CN102150044B - 生物应用的纳米结构光纤照明系统以及方法 - Google Patents

生物应用的纳米结构光纤照明系统以及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于生物应用的照明系统，其中，该系统使用至少一个纳米结构光纤。较佳地，这种光纤围着一支持结构进行缠绕，以形成一光源光纤部分，其中，受引导的光是从光纤外表面被散射的，以形成一种延伸的光源，该光源发出基本上均匀的辐射。光源光纤部分中形成了弯曲，以增强纳米结构光纤中散射的量。通过抵消沿光源光纤部分的长度方向减少发出的辐射的影响，反向缠绕至少一个光纤可用于增大辐射的均匀性。多个光纤按顺序围着一支持结构进行缠绕，每个光纤耦合到该光源，这些光纤可以被用于形成很长的延伸的光源。该光源光纤部分可以被配置成适合各种生物腔室几何结构。

Description

生物应用的纳米结构光纤照明系统以及方法
技术领域
本发明一般涉及纳米结构光纤，尤其涉及将纳米结构光纤用于生物应用的照明系统和方法。
背景技术
光纤被用于需要将光从光源传递到远程位置的各种应用中。例如，光学远程通信系统依赖于光纤网络，比如在所谓的“光纤到X”(即“FTTX”)系统中将光从中心机构发送到系统终端用户，此处，“X”表示光纤的末端位置(比如“H”表示“家”，“C”表示“路边”等)。
远程通信光纤被设计成在800nm到1675nm的近红外波长范围中工作，在该范围中仅存在因吸收和散射而导致的相对较低程度的衰减。这让输入到光纤一端中的大部分的光从光纤的相反一端出射，同时只有少量的光通过光纤侧面向外出射。
最近，越来越需要与常规光纤相比对弯曲不太敏感的光纤。这是因为越来越多的远程通信系统被部署在要求光纤具有很强的弯曲的配置之中。这种需求导致开发了所谓的“纳米结构”光纤，这种光纤使用了围绕着纤芯区域的非周期性设置的小孔隙的环。这种空气线环用于增大对弯曲的不敏感性，即，光纤可以具有更小的弯曲半径，而不会使在其中穿行的光信号的衰减有很显著的变化。
因为光纤通常被设计成将光从其一端通过很长的距离有效地传递到另一端，所以一般不认为光纤适用于形成一种延长的照明光源，因为很少有光从光纤侧面出射。然而，有许多生物应用(比如细菌生长以及光生物能量与生物质燃料的产生)需要以有效的方式将选择的光量提供给远处的生长区域(比如光生物反应器)。特别是，迫切需要开发出能将光能转换成高价值的基于生物质的燃料的处理工艺，这种燃料是高密度的且能清洁地燃烧，使得这种燃料可以用在内燃机中。生物燃料的大规模生产将越来越需要更有效的反应器和光传递方法。这些需求仅当存在有效的光源将光传递到生物材料时才可能得到满足。
由此，照明系统和方法若能利用光纤有效地将光传递到远程位置且这种光纤也能调适而形成延长的光源，则是很有益的。
发明内容
本发明的第一方面是一种用于生物生长系统的照明系统，该生物生长系统具有一生物腔室，该生物腔室的内部被配置成包含生物材料。该系统包括一光源，该生物材料对该光源所产生的光的波长很敏感。该系统也包括至少一个纳米结构光纤，这种光纤具有中心轴、外表面以及光学地耦合到该光源的末端。该光纤被配置成具有形成于其中的多个弯曲，以便散射受引导的光使其偏离该中心轴并穿透该外表面从而形成具有一段长度的光源光纤部分，在这段长度上该光源光纤部分发出基本上均匀的辐射。
本发明的第二方面是生物生长系统。该系统包括一生物腔室，该生物腔室的内部被配置成包含生物材料。该系统也包括一光源，该生物材料对该光源所产生的光的波长很敏感。该系统还包括至少一个纳米结构光纤，这种光纤具有中心轴、外表面以及光学地耦合到该光源的末端。该光纤被配置成具有形成于其中的多个弯曲，以便散射受引导的光使其偏离该中心轴并穿透该外表面从而形成具有一段长度的光源光纤部分，在这段长度上该光源光纤部分发出基本上均匀的辐射。
本发明的第三方面是一种向生物腔室提供基本上均匀的照明的方法，该生物腔室的内部被配置成支持生物材料。该方法包括：在至少一个纳米结构光纤中形成多个弯曲从而形成所述至少一个光纤的光源光纤部分，这种光纤具有中心轴以及外表面，所述多个弯曲被配置成基本上增大所述至少一个光纤中的瑞利散射。该方法也包括：将所述光源光纤部分设置在生物腔室内部，将光输入到所述至少一个光纤中，使一部分光发生瑞利散射从而偏离中心轴并穿透外表面，由此从所述光源光纤部分中发出基本上均匀的辐射。这种基本上均匀的辐射包括所述生物材料对其很敏感的波长。
本发明的其它特征和优点将在下面的详细描述中得到阐明，并且本领域技术人员从说明书中将很容易看得出或通过按详细描述、权利要求书和附图所描述的那样来实施本发明而认识到这些特征和优点。
应该理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都呈现出本发明的各种实施方式，并且旨在对权利要求书所限定的本发明的本质和特征作概要或框架式的理解。所包括的附图提供了对本发明的进一步理解，并入说明书中且构成其一部分。这些图示出了本发明的各种实施方式，与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。
附图说明
图1是以纳米结构光纤为形式的一段弯曲-不敏感光纤的示例性实施方式的示意性侧视图；
图2是沿方向2-2看到的图1的光纤的示意性横截面图；
图3A是图2所示的示例性多模纳米结构光纤的相对折射率对光纤半径的图，这种光纤包括在纤芯与纳米结构区域之间的内部环形包层区域；
图3B是与图3A相似的图，但对应的是纳米结构区域直接围绕着纤芯的示例性多模纳米结构光纤；
图4是一种生物生长系统的示例性实施方式的示意图，该生物生长系统包括与生物腔室相结合的照明系统；
图5是图4的照明系统中所使用的多模纳米结构光纤的近视图，其中，输入光纤部分(12A)被耦合到另一段纳米结构光纤光学耦合器件；
图6是与图5相似的近视图，示出了一个示例性实施方式，其中，输入光纤部分是由不同类型的光纤形成的(比如非纳米结构光纤)并且光学地耦合到多模纳米结构光纤，从而构成上述光源光纤部分；
图7是典型的远程通信光纤的损耗(dB/km)对波长(nm)的图，示出了与800nm和以上的近红外波长相比在可见光波长范围中损耗非常大；
图8是多模纳米结构光纤中的弯曲的近视图，正如光纤的光源光纤部分中所形成的那样，示出了弯曲半径RB以及由该弯曲所导致的辐射的光；
