專利名稱：用于將高強(qiáng)光耦合至低溫光纖的設(shè)備和方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請是1996年8月19日申請的序列號為No．699，230的未決申請(現(xiàn)為美國專利No．)的部分連續(xù)申請。
背景技術(shù)：
相關(guān)技術(shù)說明在纖維光學(xué)傳輸系統(tǒng)的領(lǐng)域中，公知采用高光強(qiáng)、高熱輸出光源，例如水銀弧光燈、金屬鹵化物弧光燈，或氙弧光燈，其典型工作功率在35至1000瓦的范圍內(nèi)。參見1988年7月12日公布的轉(zhuǎn)讓給本申請相同受讓人的美國專利No．4，757，431。這些光源與纖維光導(dǎo)一起使用，其中纖維光導(dǎo)可以含有一根光纖或者一束許多根小光纖。標(biāo)準(zhǔn)光纖束一般包括與熔點約1000℃的熔融二氧化硅或石英相比具有較低熔點的玻璃。這些系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用場合具有專門的用途，并且與例如內(nèi)窺鏡、管道鏡等儀器結(jié)合使用。
將來自高光強(qiáng)光源的光束耦合至光導(dǎo)需要光束的會聚和聚焦，并且其聚集在焦點處產(chǎn)生高功率密度。焦點處溫度的升高取決于光被吸收的程度。較大的光斑尺寸導(dǎo)致較低的溫升；小幅度的吸收會導(dǎo)致溫度大幅度地升高。為了降低溫升，必須降低與較大光斑尺寸關(guān)聯(lián)的功率密度。為了防止光纖束熔化，一般在光源與光纖束之間設(shè)置IR濾波器。隨著焦點尺寸的減小，必須采用較高熔點的材料例如石英。如美國專利No．4，757，431所述，存在有效的方法將光束聚焦至直徑1mm以下，其在光纖對象處產(chǎn)生比通過光纖束傳輸光束的照明系統(tǒng)中所發(fā)現(xiàn)的高得多的功率密度。這種高功率密度需要由較高熔點材料制成的光導(dǎo)，以防止在光束至光纖耦合點處的光纖熔化。這既適用于單纖維光導(dǎo)，也適用于小直徑(2mm以下)光纖束。
石英制成的光纖價格昂貴，因而這種光纖必須使用足夠長的時間以使成本合理。在外科領(lǐng)域中，這意味著該光纖在每次使用后需要消毒。由于消毒技術(shù)一般包括采用高溫高壓滅菌器或化學(xué)消毒劑，所以光纖光導(dǎo)必須制成能夠經(jīng)受熱損傷以及采用這種化學(xué)制劑造成的損害。另外，石英光纖相當(dāng)脆，難以不破裂地彎曲，因而在處理時需要高度小心。
盡管標(biāo)準(zhǔn)玻璃(例如硼硅酸鹽)光纖束由較廉價的材料制成，但是其在長光纖長度的傳輸性能受到材料透射率以及封裝損耗的限制。而且，玻璃的低熔點也限制了可用于耦合至高光強(qiáng)光源的光纖束的最小尺寸。
將纖維光學(xué)裝置例如照明孔徑2mm以下的微內(nèi)窺鏡耦合至直徑3至5mm的典型光傳輸光纖束是效率低的，會導(dǎo)致向光學(xué)裝置的較差光傳輸。這種低效率源自面積的不匹配。降低光纖束尺寸以使其與裝置的尺寸相匹配會產(chǎn)生來自光源的實質(zhì)耦合損耗，而將焦點壓窄至小直徑光纖束會使光纖束熔化。
一般的說，耦合至纖維光學(xué)裝置的光導(dǎo)尺寸應(yīng)當(dāng)與該裝置的直徑相配。因而對于小直徑纖維光學(xué)裝置(例如小于2mm)必須采用單根高溫光纖或高溫光纖束。耦合至光源的直徑1mm以下的單根纖維光導(dǎo)比類似尺寸的光纖束更加有效，因為光纖束具有固有封裝損耗。由于直徑1mm以上的單根石英或玻璃光纖在實際應(yīng)用中一般太堅硬，所以對于需要大于1mm直徑的應(yīng)用場合一般采用光纖束。
盡管單根石英光纖和玻璃光纖束在傳輸光方面是有用和有效的，但是它們并非傳輸光的最廉價方式。塑料光纖既便宜而且具有高彈性，即使是大于1mm的直徑。因此，最好采用這種低成本塑料光纖與高光強(qiáng)光源結(jié)合。然而與玻璃光纖束一樣，塑料具有比石英低得多的熔點。因此，采用單根塑料光纖傳送充分照明需要在塑料光纖與光源之間的中間光傳輸系統(tǒng)。
