激光能传送用光纤,激光能传送方法及激光能传送装置
2019-11-22

激光能传送用光纤,激光能传送方法及激光能传送装置

本发明提供一种对于即使是高输出,短脉冲激光的这种空间上或时间上持有非常高的峰值功率的激光,其破坏阈值也相当高,并可以将可视的引导光重叠起来进行长距离传送的激光能传送用光纤,传送方法及其传送装置,其中激光能传送用光纤包括:具有直径大于传送光波长的空心核心区域(11),包围该空心区域(11)的实心部(12)上设有多个空孔(13)的内侧包覆区域(14),包围该内侧包覆区域(14)的外侧包覆区域(15),并且使上述外侧包覆区域(15)的折射率小于上述内侧包覆区域(14)的实心部12的折射率。

Description

Description

激光能传送用光纤,激光能传送方法及激光能传送装置技术区域本发明是涉及激光能传送用光纤,特别是涉及适合于传送应用在激光加工及医疗方面的红外线波段的高输出激光的传送用光纤,以及使用此光纤的激光能传送方法和激光能传送装置。现有技术近年,由于半导体激光,固体激光的高输出化,或短脉冲波化的发展,在激光加工或激光手术等医疗区域中各种利用高峰值功率的激光能的实用开发引为注目。迄今为止,为了传送高输出的激光,主要使用的是如图4所示的大口径石英系光纤30。这种光纤与使用在通信上的光纤同样,是一种在相对折射率高的实心的核心区域31与折射率低的包层区域32的界面上满足全反射条件的同时,又能使光能集中在核心区域31进行传播的构造。通常,这种石英系的实心型光纤可以低损失地传送大约波长在2/mi以下的激光。石英系的实心型光纤与一般的通信用光纤的不同点在于,不需要单模式传送,使用直径为100〜600/mi程度的大口径的核心来降低传送激光的能量密度。这种石英系的实心型光纤由于可以低损失地长距离传送波长在2/mi以下的激光,所以主要用于传送振荡效率高,可得到高输出的钕(Na)-YAG激光(波长:1.06pm),作为激光加工,止血用激光手术刀供为实用。另外,钬(Ho)-YAG激光(波长:2.1pm)在数米以下的距离,可以勉强将石英系的实心型光纤作为传送路使用。这种钬(Ho)-YAG激光由于对水的吸收性比较好,所以主要探讨其在医疗方面的应用。另外当激光的波长为超过2pm的长波长时,石英系的实心型光纤就不能作为长距离传送使用。铒.铬(ErCr)-YSGG(YttriumScandiumGalliumGarnet(Y3Sc2Ga3012))激光(波长:2.78/xm),铒(Er)-YAG激光(波长:2.94pm)由于其对水的吸收性很强,非常高效率地吸收羟(基)磷灰石结晶之间的水合壳,所以对骨骼,牙齿等硬组织的切削是有效的激光。但是由于这种波长接近3/mi的激光不能以石英系光纤作为传送路,所以使用的是空心区域为核心的空心光纤。如图5所示,空心光纤40由空心核心区域41,内则形成空心核心区域41的诱电体层42,及包围诱电体层42的金属层43构成。诱电体层42的厚度根据传送激光的波长进行优选,以便提高内壁的反射率进行低损失传送。现在,主要适用于牙科的激光治疗器具。专利文献:特开2000-35521号公报专利文献:特表2002-541507号公报一般,石英系光纤对于波长2/mi以下的光,可以十分清晰地进行长距离低损失的传送,但是即使是波长接近0.8/mi的钛(Ti)-蓝宝石(Sapphire)激光,波长为1.06/mi的钕(Nd)-YAG激光等波长在2拜以下的激光,在高输出,短脉冲激光的情况下,由于空间上或时间上因素峰值功率变得过大,有可能导致核心区域遭到破坏。这是由于非线性光学效果中随着激光能的增加折射率上升,引起激光能的自行聚光作用的结果。因此,目前激光能传送用的光纤往往如图4所示设大核心直径,并在不超过光纤的破坏阈值的能量密度范围内使用,由此引出激光能的传送容量及其机械的柔软性方面受到限制的问题。