 体 リー キ ー タ イ プ. 36. (c)誘. 電 体 内装 円形 タ イ プ. 37. (d)酸. 化 物 ガ ラス 円形 タ イ プ. 41. (e)金. 属 矩形(平 行平板)タ イプ. 43. (f)誘. 電体 内装 金属矩形(方 形)タ イプ. 44. (9)E.Garmire理. 45. 論. 一i一.
(4) 2.4紫. 外 レー ザ ー 伝 送 路 2.4.1多. 関節反射 鏡 方式. 2.4.2紫. 外 フ ァイ バ ー 方 式. 2.4.3中. 空 導光路方 式. 第3章. 赤 外 レー ザ ー パ ワ ー 伝 送 中 空 導 光 路. 3.1緒. 言. 3.2連. 続 発振CO2レ ーザ ー伝送. 3.2.1実 (a)CO2レ. 験 装 置 お よび 方 法 ー ザー 装置. (b)金. 属 誘 電体 矩形 中空導光路. (c)レ. ーザ ー 光 と中空導光路 との結合方式. (d)実. 験方 法. 3.2.2実 (a)A1反. 験結果 射 板 の反射 特性. (b)導. 波路 直線状 態 の伝送特性. (c)レ. ー ザー 伝送 時 の導光路 の温度 上昇 と温度分 布. (d)導. 光路 の曲 げお よび捻 り状態 の伝送特 性. (e)放. 射 ビー ム特 性. (f)導. 光路 の接続 方式. (g)中. 空 導 光 路 使 用CO2レ. 3.2。3検. 討 お よび 考 察. (a)中. 空 導 光路 の構成 材料 と製法. (b)高. パ ワ ー レー ザ ー 伝 送. (c)曲. げ状 態 と捻 り状 態 の伝送. 3.2.4ま. と め. パ ル ス 発 振CO2レ. 3.3 3.. ーザーメスの試作. 3.1実 (a)パ. 一一 …. ーザ ー伝送. 験 装 置 お よび 方 法 ル スCO2レ. ーザー装置. 一 三i一.
(5) ∩O QU OO. 第4章. (b)金. 属一 誘 電 体 矩 形 中空 導 光 路. (c)レ. ー ザ ー 光 と中 空 導 光路 との 結合 方 式. (d)実. 験 方法. 3.2実. 験 結果. 3.3検. 討お よび考察. 3.4ま. とめ. 紫 外 レー ザ ー パ ワー 伝 送 中空 導 光 路 イ ⊥. 4. 緒. 言. 2. 4. KrFエ キ シ マ レー ザ ー 伝 送 4. 2.1実. 験 装 置,試. 料 お よび 方法. (a)エ. キ シ マ レー ザ ー 装 置. (b)金. 属一 誘 電体矩形 中空導光路. (e)レ. ー ザ ー 光 と中 空 導 光路 との 結 合 方 式. (d)実. 験 方法. 4.2.2実. 験 結果. (a)反. 射 薄 板 の レー ザ ー 反 射 率. (b)レ. ー ザ ー ビー ム の 偏 光 方 向 と伝 送 率. (c)集. 光 レ ンズ の 焦 点 距 離 と伝 送 率. (d)ア. ル ミニ ウ ム 中 空 導 光 路 の入 出力 特 性. (e)ア. ル ミニ ウ ム 中空 導 光 路 の レー ザ ー 損 傷. (f)ア. ル ミニ ウム 中空 導 光 路 の 曲 げお よび 捻 り特 性. (g)ア. ル ミニ ウム 蒸 着 リン青 銅 反 射 板 の 製作. (h)ア. ル ミ反 射 板 とアル ミ ・リン青銅 板 との 特 性 比 較. (i)KrFエ 4.2.3検. キ シマ レー ザ ー メ ス の 試 作 討 お よび 考 察. (a)レ. ー ザ ー反 射 板. (b)レ. ー ザ ー ビー ム と 中空 導 光路 の 結 合. (c)伝. 送 率 と伝 送 エ ネル ギ ー. 一iii一. 一 一 …・ 一. …. 陶.
(6) (d)ア. ル ミ ・リ ン青 銅 中 空 導 光路. 119. (e)中. 空 導 光 路 使 用 エ キ シマ レー ザ ー メ ス. 120. 4.2.4ま 4.3ArFエ. とめ. 120. キ シ マ レー ザ ー 伝 送. 4.3.1実. 121. 験 装置 お よび方法. 121. (a)エ. キ シ マ レー ザ ー 装 置. 121. (b)金. 属 誘 電 体 矩 形 中空 導 光 路. (c)実. 験方 法. 4.3.2実. 一 …… 一 一. 121 122. 験 結果. 125. (a)入. 出力特性. 125. (b)ア. ル ミニ ウ ム 薄 板 の レー ザ ー損 傷 閾値. 126. (c)ArFレ. ー ザ ー の 各 種 ガ ス に よる 吸収. 127. (d)雰. 囲 気 ガ ス の レー ザ ー損 傷 へ の 影 響. 128. (e)雰. 囲 気 ガ ス の 発 光 ス ペ ク トル へ の 影 響. 130. (f)ガ. ス 充 填 中 空 導 光路 の伝 送 特性. 133. 4..3.3検. 討 お よび 考 察. 133. (a)ガ. ス 充填 中空導 光路. 133. (b)空. 気 中 で の レー ザ ー 損 傷. 134. (C)雰. 囲気 ガ ス の レー ザ ー 損 傷 と発 光 ス ペ ク トル へ の影 響. 135. 閃. G. 仏. 歪. ● U. ● ま. 1」1. ﹁. ㎜. 一. 鞠. ム田 二一 ' 口. 士口. 糸. 章 5 第. 138. 付録. 144. 参考文献. 148. 謝. 辞. 一iv一.
(7) 第1章. 1.1研. 諸. 論. 究 の 目的. レー ザ ー 発 明後,ま. も な く40年 を迎 え よ う と して い る.そ. の 広 い 波 長 域 で 各 種 レー ザ ー 装 置 が 市 販 され,あ ザ ー 装 置 を応 用 す る に は そ の 周 辺 機 器,特 つ.レ. ー ザ ー ビー ム 誘 導 系 な く して,レ. の 間,赤. らゆ る分 野 で 使 用 さ れ て い る.レ. ー ザ ー 装 置 の機 能 を発 揮 す る こ とは で きな い. 英 ガ ラス フ ァ イ バ ー が実 用. 化 さ れ て お り,広. く産 業 分 野,医. 療 分 野 で 利 用 され て い る.伝. ね300nm∼2μmで. あ る(第1図. 参 照).こ. ー ザ ー の 導 光 に は,石. 分 野 で はNd:YAGレ. 表 的 な 利 用 例 で あ る.石 連 続 発 振2kW程. 療 分 野 で はNd:YAGレ. とえ ば,産. 業. ー ザ ー 内視 鏡 凝 固 装 置 が代 ー 一ザ ー パ ワー は,. ,193nmのArFエ. 下 の 紫外 域 で有 効 な レー ザ ー ビー ム 誘 導 系 が確 立 され. とえ ば,波. 長10μmのCO2レ. ーザ ー,248nmのKrFエ. れ らの レー ザ ー に は 赤 外 用 あ る い は紫 外 用 の反 射 鏡,レ の た め,石. 代 わ る レー ザ ー ビ ー ム誘 導 系 の 開 発 が 必 要 とされ て い る.医 あ るか ら,人 体 を む や み に 動 か す こ とが で きず,照 す 必 要 が あ る.そ. キ シマ レ. キ シ マ レー ザ ー は 石英 ガ ラ ス フ ァイ バ ー で 伝 送 す る こ とが で. レー ザ ー ビー ム を 誘 導 して い るの が現 状 で あ る.そ. の た め,可. 撹 性 を持 ち,安. ンズ 等 を利 用 して. 英 ガ ラス フ ァイ バ ー に. 療 分 野 で は対 象 が 人 体 で. 射 す る レー ザ ー ビー ム の 方 を動 か. 全 な レー ザ ー ビー ム 誘 導 系 の 要 望 が強 い.. 現 在 開 発 が 進 め られ て い る 赤 外 あ るい は 紫 外 レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 は,大 次 の3種. 連続 発 振. 度 まで と報 告 され て い る.現 状 の レー ザ ー ビー ム誘 導 系 の 問 題 点 は波. て い な い こ とで あ る.た. きな い.こ. の 波 長 域 に あ る波 長1。06μmの. 英 ガ ラス フ ァイバ ーで 伝 送 で き るNd:YAGレ. 長2μm以 上 の 赤 外 域 と300nm以. ーザ ー. 送 で き る波 長 域 は,概. 英 ガ ラ ス ファ イバ ー が使 わ れ て い る.た. ー ザ ー 溶接 機,医. ー. に レー ザ ー ビー ム誘 導 系 が重 要 な 役 割 を持. レー ザ ー 光 の持 つ パ ワー を 伝 送 で きる 導 光 系 は 現 在,石. Nd:YAGレ. 外 か ら紫 外 まで. 類 に分 か れ る.(1)多. 中 空 導 光 路 方 式 で あ る.著. 関節 反 射 鏡 方 式,(2)光. 者 は この 内,中. パ ワー 伝 送 に適 す る と判 断 し,金. フ ァ イ バ ー 方 式,(3). 空 導 光路 方 式 が可 携 性 を持 ち,高. 送 パ ワー は 連 続 発 振100W,パ. 上. レー ザ ー. 属 反射 板 を用 い た 中空 導 光 路 を提 案 ・試 作 し,医 療. 分 野 で も利 用 で き る レー ザ ー ビー ム誘 導 系 の 開発 を 進 め た.具 ー ム 誘 導 系 の 長 さ は100cm以. 別 す ると. ,そ. の 断 面積 は0.1cm2以. ル ス 発 振100mJ/pulseを 一1一. 下,伝. 体 的 に は,レ. ーザ ー ビ. 送 率 は90%/m以. 上,伝. 目標 と した..
(8) 伝送方 式. 多 関節 反 射 鏡. 多関節反射鏡. AgCI,AgBr TIBrl,KRS-5. 一 AsS,ZrF. 一 一. 石英 ガラス. " . 第1図. 1.2研. IMU・. 罷^、. 8. 」. レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 と医用 レーザ ー. 究の方針. 本節 で は,次. 第2章. . 中 空導 光 路. に 示 す章 節 の項 目 と研 究 の 方 針 に つ い て述 べ る.. レー ザ ー パ ワ ー伝 送 路 の原 理. 本 章 で は ま ず,既 状 に つ い て 述 べ,次. に 実 用 化 さ れ て い る可 視 ・近赤 外 域 の 石 英 ガ ラス フ ァイ バ ー の 現 い で,赤. 外 域,紫. 現 状 と問題 点 を 明 らか に す る.具 リウ ム ハ ライ ド系,シ. 外 域 で の レーザ ー パ ワ ー伝 送 路 の 背 景,理. 体 的 に は 多 関節 反射 鏡 方 式,赤. ル バ ー ハ ラ イ ド系 な ど),紫. プ純 粋 石 英 フ ァイ バ ー),中. 抱 え る 問題 点 を 明 ら か に す る.こ. 外 フ ァイ バ ー 方 式(タ. 外 フ ァ イバ ー 方 式(OHイ. 空 導 光 路 方式 に つ い て調 査 し,レ れ らの伝 送 路 の 中で,ど. 論,. オ ン ドー. ー ザ ー パ ワー伝 送 路 の. の 方 式 が 赤 外 お よび 紫 外 レ. ー ザ ー の パ ワー 伝 送 路 に適 す るか ,本 研 究 を進 め る た めの 基 本 的 な意 義 を述 べ る.著 者 が提 案,試. 作,開. 発 を進 め た レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 は,中. 種 中 空 導 光 路 の 中で も,ど. の タ イ プが レー ザ ー パ ワー 伝 送 に適 す るか,導. と材 料 につ い て 詳 細 に調 べ,ま. 第3章. 空 導 光 路 方 式 で あ る.各 光路 の形 状. とめ た.. 赤 外 レー ザ ー パ ワ ー 伝 送 中空 導 光路. 本章 で は,赤. 外 レー ザ ー と して 波 長10.6μmのCO2レ. で活 躍 して い るCO2レ. ー ザ ー メ ス に は,多. ー ザ ー を対 象 とす る.医. 療分 野. 関節 反射 鏡 方 式 の レー ザ ー 伝 送 路 が 用 い ら. 一2一.
