光纖照明系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本文披露了包括至少一個光漫射光纖的照明系統(tǒng)。該照明系統(tǒng)包括至少一個低散射光導(dǎo)光纖，其光學(xué)地將所述至少一個光漫射光纖偶聯(lián)到至少一個光源。光漫射光纖包括具有一定長度的光源光纖部分，散射光在該長度上連續(xù)地發(fā)射。光源光纖部分可以彎曲，包括卷繞成盤卷形狀。光漫射光纖光纖包括多個納米級結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)造成將在光漫射光纖內(nèi)行進的導(dǎo)向光散射出光纖的外表面。
【專利說明】光纖照明系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請的交互參照
[0002]本申請要求對2011年10月7日提交的美國專利申請系列N0.13/269055的優(yōu)先權(quán)益，本文依賴于該專利的內(nèi)容，并以參見方式引入其全部內(nèi)容。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總的涉及具有納米大小結(jié)構(gòu)區(qū)域的光漫射的光纖，尤其是，涉及光纖照明系統(tǒng)和使用如此光纖用于不同應(yīng)用的方法，不同的應(yīng)用包括生物反應(yīng)器、引導(dǎo)標識以及特殊照明應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0004]光纖被用于需要將光線從光源遞送到遠處部位的各種應(yīng)用中。例如，光遠程通訊系統(tǒng)依賴于光纖網(wǎng)絡(luò)，以將光從服務(wù)提供商傳送到系統(tǒng)最終用戶。
[0005]遠程通訊光纖設(shè)計成在近紅外波長上運行，其波長在800nm至1675nm的范圍內(nèi)，其中，只有相當?shù)退降囊蛭蘸蜕⑸湓斐傻乃p。這使得大部分光線注入到光纖的一端，而從光纖的相對端射出，只有少量的光線通過光纖側(cè)面朝外圍射出。
[0006]近來，越來越需求比傳統(tǒng)光纖不對彎曲敏感的光纖。這是因為越來越多遠程通訊系統(tǒng)正在部署成需要將光纖繃緊彎曲的構(gòu)造。該種需要已經(jīng)導(dǎo)致開發(fā)出這樣的光纖，其使用具有包圍內(nèi)芯區(qū)域的非周期性地布置的小孔洞的環(huán)。包含孔洞的環(huán)用來提高彎曲不敏感性，即，光纖可具有較小的彎曲半徑而不會遭受通過其中光信號的衰減的很大變化。在這些光纖中，含有孔洞的環(huán)區(qū)域在光纖的包層內(nèi)放置在離內(nèi)芯一定的距離處，以使通過含有孔洞的環(huán)區(qū)域的光傳播量最小化，因為它會增加光損失。
[0007]因為光纖通常設(shè)計成有效地在長距離上將光線從光纖一端遞送到光纖另一端，非常少的光線從典型的光纖側(cè)面跑逸掉，因此，不被認為能很好地適用于形成延伸的照明光源。而且，還有諸如特殊照明、引導(dǎo)標識或生物應(yīng)用之類的許多應(yīng)用，包括細菌培養(yǎng)、光-生物能的產(chǎn)生以及生物質(zhì)量燃料，其中，選定的光量需要以有效的方式提供到規(guī)定的區(qū)域。對于生物質(zhì)量生長來說，需要開發(fā)出將光能量轉(zhuǎn)換為生物基-燃料的過程。對于特殊照明來說，光源需要是薄的、柔性的且是容易被修改成各種不同的形狀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)某些實施例，本發(fā)明的第一方面是照明系統(tǒng)，其產(chǎn)生至少一個波長(λ)在200nm至2000nm范圍內(nèi)的光。該系統(tǒng)包括光源和至少一個光漫射光纖。光漫射光纖具有玻璃內(nèi)芯和包層。多個納米級結(jié)構(gòu)(這里也稱作“納米結(jié)構(gòu)”)位于所述玻璃內(nèi)芯內(nèi)或在內(nèi)芯-包層的邊界處。光纖還包括外表面和光學(xué)上偶聯(lián)到光源的端部。光纖構(gòu)造成藉由所述納米級結(jié)構(gòu)將導(dǎo)向光散射遠離玻璃內(nèi)芯和通過外表面，以形成具有一定長度的光源光纖部分，該光源光纖部分在其長度上發(fā)射大致均勻的輻射，所述光纖對于所述波長具有大于50dB/km的散射誘發(fā)的衰減。根據(jù)某些實施例，偶聯(lián)到光纖的光源產(chǎn)生波長在200nm至500nm范圍的光，光纖涂層內(nèi)的熒光材料產(chǎn)生白、綠、紅或NIR(近紅外)光。
[0009]根據(jù)某些實施例，照明系統(tǒng)包括單個光漫射光纖。根據(jù)另一些實施例，照明系統(tǒng)包括多個光漫射光纖。這些光漫射光纖可在直的構(gòu)造中使用，或可以是彎曲的。
[0010]根據(jù)某些示范的實施例，照明系統(tǒng)可用于生物生長系統(tǒng)，并還可包括生物腔室，該腔室?guī)в袠?gòu)造成含有生物材料的內(nèi)部。在這些實施例中，光源產(chǎn)生光線，該光線具有生物材料對其敏感的波長。光纖可具有多個形成在其中的彎頭，以便從內(nèi)芯散射出遠離中心軸線的導(dǎo)向光，并通過外表面而形成具有一定長度的光源光纖部分，該光源光纖部分在其長度上發(fā)射大致均勻的輻射。
[0011]根據(jù)某些實施例，照明系統(tǒng)包括至少一個光源，其產(chǎn)生至少一個在200nm和2000nm之間波長的光線。照明系統(tǒng)還包括至少一個低散射光導(dǎo)光纖，該光纖具有光學(xué)上偶聯(lián)到至少一個光源的輸入端，并具有輸出端，其構(gòu)造成將被至少一個光源接受的光提供到輸出端，作為導(dǎo)向光。該照明系統(tǒng)還具有至少一個光漫射光纖，其具有玻璃內(nèi)芯、初級包層以及多個位于所述內(nèi)芯內(nèi)或內(nèi)芯-包層邊界上的納米級結(jié)構(gòu)。至少一個光漫射光纖具有外表面，以及光學(xué)地偶聯(lián)到至少一個低散射光導(dǎo)光纖的輸出端的輸入端。至少一個低散射光纖構(gòu)造成接受來自低散射光導(dǎo)光纖的導(dǎo)向光，并藉由所述納米級結(jié)構(gòu)將導(dǎo)向光散射遠離內(nèi)芯和通過外表面，以形成具有一定長度的光源光纖部分，在該長度上連續(xù)地發(fā)射散射光。在一實例中，光漫射光纖具有散射誘發(fā)的衰減，對于光源的特殊波長來說，該衰減大于50dB/
km ο
[0012]根據(jù)某些實施例，本發(fā)明的另一方面包括執(zhí)行來自發(fā)射光的光源照明的方法。該方法包括將來自光源的光傳導(dǎo)到光漫射光纖，作為導(dǎo)向光通過低散射光導(dǎo)光纖。光漫射光纖具有一定長度、玻璃內(nèi)芯、形成內(nèi)芯-包層邊界的包圍包層、外表面，以及設(shè)置在玻璃內(nèi)芯內(nèi)或內(nèi)芯-包層邊界處的納米級結(jié)構(gòu)。納米級結(jié)構(gòu)構(gòu)造成將在光漫射光纖內(nèi)行進的導(dǎo)向光從玻璃內(nèi)芯散射出外表面，以在光漫射光纖的長度上形成連續(xù)發(fā)射的導(dǎo)向光。
[0013]本發(fā)明至少某些實施例的一個有利特征在于照明系統(tǒng)和使用光纖能力有效地將光遞送到遠處部位的方法，有利特征還在于，即使光纖部署為不同的形狀(例如，彎曲、盤卷或直的)以配合應(yīng)用之需要時，如此的光纖也將相當均勻地散射光線。此外，本發(fā)明至少某些實施例的一個有利特征在于，根據(jù)本發(fā)明至少某些示范實施例的光漫射光纖能夠提供對波長依賴性弱的照明，其中，散射損失Ls在200nm至2000nm波長范圍內(nèi)正比于λ -p，其中P是大于或等于O而小于2，較佳地小于1，更加較佳地是小于0.5，或甚至更加較佳地是小于0.3。本發(fā)明至少某些實施例的另一個有利特征是沿著長度具有基本上均勻散射的能力(例如，偏離最大值的變化小于50%，較佳地小于30% ),并在角度空間內(nèi)遠離光纖的軸線，這樣，向前、90° (離光纖軸線)和向后的散射強度幾乎相同(例如，在彼此的30%內(nèi)，較佳地在彼此的20%內(nèi))
[0014]在至少某些實施例中，對于目標長度的光纖，在照明波長處，通過光纖側(cè)面出來的集成的光強度變化(即，漫射或散射光的強度變化)小于30%。
[0015]在至少某些實施例中，光纖的平均散射損失大于50dB/km，且在0.2m長度的任何給定光纖段上，該散射損失的變化不超過30% (即，散射損失在平均散射損失的30%內(nèi))。根據(jù)至少某些實施例，光纖的平均散射損失大于50dB/km，且在小于0.05m長度的光纖段上，該散射損失的變化不超過30%。根據(jù)至少某些實施例，光纖的平均散射損失大于50dB/km，且在小于0.0lm長度的光纖段上，該散射損失的變化不超過30% (即，±30%)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明某些實施例的光纖的一個有利特征，以及利用如此光纖的照明系統(tǒng)的一個有利特征在于，光纖如光源那樣作用，并通過光纖側(cè)面均勻地散射光線，而不是遞送來自光纖端部的強烈的和局部的光束，來照明要求的介質(zhì)。此外，在某些實施例中，光纖的使用有利地允許電氣驅(qū)動的光源保持遠離光的遞送點。該事實在水性的或可能爆炸的環(huán)境中是最為有利的，在那樣的環(huán)境中，電氣部件可位于遠離傳導(dǎo)的或反應(yīng)的環(huán)境的安全距離處。
[0017]應(yīng)該理解到，以上的一般性描述和下面的詳細描述代表了本發(fā)明的實施例，它們用來提供理解如本發(fā)明所主張的發(fā)明特性和特征的概述或框架。本文納入了附圖，用以提供對本發(fā)明的進一步理解，附圖納入說明書內(nèi)并構(gòu)成說明書的一部分。附圖示出本發(fā)明各種實施例，連同描述一起用來解釋本發(fā)明的原理和操作。
[0018]本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點將在以下的詳細描述中闡述，本【技術(shù)領(lǐng)域】內(nèi)技術(shù)人員從描述中將部分地明白到本發(fā)明的特征或優(yōu)點，或通過實踐如文中所述的發(fā)明來加以認識，披露的發(fā)明包括下面的詳細描述、權(quán)利要求書以及附圖。納入權(quán)利要求書并構(gòu)成以下闡述的詳細描述的部分。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是光漫射光纖的示例實施例的一部分的示意圖；
