CN107430241A - 具有散射中心的包层的光漫射光学元件 - Google Patents
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Abstract
与具有高数值孔径的光源高效耦合的光漫射光学元件。光漫射光学元件包括被较低折射率的包层围绕的较高折射率的芯。包层包括散射中心，其散射了从芯进入包层的渐逝光。散射光离开元件沿着元件提供宽区域照明。散射中心包括掺杂剂、纳米颗粒和/或内部空穴。芯也可包括散射中心。芯是玻璃以及包层可以是玻璃或者聚合物。元件的特征是高数值孔径和高散射效率。
Description
本申请根据35U.S.C.§119，要求2015年02月06日提交的美国临时申请系列第62/112,852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。
技术领域
本公开涉及用于漫射光以提供宽区域照明的光学元件。更具体地，本公开涉及具有高散射效率以实现高效光漫射的光学元件。光学元件也可以具有大数值孔径以实现与LED和激光二极管照明源的高效耦合。
背景技术
许多光学系统使用光纤从远处光源向目标终点传送光。在典型系统中，光源被耦合至光纤从而光源所提供的光被光纤引导至目标终点。光纤已被广泛地用于通信中来传递以光信号的形式编码的信息。通信链路包括将电信号转换为光信号的发射机。光信号被发射到光纤中且被传送到接收机，该接收机将光信号重新转换成电信号，以便在链路的终端进一步处理。光纤也已经被用作为点照明源。在这些应用中，来自源的光被耦合到光纤的接收端，并作为照明光束从光纤的终端出现。
最近已经有兴趣将光纤的使用扩展到宽区域照明的应用。在这些系统中，目的是实现沿至少部分的光纤长度的光的受控发射。作为使用光纤来限制光且以最小量损耗传送来自光源的光从而向位于光纤轴方向的目标提供光信号或点照明的替代，目的是将光纤的横向表面用作在光纤的径向上工作的宽区域照明源。
光漫射光纤是一类能被用作宽区域照明源的光纤。光漫射光纤被设计成将沿光纤轴方向传播的光以径向方向散射出光纤。径向散射通常通过将纳米结构空穴结合到光纤的芯区域中实现的。空穴是通常填充有气体的低折射率区域，且具有通过光纤传播的光的波长级的尺寸。空穴和周围致密玻璃基质之间的折射率对比影响光的散射。可以通过控制空穴的尺寸、空间排列和数量密度来控制散射效率，从而控制散射光的强度。除了宽区域照明，还可在显示器中采用光漫射光纤以及采用光漫射光纤作为光化学应用中的光源。有关光漫射光纤和代表性应用的其他信息可以在美国专利第7,450,806号和第8,591,087号中找到，其公开内容通过引用并入本文。
随着远离传统的白炽光源的增长趋势，LED和激光二极管成为光纤越来越重要的光源。由于横截面积和数值孔径(NA)的不匹配，LED和激光二极管对光纤的有效耦合面临挑战。LED和激光二极管的横截面积和数值孔径远大于典型光纤的横截面积和数值孔径。
改善耦合效率的一种策略是增加光纤的直径。然而，该方法的缺点在于为了保持光纤的柔韧性，希望将玻璃部分(芯+包层)的直径保持等于或小于约125μm。由于需要大得多的直径以有效地耦合到LED和激光二极管，该方法在需要光纤柔韧性的应用中具有有限的效果。
改善耦合效率的第二种策略是增加光纤的数值孔径。然而，这种策略对于常规光漫射光纤而言难以实现，因为在芯区域中使用的以提供光漫射光纤所需的散射效率的空穴是低折射率区域并且导致芯的平均折射率的降低。由于增加芯的折射率有利于高数值孔径，所以通过在芯区域中包含低折射率空穴来增加在光漫射光纤中的散射效率的需要与增加光漫射光纤的数值孔径的目的相冲突，并且这使得实现LED和激光二极管与光漫射光纤之间的有效耦合更加困难。
存在对于如下光漫射光学元件的需求，其有效地耦合到LED和激光二极管，同时保持在不可能部署常规光源的狭窄空间、弯曲配置和区域部署维持所需的柔韧性。
发明内容
本公开提供了用于宽区域照明的光漫射元件，其有效地耦合到LED和激光二极管光源。光漫射元件包括芯和包层。芯由玻璃构造。包层由玻璃或聚合物构造。包层包括散射中心。芯也可包括散射中心。散射中心包括掺杂剂、纳米颗粒和内部空穴。从光源提供的光进入芯并被引导穿过光漫射元件。
散射中心可以是纳米结构区域或微结构区域，其用于在径向、横向或离轴方向上重新定向沿元件的中心轴线的方向传播的光。散射光可以离开元件的横向表面以提供宽区域照明。从芯进入包层的渐逝光通过包层中的散射中心被散射从而提供照明效果。
散射中心可以分布在元件的整个横截面方向上或者局部位于元件的特定区域。散射中心可以分布在芯的整个横截面区域上或者局部位于芯的特定区域。散射中心可以分布在包层的整个横截面上或者局部位于包层的特定区域。散射中心可以在芯中、在包层中、或在芯和包层两者中。
