專利名稱：三層包覆光纖和具有三層包覆光纖的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三層包覆光纖以及使用三層包覆光纖的裝置，且更具體地涉及具有高數(shù)值孔徑內(nèi)包層的三層包覆光纖，和利用這種三層包覆光纖的內(nèi)窺鏡。
背景技術(shù)：
使用二光子熒光處理的內(nèi)窺鏡、尤其是非直線光學(xué)內(nèi)窺鏡已經(jīng)作為在采樣和/或 對象上進行熒光顯微鏡檢查的最佳非侵入裝置之一出現(xiàn)。非直線光學(xué)內(nèi)窺鏡利用用光纖照射到目標上的源或激勵激光束。激勵激光束與目標之間的相互作用使目標材料由于二光子吸收而發(fā)熒光或發(fā)光，熒光或發(fā)光用光纖收集回到內(nèi)窺鏡進行進一步分析、成像、分光等。與單光子顯微鏡檢查相比，二光子熒光顯微鏡檢查提供固有的光學(xué)斷層特性、更大的穿透深度和靈活的光譜可達性。利用二光子熒光處理的非直線光學(xué)內(nèi)窺鏡的關(guān)鍵部件之一是用在內(nèi)窺鏡中的光纖。盡管標準單模光線可用在內(nèi)窺鏡中以將激勵激光束傳送到所關(guān)注的目標，但這些光纖不適于將由目標發(fā)射的光信號收集回內(nèi)窺鏡進行進一步分析、成像、分光等。這主要是由于標準單模光纖的低數(shù)值孔徑和小芯部尺寸，這限制光纖的收集效率。為了改進非直線光學(xué)內(nèi)窺鏡的收集效率，可使用雙包層光纖。這些光纖通常包括芯部、內(nèi)包層和外包層。內(nèi)窺鏡的激勵光束經(jīng)由光纖芯部被傳送到目標，且從目標發(fā)出的光經(jīng)由光纖的內(nèi)包層被收集回內(nèi)窺鏡。為了具有高收集效率，需要內(nèi)包層的高數(shù)值孔徑。可通過用折射率升高的摻雜劑摻雜內(nèi)包層來增加數(shù)值孔徑。在該情況下，芯部必須用較高摻雜度(Ge或Al)上摻雜以在芯部內(nèi)形成波導(dǎo)。但是，用高濃度摻雜劑摻雜雙包層光纖的光纖芯部(盡管具有上摻雜內(nèi)包層)會增加背景噪聲。在內(nèi)窺鏡應(yīng)用中，理想的是用低噪聲背景收集二光子信號。為了降低背景噪聲，可使用雙包層光纖，該雙包層光纖具有低上摻雜劑含量的芯部、和為純二氧化硅或用折射率降低摻雜劑摻雜的內(nèi)包層以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。但是，內(nèi)包層內(nèi)的較低折射率降低內(nèi)包層的NA，這降低雙包層光纖的收集效率。因此本領(lǐng)域的技術(shù)人員在設(shè)計用于內(nèi)窺鏡應(yīng)用的雙包層光纖時，通常必須強調(diào)良好的收集效率或低背景噪聲。因此，需要設(shè)計芯部內(nèi)具有低摻雜劑含量但在包層內(nèi)具有高數(shù)值孔徑的光纖以增加包層內(nèi)的收集效率。因而，需要替代的光纖和采用該光纖的非直線光學(xué)內(nèi)窺鏡。

發(fā)明內(nèi)容
在某些實施例中，一種三包層光纖，包括芯部、第一內(nèi)包層、第二內(nèi)包層以及外包層，其中，(i)芯部包括半徑A和第一折射率IiciJii)第一內(nèi)包層圍繞芯部并具有至少約0. 12的數(shù)值孔徑和第二折射率II1，使得n^rvGii)第二內(nèi)包層圍繞第一內(nèi)包層，并具有至少約0. 2的數(shù)值孔徑和第二折射率n2，使得n2>ni，其中第二包層相對于外包層的相對折射率百分比(A%)大于1% ;以及(iv)外包層圍繞第二內(nèi)包層并具有第三折射率n3，使得n3〈n2且 I^n1。