[0020]圖2是圖1光纖的示意剖視圖，沿著2-2的方向觀看；
[0021]圖3A是針對光漫射光纖示例實施例的相對折射率對光纖半徑的示意圖表；
[0022]圖3B是針對光漫射光纖另一不例實施例的相對折射率對光纖半徑的不意圖表；
[0023]圖3C是光漫射光纖的玻璃內(nèi)芯的示范構(gòu)造圖；
[0024]圖4A和4B示出光纖衰減(損失)dB/m對波長(nm)的圖表；
[0025]圖5示出光纖的部署，其使用單個光纖內(nèi)兩個光通；
[0026]圖6A示出光纖制成有均勻張力(實例A)和可變張力(實例B)時沿著光纖的強度分布；
[0027]圖6B不出用白墨和不用墨表不的散射分布函數(shù)；
[0028]圖7示出圖5中所示光纖的散射(用偶聯(lián)到光纖后端的反射鏡)，以及還示出在其涂層內(nèi)使用白墨的光纖的散射；
[0029]圖8A示出照明系統(tǒng)的示范實施例；
[0030]圖SB示出與呈燒瓶形式的生物腔室相結(jié)合使用的照明系統(tǒng)的示范實施例；
[0031]圖9A是類似于圖SB照明系統(tǒng)的示范照明系統(tǒng)的側(cè)視圖，其包括光漫射光纖一端處的鏡子；
[0032]圖9B類似于圖9A，示出使用低散射的多光導(dǎo)光纖的照明系統(tǒng)的實例，其在光學(xué)上連接到相應(yīng)的多光漫射的光纖；
[0033]圖1OA是類似于圖9A的另一示例的照明系統(tǒng)，但其中光漫射光纖呈弧形而形成環(huán)；
[0034]圖1OB類似于圖10A，并進一步包括光學(xué)上偶聯(lián)到光漫射光纖一端上的鏡子，還具有設(shè)置在低散射光導(dǎo)光纖內(nèi)的可供選擇的隔絕器，以防止光返回到光源；
[0035]圖1OC類似于圖1OA和圖10B，示出照明系統(tǒng)的實施例，其中，光漫射光纖的端部在光學(xué)上偶聯(lián)到光學(xué)偶聯(lián)器上；
[0036]圖11示出類似于圖1OC的照明系統(tǒng)的示例實施例，但其中兩個光源和低散射光導(dǎo)光纖的相應(yīng)部分用來在光漫射光纖內(nèi)提供反向傳播的導(dǎo)向光線；
[0037]圖12A是類似于圖9A的照明系統(tǒng)的示例實施例的側(cè)視圖，但其中光源包括多個光源元件；
[0038]圖12B類似于圖12A，并示出低光漫射光導(dǎo)光纖彎曲的示例實施例，以使相應(yīng)的光漫射光纖可通過選定部位處相應(yīng)的散射光來提供照明；
[0039]圖13A是包括凹面鏡的示例照明系統(tǒng)的剖視圖，其中，光漫射光纖的光源部分具有纏繞的構(gòu)造，并基本上位于凹面鏡的焦點處(即，位于焦點或靠近焦點)；以及
[0040]圖13B類似于圖13A，示出一照明系統(tǒng)的實施例，該照明系統(tǒng)包括大致沿著柱面鏡焦線布置的多個光漫射光纖。
[0041]本發(fā)明其它的特征和優(yōu)點將在下面的詳細描述中闡述，本【技術(shù)領(lǐng)域】內(nèi)的技術(shù)人員從描述中將會明白這些特征和優(yōu)點，并通過實踐如以下描述中所描述的本發(fā)明，并連同權(quán)利要求書和附圖一起，將會得以認識本發(fā)明。
【具體實施方式】
[0042]現(xiàn)詳細參照本發(fā)明目前優(yōu)選的實施例，本發(fā)明的實例顯示在附圖中。在全部的附圖中，只要可能的話，相同或類似的附圖標記用來表示相同或類似的零件。應(yīng)該理解到，這里所披露的實施例僅是實例而已，各個實例包括本發(fā)明一定的益處。
[0043]在本發(fā)明范圍之內(nèi)，對于以下實例可作出各種修改和替代方案，不同實例的各個方面可以不同方式混合，以實現(xiàn)還有其他的實例。因此，鑒于這里所披露的實施例，但不限于這些實施例，本發(fā)明的范圍應(yīng)從全部披露的本發(fā)明中得以理解。
[0044]諸如“水平的”、“垂直的”、“前面的”、“后面的”等的術(shù)語，以及采用笛卡爾坐標系，是為了便于參照附圖和方便于描述，且并不意圖將說明書中或權(quán)利要求書中的方向嚴格地局限于絕對的定向和/或方向。
[0045]在下面對本發(fā)明的描述中，結(jié)合具有納米級結(jié)構(gòu)的光漫射光纖來使用以下的術(shù)語和詞語。
[0046]“折射率曲線”是折射率或相對折射率和波導(dǎo)(光纖)半徑之間的關(guān)系。
[0047]“百分比相對折射率”定義如下
[0048]Δ (r) % = 100 X [n (r) 2-nEEF2] /2n (r)2
[0049]其中，n(r)是半徑為r的折射率，除非另有規(guī)定。百分比相對折射率定義為在850nm處，除非另有規(guī)定。在一個方面，參照折射率nKEF是850nm處折射率為1.452498的石英玻璃，在另一個方面，參照折射率nKEF是850nm處包層玻璃的最大折射率。如這里所采用的，相對折射率用△表示，其值用單位來給出，除非另有規(guī)定。在區(qū)域的折射率小于參照折射率n-的情形中，百分比相對折射率是負值，并被稱作具有壓低的區(qū)域或壓低的折射率，最小相對折射率就在相對折射率最負的那點上進行計算，除非另有規(guī)定。在區(qū)域的折射率大于參照折射率nKEF的情形中，百分比相對折射率是正值，該區(qū)域可以說被提高或具有正的折射率。
[0050]這里的“向上摻雜物”(updopant)應(yīng)被認為是這樣的摻雜物，其具有相對于純的未摻雜的SiO2提高折射率的傾向。這里的“向下?lián)诫s物”(downdopant)應(yīng)被認為是這樣的摻雜物，其具有相對于純的未摻雜的SiO2降低折射率的傾向。向上摻雜物可存在于這樣光纖的區(qū)域內(nèi)，當伴隨有一個或多個不是向上摻雜物的其他摻雜物時，該光纖區(qū)域具有負的相對折射率。同樣地，不是向上摻雜物的一個或多個其他的摻雜物可存在于具有正的相對折射率的光纖區(qū)域內(nèi)。向下?lián)诫s物可存在于這樣光纖的區(qū)域內(nèi)，當伴隨有一個或多個不是向下?lián)诫s物的其他摻雜物時，該光纖區(qū)域具有正的相對折射率。
[0051 ]同樣地，不是向下?lián)诫s物的一個或多個其他的摻雜物可存在于具有負的相對折射率的光纖區(qū)域內(nèi)。
[0052]術(shù)語“ α -曲線”或“alpha-曲線”是指用Λ (r)表達的相對折射率曲線，其單位是“ 其中，r是半徑，其遵循以下方程式，
[0053]Δ (r) = Δ (r0) (1_[ I r~r0 I / (r~r0) ] α)
[0054]其中，r(l是Δ (r)為最大的點是Δ (r) %為零的點,而r的范圍是ri≤r≤rf,其中，Δ是如上定義，1^是α-曲線的起始點，1>是α-曲線的終點，而α是實數(shù)的指數(shù)。
[0055]如文中使用的，術(shù)語“拋物線”因此包括大致為拋物線形的折射率曲線，其可在內(nèi)芯的一個或多個點處略微偏離值2.0變化，以及具有較小變化和/或中心線下沉的曲線。在某些示范的實施例中，α大于1.5而小于2.5，較佳的是大于1.7而小于2.3，甚至更加較佳的是，在850nm處測得值在1.8和2.3之間。在其他實施例中，折射率曲線的一段或多段具有大致臺階形的折射率形狀，α值大于8，較佳的是大于10，甚至更加較佳的是，在850nm處測得值大于20。
[0056]術(shù)語“納米結(jié)構(gòu)光纖區(qū)域”描述了這樣的光纖，其具有帶有大量(大于50)填充氣體的空穴的區(qū)域或面積，或其他納米級結(jié)構(gòu)，例如，在光纖橫截面中有超過50、超過100或超過200個空穴。填充氣體的空穴例如可含有S02、Kr、Ar、C02、N2、02，或它們的混合物。如這里描述的納米級結(jié)構(gòu)(例如,空穴)的橫截面大小(例如,直徑)可從IOnm變化到I μ m (例如，50nm_500nm)，長度可從I毫米變化到50米(例如,2mm到5米,或5mm到I米)。
[0057]在標準單模態(tài)或多模態(tài)的光纖中，小于1300nm的波長損失受瑞利散射控制支配。這些瑞利散射損失Ls由材料特性決定，對于可見光波長(400-700nm)來說，通常約為20dB/km。瑞利散射損失還具有強的波長依賴性(即，Ls ?C l/λ4，見圖4Β，比較光纖Α)，這意味著至少約Ikm至2km的光纖需要耗散95%以上的輸入光。較短長度的如此光纖會導(dǎo)致照明效率低下，而使用長的長度(Ikm至2km或以上)可能成本更高并可能難于管理。當光纖用于生物反應(yīng)器或其他照明系統(tǒng)時，長的光纖長度可能安裝起來麻煩。
[0058] 在照明應(yīng)用的某些構(gòu)造中，要求使用較短長度的光纖，例如，1-100米。這需要增加光纖的散射損失，而能夠保持良好的角度散射特性(離開光纖軸線的光均勻耗散)和良好的彎曲性能，以避免光纖彎頭處的亮點。這里描述的本發(fā)明的至少某些實施例的理想屬性是沿著光纖照明器長度的均勻和高亮的照明。因為光纖是柔性的，所以，其允許部署為各種照明形狀。較佳在光纖彎曲點處沒有亮點(由于彎曲損失的提高)，這樣，光纖提供的照明變化不超過30%，較佳地小于20%，更佳地小于10%。例如，在至少某些實施例中光纖的平均散射損失大于50dB/km，且在長度為0.2m的任何給定光纖段上，散射損失變化不超過30% (即，散射損失在平均散射損失的30%內(nèi))。根據(jù)至少某些實施例，光纖平均散射損失大于50dB/km，且在長度為小于0.05m的光纖段上，散射損失變化不超過30%。根據(jù)至少某些實施例，光纖平均散射損失大于50dB/km，且在長度為0.0lm的光纖段上，散射損失變化不超過30% (即，±30%)。根據(jù)至少某些實施例，光纖平均散射損失大于50dB/km，且在長度為0.0lm的光纖段上，散射損失變化不超過20% ( S卩，±20% )，但較佳的是不超過10%(即，± 10 % ) ο
[0059]在至少某些實施例中，對于光纖目標長度(例如，可以是0.02-100m長度)來說，在照明波長處通過光纖側(cè)面的集成(漫射)光強度的強度變化小于30%。應(yīng)該指出的是，通過在包層或涂層中納入熒光材料，可變化在規(guī)定照明波長處通過光纖側(cè)面的集成光強度的強度。由熒光材料散射的光的波長不同于在光纖內(nèi)傳播的光的波長。
[0060]在以下的某些示范實施例中，我們描述帶有納米結(jié)構(gòu)區(qū)域(帶有納米級結(jié)構(gòu)的區(qū)域)的光纖設(shè)計，其放置在光纖內(nèi)芯區(qū)域內(nèi)或非?？拷鼉?nèi)芯。某些光纖實施例具有超過50dB/km的散射損失(例如，大于100dB/km，大于200dB/km，大于500dB/km，大于IOOOdB/km,大于3000dB/km，大于5000dB/km)，散射損失(和由此的照明，或這些光纖輻射的光)在角度空間內(nèi)是均勻的。