(9) れ て い る.し. か し,そ. の 伝 送 路 が太 く,自. 在性 に 欠 け る問題 が あ る.そ. こ で,本. 中空. 導 光路 の 応 用 は 医 療 分 野 を指 向 し,自 在 性 に優 れ た レー ザ ー メ ス を 実 現 す べ く,開 発 を進 め る.連 で は1パ. 続 発 振 レー ザ ー で は 中 空 導 光路 か ら100Wの. ル ス あ た り100mJを. 3.1連. 続 発 振CO2レ. ー ザ ー伝 送 の 断 面 サ イズ を 検 討 す る.レ. 方 向 と レー ザ ー 反 射 板 の反 射 率 との 関係,偏 響 を理 論 と実 験 が ら検 討 し,最. ー ザ ー ビー ム と 中空 導 光. ー ザ ー パ ワ ー伝 送 時 の 中空 導 光 路 の伝 送 軸 方 向温. 熱 抑 制 を 図 り,高 パ ワ ー 伝 送 の 実 現 を 目指 す.中. 評 価 す る方 法 と して,導. 空 導 光 路 の 自在 性. 光 路 の 曲 げ と捻 り状 態 に お け る伝 送 特 性 を調 べ. る.中. 空 導 光路 か らの放 射 ビー ム 特性 に つ い て も実 験 を行 う.こ. て,医. 療 分 野 で 使 用 で きるCO2レ. これ はCO2レ. ー ザ ー ビー ム の偏 光. 光 方 向 が 中空 導 光 路 の伝 送 率 に及 ぼ す影. 適 な偏 光 方 向 を決 定 す る.レ. 路 との 最 適 な結 合 方 式 を見 出 す.レ. (可 携 性)を. ル ス発振. 目標 と す る.. 中空 導 光 路 の 構 造 と構 成 材 料,そ. 度 分 布 を調 べ,発. 放 射 パ ワー を,パ. れ らの 結 果 を踏 ま え. ー ザ ー メ ス 装 置 を 本 中空 導 光 路 を用 い て 構 築 す る.. ー ザ ー 装 置 に レー ザ ー ビー ム と中空 導 光 路 との結 合 部,ハ. 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. ン ドピー ス と. 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. レー ザ ー パ ワ ー 導 光 系 の 問 題 点 と して,ピ. ー ク パ ワー の 高 い パ ル ス レー ザ ー 光 を 伝. 送 で き る 導 光 系 が な い こ とが 挙 げ ら れ る.パ 80nsecで. あ り,そ. の ピー クパ ワー はMWオ. 場 合 と は 異 な り,矩. ル ス 発 振CO2レ. ー ダ ー で あ る.ま. 形 状 の 非 偏 光 ビー ム を持 つ.パ. を連 続 発 振 レー ザ ー の 場 合 と 同様 に調 べ る.連. ーザー のパルス幅は. た,連. 続 発 振 レー ザ ー の. ル ス 発 振CO2レ. ー ザ ーの伝送 特性. 続 発 振 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 る.発. ムが,中. 空 導 光 路 を伝 送 す る と どの よ う に 変換 さ れ るか に つ い て も明 らか にす る.実. 用 上 重 要 な特 性 と して,導. 第4章. 振 器 か らの レ ー ザ ー ビー. 光路 か らの 放 射 ビー ム特 性 を調 べ,集. 光 方 法 を 検 討 す る.. 紫 外 レー ザ ー パ ワ ー伝 送 中空 導 光路. 本 章 で は,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 とす る .医 療 分 野 で は エ キ シ マ レーザ ー の 利 用 が期 待 さ れ て い る が,実 一3一. 用的.
(10) な レー ザ ー伝 送 路 が な い.CO2レ 体 切 開 が 可能 で あ る.本. ー ザ ー メ ス と異 な り,エ. 中空 導 光 路 を用 い た エ キ シ マ レー ザ ー メ ス の実 現 を図 る.中. 空 導 光 路 か らの放 射 エ ネ ル ギ ー は,1パ 4.1KrFエ. ル ス あ た り100mJを. キ シ マ レー ザ ー 伝 送. 中空 導 光 路 を用 い てKrFエ の パ ル ス 幅 は23nsecで. キ シ マ レー ザ ー パ ワー 伝 送 を試 み る.使. あ り,そ. の ビー ム は矩 形状 で あ る.中. 反 射 面 の傷 の 大 き さ が 問 題 に な る と予想 さ れ る ので,反 送 特性 の 改 善 を 図 る.連. 用 した レー ザ ー. 空 導 光 路 の レー ザ ー 反 射. キ シマ レー ザ ー に 対 して も高 い 反 射 率 が得 ら. 販 の ア ル ミニ ウ ム高 光 沢 板 を用 い て 調 べ る.レ. 検 討 し,伝. 目標 とす る.. ・. 板 に は ア ル ミニ ウ ム が 用 い られ る が,エ れ る か,市. キ シ マ レー ザ ー は鋭 利 な 生. ー ザ ー 波 長 が短 くな るほ ど,. 射 板 の材 料 お よび そ の 製 法 を. 続 発 振 お よび パ ル ス 発 振CO2レ. 用 した アル ミニ ウ ム 反 射 板 で は反 射 率 向上 が 困 難 と判 断 し,エ. ー ザ ー の場 合 に使. 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 す る.最 射 板 製 法 を 見 つ け る た め,そ. の 製 作 工 程 を検 討 す る.ア. ウム 蒸 着 リン青 銅 反 射 板 の 反 射 率,耐 上 の 結 果 に 基 づ き,医. 光 路 を 用 い て 構 築 す る.す 合 部,ハ. ル ミニ ウム 反射 板 とアル ミニ. パ ワ ー性 お よび 曲 げ 試 験 を行 い,比. 療 分 野 で 使 用 で き るKrFエ な わ ち,KrFエ. 較 す る.以. キ シ マ レー ザ ー メ ス 装 置 を本 中 空 導. キ シ マ レー ザ ー ビー ム と中空 導 光 路 との 結. 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. を設 計,試. 適 な反. 空 導 光路). 作 す る.. 4.2ArFエ. キ シ マ レー ザ ー 伝 送. 前 節 で用 い た 中 空 導 光 路 が 紫 外 レー ザ ー の 波 長 に対 して どの よ うな特 性 を持 つ か を 調 べ る.使 ArFレ. 用 した レ ー ザ ー はKrFよ. り波 長 の 短 い波 長193nmのArFレ. ー ザ ー の場 合 は 空 気 中 の 酸 素 に よ る吸 収 が強 い の で,中. ー ザ ー 伝 送 部)に を 図 る.空. ー ザ ー で あ る.. 空 導 光路 の 中空 部(レ. 空 気 以 外 の ガ ス と して ,窒 素 お よび ヘ リ ウム を 充 填 して 伝 送 率 向 上. 気 お よ び 各 ガ ス のArFレ. ー ザ ー 透 過 率 と,各. ガ ス 中 で の レー ザ ー 損 傷 閾値. も併 せ て 調 べ る.. 第5章. 結. 論. 本章 は,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 る. 一一4一.
(11) 第2章. 2.1緒. レ ー ザ ー パ ワ ー伝 送 路 の 原 理. 言. レー ザ ー 装 置 を 応 用 す る に は そ の 周 辺 機 器,特 割 を持 つ.レ きな い.レ. ー ザ ー ビー ム誘 導 系 な くし て,レ. ー ザ ー 装 置 の機 能 を 発 揮 す る こ とは で. ー ザ ー の 医 療 応 用 が 著 し く発 展 して い る の も,光. 因 る と こ ろ が大 き い.そ い か,数cm程. に レー ザ ー ビ ー ム 誘 導 系 が 重 要 な役. の代 表 例 は レー ザ ー 内視 鏡 で あ り,非. 度 の切 開)に. 体 腔 内 を 覗 きな が ら,患. は血 管 内 に も光 フ ァ イ バ ー を 挿 入 して,血 よ う に な った.レ. フ ァイ バ ー 技 術 の 進 歩 に 侵 襲 的(全. く切 開 しな. 部 を レー ザ ー 治 療 で き る.最. 栓 部 位 を 見 な が ら,レ. 近で. ー ザーで 除去 で きる. ー ザ ー 技 術 と光 フ ァ イ バ ー 技 術 を 生 か した 医 療 計 測 ・診 断 も行 わ れ. て い る. これ らに利 用 さ れ て い る光 フ ァ イバ ー は,通. 信 用 に開 発 さ れ た石 英 ガ ラ ス フ ァ イバ. ー で あ る .こ の 光 フ ァ イバ ー で 伝 送 で き る レー ザ ー は,可 視 ・近 赤 外 域 のHe-Ne(波 633nm),Ar(515,488nm),Nd;YAG(1.06脚)な. ど,限. 長:. られ た レー ザ ー の み で あ る.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. 石 英 ガ ラス フ ァ イ バ ー の よ う な有 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 お よび 紫 外 域 の レー ザ ー に は赤 外 用 あ るい は 紫 外 用 の 反 射 鏡,レ. 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.そ. の た め,石. ンズ. 英 ガ ラス. フ ァイ バ ー に代 わ る レー ザ ー ビー ム誘 導 系 の開 発 が必 要 と され て い る. 本研 究 の レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 の 応 用 は 医療 分 野 を指 向 して い る.医 とさ れ て い る レー ザ ー ビー ム誘 導 路 は伝 送 距離 は1∼3m程. 療 分野で必要. 度 で 良 い が,レ. ーザーパ ワ. ー を安 定 に伝 送 で き る こ とで あ る .照 射 位 置 を 自在 に変 え られ る可 擁 性 を 持 ち,毒 性 の ない 安 全 な材 料 で 作 られ て い る こ とが 重 要 で あ る.こ. れ らの 条 件 を満 足 す る こ とは,. 産 業 分 野 で も レー ザ ー ビー ム 誘 導 路 を利 用 す る上 で極 めて 有 効 で あ る. 次 節 以 降 に,既 につ い て 述 べ,次. に 実 用 化 さ れ て い る可 視 ・近 赤 外 域 の石 英 ガ ラ ス フ ァ イ バ ー の 現 状 い で,赤. 外 域,紫. 外 域 で の レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 の 背 景,理. 状 と問題 点 を明 らか に す る.. 一5一. 論,現.
