CN103858032A - 使用光漫射光纤的多波长光源 - Google Patents

Abstract

设置了至少一个挠性光漫射波导（210’）以限定多个基本相互平行设置的光漫射波导区段（212’、214’、216’），并且其与至少一个光源（218a、218b、218c、219a、219b、219c）相连，以提供适用于一般照明目的或者用作显示器（例如视频显示器）的背光的挠性发光板。可以将多个波导与不同颜色的光源相连，以提供多种颜色的挠性背光，该挠性背光可与挠性可矩阵寻址面板结合使用，以提供挠性视频显示器。

Description

使用光漫射光纤的多波长光源

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119，要求2011年10月11日提交的美国临时申请系列第61/545713号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

技术背景

本发明涉及采用挠性光漫射波导的挠性发光板，其可以与一个或多个光源相连。

已经发现挠性发光片或发光板可用于各种显示器应用以及建筑和/或装饰应用，例如环绕列、柱或者其他不平坦表面。此类挠性发光片通常是包含设置在电极层之间的发光体的电致发光器件。例子包括挠性有机发光二极管（OLED）器件，其包含具有有机发光体的电致发光层，所述有机发光体位于两个电极之间，至少一个电极是透明的（例如氧化铟锡膜）。

由于OLED器件的较快速降解，希望用于提供挠性发光片或发光板的替代技术。

概述

根据某些实施方式，提供了一种挠性发光板，其包括排列成限定了具有纵轴的多个波导区段的挠性光漫射波导或者多个挠性光漫射波导，所述纵轴基本相互平行，并且相互紧邻排列。光源或多个光源与挠性波导或多个挠性波导相连。

在某些实施方式中，提供用于控制从发光板发光的颜色的手段。例如，在某些实施方式中，可以通过在波导区段上或波导区段内结合发光体来预先确定从发光板发光的颜色。在一些实施方式中，可以通过将挠性光漫射波导或者多个光漫射波导与发射不同波长的多个光源相连，来控制从发光板发光的颜色。

在挠性发光板主要用作照明装置的情况下，可以在波导区段上或者波导区段中设置白光发光体。

根据某些实施方式，通过采用在光漫射波导中多重复用的多个光源，或者在多个光漫射波导中分别采用多个光源，提供了能够发射任意多种不同波长的光的挠性发光板。

根据某些实施方式，可以采用由多个光漫射波导构成的挠性发光板作为用于挠性可矩阵寻址(matrix-addressable)的显示板的背光。在一些实施方式中，挠性显示板可包括可矩阵寻址(matrix-addressable)的液晶显示板，其背光为多个挠性光漫射波导。例如，可以通过采用分别与相应的红光光源、蓝光光源和绿光光源相连的至少三个挠性光漫射波导来提供彩色显示器。

在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与文字描述一起用来解释各个实施方式的原理和操作。

附图说明

图1是光漫射光纤的一个示例性实施方式的部分侧面示意图。

图2是图1所示光纤沿方向2-2观察时的横截面示意图。

图3A是光漫射光纤的一个示例性实施方式的相对折射率-光纤半径的示意图。

图3B是光漫射光纤的另一个示例性实施方式的相对折射率-光纤半径的示意图。

图3C显示了光漫射光纤的另一个示例性实施方式。

图4A和4B显示了光纤衰减（损耗）（dB/m）和波长（nm）的关系。

图5显示了在单根光纤内采用双光程的光纤布置方式。

图6A显示了使光纤具有均匀拉力（实施例A）和可变拉力（实施例B）时沿光纤的强度分布。

图6B显示了使用白油墨和不用油墨时的漫射分布曲线。

图7显示了图5所示光纤（光纤后端连有反射镜）和涂层中使用白油墨的光纤的漫射情况。

图8A显示了照明系统的一个示例性实施方式。

图8B显示了与烧瓶式生物室联用的照明系统的一个示例性实施方式。

图9所示是用于挠性彩色显示板的背光，其采用与三个不同挠性光漫射波导相连的单个紫外光源，所述挠性光漫射波导具有设置在其上或者其中的红光磷光体、绿光磷光体和蓝光磷光体。

图10所示是用于彩色显示器的背光，其采用与单独挠性光漫射波导相连的多重激光。

图11是根据某些实施方式的挠性发光板的前视图。

图12是环绕着管的图4所示的挠性发光板的透视图，以显示该挠性发光板可具备各种非平坦形状。

图13是根据某些实施方式采用挠性背光和液晶显示器的彩色显示器的示意图。

详细描述

下面详细说明本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。

以下的详细描述代表用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架的实施方式。所附附图提供了对本发明的权利要求的进一步理解，附图构成说明书的一部分。附图说明了本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来解释所要求保护的本发明实施方式的原理和操作。

可以在本发明范围之内，对示例作出各种改进和变化，可以将不同示例的各个方面以不同的方式组合，以获得另外的示例。因此，本发明的权利要求的真实范围应当从整个说明书来理解，可以参考本文所述的实施方式，但不受其限制。

术语“挠性光漫射波导”指的是挠性光学波导，或者例如采用纳米尺寸结构的（光纤），其用于使光漫射出光纤的侧面或将光漫射出光纤的侧面，从而使得光被导出波导的芯并通过波导的外表面，以提供照明。挠性光漫射波导如美国专利申请系列第12/950,045号（美国专利申请公开号2011/0122646A1），其全文通过引用结合入本文。

术语“波导区段”可指的是单个线性光漫射波导，或者位于相同挠性光漫射波导的弯曲部分或区段之间的线性部分的挠性光漫射波导。例如，可以使得单个挠性光漫射波导重复弯曲180度，以提供一系列的平行波导区段，所述波导曲线相互相邻设置，并且通常在平面内排列。

术语“光源”指的是激光、发光二极管或者能够发射电磁辐射的其他组件，所述电磁辐射是可见光波长范围或者是可以与发光体相互作用以发生可见光波长范围的光。

表述“控制发光的颜色”指的是可以根据需求随时间变化控制发光波长的动态控制，或者发光颜色是预定的被动控制，例如通过选择特定的发光体和/或光源。

术语“发光体”指的是表现出发光的原子或化合物，包括各种荧光团和磷光体。

出于在附图中指明方向以及方便描述的需要，使用了诸如“水平”、“垂直”、“前”、“后”等词语以及笛卡尔坐标，但其目的并不是在说明书或权利要求书中将它们严格地限制于绝对的取向和/或方向。

以下术语和词语用于具有纳米尺寸结构的光漫射光纤。

“折射率分布曲线”是折射率或相对折射率与波导（光纤）半径之间的关系。

“相对折射率百分数”定义为

Δ(r)%=100x[n(r)²–n_参比 ²)]/2n(r)²,

其中，除非另有说明，n(r)是在半径r处的折射率。除非另有说明，相对折射率百分数限定在850nm处。在一个方面，参比折射率n_参比是二氧化硅玻璃在850nm处的折射率1.452498，在另一方面，它是包覆玻璃在850nm处的最大折射率。除非另有说明，否则，本文所用的相对折射率用Δ表示，其数值以“%”为单位。在一个区域的折射率小于参比折射率n_参比的情况下，相对折射率百分数是负数，称作具有凹陷区域或者凹陷折射率，并且除非另有说明，否则，最小相对折射率在相对折射率为最大负值时计算得到。在一个区域的折射率大于参比折射率n_参比的情况下，相对折射率百分数是正数，该区域可称为凸起或者具有正折射率。

在本文中，“正掺杂剂(updopant)”视为倾向于提高相对于未掺杂的纯SiO₂的折射率的掺杂剂。在本文中，“负掺杂剂(downdopant)”视为倾向于降低相对于未掺杂的纯SiO₂的折射率的掺杂剂。正掺杂剂可存在于光纤中具有负的相对折射率的区域，同时伴有一种或多种不是正掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，一种或多种不是正掺杂剂的其他掺杂剂可存在于光纤中具有正的相对折射率的区域。负掺杂剂可存在于光纤中具有正的相对折射率的区域，同时伴有一种或多种不是负掺杂剂的其他掺杂剂。