在某些實施例中，三包層光纖包括芯部、第一內(nèi)包層、第二內(nèi)包層以及外包層，所有包層都由基于二氧化硅的玻璃制成。所述芯部具有小于約5 u m的半徑Ttl和折射率iv且不含任何活性(稀土)摻雜劑。第一內(nèi)包層可圍繞芯部并包括至少約5 y m的徑向厚度、至少約0.12 (且較佳地至少0. 14)的數(shù)值孔徑和折射率Ii1，使得n^n。。芯部相對于內(nèi)包層的相對折射率(A%)可大于約0. 07%，且在某些實施例中大于0. 1%。第二內(nèi)包層可圍繞內(nèi)包層并包括至少約10 的徑向厚度、至少約0.2 (且在某些實施例中>0. 25)的數(shù)值孔徑和折射率n2，使得n2>ni。外包層可圍繞第二內(nèi)包層并包括約IOiim至約50 iim的徑向厚度和折射率n3，使得n3〈n2。內(nèi)包層相對于外包層的相對折射率百分比(A %)大于約I. 5%。
在另一實施例中，非直線光學(xué)內(nèi)窺鏡可包括激光源、三包層光纖、光束掃描單兀、光學(xué)探測器和計算機。三包層光纖包括芯部、第一內(nèi)包層、第二內(nèi)包層以及外包層，所有包層由基于二氧化硅的玻璃制成。芯部具有小于約5 U m的半徑A和折射率IV且不含任何活性稀土摻雜劑。第一內(nèi)包層可圍繞芯部并包括至少約5 的徑向厚度、至少約0. 12的數(shù)值孔徑和折射率Ii1，使得n^n。。芯部相對于內(nèi)包層的相對折射率(A %)可大于約0. 07%,或者甚至大于0. 1%。第二內(nèi)包層可圍繞內(nèi)包層并包括至少約10 的徑向厚度、至少約0.2的數(shù)值孔徑和折射率n2，使得n2>ni。外包層可圍繞第二內(nèi)包層并包括約IOym至約50 pm的徑向厚度和折射率n3，使得n3〈n2。內(nèi)包層相對于外包層的相對折射率百分比(A %)大于約1.5%。光源的輸出可在三包層光纖的第一端光學(xué)耦合到三包層光纖的所述芯部，使得激光源的輸出被引導(dǎo)到三包層光纖的芯部內(nèi)。光學(xué)探測器可在所述三包層光纖的第一端I禹合到三包層光纖的內(nèi)包層，并可操作以將行進穿過內(nèi)包層的光轉(zhuǎn)換成電信號。計算機可電聯(lián)接到光學(xué)探測器并可操作以從由光學(xué)探測器接收的電信號形成圖像。光束掃描單元可光學(xué)耦合到三包層光纖的第二端，并可操作以跨越目標沿兩個維度掃描被引導(dǎo)到三包層光纖的芯部內(nèi)的光源的輸出并將從目標發(fā)出的光收集到三包層光纖的內(nèi)包層內(nèi)。在下面的詳細描述中將闡述本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，它們對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說部分地可從該說明書中變得顯而易見，或可通過如本文(包括下面的詳細描述、權(quán)利要求書以及附圖)所述那樣來實踐本發(fā)明認識到。應(yīng)予理解的是，上面的總體說明和下面的詳細說明都提供了本發(fā)明的實施例，并意在提供概況或框架以便理解如所要求保護的本發(fā)明的性質(zhì)和特征。


附圖中所闡釋的實施例在性質(zhì)上是說明性的，且并非意在限制由權(quán)利要求書所限定的發(fā)明。此外，結(jié)合以下附圖閱讀時會理解本發(fā)明的各具體說明性實施例的以下詳細說明，其中類似的結(jié)構(gòu)用相同的附圖標記來表示，且其中圖IA示意性地示出根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例的光纖的剖視圖；圖IB示意性地示出根據(jù)本文所示和所描述的一個或多個實施例的圖I的光纖的折射率分布；