其中低成本塑料光纖或小直徑低成本玻璃光纖束適用的一個應(yīng)用場合例子是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。采用低成本光纖可以使醫(yī)用照明儀器的光導(dǎo)以一次性使用的無菌產(chǎn)品出售，從而無須在每次使用后消毒。采用耦合至單根高光強(qiáng)石英光纖的小光纖束使得可以制造較小的裝置。然而，塑料光纖和小直徑玻璃光纖束都不能經(jīng)受光源在焦點處產(chǎn)生的高溫，其中光源被會聚和聚焦成尺寸與該光導(dǎo)直徑相當(dāng)?shù)男」獍摺?br> 1991年1月22日公布的美國專利No．4，986，622公開了一種現(xiàn)有技術(shù)，意在解決避免對低溫塑料光纖熱損傷的問題。該’622專利公開了一種光傳輸設(shè)備，用于在高強(qiáng)光源的輸出端耦合耐熱玻璃光纖束。接著在一個標(biāo)準(zhǔn)連接器中將該玻璃光纖束機(jī)械式地與塑料光纖束緊密耦合。該’622專利需要玻璃光纖束與塑料光纖束的機(jī)械匹配，以避免在耦合點產(chǎn)生相當(dāng)?shù)臒崃浚@會損傷塑料光纖束。
該’622專利需要玻璃光纖束的直徑小于或等于塑料光纖束的直徑。這使得玻璃光纖束發(fā)出的光錐可以無損耗地輸入塑料光纖束。然而實際中，這只有在對于各光纖束或光纖及其間隙還具有針對光錐角的光學(xué)限定(即數(shù)值孔徑NA)時才是有效的。該’622專利不能滿足這種要求。另外，如果玻璃光纖束的直徑顯著小于塑料光纖束的直徑，那么在高功率密度當(dāng)從光源耦合有充分的光通量時會產(chǎn)生對塑料光纖的熱損傷。
在該’622專利的上下文中，顯示出采用典型的3或5mm直徑的光纖束，因為玻璃光纖束與塑料光纖束之間的連接一般存在于醫(yī)用照明設(shè)備中。這種連接器采用光纖束之間在其結(jié)合處具有最小間距的密接耦合，并且依賴于光纖束的相對直徑的匹配。對于較高的功率密度，這種連接器將導(dǎo)致對低熔點光纖束的損傷。
另外，該’622專利的解決方法不足以最大限度提高低溫光纖的光輸出，其中低溫光纖被耦合至用于輸送來自高強(qiáng)光源的光束的高溫單根光纖。
因而本領(lǐng)域存在需求以改進(jìn)用于將高強(qiáng)光耦合至低熔點光纖的方法和設(shè)備。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于將高強(qiáng)光耦合至低熔點光纖的方法和設(shè)備，在高強(qiáng)光源(至少400mW／mm2)與低熔點低NA光纖之間采用有特定數(shù)值孔徑(NA)的光纖作為空間濾波器。該空間濾波器不僅使得低熔點光纖可以從高強(qiáng)光的焦點移開，而且還可以在其進(jìn)入低溫光纖之前散射光傳輸?shù)姆莻鲗?dǎo)模。該空間濾波器可以置于高強(qiáng)光源的焦點與低熔點光纖之間，替代地也可以置于高NA高熔點光纖與低熔點低NA光纖之間。高強(qiáng)光源可以是聚焦至小于2mm光斑的直射源，也可以是來自耦合至高強(qiáng)光源的第二單根光纖的光。如果接收光纖的數(shù)值孔徑小于空間濾波器的數(shù)值孔徑，則在光強(qiáng)高于約400mW／mm2時需要帶有機(jī)械散熱器的隔離結(jié)構(gòu)。如果數(shù)值孔徑相等或者接收光纖的數(shù)值孔徑大于空間濾波器的數(shù)值孔徑，則光纖隔離的程度以及是否需要機(jī)械散熱器取決于光纖的相對直徑、光波長，以及功率密度。
根據(jù)本發(fā)明的再一個優(yōu)選實施例，所述空間濾波器由一束單根光纖熔合在一起而制成。