类似地，一种或多种不是负掺杂剂的其他掺杂剂可存在于光纤中具有负的相对折射率的区域。

术语“α分布”或者“阿尔法分布”是指相对折射率分布曲线，用Δ(r)表示，单位为“%”，其中r为半径,该参数用以下方程式表示，

Δ(r)=Δ(r_o)(1-[|r-r_o|/(r₁-r_o)]^α),

式中r_o表示Δ(r)为最大值的点，r₁表示Δ(r)%为零的点，r的范围是r_i<r<r_f，其中Δ如上文所定义，r_i是α-分布曲线的起点，r_f是α-分布曲线的终点，α是指数，为实数。

因此，本文所用术语“抛物线”包括基本上呈抛物线形的折射率分布曲线，它在纤芯中的一个或多个点上可稍微偏离α值为2.0的情况；“抛物线”还包括有少量变化和/或中心线下沉的分布曲线。在一些示例性实施方式中，在850nm处测量的α大于1.5而小于2.5，更优选大于1.7和小于2.3，甚至更优选在1.8-2.3之间。在其他实施方式中，折射率分布曲线上的一段或多段具有基本上呈阶梯的折射率形状，其中在850nm处测量的α值大于8，更优选大于10，甚至更优选大于20。

术语“纳米结构光纤区”描述的是光纤具有这样的区域或区间，即该区域或区间具有大量的（多于50个）充气孔隙或其他纳米尺寸结构，例如光纤横截面中的孔隙超过50个、超过100个或者超过200个。充气孔隙可包括，例如SO₂、Kr、Ar、CO₂、N₂、O₂或其混合物。本文所述的纳米尺寸结构（例如孔隙）的横截面尺寸（例如直径）可在10nm至1μm之间变化（例如50-500nm），长度可在1mm至50m之间变化（例如2mm至5m，或者5mm至1m的范围）。

在标准单模或多模光纤中，在小于1300nm的波长处的损耗主要取决于瑞利漫射。这些瑞利漫射损耗L_s由材料的性质决定，对可见光波长（400-700nm）通常约为20dB/km。瑞利漫射损耗还对波长具有强依赖性（即L_S∝1/λ⁴，参见图4B中的比较光纤A），这意味着至少需要约1-2km的光纤才能消散超过95%的输入光。这种光纤若更短，将导致照明效率降低，而使用长光纤（1-2km或者更长）会增大成本，并且可能难于控制。用于生物反应器或其他照明系统时，长光纤安装起来可能比较麻烦。

在光照应用的某些装置中希望采用长度更短的光纤，例如1-100m。这要求增大光纤的漫射损耗，同时能够保持良好的角漫射性质（光从光纤轴均匀地消散）以及良好的弯曲性能，以避免光纤弯曲部的亮斑。如本文所述，本发明的至少一些实施方式的一个有利特性是沿光纤照明器长度方向的均匀和高的照度。因为光纤是挠性的，所以可将它布置成许多照明形状。优选在光纤的弯曲点处没有亮斑（由于弯曲损耗升高），使得光纤提供的照度变化不超过30%，优选小于20%，更优选小于10%。例如，在至少一些实施方式中，光纤的平均漫射损耗大于50dB/km，并且漫射损耗在任何给定的长为0.2m的光纤段上的变化不超过30%（即漫射损耗在平均漫射损耗的±30%以内）。根据至少一些实施方式，光纤的平均漫射损耗大于50dB/km，并且漫射损耗在长度小于0.05m的光纤段上的变化不超过30%。根据至少一些实施方式，光纤的平均漫射损耗大于50dB/km，并且漫射损耗在长0.01m的光纤段上的变化不超过30%（即±30%）。根据至少一些实施方式，光纤的平均漫射损耗大于50dB/km，并且漫射损耗在长0.01m的光纤段上的变化不超过20%（即±20%），优选不超过10%（即±10%）。

在至少一些实施方式中，对于光纤的目标长度，在照明波长上从光纤侧面出来的积分（漫射）光的强度变化小于30%，其中所述光纤的目标长度可以是例如0.02-100m。应注意的是，通过在包覆或涂层中加入荧光材料，可以改变在指定照明波长处通过光纤侧面的积分光的强度。通过荧光材料的光漫射波长不同于光纤中传播的光的波长。

在下面一些示例性实施方式中，我们将描述具有纳米结构光纤区（具有纳米尺寸结构的区域）的光纤设计，所述纳米结构光纤区位于光纤的芯区，或者非常靠近纤芯。一些光纤实施方式的漫射损耗超过50dB/km（例如大于100dB/km，大于200dB/km，大于500dB/km，大于1000dB/km，大于3000dB/km，大于5000dB/km），漫射损耗（因而这些光纤的照度或辐射光）在角度空间是均匀的。

为了减少或消除光纤弯曲部的亮斑，当弯曲直径小于50mm时，光纤中90°弯曲部的衰减增幅宜小于5dB/弯（例如小于3dB/弯，小于2dB/弯，小于1dB/弯）。在示例性实施方式中，这些低弯曲损耗在甚至更小的弯曲直径上得以实现，所述弯曲直径是例如小于20mm，小于10mm，甚至小于5mm。优选地，弯曲半径为5mm时，衰减总增幅小于1dB/90度弯。

优选地，根据一些实施方式，弯曲损耗等于或小于自直光纤纤芯发生的本征漫射损耗。本征漫射的主要原因是来自纳米尺寸结构的漫射。因此，至少根据光纤的弯曲非敏感实施方式，弯曲损耗不超过光纤的本征漫射。但是，因为漫射水平是弯曲直径的函数，所以光纤的弯曲布置取决于其漫射水平。例如，在一些实施方式中，光纤的弯曲损耗小于3dB/弯，优选小于2dB/弯，并且光纤可弯曲成半径小至5mm的弧而不会形成亮斑。

图1是光漫射光纤的示例性实施方式的部分侧面示意图，在该具有中心轴（“中心线”）16的光漫射光纤（以下称“光纤”）12的纤芯中具有许多孔隙。图2是图1所示光漫射光纤12沿方向2-2观察时的横截面示意图。光漫射光纤12可以是例如，各类具有纳米结构光纤区的光纤中的任何一种光纤，所述纳米结构光纤区具有周期性或非周期性纳米尺寸结构32（例如孔隙）。在一个示例性实施方式中，光纤12包含分成三个部分或区域的纤芯20。这些芯区是：固体中心部分22、纳米结构环形部分（内环芯区）26和围绕所述内环芯区26的外固体部分28。包覆区40（“包覆”）围绕环芯20并具有外表面。包覆40可具有低折射率，提供高数值孔径（NA）。包覆40可以是，例如低折射率聚合物，如可UV固化或热固化的含氟丙烯酸酯或硅树脂。

任选的涂层44围绕包覆40。涂层44可包含低模量主涂层和高模量次涂层。在至少一些实施方式中，涂层44包含聚合物涂料，如基于丙烯酸酯或基于硅树脂的聚合物。在至少一些实施方式中，涂层沿光纤长度具有恒定的直径。

在下文所述的其他示例性实施方式中，涂层44设计用来改进从纤芯20传到包覆40的“辐射光”的分布和/或性质。包覆40的外表面或者任选涂层44的外表面代表光纤12的“侧面”48，如本文所述，在光纤中行进的光通过漫射离开所述侧面。

任选地，用保护罩或包皮（未示出）覆盖包覆40。光纤12可包含氟化包覆40，但若将光纤用于长度较短的应用，其中漏损不损害照明性质时，则不需要所述氟化包覆。

在一些示例性实施方式中，光漫射光纤12的芯区26包含玻璃基体（“玻璃”）31，其中有许多非周期性设置的纳米尺寸结构（例如“孔隙”）32，如图2中放大插图所详细显示的示例性孔隙。在另一个示例性实施方式中，孔隙32可周期性设置，如设置在光子晶体光纤中，其中孔隙的典型直径在约1x10^-6至1x10^-5m之间。孔隙32也可非周期性或随机设置。在一些示例性实施方式中，区域26中的玻璃31是掺氟二氧化硅，而在其他实施方式中，玻璃是未掺杂的纯二氧化硅。优选地，孔隙直径至少为10nm。

