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      聚焦光纖的制作方法

      文檔序號:2798573閱讀:423來源:國知局
      專利名稱:聚焦光纖的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種光纖波導(dǎo),并尤其涉及一種適用于將直角入射的光束導(dǎo)向光纖光軸的光纖波導(dǎo)。
      背景技術(shù)
      及概述光纖波導(dǎo)是典型直徑在0.1~0.01mm量級的極小直徑的玻璃或合成塑料材質(zhì)的纖維。典型的光纖波導(dǎo)包括一個玻璃芯和一個護層或包層,包層的折射率小于芯的折射率。芯的折射率可以恒定,或者可以根據(jù)預(yù)定的公式徑向變化,由此建立折射率漸變光纖。由于構(gòu)成芯和包層的材料在折射率方面的差異,進入光纖一端的光在芯內(nèi)沿光纖軸傳輸。通過采用特定類型的高度透明的玻璃,可以將光從光纖的一端以極小的衰減或消散傳輸?shù)搅硪欢?。不用說,對光束行為上的限制防止了光纖波導(dǎo)在一些應(yīng)用中的使用,值得注意的是在極短的距離上光束必須以相對于光纖光軸鈍角入射來導(dǎo)向的任何應(yīng)用。在這種情況下,緊緊地彎曲光纖是一種不恰當(dāng)?shù)姆绞?,主要在于光纖變得疲勞并將斷裂,或是光束將由于在尖彎處輻射而損失。在此情況下,已有提議利用反射鏡和高拋光光學(xué)元件以所需的角度反射光束。這樣做時可以用凸、凹或平的光學(xué)元件來設(shè)計裝置以用于反射入射光。雖然提出的這些方案實現(xiàn)了一些指定的目標(biāo),但這樣也增加了成本,并且總的效率也不高,限制了這種光學(xué)裝置的批量生產(chǎn)。因此,本發(fā)明包括這樣一種光纖波導(dǎo),其由圍繞纖芯的包層組成,纖芯指引并導(dǎo)向光束。包層限定一個第一邊界和一個聚焦端,光纖波導(dǎo)的聚焦端限定一個反射面。表面法線矢量從反射面伸出以確定該表面相對于光軸的位置。聚焦端以這樣一種角度拋光,即在該角度上表面法線不與光軸重合,其中光軸由光束穿過光纖波導(dǎo)的路徑定義。角度θ不必大于0°和小于90°。在具體的實施例中,角度θ處于36°~55°之間,對于特定的應(yīng)用,該角度可以近似為43°~49°。本發(fā)明還包括一個在其聚焦端耦合到光纖波導(dǎo)包層的外表面上的聚焦透鏡。聚焦透鏡可以是一個球透鏡,通過粘結(jié)材料、最好是折射率匹配的材料連結(jié)到包層的外部。通過這樣,在從聚焦端反射時,光束經(jīng)折射率匹配的粘結(jié)材料和連結(jié)的聚焦透鏡傳輸?shù)降诙吔纾撨吔缡蔷劢雇哥R的外表面。因為聚焦透鏡是球形的,所以第二邊界對于光束表現(xiàn)為球面鏡。因此光束會聚成一個圓斑,直徑在5-9μm的量級上。
      附圖簡述

      圖1是根據(jù)本發(fā)明的光纖聚焦系統(tǒng)的示意圖;圖2是根據(jù)本發(fā)明的光纖波導(dǎo)的截面圖;圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于聚焦用途的光纖截面圖;圖4是表示由本發(fā)明的光纖聚焦的光束光斑大小的曲線。