散射中心可以被配置为在25nm至20μm的范围内散射一个或多个波长的光。
光漫射元件可以直接耦合到光源或通过中间元件耦合到光源。光源可以是灯、激光器、激光二极管或者LED。中间元件可以是光学元件、透明玻璃棒或者透光聚合物。
本说明书延伸至：
光漫射元件，包括：
玻璃芯，所述玻璃芯的直径大于65μm；以及，
围绕所述玻璃芯的包层，所述包层具有比所述玻璃芯低的折射率，所述包层包括第一散射中心，所述第一散射中心具有尺寸至少为25nm的横截面；
其中，所述元件展现出至少0.1dB/m的光散射损失。
本说明书延伸至：
照明系统，包括：
光学耦合到光漫射元件的光源，所述光漫射元件包括：
玻璃芯，所述玻璃芯的直径大于65μm；以及，
围绕所述玻璃芯的包层，所述包层具有比所述玻璃芯低的折射率，所述包层包括第一散射中心，所述第一散射中心具有尺寸至少为25nm的横截面；
其中，所述元件展现至少0.1dB/m的光散射损失。
本说明书延伸至：
用于形成光漫射元件的方法，包括：
形成芯，所述芯包括玻璃；
在所述芯上形成包层，所述包层包括第一散射中心，所述第一散射中心具有尺寸至少为25nm的横截面。
以下的详细描述将阐述附加的特征和优点，这些特征和优点部分地对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施本文所述的实施方式可认识到，包括以下详细描述、权利要求书以及附图。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅仅是示例性的，并旨在提供用于理解权利要求本质和特性的概览或框架。各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被收入并构成本说明书的一部分。附图示出一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各实施方式的原理和操作。
各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被收入并构成本说明书的一部分。附图示出一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各实施方式的原理和操作。
附图说明
图1是光漫射元件的横截面示意图。
图2是在芯中具有散射中心的光漫射元件的横截面示意图。
图3是在包层中具有散射中心的光漫射元件的横截面示意图。
图4是在芯和包层中具有散射中心的光漫射元件的横截面示意图。
图5显示包括耦合至光漫射元件的光源的照明系统。
图6显示具有玻璃芯、聚合物包层和保护涂层的光漫射元件。
图7对比了具有内部空穴和纳米颗粒形式的散射中心的光漫射元件中光学信号的计算衰减。
详细描述
本公开提供了用于宽区域照射的光漫射元件，其有效地耦合到包括LED和激光二极管光源的各种光源。光漫射元件包括芯和包层。芯由玻璃构造。包层由玻璃或聚合物构造。包层包括散射中心。芯也可包括散射中心。散射中心包括掺杂剂、纳米颗粒和空穴。从光源提供的光进入芯并被引导穿过光漫射元件。被引导的光在光漫射元件中的传播方向在本文中可被称为纵向或轴向。散射中心影响在光漫射元件中传播的光的散射。如本文所用，散射是指沿着除了纵向方向之外的方向进行传播的光的重新定向。散射光的方向可被称为离轴方向、横向方向或横置方向。至少一部分散射光通过光漫射元件的横向表面并离开光漫射元件以提供照明效果。照明效果可以是例如通过沿着元件的全部长度或一部分长度的照明而提供的宽阵列照明。
光漫射元件包括芯和围绕芯的包层。芯在本文中也可被称为芯区域。包层在本文中也可以称为包覆、包覆区或包层区。芯具有比包层更高的折射率。光漫射元件的长度具有长度尺寸且横截面具有横截面尺寸。长度尺寸是元件的轴向尺寸，横截面尺寸是与光传播方向成横向的方向。在光漫射元件具有杆状构造的情况下，例如，光漫射元件的长度尺寸为轴向尺寸的情况下，横截面可以是圆形且横截面尺寸可以是直径。然而，应当理解，光漫射元件的横截面可以是任意形状，并且可以包括圆形或平坦侧面形(flat sides)。横截面的形状可以包括圆形、椭圆形、方形、矩形和多边形以及包括圆形和平坦侧面形组合的形状。如本文所用，横截面尺寸是指连接横截面的轮廓(例如圆周、周长)上的两个点的最长直线距离。例如，对于圆形横截面，横截面尺寸为直径；对于椭圆横截面，横截面尺寸是长轴的长度；以及对于正方形或矩形横截面，横截面尺寸是对角之间的距离。还应理解的是，横截面的形状和/或尺寸沿着光漫射元件的长度尺寸可以是恒定的或可变的。例如，具有圆形横截面的光漫射元件可以是锥形的，其中圆形横截面的直径沿着光漫射元件的长度而变化。