(12) 2.2可. 視 ・近 赤 外 レ ー ザ ー パ ワ ー 伝 送 路. 可 視 ・近 赤 外 領 域 の 光伝 送 に は,石 光 フ ァ イ バ ー の原 形 は,1959年 バ ー で あ ろ う1).1960年. に 英 国 のN.S.Kanpanyが. に,米. 国Hughes研. 振 に 成 功 した 頃 と 同 時期 で あ る2).そ 長 足 の 進 歩 を遂 げ,両 ル 長 は1997年 よ う に4),光 い る1).こ. 波 長155μm帯. 提 案 した2層. 究所 のT.H。Maimanが. の後,光. の ガ ラ ス フ ァイ. ル ビー レー ザ ー の 発. ファ イ、 バ ー 技 術 と レー ザ ー 技術 は 共 に. 者 を 融 合 し た技 術 に よ っ て,た. に は25万kmに. とえ ば 海 底 光 通 信 の 累積 ケ ー ブ. 達 して い る3).石 英 フ ァイ バ ー の伝 送 損 失 は 第2図 で 最 低 とな り,1986年. の 場 合 の 光 源 に は 通 常,連. 片側 出力 で10mW程. 英 フ ァイ バー が 一 般 に用 い られ て い る.現 在 の. には0.154dB/kmの. に示 す. もの が得 られ て. 続 動 作 の半 導 体 レー ザ ー が使 わ れ てお り,概 ね. 度 で あ る5).. 光 通 信 は レー ザ ー 光 の 信 号 を伝 送 す るた め,そ. の 光 パ ワ ー は 低 い が,石. 英 フ ァイ バ. ー は伝 送 損 失 が極 め て 少 な い た め ,レ ー ザ ー 光 のパ ワ ー伝 送 に も広 く産 業 分 野,医 分 野 で 利 用 さ れ て い る.伝. 送 距 離 を メ ー トル オ ー ダ ー と し た場 合,伝 節 以 降 に,こ. 送 で き る波 長 域. は 概 ね300nm∼2μmで. あ る.次. ス 発 振 型 に分 けて,光. フ ァ イ バ ー に よ るパ ワー 伝 送 の 現 状 に つ い て 述 べ る.. の 波長 域 の レーザ ー を連 続 発 振 型 とパ ル. 0.1. t8. 0.81t2t41.6. 光 波 長(μm) 第2図. 石 英 系 光 フ ァイ バ ー の伝 送 損 失 ス ペ ク トル. 一6一. 療.
(13) 2.2.1連. 続 発 振 レー ザ ー の パ ワー伝 送. 可 視 ・近 赤 外 域 で 高 出 力 連 続 発 振 の レー ザ ー と云 え ば,波 ザ ー と,488nmお. よび515nmを. 長1.06μmのNd:YAGレ. ー. 代 表 的 な発 振 波 長 とす るArレ ー ザ ー一が 挙 げ られ る.何. れ も そ の レー ザ ー パ ワ ー 伝 送 路 には 石 英 ガ ラス フ ァ イバ ー が用 い られ て お り,前 者 の 具 体 的 な応 用 例 と して は レー ザ ー 溶 接機,レ 眼 底 凝 固 装 置,あ. ざ 除 去 用 の レー ザ ー 治 療 装 置 に 利 用 さ れ て い る.連. 略 称 す る こ と もあ る)出 はCW5W程. 力 はNd:YAGレ. 度 で あ る.Arレ. 出 力 は20W程. 調 波 光(波. 視 域 の レー ザ ー の 中で は,波. 長 変換 素 子 はKTP)を. ザ ー 装 置 が 市 販 さ れ て い る6).光 パ ワー はCW20Wで. ー ザー 溶 接 機 で数kW,医. 者 は レー ザ ー 続 発 振(CWと. 用Arレ. ーザー 装置 で. ー ザ ー の 場 合 に は 発 振 器 の総 合 効 率 が低 い た め,そ. 度 が限 界 で あ る.可. ー ザ ー の第2高. ー ザ ー 内視 鏡 凝 固 装 置,後. あ る.医. 長532nmのNd:YAGレ. 石 英 フ ァイ バ ー で 導 光 す る医用 レー 一. フ ァ イバ ー の コ ア径 は200∼600μmで. 療 分 野 で 半 導 体 レー ザ ー は通 常,痙. あ り,伝 送 最 高. 痛 緩 和 な どの 低 出カ. レー ザ ー治 療 や 赤 外 レー ザ ー 治 療 器 の ガ イ ド光 に使 わ れて い る が,レ. ー ザ ー切開 を 目. 的 と した高 出 力 半 導 体 レー ザ ー を 用 い た シス テ ム が実 用 化 さ れ て い る7).半 類 はGaAIAsで ァ径400,600あ. あ り,発. 振 波 長 は805nmで. るい は1,000μmの. 上 述 の よ う に,連. の 発振. 最 大CW25Wの. 導体の 種. 高 出 力 を 可能 に して お り,コ. 石 英 フ ァイ バ ー で 導 光 して い る.. 続 発 振 出力 が 数10W程. と に 問題 は ほ とん ど な い.Nd:YAGレ. 度 で あ れ ば,石. 英 フ ァ イ バ ー で伝 送 す る こ. ー ザ ー の 場 合 の よ うに,CWkWオ. 力 レー ザ ー 光 を石 英 フ ァイ バ ー で伝 送 す る上 で 問題 とな るの は,光. ー ダー の 高 出 フ ァイ バ ー 入射 端. 部 分 の 発 熱 と入 射 端 面 の 損 傷 ・破 壊 で あ る. 波 長1.06μmのNd:YAGレ. ー ザ ー の 場 合,入. 射 レー ザ ー パ ワー がCW60W以. 上で ポ リ. マ ー クラ ッ ド,被 覆 材 料 の 溶 融 あ る い は 燃 焼 に よ って石 英 コ ア 部 分 が 損 傷 す る7).ま た,レ. ー ザ ー 発 振 器 の 出 力 を 上 げ る と,横. 位 置 で の ビー ム 径 が 大 き くな り,光 の解 決 策 と して,入. フ ァ イ バ ー との 結 合 損 失 が 増 す 問 題 も あ った.そ. 射 端 を 太 くして結 合 損 失 を減 らす こ とが試 み られ た が,発. け る こ とは で き な か っ た8).発. 熱 は光 フ ァ イバ ー の 入 射 端 の み な ら ず,放. ー ザ ー パ ワー 伝 送 に よ って 生 じる の で い ら れ た9).こ. モ ー ドが 増 し,レ ー ザ ー 集 光 レ ンズ の焦 点. 熱 を避. 射 端で も レ. ,そ の 対 策 と して 両 端 部 舜 を水 冷 す る方法 が 用. の 方 法 は 現 在 で も冷 却 方法 と して 一 部 に利 用 さ れ て い る.こ. も両 端 部 分 をテ ー パ ー 状 に拡 げ た 光 フ ァ イ バ ー が提 案 され,パ 一7一. れ以 外 に. ワー 伝 送 を 行 った例 が.
(14) あ る10).こ れ は 西 独 のP.Kiefhaberら た り,そ. がNd:YAGレ. ー ザ ー 内 視 鏡 凝 固装 置 を 開発 す る にあ. の パ ワー 伝 送 路 と して 試 作 した特 殊 石 英 ガ ラ ス フ ァ イバ ー で あ る.こ. ァイバ ー は第3図. に 示 す よ う に,直. 径 の 異 な る 部 分 を持 ち,入. で 細 くな り,放 射 部 に近 い 部 分 で は 更 に細 く,放 伝 送 率 は 長 さ3mで90%,最. 入射部. 大CW70Wの. 射 部 は太 く,主 伝 送 部. 射 端 で は 再 び 太 くした 構 造 を持 つ.. レー ザ ー 伝 送 を 実 現 した.し. 主 伝 送 部 ・可 曲 部. 細 径 部 ・可 曲 部. 直径の細 く な る部 分. 初 期 のNd:YAGレ. 第4図Nd:YAGレ. ー ザ ー 用 石 英 フ ァイ バ ー. ー ザ ー 凝 固 装 置(CW100W). 一8一. か し,そ. 放射部. 1mmφ0.3mmφx2.7mO.2mmφ1mmφ. 第3図. の光 フ. の後,.
(15) 高 価 で あ る こ と と破 損 した 場 合 の 交 換 に 問題 が あ り,現 在 で は 通 常 の 同一 径 で高 純 度 の石 英 フ ァイ バ ー が 使 用 さ れ て い る.石 独MBB社. のNd:YAGレ. 英 フ ァ イバ ー を用 い て 実 用化 さ れ て い る,西. ー ザ ー 内視 鏡 凝 固 装 置 を第4図. を工 夫 して,CW2kWのNd:YAGレ. に 示 す11).最. ー ザ ー 光 を コ ア径600μm,長. 近 で は 入 射端 部 分. さ200mの. 石英 ファイ. バ ー で 伝 送 させ る こ と が 可 能 に な っ た12).こ れ は 光 フ ァイ バ ー の 入 射 端 面 を 清 浄 に し, 端 面 近 傍 に は無 機 質 の材 料 を 用 い,入. 出 射 端 フ ァイ バ ー周 辺 に エ ア ギ ャ ヅ プ を設 け,. さ らに放 熱 効 果 を高 め る た め に熱 伝 導 率 の高 い銅 系統 の材 質 の コ ネ ク タ を用 い て い る. 以 上 の こ と を第1表. に ま と め た.連. 続 発 振 レー ザ ー の 場 合,レ. ー ザ ー加 工 あ る い は. レー ザ ー 医療 に必 要 とさ れ る レー ザ ー パ ワー を 石 英 フ ァ イバ ー で 十 分 に伝 送 で き る と 五 え る.. 第1表. 石 英 ガ ラス フ ァイ バ ー の連 続 発 振 レー ザ ー パ ワー 伝 送. 波. レーザ ー. ∼700kW/cm2. 1.06μm. 2kW. 半導 体 (GaAIAs). 805nm. 25W. ∼20kW/cm2. Nd:YAG-SH (KTP). 532nm. 20W. ∼60kW/cm2. Ar. 515nm. 20W. ∼10kW/cm2. Nd:YAG. 2.2.2パ. ル ス 発 振 レー ザ ー の パ ワ ー 伝 送. 連 続 発 振 レ ー ザ ー の パ ワ ー 伝 送 は 上 述 の ご と く,石 が,現. 入 射 パ ワー 密 度. 連続発振出力. 長. 英 フ ァ イ バ ー で 実 現 され て い る. 状 の 問 題 は ピ ー ク パ ワ ー の 高 い パ ル ス レ ー ザ ー の 伝 送 が で き な い こ と で あ る13).. た と え ば,ピ. ー ク パ ワ ー500kW,パ. ル ス 幅10nsec,パ. ー ザ ー を石 英 フ ァ イ バ ー に 入 射 す る と る14).こ. の 場 合,入. ,入. ル ス エ ネ ル ギ ー5mJのNd:YAGレ. 射 端 面 に ク ラ ック が 生 じ る とい う報告 が あ. 射 ピ ー ク パ ワ ー 密 度 は700MW/cm2に. 達 す る.. 石 英 フ ァ イ バ ー で 伝 送 で き る 最 長 波 長 の レ ー ザ ー と し て は,波 レ ー ザ ー が 挙 げ ら れ る.パ ー3kW)のHo:YAGレ. ル ス 幅250μs,パ. ーザ ー を. ,コ. 長2.08μmのHo:YAG. ル ス エ ネ ル ギ ー750mJ/pulse(ピ. ア 径100μmあ. る い は150μmの. ー クパ ワ. 光 フ ァ イ バ ー を37本. 束 ね た カ テ ー テ ル と 呼 ば れ る も の で 導 光 す る 医 用 レ ー ザ ー 装 置 が 開 発 さ れ て い る ∬). 一9一.
