專利名稱：雙包層光纖和具有雙包層光纖的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙包層光纖和利用雙包層光纖的設(shè)備，更具體地，涉及具有高數(shù)值孔 徑的內(nèi)包層的雙包層光纖以及利用這種雙包層光纖的內(nèi)窺鏡。
背景技術(shù)：
內(nèi)窺鏡，特別是利用雙光子熒光過程的非線性內(nèi)窺鏡，已經(jīng)成為在樣品和/或受 試者上執(zhí)行熒光顯微術(shù)的最佳非侵入性裝置。非線性光學(xué)內(nèi)窺鏡利用源或激勵激光束，用 光纖將這種激光束引入到目標(biāo)上。激勵激光束與目標(biāo)的交互作用導(dǎo)致目標(biāo)材料由于雙光子 吸收而發(fā)熒光或發(fā)光，收集這些光使其通過光纖返回內(nèi)窺鏡以便進一步分析、成像、譜測量 等。與單個光子顯微術(shù)相比，雙光子熒光顯微術(shù)提供了固有的光學(xué)切片特性、較大的穿透深 度以及靈活的光譜可達性。利用雙光子熒光過程的非線性光學(xué)內(nèi)窺鏡的關(guān)鍵部件之一是在內(nèi)窺鏡中使用的 光纖。在可以在內(nèi)窺鏡中使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖把激勵激光束傳送到感興趣的目標(biāo)的同時，這 些光纖并不適合于收集光信號，這些光信號是通過目標(biāo)發(fā)射回內(nèi)窺鏡以便進一步分析、圖 像形成、譜測量等的。這主要是由于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的低的數(shù)值孔徑和小的纖芯大小所引起 的，這限制了光纖的收集效率。為了提高非線性光學(xué)內(nèi)窺鏡的收集效率，可以使用雙包層光纖。這種光纖一般包 括纖芯、內(nèi)包層以及外包層。通過光纖纖芯把內(nèi)窺鏡的激勵光束傳送到目標(biāo)，并且收集從目 標(biāo)發(fā)射而經(jīng)由光纖的內(nèi)包層返回到內(nèi)窺鏡的光。然而，由于內(nèi)包層的低的數(shù)值孔徑，大多數(shù) 雙包層光纖的收集效率仍是低的。已經(jīng)開發(fā)了具有較大數(shù)值孔徑的內(nèi)包層的雙包層光纖， 諸如光子晶體雙包層光纖。然而，光子晶體雙包層光纖通常比標(biāo)準(zhǔn)光纖更難以制造，結(jié)果， 非常昂貴。因此，存在對于另外的雙包層光纖和使用雙包層光纖的非線性光學(xué)內(nèi)窺鏡的需 求。
發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，雙包層光纖包括纖芯、內(nèi)包層和外包層，均由硅石基玻璃制成。 纖芯可以具有小于約5微米的半徑、第一折射率ηι，并且不包含任何活性稀土摻雜劑。內(nèi)包 層可以圍繞著纖芯，并且包括至少約25微米的徑向厚度、至少約0. 25的數(shù)值孔徑以及第二 折射率n2，以致n2< Ii1。纖芯相對于內(nèi)包層的相對折射率百分比(Δ%)可以大于約0. 1%. 外包層可以圍繞著內(nèi)包層，并且包括從約10微米到約50微米的徑向厚度和第三折射率η3， 以致η3 < η2。內(nèi)包層相對于外包層的相對折射率百分比(Δ % )可以大于約1. 5%。在另一個實施例中，非線性光學(xué)內(nèi)窺鏡可以包括激光源、雙包層光纖、光束掃描單 元、光學(xué)檢測器以及計算機。雙包層光纖可以包括纖芯、內(nèi)包層和外包層。纖芯可以具有小 于約5微米的半徑、第一折射率ηι，并且不包含任何活性稀土摻雜劑。內(nèi)包層可以圍繞著 纖芯，并且包括至少約25微米的徑向厚度、至少約0. 25的數(shù)值孔徑以及第二折射率η2，以致η2<ηι。纖芯相對于內(nèi)包層的相對折射率百分比(Δ%)可以大于約0.1%。