图9是强度I(归一化的单位)与沿着长度L的光纤12的距离D(米)的函数关系图，示出了辐射的光的量(强度)是如何随沿着光纤的距离而减小的以及反向缠绕该光纤是如何在距离L上产生基本上均匀的辐射的光的；
图10是光纤照明系统的光源光纤部分的示例性实施方式的相对强度对距离D(米)的图，该光纤照明系统包括多模纳米结构光纤的四个反向缠绕的层以产生基本上均匀的辐射的光；
图11A是图4的照明系统的一部分的近视图，示出了包括两个反向缠绕光纤的光纤的光源光纤部分的示例性实施方式；
图11B与图11A相似，示出了相同的光纤被反向缠绕的光纤的光源光纤部分的示例性实施方式；
图11C与图11B相似，示出了具有多次反向缠绕的光纤的光源光纤部分的示例性实施方式，这些缠绕是相对紧密的且在相反方向上成一定的角度；
图11D与图11C相似，并且示出了具有更多反向缠绕的光纤的光源光纤部分的示例性实施方式；
图12示出了图4的照明系统的一部分的示例性实施方式，其中多个光纤排列成一系列环形段以形成延长的光源；
图13示出了照明系统的前部的示例性实施方式，其中，光源和光学耦合系统被配置成将光耦合到多个光纤的各个输入末端中；
图14示出了与以烧瓶为形式的生物腔室相结合而使用的照明系统的示例性实施方式；
图15示出了一个示例性实施方式(从上向下观看)，其中，照明系统的光源光纤部分被配置成用在矩形横截面生物腔室中；
图16示出了一个示例性实施方式(从上向下观看)，其中，照明系统的光源光纤部分被配置成用在矩形横截面生物腔室中；
图17A是生物质(表示为细胞密度)对蓝细菌的接种生长天数的图，所述蓝细菌包括用图4和14的本发明的照明系统照射的测试组以及用相等的光合光子通量(PPF)的荧光灯照射的对照组；
图17B是生物质(表示为细胞密度)对蓝细菌的接种生长天数的图，所述蓝细菌包括用图4和14的本发明的照明系统照射的测试组以及通过具有相同光功率的光纤的尖端照射的对照组；
图18是对于示例性的光纤直径而言的光纤损耗对弯曲直径的图。
本发明的其它特征和优点将在下面的详细描述中得到阐明，并且本领域技术人员从说明书中将很容易看得出或通过按详细描述、权利要求书和附图所描述的那样来实施本发明而认识到这些特征和优点。
具体实施方式
现在，详细参照本发明的较佳实施方式，其示例在附图中被示出。在可能的情况下，附图中所使用的相同或相似的标号指代相同或相似的部分。应该理解，本文所揭示的实施方式仅仅是示例，每个示例包括本发明的某些优点。
在本发明的范围中可以对下列示例做出各种修改和变化，不同示例的多个方面可以按不同的方式进行混合，以实现其它示例。相应地，本发明的真实范围应该是基于本申请的整体来理解的，考虑但不限于本文所揭示的诸多实施方式。
定义
术语“水平”、“垂直”、“前”、“后”等以及笛卡尔坐标的使用都是为了参考附图且更容易进行描述，并不旨在在说明书或权利要求书中严格地限定成绝对的取向和/或方向。
在下文中，使用了与纳米结构光纤有关的如下术语和短语。
“折射率分布”是折射率或相对折射率与波导(光纤)半径之间的关系。
“相对折射率”被定义成
Δ(r)％＝100x[n(r)2-nREF 2)]/2n(r)2，
其中，n(r)是半径r处的折射率，除非另外指明。相对折射率百分比是在850nm处测量的，除非另外指明。
在一个方面中，参考折射率nREF是纤芯/包层界面处的折射率。在另一个方面中，nREF是包层的外部环形部分的平均折射率，这是可以计算的，例如，可以在包层的外部环形部分中进行“N”次折射率测量(nC1，nC2，…nCN)，并通过下式来计算平均折射率：
n C = ( 1 / N ) Σ i = 1 N n Ci .
在本文中，相对折射率由Δ表示，其值是以“％”为单位给出的，除非另有说明。当一个区域的折射率小于参考折射率nREF时，相对折射率百分比是负的并且被称为具有抑制的区域或抑制的折射率，并且最小相对折射率是在相对折射率为最小的负值的那一点处计算的，除非另有说明。当一个区域的折射率大于参考折射率nREF时，相对折射率百分比是正的并且该区域可以被说成升高了或具有正折射率。
本文中的“上掺杂剂”被视为一种能使折射率相对于纯净未掺杂二氧化硅有提升倾向的掺杂剂。本文中的“下掺杂剂”被视为一种能使折射率相对于纯净未掺杂二氧化硅有下降倾向的掺杂剂。当伴有一种或多种不是上掺杂剂的其它掺杂剂时，上掺杂剂可以存在于具有负相对折射率的光纤区域中。同样，一种或多种不是上掺杂剂的其它掺杂剂也可以存在于具有正相对折射率的光纤区域中。当伴有一种或多种不是下掺杂剂的其它掺杂剂时，下掺杂剂可以存在于具有正相对折射率的光纤区域中。
同样，一种或多种不是下掺杂剂的其它掺杂剂也可以存在于具有负相对折射率的光纤区域中。
术语“α-分布”是指相对折射率分布，是用Δ(r)表达的，单位是“％”，其中r是半径，符合下列方程，
Δ(r)＝Δ(ro)(1-[|r-ro|/(r1-ro)]α)，
其中ro是Δ(r)达到最大时的点，r1是Δ(r)％等于零时的点，r介于ri≤r≤rf范围中，其中Δ是上文所定义的那样，ri是α-分布的初始点，rf是α-分布的末点，并且α是本身为实数的指数。
在本文中，术语“抛物线”因此包括大致抛物线形状的折射率分布，这种折射率分布可能从纤芯中的一个或多个点处的2.0的α值稍稍发生变化，术语“抛物线”还包括具有微小变化和/或中心线倾斜的分布。
根据TIA/EIA-455-62-A FOTP-62(IEC-60793-1-47)，围着10mm或20mm直径芯棒缠绕1匝(“1x10mm直径宏观弯曲损耗”或“1x20mm直径宏观弯曲损耗”)，并且使用过充满发射条件来测量因弯曲所导致的衰减的增量，如此就确定了本文所考虑的纳米结构的宏观弯曲性能。根据TIA/EIA-455-204 FOTP-204，用过充满发射，来测量带宽。
弯曲-不敏感光纤
