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[轟 眞市](https://orcid.org/0000-0003-3986-1900)

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[ファイバヒューズにおける周期的空孔生成の起源](https://mdr.nims.go.jp/datasets/2bff961f-245d-418d-9dac-7017b76e56b0)

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Origin of periodic void formation during fiber fuse (Japanese translation)ファイバヒューズにおける周期的空孔生成の起源轟眞市物質・材料研究機構物質研究所茨城県つくば市並木 1-1TODOROKI.Shin-ichi at nims.go.jphttp://www.geocities.com/Tokyo/1406/Abstract: 単一モードシリカガラスファイバ内を伝搬する光学的放電を観察し、生成した損傷の先頭部分を検討した。1.48µmのレーザー光を 1.1 Wから 9.0 Wまで変化させた場合の強度依存性を調べた。尻尾を持つ空隙内に存在する光学的放電aが周期的空孔を残すことがわかった。この尻尾は光学的放電がコア領域に強く閉じ込められることから生じる。別の周期的空孔生成モードが、ファイバヒューズ伝搬が可能な下限の注入強度付近で見つかった。この場合の光学的放電も、空孔生成周期の間に過渡的な尻尾を生成する。a訳註:続報 [17] でこの考え方が不正確であることに触れる。OCIS codes: (060.2290) Fiber materials; (060.2400) Fiber properties; (140.3330) Laser dam-age; (140.3440) Laser-induced breakdown; (350.5340) Photothermal effects; (350.5400) Plas-mas.2005年 7月 6日提出、2005年 8月 3日修正、2005年 8月 5日受理本論文は、“Origin of periodic void formation during fiber fuse”, Opt. Express13 [17]6381–6389 (2005) [© 2005 Optical Society of America]の和訳である。http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-13-17-6381http://www.geocities.com/Tokyo/1406/node5.html#Todoroki05OEX6381References and links1. R. 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Discussion最初に、光学的放電と大きい最初の空孔の関係を議論し、次に、周期的空孔生成の起源について検討する。4.1. 光学的放電と大きい最初の空孔Fig. 6や Fig. 7、Fig. 8に示す様にいろいろな空孔の形態が観察されているが、これは移動する光学的放電のその場観察ではないことに注意しなければならない。これらは、レーザー光の供給を突然停止させて (所要時間 7 µs以下 [12])凍結することで見える様になった空隙である。これらの形はこの短い冷却期間の間に変化しているかもしれないが、大きな先頭の空孔の中程に現れるくびれや梁の様な特徴的な構造に影響を及ぼすほど大きな変化はおこっていないと考えられる。その理由を以下に述べる。シリカガラスの粘度は、温度の下降につれて激しく上昇することが知られている。コア領域近くの加熱領域は冷たく厚いクラッド層や高分子被覆に覆われているので、レーザーの電源を切れば直ちにその温度が低下すると考えられる。高温において空孔 1個を生成するのに数十 µsの時間が必要であることを考えれば、それより短い冷却時間のさ中大きな空孔が変化する程度は、空孔 1個を生成する場合に比べて規模的に小さいと考えられる。次に、レーザーが停止される前に光学的放電がどこに位置していたかを推定する必要が(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)http://www.opticsexpress.org/view_media.cfm?umid=16414Fig. 7. 5.0 Wのレーザー光の注入により生成した損傷の光学顕微鏡写真とこれらを編集したビデオ映像 (1.58 MB)。縦線の間隔は 17.8µm。一番下の写真は一番上のものと同じだが、左に 17.8µmずらしてある。ビデオの再生速度は、5.0 Wを注入した光学的放電の伝搬速度に比べて、約 50,000倍遅くなっている。(a)(b)(c)Fig. 8.約 1.3 Wのレーザー光で生成された損傷で、周期的空孔のみを含むものの光学顕微鏡写真。写真の高さは 50 µm。ある。以下の理由から、それは最初の大きな空孔の位置にあったと考えられる。Fig. 5(右)に示すように、∆10%の注入光強度依存性は、大きい先頭の空孔の長さの変化と良く一致している (Fig. 5(右)の縦線と Nを比較されたい)。また、Fig. 4(b-1)–(b-4)に示す非対称な強度分布は、Fig. 6(a)–(d)に示す尻尾のついた空隙内の放電からの発光からくるものである。