纳米尺寸结构32使光从纤芯20向光纤的外表面漫射。然后，漫射的光“扩散”通过光纤12的外表面，以提供所需的照明作用。也就是说，大部分光沿着光纤长度通过光纤12的侧面扩散（经由漫射）。优选地，光纤在其长度上发出基本均匀的辐射，并且光纤在发出的辐射的波长（照明波长）上的漫射诱导衰减大于50dB/km。优选地，在此波长上的漫射诱导衰减大于100dB/km。在一些实施方式中，在此波长上的漫射诱导衰减大于500dB/km，在一些实施方式中大于1000dB/km，大于2000dB/km，或者大于5000dB/km。这些高漫射损耗约为标准单模和多模光纤中瑞利漫射损耗的2.5-250倍。

芯区22和28中的玻璃可包含正掺杂剂，如Ge、Al和/或P。“非周期性设置”或“非周期性分布”是指当取光纤横截面时（例如如图2所示），孔隙32随机或非周期性地分布在光纤的一部分中。沿着光纤长度上不同的点取类似的横截面将揭示不同的横截面孔隙图案,也就是说，各横截面具有不同的孔隙图案，而孔隙的分布和孔隙的尺寸不匹配。也就是说，所述孔隙是非周期性的，即这些孔隙在光纤结构内不是以周期性方式设置。这些孔隙沿着光纤的长度（即平行于纵轴）拉长（伸长），但是对于传输光纤的常规长度来说，不会在整根光纤的整个长度上延伸。虽然不希望受到理论限制，但是相信，孔隙延伸长度小于10m，在许多情况下，沿着光纤长度延伸小于1m。

在本发明中，在下面讨论的照明系统中使用的光漫射光纤12可通过采用预制件固结条件的方法制备，所述条件使显著量的气体滞留在固结玻璃坯中，从而在固结玻璃光纤预制件中形成孔隙。不是采用一些步骤来除去这些孔隙，而是利用所得的预制件形成其中包含孔隙或纳米尺寸结构的光纤。利用所得光纤的纳米尺寸结构或孔隙，沿着光纤长度，经其侧面使光漫射出光纤或将光导出光纤。也就是说，通过光纤外表面将光导出纤芯20，以提供所需的照明作用。

如本文所用，纳米尺寸结构如孔隙的直径是从横穿光纤纵轴的垂直横截面观察光纤时，其端点位于纳米尺寸结构的边界的纳米尺寸结构中所含的最长线段。例如，美国专利申请序列第11/583098号（美国专利申请公开号2007/0104437A1）描述了制造具有纳米尺寸孔隙的光纤的方法，其通过参考结合于此。

如上所述，在光纤12的一些实施方式中，纤芯部分22和28包含掺锗二氧化硅，即氧化锗掺杂的二氧化硅。在光纤的芯中，特别是中心线处或其附近，可单独或组合使用锗以外的掺杂剂，以得到所需的折射率和密度。在至少一些实施方式中，本文所揭示的光纤在纤芯部分22和28中的相对折射率分布不是负的。这些掺杂剂可以是，例如Al、Ti、P、Ge或其组合。在至少一些实施方式中，光纤在芯中不含减小折射率的掺杂剂。在一些实施方式中，本文所揭示的光纤在纤芯部分22、24和28中的相对折射率分布不是负的。

在本文所用的光纤12的一些示例中，纤芯20包含纯二氧化硅。在一个实施方式中，光纤的优选特性是在所需的生物材料敏感的光谱范围内使光漫射出光纤（使光漫射）。在另一个实施方式中，漫射光可用于特色装饰和白光应用。通过改变光纤中玻璃的性质、纳米结构区26的宽度以及纳米尺寸结构的大小和密度，可以增加通过漫射的损耗量。

在本文所用的光纤12的一些示例中，纤芯20是具有渐变折射率的纤芯，优选地，纤芯的折射率分布曲线具有抛物线（或者基本上呈抛物线）的形状；例如，在一些实施方式中，纤芯20的折射率分布曲线具有α形状，在850nm处测得的α值约为2，优选为1.8-2.3。在其他实施方式中，折射率分布曲线上的一段或多段具有基本上呈阶梯的折射率形状，其中在850nm处测量的α值大于8，更优选大于10，甚至更优选大于20。在一些实施方式中，纤芯的折射率可具有中心线下沉的特点，其中纤芯的最大折射率和整根光纤的最大折射率与中心线16相隔较小距离，但在其他实施方式中，纤芯的折射率没有中心线下沉的特点，纤芯的最大折射率和整根光纤的最大折射率位于中心线处。

在一个示例性实施方式中，光纤12具有基于二氧化硅的纤芯20和低陷折射率（相对于二氧化硅）的聚合物包覆40。低折射率聚合物包覆40优选具有负的相对折射率，更优选小于-0.5%，甚至更优选小于-1%。在一些示例性实施方式中，包覆40的厚度大于或等于20μm。在一些示例性实施方式中，包覆40具有比纤芯更低的折射率，并且其厚度等于或大于10μm（例如等于或大于20μm）。在一些示例性实施方式中，包覆的外直径是R_最大的两倍，例如约为125μm（例如120-130μm，或者123-128μm）。在其他实施方式中，包覆的直径小于120μm，例如60或80μm。在其他实施方式中，包覆的外直径大于200μm，大于300μm，或者大于500μm。在一些实施方式中，包覆的外直径沿着光纤12的长度是恒定的。在一些实施方式中，光纤12的折射率是径向对称的。优选地，纤芯20的外直径2R3沿着光纤的长度是恒定的。优选地，纤芯部分22、26、28的外直径沿着光纤的长度也是恒定的。我们所说的“恒定”是指直径相对于平均值的变化小于10%，优选小于5%，更优选小于2%。图3A是图2所示的示例性光纤12的示例性相对折射率Δ与光纤半径曲线图（实线）。纤芯20也可具有渐变纤芯分布曲线，即α分布曲线，例如α值在1.8-2.3之间（例如1.8-2.1）。

图3A是图2所示的示例性光纤12的示例性相对折射率Δ与光纤半径曲线图（实线）。纤芯20也可具有渐变纤芯分布曲线，其特征是，例如1.7-2.3（例如1.8-2.3）之间的α值。可选示例性折射率分布曲线如虚线所述。芯区22沿径向从中心线向外延伸至其外半径R1，具有相对折射率分布曲线Δ₁(r)，对应于最大折射率n₁（以及相对折射率百分数Δ_1最大）。在此实施方式中，参比折射率n_参比是包覆处的折射率。第二芯区（纳米结构区）26具有最小折射率n₂、相对折射率分布曲线Δ₂(r)、最大相对折射率Δ_2最大和最小相对折射率Δ_2最小，其中，在一些实施方式中，Δ_2最大=Δ_2最小。第三芯区28具有最大折射率n3、相对折射率分布曲线Δ₃(r)，该相对折射率分布曲线Δ₃(r)具有最大相对折射率Δ_3最大和最小相对折射率Δ_3最小，其中，在一些实施方式中，Δ_3最大=Δ_3最小。在此实施方式中，环形包覆40具有折射率n₄、相对折射率分布曲线Δ₄(r)，该相对折射率分布曲线Δ₄(r)具有最大相对折射率Δ_4最大和最小相对折射率Δ_4最小。在一些实施方式中，Δ_4最大=Δ_4最小。在一些实施方式中，Δ_1最大>Δ_4最大并且Δ_3最大>Δ_{4最 大}。在一些实施方式中，Δ_2最小>Δ_4最大。在如图2和3A所示的实施方式中，Δ_{1最 大}>Δ_3最大>Δ_2最大>Δ_4最大。在该实施方式中，这些区域的折射率具有以下关系：n₁>n₃>n₂>n₄。

在一些实施方式中，纤芯区22、28具有基本恒定的折射率分布，如图3A所示，恒定的Δ₁(r)和Δ₃(r)。在一些此类实施方式中，Δ₂(r)稍为正（0<Δ₂(r)<0.1%）、稍为负（-0.1%<Δ₂(r)<0）或者为0%。在一些实施方式中，Δ₂(r)的绝对值小于0.1%，优选小于0.05%。在一些实施方式中，外包覆区40具有基本恒定的折射率分布，如图3A所示，恒定的Δ₄(r)。在一些此类实施方式中，Δ₄(r)=0%。纤芯部分22的折射率Δ₁(r)≥0%。在一些实施方式中，填充了孔隙的区域26具有相对折射率分布曲线Δ₂(r)，它具有负的相对折射率，绝对值小于0.05%，而芯区28的Δ₃(r)可以是例如正值或者零。在至少一些实施方式中，n₁>n₂且n₃>n₄。