本发明的实施方式的期望的属性是沿着光纤夹具的长度方向实现均匀的照明。因为光纤是柔性的，所以允许使用各种各样的形状。然而，在光纤的弯曲点，最好不要有明亮的光斑(因弯曲损耗升高了而导致的)。在硅石基波导中，当波长从700减小到400nm时，因瑞利散射而导致的固有的衰减从大约2×10-4dB/cm增大到3×10-4dB/cm。在一些实施方式中，工作波长处的1x40mm(绕着40mm直径环路1匝)弯曲损耗小于在该工作波长处该光纤的固有的衰减。在其它较佳实施方式中，工作波长处的1x45mm(绕着45mm直径环路1匝)弯曲损耗小于在该工作波长处该光纤的固有的散射损耗。在其它较佳实施方式中，工作波长处的1x50mm(绕着50mm直径环路1匝)弯曲损耗小于在该工作波长处来自该光纤的固有的散射损耗。该工作波长较佳地小于700nm，小于600nm更佳，例如在400和700nm之间。较佳地，弯曲损耗等于或小于来自笔直的光纤的纤芯的固有的散射损耗。上述固有的散射是因瑞利散射和/或光纤缺陷(比如在纤芯/包层界面处)上的散射损耗而导致的。由此，至少根据光纤的对弯曲不敏感的实施方式，弯曲损耗不超过该光纤的固有的散射。本发明的示例性实施方式利用了弯曲-不敏感光纤或耐弯光纤，比如其形式可以是所谓的“纳米结构”光纤或“有孔的”光纤。本发明的其它实施方式利用了弯曲-不敏感光纤或耐弯光纤，其中包层的全部或一部分是由掺氟的硅石构成的。
图1是以多模纳米结构光纤(下文称之为“光纤”)12为形式的一段弯曲-不敏感光纤的示例性实施方式的示意图，该多模纳米结构光纤12具有中心轴(“中心线”)16。图2是沿图1中的方向2-2看到的纳米结构光纤12的示意性横截面。例如，光纤12可以是任一种类型的纳米结构光纤，比如所谓的“有孔的”光纤或上述康宁纳米结构光纤专利和专利申请中所描述的那些光纤。为了本发明的目的，一种“弯曲-不敏感的”光纤包括纳米结构光纤，其利用了周期性或非周期性的纳米结构或孔隙。在一示例性实施方式中，光纤12包括纤芯区域(“纤芯”)20、内部环形包层区域26、围绕着该内部环形包层区域的环形纳米结构区域30以及围绕着该环形纳米结构区域的外部环形包层区域40(“包层”)。内部包层区域26、纳米结构区域30和外部包层区域40构成了一种“包层结构”50，该“包层结构”50具有外表面52。
任选的层44围绕着外部包层区域40。在一示例性实施方式中，层44是一涂层，该涂层包括低模数主涂层和高模数次涂层。在一些实施方式中，层44包括聚合物涂层，比如基于丙烯酸盐的聚合物。在一些实施方式中，沿着光纤的长度，该涂层具有恒定的直径。
在下文所描述的其它示例性实施方式中，层44被设计成增强从纤芯20穿过包层结构50的“辐射的光”的分布和/或本性。外部包层区域40(或任选的层44)代表了光纤12的“侧面”48，使光纤中穿行的光穿过这些侧面48通过散射方式而出射，正如下文所描述的那样。
保护性的盖子或鞘(未示出)任选地盖住外部包层40。在一示例性实施方式中，纳米结构区域30包括玻璃基质(“玻璃”)31，在该玻璃基质中形成有非周期性设置的孔洞(也被称为“孔隙”或“纳米结构”)32，比如图2中的放大插图所详细示出的示例性孔隙。在另一个示例性实施方式中，孔隙32可以被周期性地设置，比如在光子晶体光纤中，其中，孔隙的直径通常大约在1x10-6m和1x10-5m之间。孔隙32也可以是非周期性或随机设置的。在一个示例性实施方式中，玻璃31是掺氟的，而在另一个示例性实施方式中，该玻璃是未掺杂的纯硅石。“非周期性设置”或“非周期性分布”意味着在截取该光纤(比如图2所示的光纤)的横截面时，孔隙32是在该光纤的一部分上随机或非周期性地分布的。沿光纤长度方向不同的点处所截取的相似的横截面将显示出不同的横截面孔洞图案，即，各种横截面将具有不同的孔洞图案，其中，孔洞的分布和孔洞的大小并不匹配。即，这些孔洞是非周期性的，也就是说，它们在该光纤结构之内不是周期性地设置的。沿着光纤的长度(即平行于纵轴)方向，这些孔洞被拉长(呈细长状)，但对于传输光纤的典型长度而言却并不延伸至整个光纤的整个长度。尽管不希望被理论约束，但是我们相信，这些孔洞延伸了最多几米，在许多情况下，沿着光纤长度方向这种延伸小于1米。
正如下文所讨论的照明系统中所使用的那样，图12可以是通过一些方法实现的，这些方法利用了预制棒固结条件，这些条件有效地使相当多的气体陷在经固结的玻璃坯中，由此在经固结的玻璃光纤预制棒中形成了许多孔隙。并不采取步骤除去这些空隙，反而使用所得到的预制棒来形成其中带有空气线或纳米结构的光纤。
在本文中，当在横穿光纤纵轴的垂直横截面中观看该光纤时，孔洞的直径是其端点被设置在用于限定该孔洞的硅石内表面上的最长线段。美国专利申请11/583,098描述了用于制造这种带孔洞的光纤的方法，该专利申请引用在此作为参考。
在光纤12的一些实施方式中，纤芯20包括掺有锗的硅石，即掺氧化锗的硅石。可以单独或组合地应用除了锗以外的掺杂剂于纤芯中，特别是在光纤的中心线16处或其附近，以获得期望的折射率和密度。在一些实施方式中，从中心线到纤芯的外半径，本文所揭示的光纤的折射率分布是非负的。在一些实施方式中，光纤不包含处于纤芯中的折射率-减小的掺杂剂。
光纤12可以包括氟化包层结构50，但若光纤将要被用作短距离光管，则不需要这种氟化包层结构50。纯硅石纤芯20是光纤12的期望的性质之一，但光纤的较佳属性是它能够在期望的光谱范围中使光散射到光纤之外，生物材料对这种期望的光谱范围很敏感。通过改变光纤中的玻璃的性质，可以使散射所导致的损失的量增大。
在本文所使用的光纤12的一些示例中，纤芯20是梯度折射率纤芯，较佳地，纤芯的折射率分布具有抛物线(或大致抛物线)形状；例如，在一些实施方式中，纤芯20的折射率分布具有α-形状且α值约为2，在1.8和2.3之间较佳，这是在850nm处测得的；在一些实施方式中，纤芯的折射率分布可以具有中心线倾斜，其中，纤芯的最大折射率以及整个光纤的最大折射率位于偏离中心线16一小段距离处，但在其它实施方式中，纤芯的折射率不具有中心线倾斜，并且纤芯的最大折射率以及整个光纤的最大折射率位于该中心线处。
包层结构50的一个或多个部分可以包括，例如，在沉积过程中沉积的包层材料，或者以外套的形式(比如管中棒光纤预制棒中的管子)来提供该包层材料，或者以沉积材料和外套的组合形式来提供该包层材料。
在一示例性实施方式中，光纤12具有硅石基纤芯和包层。在一些实施方式中，包层的外直径2*Rmax约为125μm。较佳地，包层的外直径沿着光纤12的长度方向是恒定的。在一些实施方式中，光纤12的折射率具有径向对称性。较佳地，纤芯20的外直径(2R1)沿着光纤的长度方向是恒定的。
