專利名稱：光纖擴散器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明是一種光纖裝置，它可以產(chǎn)生大致均勻散射的光，尤其是對兩種光纖擴散器進行了改進，使其可在生物環(huán)境中使用，還介紹了制造這種裝置的方法。
近年來，“熒光”療法(PDT)在治療癌癥、腫瘤以及人類甚至動物的其他疾病方面得到了廣泛應用。美國第4889129號專利就專門討論了這種熒光療法以及進行治療所用的設備。熒光療法主要使用三種光學設備向治療部位進行光傳導。光纖微鏡就是其中之一，它可將一束擴散光傳導到可接觸到的細胞表面。管形光纖擴散器(也叫“線狀光源”)是另外一種裝置，它依照光纖的中軸使光成管形擴散，可用于支氣管和食管等管形部位。第三種裝置是球形光纖擴散器(也叫“光球”)，可產(chǎn)生球形的散射光。球形擴散器常用于治療球狀的空腔，如膀胱或腫瘤切除手術造成的空腔。
美國的小詹姆斯·S·麥高恩1987年4月28日公開的第4442950號專利介紹了一種管形光纖擴散器以及制造的方法。這種管形擴散器是一個一頭露出芯子的光纖，芯子表面和旁邊的外層表面涂有導光層，一根一頭開口的管子固定在導光層上。這種擴散器的制造過程主要是這樣的，先將光纖一頭的外部包層除去，露出一段纖芯，在纖芯和旁邊的外層表面涂上導光層，將帶有導光層的纖芯和外層緊緊插入管內(nèi)，在導光層和管子之間的縫隙中再注滿導光體，最后將其中的空氣排光。
美國的小詹姆斯·S·麥高恩1987年9月15日公開的4693556號專利介紹了一種球形光纖擴散器及其制造方法。主要制造過程如下，先除去光纖一頭的外部包層，再將露出的纖芯拋光，再在纖芯和旁邊的外層上反復涂導光層，直到形成一個導光的球體。
在進行熒光治療時，對光纖擴散器的基本要求是，在含有腫瘤的細胞內(nèi)，光的分布要盡可能均勻，機械性能必須可靠。如果光纖擴散器在插入或治療時折斷，光的分布就會不足。而且，還有可能會出現(xiàn)折斷的一段光纖造成延誤治療的現(xiàn)象，如果氧氣聚集多了還有著火的危險，因為光纖折斷處氧氣密度增加。此外，光纖擴散器的剛性也是熒光療法的一個重要指標。這是因為光纖在內(nèi)窺鏡和腫瘤中穿行時是受插入方向來控制，而不是受細胞或腫瘤的不規(guī)則的機械特性的控制。光纖擴散器功率損耗要小，而功率控制能力要強。
普通裝置由于結構上和制造上缺陷頗多，因此無法滿足這些要求。
本發(fā)明對現(xiàn)有的光纖擴散器及其制造方法作了很大改進，包括現(xiàn)有的管形和球形光纖擴散器。
本發(fā)明的目的是提供一種能發(fā)生均勻散射光的光纖擴散器，它還具有良好的機械性能。
這種具有良好光學性能和機械性能的擴散器可以在生物環(huán)境中使用。
該擴散器的制造方法比一般方法要簡單。
該擴散器可以是管形的，它依照光纖的中軸均勻地擴散，具有良好的機械性能和制造方法。
這種管形擴散器功率損耗小，可以達到至少630nm光連續(xù)600mw/cm無損耗，還具有良好的機械強度和剛性，使光纖可以順利通過內(nèi)窺鏡沿直線進入腫瘤。
該擴散器也可以是球形的，可產(chǎn)生球形的均勻的光，具有良好的機械性能和制造方法。
這種球狀擴散器功率損耗小，可達到連續(xù)功率程度至少630nm光3瓦無損耗，還具有良好的物理特性，可承受冷凍消毒，并順利通過細胞鏡。
本發(fā)明還提供了一種經(jīng)過改進的散射光源，可用于光纖擴散器，并具有良好的光學特性。