在一些实施方式中，包覆40的折射率为-0.05%<Δ₄(r)<0.05%。在其他实施方式中，包覆40以及纤芯部分20、26和28可包含纯的（未掺杂的）二氧化硅。

在一些实施方式中，包覆40包含纯的或掺F的二氧化硅。在一些实施方式中，包覆40包含纯的低折射率聚合物。在一些实施方式中，纳米结构区26包含纯二氧化硅，其中包含多个孔隙32。优选地，考虑到任何孔隙的存在，纳米结构区26的最小相对折射率和平均有效相对折射率均小于-0.1%。孔隙32可包含一种或多种气体，例如氩气、氮气、氧气、氪气或SO₂，或者可包含基本上没有气体的真空。但是，不管是否存在任何气体，纳米结构区26中的平均折射率因孔隙32的存在而降低。孔隙32可随机或非周期性地设置在纳米结构区26中，在其他实施方式中，孔隙周期性地设置在其中。

在一些实施方式中，多个孔隙32包含多个非周期性设置的孔隙和多个周期性设置的孔隙。

在示例性实施方式中，纤芯部分22包含掺杂了氧化锗的二氧化硅，内环纤芯区28包含纯二氧化硅，包覆环区40包含玻璃或者低折射率聚合物。在一些此类实施方式中，纳米结构区26在纯二氧化硅中包含多个孔隙32；而在其他此类实施方式中，纳米结构区26在掺氟二氧化硅中包含多个孔隙32。

在一些实施方式中，纤芯的外半径Rc大于10μm且小于600μm。在一些实施方式中，纤芯的外半径Rc大于30μm和/或小于400μm。例如，Rc可为125-300μm。在其他实施方式中，纤芯20的外半径Rc（请注意，在图3A所示的实施方式中，Rc=R3）大于50μm且小于250μm。纤芯20的中心部分22的半径范围是0.1Rc≤R₁≤0.9Rc，优选0.5Rc≤R₁≤09Rc。纳米结构环区26的宽度W2优选为0.05Rc≤W2≤0.9Rc，优选为0.1Rc≤W2≤0.9Rc，在一些实施方式中为0.5Rc≤W2≤0.9Rc（在纳米尺寸结构的密度相同的情况下，纳米结构区越宽，漫射诱导的衰减越大）。固体玻璃芯区28的宽度Ws=W3，使得0.1Rc>W3>0.9Rc。纤芯20的每个部分都包含基于二氧化硅的玻璃。纳米结构区26的径向宽度W₂优选大于1μm。例如，W₂可为5-300μm，优选等于或小于200μm。在一些实施方式中，W₂大于2μm且小于100μm。在其他实施方式中，W₂大于2μm且小于50μm。在其他实施方式中，W₂大于2μm且小于20μm。在一些实施方式中，W₂至少为7μm。在其他实施方式中，W₂大于2μm且小于12μm。芯区28的宽度W₃是(R3-R2)，它的中点R_3中点是(R3+R2)/2。在一些实施方式中，W₃大于1μm且小于100μm。

光纤12的数值孔径（NA）优选等于或大于将光导入光纤的光源的NA。优选地，光纤12的数值孔径（NA）大于0.2，在一些实施方式中大于0.3，甚至更优选大于0.4。

在一些实施方式中，第一芯区22的纤芯外半径R1优选不小于24μm且不大于50μm，即纤芯直径在约48-100μm之间。在其他实施方式中，R1＞24微米；在另一些实施方式中，R1＞30微米；在又一些实施方式中，R1＞40微米。

在一些实施方式中，内环状部分26在超过50%的径向宽度上的|Δ₂(r)|<0.025%；在其他实施方式中，区域26在超过50%的径向宽度上的|Δ₂(r)|<0.01%。低陷折射率环状部分26从包覆的相对折射率最先达到小于-0.05%的值处开始，沿径向从中心线向外延伸。在一些实施方式中，包覆40具有相对折射率分布曲线Δ₄(r)，其最大绝对值小于0.1%，并且在此实施方式中Δ_4最大<0.05%且Δ_{4 最小}>-0.05%，而低陷折射率环状部分26终止于最外面的孔隙出现的位置。

包覆结构40延伸至半径R4，它也是光纤最外面的周界。在一些实施方式中，包覆的宽度R4-R3大于20μm；在其他实施方式中，R4-R3至少为50μm；在一些实施方式中，R4-R3至少为70μm。

在另一实施方式中，整个纤芯20都是纳米结构化的（例如填充了孔隙），而包覆40将纤芯20包围。纤芯20具有“阶梯式”折射率Δ，或者可具有渐变纤芯分布曲线，即α分布曲线，例如α值在1.8-2.3之间。

通过如下方法制备例如图3C、4A和6-8中所示的光纤预制件和光纤：在该实施方式中，通过外蒸汽沉积（OVD）将470g的SiO₂（密度为0.5g/cc）烟炱沉积到长1m、直径20mm的完全固结的纯二氧化硅无孔隙芯棒上，得到预制组件（有时称作预成形件或光纤预成形件），所示预制组件包含被烟炱二氧化硅区包围的固结无孔隙二氧化硅芯区。然后按以下步骤对该预制组件的烟炱包覆进行烧结。所述预制组件首先在包含氦气和3%氯气（所有的百分数都是体积百分数）的气氛中，在加热炉的上部区域部分，在1100℃的温度下干燥2小时，然后驱动它以200mm/分钟的速率（相当于在向下驱动的过程中，烟炱预制件外侧的升温速率约为100℃/分钟）向下通过加热区，所述加热区的温度设定在约1500℃，烧结气氛是100体积%的SO₂。然后驱动所述预制组件以100mm/分钟的速率（相当于在向下驱动的过程中，烟炱预制件外侧的升温速率约为50℃/分钟）再次（即第二次）向下通过加热区。然后驱动所述预制组件以50mm/分钟的速率（相当于在向下驱动的过程中，烟炱预制件外侧的升温速率约为25℃/分钟）再次（即第三次）向下通过加热区。然后，驱动所述预制组件以25mm/分钟的速率（相当于在向下驱动的过程中，烟炱预制件外侧的升温速率约为12.5分钟/分钟）再次（即第四次）向下通过加热区，然后以6mm/分钟的速率（约3℃/分钟的加热速率）进行最终烧结，从而将所述烟炱烧结成具有SO₂气籽的二氧化硅外包覆预制件。在每个向下驱动的步骤之后，以200mm/分钟的速率将所述预制组件向上驱动至加热炉的上部区域部分（该部分维持设定在1100℃）。用该第一系列的较高的向下进料速率使光纤预制件的外侧变光，这便于将气体截留在预制件内。然后在温度设定为1000℃、用氩气吹扫的保温炉内，将所述预制件放置保持24小时，脱除预制件中残留的任何氦气。然后在温度大致设定为1700℃的常规石墨再拉制炉上，在氩气气氛下将此预制件再拉制成包含无孔隙的SiO₂纤芯和具有SO₂气籽（即非周期性设置的包含SO₂气体的孔隙）的二氧化硅外包覆的坯棒，其直径10mm，长1m。

将一根10mm的坯棒放回车床内，通过OVD再沉积约190g的SiO₂（密度为0.52g/cc）烟炱。然后通过以下步骤对用于该组件的此包覆（可以称作外包覆）的烟炱进行烧结。该组件首先在由氦气和3%氯气组成的气氛中，在1100℃干燥2小时，然后在100体积%的氦气气氛下，驱动它以5mm/分钟的速率向下通过设定在1500℃的加热区，使得所述烟炱烧结，形成预制件，所述预制件包含含有氧化锗的无孔隙纤芯、具有SO₂气籽的二氧化硅环（即包含含有SO₂的孔隙的二氧化硅）以及无孔隙外包覆。在温度设定为1000℃、用氩气吹扫的保温炉内，将所述预制件放置24小时，以脱除预制件中的任何残留氦气。在石墨电阻炉上，在氦气气氛中，在约1900-2000℃将光纤预制件拉制成长3km、直径为125微米的光纤。通过监测和控制光纤的拉力来控制光纤预制件的温度；在此实施方式中，在光纤拉制操作的每个部分（例如3km的长度），将光纤拉力保持在30-600g之间的一个数值上。在拉制过程中，给光纤涂覆基于低折射率硅的涂层。