附圖的簡要說明通過下面給出的詳細(xì)說明和附圖可以更充分地理解本發(fā)明，其中附圖僅僅以例示形式給出，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。附圖中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一般概念的空間濾波器的示意圖；圖2a-2c表示與密接連接器一起采用的本發(fā)明相應(yīng)替代實施例；圖3表示可用于本發(fā)明的高光強(qiáng)照明系統(tǒng)；圖4表示本發(fā)明采用的密接連接器的一個具體實施例；圖5表示本發(fā)明的一個替代實施例，其中空間濾波器用于將來自高NA光纖的光束耦合至低溫低NA纖；圖6A表示本發(fā)明的另外一個優(yōu)選實施例，其中空間濾波器由熔合光纖束制成；圖6B表示圖6A的熔合光纖束84b的剖面圖；圖7A表示熔合光纖束的空間濾波效應(yīng)；圖7B表示熔合光纖束的輸入和輸出端面的光強(qiáng)分布的差別；以及圖8表示在光學(xué)系統(tǒng)的反射器上采用介電涂層作為UV吸收材料以濾去不需要波長的光束。
優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明圖3表示例如在本發(fā)明中所采用的一例高光強(qiáng)光源。光源盒10中含有一個光源(典型地為高強(qiáng)弧光燈例如氙弧光燈、金屬鹵化物弧光燈、水銀弧光燈或其它任何可以被聚焦成至少400mW／mm2功率密度的可見電磁輻射源)和一個用于將來自光源的光束收集并會聚在光纖2的輸入端4上的凹面反射器。該收集和會聚系統(tǒng)的工作原理在前述美國專利No．4，757，431中有描述。由高導(dǎo)熱金屬(即，鋁)制成的接收模塊6固定在盒體10的一個壁上，用于將裝有從模塊6端部6a插入的光纖2的連接器8固定在盒體上。盒體10中還含有一個導(dǎo)套9，固定在模塊6的端部6b上。
連接器8通過鎖定機(jī)構(gòu)11固定在模塊6上。按鈕開關(guān)54設(shè)置在模塊6上，帶有一個按鈕58，設(shè)置成在沒有連接器8時使光源遮光板保持關(guān)閉以保護(hù)使用者眼睛不受高強(qiáng)光的損害。導(dǎo)線56與電路相連，用于在存在連接器8而按下按鈕58時操作遮光板。
光源系統(tǒng)33的特性為使得很高的光通量密度被聚焦在光纖2輸入端4的小面積上。所聚焦光斑包含高發(fā)散角的光束，使得大量的傳導(dǎo)模進(jìn)入光纖。然而，可以在光纖中傳導(dǎo)或?qū)б哪５臄?shù)量受到包括例如光纖NA以及纖芯半徑等因素在內(nèi)的光纖物理特性的限制。
由于面積和模式的不匹配，只有聚焦光束的一部分實際透過光纖。其余光束或者由光纖輸入端的周圍區(qū)域吸收導(dǎo)致產(chǎn)生顯著的熱量，或者以非傳導(dǎo)模式進(jìn)入光纖而光纖不能加以傳輸。
圖1表示本發(fā)明的一般概念。含有高發(fā)散角成分的高光強(qiáng)光束82聚焦在由高熔點材料制成的耐熱光纖的較短部分。這種高熔點光纖的一個例子是石英光纖；但是也可以采用任何其它適當(dāng)?shù)母呷埸c材料。高溫光纖84由散熱器66包圍，其中散熱器由例如金屬等導(dǎo)熱材料制成。
高溫光纖84能夠耐受由未進(jìn)入光纖但入射在光纖輸入端周圍區(qū)域的光束產(chǎn)生的熱量。另外，光纖該部分足夠長以使得光纖用作空間濾波器，其中進(jìn)入光纖輸入端的光束的所有非傳導(dǎo)模都在該光纖84的此長度內(nèi)充分散射。相應(yīng)地，光纖84的輸出僅包括光束的傳導(dǎo)模，以耦合成為低熔點光纖80的傳導(dǎo)模。光纖80由例如塑料或比如硼硅酸鹽等軟玻璃材料制成。由于只有傳導(dǎo)模耦合進(jìn)入低溫光纖80，所以在光纖84的輸出端與光纖80的輸入端之間不產(chǎn)生過度熱量。理想地，高溫光纖的數(shù)值孔徑應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨蛐∮诘腿埸c光纖的數(shù)值孔徑。然而即使高溫光纖的數(shù)值孔徑較高，對來自光源的光束的空間濾波也能消除會轉(zhuǎn)換成熱量的高階模。