图1描绘了具有圆形横截面的光漫射元件的横截面。光漫射元件10包括芯12和包层14。光漫射元件10可任选地包括围绕包层14的保护涂层(未示出)。芯的横截面尺寸可以是至少65μm，或至少80μm，或至少100μm，或至少150μm，或至少200μm，或至少250μm，或至少300μm，或在65μm至500μm之间，或在100μm至400μm之间，或在200μm至350μm之间。包层14的厚度可以是至少10μm，或至少15μm，至少20μm，至少25μm，或在10μm至80μm之间，或在10μm至40μm之间，或在15μm至35μm之间，或在20μm至30μm之间。当存在时，围绕包层14的任选的保护涂层具有的厚度可以是至少20μm，或至少40μm，至少60μm，至少80μm，或在20μm至120μm之间，或在30μm至100μm之间，或在40μm至80μm之间。
在一个实施方式中，光漫射元件的芯和包层的总横截面尺寸明显大于常规传输光纤的芯和包层区域的约125μm的典型总横截面尺寸。波导的光捕获效率与其集光率成比例，该集光率定义为G＝S(NA)2，其中，S是横截面积，NA是波导的数值孔径。光漫射元件的较大横截面尺寸导致相对于常规传输光纤的集光率增加，并且该增加的数值孔径改善了耦合到LED和激光二极管光源的效率。例如，典型的LED源的横截面面积为1mm2或以上、数值孔径(NA)约为0.9，而典型的透射光纤的横截面面积约为0.2mm2、数值孔径约为0.5或以下。
光漫射元件10的长度可以是至少1cm，或至少5cm，或至少20cm，或至少50cm，或至少100cm，或在1cm至1000cm之间，或在1cm至100cm之间，或在1cm至50cm之间，或在1cm至20cm之间，或在5cm至100cm之间，或在5cm至50cm之间，或在5cm至20cm之间。
芯是诸如二氧化硅玻璃或改性二氧化硅玻璃之类的玻璃。包层可以是玻璃或聚合物。包层玻璃包括二氧化硅玻璃或改性二氧化硅玻璃。包层聚合物包括丙烯酸酯聚合物。
在一个实施方式中，包层聚合物是包层组合物的固化产物，其包含可固化交联剂、可固化稀释剂和聚合引发剂。包层组合物可以包括一种或多种可固化交联剂、一种或多种可固化稀释剂，和/或一种或多种聚合引发剂。在一个实施方式中，可固化交联剂基本上不含氨基甲酸酯和脲官能团。
如本文所用术语“可固化”旨在表示当暴露于合适的固化能量源时，所述组分包括一种或多种能够形成共价键的可固化官能团，所述共价键参与将组分连接到其自身或其它组分以形成聚合物包层材料(即，固化产物)。固化过程可能由辐射或热能引起。可辐射固化组分是当以足够长的时间暴露于合适强度合适波长的辐射下时，可以被诱导进行固化反应的组分。辐射固化反应可以在存在光引发剂时发生。可辐射固化组分也可任选地是可热固化的。类似地，可热固化组分是当以足够长的时间暴露于足够强度的热能时可以被诱导进行固化反应的组分。可热固化组分也可任选地是可辐射固化的。
可固化组分可以包括一个或多个可固化官能团。仅具有一个可固化官能团的可固化组分在本文中可称为单官能可固化组分。具有两个或更多个可固化官能团的可固化组分在本文中可称为多官能可固化组分或多重官能可固化组分。多官能可固化组分包括在固化过程中能够形成共价键的两个或更多个官能团，并且能将交联引入在固化过程中形成的聚合物网络中。多官能可固化组分在本文中也称为“交联剂”或“可固化交联剂”。在固化过程中参与共价键形成的官能团的示例在下文中被标识。
在以下的包层组合物的描述中，将讨论用于形成包层聚合物的包层组合物的各种组分，并且包层组合物中特定组分的量将依照重量百分比(wt％)或份/一百(pph)来指定。包层组合物的组分包括基础组分和添加剂。基础组分的浓度将按照wt％来表示，添加剂的浓度将按照pph来表示。
如本文所用，特定基础组分的重量百分比是指在不包括添加剂的基础上存在于包层组合物中的组分的量。无添加剂包层组合物仅包含基础组分，且在本文中可以称为基础组合物或基础包层组合物。存在于包层组合物中的一种或多种交联剂组分、一种或多种稀释剂组分和一种或多种聚合引发剂可单独地被认为是基础组分以及共同地被认为是基础组合物。基础组合物最少包括可辐射固化组分和聚合引发剂。可辐射固化组分可以是可辐射固化交联剂或可辐射固化稀释剂。然而，基础组合物可以包括一种或多种可辐射固化交联剂组分、一种或多种可辐射固化稀释剂组分、一种或多种非可辐射固化组分和一种或多种聚合引发剂。包层组合物中的基础组分的总量在本文中被认为等于100重量％。
添加剂是任选的，并且可以包括粘合促进剂、抗氧化剂、催化剂、载体或表面活性剂、增粘剂、稳定剂和光增白剂中的一种或多种。下文更详细地描述代表性添加剂。在本文中，引入包层组合物中的添加剂的量以相对于基础组合物的份/一百(pph)来表示。例如，如果将1g特定添加剂加入100g基础组合物中，则添加剂的浓度将在本文中表示为1pph。