本發(fā)明是熒光治療法中使用的一種經(jīng)過改進的光纖擴散器。這種擴散器可以是管形的，光纖的一頭剝?nèi)グ鼘勇冻隼w芯，纖芯表面涂一層薄薄的導光層，光纖頭上套一個無色的小帽，它固定在光纖的包層上，但不接觸導光層。在最佳實施例中，小帽帶有與光纖中軸成一定角度的中心。小帽最好通過螺紋固定在光纖包層上，作為防水密封帽。如果是短頭擴散器，可簡單把裸露的短頭磨成拋光平面，不涂導光層。
擴散器也可以是球形的，光纖的一頭剝?nèi)グ鼘勇冻隼w芯，光纖頭上套一個小套管，固定在光纖的包層上，光纖頭上以及套管的一部分涂一層導光體，呈球形。在制造過程中，可以用硅膠模子達到導光體一次成型，不必一遍一遍地涂。本發(fā)明還介紹了一種可減少功率損耗、提高光纖擴散器功率轉換能力的導光體。


圖1是本發(fā)明所介紹的一種管形光纖擴散器的剖視圖。
圖2A、2B、2C是本發(fā)明所介紹的三個實施例，其中包括管形光纖擴散器上使用的最佳錐形小帽的剖視圖。
圖3是本發(fā)明所介紹的另一個實施例，它是管形光纖擴散器上使用的另一種小帽的剖視圖。
圖4是本發(fā)明所介紹的最佳實施例之一，是球形光纖擴散器的剖視圖。
圖5是光纖套管組件的剖視圖以及套管和光纖包層的最佳連接方法。
圖6是制造硅膠模子的多空腔金屬模具的剖視圖。
圖7是制造本發(fā)明所介紹的球形光纖擴散器的導光球的最佳過程。
圖1是一個管形光纖擴散器20，它包括一個縱向的光纖10，光纖的頭部露出纖芯15，纖芯上涂了一層光體16，纖芯上套了一個小帽18，小帽固定在靠近纖芯15的光纖10的包層上，但不接觸導光體16。按照光纖10的中軸24，管形擴散器20向外發(fā)出大致均勻的光。
光纖10是一種石英光纖，其石英直接為400微米。纖芯14裹著的包層由內(nèi)層13和外層12組成。纖芯14外面先裹一層10-20微米厚的透明聚物層13，外面再包一層起保護作用的“特氟澤爾”外層12，整個光纖的外徑約為860微米。雖然外層12的外徑可以有所變化，但860微米是有效的，因為用000-120的標準尺寸(即鐘表匠的尺寸)做螺紋最為理想。光纖10的長度約為2米。
光纖10的一頭有一個SMA連接器(圖上未視)，與一根長10米、纖芯粗100微米的連接光纖連接，該連接光纖與一激光器發(fā)出的光匹配，例如5mv的氦氖激光器。
光纖10另一頭的外層用剝皮器剝掉、內(nèi)層則用微型汽油噴燈或其他方法除去，露出纖芯15。裸露的纖芯15的長度最好是0.5到2.5厘米，但在有的情況可能需要更長些。
然后在裸露的纖芯頭15上涂一層導光體16，導光體的成分有如“諾蘭德61”或“艾潑泰克301”樹脂那樣的光學膠水，象粉狀合成蘭寶石(氧化鋁)那樣的粉狀擴散體，金剛砂或氧化鋯粉。這些導光體的折射指數(shù)可達1.7到2.2范圍內(nèi)630nm光。也可使用其他一些導光體，但光學膠水必須盡可能與石英折射指數(shù)(約1.3)吻合，以消除在石英和膠水結合部的內(nèi)部反射。導光體的折射指數(shù)必須有別與膠水的指數(shù)。為了制造低損耗的擴散器，所使用的材料必須要保證在所應用的光源的波長范圍內(nèi)盡可能少吸收光，膠水和粉狀導光材料必須是透明的。
裸露的纖芯頭15上最好涂一層薄薄的導光層16，可按下列程序進行。首先在纖芯頭15上涂上薄薄一層光學透明膠水，然后用一把小刷子往涂了膠水的纖芯頭上涂導光體，涂導光體要根據(jù)氦氖激光發(fā)出的通過光纖傳導的光來進行。在涂的過程中，光纖與一張白紙保持平行，(離表面大約1毫米)。假如紙位于光纖和操作人的眼睛之間，從閃亮的小紅點的大小和形狀上就可看出光是否均勻。達到目的之后，用紫外線將“諾蘭德＃61”這樣的膠水凝固，或是用環(huán)氧樹脂凝固。