圖2示意性地示出根據(jù)本文所示和所述的一個或多個實施例的三包層光纖的橫截面，包括外包層內(nèi)孔隙的隨機分布(大小和位置);圖3示意性地示出根據(jù)本文所示和所述的一個或多個實施例的另一三包層光纖的橫截面，包括外包層內(nèi)孔隙的規(guī)則分布(大小和位置)；圖4示出用于測量光纖的數(shù)值孔徑的測試設(shè)備；以及圖5是根據(jù)本文所示和所述的一個或多個實施例的利用光纖的非直線光學(xué)內(nèi)窺鏡裝置的示意圖。在下面的詳細描述中將闡述本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，它們對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說部分地可從該說明書中變得顯而易見，或可通過如本文(包括下面的詳細描述、權(quán)利要求書以及附圖)所述那樣來實踐本發(fā)明認識到。應(yīng)予理解的是，上面的總體說明和下面的詳細說明都提供了本發(fā)明的實施例，并意在提供概況或框架以便理解如所要求保護的本發(fā)明的性質(zhì)和特征。
具體實施例方式本發(fā)明中使用了以下定義和術(shù)語折射率分布是在光纖的選定部分上從光纖的中心線測得的光纖的相對折射率(A%)與半徑之間的關(guān)系；相對折射率百分比或A百分比(A %)定義為
權(quán)利要求
1.一種三包層光纖，包括芯部、第一內(nèi)包層、第二內(nèi)包層以及外包層，其中， 所述芯部包括半徑A和第一折射率Iltl; 所述第一內(nèi)包層圍繞所述芯部并具有至少約0. 12的數(shù)值孔徑和第二折射率Ill，使得ni<n0, 所述第二內(nèi)包層圍繞所述第一內(nèi)包層，并具有至少約0.2的數(shù)值孔徑和第二折射率n2，使得n2>ni，其中所述第二包層相對于外包層的相對折射率百分比(A%)大于1% ;以及 所述外包層圍繞所述第二內(nèi)包層并具有第三折射率n3，使得n3〈n2且n3〈ni。
2.如權(quán)利要求I所述的三包層光纖，其特征在于， 所述芯部包括小于約5 u m的半徑IV且不含任何稀土摻雜劑； 所述第一內(nèi)包層包括至少IOym的徑向厚度，且其中所述芯部相對于所述內(nèi)包層的相對折射率百分比(A %)大于約0. 07% ； 所述第二內(nèi)包層包括至少8 u m的徑向厚度；以及 所述外包層包括至少10 ii m的徑向厚度。
3.如權(quán)利要求2所述的光纖，其特征在于，所述芯部、所述第一內(nèi)包層、所述第二內(nèi)包層和所述外包層由基于二氧化硅的玻璃制成，其中所述光纖在1060nm至1700nm的波長范圍具有小于ldB/km的衰減。
4.如權(quán)利要求2所述的三包層光纖，其特征在于，所述芯部的數(shù)值孔徑NA從約0.08至約 0. 2。
5.如權(quán)利要求2所述的三包層光纖,其特征在于,所述第一內(nèi)包層包括純二氧化娃玻璃或摻雜有F的二氧化硅，且所述外包層共同摻雜有硼和氟。
6.如權(quán)利要求2所述的三包層光纖，其特征在于，所述芯部主要由純二氧化硅芯部制成。
7.如權(quán)利要求2所述的三包層光纖，其特征在于 所述第二內(nèi)包層包括摻雜劑，使得所述第二內(nèi)包層相對于所述外包層的相對折射率百分比(A 90大于約3% ； 所述芯部包括摻雜劑，使得所述芯部相對于所述內(nèi)包層的相對折射率百分比(A%)為至少0. 2% ；以及 所述外包層包括小于約5. 0重量％的氟且小于約10重量％的B2O3形式的硼。