      優(yōu)選實施例的詳細描述本發(fā)明總的涉及光束在有關(guān)結(jié)構(gòu)上的聚焦和導(dǎo)向。并且本發(fā)明尤其適于經(jīng)光纖引導(dǎo)激光并把從光纖以直角出射的光聚焦到光軸上。下面進一步討論本發(fā)明的細節(jié)。本發(fā)明的光纖聚焦系統(tǒng)10如圖1所示。光纖聚焦系統(tǒng)10總體上由光纖波導(dǎo)2、光源22、聚焦光學(xué)元件14和有關(guān)的結(jié)構(gòu)18組成。光源22產(chǎn)生光束20,該光束經(jīng)光纖波導(dǎo)12引導(dǎo)至其聚焦端11。一旦到達聚焦端11,光束20即經(jīng)受內(nèi)全反射并通過光學(xué)元件14,由此輻射有關(guān)結(jié)構(gòu)18。更詳細的本發(fā)明光纖波導(dǎo)12如圖2所示。光纖波導(dǎo)12由包圍并指導(dǎo)光束20的包層24組成。包層24限定一個第一邊界28和一個聚焦端11。光束20在點26處入射到聚焦端11上。光纖波導(dǎo)12的聚焦端11限定一個反射面,該面定義表面法向矢25。聚焦端11以這樣的角度拋光,即在該角度時表面法線25不與光軸重合,而光軸由光束20經(jīng)過光纖波導(dǎo)12的路徑限定。角度θ不必大于0°和小于90°。在優(yōu)選實施例中,角度θ處于36°~55°之間,對于具體的應(yīng)用,該角度可以近似在43°~49°之間。當(dāng)光束20入射到聚焦端11時,一定量的光束20根據(jù)麥克韋爾方程被傳輸、吸收和反射。但已知在一定的邊界條件下發(fā)生內(nèi)全反射(TIR)。該條件表達為斯涅爾定律,即(1)n1sin(θ1)=n2sin(θ2)此處n1為介質(zhì)I的折射率,θ1分別為入射角、反射角或透射角。在本應(yīng)用中,n1sin(θ1)是單位,因為空氣的折射率為1,也就是sin(θ1)。因此方程1可以寫成(2)θ2=sin-1(n1/n2)典型光纖的折射率n2約為1.46,因而內(nèi)全反射的臨界角θ2近似為43°。如果光束20以43°或更大的角度入射到聚焦端11上,則光束20將被全反射。如圖2中的截面圖所示,光束20以角度θ入射到聚焦端11上。之后,光束20以近似直角反射到其原始軸。光束20自然發(fā)散,直到其到達第一邊界28,在該邊界處其路徑又按照麥克韋爾方程改變。光纖波導(dǎo)12本身是柱形。因而第一邊界28對光束20表現(xiàn)為柱透鏡。這樣光束發(fā)散成橢圓斑30,在Y軸上的尺寸大于在X軸上的尺寸。為了抵消光束20的迅速及不理想的發(fā)散,將光纖波導(dǎo)12耦合到聚焦透鏡14,如圖3所示。之后,光束20近似以直角反射到光軸,然后再自然發(fā)散,直到到達第一邊界28。但光束不是按照麥克韋爾方程改變其光路,而是經(jīng)粘結(jié)材料16和聚焦透鏡14傳輸?shù)降诙吔?9。聚焦透鏡14本身是球形,因而第二邊界29對于光束20表現(xiàn)為球狀透鏡。這樣,光束會聚成一個圓斑32,其在Y軸上的尺寸等于在X軸上的尺寸。為了避免在第一邊界28處的內(nèi)反射,粘結(jié)材料16和聚焦透鏡14每個的折射率必須與包層24的折射率匹配。換言之,優(yōu)選粘結(jié)材料16和聚焦透鏡14的折射率處于1.30~1.70之間,最好在較窄的范圍1.45~1.50之內(nèi)。如果滿足前面的條件,則就沒有光束20的內(nèi)全反射或折射。為了確保最佳性能和光學(xué)質(zhì)量,折射率匹配的結(jié)合劑是優(yōu)選的粘結(jié)材料16。同樣,聚焦光學(xué)元件14優(yōu)選折射率與包層14一致的球形透鏡。盡管圖3中示出了光纖波導(dǎo)12的改進設(shè)計,但光束20的傳輸卻不是很好。形成圓斑32的光束20不是入射光的100%。菲涅兒方程表明入射光的大約4%將在空氣/玻璃界面處反射,與光傳播的方向無關(guān)。就損失響應(yīng)率而言,響應(yīng)率4%的下降也不是影響巨大的。但如果光束20的4%返回到其原始路徑、即光軸,則將對網(wǎng)絡(luò)造成交擾,降低整個系統(tǒng)的性能。在大部分應(yīng)用中,可以反射到光軸上的光量必須保持在原始光束20的1/1000或0.1%以下。此指標(biāo)是針對光返回?fù)p失(ORL),典型地是以分貝(dB)為單位規(guī)定,是強度損耗的對數(shù)值。