在一个实施方式中，可固化交联剂是包层组合物的可辐射固化组分，因此它包括能够参与交联剂共价键合成或交联成聚合物包层材料的一种或多种官能团。在一个实施方式中，可固化交联剂包括两个或更多个可辐射固化的官能团。能够参与交联的示例性官能团包括α,β-不饱和酯、酰胺、酰亚胺或乙烯基醚基团。
在一个实施方式中，可固化交联剂基本上不含氨基甲酸酯或脲官能团。可固化交联剂也可以基本上不含硫代氨基甲酸酯或硫代脲基团。对于“基本上不含”，优选小于1重量％的可固化交联剂组分包括(硫代)氨基甲酸酯或(硫代)脲基团。在优选实施方式中，小于0.5重量％的总可固化交联剂组分包括(硫代)氨基甲酸酯或(硫代)脲基团。在最优选实施方式中，可固化交联剂组分完全不含(硫代)氨基甲酸酯和(硫代)脲基团这两者。
当标识诸如氨基甲酸酯和硫代氨基甲酸酯基团、或脲和硫脲基团、或异氰酸酯或硫代异氰酸酯基团之类的某些基团时，这些基团可以在本文中一般被标识为(硫代)氨基甲酸酯、(硫代)脲、或(硫代)异氰酸酯或二(硫代)异氰酸酯以表示硫原子可存在于或不存在于基团中。此类基团在本文中可以称为(硫代)基团，并且含有(硫代)基团的组分在本文中可以称为(硫代)组分。本文的实施方式延伸到包层组合物，所述包层组合物包括在(硫代)官能团中含有硫原子或不含硫原子的(硫代)组分，以及如下组合物，所述组合物包括含有硫原子的一些(硫代)组分和不含硫原子的一些(硫代)组分。
在某些实施方式中，可固化交联剂组分包括一种或多种多元醇，其包含两个或多个α,β-不饱和酯、酰胺、酰亚胺或乙烯基醚基团，或其组合。这些多元醇交联剂的示例性类别包括但不限于包含超过一种丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、马来酸酯、富马酸酯、丙烯酰胺、马来酰亚胺或乙烯基醚组的多元醇丙烯酸酯、多元醇甲基丙烯酸酯、多元醇马来酸酯、多元醇富马酸酯、多元醇丙烯酰胺、多元醇马来酰亚胺或多元醇乙烯基醚。可固化交联剂的多元醇部分可以是聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇或烃多元醇。
可固化交联剂组分的分子量优选约为150g/摩尔至约15000g/摩尔之间，在一些实施方式中优选约为200g/摩尔至约9000g/摩尔之间，在一些实施方式中优选约为1000g/摩尔至约5000g/摩尔之间，在其它实施方式中优选约为200g/摩尔至约1000g/摩尔之间。可固化交联剂的分子量还可以是100g/摩尔至3000g/摩尔范围内，或是150g/摩尔至2500g/摩尔范围内，或是200g/摩尔至2000g/摩尔范围内，或是500g/摩尔至1500g/摩尔的范围内。
可固化交联剂组分以约1％至约20％重量的量、或以约2％至约15％重量的量、或以约3％至约10％重量的量存在于包层组合物中。
可固化的稀释剂是通常较低的分子量(即，约120至600g/摩尔)的液体单体，其被添加到制剂中以控制粘度从而提供用常规液体涂层设备涂敷涂层组合物所需的流动性。可固化的稀释剂包含至少一种官能团，其在固化过程中激活时允许将稀释剂从可固化交联剂和其它可固化组分连接至在固化过程中形成的聚合物。可存在于可固化稀释剂中的官能团包括但不限于丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、马来酸酯、富马酸酯、马来酰亚胺、乙烯基醚和丙烯酰胺基团。
单官能稀释剂将仅包含单个反应性(可固化的)官能团，而多官能稀释剂将包含两个或多个反应性(可固化的)官能团。尽管前者可以在固化期间连接到包层聚合物网络，但是后者可以在包层聚合物网络内形成交联。
当希望使用防水组分时，稀释剂组分将基于其与所选的一种或多种防水交联剂或一种或多种组分的相容性被选择。不是所有这样的液体单体可以被成功地与一种或多种防水性交联剂或一种或多种组分混合和共聚，因为这样的一种或多种交联剂或一种或多种组分是高度非极性的。为了满意的包层组合物的相容性和防水性，希望使用包含较高饱和的脂族单丙烯酸酯单体或二丙烯酸酯单体或烷氧基丙烯酸酯单体的液体丙烯酸酯单体组分。