(16) カ テ ー テ ル の 外 径 は2.Ommあ ー 密 度 は 約100kW/cm2に ァ イ バ ー1本. る い は2.8mmで な る .細. でHo:YAGレ. り 返 し は 最 大10PPs,最. あ り,光. 石英 フ. 大 平 均 パ ワ ー は20Wで. あ. フ ァ イ バー へ の 入 射 ピ ー ク パ ワー 密 度 は 約. あ る 。. 可 視 域 で ピ ー ク パ ワ ー の 高 い レ ー ザ ー と し て は,波 げ ら れ る.あ. 長 さ2mの. 長694nmの. ざ 治 療 用 の 医 用 ル ビ ー レ ー ザ ー 装 置 で は,レ. ー が 用 い ら れ て い る ,パ. ル ス 幅2ms,ピ. 太 い フ ァ イ バ ー を 用 い て お り,入. 抑 え て い る17).ピ. ー ク パ ワ ーMWオ. ル ビー レ ー ザ ー が 挙. ー ザ ー 伝 送 路 に光 フ ァ イバ. ー ク パ ワ ー10kWの. 光 フ ァ イ バ ー で 伝 送 さ せ て い る が,ピ. 1.2mmの. ア 径600μmの. ー ザ ー を 導 光 す る レ ー ザ ー 手 術 装 置 も 実 用 化 さ れ て い る16).. ー ク パ ワ ー は 約6kWで. 100kW!cm2で. フ ァイ バ ー へ の入 射 ピー クパ ワ. い 光 フ ァ イ バ ー を 束 ね ず に,コ. こ の レ ー ザ ー の パ ル ス 幅 は350μs,繰 る.ピ. あ り,光. レ ー ザ ー 光 を コ ア 径0.8mm,. ー ク パ ワ ー20kWの. 場 合 に は コ ア径. 射 ピ ー ク パ ワ ー 密 度 を 約25MW/cm2以. ー ダ ー で は 光 フ ァ イ バ ー が 使 え ず,後. 下 に. 節 で説 明 す. る 多 関 節 反 射 鏡 方 式 の レ ー ザ ー 伝 送 路 が 必 要 と さ れ て い る. 波 長577nmあ. る い は585nmの. ら れ て い る.こ. の レ ー ザ ー 治 療 装 置 で は パ ル ス 幅450μs,ビ. ザ ー 光 を コ ア 径1mmの 2.5MW!cm2で. ー ク パ ワ ー 約20kWの. 光 フ ァ イ バ ー で 伝 送 し て い る が,入. レー. 射 ピー ク パ ワ ー 密 度 は 約. あ る18).. 波 長511nmの 600μm,長 20ns,繰. フ ラ ッ シ ュ ラ ンプ励 起 色 素 レー ザ ー は あ ざ治療 に 用 い. 銅 蒸 気 レ ー ザ ー は 繰 り返 し 数kHzの. さ3mの. ポ リマ ー ク ラ ヅ ド石 英 フ ァ イ バ ー で ピ ー ク パ ワ ー17kW,パ. り 返 し6kHz,平. 均 パ ワ ー2Wを. 射 ピ ー ク パ ワ ー 密 度 は10MW/cm2以 近 紫 外 域 の 波 長308nmのXeClエ た 例 が あ る.コ. ア 径400μm,長. レ ー ザ ー 伝 送 を 試 み た 結 果,パ ワ ー を 得 た が,長. パ ル ス レ ー ザ ー で あ る が,コ. 安 定 に 伝 送 で き た 例 が あ る19).こ. ア径 ルス 幅. の場合 の入. 下 で あ る. キ シ マ レー ザ ー を 石 英 ガ ラ ス フ ァ イ バ ー で 伝 送 さ せ さ1mの. 光 フ ァ イ バ ー を 用 い て,パ. ル ス エ ネ ル ギ ー9mJ(ピ. ル ス 幅20nsのXeCl. ー ク パ ワ ー450kW)の. 時 間 伝 送 で は 出 力 低 下 が み ら れ た と 報 告 さ れ て い る20).こ. 放 射 パ の場合 の. ピ ー ク パ ワ ー 密 度 は 光 フ ァ イ バ ー の 伝 送 損 失 を 考 慮 す る と,400MW/cm2程. 度 と見 積. も ら れ た.こ. 外 ファイ. れ に 対 し て ジ 紫 外 用 に 開 発 さ れ た 高 純 度 の 石 英 フ ァ イ バ ー(紫. バ ー と 呼 ば れ る が,後 XeClレ. 節 の 紫 外 フ ァ イ バ ー と は 異 な る)を. ー ザ ー の パ ル ス エ ネ ル ギ ー6mJ(ピ. ー ク パ ワ ー600kW)を. 一10一. 用 い て,パ. ル ス 幅10nsの. 伝 送 させ た例 もあ る.
(17) 21).こ. の 場 合 は500MW/cm2程. 度 の ピー ク パ ワー 密 度 に な る.上. は治 療 には 不十 分 で あ り,さ. らに伝 送 エ ネ ル ギ ー を 上 げ る た め,パ. 方 法 が試 み られ て い る.パ. ル ス 幅 を20nsか. ル ス あ た り4mJか ら16mJに. 向 上 し た22).パ ル ス 幅10nsの. 10mJ/pulseで. ル ス幅 を100nsに. あ っ た が,パ. れ た報 告 もあ る23).い 長 くす る こ とで,ピ. ら70nsに した場 合,伝. 送 エ ネル ギ ー は1パ. 場合 に最高 放射 エネル ギー は. す れ ば30mJ/pulseの. ず れ も コ ア径400μmの. ル ス 幅 を長 くす る. 放 射 エ ネ ル ギー が 得 ら. 光 フ ァ イ バー を 用 い て お り,パ ル ス 幅 を. ー クパ ワー 密 度 を下 げて 光 フ ァイ バ ー に入 射 さ せ て い る.. 以 上 の こ とを第2表. に ま と め た.パ. クパ ワ ー 数100kW,入. ル ス レー ザ ー の 石 英 フ ァ イ バ ー伝 送 で は,ピ. 射 ピー クパ ワ ー 密 度500MW/cm2が. 伝 送 パ ル ス エ ネ ル ギ ー を 上 げ る に は,光 な らな い よ う に,コ. ア径 を大 き く した り,光. ピー クパ ワーMWオ. 限界 で あ る と考 え られ る.. フ ァ イ バ ー の 本数 を増 や した り,レ ー ザ か し,こ. の よ う な 工 夫 を して も. ー ダ ー の パ ル ス レー ザ ー を石 英 フ ァイ バ ー で 伝 送 す る こ とは で き. 状 で は 多 関 節 反 射 鏡 方 式 の 伝 送 系 がル ビー レーザ ー 治 療 装 置 な ど の 一 部 に用. い られ て い る が,可. 挑 性 を有 す る伝 送 系 と して は 中空 導 光 路 方 式 が 有 効 と考 え られ る.. こ の 問題 は 後 述 の 赤 外,紫. 第2表. レー ザ ー. Ho:YAG. 波 2.08μm. 外 域 の レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 で も問 題 とな る.. 石 英 ガ ラス フ ァイ バ ー のパ ル ス発 振 レー ザ ー パ ワー 伝 送. 長. パル ス幅 ピ ー ク パ ワ ー 250μs 350μs. 3kW 6kW. パル ス エネルギー 750mJ/pulse 2J/pulse. 入 射 ピー ク パ ワ ー密 度 ∼100kW/cm2 ∼100kW/cm2. <700MW/cm2. 1.06μm. 10ns. 500kW. 5mJ/pulse. 694nm. 2ms. 20kW. 40J/pulse. 色 素. 577nm 585nm. 450μs. 20kW. 9J/pulse. 銅蒸気. 511nm. 20ns. 17kW. XeCl. 308nm. 10ns. 600kW. 6mJ/pulse. ∼500MW/cm2. 20ns. 450kW. gmJ/pulse. ∼400MW/cm2. 70ns. 230kW. 16mJ/pulse. ∼180MW/cm2. 100ns. 300kW. 30mJ/pulse. ∼240MW/cm2. Nd:YAG. 一 ル ビー. 一. ー. フ ァイ バ ー へ の 入 射 ピ ー ク パ ワー 密 度 が 高 く. ー の パ ル ス 幅 を長 くす るな どの 工 夫 が 必 要 で あ る .し. な い.現. 述 の伝 送 エネル ギー. 一11一. 0.34mJ/pulse. ∼2. .5MW/cm2. ∼2. .5MW/cm2. ∼10MW/cm2.
(18) 2.2.3石. 英 系 光 フ ァ イ バ ー の 医 学 応 用24・25). レー ザ ー の 医 学 応 用 で は,産. 業 分 野 以 上 に種 々 の レー ザ ー が 利 用 さ れ て お り,従 来. の 産 業 用 レー ザ ー 機 器 を 医 学 応 用 に転 用 す る こ とか ら,現. 在 で は 臨床 応 用 に 必 要 とさ. れ る 光 波 長 を 持 つ レー ザ ー を,医. 療 機 器 化 す る た め に開 発 す る こ とが 多 くな って きた.. 医 用 レ ー ザ ー 装 置 の 開 発 に は,レ. ー ザ ー ビー ム 誘 導 路 は 不 可 欠 の 要素 で あ る.こ. は 石 英 系 光 フ ァイ バ ー の 医療 計 測 ・診 断分 野 へ の 応 用 と,臨. こで. 床 分 野 へ の 応 用 を ま とめ. て 述 べ る. 医 療 計 測 ・診 断 分 野 で 利 用 さ れ る レー ザ ー は,主 るが,最. 近 で は 波 長670nm付. れ らの 応 用 を 第3表. 第3表. 応. 腔 お よび 血 管 内 の 視 覚 化 を行 う,い. ー ザ ー の 臨 床 応 用 に あ た って,照. の 他 に は 血 液 流 速 の 測 定,各. れ て い る.こ. 射 位 置 を示 す ガ イ ド光 の伝 送 系 で. 種 温 度 計 測,が. に ま とめ た.表. わ ゆ る内視. ん 診 断 に 光 フ ァ イ バ ー は利 用 さ. 中 の バ ン ドル フ ァイ バ ー は,細. い光. 医 療 計 測 ・診 断 分 野 へ の 導 光 系 の応 用 例. 対. 用. 内視鏡. れ に して. ー ダー で あ り,石 英 フ ァ イバ ー で 十 分 に 導 光 で き る.光. フ ァイ バ ー の 主 な 応 用 例 と して は,体. あ る.そ. ーザー であ. 近 の 半 導体 レー ザ ー に代 わ ろ う と して い る.何. も レー ザ ー パ ワー はCWmWオ. 鏡 の 光 伝 送 系,レ. に 波 長633nmのHe-Neレ. 象. 導光系. 体 腔 内の視 覚化 各 種血管の 視覚化. 石 英 フ アイバ ー バ ン ドル フ ァイバ ー. 使 用 レーザ ー He-Ne (ガ イ ド光) Ar,色. 蛍 光 イメー ジング. 素. (蛍 光 体 励 起 用). 冠 動脈. 石 英 フ ァイバ ー. 静脈 皮 膚 、脂肪 中血管. バ ン ドル フ ァイバ ー. レー ザ ー温 熱 療法. 石 英 プ アイバ ー. (モ ニ タ ー 用) 血 液 、体表面. バ ン ドル フ ァイバ ー. 圧 力 セ ンサ ー 弾性体形状変化. 血液. 石 英 フ アイバ ー. pHセ ンサ ー 浸透圧利用. 血液. 血液流速 レー ザ ー ドツ プ ラ ー レー ザ ー ス ペ ッ クル. 温 度 セ ンサ ー 放射温度計測 液晶温度計測. He-Ne. He-Ne. 赤 外 フ ァイバ ー He-Ne ラ ン プ. 石 英 フ アイバ ー. 一12一. Arラ ンプ.