根據(jù)低溫光纖的純度和熔點，有可能需要另外的方法來確保不產(chǎn)生熱損傷。塑料光纖通常含有雜質(zhì)，會吸收熱量，從而導(dǎo)致熱失控。當(dāng)高溫光纖的數(shù)值孔徑大于低溫光纖的數(shù)值孔徑時，該效應(yīng)更為顯著。例如，在高功率密度時塑料接收光纖的表面內(nèi)附近吸收的光束會使塑料光纖表面產(chǎn)生熔化和熔穴。當(dāng)塑料光纖的NA低于高溫光纖的NA時該效應(yīng)更為明顯。通過將光纖隔離并且設(shè)置散熱器以散發(fā)產(chǎn)生的熱能可以消除該效應(yīng)。實際的間隔取決于功率密度和NA。
例如，對于NA=0．68直徑0．47mm的石英光纖用于將2瓦的可見光(410nm至650nm)傳輸至NA=0．55直徑1mm的聚甲基丙烯酸酯光纖時，為避免對塑料光纖的熱損傷，所需間隔為至少1．7mm。在此間隔下，一些從高溫光纖出射的較高角度光束從塑料光纖的孔徑發(fā)散，從而提供了附加的空間濾波裝置。對于同樣的間隔和直徑1．5mm的塑料光纖，透過的總功率是1mm直徑光纖的兩倍。在這兩種情況下，傳輸至塑料光纖且不產(chǎn)生損傷的光通量比通過直接耦合至光源可能的光通量要大得多。隔離結(jié)構(gòu)降低了入射在光纖表面上的光強(qiáng)密度，并且降低了光纖內(nèi)達(dá)到會產(chǎn)生熱損傷的閾值吸收的概率。過量光產(chǎn)生的熱量需要采用散熱器。
塑料光纖的熔化閾值取決于光纖的組份和雜質(zhì)濃度。吸收從空間濾波器所傳輸光波長的材料會降低可以無損傷耦合的光通量。類似地，如果空間濾波器的NA大于接收塑料光纖的NA，則耦合效率喪失，并且對于與空間濾波器的NA小于接收塑料光纖的NA時相等的間隔，其損傷閾值因而降低。相反地，從0．68NA石英單根光纖耦合高強(qiáng)光至NA=0．86或0．55的1mm硼硅酸鹽光纖束不需要特別的隔離(只有在單根光纖被設(shè)置成使得光束剛好充滿光纖束孔徑時才需要隔離)并且可以經(jīng)受數(shù)小時的2瓦傳輸光功率。該結(jié)果主要是由于硼硅酸鹽比塑料具有較高的熔點。對于單根硼硅酸鹽光纖(1mm直徑)可以預(yù)計有類似的結(jié)果。必須注意避免對接收光纖表面的污染，因為污染物質(zhì)的吸收很可能導(dǎo)致熱損傷和失控。
圖2a-2c表示上面結(jié)合圖1所述本發(fā)明的各種替代具體實施例。圖2a表示第一實施例，其中空間濾波器與低熔點光纖的連接在密接連接器1之內(nèi)，從而采用的高溫光纖對使用者來說不可見。
圖4中畫出了一例這種密接連接器。連接器1由套管3、夾套5和保護(hù)套7構(gòu)成，其中保護(hù)套7用于在光纖84沒有連接至導(dǎo)套9時保護(hù)光纖84的輸入端4。散熱器66的形式為光纖支承管。連接器1的進(jìn)一步細(xì)節(jié)公開在美國專利No．5，452，392中，此處不再重復(fù)。
圖2b表示第二實施例，其中低溫光纖80固定在一個可以插入連接器1的分離連接器86上。在此實施例中，密接連接器1重復(fù)使用，而低溫光纖80可以一次性使用。
圖2c表示第三個可能實施例，其中高溫光纖84伸出密接連接器1之外，并且通過一外部連接器88耦合至低溫光纖80。
在所有三個實施例中，當(dāng)?shù)腿埸c光纖由塑料制成時，光纖至光纖的連接在連接處需要一個隔離結(jié)構(gòu)和散熱裝置。對于高溫光纖例如硼硅酸鹽光纖，隔離條件不是太嚴(yán)格。
圖5表示本發(fā)明的另一個替代實施例，提高了能夠無損傷透過塑料光纖的光通量。盡管高NA石英光纖基本能夠比低NA光纖從弧光燈光源耦合更多的光，但是當(dāng)接收低熔點光纖的NA小于石英光纖的NA時所產(chǎn)生的空間濾波效果不是最佳的。通過匹配空間濾波光纖的NA使其小于或等于光接收塑料光纖的NA，或者通過在高M(jìn)A石英光纖與接收塑料光纖之間設(shè)置其NA等于或小于塑料光纖NA的第二光纖作為空間濾波器，可以改善這種情況。這種結(jié)構(gòu)可以比沒有該空間濾波器而直接耦合時將多于至少50％的光耦合進(jìn)入塑料接收光纖。