合适的多官能烯键式不饱和单体稀释剂包括但不限于：羟甲基丙烷聚丙烯酸酯，其经过或者未经过烷氧基化，例如乙氧基化的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，乙氧基化程度大于或等于3，优选是3至约30(例如，购自IGM树脂公司(IGM Resins)的Photomer 4149和购自沙多玛有限公司(Sartomer Company,Inc.)的SR499)，丙氧基化的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，丙氧基化程度大于或等于3，优选是3-30(购自IGM树脂公司的Photomer 4072；和购自沙多玛有限公司的SR492和SR501)以及二-三羟甲基丙烷四丙烯酸酯(例如，购自IGM树脂公司的Photomer 4355)；烷氧基化的甘油基三丙烯酸酯，例如，丙氧基化的甘油基三丙烯酸酯，丙氧基化程度大于或等于3(例如，购自IGM树脂公司的Photomer 4096和购自沙多玛有限公司的SR9020)；赤藓醇聚丙烯酸酯，其经过或者未经烷氧基化，例如，季戊四醇四丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR295)、乙氧基化的季戊四醇四丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR494)和二季戊四醇五丙烯酸酯(例如，购自IGM树脂公司的Photomer 4399和购自沙多玛有限公司的SR399)；异氰脲酸酯聚丙烯酸酯，其是通过适当官能化的异氰脲酸酯与丙烯酸或丙烯酰氯反应形成的，例如，三-(2-羟基乙基)异氰脲酸酯三丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR368)和三-(2-羟基乙基)异氰脲酸酯二丙烯酸酯；醇聚丙烯酸酯，其经过或者未经烷氧基化，例如，三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的CD406)、烷氧基化的己二醇二丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的CD564)、三亚丙基二醇二丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR306)和乙氧基化的聚乙二醇二丙烯酸酯，乙氧基化程度大于或等于2，优选约为2-30；环氧丙烯酸酯，其是通过将丙烯酸酯添加到双酚A二缩水甘油醚等形成的(例如，购自IGM树脂公司的Photomer 3016)；以及单环和多环环芳族或非芳族聚丙烯酸酯，例如二环戊二烯二丙烯酸酯。
还希望使用一定量的单官能烯键式不饱和单体稀释剂，其可以被引入来影响固化产物吸收水的程度、与其他包层组合物材料粘附的程度或者应力下的行为。示例性单官能烯键式不饱和单体稀释剂包括但不限于：羟基烷基丙烯酸酯，例如，2-羟基乙基丙烯酸酯、2-羟基丙基丙烯酸酯和2-羟基丁基丙烯酸酯；长链和短链烷基丙烯酸酯，例如，甲基丙烯酸酯、乙基丙烯酸酯、丙基丙烯酸酯、异丙基丙烯酸酯、丁基丙烯酸酯、戊基丙烯酸酯、异丁基丙烯酸酯、叔丁基丙烯酸酯、戊基丙烯酸酯、异戊基丙烯酸酯、己基丙烯酸酯、庚基丙烯酸酯、辛基丙烯酸酯、异辛基丙烯酸酯(例如，购自沙多玛(Sartomer)有限公司的SR440和购自CPS化学品公司(CPS Chemical Co.)的Ageflex FA8)，2-乙基己基丙烯酸酯、壬基丙烯酸酯、癸基丙烯酸酯、异癸基丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR395和购自CPS化学品公司的Ageflex FA10)，十一烷基丙烯酸酯、十二烷基丙烯酸酯、十三烷基丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR489)、月桂基丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR335、购自新泽西州旧桥(Old Bridge,N.J.)的CPS化学品公司的Ageflex FA12和购自IGM树脂公司的Photomer 4812)、十八烷基丙烯酸酯、和硬脂酰丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR257)；氨基烷基丙烯酸酯，例如，二甲基氨基乙基丙烯酸酯、二乙基氨基乙基丙烯酸酯和7-氨基-3,7-二甲基辛基丙烯酸酯；烷氧基烷基丙烯酸酯，例如，丁氧基乙基丙烯酸酯、苯氧基乙基丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR339，购自CPS化学品公司的Ageflex PEA和购自IGM树脂公司的Photomer 