图3A是图2所示的示例性光纤12的相对折射率Δ对光纤半径R的图。纤芯20从中心线向外径向地延伸至纤芯外半径R1，并且具有相对折射率分布Δ1(r)，该Δ1(r)具有最大相对折射率百分比Δ1MAX。在第一方面中，参考折射率nREF是纤芯/包层界面处(即半径R1处)的折射率。内部环形包层区域26具有折射率分布Δ2(r)，该Δ2(r)具有最大相对折射率Δ2MAX和最小相对折射率Δ2MIN，其中，在一些实施方式中，Δ2MAX＝Δ2MIN。纳米结构区域30具有折射率分布Δ3(r)，该Δ3(r)具有最小相对折射率Δ3MIN。外部环形包层区域40具有折射率分布Δ4(r)，该Δ4(r)具有最大相对折射率Δ4MAX和最小相对折射率Δ4MIN，其中，在一些实施方式中，Δ4MAX＝Δ4MIN。此外，Δ1MAX＞Δ2MAX≥Δ2MIN＞Δ3MIN并且Δ1MAX＞Δ4MAX≥Δ4MIN＞Δ3MIN。
在一些实施方式中，内部环形包层区域26具有基本上恒定的折射率分布，正如图3A所示，该折射率分布具有恒定值Δ2(r)。在这些实施方式中的一些中，Δ2(r)＝0％。在一些实施方式中，外部环形包层区域40具有基本上恒定的折射率分布，正如图3A所示，该折射率分布具有恒定值Δ4(r)。在这些实施方式中的一些中，Δ4(r)＝0％。纤芯20具有全部为正的折射率分布，其中Δ1(r)＞0％。在一些实施方式中，内部环形包层区域26具有相对折射率分布Δ2(r)，该Δ2(r)具有小于0.05％的最大绝对大小，并且Δ2MAX＜0.05％且Δ2MIN＞-0.05％，并且纳米结构区域30始于该包层的相对折射率从中心线径向地向外首先达到小于-0.05％的值之处。
在一些实施方式中，外部环形包层区域40具有相对折射率分布Δ4(r)，该Δ4(r)具有小于0.05％的最大绝对大小，并且Δ4MAX＜0.05％且Δ4MIN＞-0.05％，并且纳米结构区域30终止于该包层的相对折射率从发现Δ3MIN的半径处径向地向外首先达到大于-0.05％的值之处。在一些实施方式中，内部环形部分30包括纯硅石。
在一些实施方式中，外部环形部分40包括纯硅石。在一些实施方式中，纳米结构区域30包括含多个孔洞32的纯硅石。较佳地，纳米结构区域30的最小相对折射率或平均有效相对折射率(比如考虑任何孔洞的存在)小于-0.1％。孔洞32可以包含一种或多种气体，比如氩、氮或氧，或者，孔洞可以包含基本上没有气体的真空；不管有没有任何气体，纳米结构区域30中的折射率都因孔洞32的存在而降低。孔洞32可以随机或非周期性地设置在纳米结构区域30中，在其它实施方式中，孔洞被周期性地设置在其中。
在一些实施方式中，多个孔洞32包括多个非周期性设置的孔洞以及多个周期性设置的孔洞。或者，通过对纳米结构区域30进行向下掺杂(比如掺氟)或者对包层和/或纤芯的一个或多个部分进行向上掺杂，也可以提供环形部分50中的下降的折射率，其中，纳米结构区域30是纯硅石或是不像内部环形部分30那样重掺杂的硅石。
在一组实施方式中，光纤12包括梯度折射率(最好是抛物线或大致抛物线形的)玻璃纤芯20和玻璃包层结构50，正如图2所描绘的那样，其中，纤芯20终止于半径R1处，这标志着梯度折射率纤芯或抛物线形状的结束。纤芯20被内部环形包层26围绕着并且两者直接接触，内部环形包层26具有基本上恒定的折射率分布Δ2(r)。内部环形包层26被纳米结构区域30围绕着并且两者直接接触，纳米结构区域30接下来被外部环形包层40围绕着并且两者直接接触，外部环形包层40具有基本上恒定的折射率分布Δ4(r)。
在示例性实施方式中，纤芯20包括掺氧化锗的硅石，内部环形区域26包括纯硅石，外部环形区域40包括纯硅石；在这些实施方式中的一些中，纳米结构区域30包括在纯硅石中的多个孔洞32；在这些实施方式中的另一些中，纳米结构区域30包括在掺氟的硅石中的多个孔洞32。
在内部环形包层26包括纯硅石且纳米结构区域30包括带有多个孔洞32的纯硅石的实施方式中，纳米结构区域始于最里面的孔洞的最里面的半径处。在外部环形包层40包括纯硅石且纳米结构区域30包括带有多个孔洞32的纯硅石的实施方式中，纳米结构区域终止于最外面的孔洞的最外面的半径处。
在一示例性实施方式中，内部环形包层26具有大于0.5微米且小于5微米的径向宽度W2。在一些实施方式中，纳米结构区域30的最小相对折射率Δ3MIN小于-0.2％；在其它实施方式中，Δ3MIN小于-0.3％，在另外一些实施方式中，Δ3MIN小于-0.4％；在其它实施方式中，Δ3MIN小于-0.6％。
较佳地，Δ1MAX小于或等于2.2％，小于或等于1.2％更佳。
光纤12的数值孔径(NA)最好大于将光引入到光纤中的光源(比如下文介绍并讨论的光源150)的NA。
在一些实施方式中，纤芯外直径R1最好不小于24μm且不大于50μm，即，纤芯直径大约在48和100μm之间。在其它实施方式中，R1＞24微米；在另一些实施方式中，R1＞30微米；在另外一些实施方式中，R1＞40微米。
在一些实施方式中，对于环形内部部分26的径向宽度的50％以上，|Δ2(r)|＜0.025％，并且在其它实施方式中，对于区域26的径向宽度的50％以上，|Δ2(r)|＜0.01％。下降的-折射率环形部分30始于该包层的相对折射率从中心线径向地向外首先达到小于-0.05％的值之处。在一些实施方式中，外部环形部分40具有相对折射率分布Δ4(r)，该Δ4(r)具有小于0.05％的最大绝对大小，并且Δ4MAX＜0.05％且Δ4MIN＞-0.05％，并且下降的-折射率环形部分30终止于该包层的相对折射率从发现Δ3MIN的半径处径向地向外首先达到大于-0.05％的值之处。
纳米结构区域30的宽度W3是R3-R2，它的中点R3MID是(R2+R3)/2。在一些实施方式中，W3大于1且小于20μm。在其它实施方式中，W3大于2μm且小于20μm。在其它实施方式中，W3大于2μm且小于12μm。
包层结构40延伸到半径R4，半径R4也是光纤的玻璃部分的最外围。在一些实施方式中，R4＞50μm；在其它实施方式中，R4＞60μm，在一些实施方式中，R4＞70μm。
在一些实施方式中，Δ3MIN小于-0.2％(即比-0.2％负得更厉害)。在其它实施方式中，Δ3MIN小于-0.4％。在其它实施方式中，Δ3MIN小于-0.2％且大于-3.0％。
图3B与图3A相似，示出了一示例性实施方式，其中，R2＝0，使得没有内部包层区域26，从而使纳米结构区域30紧邻着纤芯20。在第二方面中，nREF是外部环形包层40的平均折射率。