8.如權(quán)利要求1-7所述的三包層光纖，其特征在于，所述第二內(nèi)包層包括從約5.5重量％至約35重量％的GeO2。
9.如權(quán)利要求1-6所述的三包層光纖，其特征在于，所述第二內(nèi)包層包括從約0重量％至約18重量%的TiO2或Al2O30
10.如權(quán)利要求2所述的三包層光纖，其特征在于，所述外包層包括孔隙分布，所述孔隙分布相對于所述內(nèi)包層的折射率n2降低所述外包層的折射率n3。
11.如權(quán)利要求10所述的三包層光纖，其特征在于，所述孔隙直徑小于約500nm，且所述外包層的區(qū)域孔隙面積百分比從約5%至約30%。
12.如權(quán)利要求10所述的三包層光纖，其特征在于，所述孔隙直徑大于約Iy m，且所述外包層的區(qū)域孔隙面積百分比從約80%至約95%。
13.如權(quán)利要求2所述的三包層光纖，其特征在于，對于約800-1600nm的工作波長，所述芯部的色散絕對值小于約120ps/nm/km。
14.如權(quán)利要求2所述的三包層光纖，其特征在于，對于約1310-1550nm的工作波長，所述芯部的色散絕對值小于約18ps/nm/km。
15.—種光學(xué)內(nèi)窺鏡,包括光源、權(quán)利要求I的三包層、光束掃描單兀、光學(xué)探測器和計算機，其中 三包層光纖包括芯部、第一和第二內(nèi)包層以及外包層，其中 所述光源的輸出在所述三包層光纖的第一端光學(xué)耦合到所述三包層光纖的所述芯部，使得所述激光源的輸出被引導(dǎo)到所述三包層光纖的所述芯部內(nèi)； 所述光學(xué)探測器在所述三包層光纖的所述第一端耦合到所述光纖的所述第一和第二內(nèi)包層，并可操作以將行進穿過所述內(nèi)包層的光轉(zhuǎn)換成電信號； 所述計算機電聯(lián)接到所述光學(xué)探測器并可操作以從由所述光學(xué)探測器接收的電信號形成圖像；以及 所述光束掃描單元光學(xué)耦合到所述三包層光纖的第二端，其中所述光束掃描單元可操作以跨越目標沿兩個維度掃描被引導(dǎo)到所述三包層光纖的所述芯部內(nèi)的所述光源的輸出并將從所述目標發(fā)出的光收集到所述光纖的所述第一和第二內(nèi)包層。
16.如權(quán)利要求I所述的三包層光纖，其特征在于，所述第二內(nèi)包層具有比所述第一內(nèi)包層高的折射率。
17.如權(quán)利要求I所述的三包層光纖，其特征在于，所述芯部的有效面積>30y m2且^ 100 Ii m2。
18.如權(quán)利要求I所述的三包層光纖，其特征在于，所述芯部在工作波長下是單模芯部。
19.如權(quán)利要求I所述的三包層光纖，其特征在于，n2^ %。
20.如權(quán)利要求I所述的三包層光纖，其特征在于，n2^ n0且Ii2Sn1。
全文摘要
根據(jù)某些實施例，三包層光纖包括芯部、第一內(nèi)包層、第二內(nèi)包層以及外包層，其中(i)芯部包括半徑r0和第一折射率n0；(ii)第一內(nèi)包層圍繞芯部并具有至少約0.12的數(shù)值孔徑和第二折射率n1，使得n1<n0；(iii)第二內(nèi)包層圍繞第一內(nèi)包層，并具有至少約0.2的數(shù)值孔徑和第二折射率n2，使得n2>n1，其中第二包層相對于外包層的相對折射率百分比(Δ%)大于1%；以及(iv)外包層圍繞第二內(nèi)包層并具有第三折射率n3，使得n3<n2且n3<n1。
文檔編號G02B6/02GK102782540SQ201180010779
公開日2012年11月14日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)明者M-J·李 申請人:康寧股份有限公司