(19) フ ァイ バ ー を束 ね た も の で あ り,主. に 内 視 鏡 な どの 受 光用 の フ ァイ バ ー と して利 用 さ. れ て い る. 臨 床 分 野 で は 当初,CQ2,Nd:YAGお. よびArレ ー ザ ー が3本. 各 種 レー ザ ー 装 置 の 開 発 が 進 む にっ れて,種 き た.し. か し,医. 柱 と して 活 躍 して い た が,. 々の レ ー ザ ー の 臨 床 応 用 が 活 発 に な っ て. 用 レー ザ ー で は 使 用 す る レーザ ー 波 長 に対 し て 有 効 な レー ザ ー ビー. ム誘 導 路 が な い と,応. 用 範 囲 が 限 定 さ れ る.現 状 で は,石. 英 フ ァ イバ ー が 使 え な い レ. ー ザ ー 治 療 装 置 の 利 用 は敬 遠 さ れ て い る .臨 床 分 野 で の 光 フ ァ イ バ ー の 応 用 は第4表 に 示 す ご と く,レ. ー ザ ー メ ス の よ う に体 腔 外 で利 用 され る場 合 と,レ. よ う に体 腔 内 で 利 用 され る場 合 に大 別 され る.表 の レー ザ ー 装 置 を1箇. 所 に集 め,光. 中の レー ザ ー ホ ス ピ タル26・27)は,種々. フ ァ イバ ー で 手 術 室,外. を備 え た 未 来 志 向 型 の病 院 で あ り,既. 来 室 へ 送 り込 む シス テ ム. に 採 り入 れ て 運 用 して い る病 院 もあ る.こ. フ ァイ バ ー 伝 送 系 は レー ザ ー の パ ワ ー伝 送 の み な らず,情. しか しな が ら,現 状 で は レー ザ ー 治 療 装 置 と してNd:YAGレ. 応. 用. 象. ー ザ ー,Arレ. 体腔外 での. 体表面の癌切除. 導光系 一 多関節反射鏡型. ビー ム誘 導. あ ざ 、 ほ くろ 取 り. 赤 外 フ ァイバ ー. Nd:YAG. レー ザ ー 刺 激 治療. 石 英 フ アイ バ ー. Ar,ル. 耳鼻咽喉科. 中空導光路. Er:YAG. 産婦人科. ーザーお よ. 使 用 レー ザ ー 一. CO2,CO. ビー. エ キシマ 半 導 体,He-Ne. 体腔 内での. 癌治療. 石 英 フ アイ バ ー. Nd:YAG. ビー ム誘 導. レーザ ー温 熱 治 療. 赤 外 フ ァイ バ ー. Nd:YAG-SH. レーザ ー 光化 学 治 療. Ar. 胆石、結石 破壊. 色素. 血管形成. ル ビー. 一 レー ザ ー発 振 器. か ら患 部近 くま での ビー ム誘 導. 眼科 脳外科 レーザ ー ホ ス ピタ ル. 一13一. ン. 速 に 自動 化 さ れ て い る.. 臨床分野 へ の導光 系の応用例. 対. の光. 報 通 信 に も利 用 さ れ,コ. ピュ ー ター 制 御 に よ って 診 断 ・計 測 か ら治 療 ま で有 機 的 に,迅. 第4表. ー ザ ー 内視 鏡 の. 多 関節反射鏡型. CO2. 石 英 フ ァイ バ ー. Nd:YAG Ar,色. 素.
(20) びArレ ー ザ ー 励 起 色 素 レー ザ ー が設 置 さ れ て い るの み で,レ が 図 れ ず,本 が,石. シ ス テ ム の 利 用 は停 滞 気 味 で あ る.こ. の 原 因 は 利 用 で きる レー ザ ー 装 置. 英 系 ガ ラ ス フ ァイ バ ー の 使 え る波 長 を 持 つ もの に限 定 さ れ て い る か らで あ る.. 2.3赤. 外 レー ザ ー 伝 送 路. 本 節 で は,波 して は,波. 長2μm以. 上 の 赤 外 レー ザ ー を採 り上 げ る.代. 長10.6μmのCO2レ. ー ザ ー が 挙 げ られ る.CO2レ. 高 分 子 材 料 や 水 に対 す る吸 収 が強 い た め,産 療 分 野 で は レ ー ザ ー メ ス と呼 ば れ,生 は,レ. ー ザ ー治 療 適 応 の 多 様 化. 体 切 開 に利 用 さ れ て い る.CO2レ. ンズ を 通 して 加 工 試 料 に垂 直 集 光 照 射 す る.試. す る 場 合 は 反 射 鏡 を3枚. 以 上 用 い,試. ー ザー加工 で. の 反 射 鏡 を用 い て 直 角 に 曲 げ て,レ. 料 は レー ザ ー ビー ム に対 して垂 直 な 平. 望 の形 状 の加 工 が な さ れ る.三. 次 元 的 な 加 工 を必 要 と. 料 を三 次 元 的 に動 か して加 工 して い る ・CO2レ. ー ザ ー メ ス で は対 象 が 人 間 で あ る か ら とは で きず,レ. ー ザ ー は効 率 が 高 く,各 種. 業 分 野 で は各 種 材 料 の レー ザ ー 加 工,医. ー ザ ー 発 振 器 か らの レー ザ ー ビー ム を1枚. 面 内で 二 次 元 的 に 動 か して,所. 表 的 な高 出 力 レ ー ザ ー と. ,レ ー ザ ー加 工 の よ う に試 料 を 動 か す よ うな こ. ー ザ ー ビー ム を動 か す必 要 が あ る.ま. た,レ. ー ザ ー 加 工 の よ うに レー. ザ ー ビ ー ム の照 射 方 向 な どを コ ン ピ ュー タ ー 制 御 す る こ と は で きず,レ. ーザー放射端. を施 術 者 が 手 に持 っ て,レ. ー ザ ー ビー ム を 自在 に操 る必 要 が あ る.こ. せ るに は 可 擁 性 を持 ち,レ. ー ザ ー パ ワー を安 定 に伝 送 で き る レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 が. 必 要 で あ る.し. か しな が ら,前. さ せ る こ とが で きず,後 あ る.多. の 要 望 を満 足 さ. 節 で 説 明 した石 英 フ ァイ バ ー で はCO2レ. ー ザ ー を伝 送. 述 す る 多 関節 反 射 鏡 方 式 の 伝 送 路 が 使 わ れ て い るの が現 状 で. 関 節 反 射 鏡 方 式 は 自在 性 に欠 け,重. に代 わ る伝 送 系 の 開 発 が 望 まれ て い る.著. く,径. の 太 い こ と に問 題 が あ り,こ れ に. 者 らは この 問 題 に触 発 さ れ,CO2レ. ー ザー. パ ワー 伝 送 路 の 開 発 に着 手 した. CO2レ. ー ザ ー 以 外 の 赤 外 レー ザ ー と して は,波. 2.94μmのEr:YAGレ 型 が あ る.本 Er:YAGレ. ー ザ ー が あ る.こ. の 内,CO2レ. 長5.0∼5.8μmのCOレ. 関 節 反 射 鏡 方 式,赤. 長. ー ザ ー に は 連 続 発 振 型 とパ ル ス発 振. 研 究 で は こ の 両 者 を対 象 と して い る,COレ. ー ザ ー は パ ル ス 発 振 型 で あ る.赤. ー ザ ー,波. ー ザ ー は連 続 発 振 型 で あ り,. 外 レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 は 大 別 す る と,多. 外 フ ァイ バ ー 方 式 と本 研 究 で 採 り上 げ た 中空 導 光路 方 式 が あ り,. 次 項 以 降 に ま とめ た.対. 象 と して い る レー ザ ー は,ほ 一14一. とん どCO2レ ー ザ ー で あ る. ζ.
(21) 2.3.1多 CO2レ. 関 節 反 射 鏡 方 式28・29) ー ザ ー に は 前 述 の よ う に,反. 導 路 が 現 在,医. 射 鏡 を 組 み 合 わ せ た 関 節 状 の レー ザ ー ビー ム 誘. 療 分 野 で 最 も 普 及 して い る.こ れ は 第5図. 回 転 可 能 な 関 節 部 を設 け て,そ. こ に反 射 鏡 を置 い た 構 造 の もの で あ る.反. ザ ー ビ ー ム に対 して45deg.の. 角 度 に配 置 さ れ,レ. る.関. 節 部 と関節 部 は 通 常,金. い.関. 節 部(反. 射 鏡)を. も放 射 で き る.多. に示 す よ う に,い. くつ か の. 射 鏡 は レー. ー ザ ー ビー ム は 直 角 方 向へ 曲 げ られ. 属 円筒 で 繋 が って お り,レ ー ザ ー伝 送 に直 接 関与 しな. 回転 さ せ る と,レ. 関節 反 射 鏡 方 式 は,動. ーザ ー ビ ー ムは 一 つ の 平 面 内 で どの 方 向 へ く自由度 の 少 な い こ と に 問題 が あ る.操 作 性. を高 め る た め に関 節 数 を 増 や せ ば,反. 射 鏡 の 数 が 増 え る の で,レ. ー ザ ー パ ワー の 反 射. 損 失 が 増 す.た. と え ば,関. の 場 合,反. あ れ ば,放. 射 レー ザ. ー パ ワー93%に. な り. まで 減 衰 す る.反. 射損失 の. 僅 か な違 い は,放. ,損. 節 数 が7つ 失 が3%で. 射 損 失 が1%で. は 放 射 パ ワー は81%に. 射 パ ワ ー に大 き く影 響 す る こ とが わ か る.レ. ー ザ ー ビー ム を放 射 端. 反射鏡 、. ＼/. 齢. グ. 反射鏡支持円筒. ハ ン ドピー ス ㍗/へ. イ ーザー発振音β. 第5図. 多 関節 反 射 鏡 方 式 の レー ザ ー パ ワー 伝 送 路. 一15一.