图18示出了在530nm处测得的宏观弯曲损耗，其与本发明的四个光纤实施方式的弯曲直径有关。最小弯曲直径被定义成这样一种弯曲直径，在该弯曲直径处，在该直径处一匝的弯曲损耗等于在该工作波长处光纤中的散射损耗。在一些较佳实施方式中，工作波长处的1x40mm弯曲损耗小于在该工作波长处来自光纤的固有的散射损耗。在其它较佳实施方式中，工作波长处的1x45mm弯曲损耗小于在该工作波长处来自光纤的固有的散射损耗。在其它较佳实施方式中，工作波长处的1x50mm弯曲损耗小于在该工作波长处来自光纤的固有的散射损耗。该工作波长较佳地小于700nm，小于600nm更佳，在400和700nm之间尤佳。由此，我们确定光纤的最小弯曲直径，使得该弯曲损耗小于光纤的固有的损耗或可与光纤的固有的损耗相比。
照明系统
图4是一种生物生长系统98的示例性实施方式的示意图，该生物生长系统98包括与生物腔室110相结合的照明系统100。照明系统100使用至少一个上述的光纤12。在一示例性实施方式中，至少一个光纤12(下文中为了方便讨论简称为“光纤12”)被配置成包括任选的第一部分12A，其中光纤里的光学损耗(“损耗”)不多。用光纤部分12A传递光，由此被称为“输入光纤部分”。光纤12也被配置成具有与输入光纤部分光学地耦合着的第二部分12B，在第二部分中因受引导的光被散射到“侧面”48之外(即包层外表面52之外)而导致了损耗。光纤部分12B由此构成了一种长度为L的延长的光源，并且被称为“光源光纤部分”。
在一示例实施方式中，输入光纤部分12A是笔直的，或者具有笔直的段，或者包括轻微的弯曲，这些轻微的弯曲没有引起很显著的散射。在另一个示例性实施方式中，没有输入光纤部分12A，光被直接地输入到光源光纤部分12B中。
在另一个示例性实施方式中，光源光纤部分12B包括缠绕的区段，该缠绕的区段具有至少一个且最好多个弯曲130，这种弯曲诱发很大的瑞利散射量，使得光被散射到侧面48之外。在一示例性实施方式中，至少一个弯曲是“连续的”弯曲，比如与线圈相关联的。在其它示例性实施方式中，这些弯曲是通过一系列分开的环路构成的。
光纤12包括图4所示的输入端12I，就在输入光纤部分12A的末端处。如果没有输入光纤部分12A的话，则输入端12I也可以是在光源光纤部分12B的末端处。
图5是图12的近视图，示出了照明系统100的示例性实施方式，其中，输入光纤部分12A构成了纳米结构光纤的第一段，该第一段光学地耦合到构成光源光纤部分12B的纳米结构光纤的另一段。通过光学耦合器件116来实现这些光纤段之间的耦合。
图6是相似于图5的另一个近视图，示出了照明系统100的示例性实施方式，其中，输入光纤部分12A是由不同类型的光纤(比如非纳米结构光纤)118形成的，光纤118通过光学耦合器件116而光学地耦合到光源光纤部分12B。例如，光学耦合器件可以是一接头(比如熔融的或机械的)或表示图6所示的各个光学连接器116A和116B。
再次参看图4，在一示例性实施方式中，照明系统100包括一支持结构120，光源光纤部分12绕着该支持结构120弯曲从而形成一个或多个弯曲130。在一示例性实施方式中，如图所示，支持结构120是一个棒。在一示例性实施方式中，支持结构120包括多个段。
一示例性支持结构120(比如图4所示的那个结构)包括外表面122以及第一和第二末端124和126。在一示例性实施方式中，支持结构120是中空的以减小重量，在另一个示例性实施方式中，则是由重量轻的惰性材料(比如塑料、TYLON或PVC管子)制成的。中空的支持结构120限定了一内部127。在一示例性实施方式中，对于光源光纤部分12B所传导的光波长，支持结构120是透明的，使得该支持结构基本上不干扰或基本上不减少由光源光纤部分所发射的光的量。在另一个示例性实施方式中，对于光源光纤部分12B所传导的光波长，支持结构120是反射的，使得该支持结构增大由光源光纤部分向外围发射的光的量。
在一示例性实施方式中，支持结构120是柔性的，并且可以是弯曲的，使得光源光纤部分12B可以形成多个不同的形状(比如弯曲的、圆形的、螺旋的等)。许多支持结构元件也可以如下文所描述的那样组合起来，以形成范围很广的不同的支持结构几何形状，比如栅格形、十字形、方形、矩形等。支持结构120最好被配置成适于与所使用的生物腔室110的特定配置一起使用。
在一示例性实施方式中，光源光纤部分12B是通过将光纤12缠绕在支持结构表面122上而形成的。然而，在其它示例性实施方式中，并未使用支持结构120，或者支持结构120不是最终的照明系统100的一部分。而是，首先形成弯曲130(比如用支持结构120)，然后，光纤12被处理使得弯曲130得以保持。例如，弯曲130可以是这样形成的：使光源光纤部分12B绕着支持结构120弯曲；然后，使用粘合剂或环氧树脂将这些弯曲130固定到恰当的位置；然后，除去该支持结构。在另一个示例性实施方式中，光纤12是围着一中空的透明的支持结构120的内部而缠绕的，以形成光源光纤部分12B。
继续参照图4，照明系统100还包括光源150，光源150光学地耦合到光纤12的输入端12I。光源150发出光152。来自光源150的光152包括至少一个波长，待照明的生物材料对该波长很敏感。
在一示例性实施方式中，光学耦合是利用光学耦合系统160来实现的，比如，光学耦合系统160可以包括一个或多个光学元件162，这些光学元件排列在光源150和光纤输入端12I之间。在一示例性实施方式中，光源150包括激光器、一个或多个发光二极管、灯泡或者是太阳，在这种情况下，光学耦合系统160包括一个或多个太阳能收集元件(比如一个或多个镜子)作为光学元件162。
继续参照图4，生物腔室110包括一个或多个侧壁170，这些侧壁限定了一内部172。在一示例性实施方式中，内部172包含光敏生物材料180，比如藻类(比如藻类群体、藻类水面增殖)或细菌(比如蓝细菌)。在一示例性实施方式中，生物材料180可以悬于一支持介质184(比如水)中。光源光纤部分12B的至少一部分被设置在腔室内部172中，以照亮腔室内部及包含在其中的生物材料180。在一示例性实施方式中，通过开口190，光纤12被馈送至腔室内部172，在一示例性实施方式中开口190被配置成可密封的，以防止生物材料180和/或支持介质184不期望地从腔室110中出来。
在照明系统100的操作过程中，光源150被激活，使得它产生了光152。光152通过光学耦合系统160而耦合到在输入端12I处的光纤12中。如上所述，光152包括生物材料180对其很敏感的波长，在特定的示例性实施方式中，该波长是用于使该生物材料生长的波长。
在一示例实施方式中，来自光源150的光152包括光脉冲，这些光脉冲是以一种方式产生从而通过避免光抑制来改善某些类型的生物材料180中的细胞生长效率。