[0061]為了減小或消除光纖彎頭引起的亮點，可在彎頭直徑小于50mm時，要求光纖內(nèi)90。彎頭處增加的衰減量小于5dB/彎(例如，小于3dB/彎，小于2dB/彎，小于IdB/彎)。在示范的實施例中，這些低彎頭損失甚至可在較小彎頭直徑處達到。例如，彎頭直徑小于20mm,小于IOmm,以及甚至小于5mm。較佳地,在5mm的彎頭半徑處,總的衰減增加量小于每90度彎IdB0
[0062]較佳地，根據(jù)某些實施例，彎曲損失等于或小于來自直的光纖內(nèi)芯的固有的散射損失。該固有的散射主要是由于來自納米級結(jié)構(gòu)的散射。因此，根據(jù)至少光纖彎頭不敏感的實施例，彎頭損失不超過光纖固有散射。然而，因為散射水平是彎曲直徑的函數(shù)，所以，光纖的彎曲部署取決于其散射水平。例如，在某些實施例中，光纖具有小于3dB/彎的彎頭損失，較佳地小于2dB/彎，且光纖可彎曲成小到5mm半徑的弧而不形成亮點。
[0063]還有，在以下的描述中，在散射的光化性光供應(yīng)或遞送到全部的光反應(yīng)性材料的某些實施例中，散射的光化性光呈現(xiàn)為具有足夠的強度，以在合理的時間內(nèi)在光反應(yīng)性材料上執(zhí)行光反應(yīng)。
[0064]光漫射光纖
[0065]圖1是光漫射光纖(下文中也被稱作“光纖”)12的示范實施例一部分的示意側(cè)視圖，其具有中心軸線(“中心線”)16。圖2是沿著圖1中方向2-2觀看的光漫射光纖12的示意剖視圖。例如，光纖12可以是具有納米級光纖區(qū)域的各種類型光纖中的任意一種光纖，其具有周期性的或非周期性的納米級結(jié)構(gòu)32(例如，空穴)。在示范的實施例中，光纖12包括分為三個部分或區(qū)域的內(nèi)芯20。這些內(nèi)芯區(qū)域是:固體中心部分22，納米結(jié)構(gòu)的環(huán)形部分(內(nèi)部環(huán)形內(nèi)芯區(qū)域)26，以及包圍內(nèi)部環(huán)形內(nèi)芯區(qū)域26的外部固體部分28。包層區(qū)域40 (“包層”)包圍環(huán)形區(qū)域20并具有外表面。包層40可具有低的折射率以提供高的數(shù)值孔徑(NA)。例如，包層40可以是低折射率聚合物，諸如可UV或熱固化的氟化丙烯酸酯或硅樹脂。
[0066]可供選擇的涂層44包圍包層40。涂層44可包括低模量的主涂層和高模量的次涂層。在至少某些實施例中，涂層44包括諸如丙烯酸脂基或硅樹脂基的聚合物之類的聚合物涂層。在至少某些實施例中，涂層具有沿著光纖長度恒定的直徑[0067]在以下描述的其他示范的實施例中，涂層44設(shè)計成提高“輻射光”分布和/或特性，該光線從內(nèi)芯20通過包層40。包層40的外表面或可供選擇的涂層44的外表面代表光纖12的“側(cè)面”48，使光通過該側(cè)面在光纖內(nèi)移動，以便如文中所述的那樣通過散射而退出。
[0068]保護性覆蓋或護套(未示出)可供選擇地覆蓋包層40。光纖12可包括氟化的包層40，但如果光纖是用在泄漏損失不降低照明特性的短長度應(yīng)用中，則就不需要氟化包層。
[0069]在某些示范的實施例中，光纖12的內(nèi)芯區(qū)域26包括玻璃基體(“玻璃”)31，有多個非周期性設(shè)置的納米級結(jié)構(gòu)(例如，“空穴”)32位于其中，就如圖2放大的插圖內(nèi)詳細所示的示例空穴。在另一示例實施例中，空穴32可周期性地布置，就如在光激性晶體光纖中的那樣，其中，空穴通常具有約為lX10_6m和IXlOnT5之間的直徑?？昭?2還可以非周期性或隨機地設(shè)置。在某些示范的實施例中，區(qū)域26中的玻璃31是摻雜氟的二氧化硅，而在另一實施例中，玻璃是未摻雜的純二氧化硅。較佳地，空穴直徑至少為10nm。
[0070]納米級結(jié)構(gòu)32使光線散射遠離內(nèi)芯20并朝向光纖的外表面。然后，散射光“漫射”通過光纖12的外表面以提供要求的照明。即，大部分光線沿著光纖長度漫射(散射)通過光纖12的側(cè)面。較佳地，光纖在其長度上發(fā)射基本上均勻的輻照，而光纖在發(fā)射的輻照波長(照明波長)中具有散射誘發(fā)的衰減大于50dB/km。較佳地，對于該波長，散射誘發(fā)的衰減大于100dB/km。在某些實施例中，對于該波長,散射誘發(fā)的衰減大于500dB/km,而在某些實施例中，是1000dB/km，大于2000dB/km，以及大于5000dB/km。這些高散射損失約為標準單模態(tài)和多模態(tài)光纖中瑞利散射損失的約2.5至250倍。
[0071]玻璃組成的內(nèi)芯區(qū)域22和28可包括向上摻雜物，諸如Ge、Al，和/或P。所謂“非周期性布置”或“非周期性分布”是意指:當取光纖的橫截面(諸如圖2所示)時，空穴32在一部分光纖上呈隨機地或非周期性分布。沿著光纖長度在不同點處截取類似的橫截面，將會揭示不同橫截面的空穴圖形，即，各種橫截面將具有不同的空穴圖形，其中，空穴分布和空穴尺寸不匹配。這就是說，空穴是非周期性的，即，它們不是周期性地設(shè)置在光纖結(jié)構(gòu)內(nèi)。這些空穴沿著光纖長度(即，平行于縱向軸線)伸展(延伸)，但對于傳輸光纖的一般長度來說，空穴不延伸光纖的全長。盡管不希望囿于理論，但可以相信空穴延伸不到10米，在許多情形中，沿著光纖長度不到I米。
[0072]如這里在以下要討論的照明系統(tǒng)中使用的光纖12可用以下的方法制造，該方法利用預(yù)成型固化條件，該條件導(dǎo)致大量氣體駐留在固化的玻璃坯料中，由此，致使在固化的玻璃光纖預(yù)成型中形成空穴。不是采取步驟來除去這些空穴，而是利用生成的預(yù)成型來形成帶有空穴或納米級結(jié)構(gòu)的光纖。生成光纖的納米級結(jié)構(gòu)或空穴被用來沿著光纖長度通過側(cè)面將光線散射或?qū)虺龉饫w外。即，光線通過光纖外表面被導(dǎo)向遠離內(nèi)芯20，以提供要求的照明。
[0073]如這里所使用的，當光纖沿著橫向于光纖縱向軸線的垂直橫截面觀看時，諸如空穴那樣納米級結(jié)構(gòu)的直徑是最長直線段，其端點為a)。例如，在美國專利申請系列N0.11/583,098中描述了制造帶有納米級空穴的光纖方法，本文以參見方式引入該專利。
[0074]如上所述，在某些實施例中，光纖12、內(nèi)芯部分22和28包括摻雜有鍺的氧化硅，即，摻雜氧化鍺的氧化硅?？稍趦?nèi)芯中使用鍺之外的摻雜物，單一地或組合地使用，尤其是在光纖的中心線16處或其附近，以獲得要求的折射率和密度。在至少某些實施例中，這里所披露的光纖的相對折射率曲線在部分22和28內(nèi)是非負的。這些摻雜物例如可以是Al、T1、P、Ge，或它們的組合。在至少某些實施例中，光纖在內(nèi)芯中不含有折射率減小的摻雜物。在某些實施例中，這里所披露的光纖的相對折射率曲線在部分22、24和28內(nèi)是非負的。
[0075]在光纖12的某些實例中，如文中所使用的，內(nèi)芯20包括純氧化硅。在一個實施例中，光纖首推的屬性是在要求的光譜范圍內(nèi)將光散射出光纖外(即，漫射光線)，生物材料對于該光譜范圍是敏感的或其造成光反應(yīng)材料內(nèi)的光反應(yīng)。在另一實施例中，散射光可用于裝飾格調(diào)和白光應(yīng)用。通過改變光纖中玻璃的特性、納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26的寬度以及納米級結(jié)構(gòu)的尺寸和密度，可提高散射損失量。
[0076]在如這里所使用的光纖12的某些實例中，內(nèi)芯20是分級折射率內(nèi)芯，較佳地，內(nèi)芯的折射率曲線具有拋物線(或大致的拋物線)形狀；例如，在某些實施例中，內(nèi)芯20的折射率曲線具有α-形狀，在850nm處測得的α值約為2，較佳地在1.8和2.3之間。在其他實施例中，折射率曲線的一段或多段具有大致臺階形折射率形狀，在850nm處測得的α值大于8，較佳地大于10，甚至更加較佳地大于20。在某些實施例中，內(nèi)芯的折射率可具有中心線下沉，其中，內(nèi)芯的最大折射率和全部光纖的最大折射率位于離中心線16很小的距離，但在其他實施例中，內(nèi)芯的折射率沒有中心線下沉，且內(nèi)芯的最大折射率和全部光纖的最大折射率位于中心線上。
[0077]在一不范的實施例中，光纖12具有氧化娃基的內(nèi)芯20和壓低折射率(相對于氧化硅)的聚合物包層40。低折射率聚合物包層40較佳地具有負的相對折射率，更加較佳地小于-0.5%，甚至還要更加較佳地小于-1%。在某些示范實施例中，包層40具有20 μ m或以上的厚度。在某些示范實施例中，包層40具有比內(nèi)芯低的折射率，厚度為ΙΟμπι或以上(例如，20 μ m或以上)。在某些示范實施例中，包層具有2倍Rmax的外直徑，例如，約為125μπι(例如，120μπι至130μπι，或123μπι至128μπι)。在其他實施例中，包層具有小于120 μ m的直徑,例如,60或80 μ m。在其他實施例中，包層的外直徑大于200 μ m,大于300 μ m，或大于500 μ m。在某些實施例中，包層沿著光纖12長度具有恒定的直徑。在某些實施例中，光纖12的折射率具有徑向?qū)ΨQ性。較佳地，內(nèi)芯20的外直徑2R3沿著光纖長度是恒定的。較佳地，內(nèi)芯部分22、26、28的外直徑沿著光纖長度也是恒定的。用數(shù)值表述，意指直徑相對于平均值的變化小于10%，較佳地小于5%，更加較佳地小于2%。
[0078]圖3A是圖2所示光纖12的示范相對折射率Λ對光纖半徑的曲線(實線)。內(nèi)芯20還可具有分級內(nèi)芯曲線，例如，其特征在于，α值在1.7和2.3之間(例如，1.8至2.3)。另一替代的示范折射率曲線由虛線示出。內(nèi)芯區(qū)域22徑向向外地從中心線延伸到其外半徑Rl，并具有對應(yīng)于最大折射率nl的相對折射率曲線A1OO (和相對折射率百分比Δ1ΜΑΧ)。在該實施例中，參考折射率nKEF是在包層處的參考折射率。第二內(nèi)芯區(qū)域(納米結(jié)構(gòu)區(qū)域)26具有最小折射率n2、相對折射率曲線△ 2 (r)、最大相對折射率△ 2mx，以及最小相對折射率Λ2μιν，其中，在某些實施例中，Λ2μχ= Λ2μιν。第三內(nèi)芯區(qū)域28具有最大折射率η3、相對折射率曲線A3(r)和最大相對折射率Λ 3mx以及最小相對折射率Λ3ΜΙΝ，其中，在某些實施例中，A3mx= Λ3μιν。在該實施例中，環(huán)形包層40具有折射率η4、相對折射率曲線AMr)和最大相對折射率以及最小相對折射率Λ4μιν。在某些實施例中，Λ 4祖=Δ4μινο在某些實施例中，AlMX>A4mx和Α3?χ>Α4μχο在某些實施例中，Λ 2ΜΙΝ = Λ 4祖。在圖2和3Α所示的實施例中，AlMX>A3mx>A2mx>A4MX。在該實施例中，這些區(qū)域的折射率具有如下的關(guān)系nl>n3>n2>n4。