外包層可 以圍繞著內(nèi)包層，并且包括從約10微米到約50微米的徑向厚度和第三折射率η3，以致η3 < η2。內(nèi)包層相對于外包層的相對折射率百分比(Δ % )可以大于約1. 5%?？梢园鸭す?源的輸出光學(xué)地耦合到雙包層光纖第一端處的雙包層光纖的纖芯，以致把激光源的輸出引 導(dǎo)到雙包層光纖的纖芯中?？梢园压鈱W(xué)檢測器耦合到雙包層光纖第一端處的雙包層光纖的 內(nèi)包層，并且可以可操作地使通過內(nèi)包層傳播的光轉(zhuǎn)換成電信號?？梢允褂嬎銠C與光學(xué)檢 測器電耦合，并且可操作而從光學(xué)檢測器接收到的電信號形成圖像。可以使光束掃描單元 光學(xué)耦合到光纖的第二端，并且可操作而以二維方式在目標(biāo)上掃描引導(dǎo)到雙包層光纖的纖 芯的激光源輸出，并且收集從目標(biāo)發(fā)射到雙包層光纖的內(nèi)包層的光。在下述的詳細說明中將闡明本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點，本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員 從該說明能容易地明白一部分，或通過包括下述的詳細說明，權(quán)利要求書以及附圖的、這里 描述的本發(fā)明的實踐而理解。要理解，上述一般說明和下述詳細說明提供了本發(fā)明的實施 例，并且旨在提供概述或框架，以便理解要求權(quán)益的本發(fā)明的性質(zhì)和特征。
附圖中闡明的一些實施例是性質(zhì)的說明，并且不旨在限制由權(quán)利要求書定義的本 發(fā)明。此外，當(dāng)連同下述附圖一起閱讀時，可以理解本發(fā)明的具體示意性實施例的下述說 明，在附圖中，用相同的附圖標(biāo)記來表示相似的結(jié)構(gòu)，其中圖IA描繪根據(jù)這里所示的和所描述的一個或多個實施例的雙包層光纖的橫截面 圖；圖IB描繪根據(jù)這里所示的和所描述的一個或多個實施例的圖IA的雙包層光纖的 折射率分布；圖2描繪根據(jù)這里所示的和所描述的一個或多個實施例的雙包層光纖的橫截面 圖，所述雙包層光纖在外包層中包括隨機分布(大小和位置兩者)的孔隙；圖3描繪根據(jù)這里所示的和所描述的一個或多個實施例的另一個雙包層光纖的 橫截面圖，所述雙包層光纖在外包層中包括規(guī)則分布(大小和位置兩者)的孔隙；圖4示出用于測量光纖的數(shù)值孔徑的測試裝置；圖5是曲線圖，示出作為使用圖4的裝置的光纖的角度取向的函數(shù)的、通過光纖耦 合的光源的歸一化的功率；以及圖6是根據(jù)這里所示的和所描述的一個或多個實施例的、利用雙包層光纖的非線 性光學(xué)內(nèi)窺鏡設(shè)備的示意圖。在下述的詳細說明中將闡明本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點，本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員 從該說明能容易地明白一部分，或通過包括下述的詳細說明，權(quán)利要求書以及附圖的、這里 描述的本發(fā)明的實踐而理解。要理解，上述一般說明和下述詳細說明兩者提供了本發(fā)明的 實施例，并且旨在提供概述或框架，以便理解要求權(quán)益的本發(fā)明的性質(zhì)和特征。
具體實施例方式這里使用下述的定義和術(shù)語折射率分布是在光纖的選中部分上從光纖中心線測量到的相對折射率(Δ % )和光纖半徑之間的關(guān)系；定義相對折射率百分比或Δ百分比(Δ % )為
(nf -Yi2ref)
權(quán)利要求