(22) まで狂 い な く誘 導 す る た め の 光 軸 合 わ せ も,関 節 数 が増 す と複 雑 にな る 、 し た が って, レー ザ ー 反 射 率 の 高 い 反 射 鏡 を 用 い,操. 作 や 振 動 に よ って 反 射 鏡 に プ レ の生 じな い強. 固 な 反 射 鏡 支持 構 造 と材 料 が 必 要 で あ る. レー ザ ー 加 工 分 野 で も加 工 の 高 速 性,空 加 工体 の 双 方 を 固 定 し,レ れ て い る.し. 状 で は機 械 的 精 度 な どの 点 で 十 分 な レー ザ ー 伝 送 路 が 開. 振 器 あ るい は加 工 体 の一 方 を 固定 し,他. この 場 合 に用 い られ て い るCO2レ あ る.た. と えば,米. ー ザー発振器 と. ー ザ ー 伝 送 路 を動 か して 加 工 す る方 法 が 最 も 望 ま しい とさ. か しな が ら,現. 発 され て い な い た め,発. 間的 自由 度 の 観 点 か ら,レ. 国Ford社. ー ザ ー の パ ワー伝 送 路 は,全. 方 を 移 動 さ せ て い る.. て多関節 反射鏡 方 式で. の 自 動 車 ア ン ダボ デ ィCO2レ ー ザ ー 溶接 装 置30)に は,4. 枚 の 反 射 鏡 を組 み 合 わ せ た レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 が 用 い ら れ て い る.こ. の 装 置 はXY. Zの3方. ーザー発振器. 向 並 進 運 動 と,α. θの2軸. は レー ザ ー パ ワ ーCW6kWの の み に移 動 し,残. 回 転 運 動 の 自由度 を持 って い る.レ. 大 形 機 器 で あ るた め,固. LaserIndustricsLtd.が. 実 用 化 した 装 置(モ. の伝 送 路 に は7つ. が 付 け られ て い る が,現 本 で は1969年. か ら,中. 頃 にイ スラ エル の. デル 名:Sharplan791)が. 世 界 で 最初 で あ. の 関節 が あ り,平. 央 鉄 道 病 院 の 滝 澤利 明 と持 田 製 薬(株)が. 射 鏡 が 用 い られ て い た が,1枚 射 鏡 を2枚. 衡 錘). 共 同 で 脳 外 科 用CO2. に実 用 モ デ ル を完 成 さ せ て い る32).こ. ニ ピ ュ レー ター と呼 ば れ る)に. の 反 射 損 失 が5%で,放. は,従. 来7枚. あ り,マ. 大. の装置. ニ ピ ュ レー タ ー は 手 術 用 顕 微 鏡 に も 接 続 可 能. 頃 に近 畿 大 学 外 科 の 久 山. 健 と同大 学 理 工 学 部 の 久 保 宇 市 は,. 日本 電 気(株),モ. リタ(株)と. 置 に は 反 射 鏡 が3枚. 用 い られ て お り,レ ー ザ ー パ ワー はCW50Wで. 日本 赤 外 線 工 業(株)が. の. の反. 射 パ ワー の減 衰 量 が30%と. と して放 射 パ ワー の低 減 を抑 え た 構 造 と して い る.こ. の レー ザ ー パ ワ ー はCW90Wで た,1975年. 衡 を保 つ た め にバ ラ ンサ ー(平. 在 の 多 関 節 反射 鏡 方 式 伝 送 路 と比 較 して も 見 劣 り しな い.日. 装 置 の 多 関節 反 射 鏡 方 式 伝 送 路(マ. で あ る.ま. 向. ー ザ ー メ ス は,1974年. レー ザ ー メ ス 実 用 機 の 開 発 に 着 手 し,1977年. きい た め,反. 工 体 がX方. りの運 動 は 全 て レー ザ ー パ ワー 伝 送 路 を動 か して 行 って い る.. 多 関節 反 射 鏡 方 式 の 伝 送 路 を持 つCO2レ. ろ う31).こ. 定 さ れ て お り,加. 共 同 で 外科 用CO2レ. ー ザ ー メス を 開 発 した33).本 装 あ る.1981年. には,. 世 界 に先 駆 け て 発 振 形 態 や 自己診 断 監 視 装 置 な どを全 て コ ン. ピ ュ ー ター 制 御 で き るCO2レ 放 電 管 を垂 直 に配 置 し,関. ー ザ ー メ ス(CW60W)を 節 数 は7つ. あ る が,1枚 一16一. 製 品 化 した34).こ の 反 射 損 失 を2%以. の 装 置 はCO2 下 に抑 え,全.
(23) 第6図. 損 失 も12%以 時 に,同. ポ ー タ ブルCO2レ. 下 に し て い る35).同. のCooperLaboratories社. ー ザ ー とNd:YAGレ. 比 較 的 低 い が,重. こ れ に も7つ. 社 は 翌1982年7月. ーザーを同. 量12kg程. た,レ. ー ザ ー パ ワ ー はCW. 度 の 持 ち 運 び が 容 易 な ポ ー タ ブ ルCO2レ. 近 改 良 さ れ た ポ ー タ ブ ルCO2レ. ーザー メス. ー ザ ー メ ス を 第6図. に 示 す39).. の 関 節 を 持 つ 多 関 節 反 射 鏡 方 式 の 伝 送 路 が 用 い ら れ て い る.操. と 伝 送 路 の 軽 量 化 を 図 る た め,カ (CFRP)を. に 米 国 レー ザ ー 医療 機 器 メー カ ー. へ 技 術 輸 出 を 果 た し て い る37).ま. も 実 現 し て い る38).最. ー ザ ー メ ス が,住. の 支 持 円 筒 は 従 来 の ス テ ン レ ス,ア. 度 も 十 分 に 確 保 さ れ て お り,バ. に,本. ー ザ ー の パ ル ス 幅 は 数ps. ,ピ. ,脚. レ ー ザ ー で あ り,医. 開発. ル ミ ニ ウ ム に 較 べ て 非 常 に 軽 く,強. 長9.4μmの. 自由 電 子 レー ザ ー の 汎 用照. 方 式 の マ ニ ピ ュ レ ー タ ー を 用 い て 完 成 し て い る41).こ ー ク パ ワ ー は7.5MW,平. ー ザ ー は と び とび の 波 長 を 持 っ が ー ザ ー と して. 友 電 気 工 業(株)で. ラ ン サ ー な し で も 平 衡 が と れ る.. ー ザ ー 以 外 の 赤 外 レ ー ザ ー と し て は,波. 射 装 置 が1996年8月. 作 性 向上. ー ボ ン フ ァ イ バ ー を 芯 に した プ ラ ス チ ッ ク材 料. 反 射 鏡 支 持 円 筒 に 用 い たCO2レ. さ れ た40).こ. CO2レ. 社 は 同 じ 年 に,CO2レ. 一 光 軸 で 照 射 で き る 複 合 レ ー ザ ー 装 置 も 世 界 で 初 め て 製 品 化 し て い る36).こ. れ ら の 技 術 は 世 界 で 評 価 さ れ,同. 10Wと. ー ザ ー メ ス(CW10W). ,自. 光 を 浴 び て い る42).し. 均 出 力 は30mWで. の レ. あ る.CO2レ. 由 電 子 レー ザ ー は 連 続 的 に 波 長 選 択 が 可 能 な レ か も,赤. 療 分 野 で も 注 目 さ れ て い る.. 一17一. 外 か ら紫 外 領 域 に 亘 っ て 発 振 可 能 な.
(24) 多 関 節 反 射 鏡 方 式 伝 送 路 で は,反 あ る.現. 在,CO2レ. 射 鏡 の反 射 損 失 低 減 と レー ザ ー 耐 力 向上 が 重 要 で. ー ザ ー はCW20kW級. の もの が完 成 して お り,こ. に 耐 え る光 学 部 品 の 開 発 が 進 め ら れ て い る.全 射 率 が 高 い こ と,熱 あ る.表. 反射 鏡 に要 求 され る こ と は レー ザ ー 反. 歪 み が 少 な い こ と,熱 伝 導 度 が高 く,線 膨 張 係 数 が 小 さい こ とで. 面 の 傷 はCO2レ. り問 題 に な らな い.東 射 鏡)で. の大 出力 レーザー. ー ザ ー の 波 長 が 可 視 光 に較 べ て 長 い の で,多 芝(ダ. は 反 射 率99%以. イ ヤ モ ン ド切 削銅 反射 鏡)と. 松 下 技 研(タ. 上 の 金 属 全 反 射 鏡 を開 発 して い る43).誘. で は約995%の. 反 射 率 が 得 られ て い る が,誘. 耐 力 が 低 い.し. た が って,反. 量 の傷で な い限 ング ステ ン反. 電体 多 層 膜 全 反 射 鏡. 電 体 膜 の熱 伝 導 度 が 悪 い た め,レ. ーザー. 射 率が約. 金 蒸 着 全 反 射 鏡 の ほ う が大 出 力 レーザ ー用 と して 実 用 的 で あ る.金. 属反 射鏡. 99.0%の. 射 率 は誘 電 体 多層 膜 全 反 射 鏡 よ りも低 い が,反. の 損 傷 しき い値 はCW4MW/cm2以 以 上 の こ とを ま と め る と,現. 上 で あ る43). 状 の 多 関 節 反 射 鏡 方 式 は 完 成 され た技 術 で あ り,赤 外. レー ザ ー パ ワ ー を 安 定 確 実 に伝 送 で き る信 頼性 の 高 い 伝 送 路 と云 え る.し 既 述 した ご と く,本. 方 式 の 伝 送 路 は そ の径 が太 く(細. くて も10mm程. か しな が ら,. 度),空. 間的 自. 由度 が制 限 さ れ る問 題 を持 つ.. 2.3.2赤. 外 フ ァ イ バ ー 方 式29,44∼49). 波 長10.6μmのCO2レ. ー ザ ー に代 表 さ れ る中赤 外波 長 領 域 の 光 は,既. 述 した よ う に石. 英 ガ ラ ス 系材 料 に は 強 く吸 収 さ れ る た め 透 過 せ ず,高. 出力 レー ザ ー の場 合 に は ガ ラ ス. を破 壊 す る.中. に示 す よ う に金 属 ハ ロ ゲ ン化 物,. 酸 化 物,カ. 赤 外 光 に対 して 透 明 な素 材 は,第5表. ル コ ゲ ン化 物 で あ り,素 材 の 種 類 とそ の加 工 方 法 に よ り,さ. 多 結 晶形,ガ. ラス 形 に分 か れ る4550).こ. れ らの 開 発 目的 には,長. ス 化 学 プ ラ ン トの 無 人 自動 成 分 分 析 や 放 射 温 度 計 測,レ. らに 単結 晶形,. 距 離 無 中継 通 信,ガ. ー ザ ー加 工 ・レー ザ ー 医 療 に. お け る可 擁 レー ザ ー パ ワ ー伝 送 路 が挙 げ られ て い る. これ らの 素 材 を加 工 して 得 られ る フ ァイ バ ー の赤 外 域 で の 伝 送 損 失 は,指 収 の 増 大 す る格 子 振 動 に よ る吸 収 と散 乱損 失 で あ る.ガ. 数的 に吸. ラ ス 系 の 散 乱 損 失 は媒 質 中の. 屈 折 率 ゆ ら ぎ に起 因 す る レ イ リー 散 乱 で あ り,そ の 大 きさ は λ4に 比 例 す る.結 の 場 合 は,ブ. 晶系. リル ア ン散 乱 と呼 ば れ る光 子 と光 子 の 非 弾 性 散 乱 に よ る損 失 で あ る.こ. れ らの 損 失 以 外 に は,素. 材 を フ ァイ バ ー状 に加 工 す る場 合 に損 失 要 因 が 加 わ る.こ 一18一. の.