[0079]在某些實施例中，內(nèi)芯區(qū)域22、28具有基本上恒定的折射率曲線，如圖3A所示，有恒定的Λ I (r)和Λ 3 (r)。在某些實施例中，Δ 2 (r)略微正(O < Δ 2 (r) < 0.1 % )，略微負(-0.1%< Δ2(r) <0)，或是0%。在某些實施例中，Λ 2 (r)的絕對值小于0.1%，較佳地小于0.05%。在某些實施例中，外包層區(qū)域40具有基本上恒定的折射率曲線，如圖3A所示，具有恒定Λ4(r)。在某些實施例中，Λ4(r) =0%。內(nèi)芯區(qū)域22具有折射率，其中，Λ l(r)≤O %。在某些實施例中，空穴填充區(qū)域26具有相對折射率曲線A2(r)，A2(r)具有負的折射率，其絕對值小于0.05%，內(nèi)芯區(qū)域28的A3(r)例如可以是正值或零。在至少某些實施例中，nl>n2>和n3>n4。
[0080]在某些實施例中，包層40具有折射率-0.05 % < Δ4 (r) <0.05%。在其他實施例中，包層40和內(nèi)芯部分20、26和28可包括純(未摻雜)的氧化硅。
[0081]在某些實施例中，包層40包括純的或F-摻雜的氧化硅。在某些實施例中，包層40包括純的低折射率聚合物。在某些實施例中，納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26包括純的氧化硅，該氧化硅包括多個空穴32。較佳地，考慮到任何空穴的存在，納米結(jié)構(gòu)26的最小相對折射率和平均有效的相對折射率，都小于-0.1 %?？昭?2可含有一種或多個種氣體，諸如氬氣、氮氣、氧氣、氪氣或SO2，或可含有基本上無氣體的真空。然而，不管是否存在著任何氣體，納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26內(nèi)的平均折射率由于空穴32的存在而降低?？昭?2可以隨機地或非周期性地設(shè)置在納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26內(nèi)，在其他實施例中，空穴周期性地設(shè)置在其中。
[0082]在某些實施例中，多個空穴32包括多個非周期性地設(shè)置的空穴和多個周期性地設(shè)置的空穴。
[0083]在示例實施例中，內(nèi)芯區(qū)域22包括摻雜有鍺的氧化硅，內(nèi)芯的內(nèi)環(huán)形區(qū)域28包括純氧化硅，而包層環(huán)形區(qū)域40包括玻璃或低折射率的聚合物。在某些實施例中，納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26包括在純氧化硅中的多個空穴32 ;在還有其他的實施例中，納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26包括在氟摻雜的氧化硅中的多個空穴32。
[0084]在某些實施例中，內(nèi)芯的外半徑Re大于ΙΟμπι和小于600 μ m。在某些實施例中，內(nèi)芯的外半徑Re大于30 μ m和/或小于400 μ m。例如，Re可以是125 μ m至300 μ m。在其他實施例中，內(nèi)芯20的外半徑Re (請注意在圖3A所示的實施例中，Re = R3)大于50 μ m和小于250 μ m。內(nèi)芯20的中心部分22具有的半徑范圍在0.1Rc≤Rl≤0.9Rc，較佳地為
0.5Rc≤Rl≤0.9Rc。納米結(jié)構(gòu)環(huán)形區(qū)域26的寬度W2較佳是0.05Rc≤W2≤0.9Rc，較佳是0.1Rc≤W2 ( 0.9Rc，在某些實施例中，較佳是0.5Rc≤W2 ( 0.9Rc (對于納米級結(jié)構(gòu)的相同密度來說，較寬的納米結(jié)構(gòu)區(qū)域給出較高的散射誘發(fā)的衰減)。實心的玻璃內(nèi)芯區(qū)域28具有寬度Ws = W3，以使0.lRc>W3>0.9Rc。內(nèi)芯20的每個部分包括氧化硅基玻璃。納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26的徑向?qū)挾萕2較佳大于I μ m。例如，W2可以是5μπι至300μπι，且較佳地為200 μ m或不到。在某些實施例中，W2大于2μπι和小于100μπι。在其它實施例中，W2大于2 μ m和小于50 μ m。在其他實施例中，W2大于2 μ m和小于20 μ m。在某些實施例中，W2至少為7 μ m，在其它實施例中，W2大于2 μ m和小于12 μ m。內(nèi)芯區(qū)域28的寬度W3是(R3-R2)，且其中值R3mid是(R3+R2)/2。在一些實施例中，W3大于I μ m和小于100μπι.[0085]光纖12的數(shù)值孔徑(NA)較佳等于或大于將光線引入光纖內(nèi)的光源的NA。較佳地，光纖12的數(shù)值孔徑(NA)大于0.2，在某些實施例中，大于0.3，甚至更加較佳地大于0.4。[0086]在某些實施例中，第一內(nèi)芯區(qū)域22的內(nèi)芯外半徑Rl較佳地不小于24 μ m且不大于50 μ m，即，內(nèi)芯直徑在大約48和100μπι之間。在其他實施例中，Rl>24微米；在還有其他的實施例中，Rl>30微米；在還有其他的實施例中，RlMO微米。
[0087]在某些實施例中，對于超過50%的環(huán)形內(nèi)部分26的徑向?qū)挾?，I A2(r) I
<0.025 %，而在其他實施例中，對于超過50%的區(qū)域26的徑向?qū)挾?，I Λ 2 (r) I<0.01 %。壓低折射率的環(huán)形部分26在包層的相對折射率首先達到小于-0.05%值的地方開始，然后離開中心線徑向地向外。在某些實施例中，包層40具有相對折射率曲線AMr)，其具有小于0.1 %的最大絕對值，在該實施例中，Λ4ΜΧ<0.05%以及Λ4ΜΙΝ>-0.05%，壓低折射率的環(huán)形部分26在發(fā)現(xiàn)最外空穴之處終止。
[0088] 包層結(jié)構(gòu)40延伸到半徑R4，其也是光纖的最外緣。在某些實施例中，包層寬度R4-R3大于20μπι;在其他實施例中，R4-R3至少為50μπι，在某些實施例中，R4-R3至少為70 μ m.[0089]在另一實施例中，全部內(nèi)芯20是納米結(jié)構(gòu)(例如，填充空穴)，而內(nèi)芯20被包層40包圍。內(nèi)芯20可具有“臺階”的折射率△，或可具有分級的內(nèi)芯曲線，曲線具有α曲線，例如，α值在1.8和2.3之間。
[0090]用來形成光纖12的光學(xué)預(yù)成型(未示出)的準備，在一個示范的實施例中形成，其中，470克的SiO2 (0.5g/cc密度)煙灰通過外部蒸發(fā)沉積法(OVD)沉積在完全固化的純氧化硅無空穴的內(nèi)芯莖上，該莖長I米，20_直徑，導(dǎo)致形成預(yù)成型組件(有時被稱作預(yù)成型，或光學(xué)預(yù)成型)，其包括固化的無空穴的氧化硅內(nèi)芯區(qū)域，其被氧化硅煙灰區(qū)域包圍。該預(yù)成型組件的煙灰包層然后如下方式燒結(jié)。預(yù)成型組件首先在如下氛圍中干燥2小時，該氛圍包括氦和3%的氯(都以每體積的百分比氣體計)，在爐子上部區(qū)域部分內(nèi)1100°C溫度下進行干燥，其后以200mm/min的速率向下驅(qū)動(在向下驅(qū)動過程中，對煙灰預(yù)成型的外面而言，大致對應(yīng)于100°C /min溫度的增加)通過熱區(qū)域，該區(qū)域設(shè)置在近似1500°C和100% SO2(按體積計)的燒結(jié)氛圍中。然后，預(yù)成型組件再次(即，第二次)以100mm/min速率(在向下驅(qū)動過程中，對煙灰預(yù)成型的外面而言，對應(yīng)于大致50°C /min溫度的增加)向下驅(qū)動通過熱區(qū)域。然后，預(yù)成型組件再次(即，第三次)以50mm/min速率(在向下驅(qū)動過程中，對煙灰預(yù)成型的外面而言，對應(yīng)于大致25°C /min溫度的增加)向下驅(qū)動通過熱區(qū)域。然后，預(yù)成型組件再次(即，第四次)以25mm/min速率(在向下驅(qū)動過程中，對煙灰預(yù)成型的外面而言，對應(yīng)于大致12.5°C/min溫度的增加)向下驅(qū)動通過熱區(qū)域。然后，最后以6mm/min速率(近似為3°C /min升溫速率)進行燒結(jié)，以便將煙灰燒結(jié)成SO2結(jié)核的氧化硅過包層預(yù)成型。在每次向下驅(qū)動步驟之后，預(yù)成型組件以200mm/min速率向上驅(qū)動到爐子的上部區(qū)域部分(其保持在IlO(TC)。使用第一系列的較高向下饋送速率來使光纖預(yù)成型外部光滑，這便于將氣體擒獲在預(yù)成型件內(nèi)。預(yù)成型件然后放置在設(shè)置在1000°C下的氬氣洗滌爐內(nèi)持續(xù)24小時，以除去預(yù)成型件內(nèi)殘存的任何氦氣。該預(yù)成型件然后在近似設(shè)置為1700°C的傳統(tǒng)石墨抽拔爐子上,在IS氣氣氛中抽拔成無空穴的SiO2內(nèi)芯、SO2結(jié)核(即，含有非周期性定位的含有SO2氣體的空穴)氧化硅過包層莖，該莖直徑為10_，長度為I米。
[0091]將其中一個IOmm的莖放回到車床內(nèi)，那里，大約190克附加的SiO2 (0.52g/cc密度)煙灰通過OVD法沉積。然后，用于該組件的該包層的煙灰(其可被稱作過包層)按如下方式進行燒結(jié)。預(yù)成型組件首先在如下氛圍中干燥2小時，該氛圍包括氦和3%的氯，在1100°C溫度下進行干燥，其后以5mm/min的速率向下驅(qū)動通過熱區(qū)域，該區(qū)域設(shè)置在1500°C和100%氦(按體積計)的氛圍中，以將煙灰燒結(jié)成含氧化鍺的無空穴的氧化硅內(nèi)芯、氧化硅SO2-結(jié)核環(huán)(即，帶有含有SO2的空穴的氧化硅)以及無空穴的過包層預(yù)成型件。預(yù)成型件放置在設(shè)置在1000°C下的氬氣洗滌爐內(nèi)持續(xù)24小時，以從預(yù)成型件中除去任何殘存的氦氣。該光纖預(yù)成型件在近似設(shè)置為1900°C至2000°C下的石墨電阻爐子上，在氦氣氣氛中抽拔成125微米直徑3km長的光纖。通過監(jiān)測和控制光纖張力來控制光學(xué)預(yù)成型件的溫度；在該實施例中，在光纖拉拔的每個部分(例如，3km長度)過程中，光纖張力保持在介于30和600克之間的一個值。在拉拔過程中，光纖用低折射率的硅樹脂基涂層進行涂覆。