1.一種包括纖芯、內(nèi)包層和外包層的雙包層光纖，其中纖芯包括小于約5微米的半徑、第一折射率Ii1,并且不包含任何活性稀土摻雜劑；內(nèi)包層圍繞著纖芯，并且包括至少25微米的徑向厚度、至少約0. 25的數(shù)值孔徑以及 第二折射率n2，以致Ii2Cn1，其中纖芯相對于內(nèi)包層的相對折射率百分比(Δ%)大于約 0. 1% ；外包層圍繞著內(nèi)包層，并且包括從約10微米到約50微米的徑向厚度和第三折射率η3， 以致η3 < η2，其中內(nèi)包層相對于外包層的相對折射率百分比(Δ % )大于約1. 5% ；以及纖芯、內(nèi)包層和外包層均由硅石基玻璃制成。
2.如權(quán)利要求1所述的雙包層光纖，其特征在于，所述纖芯的數(shù)值孔徑是從約0.08到 約 0. 2。
3.如權(quán)利要求1或2所述的雙包層光纖，其特征在于，所述內(nèi)包層包括純硅石玻璃，并 且所述纖芯包括從約5. 5重量百分比的GeA到約32. 5重量百分比的Ge02。
4.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述內(nèi)包層包括純硅石玻 璃，并且所述外包層是用硼和氟進行共同摻雜的。
5.如權(quán)利要求4所述的雙包層光纖，其特征在于，所述外包層包括小于約5.0重量百分 比的氟以及形式為化03的小于約10重量百分比的硼。
6.如權(quán)利要求1或2所述的雙包層光纖，其特征在于，所述內(nèi)包層包括摻雜劑，以致內(nèi)包層相對于外包層的相對折射率百分比(△ % )大于 約3% ；所述纖芯包括摻雜劑，以致纖芯相對于內(nèi)包層的相對折射率百分比(△ % )大于約 0. 3% ；以及所述外包層包括小于約5. 0重量百分比的氟以及形式為化03的小于約10重量百分比 的硼。
7.如權(quán)利要求6所述的雙包層光纖，其特征在于，所述內(nèi)包層包括從約5.5重量百分比 到約27重量百分比的Ge02。
8.如權(quán)利要求6所述的雙包層光纖，其特征在于，所述內(nèi)包層包括從約1重量百分比到 約15重量百分比的Al2O3。
9.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述外包層包括孔隙分布， 所述孔隙分布減小相對于內(nèi)包層折射率n2的外包層折射率n3。
10.如權(quán)利要求9所述的雙包層光纖，其特征在于，所述孔隙在整個外包層中是非周期 性地分布的。
11.如權(quán)利要求9所述的雙包層光纖，其特征在于，所述孔隙在整個外包層中是周期性 地分布的。
12.如權(quán)利要求9所述的雙包層光纖，其特征在于，所述孔隙包括不同的橫截面面積。
13.如權(quán)利要求9所述的雙包層光纖，其特征在于，所述孔隙的直徑小于約500納米，并 且所述外包層的區(qū)域孔隙面積百分比是從約10%到約30%。
14.如權(quán)利要求13所述的雙包層光纖，其特征在于，所述孔隙是閉合的，并且包括氮 氣、氪氣或它們的組合。
15.如權(quán)利要求9所述的雙包層光纖，其特征在于，所述孔隙是打開的。
16.如權(quán)利要求15所述的雙包層光纖，其特征在于，所述孔隙的直徑大于約1微米，并 且外包層的區(qū)域孔隙面積百分比是從約80%到約95%。
17.如權(quán)利要求9所述的雙包層光纖，其特征在于，所述內(nèi)包層包括純硅石玻璃，并且 所述纖芯包括從約5. 5重量百分比到約27重量百分比的Ge02。
18.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，對于約1550納米的工作 波長，所述纖芯的色散的絕對值小于約lOps/nm/km。
19.如權(quán)利要求1所述的雙包層光纖，其特征在于，對于約1310納米的工作波長，所述 纖芯的色散的絕對值小于約lOps/nm/km。