實際中，通過濾波來成功地消除由于光纖中色點吸收所導(dǎo)致的塑料光纖熔化存在有限制?？傊?，其上限取決于低熔點光纖的吸收率、其純度，以及光纖交界面處有無污染物質(zhì)存在。傳輸至塑料光纖的光強(qiáng)的最大化取決于空間濾波器出射光的功率密度，機(jī)械散熱器的特性，以及光纖之間的隔離程度。一般地說，當(dāng)功率密度超過400mW／mm2時需要隔離結(jié)構(gòu)并且連接器必須能夠用作散熱器。
在圖5中，低NA空間濾波光纖84a用于將來自高溫高NA光纖90的光束耦合至低溫低NA光纖80中。該系統(tǒng)的各NA的最佳關(guān)系為NA光纖90＞NA光纖84a≤NA光纖80。由光纖90輸出的高NA光能不能被低NA空間濾波器傳輸，而是在其長度范圍內(nèi)散射。這種散射產(chǎn)生的熱量將由散熱器66從光纖84a中輸送走。只有低NA傳導(dǎo)模才能由光纖84a輸出并被耦合至低溫光纖80中。這樣，可以保持光纖80的低溫操作。能夠耦合至低熔點塑料光纖的光通量與現(xiàn)有技術(shù)相比要大3至5倍。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，光纖是直徑從0．1mm至1．0mm的單芯光纖。但是本發(fā)明的原理同樣適用于光纖束。
下面參照圖6A和6B說明本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例。根據(jù)該優(yōu)選實施例，空間濾波器84b由單根光纖熔合組成的束構(gòu)成。圖6A和6B中同樣的數(shù)標(biāo)表示前述同樣的元件。
采用熔合光纖束作為空間濾波器，如圖6A中作為一個示例所示，使得在將高強(qiáng)光耦合進(jìn)入接收單根光纖或光纖束時可以獲得更強(qiáng)的控制和精度，從而使得輸出光強(qiáng)分布形成為所需的空間光強(qiáng)分布。
雖然采用單根光纖作為空間濾波器去除了光束中不能透過接收光纖的非傳導(dǎo)模，但是這種單根光纖空間濾波器擾亂了入射圖象的分布，并且在該單根光纖的出射平面近場產(chǎn)生光束的特征光強(qiáng)分布和角分布。假定單根光纖的長度近似大于其直徑的30倍，則出射平面近場(非?？拷饫w輸出端的區(qū)域，例如距離直徑1．0mm光纖的輸出端大約0-0．2mm)的光束的特征在于其平面光強(qiáng)分布以及在每一點(由光纖的數(shù)值孔徑(NA)決定)處相同的角分布。在遠(yuǎn)場，出射光束具有高斯強(qiáng)度分布，并且其角分布由光纖的NA決定。如果在空間濾波器與接收光纖之間不存在間隙，則射入接收光纖的光束將呈現(xiàn)近場分布的特征。隨著空間濾波器與接收光纖之間間隙的增加，射入接收光纖的光束的光強(qiáng)分布從近場變?yōu)檫h(yuǎn)場。
熔合光纖束由直徑一般在100微米以下的光纖構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明，熔合光纖束84b由光纖“直徑”(或象素尺寸)在20微米至60微米的光纖841構(gòu)成，如圖6B所示。單個光纖象素形狀一般為六角形，以便使封裝密度最大并且使傳輸損耗最小。熔合光纖束在近似等于象素直徑10倍的長度范圍內(nèi)對光束的非傳導(dǎo)模進(jìn)行空間濾波。其結(jié)果是，由熔合光纖束構(gòu)成的空間濾波器為散射光束非傳導(dǎo)模所需的長度顯著低于整體直徑與該熔合光纖束相同的單根光纖濾波器所需的長度。
不同于單根光纖空間濾波器，其中來自光束非傳導(dǎo)模的能量彌散至光纖之外而傳導(dǎo)模包含在光纖本身的多模結(jié)構(gòu)之內(nèi)，透過熔合光纖束的光束由于熔合在一起的各根光纖之間的較薄包層而發(fā)生光纖之間光束的“串?dāng)_”或交叉耦合。其結(jié)果是，熔合光纖束空間濾波器出射平面的近場圖象不同于單根光纖空間濾波器的近場圖象。單根光纖空間濾波器輸入面的圖象在出射表面被擾亂；相反地，如果入射光的NA小于或等于熔合光纖束的NA，則熔合光纖束空間濾波器輸入面的圖象基本無改變地傳輸至輸出面。如果入射光的NA等于或大于熔合光纖束的NA，則根據(jù)入射光的NA和熔合光纖束材料的NA，串?dāng)_耦合現(xiàn)象引起入射在光纖束輸入面各象素上的光束沿空間擴(kuò)展，如圖7A所示，從而改變了圖象的光強(qiáng)分布。圖7B表示熔合光纖束輸入面與輸出面之間光強(qiáng)分布值的比較圖。