4035)、苯氧基缩水甘油基丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的CN131)、月桂氧基缩水甘油基丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的CN130)和乙氧基乙氧基乙基丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR256)；单环和多环环芳族或者非芳族丙烯酸酯，例如环己基丙烯酸酯、苄基丙烯酸酯、二环戊二烯丙烯酸酯、二环戊基丙烯酸酯、三环癸基丙烯酸酯、冰片基丙烯酸酯、异冰片基丙烯酸酯(例如，购自沙多玛公司的SR423和SR506和购自CPS化学品公司的Ageflex IBOA)、四氢糠基丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR285)、己内酯丙烯酸酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR495和购自康涅狄格州丹伯里的联合碳化物公司(Union Carbide Company,Danbury,Conn)的Tone M100)、和丙烯酰基吗啉；基于醇的丙烯酸酯，例如，聚乙二醇单丙烯酸酯、聚丙二醇单丙烯酸酯、甲氧基乙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚丙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、乙氧基二乙二醇丙烯酸酯，和各种烷氧基化烷基酚丙烯酸酯，例如，乙氧基化(4)壬基酚丙烯酸酯(例如，购自IGM树脂公司的Photomer 4003，和购自沙多玛有限公司的SR504)、和丙氧基化壬基酚丙烯酸酯(例如，购自IGM树脂公司的Photomer)；丙烯酰胺，例如二丙酮丙烯酰胺、异丁氧基甲基丙烯酰胺、N,N’-二甲基-氨基丙基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、和叔辛基丙烯酰胺；乙烯基化合物，例如N-乙烯基吡咯烷酮和N-乙烯基己内酰胺(都购自新泽西州韦恩的国际特种产品公司(International Specialty Products,Wayne,N.J.))；以及酸酯，例如，马来酸酯和富马酸酯。
可固化的单体稀释剂可包括单一稀释剂组分，或两种或更多种稀释剂组分的组合。通常来说，在包层组合物中存在的可固化单体稀释剂的量(或者可固化单体稀释剂的总量)约为10-60重量％、更优选约为20-50重量％以及最优选约为25-45重量％。
包层组合物包括聚合引发剂。聚合引发剂是在将其施加到光漫射元件的芯之后，适合引起包层组合物的聚合(即，固化)的试剂。适用于包层组合物的聚合引发剂包括热引发剂、化学引发剂、电子束引发剂和光引发剂。光引发剂是优选的聚合引发剂。对于大多数基于丙烯酸酯的包层聚合物制剂，优选常规光引发剂，例如已知的酮类光引发剂和/或氧化膦光引发剂。当用于本文的包层组合物时，光引发剂存在的量足以提供快速紫外固化。通常，这包括约0.5-10.0重量％，更优选地约1.5-7.5重量％。
当使用少量但是有效量的光引发剂来促进辐射固化时，应该提供合理的固化速度而不造成涂料组合物的过早凝胶化。所需的固化速度是足以导致涂层材料基本上固化的任意速度。
合适的光引发剂包括但不限于：1-羟基环己基苯基酮(例如，购自巴斯夫公司(BASF)的Irgacure 184)，(2,6-二甲氧基苯甲酰)-2,4,4-三甲基戊基氧化膦(例如，市售可得自巴斯夫公司的掺混物Irgacure 1800、1850和1700)，2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(例如，购自巴斯夫公司的Irgacure 651)，二(2,4,6-三甲基苯甲酰)苯基-氧化膦(例如，购自巴斯夫公司的Irgacure 819)，(2,4,6-三甲基苯甲酰)二苯基氧化膦(例如，购自德国慕尼黑巴斯夫公司的Lucerin TPO)，乙氧基(2,4,6-三甲基苯甲酰)苯基氧化膦(例如，购自巴斯夫公司的Lucerin TPO-L)，及其组合。
聚合物包层组合物还可包含一种或多种添加剂。代表性添加剂包括粘合促进剂、抗氧化剂、催化剂、载体或表面活性剂、增粘剂、稳定剂和光学增白剂。一些添加剂(例如催化剂、反应型表面活性剂和光学增白剂)可用来控制聚合过程，从而可以影响由包层组合物形成的固化产物的物理性质(例如模量、玻璃转化温度)。其它添加剂可以影响包层组合物的固化产物的完整性(例如保护其免受解聚或氧化劣化)。