(25) 第5表. 種. 別. 形. 赤外 ファイバーの種類 と伝 送特性. 単結晶形. CsBr. 金属 ハ ロ ゲ ン化物 多結晶形. T旧rl(KRS-5). ZrF4+BaF2+LaF3. Sio2+GeO2. 酸化物. ガラス形. *伝. 400(10.6岬). 一. 120(10.6岬). SiO2+Na20+B203. 70(10.6岬). 0.40∼4.3. 0.7(2.6岬). 0.37∼2.4. 0.16(1.55岬). 0.45∼1.8. 3.2(0.84μm) 一. 一. GeO2,GeO2+Sb203 カルコゲ ン化 物. 一. 一. AgBr. ガ ラス形. 伝送 損失 (dB!km). 低 損 失 波 長 域* (μm). 代表的組成. 態. As+S. 35(2.4μm). 0.92∼6,6. ガ ラ ス形 As+Ge+Se. 送 損 失 が1dB!km以. 下 の波 長 範 囲. 損 失 に は バ ル ク 内 の 不 純 物 に よ る 吸 収,フ イ バ ー 端 面 で の 散 乱,コ. 182(2.1μm). t3∼9.5. ァイ バ ー 端 面 で の 不 純 物 に よ る 吸 収,フ. ア と ク ラ ッ ドとの 界 面 不 整 に よ る散 乱,バ. マ イ ク ロ ク ラ ヅク ・ボ イ ドな ど に よ る散 乱,フ. に 示 し た.図. ル ク 内 で の粒 界 ・. ァ イ バ ー 端 面 で の 反 射 損 失 が あ る.こ. れ らの 損 失 を総 合 した 理 論 伝 送 損 失 ス ペ ク トル51)と,現 失 ス ペ ク トル50)を 併 せ て 第7図. 在 ま で に得 られ た最 低 伝 送 損. の よ う に,未. だ 理 論 伝 送 損 失 と測 定値 と. は か な りの相 違 が あ る.ま. た,赤. に素 材 の 毒 性,潮. 械 的 強 度 な ど に っ い て も考 慮 しな けれ ば な らな い.. 解 性,機. 外 フ ァ イバ ー の 実 用 化 にあ た っ て は,伝. ガ ラ ス材 料 は結 晶 粒 界 を も た ず,光. 方,結. 晶 材 料 で は,フ. 状 単結 晶 の 育 成 を 行 う方 法 と,素 す る 方 法 が あ る.こ が条 件 とな る.そ 次 に,赤. れ には 安 定 な ガ ラ ス 状 態 を保 つ こ. ァイ バ ー 化 す る に は 素 材 融 液 か ら直接,線. 材 を融 点 以下 で 固 化 した もの を 重 圧 力 で 押 出 し成 形. れ らの 方 法 で は安 定 な結 晶育 成,十. の た め,結. 送 損失以外. 学 的 に均 質 で あ り,粘 性 の 温 度 依 存 性 が緩 や か. な こ と か ら長 尺 フ ァ イ バ ー の 作 製 に有 利 で あ る.こ とが 重 要 で あ る.一. ァ. 分 な 延 性 と展 性 を 有 す る こ と. 晶 材 料 で は長 尺 フ ァイ バ ー の作 製 は 困 難 で あ る.. 外 フ ァイ バ ー の種 類 別 に開 発 の 歴 史 と現 状 を紹 介 す る. 一19一.
(26) 1α ヤ02468101214. 光 波長(μm) 第7図. (a)タ. 赤 外 フ ァイ バ ー の 理 論 お よび 最 低 損 失 ス ペ ク トル. リウ ム ハ ラ イ ド. 金 属 ハ ロ ゲ ン 化 物 は 古 く か ら 赤 外 線 用 の レ ン ズ や プ リ ズ ム な ど に 用 い ら れ て い る. こ の 結 晶 材 料 を フ ァ イ バ ー 化 す る 試 み と し て,米. 国HughesResearchLaboratoriesの(}. Tangonanら. 結 晶 フ ァ イ バ ー を 報 告 し て い る52).. し か し,吸 cmの. が1973年. に,波. 収 係 数 が050cm4と. 長10.6μm用 高 く,こ. フ ァ イ バ ー で 光 パ ワ ー が1/100に. 1977年. に,レ. (KRS-5)を. のKCI単. れ は 伝 送 損 失2×105dB/kmに. 減 衰 す る.そ. の 後,同. 相 当 し,長. 社 のD.A。Pinnowら. ー ザ ー 工 学 と そ の 応 用 に 関 す る 国 際 会 議(CLEA)でTIBrとTIIの フ ァ イ バ ー 化 し,CO2¶. ン ク ラ ッ ド形 と 呼 ば れ る こ と も あ る)の. フ ァ イ バ ー でCW2WのCO2レ 報 告 に よ り,改. ー ザ ー を 伝 送 さ せ,伝. フ ァ イ バ ー で あ り,コ 送 損 失10%1mを. が 多結晶. レ ー ザ ー 伝 送 を 行 っ た と 発 表 し た53).こ. し 加 工 法 で 線 引 き し た 多 結 晶 コ ア を ポ リ マ ー ク ラ ッ ドの 中 に 挿 入 し た,ル ド形(ア. さ9. れ は押 出 ー ズ クラ ッ. ア 径500噸. 得 て い る54).こ. の の. め て ハ ロ ゲ ン 化 物 フ ァ イ バ ー が 見 直 さ れ た.. 我 が 国 で は 医 療 福 祉:機 器 研 究 所(通. 産 省 工 業 技 術 院)で,1978年9月 一20一. か ら可擁 性 導.
(27) 光 路 方 式CO2レ. ー ザ ー メ ス に 利 用 で き る 光 フ ァ イ バ ー の 開 発 が 開 始 さ れ た5556).1980. 年 頃 に は,民. 間 委 託 企 業 で あ る 堀 場 製 作 所 が コ ア 径 約1mmのKRS-5フ. 率 約90%!m,CO2レ. ー ザ ーCW20Wの. 87cmのKRS-5フ. 放 射 パ ワ ー を 達 成 し た57).1981年. ァ イ バ ー でCW68W(20秒. 間)の. ァ イ バ ー を 用 い たCO2レ. 年,医. さ. 界で初. 療 福祉 機 器 研 究 所 で はこ の. ー ザ ー メ ス を 完 成 し て い る60・45).こ の レ ー ザ ー メ ス の. フ ァ イ バ ー 長 は1.2m,直. 径1mm,耐. さ れ て い る.し. の レ ー ザ ー メ ス は 商 品 化 さ れ ず,KRS-5フ. か し,こ. に は,長. 放 射 パ ワ ー を 得 て お り58),世. め て 中 赤 外 フ ァ イ バ ー の 実 用 化 に 成 功 し た59).同 KRS-5フ. ァイ バ ー で 伝 送. 入 射 パ ワ ー40W,放. 射 パ ワ ー は20Wで,強. 制 空冷. ァ イ バ ー一の み が 販. 売 さ れ た. 松 下 電 器 産 業 で は1982年. 初 期 にKRS-5の. 組 成 比 を 検 討 し,TIBrの. に す る と フ ァ イ バ ー 自 身 の 透 過 率 は96%1mに コ ア 径05mmφ,長 CW74W,反 KRS-5フ. さ15mのKRS-5フ. 2。37と 高 く,フ. ァ イ バ ー で,フ. 造 の 反 射 防 止 膜 を 真 空 蒸 着 す る こ と で,反 耐 パ ワ ー 性 を 達 成 し た66・67).オ. 作 製 温 度 条 件 の 選 択,圧. な り,こ. れ がKRS-5フ. 後 半 に,フ. 射 損 失 を2%以. の. 屈 折率 は. ァイバーの欠. ァイ バ ー端 面 に三 層 構. 下 に 低 減 し,入. リ ン パ ス 光 学 工 業 で も1983年. 力 印 可 方 法 の 適 正 化 に よ り,側. ン サ イ ズ の 形 成 を 可 能 に し,約1mの. 社 で は 同 年 に,こ. ー ザ ー メ ス を 試 作 し て い る64・65).KRS-5の. 社 で は 松 下 技 研 と 共 同 で1984年. に は,. ァイ バ ー放 射端 パ ワー 最 大. 得 て い る63,64).同. ァ イ バ ー 端 面 反 射 損 失 が 約28%に. 点 に な っ て い た.同. 95Wの. な る こ と を 見 出 し た61・62).1983年. 射 損 失 を 含 め た 伝 送 率 は67.5%を ァ イ バ ー を 用 い たCO2レ. 組 成 比 を42∼43%. に,押. 射パ ワー し 出 し法 の. 面 が ス ム ー ス で均 一 な グ レイ. 長 さ の フ ァ イ バ ー でCO2レ. ー ザ ー-CW20Wの. 放射. パ ワ ー を 得 て い る68). 上 述 の 多 結 晶KRS-5フ れ て お り,大. ァ イ バ ー は ル ー ズ ク ラ ッ ド で あ る た め,コ. 気 中 の 水 分 と 反 応 し て コ ア 表 面 が 腐 食 す る69).古. 初 頭 よ り 上 述 の 伝 送 損 失 要 因 の 検 討 を 始 め70),1984年. ア が 直 接 大 気 に触. 河 電 気 工 業 で は1982年. に は 雰 囲 気 ガ ス の 影 響 を 調 べ,. アル ゴ ン ギ ス 中で 熱 処 理 す る こ と で フ ァ イ バ ー 自身 の伝 送 損 失 を,当 低 い0.09dB/m(損. 失 約2.0%!m)の. 値 に す る こ とが で きた71).さ. 時 と して は 最 も. ら に,1985年. 秋 には. 水 分 との 反 応 に よ る伝 送 損 失 増 大 を 熱 処 理 に よ っ て 軽 減 で き る こ と を 明 らか に した72). しか し,ル. ー ズ ク ラ ッ ドフ ァ イバ ー は コ ア とク ラ ッ ドに 隙 間 が あ る た め,機. が 弱 い こ と,フ. 械 的強度. ァ イバ ー端 面 近 傍 で は コ ア 固定 用 の 有 機 物 が使 用 さ れ る た め,レ 一21一. ーザ.
(28) 一 光 の 吸 収 ・発 熱 の 問 題 が あ る .信 頼 性 を確 保 す る には 通 常 の 石 英 フ ァ イ バ ー の よ う に コ ア とク ラ ヅ ドが 密 着 した構 造 が望 まれ る.こ 発 熱 ・溶 融 す るた め,ク. の場 合,ク. ラ ヅ ドの 光 吸 収 が 強 い と. ラ ッ ド材 料 の 選 定 と製 作 方法 の 確 立 が 重 要 にな る.古. 工 業 で は ク ラ ッ ド材 にKRS-6(TICI)を 造 の プ リフ ォー ム を 作 製 して,こ. 用 いて,複. 合 押 し出 し法(コ. ア ・ク ラ ッ ド構. れ を押 し出 し加 工 で 細 径 化 す る 方法)で. ッ ド構 造 の ス デ ップ イ ン デ ッ クス 型 フ ァ イバ ー を製 作 して い る73).し イバ ー に は,コ. ア ・ク ラ ッ ド界 面 に 数 μmか. こ の欠 点 を補 う方 法 と して,同. あ っ た69).堀. ー ザ ー を入 射 して,伝. 送 損 失 は0.2dB/m. さ30cmで. ア に,KRS-6を. 伝 送 パ ワーCW20WのCO2レ. 下 電 器 産 業 で はKRS-5コ. ア に,樹. 脂(ポ. ー ザ ー の 入 射 パ ワー 最 大CW90Wに. で は1987年. に,赤. 外 透 過 材 料 で あ るNaClを. 長 さ1.5mのKRS-5フ. ァ イ バ ー(ク. コー テ. り除 く こ と に よ. 耐 え る結 果 を得 て い る75).ま レー ザ ー 入 射 部 の 窓材 に用 い,直. ラ ッ ドは な い)を. 約. ーザー伝. リエ チ レ ン)を. ィ ン グ した二 重構 造 フ ァイ バ ー を 製 作 し,入 射 端 近 傍 の 樹 脂 を10cm取 り,CO2レ. の ファ. 好 な 結 果 を 得 て い る.外. 場 製 作 所 で は 直径1mmのKRS-5コ. 10μm蒸 着 した フ ァ イ バ ー を製 作 し,長 送 を可 能 に した74).松. か し,こ. 社 で は コ ア ・ク ラ ッ ド界 面 で の 陰 イ オ ン の熱 拡 散 を利. の フ ァイ バ ー に,CW4WのCO2レ. (損 失4.5%/m)で. コ ア ・ク ラ. ら数 十 μmの 凹 凸 が 形 成 さ れ る欠 点 が あ る.. 用 した グ レ… デ ッ ドイ ンデ ッ ク ス 型 フ ァイ バー を作 製 し,良 径0.7mmφ. 河電気. た,同. 社. 径0.5mm,. 水 冷 す る方 法 で,CW300WのCO2. レー ザ ー 伝 送 を達 成 して い る76). こ の よ う に,KRS-5多. 結 晶 フ ァイ バ ー は1985年. 5に 含 まれ る タ リ ウ ム の 毒 性 が 問題 に な っ た.タ 合 物 を 作 らな け れ ば,危. 頃 に は 実 用 期 を 迎 えて い た が,KRSリ ウム だ け が遊 離 す るか,特. 険 性 は 少 な い と云 わ れ て い るが,KRS-5フ. 器 に 用 い る に は十 分 な 安 全 性 が確 保 さ れ な け れ ば な らず,現. 定 の化. ァイ バ ー を医 療 機. 在 で は ほ と ん ど用 い られ. て い な い. (b)銀 KRS-5に. ハ ライ ド 代 表 され る臭 化 タ リウ ム 系 は,上. が で き な か っ た.こ. れ に対 し,毒. め て 注 目 さ れ る よ う に な っ た.銀 DChenら. 述 した よ う に毒 性 の 問題 を 回避 す る こ と. 陛 が な く,水 へ の 溶 解 度 が 小 さ い 銀 ハ ラ イ ド系 が 改 ハ ラ イ ド系の フ ァ イ バ ー と し て は1979年. が 多 結 晶 銀 ハ ラ イ ド77)を,T.エBridgesら. そ れ ぞ れ 波 長10.6μmの. が単 結 晶AgBrフ. 伝 送 損 失 は3.7dB/m(57.3%/m),8dB/m(84.2%/m)を 一22一. 頃 に,. ァイ バ ー78)を 作 製 し, 得.