使用一個一頭封閉19的管形無色透明小帽18就可滿足機械方面的要求。小帽18的內(nèi)孔尺寸大小涂了導光體的纖芯的直徑，這樣就不會碰到纖芯，也便于固定在纖芯頭15旁邊的光纖10包層上。小帽18可用“列克森”聚碳酸酯制造。在圖1所示的實施例中，小帽18與光纖10的包層采用螺紋連接。首先按照000-120絲錐的直徑(＃70鉆頭)對1.8毫米外徑的“列克森”管進行鉆孔。鉆頭進入封閉頭19內(nèi)1～2毫米。然后攻出3毫米的螺紋(000～120)?！傲锌松惫艿你@孔長度至少要比裸露的纖芯長3毫米。然后將做好的小帽18螺紋固定在光纖10的包層上。包層上的螺紋可以事先用金屬模具滾攻而成，或者在連接時直接用小帽18攻出螺紋。連接前要在小帽18的螺紋上涂一點環(huán)氧樹脂，可以起到水密墊的作用，還可使連接更加牢固。如果連接正確的話，小帽18就不會觸到導光層16，中間有空隙22，這樣，擴散器的光學特性就不會受小帽18的影響，小帽則保護擴散器在使用中不受機械應力的損傷。這種設計易于制造，同時又可防止因纖芯導光層不平造成的光線不均勻，而在現(xiàn)有的設計中則有可能出現(xiàn)這種毛病。
圖2是小帽18的另一個實施例。小帽18的頭部呈尖錐狀19。錐形頭19的角度R可在30到90度范圍內(nèi)，這種尖頭便于通過內(nèi)窺鏡進入腫瘤。
在100多次一個周期的試驗當中，這種管形光纖擴散器從未出過毛病，還反復經(jīng)受了冷凍消毒和蒸汽消毒試驗。
關于不到1厘米的較短的光纖擴散器，例如圖3所示的本發(fā)明的一種，其制造方法是，先把光纖10剝開，把裸露的光纖頭15拋光磨成方的平頭，然后將小帽18與光纖包層12螺紋連接。小帽18的擴散器把光纖10經(jīng)過拋光的纖芯發(fā)出的光擴散開來。采用這一工藝時，要小心將光纖剝開，只是頭上剝開很短一段包層，一般不到1毫米。
參看圖4，圖4是本發(fā)明介紹的一種球形光纖擴散器30。該擴散器30包括一根一頭裸露15的光纖10，一個無色的小套管35，開頭的一端環(huán)繞著光纖頭15，固定在光纖10的包層11上，一個球形導光體包住小套管35的一部分和光纖頭15。
光纖10還包括一根由包層11保護的纖芯14，而包層又由內(nèi)層和外層構成(圖上未視)。光纖10有一個剝?nèi)グ鼘拥睦w頭15，即裸露的纖芯。
小套管35吸收光的程度必須是在有關波長范圍內(nèi)最低的。小套管35可用“列克森”聚碳酸酯制造。在實施例中，小套管35與光纖10的包層11螺紋連接。就象本發(fā)明介紹的管形擴散器的螺紋制造工藝那樣，在小套管35上攻出000-120螺紋。但有一個區(qū)別，即小套管35兩端不封口，在制造過程中，光纖頭要擦拭干凈并拋光磨成方的平頭，然后象圖5所示，與透明的聚碳酸酯小套管35的螺紋連接。圖5還顯示了不同尺寸的光纖小套管組件34。
導光球38由透明的光學膠水和粉末狀的導光材料構成。就象本發(fā)明介紹的管形擴散器那樣，最好的材料是在有關波長范圍內(nèi)吸光程度最低的材料。環(huán)氧樹脂可作為光膠。其折射指數(shù)必須與石英的指數(shù)吻合，以盡量減少二者混合后的反射損耗。環(huán)氧樹脂可以是各種透明無色的材料，如“艾潑泰克301”、蘭寶石粉末、金剛砂或氧化鋯粉等低損耗導光材料都很理想。
環(huán)氧樹脂的具體成分取決于好幾種因素，如擴散器的所有直徑、導光體的折射指數(shù)和尺寸等。然而，只有使用盡可能少的導光材料，同時使光均勻地擴散，才能盡管減少損耗，達到最大限度的功率轉換能力。從重量結構上看，導光體占5～20%比較理想，蘭寶石粉占7%最佳。