粘合促进剂增强了初级涂层与下方玻璃光纤的粘合。可使用任意合适的粘合促进剂。合适的粘合促进剂的示例包括，但不限于：有机官能化硅烷、钛酸酯、锆酸酯及其混合物。一种优选的类型是聚(烷氧基)硅烷。其它合适的粘合促进剂包括但不限于：二(三甲氧基硅烷基乙基)苯，3-巯基丙基三甲氧基硅烷[3-MPTMS，可购自美国宾夕法尼亚州布里斯托市联合化学技术公司(United Chemical Technologies,Bristol,PA)，也可购自美国宾夕法尼亚州莫里斯维尔市杰里斯特公司(Gelest,Morrisville,PA)]、3-丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(可购自杰里斯特公司)、和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(可购自杰里斯特公司)和二(三甲氧基硅烷基乙基)苯(可购自杰里斯特公司)。其它合适的粘合促进剂如Lee等人的美国专利号4,921,880和5,188,864所述，其全文分别通过引用结合入本文。所用粘合促进剂的量约为0.1-10pph，更优选约为0.25-3pph(如果存在的话)。
可使用任意合适的抗氧化剂。优选的抗氧化剂包括但不限于：双位阻酚硫化物或者硫代二亚乙基二(3,5-二叔丁基)-4-羟基氢肉桂酸酯(例如，购自巴斯夫公司的Irganox1035)、2,6-叔丁基-4-甲基酚(BHT)。抗氧化剂的用量约为0.1-3pph，更优选约为0.25-2pph(如果存在的话)。
合适的载剂，更具体来说，起到反应性表面活性剂功能的载剂，包括聚烷氧基聚硅氧烷。优选的示例性载剂可购自美国弗吉尼亚州霍普维尔市的戈德施密特化学公司(Goldschmidt Chemical Co.(Hopewell,Va.))，商品名为TEGORAD 2200和TEGORAD 2700(丙烯酸酯化硅氧烷)。这些反应性表面活性剂的含量可优选约为0.01-5pph，更优选约为0.25-3pph。其它合适的载体类型是多元醇和非反应性表面活性剂。合适的多元醇和非反应性表面活性剂的例子包括但不限于：购自宾夕法尼亚州新城广场(Newtown Square,Pa.)拜尔公司(Bayer)的多元醇Acclaim 3201(聚(环氧乙烷-共聚-环氧丙烷)和购自购自戈德施密特化学公司(Goldschmidt Chemical Co)的非反应性表面活性剂Tegoglide 435(聚烷氧基-聚硅氧烷)。多元醇或非反应性表面活性剂存在的量可以优选约为0.01-10pph，更优选约为0.05-5pph，最优选约为0.1-2.5pph。
合适的载剂还可以是两性分子。两性分子是同时包括亲水性和疏水性片段的分子。或者，可以将疏水性片段描述成亲油性(好脂/好油)片段。增粘剂是这种两性分子的一个例子。增粘剂是能够改变聚合物产品的时间敏感流变性质的分子。一般地，增粘添加剂会使聚合物产品在更高的应变率或剪切率下表现得更硬，而使得聚合物产品在低应变率或剪切率下更软。增粘剂是常用于粘合剂工业的添加剂，并且已知其增强了涂料产生与其上施涂了涂料的物体粘合的能力。一种优选的增粘剂是购自美国纽约州帕切斯市国际纸业公司(International Paper Co.,Purchase,N.Y.)的R-40(下文称“R-40”)。R-40是包含聚醚片段的托儿油松香，属于松香树脂化学家族的成员。其它合适的增粘剂是购自埃克森公司(Exxon)的系列烃增粘剂。有关增粘剂的更多信息，可参见Mao的美国专利第5242963号，其全文通过引用结合入本文。前述载剂也可组合使用。优选地，组合物中存在的增粘剂的量约为0.01-10pph，更优选约为0.05-5pph。
可使用任意合适的稳定剂。一种优选的稳定剂是四官能硫醇，例如购自美国密苏里州圣路易斯市西格玛-阿尔德里奇公司(Sigma-Aldrich(St.Louis,Mo.))的季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)。稳定剂的用量约为0.01-1pph，更优选约为0.01-0.2pph(如果存在的话)。
可使用任意合适的光学增白剂。示例性光学增亮剂包括但不限于Uvitex OB，2,5-噻吩二基二(5-叔丁基-1,3-苯并噁唑)(巴斯夫公司)；Blankophor KLA(购自拜耳公司(Bayer))；双苯并噁唑化合物；苯基香豆素化合物；以及二(苯乙烯基)二苯基化合物。组合物中，存在的光学增白剂的浓度优选约为0.003-0.5pph，更优选约为0.005-0.3pph。
为了增加光漫射元件的数值孔径和改善与高数值孔径光源的耦合效率，希望使得芯与包层之间的折射率对比最大化。增加光漫射元件的数值孔径的一种策略是降低聚合物包层的折射率。可以通过结合包层组合物中所用的交联剂和/或单体稀释剂的氟化或部分氟化类似物，来降低聚合物包层的折射率。可以采用本领域已知方法来制备上文所述的交联剂和单体稀释剂的氟取代的变化形式。