近年,有种学说认为,对于上述这种非常高能密度的激光来说,即使其波长在2pm以下,也还是核心为空心的构造有利于大功率的传送。这是由于如果核心为空心构造,即使不设大口径,端面的破坏阈值也可以大幅度地提高。适合这种学说的传送路是中心部分为空心的,在其外侧具有数个空孔的光电子带隙光纤(英文为photonicbandgapfiber)。这种光电子带隙光纤可以对于与空孔的直径及间隔有关的特定的波长形成带隙,并将光能封闭在空心核心区域进行低损失的传送。可是,虽然对于Nd-YAG激光等特定的波长可以进行低损失传送,但由于只是在该激光的波段上设计形成带隙,所以不能保证其他波段的光也能进行低损失的传送。另外,由于Nd-YAG激光为不可视光,在实际使用中,需要将绿色或红色等可视光作为弓I导光进行重叠。由上所述可知过去的这种光bandgapfiber)仅对特定的激光传送显示良好的效果,而很难同时传送作为引导光的可视光。另外,对于ErCr-YSGG激光,Er-YAG激光来说,由于不能使用实心型的石英系光纤,所以如图5所示使用的是诱电体内装金属空心光纤。在这种情况下,也需要将作为引导光的可视光进行重叠传送,但由于诱电体层42的膜厚是针对特定的红外线激光的低损失而设定的,因而对于可视的激光来说产生有较大的损失。对于数米距离的传送来说,可以识别到作为引导光的出射光,但需要为此使用有很大输出力的激光光源。如前所述,波长接近3/mi的激光对水的吸收性很强,是作为医疗应用的重要的激光源。特别是最近在以低侵袭治疗为目的的激光治疗上引人注目。由于诱电体内装金属空心光纤很难制造成直径100pm程度的非常细的光纤,所以通常使用的直径为500〜1000gm。另外,这种具有空心核心的构造,当其光纤的先端部接近治疗患部,接触或被插入体内时,会因空心核心区域的异物侵入,污染而引起先端部的损失增加,破损等光学或机械的特性的劣化。另外由于清洗杀菌处理困难不能重复使用。作为空心部分封闭的结构,有人建议安装石英制的先端芯片,这样既可以防止异物侵入,同时可以控制出射光的扩散角度及方向(K.Iwai,Y.Shi,M.Endo,K,Ito,Y.Matsuura,M.Miyagi,andH.Jelinkove,App.Opt,vol.43,pp.2568-2571,2004)。其构造为在诱电体内装金属空心激光40的先端套上帽状物以封闭空心核心区域41。但由于诱电体内装金属空心激光40是由金属和诱电体的薄膜构成的,所以无法通过熔接是其连接为一体。因此,由于先端部变粗,在插入患部时有可能造成脱落。发明内容为了解决上述课题,本发明提出了一种对于即使是高输出,短脉冲激光的这种空间上或时间上持有非常高的峰值功率的激光,其破坏阈值也相当高,并还可以将可视的引导光重叠起来进行长距离传送的激光能传送用光纤,传送方法及其传送装置。根据使用目的,特别作为医疗方面的应用,提供一种即使光纤先端接近治疗患部,接触或插入内部也不易引起特性的劣化,并可以容易清洗,杀菌的激光能传送用光纤,传送方法及其传送装置。为了达到上述目的,本发明的激光能传送用光纤包括一光纤本体部,该光纤本体部具有直径大于传送光波长的空心核心区域,包围该空心区域的实心部上设有多个空孔的内侧包覆区域,包围该内侧包覆区域的外侧包覆区域。并且使上述外侧包覆区域的折射率小于上述内侧区域的实心部的折射率。最佳选择是上述内侧包覆区域的实心部由纯石英形成,上述外侧包覆区域由含有氟元素的石英材料,或含有氟元素的树脂材料构成。最佳选择是上述内侧包覆区域的多个空孔的孔径及其间隔的设定可使对于传送光的波长形成带隙。最佳选择是在上述光纤本体部的一端或两端与由包覆区域和具有比该包覆区域高的折射率的实心核心区域构成的实心核心型光纤相联接。最佳选择是上述实心核心区域的直径与上述内侧包覆区域的直径基本相同。