光152向下行进至输入光纤部分12A，并且基本上被包含在该输入光纤部分12A中，使得大部分的输入光被发送到光源光纤部分12B。在光源光纤部分12B中，光被散射从而偏离中心轴16并从外表面52出射，在该光源光纤部分的长度方向上产生了基本上均匀的照明，即，该光源光纤部分用作一延长的光源，该光源以发出的辐射152’为形式提供了基本上均匀的照明。在一示例实施方式中，在光源光纤部分12B中，占主导的光散射机制是瑞利散射。在一示例实施方式中，发出的辐射152’的一部分是来自弯曲损耗，正如下文所描述的那样。
形成基本上均匀的辐射
尽管光纤12在远程通信应用预期的近红外波长范围中具有相对较低的因散射导致的衰减，但是在生物材料180对其最敏感的较短的可见光波长处因散射导致的衰减是大得多的。
图7是典型的远程通信光纤的单位为dB/km的衰减(损耗)对波长(nm)的图，示出了与800nm及以上的近红外波长相比在可见光波长范围中损耗非常大。
值得注意的是，即使在较短的可见光波长处，光纤12仍然基本上保持对弯曲不敏感，使得不会因弯曲130引起的弯曲损耗而导致“热斑点”出现。在一示例实施方式中，“弯曲不敏感”表现为在可见光波长处呈均匀的损耗，相反，光纤12在这些波长处具有很小的弯曲损耗。由此，在一些情况中，发出的辐射152’中的一部分是来自于弯曲损耗的，而发出的辐射中的另一部分(比如其余的部分)则是因散射损耗而导致的。此处，重要的一点是，弯曲损耗尽管并非必然是很小的，但仍然保持基本上均匀。这种均匀的弯曲损耗减少了“热斑点”的产生，若光纤是弯曲-敏感的则会出现“热斑点”，这导致光纤中与弯曲有关的损耗在发出的辐射152’中产生了相当大的非均匀性。
也参照图8，光源光纤部分12B中的弯曲130具有弯曲半径RB，使得光152的散射得到很大的增强，并且在可见光波长处的量级约为10到20dB/km。由此，当光152到达光源光纤部分12B和弯曲130时，散射使一部分光沿着光纤的长度被散射到光纤的外部成为辐射的光152’。辐射的光152’的一部分接下来被生物材料180吸收，由此增强了生物材料的生长速率。
如上所述，在一示例实施方式中，光纤12的纳米结构区域30具有孔洞32，其直径的量级是200nm到500nm。在形成光纤12时，在固结和拉伸处理过程中，可以控制孔洞32的直径。孔洞32的上述尺寸可以与光生物合成的期望的波长范围相比，使得因弯曲而引起的瑞利散射将有效地辐射出光152’。
图9是强度I与沿长度LF的光纤12的距离D(米)的函数关系图。该图示出了对于每一段长度LF辐射的光152’的量(强度)是如何随着沿光纤的距离而减小的。图9表明了每一次穿越光纤的一段长度LF，强度I就线性地下降5％。
然而，注意到，通过让光纤12在其自身之上往回循环(即“反向缠绕”该光纤)6次(由此形成6个光纤层或“绕组”)，形成了长度L的光源光纤部分12B。现在，光152有效地6次穿过同一段(折叠的)长度L，同时发出辐射的光152’。
例如，考虑到光纤12具有两次反向缠绕的情况，使得2次穿越光纤中的一段长度L。对于每一次穿越，总的强度是两个强度曲线之和。在输入端(D＝0)处，强度之和是100+90＝190。在相反一端D＝L处，强度之和是95+95＝190。在D＝L/2的中间处，强度之和是92.5+97.5＝190。由此，反向缠绕光纤12补偿了每一次穿越时沿光纤长度方向所产生的辐射的光152’的减小的量，并且从光源光纤部分12B产生了一种相对均匀的(即强度基本上恒定的)延伸的照明光源。
图10是长度L的光源光纤部分12B的示例实施方式的相对强度I对距离D的图，该光源光纤部分12B中包括总共4个反向缠绕的光纤12的层，沿着该光源光纤部分的长度产生了基本上均匀的辐射的光152’。注意到，在长度L＝250米之上，发出的辐射152’的强度I下降了不到0.5％。
因为光纤12即使在可见光波带中也是对弯曲不敏感的，所以形成相对较强的弯曲以增强散射将不会因弯曲损耗而干扰沿该长度的辐射的均匀性。
为了从照明系统100B中产生均匀的延长的照明，该系统的多个示例实施方式包括通过在相反方向上进行反向缠绕12而形成高损耗部分12B。根据弯曲130的衰减和尺寸，可以确定所需要的光纤长度。
在一示例实施方式中，光源光纤部分12B发出辐射的光152’，沿着该光源光纤部分的长度方向，光152’的强度变化最好不大于+/-10％，不大于+/-5％更佳，不大于+/-2.5％尤佳，不大于+/-1％最佳。
图11A是照明系统100的光源光纤部分12的近视图，示出了一示例实施方式，它包括围着支持结构120缠绕的两个反向-缠绕光纤12(标识为12-1和12-2)。这一实施方式通过对抗沿每一光纤12的长度的辐射光的减小的量的效应，而使辐射的光152’均匀化。在其它示例实施方式中，多个光纤12按多种配置(比如图11A所示的配置)围着支持结构进行缠绕，以使辐射的光152’均匀化。
图11B相似于图11A，不同之处在于，同一光纤12是在+X和-X方向上反向-缠绕的。光纤12可以被反向缠绕许多次，具体的次数则主要由光纤的总长度和生物腔室内部172的大小来限定。通过补偿沿光纤长度L的辐射的光量的减少(比如图10所示的那样)，反向-缠绕光纤12用于使辐射的光152’均匀化。
图11C相似于图11B，示出了光纤12的光源光纤部分12B的示例实施方式，显示出多个反向-绕组，其中，这些反向-绕组是相对紧密的，并且其中，这些反向-绕组是“交叉-缠绕”的，即，+X方向上的绕组在与-X方向上的反向-绕组相反的方向上成一定的角度。这种“交叉-缠绕”用于进一步改善辐射的光152’的均匀性。
图11D与图11C相似，并且示出了具有更多反向-绕组的光纤12的光源光纤部分12B的示例性实施方式。注意到，对于图11A-11D所示的光源光纤部分12B的几何结构而言，辐射152’的辐射图案是径向对称的。
在一示例实施方式中，根据图11B的照明系统100的光源光纤部分12B是用以多模125um(半径)纳米结构光纤为形式的光纤12构成的，该光纤具有约100米的总长度且围着一支持结构120缠绕，该支持结构120是以1cm直径TYLON管子为形式。这类光纤的弯曲损耗是相对适中的且稍稍高于瑞利散射损耗，但均匀的反向-绕组产生了基本上均匀的照明。