利用另一根如上所述的无孔隙二氧化硅纤芯、SO₂气籽的二氧化硅外包覆的10mm坯棒（即第二坯棒）制造光纤预制件和光纤，例如如图4B所示。更具体地，将第二根无孔隙二氧化硅纤芯、SO₂气籽的二氧化硅外包覆的10mm坯棒放回车床，通过OVD再沉积约3750g的SiO₂（密度为0.67g/cc）烟炱。然后通过以下步骤对用于此包覆（在此组件中可以称作外包覆）的烟炱进行烧结。该组件首先在由氦气和3%氯气组成的气氛中，在1100℃干燥2小时，然后在100体积%的氦气气氛下，驱动它以5mm/分钟的速率向下通过设定在1500℃的加热区，使得所述烟炱烧结，形成预制件，所述预制件包含含有氧化锗的无孔隙纤芯、具有SO₂气籽的二氧化硅环（即包含含有SO₂的孔隙的二氧化硅）以及无孔隙的外包覆。在温度设定为1000℃、用氩气吹扫的保温炉内，将所得光纤预制件放置24小时，脱除预制件中的任何残留氦气。最后，如上所述，将光纤预制件拉制成长5km、直径为125微米的光纤，并涂覆低折射率聚合物。

图3B显示了光漫射光纤12的又一示例性实施方式的示意图。图3B的光纤包含具有相对折射率Δ₁的纤芯20、位于纤芯20之上并包围纤芯20的纳米结构区26’。纤芯20可具有“阶梯式”折射率分布，或者可具有渐变纤芯分布曲线，即α分布曲线，例如α值在1.8-2.3之间。

在此示例性实施方式中（见图3B），纳米结构区26’是具有多个孔隙32的环带。在此实施方式中，区域26’的宽度可小至1-2μm，并且可具有负的平均相对折射率Δ₂。包覆40包围纳米结构区26’。包覆40的（径向）宽度可小至1μm，并且包覆的相对折射率可以是负的、正的或0%（相对于纯二氧化硅）。图3A和3B所示例子之间的主要区别在于，图3A所示的纳米结构区位于光漫射光纤12的纤芯20中，而在图3B中，它位于纤芯/包覆界面处。低陷折射率环状部分26’从纤芯的相对折射率最先达到小于-0.05%的值处开始，沿径向从中心线向外延伸。在图3B所示的实施方式中，包覆40具有相对折射率分布Δ₃(r)，其最大绝对值小于0.1%；并且在该实施方式中，Δ_3最大<0.05%且Δ_3最小>-0.05%，低陷折射率环状部分26终止于填充了孔隙的区域内出现最外面的孔隙处。

在图3B所示的实施方式中，纤芯20的折射率大于环区26’的折射率n₂，而包覆40的折射率n₁也大于折射率n₂。

图3C显示了已经制成的光纤12的一个实施方式的纤芯20。此光纤具有外半径R1约为33.4μm的第一芯区22、外半径R2=42.8μm的纳米结构区26、外半径R3=62.5μm的第三芯区28和外半径R4（未示出）为82.5μm的聚合物包覆40。在此实施方式中，纤芯材料是纯二氧化硅（未掺杂的二氧化硅），用于包覆的材料是低折射率聚合物（例如，折射率为1.413的可UV固化的硅树脂，可以商品名Q3-6696购自密歇根州米德兰市的道康宁公司(Dow-Corning，Midland，Michigan)），该聚合物与玻璃纤芯一起使光纤的NA为0.3。相比于标准单模透射光纤，例如SMF-28e^R光纤，光纤12对波长具有较平坦（弱）的依赖性，见图4B。在标准单模（例如SMF-28e^R）或多模光纤中，在小于1300nm的波长处的损耗主要取决于瑞利漫射。这些瑞利漫射损耗由材料的性质决定，对可见光波长（400-700nm）通常约为20dB/km。瑞利漫射损耗对波长的依赖性与λ^-p成正比，p≈4。在包含至少一个纳米结构区的光纤中，在400-1100nm波长范围内至少80%（例如大于90%）的波长上，依赖于波长的漫射损耗的指数小于2，优选小于1。400-1100nm的平均光谱衰减在以40g的拉力拉制光纤时约为0.4dB/m；在以90g的拉力拉制光纤12时约为0.1dB/m。在此实施方式中，纳米尺寸结构包含SO₂气体。申请人发现，纳米结构环中填充SO₂的孔隙极大地促进了漫射。此外，当用SO₂气体形成纳米结构时，发现此气体实现了热可逆损耗，即低于600℃时纳米结构化光纤漫射光，而高于600℃时同一光纤将对光起导引作用。SO₂赋予的这种独特性质也是可逆的，也就是说，将同一光纤冷却到低于600℃时，光纤12将起光漫射光纤的作用，并再次产生可观察到的漫射效应。

在优选的实施方式中，通过在拉制工艺中控制光纤拉力；或者通过选择合适的拉制拉力（例如在30-100g之间，或者在40-90g之间），控制沿着光纤长度的照明均匀性，从而使得最小漫射照明强度不小于最大漫射照明强度的0.7。

因此，根据一些实施方式，一种制备光漫射光纤的方法，来控制沿着光纤长度的照明均匀性，其中最小漫射照明强度不小于最大漫射照明强度的0.7倍，其中所述方法包括在拉制过程中控制光纤拉力的步骤。

光漫射光纤12中纳米尺寸结构的存在产生光漫射导致的损耗，并且透过光纤外表面的光漫射可用于照明目的。图4A是图3C的光纤（具有填充了SO₂气体的孔隙的光纤）的衰减（损耗）（dB/m）与波长（nm）的曲线图。图4A表明，(i)光漫射光纤12可在可见光波长范围内实现非常大的漫射损耗（因此可提供高照明强度）。相比于常规125μm渐变折射率纤芯多模比较光纤A（光纤A是没有纳米结构区的阶梯式折射率多模光纤，在可见光波长范围内的瑞利漫射损耗约为0.02dB/km，或者在500nm波长处约为20dB/km，且具有1/λ⁴的较强波长依赖性），光纤12的漫射损耗还具有弱波长依赖性（L_s与1/λ^-p成正比，其中p小于2，优选小于1，甚至更优选小于0.5）。图4A-4B还显示了光纤12的拉力效应。更具体地，图4A-4B表明，拉制光纤的拉力越大，所得漫射损耗越小；拉制光纤的拉力越小，得到漫射损耗越大（即照明强度越高）的光纤部分。图4A显示了在90g和400g的不同光纤拉力下拉制出的光漫射光纤12（纤芯中有孔隙）的衰减-波长关系图。图4B显示了在90g和40g的不同光纤拉力下拉制出的不同光漫射光纤12（纤芯中有孔隙）、具有归一化损耗的比较多模光纤（光纤A）和具有1/λ损耗依赖性的理论光纤的衰减-波长关系图。（应注意的是，图4B描述了损耗对波长的依赖性。在此示例中，为了比较光纤12和光纤A的漫射斜率，将低损耗光纤（光纤A）的损耗乘以系数20，使得这两条曲线能够容易显示在同一附图中。）虽然不受任何特定理论的限制，但是相信，当拉制拉力减小，例如从90g减小到40g时，纳米结构的平均直径增大导致了漫射损耗的增大。因此，光纤拉力的这种效应可通过在拉制过程中改变光纤拉力，来沿着光纤长度产生恒定的衰减（照明强度）。例如，在高拉力T1下拉制的损耗为α₁dB/m、长度为L1的第一光纤区段将使得光功率从输入水平P0衰减到P0exp(-α₁*L1/4.343)。在较低拉力T2下拉制的损耗为α₂dB/m、长度为L2的第二光纤区段与第一光纤区段光连接后，将进一步使得光功率从P0exp(-α₁*L1/4.343)衰减到P0exp(-α₁*L1/4.343)exp(-α₂*L2/4.343)。可调节第一和第二光纤部分的长度和衰减，以便沿着连接好的光纤的长度提供均匀的强度。