[0092]利用上述另一 IOmm的無空穴的氧化硅內(nèi)芯SO2結(jié)核的氧化硅過包層莖(即，第二莖)，來制造光學(xué)預(yù)成型件和如圖4B所示的光纖。具體來說，該第二 IOmm的無空穴的氧化硅內(nèi)芯SO2結(jié)核的氧化硅過包層莖放回到車床內(nèi)，那里，大約3750克附加的SiO2(0.67g/cc密度)煙灰通過OVD法沉積。然后，該包層的煙灰(對于該組件，其可被稱作過包層)按如下方式進行燒結(jié)。預(yù)成型組件首先在如下氛圍中干燥2小時，該氛圍包括氦和3%的氯，在1100°C溫度下進行干燥，其后以5mm/min的速率向下驅(qū)動通過熱區(qū)域，該區(qū)域設(shè)置在1500°C和100%氦(按體積計)的氛圍中，以燒結(jié)煙灰產(chǎn)生預(yù)成型，該預(yù)成型包括氧化鍺，且含有無空穴的氧化硅內(nèi)芯、氧化硅SO2-結(jié)核環(huán)(B卩，帶有含有502的空穴的氧化硅)以及無空穴的過包層。生成的光纖預(yù)成型件放置在設(shè)置在1000°C下的氬氣洗滌爐內(nèi)持續(xù)24小時，以從預(yù)成型件中除去任何殘存的氦氣。最后，該光纖預(yù)成型件被抽拔成125微米直徑5km長的光纖，并用上述的低折射率聚合物涂覆。
[0093]圖3B示意地示出光纖12的還有另一示范的實施例。圖3B的光纖12包括內(nèi)芯20，其具有相對折射率Λ 1、位于內(nèi)芯20上并包圍內(nèi)芯20的納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26’。內(nèi)芯20可具有“臺階”折射率曲線，或分級內(nèi)芯曲線，例如具有α值在1.8和2.3之間的α曲線。
[0094]在該示范的實施例中(見圖3Β)，納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26’是帶有多個空穴32的環(huán)形環(huán)。在該實施例中，區(qū)域26’的寬度可以小到1-2 μ m，并可具有負的平均相對折射率Λ2。包層40包圍著納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26’。包層40的(徑向)寬度可以小到I μ m，包層可具有負的、正的或0%的相對折射率(相對于純氧化硅)。
[0095]圖3A和3B中實例之間的主要區(qū)別在于，圖3A中所示的納米結(jié)構(gòu)區(qū)域位于內(nèi)芯20中，而在圖3B中，它位于內(nèi)芯/包層的交界處。壓低折射率的環(huán)形部分26’在內(nèi)芯的相對折射率首先達到小于-0.05%值的地方開始，然后離開中心線徑向地向外。在圖3B的實施例中，包層40具有相對折射率曲線其具有小于0.1 %的最大絕對值，在該實施例中，八3艇<0.05%以及Λ3μιν>-0.05%，壓低折射率的環(huán)形部分26在最外空穴出現(xiàn)在填充空穴區(qū)域內(nèi)的地方終止。
[0096]在圖3Β所示的實施例中，內(nèi)芯20的折射率大于環(huán)形區(qū)域26’的折射率η2，包層40的折射率nl也大于折射率n2。
[0097]圖3C是光纖12的示例內(nèi)芯20的示意性橫截面圖，該光纖12代表實際制造出的光纖。還參照圖2，圖3C的內(nèi)芯20具有外半徑Rl約為33.4μπι的第一內(nèi)芯區(qū)域22、外半徑R2 = 42.8μπι的納米結(jié)構(gòu)區(qū)域26、外半徑R3 = 62.5 μ m的第三內(nèi)芯區(qū)域28，以及外半徑R4(未示出)為82.5μπι的聚合物包層40(見圖2)。在該實施例中，內(nèi)芯材料為純氧化硅(未摻雜的氧化硅)，包層材料是低折射率聚合物(例如，具有1.413的折射率的UV可固化硅樹脂，其由密歇根州的米德蘭(Midland)市的道康寧(Dow-Corning)公司以產(chǎn)品名為Q3-6696銷售)，結(jié)合玻璃內(nèi)芯它生成NA為0.3的光纖。與標準單模態(tài)傳輸光纖相比，諸如圖4B中所示的SMF-28eK光纖，光纖12具有對波長相對平坦(弱)的依賴性。在標準單模態(tài)(諸如SMF-28eK)或多模態(tài)光纖中，小于1300nm的波長處的損失由瑞麗散射控制。這些瑞麗散射損失由材料特性決定，對于可見光波長(400-700nm)來說,通常約為20dB/km。瑞麗散射損失的波長依賴性正比于λ_ρ，其中p?4。包括至少一個納米結(jié)構(gòu)區(qū)域的光纖中依賴波長的散射損失指數(shù)小于2，較佳地小于1，在400nm-1100nm波長范圍內(nèi)，超過至少80% (例如，大于90% )。當光纖以40g張力拉拔時,從400nm-1100nm的平均光譜衰減約為0.4dB/m,當光纖12以90g張力拉拔時，平均光譜衰減約為0.ldB/m。在該實施例中，納米級結(jié)構(gòu)含有SO2氣體。 申請人:發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)環(huán)中充滿SO2的空穴大大地有利于散射。此夕卜，當SO2氣體用來形成納米結(jié)構(gòu)時，業(yè)已發(fā)現(xiàn)該氣體允許獲得熱力學(xué)上可逆的損失，即，低于600°C,納米結(jié)構(gòu)光纖散射光線,但高于600°C,同樣的光纖將會導(dǎo)向光線。SO2賦予的該獨特的特性也是可逆的，該特性在于，一旦將同樣的光纖冷卻到低于600°C，光纖12將起作光漫射的光纖，并將再次產(chǎn)生可看到的散射效應(yīng)。
[0098]在優(yōu)選的實施例中，通過在拉拔過程中控制光纖張力；或通過選擇合適的拉拔張力(例如，在30g和IOOg之間，或40g和90g之間)，可控制沿光纖長度的照明均勻性，使得最小散射照明強度不小于最大散射照明強度的0.7。
[0099]因此，根據(jù)某些實施例，控制沿光纖長度的照明均勻性的制造光纖12的方法(其中，最小散射照明強度不小于最大散射照明強度的0.7)包括:在拉拔過程中控制光纖張力的步驟。
[0100]光纖12中存在著納米級結(jié)構(gòu)32 (見圖2)由于光學(xué)散射會產(chǎn)生損失，因此，通過光纖外表面的光散射可用于照明之目的。圖4A是圖3C的光纖(光纖帶有SO2氣體填充的空穴)之光纖衰減(損失)dB/m對波長(nm)的圖表。圖4A示出:(i)光纖12可在可見光波長范圍內(nèi)達到非常大的散射損失(并因此可提供高的照明強度)。與規(guī)則的125μπι分級折射率內(nèi)芯多模態(tài)的比較光纖A相比(光纖A是沒有納米結(jié)構(gòu)區(qū)域的臺階的折射率多模態(tài)光纖，光纖A在可見光波長范圍內(nèi)具有約為0.02dB/m的瑞I?散射損失,或在500nm波長處具有約為20dB/km的瑞麗散射損失，以及具有I/ λ 4的相對強的波長依賴性)，光纖12的散射損失也可具有弱的波長依賴性(Ls正比于I/λ Λ其中，P小于2，較佳地小于1，甚至更加較佳地小于0.5)。光纖12的張力作用也圖示在圖4Α-4Β中。具體來說，圖4Α-4Β示出:較高的光纖拉拔張力導(dǎo)致低的散射損失，而較低的光纖拉拔張力導(dǎo)致光纖部分較高的散射損失，即，較強的照明。
[0101]圖4Α示出光纖12(帶有內(nèi)芯中的空穴)的衰減，其是在90和400g的光纖不同張力下拉拔的光纖12波長的函數(shù)。圖4B示出光纖12(帶有內(nèi)芯中的空穴)的衰減，其是在90和40g的光纖不同張力下拉拔的不同光漫射光纖12波長的函數(shù)，以及帶有正則化損失的比較的多模態(tài)光纖(光纖A)和具有l(wèi)/λ損失依賴性的理論光纖。應(yīng)注意到，圖4Β的曲線描述了損失對波長的依賴性。在該實例中，為了比較光纖12和光纖A散射的斜率,低損失光纖(光纖Α)的損失乘以因子20，以使兩個曲線圖可容易地顯示在同一圖中。[0102]不囿于任何特殊的理論，可以相信:當拉拔張力減小時(例如，從90g減小到40g)，散射損失的增大是由于納米結(jié)構(gòu)平均直徑增大的緣故。因此，在拉拔過程中，通過改變光纖張力，該光纖的張力作用可用來產(chǎn)生沿著光纖長度的恒定的衰減(照明強度)。例如，以高張力Tl拉拔的第一光纖段，其損失為a lClB/m和長度LI，將使光功率從輸入水平PO衰減到POexp (- a ^Ll/4.343)。第二光纖段光學(xué)上偶聯(lián)到第一光纖段，并以低張力T2拉拔，其損失為a2dB/m和長度L2，將使光功率進一步從POexp (-afLl/4.343)衰減到POexp (- a ^Ll/4.343) exp (- a 2*L2/4.343)?？烧{(diào)整第一和第二光纖段的長度和衰減，以提供沿著串級光纖長度均勻的強度。
[0103]光纖12的優(yōu)點之一是其提供沿著其長度均勻照明的能力。圖5示出光纖12的布置結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致沿著光纖長度基本上均勻的照明，并利用從光源150發(fā)出的導(dǎo)向的光152的兩個通道。在該布置中，鏡子M放置在光纖12的端部14處。由光源150在輸入端13處提供給光漫射光纖12的輸入光152，作為導(dǎo)向的光152在光纖12內(nèi)傳播。不作為散射光152S(為圖方便,該散射光中僅某些光顯在圖5中)散射出光纖12的導(dǎo)向光152部分，被鏡子M反射，并沿著光纖12的軸線朝向光纖端部13往回傳播。如果合適地選擇光纖12的衰減和長度，則往回提供給光源的光輸出功率小于原始光功率的2% -5%。具有恒定損失分布的光纖散射損失強度(見圖4A)可在光纖開始端較高，而在光纖結(jié)束端處較弱。然而，如果光纖12以周期性控制的張力進行拉拔(該張力值與爐子溫度有關(guān)，該溫度可從1800°C變化到2100°C )，這樣，散射損失在強度高的光纖開始端較低，而在強度低的結(jié)束端處較高，生成的散射強度可做得較少變化，或為恒定的(例如，如圖6A所示，實例C)?？煽刂坪透淖児饫w拉拔張力，例如，在40g和400g之間變化，因此，提供很寬范圍的散射誘發(fā)的衰減(例如，高達6倍)。圖5中的鏡子M也可用第二光源替代，第二光源的功率密度輸出類似于第一光源的功率密度輸出(在因子2之內(nèi)，即，在50%至200%的范圍內(nèi))，以便不僅形成更加均勻的照明，而且增加光纖的光散射質(zhì)量。