Fig. 5(右)をさらに詳しく検討すれば、I = 9.0 Wでの ∆10%は、細い縦線の外側に位置するのに対し、3.5≤ I ≤ 7.0における ∆10%は、縦線の内側にある。これは、9.0 Wを供給された光学的放電の発光は、梁を含まない大きな先頭の空孔が位置する領域よりも長い範囲から生じていることを意味している。言い替えれば、発光は切り離された空孔からも生じていると言える。このことは、Fig. 4(b-1)に示されている、9.0 Wを注入した光学的放電の強度分布に孤立したピークが見られることにも関係する。このピークの変動周期 (16–20µs)は、空孔 1個が生成される周期 18.7µsと一致している。Fig. 5(右)は、先頭の空孔の最大直径 2r が、約 8.6µmと一定値をとることも示している。これは、光学的放電がコア領域に強く閉じ込められており、特に I ≥ 3.5 Wの場合が顕著であることを意味している。I ≤ 2.0 Wの場合は大きな先頭の空孔の形は液滴状だが、I ≥ 3.5 Wとなると、円筒形の区間を含むようになる。よって、光学的放電の長さは注入光強度の増加に対して線形で変化する。4.2. 周期的空孔生成の起源著者によって提案された周期的空孔形成のメカニズム [12]は、Fig. 7に示したビデオ映像に示されている。ファイバヒューズの伝搬中に、大きな先頭の空孔の中にある光学的放電2は、その尻尾を切り離し (Fig. 7(e)参照)、それが周期的空孔のひとつとなる。この切り離しによって梁を形成する動作は、光学的放電の先頭において新しい自由表面を形成することの補償にあたる。このようにして、放電を取り囲む表面積の合計を一定に保っているのである。このメカニズムは、Fig. 6(a)–(d).に示す様な、光学的放電が尻尾を有した空隙に存在している場合に成り立つ。2訳註:訳註 1参照。このメカニズムは、もうひとつの周期的空孔を形成する状況、すなわち I ∼ 1.3 W (Fig. 6(g)および Fig. 8参照)の場合にも適用可能である。この場合、尻尾は空孔生成周期の中で過渡的に現れる (Fig. 8(b)参照)。その後、その尻尾は切り離され (c)、周期的空孔のひとつとなる (a)。それでは、尻尾の有無は何によってきまるのであろうか？著者の考える原因は、先頭の大きな空孔を取り囲むガラスの温度分布である。もし温度が均一であれば、空隙は尻尾を伸ばすよりもむしろ、表面積を最小にするであろう。Fig. 6(e)と (f) はこの範疇に入るように見える。しかし、光学的放電が I > 2.0 Wの高いエネルギーを受けてコア領域に強く閉じ込められるようになると、このような均一性はもはや保てなくなる。この場合、温度は先頭の空孔から離れるにしたがって減少する。この均一性は、注入エネルギーが小さ過ぎる場合にもまた達成し得ない。後部のガラス温度が前部の温度より低いと、ガラスの粘度は後部の方が高くなる。よって、後部での表面積を減少させる動きの反応性は、前部での新しい表面を作る動きよりも鈍くなる。よって、Fig. 8(b)に示した過渡的な尻尾は、その付近の高い3粘度で達成しうる僅かな塑性流動性に起因する表面減少の遅れを埋め合わせるために現れるのであろう。この説明は、I ≥ 3.5 Wの場合にも適用できる。尻尾の末尾を囲むガラスの粘度は、先頭の空孔の中程を囲むガラスの粘度よりも高い。よって、表面積を減ずるには、尻尾の末尾での微視的な塑性流動によるよりも、尻尾を切り離す方がより簡単に実現できる。これとは対照的に、取り囲むガラスの粘度がほぼ均一であれば、このような表面積減少の遅れは起こり得ない。結局、ファイバヒューズの周期的空孔生成は、光学的放電が尻尾を伴った空隙内に存在する場合に発生する4。最後に、Fig. 6(h)に示した 2重周期構造の形成についての触れる必要が有る。この構造を生成するのに要するレーザー光強度がヒューズ伝搬の限界値に近いことを考えると、この構造は、ファイバヒューズの停止と再開の繰返しの結果であると推察される。自己停止した後にファイバヒューズを再開させるには、入射したレーザー光が一ヶ所に集光される必要が有る。このような状況は、ファイバヒューズ点火現象のその場観察に関する仕事で既に報告されている [16]。光学的放電が出現する前に、暗い輝点が空孔を残さずにゆっくりコア領域を移動する前駆現象が観測された。この輝点がおそらくレーザー入射光の集光点であろう。今回の場合も類似の現象が起きている可能性が有る。よって、Fig. 6(h)に示した無空孔区間は、おそらく自己停止と再点火の間に形成されたものであろう。この伝搬モードのその場観察といった検討が必要である。5. 結論ファイバヒューズの光学的放電の形状、および生成した空孔の先頭部分の形状の、注入光強度依存性を検討した。注入レーザー光の急停止の前には、光学的放電は先頭の空隙 (の位置)に存在した。周期的空孔形成は、その空隙が尾を引いている場合に観察された。すなわちヒューズの進行中に、その尻尾は切り離され、収縮し、周期的空孔の一つになる。注入光強度が大きい場合に、光学的放電はコア領域に強く閉じ込められるので、尻尾は永続的に存在する。注入レーザー光強度が、ファイバヒューズ伝搬に必要な下限値に近い場合には、過渡的な尻尾が現れる。両方の場合において、この尻尾は放電の前方での新しい表面の形成を補償するのに必要な表面積減少の遅れ埋め合わせるために切り離される。この遅れは、後方を取り囲むガラスが前方のガラスよりも粘度が高いために発生する。謝辞次の方々に謝意を表します。超高速ビデオ撮影にご協力頂いた、株式会社フォトロンの花香和秀氏、坂巻顯氏、桑原譲二氏。継続的なご支援を賜わった、物質・材料研究機構の井上悟博士。3訳註:原文の lowerは誤り。4訳註:訳註 1参照。