光漫射光纤12的优点之一是它们能够沿着光漫射光纤的长度提供均匀照明。图5显示了光纤12的设置，该设置沿光纤长度得到均匀照明，并且在单一光漫射光纤12中利用双光程。在此设置中，将反射镜M置于光漫射光纤12的尾部。光源150提供给光漫射光纤12的输入光沿光漫射光纤12的轴传播，余下的光被反射镜反射，回过来沿光纤12的轴朝输入端传播。如果适当地选择光纤12的衰减和长度，则回传到光源的光输出功率小于起始光功率的2%-5%。对于具有恒定损耗分布的光纤（见图4A），漫射损耗强度可能在光纤的头部更高，而在光纤的尾部更弱。但是，如果以周期性受控的拉力（拉力值与炉温有关，炉温可在1800℃至2100℃之间变化）拉制光漫射光纤12，使得漫射损耗在光纤头部更低（强度高）而在尾部更高（强度更低），则可使所得漫射强度的变化更小，或者恒定（例如，如图6A所示，示例C）。可在例如40-400g之间控制和改变拉制光纤的拉力，从而提供宽范围的漫射诱导衰减（例如高达6倍）。图5中的反射镜M也可用第二光源代替，所述第二光源的功率密度输出类似于第一光源的功率密度输出（在2倍的范围内，即在50%-200%的范围内），不仅产生更均匀的照明，而且还增加光纤所漫射的光的量。

生物反应器/照明系统的一个示例性实施方式的一个方面是漫射光强度的角度分布在角度空间里是均匀的或接近均匀。自光纤表面沿轴向漫射的光相对于平均漫射强度的变化小于50%，优选小于30%，优选小于20%，更优选小于10%。在没有纳米尺寸结构的基于二氧化硅的常规光纤中，主要漫射机理是瑞利漫射，这种漫射具有宽角度分布。纳米结构环中的孔隙导致额外的漫射损耗的光纤12可具有强正向分量（forward component），如图6A（实施方式a和b）和图6B（实施方式a’）所示。但是，此分布可通过在光漫射光纤12的涂层顶部设置漫射材料来矫正。用包含基于TiO₂的白油墨的涂料制成的光漫射光纤（参见图6B，实施方式b’）所提供的漫射光角度分布具有明显更小的正向偏置。通过更厚的附加TiO₂油墨层（例如1-5μm），可以进一步减小正向漫射分量，从而增强角度强度分布的均匀性。但是，如图7所示，如果照明器设计可利用与后向反射镜或附加光源光连接的光纤（见图5），则即使光纤没有基于TiO₂的白油墨涂层，此构造也能提供较平坦（即非常均匀）的角度漫射强度（见图6A）。在一些实施方式中，油墨涂层沿着光纤长度的受控变化（油墨涂层厚度或者涂层中油墨浓度的变化）将提供另一种途径，使光纤在大角度（超过15度）上漫射的光的强度变化更均匀。

在一些实施方式中，油墨可以是将漫射光转换成波长更长的光的荧光材料。在一些实施方式中，通过将具有这种涂层的光漫射光纤12连接到UV光源，例如405nm或445nm的二极管激光器，可使光纤12发出白光（从外表面扩散出来）。在示例性实施方式中，荧光白光的角度分布是基本均匀的（例如在角度空间中为25%-400%，优选50-200%，甚至更优选50%-150%，或70%-130%，或80%-120%）。

要将光纤有效连接到低成本光源如发光二极管（LED）或太阳光上，需要光纤具有高NA和大纤芯直径。对于类似于图2所示的设计，可使多模纤芯20的尺寸最大化，并且可具有最高至500μm的半径。包覆厚度可小得多，例如约为15-30μm（例如约为20μm）。例如，根据一个实施方式，可将多根光漫射光纤12卷绕在支承结构上，每根光漫射光纤可光连接到光源或多个光源。多根光漫射光纤12可以以如下至少一种形式捆扎在一起：带、带堆(ribbon stack)或圆束(round bundle)。光纤束或光纤带（即多根光纤的集合）也可设置成光源的形状，以提高连接效率。典型的束/带结构可包含例如2-36根光漫射光纤12，或者可包含多达数百根光纤12。可作为多根光纤的组合件的光缆设计形式是众所周知的，可包括带、多根带的集合或者聚集成管的光纤。这种光纤可包括一根或多根光漫射光纤12。

连接到光漫射光纤中的连续亮光源可用于不同的应用，如标志或显示照明。如果照明系统使用纤芯直径为125-300μm的单根光纤12，则可使用多模激光二极管作为光源，用于将光提供到光纤12中。图8A显示了一个示例性光照装置（用于显示屏的亮边照明器），该装置使用单根光纤12，所述光纤12具有反射涂层，将光导向一个方向。根据一些实施方式中，具有光漫射光纤12的单光纤或多光纤照明可用于水环境中，例如用来照亮船坞、鱼线或鱼饵，以及相关应用，这些应用非常需要光漫射光纤12的小挠性尺寸和安全浸入水中的能力。光漫射光纤12也可用于出口照明、道路照明、为室内装饰品发射IR辐射，或者用作衣物，特别是防护/反射衣物中的线，以进一步提高穿着者的可见性。在装饰性照明中使用光漫射光纤12的例子有很多，但有些例子是用于器具发光和边缘效果，汽车/航空器照明，或者家用和家具照明。

图8B显示了生物生长系统98和用于该生物生长系统的照明系统100的一个示例性实施方式，其中生物室170是具有内部172的烧瓶的形式。光源150和光连接系统160被构造成用于将光从光源接入光导纤维的输入端。低漫射光导纤维12A的输出端与光漫射光纤12（光源光纤）的输入端相连。在图8B所示的实施方式中，光源光纤12由单根逆绕光纤形成。应注意的是，光纤12可卷绕在支撑结构上以形成光源光纤部分，其中导光从光纤外表面漫射，形成延伸光源，发出基本均匀的辐射。在光源光纤部分形成弯曲，以提高光漫射光纤12中的漫射量。逆绕至少一根光纤可通过补偿发出的辐射沿着光源光纤部分的长度的下降效应，从而提高辐射均匀性。可将多根光纤12依次卷绕到支撑结构上，每根光纤与光源相连，可用来形成很长的延伸光源。光漫射光纤12可被构造成适合各种生物室几何形状，并且为生物材料180的生物材料生长提供光。生物材料180可以是例如海藻（例如海藻群落、藻华）或细菌（例如蓝细菌）。在一个示例性实施方式中，生物材料180可悬浮在支持介质184（例如水）中。

在一个示例性实施方式中，光纤12可包含上面结合图2所讨论的涂层44。在一个示例性实施方式中，涂层44包括亲水涂层，例如提供改进的湿黏附性的UV固化丙烯酸酯涂层。涂层可以是可UV固化的涂层，其包含邻近玻璃的低模量主涂层（通常<3MPa）和较高模量的次涂层（通常>50MPa）。较高模量的次涂层邻近并位于主（模量较低的）涂层之上。也可利用其他的或者附加的涂层，作为单层涂层或者作为多层涂层中的一层施涂。此类材料的例子有亲水涂层44A（未示出），它起了细胞生长培养基的作用，或者作为包含能为逸出的光提供额外漫射的材料的涂层。这些涂层也可用作光纤12的保护性覆盖。

用于涂层44的示例性亲水涂层44A是那些常用来改善细胞黏附和生长到表面上并且包含羧酸官能团和胺官能团（例如包含丙烯酸或丙烯酰胺的制剂）的涂层。此外，可对亲水涂层44A进行强化，将其用作生物材料的生长所必需的营养物的储器。

在一些示例性实施方式中，涂层44包含吸收荧光或紫外光的分子，用来改进辐射光。涂层中还可包含合适的向上或向下转换分子(converter molecules)，用来产生波长不同于输入光源的波长的光。还可施涂油墨涂层，以改变发出的光的颜色或色调。其他涂层实施方式包括能为光纤发出的光提供额外漫射的分子。另一个实施方式可将光活性催化剂加到涂层上，以增大光反应速率。这种催化剂的一个例子是作为光催化剂的金红石TiO₂。