图12示出了照明系统100的光源光纤部分12B的示例实施方式，它由多个光纤的连续的绕组构成(比如光纤12-1、12-2、12-3、12-4和12-5)。这些光纤12在其各自的输入端12I处被安排在光纤束212中，并且被配置成沿着支持结构120的长度方向形成连续的绕组部分S(S1-S5)，从而形成一种延伸的光源。通过让每一部分S用作一种延伸的光源以提供基本上均匀的辐射光152’，光纤12的连续绕组配置增强了辐射的光152’的均匀性。选定每一部分S的轴向长度，使得与轴向长度有关的辐射光152’的量没有下降到输入端12I处的输入光的某一阈值以下(比如～95％)，比如像图9所示的那样。
例如，通过让光纤12-n与下一个光纤12-(n+1)切换(该下一个光纤是内部光纤)，形成了接下来的部分S。
例如，如果支持结构120所支持的束中有100个光纤12，并且延伸的光源的期望长度是10米，则光纤12-1围着该束缠绕了第一个0.1米并构成部分S1，光纤12-2缠绕了第二个0.1米并构成部分S2，如此等等，直到光纤12-100围着该束缠绕了最后一个0.1米并构成部分S100。在一示例实施方式中，光源光纤部分12B中的不同光纤12的连续绕组是通过使用与对光纤光缆进行扭绞所使用的工艺相似的自动化工艺来实现的。在一示例实施方式中，一个或多个部分S包括反向-缠绕的光纤12，这些光纤12增大了来自于一个或多个部分的辐射光152的均匀性。使用连续的绕组可形成很长的延伸的光源光纤部分12B。
图13示出了照明系统70的前端部分(即光产生与收集部分)的示例实施方式，其中，光源150和光学耦合系统160被配置成将来自光源的光152耦合到多个光纤12各自的输入端12I中，例如，这些光纤12被安排在如图所示的光纤束212中。光纤束212是一种将会聚的太阳光传递到腔室内部172的方便的方式。按这种方式，数百瓦的太阳能可以被传递到腔室内部172。在与图13所示相似的备选实施方式中，各种光纤12被光学地耦合到一个或多个光源150，而不是被耦合到单个光源。
涂层
在一示例实施方式中，光源光纤部分12B中的光纤12可以包括层44，正如上文结合图2所讨论的那样。在一示例实施方式中，层44包括亲水性涂层，比如UV-固化丙烯酸涂层，能提供改善的浸润粘合。亲水性涂层44用作细胞生长介质和光纤12的保护性覆盖层。这样，化学改性或原始材料替换可能是必需的，以确保不会出现细胞死亡。
层44的亲水性涂层的示例是那些常用于改善细胞粘合且生长至一些表面的涂层，并且包含羧酸官能度和胺官能度(例如，含丙烯酸或丙烯酰胺的配方)。另外，通过用作生物材料180生长所必需的营养物的贮存层，可以增强层44的亲水性涂层。
在一示例实施方式中，层44包括荧光或紫外光吸收分子，用于改变辐射的光152’，以产生与用商用的“生长灯”获得的光相似的光。
光纤(比如纳米结构光纤)可以被包在聚合物、金属或玻璃覆盖层(或涂层)之内，其中，所述覆盖层具有大于250微米的最小外部尺寸(比如直径)。如果光纤具有金属涂层，则该金属涂层可以打开多个部分，以便修改径向空间中的辐射或沿光纤长度方向的辐射。
如上所述，光纤可以包括设置在光纤外表面之上的亲水性涂层。或者，亲水性涂层可以被设置在光纤带的外表面之上。此外，荧光物质(比如紫外-吸收材料)可以被设置在光纤涂层之中。
此外，额外的涂层可以被设置在光纤外表面之上，这一层被配置成修改辐射的光。该额外的涂层可以具有散射粒子(比如TiO2)，以修改径向空间中的光分布。该涂层可以包括用于修改发出的光波长的荧光物质，或者可以具有用于额外地修改发出的光谱的吸收物质(比如墨)。
示例照明系统配置
图14示出了生物生长系统98的示例实施方式以及该生物生长系统中所使用的照明系统100，其中，生物腔室170采用了烧瓶的形式。在图14的实施方式中，光源光纤部分12B是从与图11B相似的单个反向缠绕的光纤构成的。图14的照明系统100被用于进行下文所描述的生物生长实验。
图15示出了生物生长系统98的示例实施方式(从上到下的视图)以及该生物生长系统中所使用的照明系统100，其中，照明系统100的光源光纤部分12B具有矩形的配置，适于用在图示的矩形横截面生物腔室110中。
图16示出了生物生长系统98的示例实施方式(从上到下的视图)以及该生物生长系统中所使用的照明系统100，其中，照明系统100具有光源光纤部分12B，其被配置成圆形几何结构，适于用在图示的圆形横截面生物腔室110中。图16的照明系统100的示例实施方式利用了图示的环形支持结构120。图16示出了光纤12顺时针地围着支持结构120进行缠绕，以形成圆形的光源光纤部分12B。
照明系统100的光源光纤部分12B的其它形状和几何结构均被包含在本发明之中，并且与特定的应用需求有关，特别是与生物腔室110的几何结构有关。在一示例实施方式中，光源光纤部分12B是通过生物腔室110的几何结构进行定义的。例如，光源光纤部分12B的设计可以是根据需要来限定的，以在腔室的所有部分中提供基本上均匀的曝光。
光漫射光纤的额外的优点是，已证明能够将多个光纤束成已知为光纤带这样的多光纤集合。典型的光纤带结构具有2到36个光纤。光纤带结构的另一个优点是不再必然需要缠绕光纤，因为可以制造光纤带以形成其它弯曲的结构，比如波形、螺旋形或螺旋线，由此允许光进行散射。此外，使用多光纤的光纤带有可能具有很大的光纤带堆叠物。这种光纤带堆叠物将不仅允许更集中的大量的光传递，还有可能使用不同的光源，比如红色激光器、太阳光、发光二极管、或点光源的引导件。例如，根据一个实施方式，多个纳米结构光纤可以围着一支持结构进行缠绕，并且每个纳米结构光纤可以光学地耦合到该光源或多个光源，而纳米结构光纤可以被束到一起且放在光纤带、光纤带堆叠物或圆形束中的至少一个之中。
实验结果
已进行了许多实验，其中，具有图14所示形式的光源光纤部分12B的照明系统100被用于支持以蓝细菌为形式的生物材料的生长(Synechocystis sp.PCC 6803)。该实验包括对照组，该对照组不使用照明系统100，而是使用荧光光源，这种荧光光源提供与照明系统100相同的光量。
图17A是被照明的蓝细菌(“测试组”)和对照组的生物质(表达为细胞密度)对接种生长天数的图。该图示出了在当前的实验设置下测试组的生长速率比对照组更高。测试组和对照组均被置于以烧瓶(震动器)为形式的生物腔室110之内。除了照明系统100以外，对照组与测试组的生长条件均相同，即：30℃，105rpm的充气速度，和大约0.03％ CO2(环境空气)。
对于对照组而言，照明是由生长腔室上方的荧光灯提供的，所以，腔室内的光强度是50μmol/m2/s。对于测试组而言，使用了激光光源，它产生了530nm的光。