另外,本发明的激光能传送方法是使用技术方案1至5的任意一个技术方案记载的激光能传送用光纤,将来自近红外线波段的波长为4pm以下的激光的光能主要封闭在空心核心区域进行传送,同时将波长为0.7pm以下的可视光封闭在空心核心区域或内侧包覆区域进行传送。最佳方法是上述自近红外线波段的波长为4pm以下的激光使用钛-蓝宝石激光,钕-YAG激光,钬-YAG激光,铒-YAG激光,铒'铬-YSGG激光中的任意一种。最佳方法是上述波长为0.7pm以下的可视光为半导体激光或氦-氖激光。另外,本发明的激光能传送装置包括技术方案1至5的任意一个技术方案记载的激光能传送用光纤,和振荡来自近红外线波段的波长为4pm以下的激光的第一激光源,及振荡波长为0.7pm以下的可视光的第二激光源。最佳选择是振荡上述自近红外线波段的波长为4pm以下的激光的第一激光源,为钛-蓝宝石激光光源,钕-YAG激光光源,钬-YAG激光光源,铒-YAG激光光源,铒,铬-YSGG激光光源中的任意一种。本发明的显著效果在于,可以将可视的引导光与高输出,短脉冲的这种在空间上或时间上具有非常高的峰值功率的激光重叠起来进行长距离传送。附图说明图1所示具有本发明第一实施例的激光能传送用光纤的光纤本体部的剖面。图2所示图1的激光能传送用光纤的变形例的剖面。图3a所示第二实施例的激光能传送用光纤的纵剖面。图3b为图3a的B-B剖面图。图3c为图3a的C-C剖面图。图4为现有的大口径的激光能传送用光纤的剖面图。图5为诱电体内装金属空心光纤的剖面图。具体实施方式以下,根据附图说明本发明的优选实施例。图1为本发明的第一实施例,所示具有激光能传送用光纤的光纤本体部10的剖面图。如图1所示,光纤本体部为包括空心核心区域ll,包围该空心核心区域11的内侧包覆区域14,包围该包覆区域14的外侧包覆区域15的空心核心型光纤。所形成的空心核心区域11的直径大于传送光的波长。在内侧包覆区域14上,实心部12形成有多个空孔13。在多个空孔13的排列上,数个同心圆上形成的各个空孔13在各自圆周方向被等间隔地,以等同数量的进行排列。并且,各个空孔13在同心的径向排成一列。通过这种方式布置空孔13使得内侧包覆区域14的折射率拥有周期性。空孔13的孔径及空孔之间的间隔的设定在于要使对于传送光的波长存在有带隙。本实施例的激光能传送光线的特征在于,外侧包覆区域15是由比内侧包覆区域14的实心部12的折射率还要小的材料所构成。最佳选择是内侧包覆区域14的实心部12由纯石英形成,外侧包覆区域15由作为折射率比纯石英小的含有氟元素的石英材料构成。激光能传送方法在传播上述激光能传送用光纤时,也就是传送在来自近红外线的4pm以下的波长时具有高能量的激光,和波长为0.7pm以下的可视光的方法。可视光的激光被作为不可视的高能量激光的引导光传送。在本实施例中,在空心核心区域11波长1.06pm的Nd-YAG激光作为高输出的红外激光,在由纯石英构成的内侧包覆区域14中,作为引导光,波长0.65iam的可视光的半导体或波长0.63pm的He-Ne激光被分别传播。由于设定的外侧包覆区域15的折射率低于内侧包覆区域14的折射率,所以可以使得引导光在内侧包覆区域14与外侧包覆区域15的界面全反射地传播。另外,高能量激光的光能主要被封闭在空心核心区域ll内进行传播,可视光被封闭在空心核心区域11或内侧包覆区域14内进行传播。光纤本体部10的内侧包覆区域14及外侧包覆区域15的两个包覆区域虽然是由石英系材料形成为细长状,但由于传播高输出的激光的核心为空心核心区域ll,所以可以使光纤损坏的阈值提升得非常高。由此,光纤本体部IO的光纤径可以与一般的光纤径同设为125um。所以,与图4所示的大口径光纤相比,光纤IO可以弯曲出很小的弯曲半径,具有良好的机械柔软性能。