當(dāng)熔合光纖束空間濾波器的長度小于其直徑的10倍時，該“光強(qiáng)擴(kuò)展”效應(yīng)最為顯著。對于更長的熔合光纖束，空間濾波可濾除高NA光束，但是將保持在熔合光纖束輸入面處入射光圖象的光強(qiáng)分布不變。不同于其中近場圖象是均勻的(擾亂的)并且遠(yuǎn)場圖象具有高斯分布的單根光纖空間濾波器，在熔合光纖束空間濾波器的輸出中，其入射光的圖象分布對于近場以及遠(yuǎn)場都得以保持不變。如果輸入光的NA大于熔合光纖束的NA，則由于在熔合光纖束長度上非傳導(dǎo)模散射或者通過包層的“漏光”而發(fā)生光損耗。如果入射光的NA與熔合光纖束的NA相等，則可以采用空間濾波器將高度會聚光束傳輸至焦點之外，使得其輸出光強(qiáng)類似于輸入光強(qiáng)。
例如，通過采用熔合光纖束空間濾波器以及如美國專利US4，757，431、US 5，414，600和US 5，430，634中所述的離軸結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)光源例如氙弧光燈或者例如美國專利US 5，509，095中所述的其它會聚幾何光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以使熔合光纖束空間濾波器將圖象傳輸至一般為最強(qiáng)會聚光點的焦點之外。通過選擇熔合光纖束的長度、直徑和NA以使所傳輸?shù)呐c接收單根光纖、光纖束或其他對象輸入特性相匹配的光強(qiáng)最大，可以使制成的照明系統(tǒng)保持光源的整體光強(qiáng)分布，并且減去不能由接收對象傳輸否則會轉(zhuǎn)化成熱量的光束。這使得可以采用很低熔點的材料與高強(qiáng)光源工作，極大地降低了熱損傷的風(fēng)險。
對于外徑小于各個象素直徑30倍的較短熔合光纖束，其光強(qiáng)分布由于熔合光纖的交叉耦合而擴(kuò)展，導(dǎo)致其空間分布的改變以及與軸上光通量相比其軸外相對光通量的增加。換句話說，在出射平面處熔合光纖束中心的相對光強(qiáng)與光纖束邊緣附近的光強(qiáng)相比有所減小。輸出光束的擴(kuò)展程度是入射光NA的函數(shù)，并且在入射光的NA大于或等于熔合光纖束的NA時達(dá)到最大。對于更長的熔合光纖束，比熔合光纖束所傳導(dǎo)的角度更大的高角度光束被損耗，從而整體光強(qiáng)正比下降。
因此可以看出，采用熔合光纖束作為空間濾波器使得可以將光束傳輸至高光強(qiáng)點之外而不擾亂入射圖象的分布，從而解決了面積不匹配、角度不匹配，以及高強(qiáng)光源與依賴于光強(qiáng)和角度的對象例如光纖之間的熱量處理等問題。
當(dāng)與聚集并且成象或近似成象高強(qiáng)光的系統(tǒng)例如前述離軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)合使用時，熔合光纖束空間濾波器可以選擇具有適當(dāng)?shù)闹睆胶蚇A組合以與對象或接收光纖相匹配。例如，構(gòu)造成具有離軸環(huán)形結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生近似1∶1圖象的1mm弧光的弧光燈，考慮到所有光學(xué)象差和象散，可以產(chǎn)生為整體光強(qiáng)的大約75％的1mm圖象。由硼硅酸鹽或其它軟玻璃制成的并且在圖象位置具有至少0．55(優(yōu)選為0．57)的NA的直徑0．8mm的熔合光纖束被優(yōu)化，以便將來自圖象點的最大光強(qiáng)傳輸至0．55NA的聚合物包層石英光纖中。熔合光纖束因而對來自光源的較高NA非傳導(dǎo)模光束進(jìn)行空間濾波，并且最大限度提高了熔合光纖束輸出面處的亮度，從而可以有效地耦合至聚合物光纖而不損傷包層材料。替代地，可以采用NA=0．57的直徑1．5mm的熔合光纖束將來自光源的光束傳輸至直徑0．5mm聚合物光纖密集封裝的接收光纖束，盡管來自各光纖的光強(qiáng)不同，除非光源的弧光間隙大于1．5mm。通過選擇氙弧光燈、水銀弧光燈、金屬鹵化物弧光燈以及類似弧光燈的弧光間隙尺寸與作為空間濾波器的熔合光纖束的直徑的組合，可以根據(jù)弧光尺寸和熔合光纖束的直徑使輸出光強(qiáng)大體上均勻。這種關(guān)系還取決于光收集和會聚系統(tǒng)是接近于1∶1成象系統(tǒng)還是放大或縮微結(jié)構(gòu)。