根据一些实施方式，光漫射光纤12可包在聚合物、金属或玻璃覆盖层（或涂层）中，其中所述涂层或覆盖层具有大于250μm的最小外尺寸（例如直径）。如果光纤具有金属涂层，则金属涂层可包含开口部分，以便将光优先导入给定区域。这些附加涂层或覆盖层还可包含其他化合物，以便按照与上面所述的涂覆在光纤上的涂层相同的方式改变发出的光或者对反应进行催化。

如上所述，光漫射光纤12可包含设置在光纤外表面上的亲水涂层。同样，可在光纤涂层中设置荧光物质（例如紫外光吸收材料），以及能够使发出的光发生额外漫射的分子。根据一些实施方式，与光漫射光纤12连接的光源产生波长范围为200-500nm的光，并且光纤涂层内的荧光材料（荧光物质）产生白光、绿光、红光或NIR（近红外）光。

此外，可在光纤外表面上提供附加涂层。此层可构造用来改进辐射光，改变涂层材料的相互作用。这种涂层的例子是分别包含例如但不限于聚(2-丙烯酰胺基-2-甲磺酸)、邻硝基苄基或偶氮苯部分之类的材料的涂层。

照明系统的一些示例性实施方式包括：(i)产生具有200-2000nm范围内的至少一种波长λ的光源；以及(ii)至少一根光漫射光纤12。光纤12包括纤芯、包覆和多个位于纤芯内或纤芯-包覆边界处的纳米尺寸结构32。该光纤还包含外表面，并且至少一端与光源光连接。如上所述，光漫射光纤12被构造成通过纳米尺寸结构（如孔隙）漫射导光，使其离开纤芯并通过外表面，以形成具有一定长度的光源光纤部分，光源光纤部分沿其长度发出基本均匀的辐射。对于200-2000nm范围内（例如400-700nm，或者1-2μm）的一个或多个波长，光漫射光纤12的漫射诱导衰减大于50dB/km。光纤12可具有多个形成于其中的弯曲部，以便优先在指定区域通过纳米尺寸结构32漫射光，使其离开纤芯20并通过外表面。优选地，在长度上，漫射光的照明强度与最大漫射照明强度的偏差小于30%。根据一些实施方式，漫射诱导衰减在100-6000dB/km之间，或者更高。在一些实施方式中，对于200-2000nm范围内的一个或多个波长，由光纤12的漫射引起的衰减是6000-20000dB/km。根据一些实施方式，光纤12的长度在0.5-100m之间，对于200-2000nm范围内的一个或多个波长的漫射诱导的衰减在300-5000dB/km之间，和/或大于3dB/光纤长度。在其他实施方式中，光纤12的长度在0.1-0.5m之间，对于200-2000nm范围内的一个或多个波长的漫射诱导的衰减在5000-20000dB/km之间。优选地，纳米尺寸结构32是填充气体的孔隙（例如填充SO₂的孔隙），其直径大于10nm，优选大于50nm，更优选大于100nm。优选地，光纤包覆是玻璃或聚合物，至少厚20μm。包覆与所述纤芯一起提供0.2或更大的NA。如上所述，通过在拉制过程中控制光纤拉力，可实现照明沿光纤长度的均匀性（与最大强度相差约30%，优选与最大强度相差约20%以内，更优选与最大强度相差约10%以内）。如前所述，在与连接到光源的光纤端相反的光纤端连接反射器，利用此反射器可进一步降低照明均匀性。

从而，根据一些实施方式，光漫射光纤12包含至少部分填充用来漫射光的纳米结构的纤芯、围绕纤芯的包覆以及至少一层围绕包覆的涂层。例如，纤芯和包覆可用主和次涂层和/或油墨层包围。在一些实施方式中，油墨层包含颜料以提供额外的吸收，并改进光纤所漫射的光的光谱（例如为漫射的光提供额外的颜色）。在其他实施方式中，一个或多个涂层包含对通过纤芯传播的光的波长进行转换的分子，使从光纤涂层发出的光（被光纤漫射的光）具有不同的波长。在一些实施方式中，油墨层和/或涂层可包含磷光体，从而将从纤芯出来的漫射光转换为不同波长的光。在一些实施方式中，磷光体和/或颜料分散在主涂层中。在一些实施方式中，颜料分散在次涂层中；在一些实施方式中，颜料分散在主和次涂层中。在一些实施方式中，磷光体和/或颜料分散在聚合包覆中。优选地，纳米结构是填充了SO₂的孔隙。

根据一些实施方式，光纤12包含主涂层、包围主涂层的任选次涂层和/或油墨层（例如直接位于包覆或者涂层之一的上面）。主和/或次涂层可包含下面至少一种：颜料、磷光体、荧光材料、UV吸收材料、亲水材料、调光材料或其组合。

多根光漫射光纤12可以以如下至少一种形式捆扎在一起：带、带堆(ribbonstack)或圆束(round bundle)。光纤束或光纤带（即多根光纤的集合）也可设置成光源的形状，以提高连接效率。典型的束/带结构可包含例如2-36根光漫射光纤12，或者加上叠置的光纤，可包含多达数百根光纤12。

如上所述，光纤可包含设置在光纤外表面上的亲水涂层。或者，亲水涂层可设置在光纤带的外表面上。光纤带也可设置成光源的形状，为光漫射光纤12与光源之间提供更好地连接。带结构带来的一个优点是不需要卷绕单根光纤，因为光纤带可形成弯曲结构，如波状、螺旋状或螺线状，从而使光能够漫射到所需区域。此外，使用多条光纤带提供了得到大堆的光纤带的可行性。这种光纤带堆可提供聚集量更大的光，同时为不同光源如红色激光、太阳光、发光二极管的使用或者点光源的传导开辟了可能性。例如，根据一个实施方式，可将多根光漫射光纤12光连接到单一光源或者多个光源，同时将光漫射光纤12捆扎成下面至少一种形式：带、带堆或圆束。此外，光漫射光纤12的束或带可通过传输光纤连接到光源，所述传输光纤能够以最小的损耗将光导向光漫射光纤。可以预期，后面这种构造对远程光照应用非常有用，其中光是从远离光的输送目的地的光源收集的。

根据一些实施方式，光漫射光纤包括：(1)纤芯、包覆和多个位于所述纤芯内或纤芯-包覆边界处的纳米尺寸结构，所述光纤还包含外表面，并被构造成(i)通过所述纳米尺寸结构将导光从纤芯经外表面漫射出去，(ii)在照明波长处具有大于50dB/km的漫射诱导衰减；以及(2)一层或多层涂层，使得包覆或者至少一层涂层包含磷光体或颜料。根据一些实施方式，这些颜料可以能够改变光的波长，从而使得通过光纤外表面提供的照明（漫射光）具有不同于通过光纤芯传播的光的波长。优选地，纳米结构是填充了SO₂的孔隙。

根据一些实施方式，光漫射光纤包括：纤芯、包覆和多个位于所述纤芯内或纤芯-包覆边界处的纳米尺寸结构。所述光纤还包含外表面，并被构造成(i)通过所述纳米尺寸结构将导光从纤芯经外表面漫射出去，(ii)在照明波长处具有大于50dB/km的漫射诱导的衰减；其中整个纤芯包含纳米尺寸结构。所述光纤可任选地包含至少一层涂层，使得包覆或至少一层涂层包含磷光体或颜料。根据一些实施方式，纳米结构是填充了SO₂的孔隙。

根据一些实施方式，光漫射光纤包括：纤芯和多个位于所述纤芯内的纳米尺寸结构，从而使得整个纤芯包含纳米结构，所述光纤还包含外表面，并被构造成(i)通过所述纳米尺寸结构将导光从纤芯经外表面漫射出去，(ii)在照明波长处具有大于50dB/km的漫射诱导的衰减，其中光纤不包含包覆。根据一些实施方式，纳米结构是填充了SO₂的孔隙。纳米结构区域中填充了SO₂的孔隙极大地促进了漫射（改善了漫射）。