[0104]這里所描述的照明系統(tǒng)的示范實施例的一個方面是，散射光的角度分布是均勻的或在角度空間內(nèi)接近于均勻的。從光纖表面沿軸向散射的光具有相對于平均散射強度的變化，其小于50%，較佳地小于30%，較佳地小于20%，以及更加較佳地小于10%。不帶納米級結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)氧化硅基的光纖中散射的根本機理是瑞麗散射，其具有寬的角度分布。其中具有因納米結(jié)構(gòu)環(huán)引起附加散射損失的光纖12，可具有強向前的分量，諸如圖6A(實施例a和b)和圖6B(實施例a’ )中所示。然而，可通過將散射材料放置在光漫射光纖12涂層頂部上，來糾正該分布。用含有TiO2基白墨的涂層制成的光纖12 (見圖6B，實施例b’)提供散射光的角度分布，其顯著地欠向前偏置。由于有TiO2墨的附加較厚層(例如，1-5 μ m)，可進一步減少向前散射分量，由此，提高角度強度分布的均勻性。然而，如圖7所示，如果照明器設(shè)計可利用光學(xué)上偶聯(lián)到背反射鏡子M或附加的光源150的光纖(例如，見圖5)，則即使光纖沒有含有TiO2基白墨涂層，該構(gòu)造也可提供相當平坦(即，非常均勻)的角度散射強度(見圖6A)。在某些實施例 中，沿著光纖長度墨涂層的有控制的變化(墨涂層厚度變化，涂層中墨濃度的變化)，將會提供附加的方式使以大角度(大于15度)從光纖中散射出的光強度更加均勻地變化。
[0105]在某些實施例中，墨可以是熒光材料，其將散射光轉(zhuǎn)換為較長波長的光。在某些實施例中，通過將帶有如此涂層的光漫射光纖12偶聯(lián)到UV光源，例如，405nm或445nm 二極管激光器，白光便可由光纖12發(fā)射出(從外表面漫射出)。示范實施例中的熒光白光的角度分布基本上是均勻的(例如，在角度空間中，25 %至400 %，較佳地50 %至200 %，甚至更加較佳地 50%至 150%，或 70%至 130%，或 80%至 120% )。
[0106]發(fā)光系統(tǒng)的構(gòu)造
[0107]有效地偶聯(lián)到諸如發(fā)光二極管(LED)或太陽光的成本低廉光源150，需要光纖12具有高的NA和大的內(nèi)芯直徑。有了類似于圖2中所示的設(shè)計，多模態(tài)內(nèi)芯20的尺寸可最大化，并可具有高達500 μ m的半徑。包層厚度可小得多，例如，約為15-30 μ m(例如，約為20 μ m)。例如，根據(jù)一個實施例，多個光漫射光纖12可纏繞在支承結(jié)構(gòu)周圍，每個光漫射光纖可光學(xué)地偶聯(lián)到光源或多個光源。多個光纖12可捆在一起成為以下中的至少一個:帶子、帶子堆疊或圓形捆。光纖捆或帶子(即，多個光纖的集合)還可布置成光源的形狀，以便增加偶聯(lián)有效性。典型的捆/帶子結(jié)構(gòu)例如可包括2-36個光纖12，或可包括高達好幾百個光纖12。光纜設(shè)計是多個光纖的組件，其是眾所周知的，可包括帶子、多個帶子的集合，或集合在管子內(nèi)的光纖。如此的光纖可包括一個或多個光漫射光纖12。
[0108]單一光纖
[0109]偶聯(lián)到光纖12的光亮連續(xù)的光源150可用作為不同應(yīng)用的照明系統(tǒng)，諸如標牌或顯示器照明，或執(zhí)行光反應(yīng)，將在下文中進行描述。
[0110]如果照明系統(tǒng)利用內(nèi)芯直徑為125-300μηι的單一光纖12,則多模態(tài)的激光器二極管可用作為將光線提供到光纖12的光源。使用具有沿一個方向引導(dǎo)光的反光涂層的單一光纖12的示范的照明固定器(用于顯示器屏的光亮周界照明)顯示在照片內(nèi)，該照片構(gòu)成了圖8Α。根據(jù)某些實施例，用光纖12組成的單一的或多個光纖照明可用于水環(huán)境中，例如，照明船甲板、捕魚線或魚餌以及相關(guān)的應(yīng)用，其中，小的柔性規(guī)格的光纖12和安全地浸沒在水中的能力是高度要求的。光纖12還可用于出口門照明、照明通道、用于房間探測器的發(fā)射IR輻照，或用于衣服中的線，特別是防護性/反射性的衣服，以進一步提高穿著者的可見性。光纖12在裝飾性照明中使用的實例是多方面的，但幾個實例使用在器具照明和邊緣效應(yīng)、汽車/飛機照明，或家庭和家具照明。
[0111]圖SB示出生物生長系統(tǒng)98的示例實施例和如用于生物生長系統(tǒng)中的示例照明系統(tǒng)，其中，生物腔室170呈帶有內(nèi)部172的燒瓶形式。光源150和光學(xué)偶聯(lián)系統(tǒng)160構(gòu)造成將光線152從光源偶聯(lián)到低散射光導(dǎo)光纖12Α的輸入端13Α內(nèi)。光導(dǎo)光纖12Α具有光學(xué)上偶聯(lián)到光纖12輸入端13的輸出端14Α，例如，使用接合構(gòu)件164進行偶聯(lián)。在照明系統(tǒng)100中，光纖12用作為第二光源，并在下面被稱作光源光纖。
[0112]在圖SB的實施例中，光源光纖12由單一反繞光纖形成。應(yīng)該指出的是，光源光纖12可圍繞支承結(jié)構(gòu)纏繞，以形成光源光纖部分，那里，導(dǎo)向的光從光纖外表面散射而形成延伸的光源，其發(fā)射基本上均勻的輻照。光源光纖部分內(nèi)形成彎頭，以提高光纖12內(nèi)的散射量。通過補償降低沿著光源光纖部分長度的發(fā)射的輻照效果，反向纏繞至少一個光纖可增加輻照的均勻性。多個光纖12可圍繞支承結(jié)構(gòu)順序地纏繞，使每個偶聯(lián)到光源的光纖可用來形成漫長延伸的光源。光纖12可構(gòu)造成適應(yīng)各種生物腔室?guī)缀涡?，并提供光線到生物材料180的生物材料生長。生物材料180例如可以是海藻(例如,海藻群、藻花)或細菌(例如，藍藻細菌)。在示例實施例中，生物材料180可懸置在諸如水那樣的支承介質(zhì)184內(nèi)。
[0113]涂層[0114]在示例實施例中，光纖12可包括以上結(jié)合圖2所討論的涂層44。在一個示例的實施例中，涂層44包括諸如UV固化的丙烯酸酯涂層那樣的親水性涂層，其提供改進的濕黏附。涂層可以是UV固化涂層，其包括鄰近于玻璃的低模量的初級涂層(通常< 3MPa)，以及較高模量的第二涂層(通常>50MPa)。較高模量的第二涂層鄰近于初級(較低模量)涂層并位于初級涂層的上方。還可使用其他的或附加的涂層，其涂覆作為單一涂層或多層中的一層。如此材料的實例是親水性涂層44A(未示出)，其用作為細胞生長介質(zhì)或含有涂層的材料，以對跑逸的光線提供附加的散射。這些涂層也可以作為光纖12的保護性覆蓋層。
[0115]用于涂層44的示范的親水性涂層44A是那些通常用于改進細胞粘合和生長到表面的涂層，并含有羧酸功能和胺功能(例如，含有丙烯酸或丙烯酰胺)。此外，通過將其用作為生物材料生長所需的營養(yǎng)精華的儲庫，可提高親水性涂層44A的用途。
[0116]在某些示范的實施例中，涂層44包括吸收熒光或紫外線的分子，這些分子用來修改輻射的光纖。合適的向上或向下轉(zhuǎn)換器分子也可納入到涂層內(nèi)，以產(chǎn)生來自輸入光源的不同波長的光。也可涂覆墨涂層來改變發(fā)射光的顏色或色度。其他涂層的實施例包括能夠?qū)墓饫w發(fā)射出的光提供附加散射的分子。另一實施例可以是將光活性的催化劑納入到涂層上，其可用來提高光反應(yīng)的速率。作為光-催化劑來說，金紅石TiO2就是如此催化劑的一個實例。
[0117]根據(jù)某些實施例，光纖12可被包裹在聚合物、金屬或玻璃覆蓋層(或涂層)內(nèi)，其中，所述涂層或覆蓋層具有最小的大于250 μ m的外尺寸(例如，直徑)。如果光纖具有金屬涂層，則金屬涂層可含有敞開部分，以允許將光優(yōu)選地引導(dǎo)到給定區(qū)域。這些附加的涂層或覆蓋層還可含有附加的化合物，以與以上對涂覆在光纖上的涂層所描述的同樣方式來改變發(fā)射的光或催化反應(yīng)。
[0118]如上所述，光纖12可包括設(shè)置在光纖外表面上的親水性涂層。還有，熒光品種(例如，吸收超聲波的材料)可設(shè)置在光纖涂層上，以及分子能夠?qū)Πl(fā)射光提供附加的散射。根據(jù)某些實施例，偶聯(lián)到光纖12的光源產(chǎn)生波長范圍在200nm至500nm的光線，光纖涂層內(nèi)的熒光材料(熒光品種)產(chǎn)生白的、綠的、紅的光，或NIR(近紅外光)。
[0119]此外，附加的涂層可設(shè)置在光纖外表面上。該層可構(gòu)造成修改輻射的光線，改變涂層材料的互相作用。如此涂層的實例可以是含如下材料的涂層，例如分別是，但不限于，聚(2-丙烯酰胺-2-甲基磺酸)、正硝基芐基組，或偶氮苯組成成分。
[0120]示范照明系統(tǒng)構(gòu)造
[0121]照明系統(tǒng)的某些示范實施例包括:(i)光源150，其產(chǎn)生具有在200nm至2000nm范圍內(nèi)的至少一個波長λ的光線152 ;以及(ii)至少一個光漫射光纖12。光纖12包括內(nèi)芯、包層和多個位于內(nèi)芯內(nèi)或內(nèi)芯-包層邊界處的納米級結(jié)構(gòu)32。該光纖還包括外表面、光學(xué)上偶聯(lián)到光源上的至少一個端部。如上所述，光漫射光纖12構(gòu)造成通過諸如空穴那樣的納米級結(jié)構(gòu)來散射導(dǎo)向的光152G，遠離內(nèi)芯和通過外表面，以形成具有一定長度的光源光纖部分，其在長度上發(fā)射出基本上均勻的輻射。對于這200nm至2000nm(例如，400-700nm，或Ιμπι至2μπι)范圍內(nèi)的一個或多個波長來說，該光漫射光纖12具有大于50dB/km的散射誘發(fā)的衰減。光纖12可具有多個形成在其中的彎頭，以便通過納米級結(jié)構(gòu)32較佳地散射光線遠離內(nèi)芯20并通過規(guī)定區(qū)域內(nèi)的外表面。較佳地，散射光的照明強度的偏差小于沿著長度的最大散射照明強度的30%。[0122]根據(jù)某些實施例，散射誘發(fā)的衰減是100dB/km和6000dB/km之間，或更高。在某些實施例中，對于位于200nm至2000nm內(nèi)的一個或多個波長，由于光纖12散射引起的衰減是6000dB/km至20000dB/km。根據(jù)某些實施例中，光纖12具有介于0.5m和IOOm之間的長度，對于位于200nm至2000nm內(nèi)的一個或多個波長，光纖散射引起的衰減是在300dB/km和5000dB/km之間，和/或大于3dB/光纖長度。