因為熔合光纖束一般由軟玻璃例如硼硅酸鹽制成，所以能夠吸收相當(dāng)多的400nm以下和700以上的光。為了防止對熔合光纖束的損傷，必須對輸入光束進(jìn)行濾波以去除這些波長。根據(jù)本發(fā)明通過將介電涂層施加在用于將光束射向熔合光纖束的光學(xué)系統(tǒng)的反射器或透鏡上或者將介電涂層直接施加在熔合光纖束的輸入面上，可以實現(xiàn)此目的。圖7顯示了一個例子，其中介電涂層72施加在反射器70上。
因此可以采用根據(jù)此替代實施例的本發(fā)明將可見波長的光束耦合至由從石英至軟玻璃至塑料例如PMMA或聚碳酸酯等各種材料制成的光纖對象中。盡管每種材料都具有不同的最大光傳輸能力，超過該能力將發(fā)生材料退化和／或損傷，但是采用熔合光纖束空間濾波器，通過將光強(qiáng)分布從中心擴(kuò)展至熔合光纖束的外圍，也即從軸上擴(kuò)展至軸外，從而降低一般位于中心處的峰值光強(qiáng)，可以獲得最大的光傳輸。根據(jù)對象材料適當(dāng)選擇空間濾波器參數(shù)可以改善光纖對象的性能、最大限度減少其退化，并且延長其使用壽命。對于這種優(yōu)化，不發(fā)生材料退化或光束惡化而工作1小時的品質(zhì)因素可靠地表明其具有長期的滿意性能。例如，我們發(fā)現(xiàn)，如果PMMA光纖能夠經(jīng)受1小時的高強(qiáng)光傳輸(例如≥1瓦)而沒有損傷，則其可以承受至少70小時的連續(xù)傳輸，或者可以無限期地進(jìn)行8小時或8小時以下的循環(huán)傳輸。
本發(fā)明因此已經(jīng)加以說明，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯然可以通過多種方式進(jìn)行變化和改動而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)當(dāng)理解，任何這種改變都包含在所附權(quán)利要求的范圍之中。
權(quán)利要求
1．一種用于將高強(qiáng)光耦合進(jìn)入接收對象的設(shè)備，其中該高強(qiáng)光的光強(qiáng)分布由一個圖象分布所限定，包括一個空間濾波器，具有用于接收所述高強(qiáng)光的輸入端，所述高強(qiáng)光的非傳導(dǎo)模在所述空間濾波器的長度范圍內(nèi)被散射，其中入射在所述輸入端的最大光強(qiáng)的圖象分布以展寬的空間光強(qiáng)分布被傳輸至所述空間濾波器的輸出端；用于在將所述高強(qiáng)光傳輸至所述空間濾波器之前從其中濾除約400nm以下和約700nm以上光波長的裝置；一個散熱器，與所述空間濾波器密接，用于吸收所述空間濾波器產(chǎn)生的熱量并將該熱量從所述空間濾波器中傳送走；和一個接收光纖對象，用于在其輸入端基本只接收來自所述空間濾波器的光的傳導(dǎo)模，并且將所述光的傳導(dǎo)模在其輸出端輸出。
2．如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中所述空間濾波器包括熔合光纖束。
3．如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述熔合光纖束由多個單根光纖構(gòu)成，各單根光纖的直徑小于100微米。
4．如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，所述熔合光纖束由多個單根光纖構(gòu)成，且所述空間濾波器的長度至少為所述單根光纖直徑的30倍。