本实施例的激光能传送用光纤,由于几乎全部激光能通过传播空心核心区域11传播,所以即使对于空间上或时间上峰值功率非常高的输出,短脉冲的激光也不会因自行聚焦作用或异物粘附引起的核心破坏,可以安定地传送激光,并且同时低损失地传送可视光的引导光。形成外侧包覆区域15的材料可以是含有氟元素的树脂。添加有氟元素的树脂与添加有氟元素的石英一样,可以使其折射率低于纯石英的折射率。当外侧包覆区域15使用添加氟元素的石英时,从与纯石英成一体化的光纤用母材通过拉丝形成光纤本体部10。当外侧包覆区域15使用添加氟元素的树脂时,将纯石英的光纤用母材拉丝,形成有空心核心的内侧包覆部14,此时,在内侧包覆区域14的外侧涂敷添加氟元素的树脂形成外侧包覆区域15。作为光纤本体部10传送来自近红外线波段的波长4um以下的激光,除了Nd-YAG激光以外,还可以举出的有Ti-sapphire激光,Ho-YAG激光,Er-YAG激光,ErCr-YSGG激光等。另外,可以变换光纤本体部10的空孔13的配置。如图2所示,在光纤本体部17的内侧包覆区域18,多个同心圆上形成的各个空孔13在各自的圆周方向被等间隔的以同等数量地配置,并且在不同直径的同心圆上所形成的相邻内外的空孔互相错位进行排列。最好是将不同直径的同心圆上所形成的相邻内外的空孔布置在穿过圆周方向的相邻空孔中间的径向位置上。以下,对本发明的第二个优选实施例进行说明。如图3(a)〜(c)所示,本实施例的激光能传送用光纤20包括图1的光纤本体部IO,短尺寸的实心核心型光纤21。激光能传送用光纤20的短尺寸的实心核心型光纤21在光纤本体部10两端或一端被熔接。实心核心型光纤21由实心核心区域25,包围实心核心区域25的包覆区域26所构成。为使实心核心区域25的折射率相对高于包覆区域26的折射率,实心核心区域25及包覆区域26分别由纯石英,和添加有氟元素的石英所形成。包覆区域26也可以与外侧包覆区域15同样由添加有氟元素的树脂形成。本实施例的激光能传送用光纤20还可以随同高输出的激光,在传送光纤本体部10的内侧包覆区域14传送红色的半导体激光或He-Ne激光。为使实心核心型光纤21与光纤本体部10的界面不受到大的连接损失,最好是使实心核心型光纤21的实心核心区域25的直径与光纤本体部10的内侧包覆区域14的直径相近。由此可以在保证充分的出射能的同时,封闭光纤本体部IO的先端。被封闭先端的光纤本体部IO在接近患部,接触或因低侵袭治疗插入体内进行激光治疗时,可以保护光纤本体部10的端部,并维持其安定的性能。另外,在先端部受到污染后,可以容易地进行清洗,杀菌处理,以便在医疗中进行重复使用。实心核心型光纤21由于中心部的折射率高于周围部的折射率,激光如同普通的通信用激光一样通过全反射作用进行传播。当被传播的激光为Er-YAG激光时,如果将实心型光纤的光纤长度縮短到1〜2cm,就可以控制激光能的衰减。另外,与本发明有关的激光能传送装置包括具有图1或图2的激光本体部10的激光能传送用光纤,或图3的激光能传送用光纤20,及振荡来自近红外线波段的波长在4/mi以下的激光的第一激光光源和振荡波长0.7jLim以下的可视光的第二激光光源。为了振荡来自近红外线波段的波长在4pm以下的激光,作为第一激光光源最好使用,钛-蓝宝石(Ti-Sapphire)激光光源,钕-YAG(Nd-YAG)激光光源,钬-YAG(Ho-YAG)激光光源,铒-YAG(Er-YAG)激光光源,铒•铬-YSGG(ErCr-YSGG)激光光源等。为了振荡波长0.7pm以下的可视光的第二激光光源,作为第二激光光源最好使用半导体激光光源,或氦-氖(He-Ne)激光光源等。本实施例的激光能传送装置由于将激光光源连接于上述的激光能传送用光纤,所以可以在从第一激光光源传送来自近红外波段的波长为4pm以下的激光的同时,从第二激光光源传送可视的激光,由此得出与上述的激光能传送用光纤及传送方法相同的作用效果。