[0123]在一個實施例中，光纖12具有在0.1m和0.5m之間的長度，對于位于200nm至2000nm內(nèi)的一個或多個波長，光纖散射引起的衰減是在5000dB/km和20000dB/km之間。較佳地，納米級結(jié)構(gòu)32是氣體填充的空穴(例如，SO2填充的空穴)，空穴直徑大于10nm，較佳地大于50nm，更加較佳地是大于lOOnm。較佳地，光纖包層是玻璃，或聚合物，且其厚度至少為20μπι。與所述內(nèi)芯組合的包層提供0.2的NA，或更大的NA。如上所述，在拉拔過程中，通過控制光纖的張力，可在光纖長度上達到照明均勻性(離最大強度約為30%，較佳地離最大強度約在20%之內(nèi)，且更加較佳地離最大強度約在10%之內(nèi))。如前所討論的，通過使用偶聯(lián)到光纖端部的反射器可進一步降低照明均勻性，所述光纖端部與偶聯(lián)到光源的光纖端部相對。
[0124]因此，根據(jù)某些實施例，光漫射光纖12包括至少部分地填充有用于散射光的納米結(jié)構(gòu)的內(nèi)芯、包圍內(nèi)芯的包層，以及任何包圍包層的至少一個涂層。例如，內(nèi)芯和包層可被初級和第二涂層包圍，和/或被墨層包圍。在某些實施例中，墨層含有顏料，以提供附加的吸收性和修改光纖散射的光的光譜(例如，以便提供附加顏色到漫射光)。在其他實施例中，一個或多個涂層包括多個分子，它們轉(zhuǎn)換傳播通過光纖內(nèi)芯的光的波長，使得從光纖涂層發(fā)出的光(由光纖漫射的光)是不同的波長。在某些實施例中，墨層和/或涂層可包括磷光體，以便將來自內(nèi)芯的散射光轉(zhuǎn)換為不同波長的光。在某些實施例中，磷光體和/或顏料分散在初級涂層中。在某些實施例中，顏料分散在第二涂層中，在某些實施例中，顏料分散在初級和第二涂層中。在某些實施例中，磷光體和/或顏料分散在聚合物包層內(nèi)。較佳地，納米結(jié)構(gòu)是填充SO2的空穴。
[0125]根據(jù)某些實施例，光纖12包括初級涂層、包圍初級涂層的可供選擇的第二涂層，和/或墨層(例如，直接位于包層上，或其中一個涂層上)。初級和/或第二涂層可包括以下中的至少一個:顏料、磷光體、熒光材料、UV吸收材料、親水性材料、光修改材料，或它們的組合。
[0126]多個光漫射光纖12可捆綁在一起形成以下的至少一種:帶子、帶子堆疊，或圓形捆。光纖捆或帶子(即，多個光纖的集合)也可布置成光源的形狀，以便提高偶聯(lián)效率。典型的捆/帶子結(jié)構(gòu)例如可包括2至36個光漫射光纖12，或，過堆疊的光纖可包括高達好幾百個光纖12。
[0127]如上所述，光纖可包括設(shè)置在光纖外表面上的親水性涂層。替代地，親水性涂層可設(shè)置在光纖帶的外表面上。帶子也可布置成光源的形狀，以在光漫射光纖12和光源之間提供更好的偶聯(lián)。從帶子結(jié)構(gòu)中得出的優(yōu)點是，個別光纖的纏繞可能不是必要的，因為帶子可形成諸如波形、螺旋形或螺管那樣的彎曲結(jié)構(gòu)，由此，允許光散射到要求的區(qū)域內(nèi)。此外，使用多光纖的帶子提供了具有大的帶子堆疊的可能性。如此帶子堆疊可提供更加集中的光量，還打開了使用不同光源的可能性，諸如紅光激光、太陽光、發(fā)光二極管，或點光源的導(dǎo)向。例如，根據(jù)一個實施例，多個光漫射光纖12可以光學(xué)上偶聯(lián)到單一光源或多個光源，而光漫射光纖12可可捆綁在一起形成以下的至少一種:帶子、帶子堆疊，或圓形捆。此外，通過能夠以最小損失朝向光漫射光纖引導(dǎo)光的傳輸光纖，使光漫射光纖12的光纖捆或帶子可連接到光源。這后一種構(gòu)造可望對于遠距離照明應(yīng)用是非常有用的，其中，光由遠離要被提供光的區(qū)域的光源集中起來。
[0128] 根據(jù)某些實施例，光漫射光纖包括:1)內(nèi)芯、包層和多個位于所述內(nèi)芯內(nèi)或內(nèi)芯-包層邊界處的納米級結(jié)構(gòu)，光纖還包括外表面，并構(gòu)造成(i)通過所述納米級結(jié)構(gòu)來散射導(dǎo)向的光遠離內(nèi)芯并通過外表面，(?)具有在照明波長處的大于50dB/km的散射誘發(fā)的衰減；以及2) —個或多個涂層，這樣，包層或至少一個涂層包括磷光體或顏料。根據(jù)某些實施例，這些顏料可以能夠改變光的波長，使得由光纖外表面提供照明(漫射光)的波長不同于通過光纖內(nèi)芯傳播的光波長。較佳地，納米結(jié)構(gòu)是填充SO2的空穴。
[0129]根據(jù)某些實施例，光漫射光纖包括:內(nèi)芯、包層和多個位于所述內(nèi)芯內(nèi)或內(nèi)芯-包層邊界處的納米級結(jié)構(gòu)。光纖還包括外表面，并構(gòu)造成(i)通過所述納米級結(jié)構(gòu)來散射導(dǎo)向的光遠離內(nèi)芯并通過外表面，(ii)具有在照明波長處的大于50dB/km的散射誘發(fā)的衰減；其中，全部內(nèi)芯包括納米級結(jié)構(gòu)。如此光纖可供選擇地包括至少一個涂層，這樣，包層或至少一個涂層包括磷光體或顏料。根據(jù)某些實施例，納米結(jié)構(gòu)是填充SO2的空穴。
[0130]根據(jù)某些實施例,光漫射光纖12包括:內(nèi)芯(例如,玻璃內(nèi)芯)和多個位于所述內(nèi)芯內(nèi)的納米級結(jié)構(gòu)，使得全部內(nèi)芯包括納米結(jié)構(gòu)，光纖還包括外表面，并構(gòu)造成(i)通過所述納米級結(jié)構(gòu)來散射導(dǎo)向的光遠離內(nèi)芯并通過外表面，(ii)具有在照明波長處的大于50dB/km的散射誘發(fā)的衰減，其中，光纖不包括包層。根據(jù)某些實施例，納米結(jié)構(gòu)是填充SO2的空穴。納米結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)填充SO2的空穴大大地有利于散射(改進散射)。
[0131]根據(jù)某些實施例，光漫射光纖包括:內(nèi)芯(例如，玻璃內(nèi)芯)和多個位于所述內(nèi)芯內(nèi)的納米級結(jié)構(gòu)，使得全部內(nèi)芯包括納米結(jié)構(gòu)，所述光纖還包括外表面，并構(gòu)造成(i)通過所述納米級結(jié)構(gòu)來散射導(dǎo)向的光遠離內(nèi)芯并通過外表面，(ii)具有在照明波長處的大于50dB/km的散射誘發(fā)的衰減，其中，所述光纖不包括包層。根據(jù)某些實施例，光纖包括至少一個包層，這樣，包層或涂層包括磷光體或顏料。根據(jù)某些實施例，納米結(jié)構(gòu)是填充SO2的空穴。如上所述，納米結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)填充SO2的空穴大大地有利于散射(改進散射)。
[0132]附加的示范照明系統(tǒng)構(gòu)造
[0133]圖9A是類似于圖SB照明系統(tǒng)的示范照明系統(tǒng)200的側(cè)視圖。低散射光導(dǎo)光纖12A通過光纖偶聯(lián)系統(tǒng)160光學(xué)上偶聯(lián)到端部13A處的光源150，該光纖偶聯(lián)系統(tǒng)160在一個實例中可以是光纖連接器。低散射光導(dǎo)光纖12A具有光學(xué)上偶聯(lián)到光漫射光纖12輸入端13的端部14A，例如，使用如圖所示的接合構(gòu)件164進行偶聯(lián)。光漫射光纖12還具有與輸入端13相對的端部14。光源150發(fā)射光線152，光線作為導(dǎo)向的光152G在光纖12A和12內(nèi)移動。在光漫射光纖12內(nèi)移動的導(dǎo)向的光152G散射出光纖成為散射光152S。光漫射光纖12可構(gòu)造成如圖8B所示的盤卷，或可構(gòu)造成任何合理的形狀。在一個實例中，鏡子M光學(xué)上偶聯(lián)到光漫射光纖12的端部14，如圖5所示。在一個實例中，照明系統(tǒng)200包括布置在低散射光導(dǎo)光纖12A內(nèi)的光學(xué)隔離器168,以防止散射光152S或?qū)蚬?52G例如通過鏡子M的反射返回到光源150。
[0134]圖9B類似于圖9A，并示出照明系統(tǒng)200的實例，照明系統(tǒng)200使用分別在光學(xué)上與其連接的多個低散射光導(dǎo)光纖12A和多個光漫射光纖12。[0135]圖1OA是另一類似于圖9A的示例照明系統(tǒng)200，但其中光漫射光纖12呈弧形以形成環(huán)形。圖1OB類似于圖10A，并進一步包括光學(xué)上偶聯(lián)到光漫射光纖12端部14上的鏡子M，并連同低散射光導(dǎo)光纖12A內(nèi)的可供選擇的光學(xué)隔離器168。
[0136]圖1OC類似于圖1OA和圖10B，并示出照明系統(tǒng)200的實施例，其中，光漫射光纖12的端部13和14光學(xué)上偶聯(lián)到光學(xué)偶聯(lián)器170的相應(yīng)端口(未示出)上。還有低散射光導(dǎo)光纖12A的端部14A連接到光學(xué)偶聯(lián)器170的端口(未示出)。在該構(gòu)造中，在低散射光導(dǎo)光纖12A中移動的導(dǎo)向的光線152G進入光學(xué)偶聯(lián)器170,并分開而在光漫射光纖12內(nèi)沿相對方向移動。
[0137]圖11示出類似于圖1OC的照明系統(tǒng)200的示范實施例，其中，兩個光源150和低散射光導(dǎo)光纖12A的相應(yīng)部分構(gòu)造成提供相對傳播的導(dǎo)向光102G，其中光漫射光纖12內(nèi)產(chǎn)生散射光152S。
[0138]圖12A是類似于圖9A照明系統(tǒng)的照明系統(tǒng)200的示范實施例的側(cè)視圖，但其中光源150包括多個光源元件151。三個如此的光源元件151-1、151-2和151-3借助于圖示來顯示，其中，光源元件分別發(fā)射波長為λ 1、λ 2和λ 3的光152。示例的λ 1、λ 2和λ 3波長的光可以分別是紅光、藍光和綠光。
[0139]各個光源元件151光學(xué)上偶聯(lián)到相應(yīng)的低散射光導(dǎo)光纖12Α，低散射光導(dǎo)光纖12Α又光學(xué)上偶聯(lián)到相應(yīng)的光漫射光纖12。因此，圖12Α的照明系統(tǒng)200可提供呈多個波長的散射光152 (例如，散射光152S1U52S2和152S3)形式的照明。