(29) て い た.何. れ も そ の 伝 送 損 失 が 大 き く,タ. 友 電 気 工 業 で は1982年 径1.5mmφ,長. に,AgBrにAgClを2wt%加. さ1.5mの. (8.8%1m)を. え た 混 晶 フ ァ イ バ ー を 作 製 し,コ. フ ァ イ バ ー で,CO2レ. 得 て お り79),KRS-5フ. で は 更 に 改 良 を 重 ね,1984年 (1.6%ノm)を. リ ウ ム ハ ラ イ ド系 に 較 べ て 劣 っ て い た.住. 達 成 し80),コ. ー ザ ー の 伝 送 損 失 と し て0.4dB!m. ァ イ バ ー の 伝 送 損 失 と 同 じ レ ベ ル に 達 し た.同. 頃 にCO2レ ア 径1mmφ. 射 パ ワ ーCW25WのCO2レ. 持 田 製 薬 で も1984年. でCW50Wの. 放 射 パ ワ ー を 得 た81).ま. 頃 に,CO2レ. ア 径1.5mmφ,長. さ80cmの. じ 頃 に,旭. 被 覆 し た ケ ー ブ ル を 開 発 し,平. トル 測 定 の 結 果,波. 長10μmで. 社. の フ ァ イ バ ー を作. ー ザ ー メ ス 用 の フ ァ イ バ ー と し て,AgCI多. 放 射 パ ワ ー を 得 て い る83).同. 晶 フ ァ イ バ ー を3重. ア 径700μmφ. た,同. ー ザ ー メ ス を 完 成 さ せ て い る82).. ア フ ア イ バ ー を 開 発 し て お り,コ て,CW20Wの. 社. ー ザ ー に よ る 伝 送 損 失 と し て0.07dB/m. で は 操 作 性 改 良 の た め フ ァ イ バ ー の 細 径 化 を 図 り,コ 製 し,放. ア. 結晶 コ. フ ァイ バ ー をガ ス 冷 却 し. 硝 子 で も 直 径1mmのAgCl多. 結. 行 光 線 入 射 に よ る伝 送 損 失 ス ペ ク. 損 失0.128dB!m(約3%1m)を. 得・ て い る84).同. の ケ ー ブ ル を フ ァ イ バ ー 式 炎 感 知 器 に 応 用 し て お り,温. 社で は こ. 度 計 測 用 フ ァ イ バ ー と して も. 有 効 で あ る こ と を 報 告 し て い る. 以 上 の 銀 ハ ラ イ ド フ ァ イ バ ー の 直 径 は0.7∼1.5mmで ー ビー ム誘 導 と し て 使 用 で き る が. ,体. あ り,何. れ も 体 腔 外 へ の レー ザ. 腔 内 ヘ レ ー ザ ー を 誘 導 す る に は 未 だ 径 が 太 い.. 消 化 器 あ る い は 血 管 内 で 使 用 で き る 柔 軟 性 を フ ァ イ バ ー に 持 た せ る た め に は,更. な る. フ ァ イ バ ー の 細 径 化 が 必 要 で あ る.こ. 頃 よ. り研 究 を 開 始 し,AgCIとAgBrの. 組 成 比 の 選 択,フ. の 諸 条 件 の 最 適 化 を 図 る こ と で,直 レ ー ザ ー 伝 送 を 可 能 に し た85).翌 射 パ ワ ー65Wを. 達 成 し た86).こ. 0.162dB/m(約3.7%1m)で,曲 送 を 行 い な が ら,5,000回. の 目 的 の た め に,松. 径0。3mmの 年 に は,同. 下 電 器 産 業 で は1989年. ァ イ バ ー 成 形 法 で あ る 温 間 押 出 し法. フ ァ イ バ ー を 製 作 し て,CW10WのCO2 フ ァ イ バ ー で 入 射 パ ワ ー90Wに. の フ ァ イ バ ー は 全 伝 送 率74.0%/m,伝 率 半 径20mm以. 断 伸 び)を 1:1)と. レー ザ ー 伝. の 繰 り返 し 曲 げ に 耐 え る 耐 久 性 を 持 っ て お り,心. し て い た が,機. 械 的 強 度(引. 上 げ る た め に 更 に 検 討 を 重 ね,最. し て い る88).組. 送 損 失. 下 の 柔 軟 性 を 持 ち,20Wの. 内 へ の レ ー ザ ー ビ ー ム 誘 導 も 可 能 と 報 告 さ れ て い る87).AgClとAgBrの 重 量 比 でAgClo5・Bro5と. 対 して放. 張 り 強 度,降. 一23一. 組 成 比 は 当 初, 伏 強 度,硬. 終 的 に は 重 量 比AgClo43・Bro57(モ. 成 比 に つ い て は イ ス ラ エ ル のAKatzirら. 臓 冠状動脈. 度,破 ル比. も 検 討 し て お り,組. 成.
(30) 比 は 機 械 的 耐 久 性(曲 り,重. げ の 繰 返 し)に. 量 比 でAgClo,5・Bro5が. 強 く影 響 し な い が,曲. 最 も 良 い と し て い る89).し. 度 下 お よ び 紫 外 域 を 含 む 照 明 下 で 伝 送 率 が 低 下 し,環. げ に よ る伝 送 損 失 は 異 な. か し,こ. の ファ イバーは高湿. 境 的 に 弱 い こ と が 明 ら か に さ れ,. ケ ー ブ ル 化 す る 際 に 構 造 上 の 工 夫 が 必 要 と さ れ て い る88). 以 上 の 銀 ハ ラ イ ド フ ァ イ バ ー は,何. れ も ル ー ズ ク ラ ッ ド で あ る が,コ. 構 造 の 銀 ハ ラ イ ド多 結 晶 フ ァ イ バ ー が1982頃. に,住. 友 電 気 工 業 で 初 め て 開 発 さ れ た62).. ク ラ ッ ド を 付 け る こ と は ル ー ズ ク ラ ヅ ド形 に 較 べ て,機 拡 散 も 良 好 と な り,NAが コ ア 径15mm(屈. 械 的 ・化 学 的 防 護 と な り,熱. 小 さ く な る の で 放 射 ビ ー ム の 拡 が り が 少 な く な る 利 点 が あ る.. 折 率 約2.2),ク. の 入 射 パ ワ ーCW100Wに. ラ ヅ ド厚0.35mm(2.0),長. 対 し て 放 射 パ ワ ー-40∼50Wを. 失 は220dB/km(5%1m)が. 得 ら れ て い る.イ. さ1.5mでCO2レ. CW5Wの. あ り,外. ス ラ エ ル のA.Katzirら. 径0.9mm,コ. も1991年. 長10.6μmの. ア 径0.45mm,長. さ1mの. 送損 頃 に,. 伝 送 損 失 は フ ァイ バ ーで. 放 射 パ ワ ー が 得 ら れ て い るgo).. イ ス ラ エ ル のA。Katzirら. は1987年. ー ザ ー の 伝 送 を 試 み て い る91) .直. を 得 て い る.同 長 さ1mの. に,銀. ハ ラ イ ド多 結 晶 フ ァ イ バ ー で パ ル スCO2レ. 径0.9mmの. 繰 り返 し 周 波 数500HzのTEA-CO2レ. フ ァ イ バ ー で,パ. フ ァ イ バ ー でCW20Wの. 伝 送 も 可 能 で あ り,伝. フ ァ イ バ ー の 反 射 損 失 を 考 慮 し た 伝 送 率 は70%で. ー 伝 送 が 可 能 な コ ア 径1mmの ーザー の 場合 て い る92).波 60mJ,30mJ以. 放 射 エ ネル ギ ー. 送 損 失 は1dB/m以. あ り,放. た,1992年. 頃 に はCW30Wの. 射 エ ネ ル ギ ー は10mJ/pulse以. ル ス 幅130μsecお. よ び65μsecの. 下,. あ っ た と 報 告 し て お り,心. フ ァ イ バ ー の 損 傷 閾 値 は パ ル ス 幅100ns㏄. ,20MW/cm2で 長9.6μm,パ. ル ス 幅50∼1000nsec,. ー ザ ー を 伝 送 さ せ,30mJ/pulseの. 臓 血 管 外 科 へ の 応 用 も 有 効 で あ る と し て い る.ま. (c)ア. ーザー. 得 た と 報 告 し て い る.伝. コ ア ・ ク ラ ッ ド銀 ハ ラ イ ド フ ァ イ バ ー を 作 製 し て お り,波 3dB/m(50%1m)で. ア ・ク ラ ヅ ド. レー ザ. のTEA-CO2レ. 上 で あ る と報 告 し. レ ー ザ ー 伝 送 で は そ れ ぞ れ,. 下 の エ ネ ル ギ ー を 安 定 に 伝 送 で き る と 云 う.. ル カ リハ ラ イ ド. 上 述 の タ リ ウ ム ハ ラ イ ドお よ び 銀 ハ ラ イ ド フ ァ イ バ ー は,そ る が ほ と ん ど 多 結 晶 形 で あ る.単 が 有 望 で あ る.こ. 結 晶 形 の 金 属 ハ ロ ゲ ン 化 物 と し て はCsBrお. れ ら はKRS-5やAgClに. 域 に か け て 透 過 特 性 が 優 れ,柔. の 一 部 が 単 結 晶形 で あ. 較 べ て 屈 折 率 が 低 く,近. 軟 性 も 良 く,形 一24一. よ びCsI. 紫 外 域 か ら中 間 赤 外. 状 制 御 し や す い 特 徴 を 持 つ.KDD(国.
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