根据一些实施方式，光漫射光纤包括：纤芯和多个位于所述纤芯内的纳米尺寸结构，从而使得整个纤芯包含纳米结构，所述光纤还包含外表面，并被构造成(i)通过所述纳米尺寸结构将导光从纤芯经外表面漫射出去，(ii)在照明波长处具有大于50dB/km的漫射诱导的衰减，其中所述光纤不包含包覆。根据一些实施方式，光纤包含至少一层涂层，从而使得包覆或者涂层包含磷光体或者颜料。根据一些实施方式，纳米结构是填充了SO₂的孔隙。如上所述，纳米结构区域中填充了SO₂的孔隙极大地促进了漫射（改善了漫射）。

图9所示是用于彩色显示器的背光的示意图。在图中，背光210包括三种不同的挠性光漫射波导212、214和216，它们来回卷绕多次以产生多个波导区段（在所示实施方式中，15个波导区段，3个波导每个包括5个波导区段），所述多个波导区段相互基本平行排列。每个波导的端部与紫外光源218、219相连，所述紫外光源218、219在405纳米的波长处发射电磁辐射。分别设置在三个光纤212、214和216上（例如聚合外涂层内）的是不同的发光体。例如，三种不同的发光体可对应红色、绿色和蓝色。本领域技术人员应理解的是，可能需要图9所示的类型的多个单元，以提供用于液晶显示器（例如彩色电视机）的背光。对于挠性发光装置，可能希望采用例如白光发光体的如图9所示的多个单元。

可以通过如下方式提供采用背光210的视频显示板，在显示器的多重离散区域采用多个像素元件260，例如快门元件261a、261b和261c，它们选择性地阻止或允许光的通过，所述光来自发射不同颜色（例如，红色、绿色和蓝色）的光漫射光纤212、214和216中的没有、一个或任意组合。每个光纤与对应于适当颜色的可单独寻址(individually addressable)的快门或像素对齐。基于液晶，所述快门或像素可以是机械或电致变色的，或者采用任意常规的方式来控制允许通过光纤并显示的光的量。采用多重此类元件以提供完全功能化的视频显示器。应理解的是，元件260仅仅是示意性的，并且可以采用具有一个或者通常任意数量的单个快门或像素的快门元件。

如图10所示是另一个实施方式210’，其中每个像素212、214、216与发射不同波长的光的光源218a、218b、218c、219a、219b和219c（例如激光）相连，以提供全彩色显示器。图10仅仅是示意性的，应理解的是，对于大多数应用，包括彩色电视机，可能需要多个单元210’。背光210’也可与上文所述和图9中所示的实施方式中所用的那些相似的快门元件一起使用。

图11显示了可绕着非平面物体缠绕并且可具备此类非平面物体的形状的的挠性板300。

图12示意性地显示了例如用于电视机的彩色显示器，其包含与液晶显示器220相邻设置的挠性背光210（或210’），所述挠性背光210（或210’）选择性地传输或阻止平面中的各个点阵列的光，所述平面平行于包含挠性背光210的多个波导区段并与之紧邻设置。背光210和液晶显示器220设置在相邻平行平面中，并且显示器可以沿着垂直于那些平面的方向观察，如箭头230所示。

本文所述的背光和/或视频显示器的某些实施方式的另一个优点在于，背光和/或显示器的热管理（即温度控制）被完全消除不再是一个问题，或者被容易地管理，例如通过单独使用足够的通风，或者与可以是几乎静音的低速小风扇联用。通常来说，在照明过程中，基本没有热量传递通过光漫射光纤或者在光漫射光纤中产生热量，并且通过发光体使得光从一个波长（例如，白光、蓝光或者紫外光）转变到另一个波长的过程中仅有非常少量的能量被转化成热量，在紧邻发光体附近的通常温度增加的峰值小于5摄氏度。

潜在地，使用激光光源可能需要主动热管理。但是，所揭示的背光和/或显示器提供了额外的优势：其允许光源的位置远离背光和/或显示器，使得光从光源通过传输光纤（非光漫射光纤）传输到背光和/或显示器。该传输可以约为最高至数百英尺，而不会造成任意明显的功率损失，容易地实现光源与背光和/或显示器的热分离和声分离。

对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离权利要求书的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。

Claims (21)

1.一种挠性发光板，其包括：

挠性光漫射波导或者多个挠性光漫射波导，其排列成限定了具有纵轴的多个波导区段，所述纵轴基本相互平行，每个波导区段与相邻波导区段紧邻；以及

光源或多个光源，其与挠性波导或多个挠性波导相连。

2.如权利要求1所述的挠性发光板，其特征在于，所述光漫射波导包括：

(i)玻璃纤芯，其包括：

(a)在所述纤芯内具有多个纳米尺寸结构的区域，其构造成通过所述纳米尺寸结构将导光向外表面漫射出去，使得所述光漫射光纤在照明波长处具有大于50dB/km的漫射诱导的衰减；以及

(b)固体玻璃区，其围绕所述具有多个纳米尺寸结构的区域，所述固体玻璃区的折射率Δ大于所述具有多个纳米尺寸结构的区域的折射率；以及

(ii)围绕所述纤芯的低折射率包覆，所述包覆的折射率Δ小于所述固体玻璃区的折射率。

3.如权利要求2所述的挠性发光板，其特征在于，相对于二氧化硅，所述低折射率包覆的折射率Δ小于-0.5%。

4.如权利要求2所述的挠性发光板，其特征在于，所述低折射率包覆是玻璃或者聚合物。

5.如权利要求2所述的挠性发光板，其特征在于，所述纤芯的直径大于50μm且小于500μm，和/或纤芯的数值孔径大于0.2。

6.如权利要求1所述的挠性发光板，所述挠性发光板还包括用于控制从发光板发出的光的颜色的方式。

7.如权利要求6所述的发光板，其特征在于，所述用于控制从发光板发出的光的颜色的方式包括设置在所述波导区段上和/或其中的发光体。

8.如权利要求6所述的发光板，其特征在于，所述用于控制从发光板发出的光的颜色的方式包括将所述挠性光漫射波导或者多个光漫射波导与发射不同波长的多个光源相连。

9.如权利要求6所述的发光板，其特征在于，在所述波导区段上或者其中设置白色发光体。

10.如权利要求1所述的发光板，其特征在于，在光漫射波导中多重复用多个激光光源，或者在多个光漫射波导中分别采用多个激光光源。

11.如权利要求1所述的发光板，其特征在于，所述波导区段与相邻波导区段的间距小于2毫米。

12.如权利要求2所述的挠性发光板，其特征在于，所述波导是光纤。

13.如权利要求2所述的挠性发光板，其特征在于，所述纳米尺寸结构是填充气体的孔隙。

14.一种挠性显示板，其包括：

至少3个挠性光漫射波导，其排列成限定了具有纵轴的多个波导区段，所述纵轴基本相互平行，并且每个波导区段与相邻波导区段紧邻；以及

像素元件，其用于在平面中的各个点阵列选择性地传输或阻止光以限定像素阵列，所述平面与所述多个波导区段相邻。

15.如权利要求14所述的挠性显示板，其特征在于，用于选择性地传输或阻止光的方式是液晶显示板。

16.如权利要求14所述的挠性显示板，所述挠性显示板还包括至少3个光源，每个光源发射不同波长，并且每个光源与所述至少3个挠性光漫射波导中的不同的一个光连接。

17.如权利要求14所述的挠性显示板，其特征在于，三个光源是红色、蓝色和绿色。

18.如权利要求14所述的挠性显示板，其特征在于，在3个挠性光漫射波导上或者其中分别设置不同的发光体。

19.如权利要求18所述的挠性显示板，其特征在于，3个发光体发射红光、蓝光和绿光。

20.如权利要求14所述的挠性发光板，其特征在于，所述光漫射波导包括：

(i)玻璃纤芯，其包括：

(a)在所述纤芯内具有多个纳米尺寸结构的区域，其构造成通过所述纳米尺寸结构将导光向外表面漫射出去，使得所述光漫射光纤在照明波长处具有大于50dB/km的漫射诱导的衰减；以及

(b)固体玻璃区，其围绕所述具有多个纳米尺寸结构的区域，所述固体玻璃区的折射率Δ大于所述具有多个纳米尺寸结构的区域的折射率；以及

(ii)围绕所述纤芯的低折射率包覆，所述包覆的折射率Δ小于所述固体玻璃区的折射率。

21.如权利要求14所述的挠性显示板，其特征在于，所述像素元件是快门元件。

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