根據(jù)本發(fā)明，導光球可以造得既好價錢又低，主要是采用模具技術，用一個可反復使用的硅膠模子，制造環(huán)氧樹脂導光球。模具可以是多空腔的，一次可做出幾個球形擴散器。如圖6所示，制造有許多相同空腔的硅膠模具，可使用一個模腔41，里面盛著溶化的硅膠44，以及一個金屬固定器(圖上未視)，將一排相同的球狀金屬模具42掛住。用帶孔的1/8英寸的鍍銅滾珠支承并插上1/16英寸的不銹鋼軸就能很容易地造出這種球狀金屬模具42。待硅膠凝固之后，就將金屬模具從有彈性的模具上取下，不會損傷模具。
參看圖7，用一根玻璃管自下而上往硅膠模具45里注準備好的環(huán)氧樹脂溶液38，直到模具裝滿，晃動并擠壓模具45，使里面的空氣和氣泡排出，再用一個固定器將做好的光纖小套管組件34插入模具，使其在一定的溫度下凝固一段時間，比如60℃凝固2小時。在溶液38凝固的過程中，光纖10的頭部在導光球中的位置可以精確地進行控制。這是十分重要的，因為光的輸出是否均勻完全取決于光纖頭部的位置。通過調(diào)整光纖頭部在小套管中的位置就可使光輸出均勻。
此外，擴散器光的分布還同溶液38的預先配制有關。在一個實施例中，先把環(huán)氧樹脂與蘭寶石混合3分鐘，再放1小時，然后再混合1分鐘，最后用真空泵抽氣2分鐘。預先配制的凝固時間可以調(diào)整，以便達到理想的光的分布。
球形光纖擴散器的光的分布和均勻的情況可用一個可調(diào)的測量儀器進行測量。該儀器包括一個5mV氦氖激光器和一個帶數(shù)字式電壓表的鎖定接收機。
盡管本發(fā)明已經(jīng)介紹了一些很好的實施例，但對于專業(yè)人員來說，在不背離本發(fā)明基本原理的前提下，完全可以作許多改進。下面所講的各條權利要求中就涉及了與本發(fā)明的精神和范圍相符的各項改進。
權利要求
1.一種光纖擴散器，它包括一根由纖芯和包層組成的光纖，用于傳導光能，該光纖的一頭剝?nèi)グ鼘?，一個小帽環(huán)繞纖頭，但并不觸到纖頭，小帽固定在纖頭旁邊的包層上。
2.根據(jù)權利要求1的光纖擴散器，其纖芯頭上涂了一層導光體。
3.根據(jù)權利要求1或2的光纖擴散器，其向外發(fā)出大致均勻的光，光依照光纖的中軸成管形擴散。
4.根據(jù)權利要求3的光纖擴散器，其中有一個小帽，其內(nèi)孔直徑大于涂了導光體的纖芯頭的直徑，小帽呈管形，一頭封閉。
5.根據(jù)權利要求4的光纖擴散器，其所述小帽與光纖包層螺紋連接。
6.根據(jù)權利要求5的光纖擴散器，其所述小帽在裝上時，要在螺紋上加一些粘合材料，作為小帽和光纖包層之間的水密材料。
7.一種管形光纖擴散器向外發(fā)出大致均勻的光，光成管形向外擴散，這種可用于生物環(huán)境的擴散器包括一根一頭剝?nèi)グ鼘影l(fā)射光能的光纖、裸露的纖頭上涂了一層薄薄的導光層、一個一頭封閉的小帽，另一頭固定在纖頭旁邊的包層上，但是不觸及涂了導光體的纖頭。
8.根據(jù)權利要求7的光纖擴散器，其所述小帽包括一個與光纖中軸成一定角度的錐形頭。
9.根據(jù)權利要求7或8的光纖擴散器，其所述小帽與纖頭旁邊的包層螺紋連接。
10.根據(jù)權利要求9的光纖擴散器，其所述小帽在裝上時，要在螺紋上加一些粘合材料，作為小帽和包層之間的水密材料，也可起到加固的作用。
11.根據(jù)權利要求7的光纖擴散器，其所述涂的導光體由光學膠水和導光粉末構成。