5．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述空間濾波器接收來自非相干高強(qiáng)光源的所述高強(qiáng)光。
6．如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中所述空間濾波器的數(shù)值孔徑(NA)至少等于入射在所述空間濾波器的所述輸入端上的光的最大角。
7．如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述高強(qiáng)光源包括一個選自成象、非成象、放大和縮微結(jié)構(gòu)的聚光光學(xué)結(jié)構(gòu)。
8．如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述高強(qiáng)光源是一個具有弧光間隙的弧光燈。
9．如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述弧光燈選自氙弧光燈、水銀弧光燈、水銀一氙弧光燈，和金屬鹵化物弧光燈。
10．如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述空間濾波器包括熔合光纖束，并且所述弧光燈的弧光間隙在長度上至少等于所述熔合光纖束的最大截面尺寸。
11．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述空間濾波器的數(shù)值孔徑(NA)至少等于所述接收光纖的NA。
12．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述接收光纖是單根光纖，由選自塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、軟玻璃、硼硅酸鹽和石英的材料制成。
13．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述接收光纖是多根光纖，由選自塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、軟玻璃、硼硅酸鹽和石英的材料制成。
14．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述空間濾波器的外徑與所述接收光纖的外徑相匹配。
15．一種用于將高強(qiáng)光耦合進(jìn)入接收對象的方法，其中該高強(qiáng)光的光強(qiáng)分布由一個圖象分布所限定，包括如下步驟接收入射高強(qiáng)光進(jìn)入空間濾波器，散射所接收光強(qiáng)光束的非傳導(dǎo)模，其中最大入射光強(qiáng)的圖象分布以展寬的空間光強(qiáng)分布傳輸；在傳輸之前從所述高強(qiáng)光中濾除約400nm以下和約700nm以上的波長；提供一個散熱器與所述空間濾波器密接，用于吸收所述空間濾波器產(chǎn)生的熱量并將該熱量從所述空間濾波器中傳送走；以及提供一個接收光纖對象，用于在其輸入端基本只接收來自所述空間濾波器光束的傳導(dǎo)模，且將所述光束的傳導(dǎo)模在其輸出端輸出。
全文摘要
一種用于將高強(qiáng)光(82)耦合至低熔點光纖(80)的方法和設(shè)備,在高強(qiáng)光源(33)與低熔點低NA光纖(80)之間采用高溫低NA光纖作為空間濾波器(84)。在一個替代實施例中,該空間濾波器(84B)由熔合光纖束構(gòu)成。光源(33)可以是高光強(qiáng)弧光燈,或者可以是用于從遠(yuǎn)處光源傳輸光束的高NA高熔點光纖。
文檔編號G02B6/26GK1291272SQ99802998
公開日2001年4月11日 申請日期1999年1月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月18日
發(fā)明者欽?！む? 肯尼斯·K·李, 道格拉斯·M·布倫納 申請人:考金特光學(xué)技術(shù)公司