光源光纤部分12B被置于培养基(即生物材料)之内，烧瓶被铝箔覆盖。调节从光源光纤部分12B中发出的辐射152’的强度，以具有和对照组相同的强度。光源光纤部分12B证明有非常好的生物适应性以便支持蓝细菌生长，并且实验支持如下观点：照明系统100将非常适于其它类型的生物应用和不同的生物腔室几何结构。
进行了另外的一些实验，在这些实验中，使用了具有图14所示形式的光源光纤部分12B的照明系统100，以支持蓝细菌形式的生物材料的生长(Synechocystis sp.PCC 6803)。该实验包括对照组，该对照组不使用照明系统100而是使用通过光纤尖端传送光的光源(点光源)，该点光源提供与照明系统100相同的光量。示例性光源可以是激光器、发光二极管、太阳光或荧光光源。
图17B是被照明的蓝细菌(“测试组”)和对照组的生物质(表达为细胞密度)对接种生长天数的图。该图示出了在当前的实验设置下测试组的生长速率比对照组更高。测试组和对照组均被置于以烧瓶(震动器)为形式的生物腔室110之内。除了照明系统100以外，对照组与测试组的生长条件均相同，即：30℃，105rpm的充气速度，和大约0.03％ CO2(环境空气)。对照组和测试组两者都使用产生530nm的光的激光光源。
光源光纤部分12B被置于培养基(即生物材料)之内，烧瓶被铝箔覆盖。调节从光源光纤部分12B中发出的辐射152’的强度，以具有和对照组相同的强度。光源光纤部分12B证明有非常好的生物适应性以便支持蓝细菌生长，并且实验支持如下观点：照明系统100将非常适于其它类型的生物应用和不同的生物腔室几何结构。
应该理解，上面的描述仅仅是本发明的示例，旨在提供一种概述以便理解由权利要求书所界定的本发明的本质和特征。所包括的附图提供了对本发明的进一步理解，并入说明书中且构成其一部分。这些图示出了本发明的各种特征和各种实施方式，与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求书所界定的本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明的较佳实施方式做出各种修改。

Claims (15)

1.一种用于生物生长系统的照明系统，所述生物生长系统具有生物腔室，所述生物腔室的内部被配置成包含生物材料，所述照明系统包括：
光源，所述生物材料对所述光源所产生的光的波长很敏感；以及
至少一个纳米结构光纤，所述光纤具有中心轴、周期性或非周期性的纳米结构、外表面以及光学地耦合到所述光源的末端，所述光纤被配置成具有形成于其中的多个弯曲，以便瑞利散射受引导的光使其偏离所述中心轴并穿透所述外表面，从而形成具有一段长度的光源光纤部分，在这段长度上所述光源光纤部分发出基本上均匀的辐射。
2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，
所述至少一个纳米结构光纤是围着一支持结构反向缠绕的。
3.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，
所述多个弯曲引起瑞利散射。
4.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，
在所述光源光纤部分上，基本上均匀的辐射改变不超过+/-10%。
5.如权利要求1所述的照明系统，还包括：
至少一个光纤部分，所述至少一个光纤部分在第一端处光学地耦合到所述至少一个纳米结构光纤且在第二端处光学地耦合到所述光源。
6.如权利要求1所述的照明系统，还包括：
(i)亲水性涂层，被设置在光纤外表面上；和/或
(ii)荧光或紫外光吸收分子，被设置在光纤涂层中。
7.一种生物生长系统，包括：
生物腔室，所述生物腔室的内部被配置成包含生物材料；
光源，所述生物材料对所述光源所产生的光的波长很敏感；以及
至少一个纳米结构光纤，所述光纤具有中心轴、周期性或非周期性的纳米结构、外表面以及光学地耦合到所述光源的末端，所述光纤被配置成具有形成于其中的多个弯曲，以便瑞利散射受引导的光使其偏离所述中心轴并穿透所述外表面，从而形成具有一段长度的光源光纤部分，在这段长度上所述光源光纤部分发出基本上均匀的辐射。
8.如权利要求7所述的生物生长系统，其特征在于，
所述至少一个纳米结构光纤被一支持结构支持着。
9.如权利要求8所述的生物生长系统，其特征在于，
所述至少一个纳米结构光纤围着所述支持结构反向缠绕一次或多次，使得在所述光源光纤部分上，基本上均匀的辐射在均匀性方面改变不超过+/-10%。
10.如权利要求7所述的生物生长系统，其特征在于，
多个纳米结构光纤沿着一支持结构按顺序地围着该支持结构缠绕，每个光纤被光学地耦合到所述光源，其中所述光源包括一个或多个光源。
11.一种将基本上均匀的照明提供给生物腔室的方法，所述生物腔室的内部被配置成支持生物材料，所述方法包括：
在具有中心轴、周期性或非周期性的纳米结构和外表面的至少一个纳米结构光纤中，形成多个弯曲，这些弯曲被配置成使至少一个光纤中的瑞利散射增大，所述多个弯曲形成至少一个光纤的光源光纤部分；
将所述光源光纤部分置于生物腔室内部；以及
将光输入到至少一个光纤中，使所述光的一部分发生瑞利散射从而偏离所述中心轴并穿过所述外表面，由此，从所述光源光纤部分中发出基本上均匀的辐射，其中，所述基本上均匀的辐射包括所述生物材料对其很敏感的波长。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
反向缠绕至少一个光纤一次或多次，使得在所述光源光纤部分上，基本上均匀的辐射在均匀性方面改变不超过+/-10%。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，
生物腔室内部具有一几何结构，并且形成所述光源光纤部分以对应于所述几何结构。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：
在光纤外表面上提供一个层，所述层被配置成修改辐射的光。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述层包括荧光或紫外光吸收分子。
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