[0140]圖12Β類似于圖12Α，并示出示范的實施例，其中，低散射光導(dǎo)光纖12Α可以彎曲，使得相應(yīng)的光漫射光纖可提供從選定部位發(fā)出的散射光152S，例如，從空間分開的部位發(fā)出。在一個實例中，照明系統(tǒng)200包括相對于光漫射光纖部分12布置的反射構(gòu)件172，這樣，相應(yīng)的反射構(gòu)件可沿要求的方向反射從其中發(fā)出的散射光152S。反射構(gòu)件172可具有任何合理的形狀，例如，平的或弧形的，以根據(jù)需要提供特殊類型的反射。反射構(gòu)件172還可以是鏡面反射或漫反射。
[0141]圖13Α是示范照明系統(tǒng)200的剖視圖，照明系統(tǒng)200包括光源150、光學(xué)偶聯(lián)系統(tǒng)160、光學(xué)上連接到系統(tǒng)上的低散射光導(dǎo)光纖12Α，以及光學(xué)上連接到低散射光導(dǎo)光纖上的光漫射光纖12。光漫射光纖12包括光源光纖部分12’其具有類似于圖SB的帶有纏繞構(gòu)造的至少一部分。照明光學(xué)系統(tǒng)200還包括凹面鏡220，其具有反射的凹表面222、由焦點FP限定的焦距F，以及焦點所在的光軸Al。光源光纖部分12’是基本上在焦點FP處的位置(即，在焦點上或靠近焦點)。這允許通過凹面鏡表面222收集從纏繞的光源光纖部分12’發(fā)出的一部分散射光152S，并基本上作為準直的光從其中反射出。在一個實例中，與沒有端部鏡子M相比，鏡子M設(shè)置在光漫射光纖12的端部14處，以增加到達凹面鏡表面220的散射光152S量。
[0142]圖13Β是另一示范照明系統(tǒng)200的剖視圖，照明系統(tǒng)200包括圓柱形凹面鏡220，其中，光漫射光纖12的捆綁12Β大致沿著凹面鏡的焦點線FPL延伸。該構(gòu)造形成散射光152S束，其基本上沿著與柱面鏡220的曲率(即，光功率)平面相關(guān)的方向準直。
[0143]應(yīng)該理解到，以上描述僅是對本發(fā)明的示范，目的是對理解如權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的特性和特征提供一個綜述。附圖的納入是提供對本發(fā)明的進一步理解，附圖的納入構(gòu)成了本說明書的一部分。附圖示出本發(fā)明各種特殊化實施例，附圖與其描述部分一起用來解釋本發(fā)明的原理和操作。本【技術(shù)領(lǐng)域】內(nèi)技術(shù)人員將會明白到，在不脫離如附后權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明精神或范圍的前提下，可對這里所描述的本發(fā)明優(yōu)選實施例作出各種修改。
【權(quán)利要求】
1.一種照明系統(tǒng)，包括: 至少一個光源，所述光源產(chǎn)生具有在200nm至2000nm之間的至少一個波長的光； 至少一個低散射光導(dǎo)光纖，所述低散射光導(dǎo)光纖具有光學(xué)上偶聯(lián)到至少一個光源的輸入端并具有輸出端，且構(gòu)造成將被至少一個光源接受的光提供到輸出端，作為導(dǎo)向光；以及 至少一個光漫射光纖，所述光漫射光纖具有玻璃內(nèi)芯、包圍玻璃內(nèi)芯的包層，以及多個位于所述玻璃內(nèi)芯內(nèi)或在內(nèi)芯-包層的邊界處的納米級結(jié)構(gòu)，所述光漫射光纖還包括外表面和光學(xué)上偶聯(lián)到至少一個低散射光導(dǎo)光纖輸出端的輸入端，其中，至少一個光漫射光纖構(gòu)造成接受來自低散射光導(dǎo)光纖的導(dǎo)向光，并藉由所述納米級結(jié)構(gòu)將導(dǎo)向光散射遠離玻璃內(nèi)芯和通過外表面，以形成具有一定長度的光源光纖部分，在該長度上連續(xù)發(fā)射散射光。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個光漫射光纖具有:(i)多個形成在其內(nèi)的彎頭，以藉由所述納米級結(jié)構(gòu)將導(dǎo)向光優(yōu)選地散射遠離玻璃內(nèi)芯和通過外表面；和/或(ii)熒光和散射品種中的至少一個，以使散射光具有基本上均勻的強度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個具有輸出端的光漫射光纖，并還包括至少一個光學(xué)上偶聯(lián)到輸出端的鏡子，以反射導(dǎo)向光而沿至少一個光漫射光纖返回朝向至少一個光源。
4.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括具有焦線的柱面鏡，其中，所述光源光纖部分大致沿 著焦線布置。
5.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述光源光纖部分包括卷繞部分。
6.如權(quán)利要求5所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括具有焦點或焦線的鏡子，其中，所述卷繞部分基本上設(shè)置在所述焦點或焦線上。
7.如權(quán)利要求1-4所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括光源光纖部分，該光源光纖部分包括環(huán)形部分。
8.如權(quán)利要求1-4所述的照明系統(tǒng)，其特征在于， 至少一個光源包括第一和第二光源，它們產(chǎn)生第一和第二光； 至少一個低散射光導(dǎo)光纖包括第一和第二低散射光導(dǎo)光纖，它們分別連接到第一和第二光源；以及 至少一個光漫射光纖光學(xué)上連接到第一和第二低散射光導(dǎo)光纖，這樣，所述第一和第二光沿相對方向移動，作為通過至少一個光漫射光纖的第一和第二導(dǎo)向光。
9.如上述權(quán)利要求中任一項所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個光漫射光纖是多模態(tài)的，且包括以下中的至少一個:(i)直徑大于50 μ m而小于500 μ m的玻璃內(nèi)芯；以及(?)數(shù)值孔徑NA，其中，NAX).2。
10.如上述權(quán)利要求中任一項所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個光漫射光纖包括多個光漫射光纖，它們一起捆綁在以下中的至少一個:帶子、帶子疊和圓形捆。
11.如上述權(quán)利要求中任一項所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在所述至少一個光漫射光纖上的熒光和散射品種中的至少一個，這樣，所述散射光具有在所述長度上基本上均勻的強度。
12.—種照明系統(tǒng),包括: 至少一個產(chǎn)生光的光源； 至少一個低散射光導(dǎo)光纖，所述低散射光導(dǎo)光纖具有光學(xué)上偶聯(lián)到至少一個光源的輸入端并具有輸出端，且構(gòu)造成將被至少一個光源接受的光提供到輸出端，作為導(dǎo)向光； 至少一個光漫射光纖，所述光漫射光纖具有玻璃內(nèi)芯、周圍的包層，以及多個位于所述玻璃內(nèi)芯內(nèi)或在內(nèi)芯-包層的邊界處的納米級結(jié)構(gòu)，所述光漫射光纖還包括外表面和光學(xué)上偶聯(lián)到至少一個低散射光導(dǎo)光纖輸出端的輸入端，以接受和導(dǎo)向來自其中的導(dǎo)向光；以及 其中，至少一個光漫射光纖構(gòu)造成藉由所述納米級結(jié)構(gòu)將在其中行進的導(dǎo)向光散射通過外表面和一定的長度，在該長度上連續(xù)地發(fā)射散射光。
13.如權(quán)利要求1或12所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述至少一個具有輸出端的光漫射光纖，鏡子可操作地設(shè)置在該輸出端上，以反射導(dǎo)向光而沿一方向返回朝向光源。
14.如權(quán)利要求1或12所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個光源，光源包括第一和第二光源，兩個光源分別發(fā)射第一和第二光，其中，所述第一和第二光源光學(xué)地偶聯(lián)到一個光漫射光纖，這樣，第一和第二光作為導(dǎo)向光沿著相對方向在其中移動。
15.如權(quán)利要求1、2或12-15所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括具有焦點或焦線的鏡子，其中，所述光源光纖部分基本上布置在所述焦點上或大致沿著焦線布置。
16.如權(quán)利要求12-15所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括光源光纖部分，該光源光纖部分包括環(huán)形部分。
17.如權(quán)利要求1-7或12-15所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個光漫射光纖是多模態(tài)的，且包括以下中的至少一個:(i)直徑大于50 μ m而小于500 μ m的玻璃內(nèi)芯；以及(?)數(shù)值孔徑NA，其中，NAX).2。
18.—種執(zhí)行來自發(fā)射光的光源照明的方法,該方法包括: 將來自光源的光傳導(dǎo)到光漫射光纖，作為導(dǎo)向光通過低散射光導(dǎo)光纖；以及 所述光漫射光纖具有一定長度、玻璃內(nèi)芯、形成內(nèi)芯-包層邊界的包圍包層、外表面，以及設(shè)置在玻璃內(nèi)芯內(nèi)或內(nèi)芯-包層邊界處的納米級結(jié)構(gòu)，且構(gòu)造成將在光漫射光纖內(nèi)行進的導(dǎo)向光從玻璃內(nèi)芯散射出外表面，以在光漫射光纖的長度上形成連續(xù)發(fā)射的導(dǎo)向光。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括將熒光和散射品種中的至少一個設(shè)置在光漫射光纖上，以使散射光具有大致均勻的強度。
20.如權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于，還包括反射在光漫射光纖內(nèi)行進的至少一部分導(dǎo)向光，而返回朝向光源。
【文檔編號】G02B6/02GK103917902SQ201280054681
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年10月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月7日
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