例如,1000分之一個單位是指30dBORL。在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中,傳播到光纖側(cè)壁并返回到纖芯的典型光束可造成高達9dB的ORL。這意味著比最佳性能所能承受的大約多100倍的光重新進入纖芯。解決ORL問題的一種嘗試方案是用光纖玻璃表面的抗反射涂層來消除4%的反射。在夾緊和加工過程中對每一根光纖實施這一方案十分昂貴。利用折射率匹配的聚焦透鏡14和粘結(jié)材料16,能夠使光沒有阻礙地傳播經(jīng)過包層24和聚焦透鏡14,第二邊界29只以前述的4%反射光束20。不僅是第二玻璃界面29遠離光軸,而且更重要的是,聚焦透鏡14的大曲率表面反射光束離開光軸。因此,利用優(yōu)選的球狀透鏡14的光的ORL在原始光束中通常超過40dB或1/10,000。圖3中所示的光纖波導(dǎo)12的性能提高以關(guān)于圓斑32直徑得到證實。圖4是在圓斑32的直徑方向上測得的表示光電探測器的平移(μm)和探測器的隨后響應(yīng)率之間關(guān)系的曲線。此特定的數(shù)據(jù)代表的是耦合到45°拋光的光纖波導(dǎo)的34μm直徑的球狀透鏡。探測器本身較大,但探測器的邊緣非常尖銳。這意味著當(dāng)激光定位在探測器的邊緣之上時由激光形成的圓斑恰好遇上探測器。如圖所示,當(dāng)此斑從5μm移到10μm時,相應(yīng)地發(fā)生10%~90%的升高。這提示著聚焦激光斑(FWHM)為5μm的量級,或者至少處于3~15μm的范圍。還注意到響應(yīng)曲線的平坦段處于1.0A/W。折射此類探測器的理論限度,表示實際上在光學(xué)組件中沒有光損失。如上所述,本發(fā)明包括光纖聚焦系統(tǒng)、光纖波導(dǎo)及其制造方法。特別是光纖波導(dǎo)尤其適用于指導(dǎo)以垂直于光軸的角度入射的光束。不用說,對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,上述實施例僅僅是本發(fā)明很多可能實施例中的幾個。在不脫離本發(fā)明由權(quán)利要求限定的范圍的前提下,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以很容易地進行多種改型。
      權(quán)利要求
      1.一種光纖聚焦系統(tǒng),具有為照明有關(guān)結(jié)構(gòu)提供光束的光源,光纖聚焦系統(tǒng)包括光纖波導(dǎo),限定一光軸并具有接收端和聚焦端,聚焦端限定一具有表面法線的反射面;和耦合到聚焦端的聚焦透鏡;其特征在于表面法線以相對于光軸一角度取向,使得光束從聚焦端反射到聚焦光學(xué)元件,并且之后光束聚焦到所述的有關(guān)結(jié)構(gòu)上。
      2.如權(quán)利要求1所述的光纖聚焦系統(tǒng),其特征在于聚焦透鏡是一種通過粘結(jié)材料耦合到光纖波導(dǎo)遠端的球狀透鏡。
      3.如權(quán)利要求2所述的光纖聚焦系統(tǒng),其特征在于球狀透鏡和粘結(jié)材料具有與光纖波導(dǎo)相同的折射率。
      4.如權(quán)利要求1所述的光纖聚焦系統(tǒng),其特征在于光纖波導(dǎo)的折射率處于1.3~1.7之間。
      5.如權(quán)利要求1所述的光纖聚焦系統(tǒng),其特征在于光纖波導(dǎo)的折射率處于1.45~1.50之間。
      6.如權(quán)利要求1所述的光纖聚焦系統(tǒng),其特征在于表面法線相對于光軸的角度處于36°~55°之間。
      7.如權(quán)利要求1所述的光纖聚焦系統(tǒng),其特征在于表面法線相對于光軸的角度處于43°~49°之間。