12.制造這種光纖擴散器的步驟如下剝?nèi)ス饫w一頭一定長度的內(nèi)層和外層，裸露出一段纖芯，將裸露的纖芯拋光磨成清晰的平面;取一段無色透明有一定波長范圍的材料制成一定形狀，其長度大于裸露的纖芯的長度，將材料鉆孔，制成一頭封閉的小帽，再將裸露的纖頭插入小帽，把小帽開口的一頭固定在纖頭旁邊的光纖包層上。
13.根據(jù)權利要求12的這種制造方法，其中還包括一個步驟，即在拋磨過的纖頭上涂一層均勻的導光體，涂了導光體的纖頭的外徑小于小帽的內(nèi)徑。
14.根據(jù)權利要求12或13的這種制造方法，其中還包括一個步驟，即可以把小帽的封閉頭按一定角度拋磨成錐形頭。
15.根據(jù)權利要求12的制造方法，其中所述的固定步驟分以下幾個分步驟(1)在小帽的內(nèi)表面和纖頭旁邊的包層上分別攻出螺紋;(2)在小帽裝上時，往螺紋上加一些粘合材料，既可作為水密材料，又可起到加固的作用。
16.光呈球形擴散的球形光纖擴散器包括一根一頭剝?nèi)グ鼘拥墓饫w一個套管環(huán)繞纖頭，但并不觸及纖頭，固定在纖頭旁邊的包層上;一個球形導光體包住套管的一部分和纖頭。
17.根據(jù)權利要求16的球形光纖擴散器，其所述套管與光纖包層螺紋連接。
18.根據(jù)權利要求16的球形光纖擴散器，其所述導光體由光學粘合材料和導光粉末混合制成。
19.根據(jù)權利要求18的球形光纖擴散器，其所述導光體中導光材料的重量最好占5%到20%。
20.光呈球形發(fā)射的球形光纖擴散器的制造步驟如下剝?nèi)ス饫w一頭一定長度的內(nèi)層和外層，裸露出一段纖芯，將纖芯表面拋磨成清晰平面;準備包括圓形容器和一段細頸容器的硅膠模具，將導光溶液慢慢注入模具，把光纖頭插入注滿導光溶液的模具，在一定溫度下讓導光溶液凝固。
21.根據(jù)權利要求20的制造方法，其中還包括一個步驟，即先把套管固定在光纖包層上，使套管環(huán)繞纖頭，再把套管插入。
22.根據(jù)權利要求20的制造方法，其中還包括幾個準備導光溶液的分步驟(1)將粘合材料與導光粉末混合后攪拌一段時間，(2)把溶液放一段時間，(3)用真空泵將溶液中的氣吸掉。
23.根據(jù)權利要求20或21的制造方法，其中還包括一個步驟，即調(diào)整光纖頭在充滿溶液的模具中的位置，或調(diào)整光纖頭在套管中的位置。
24.光纖擴散器的導光體和涂在光纖頭上的導光層包括光學粘合材料，其折射指數(shù)與纖芯的吻合，還包括折射指數(shù)與粘合材料不一致的導光粉末，粉末導光材料的重量占5-20%。
25.根據(jù)權利要求24的粉末導光材料，它們可從蘭寶石粉末(氧化鋁)、金剛石或氧化鋯粉末中挑選。
26.根據(jù)權利要求24或25的粉末導光材料，其重量最好占5-15%。
27.根據(jù)權利要求26的光學粘合材料，所述材料是環(huán)氧樹脂。
全文摘要
本發(fā)明是熒光療法中使用的經(jīng)過改進的光纖擴散器及制造方法，這種光纖擴散器可以是管形的，使光成管形擴散，光纖的一頭剝?nèi)グ鼘樱懵兜睦w頭上涂一層薄導光體，一頭封閉的小帽套在光纖上，但不觸到導光體，并固定在光纖包層上。這種光纖擴散器也可以是球形的，使光成球形向外輻射，球形擴散器包括一個剝?nèi)グ鼘拥墓饫w頭，一個兩端不封口的小套管環(huán)繞在光纖頭上，并固定在光纖包層上，球形導光體包住小套管的一部分和光纖頭。
文檔編號G02B5/02GK1054669SQ90110159
公開日1991年9月18日 申請日期1990年12月19日 優(yōu)先權日1990年3月7日
發(fā)明者威廉姆·R·帕特 申請人:健康研究公司