20.一種包括激光光源、雙包層光纖、光束掃描單元、光學(xué)檢測器以及計算機的光學(xué)內(nèi) 窺鏡，其中雙包層光纖包括纖芯、內(nèi)包層和外包層，其中所述纖芯包括小于約5微米的半徑、第一折射率Ii1，并且不包含任何活性稀土摻雜劑；所述內(nèi)包層圍繞著纖芯，并且包括至少25微米的徑向厚度、至少約0. 25的數(shù)值孔徑以 及第二折射率n2，以致Ii2Cn1，其中纖芯相對于內(nèi)包層的相對折射率百分比(Δ%)大于約 0. 1% ；外包層圍繞著內(nèi)包層，并且包括從約10微米到約50微米的徑向厚度和第三折射率η3， 以致η3 < η2，其中內(nèi)包層相對于外包層的相對折射率百分比(Δ % )大于約1. 5% ；以及纖芯、內(nèi)包層和外包層均由硅石基玻璃制成；激光光源的輸出在雙包層光纖的第一端處光學(xué)地耦合到雙包層光纖的纖芯，以致把激 光光源的輸出引導(dǎo)到雙包層光纖的纖芯；把光學(xué)檢測器耦合到雙包層光纖的第一端處的光纖的內(nèi)包層，并且可操作地使通過內(nèi) 包層傳播的光轉(zhuǎn)換成電信號；使計算機與光學(xué)檢測器電耦合，并且可操作所述計算機從光學(xué)檢測器接收到的電信號 形成一圖像；以及使光束掃描單元光學(xué)地耦合到光纖的第二端，其中可操作所述光束掃描單元以二維方 式在一目標(biāo)上掃描被引導(dǎo)到雙包層光纖的纖芯中的激光光源的輸出，并且收集從所述目標(biāo) 發(fā)射到雙包層光纖的內(nèi)包層中的光。
21.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述纖芯具有比所述內(nèi)包 層更多的GeO2。
22.如權(quán)利要求22所述的雙包層光纖，其特征在于，所述纖芯具有比所述內(nèi)包層多至 少5重量百分比的GeO2。
23.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述纖芯的有效面積為 (65. 2平方微米。
24.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述內(nèi)包層的外半徑為 (61. 25 微米。
25.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述纖芯在工作波長處是 單模纖芯。
26.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述光纖具有不大于800 納米的截止波長。
27.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述光纖在1060到1700 納米的波長范圍處具有小于ldB/km的衰減。
28.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述纖芯包括GeO2并且內(nèi) 包層不具有GeO2。
29.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述纖芯是沒有任何其它 摻雜劑的純硅石。
30.如上述任一項權(quán)利要求所述的雙包層光纖，其特征在于，所述內(nèi)包層不包括Ge。
全文摘要
雙包層光纖包括纖芯、內(nèi)包層和外包層，均由硅石基玻璃制成。纖芯可以具有小于約5微米的半徑、第一折射率n1，并且不包含任何活性稀土摻雜劑。內(nèi)包層可以圍繞著纖芯，并且包括至少約25微米的徑向厚度、至少約0.25的數(shù)值孔徑以及第二折射率n2，以致n2＜n1。纖芯相對于內(nèi)包層的相對折射率百分比(Δ％)可以大于約0.1％。外包層可以圍繞著內(nèi)包層，并且包括從約10微米到約50微米的徑向厚度和第三折射率n3，以致n3＜n2。內(nèi)包層相對于外包層的相對折射率百分比(Δ％)可以大于約1.5％。
文檔編號G02B6/028GK102132178SQ200980133839
公開日2011年7月20日 申請日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者M-J·李, X·陳, 高周鉉 申請人:康寧股份有限公司