      8.一種用于聚焦用途的光纖,包括光纖波導(dǎo),限定一光軸并具有接收端和聚焦端,聚焦端限定一具有表面法線的反射面;和通過粘結(jié)材料在聚焦端耦合到光纖波導(dǎo)的聚焦透鏡,;其特征在于表面法線取向為使得沿光軸傳播的光束反射到聚焦透鏡。
      9.如權(quán)利要求8所述的光纖,其特征在于聚焦透鏡是一種球狀透鏡,粘結(jié)材料是一種結(jié)合劑。
      10.如權(quán)利要求9所述的光纖,其特征在于球狀透鏡和結(jié)合劑具有與光纖波導(dǎo)相同的折射率。
      11.如權(quán)利要求8所述的光纖,其特征在于光纖波導(dǎo)的折射率處于1.3~1.7之間。
      12.如權(quán)利要求8所述的光纖,其特征在于光纖波導(dǎo)的折射率處于1.45~1.50之間。
      13.如權(quán)利要求8所述的光纖,其特征在于表面法線相對于光軸的角度處于36°~55°之間。
      14.如權(quán)利要求8所述的光纖,其特征在于表面法線相對于光軸的角度處于43°~49°之間。
      15.如權(quán)利要求8所述的光纖,其特征在于由聚焦透鏡聚焦的光束具有圓形橫截面。
      16.如權(quán)利要求8所述的光纖,其特征在于由聚焦透鏡聚焦的光束具有直徑處于3~15μm之間的光斑。
      17.如權(quán)利要求8所述的光纖,其特征在于由聚焦透鏡聚焦的光束具有直徑處于5~9μm之間的光斑。
      18.一種制作用于聚焦應(yīng)用的光纖的方法,該方法包括步驟提供一光纖波導(dǎo),限定一光軸并具有接收端和聚焦端,聚焦端限定一具有表面法線的反射面;和提供一聚焦透鏡,該透鏡具有與光纖波導(dǎo)相同的折射率;拋光光纖波導(dǎo)的聚焦端,使得表面法線相對于光軸限定一角度;利用折射率匹配的光學(xué)結(jié)合劑將聚焦透鏡在聚焦端耦合到光纖波導(dǎo)。
      19.如權(quán)利要求18所述的方法,還包括對光纖波導(dǎo)照明的步驟,使得沿光軸傳播的光束在表面法線處反射。
      20.如權(quán)利要求18所述的方法,還包括沿光軸指導(dǎo)可見光束的步驟,使得光束在表面法線處反射,并且用一靶固定反射光束的位置。
      21.如權(quán)利要求18所述的方法,還包括對齊聚焦透鏡與固定靶的步驟,使得響應(yīng)于聚焦透鏡與光纖波導(dǎo)的連結(jié),可見光束由聚焦透鏡聚焦。
      22.如權(quán)利要求18所述的方法,其特征在于拋光聚焦端,使得表面法線相對于光軸限定一角度,該角度處于42°~52°之間。
      23.如權(quán)利要求18所述的方法,其特征在于光纖波導(dǎo)的折射率處于1.4~1.5之間。
      24.如權(quán)利要求18所述的方法,還包括提供光束的步驟,并且還將光束聚焦為直徑在5~9μm的光斑。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一適用于將光束以鈍角聚焦到光軸上的光纖波導(dǎo)。以一角度拋光光纖的聚焦端,使得表面法線不與光軸重合,而該光軸由光束通過光纖波導(dǎo)的路徑限定。角度θ必須大于0°小于90°。本發(fā)明還包括一個在聚焦端耦合到光纖波導(dǎo)外部的聚焦透鏡。聚焦透鏡可以是球狀透鏡,其通過一種粘結(jié)材料連結(jié)到包層的外部。
      文檔編號G02B6/26GK1703639SQ02825106
      公開日2005年11月30日 申請日期2002年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月15日
      發(fā)明者史蒂文·L·威廉姆森 申請人:派克米瑞斯公司
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