图2-4分别显示图1的光漫射元件10(其在芯和/或包层中包含散射中心)的变化形式10a-10c。在一个实施方式中，芯包括散射中心以及包层不含散射中心。在另一个实施方式中，芯不含散射中心以及包层包括散射中心。在另一个实施方式中，芯包括散射中心以及包层包括散射中心。当在本文中指出区域(芯或包层)不含散射中心时，旨在表示没有发生故意将散射中心引入该区域中。但是，应理解的是，组成、密度等的不完美性或者波动可能诱发散射。
图2显示具有芯12a和包层14a的光漫射元件10a，其中，芯12a包括散射中心以及包层14a不含散射中心。芯12a的区域20a的放大图30a显示散射中心40a。图3显示具有芯12b和包层14b的光漫射元件10b，其中，芯12a不含散射中心以及包层14a包括散射中心。芯12b的区域20b的放大图30b显示散射中心40b。图4显示具有芯12c和包层14c的光漫射元件10c，其中，芯12c包括散射中心以及包层14c包括散射中心。芯12c的区域20c的放大图30c显示散射中心40c，以及芯12d的区域20d的放大图30d显示散射中心40d。出于示意性目的，将散射中心40a-40d显示为具有均匀横截面尺寸和形状。在实际中，对于散射中心会存在尺寸(横截面和/或长度尺寸)和形状的分布。尺寸和形状分布以及散射中心的数量会在横截面内发生变化，在芯中相对于包层发生变化，和/或沿着光漫射元件的长度发生变化。
芯和包层的散射中心包括掺杂剂、纳米颗粒和内部空穴。对于光漫射元件的玻璃区域，优选的散射中心是掺杂剂和内部空穴。对于聚合物区域，优选的散射中心是纳米颗粒和内部空穴。
在一个实施方式中，散射中心是掺杂剂。掺杂剂是结合到基础玻璃组合物中以对折射率进行改变的元素。掺杂剂包括正掺杂剂和负掺杂剂。正掺杂剂是提升了基础玻璃组合物的折射率的掺杂剂，以及负掺杂剂是降低了基础玻璃组合物的折射率的掺杂剂。在一个实施方式中，(芯和/或包层的)基础玻璃组合物是二氧化硅玻璃。二氧化硅玻璃的正掺杂剂包括Ge、Al、P、Ti、Cl和Br。二氧化硅玻璃的负掺杂剂包括F和B。在玻璃芯或玻璃包层中结合掺杂剂通过瑞利散射和/或小角散射机制增强了散射。
在另一个实施方式中，散射中心是空穴。空穴是芯或包层内填充了气体的内部区域。对空穴进行填充的气体包括SO2、惰性气体、CO2、N2、O2或其混合物。内部空穴的折射率低于周围固体芯或固体包层材料。当存在时，内部空穴起到降低芯或包层的平均折射率的作用并且提供了对光进行散射的中心。可以在芯和/或包层的整个横截面上分布内部空穴或者内部空穴可以局部地位于芯和/或包层的一个或多个离散区域内。内部空穴可以构造成无规或非周期性布置，并且可以具有尺寸或数量的均匀或不均匀分布。
在玻璃中，内部空穴的横截面尺寸可以至少是50nm、或者至少是100nm、或者至少是500nm、或者50nm至20μm、或者100nm至10μm或者500nm至10μm、或者500nm至5μm。在包层聚合物中，内部空穴的横截面尺寸可以至少是25nm、或者至少是100nm、或者至少是250nm、或者至少是500nm、或者至少是1000nm、或者25nm至40μm、或者100nm至40μm、或者250nm至40μm、500nm至20μm、或者1000nm至10μm。在玻璃中，内部空穴的长度可以是数微米至数米，例如，1μm至50m、或者10μm至30m、或者100μm至20m、或者1μm至1m、或者1μm至100cm、或者1μm至10cm、或者10μm至10m或10μm至1m、或者10μm至100cm、或者10μm至10cm、或者100μm至1m。在包层聚合物中，内部空穴的长度可以是25nm至40μm、或者100nm至40μm、或者250nm至40μm、或者500nm至20μm、或者500nm至40μm、或者500nm至20μm、或者500nm至10μm、或者500nm至5μm。芯或包层内的内部空穴可以包括横截面尺寸和长度的分布。
在芯中，内部空穴可以占据芯的0.5-20％、或者芯的1-15％、或者芯的2-10％的填充比例。在包层(玻璃或聚合物)中，内部空穴可以占据包层的0.5-30％、或者包层的1-15％、或者包层的2-10％的填充比例。如本文所用，填充比例指的是被内部空穴占据的横截面积的比例。在一个实施方式中，填充比例沿着光漫射元件的长度是恒定的。在一个实施方式中，填充比例沿着光漫射元件的长度发生变化。对于良好的近似而言，填充比例对应于内部空穴的体积比例。芯内的空穴的体积比例可以是至少0.5％、或者至少1.0％、或者至少2.0％、或者至少5.0％、或者0.5-20％、或者1-15％、或者2-10％。包层(玻璃或聚合物)内的空穴的体积比例可以是至少0.5％、或者至少1.0％、或者至少2.0％、或者至少5.0％、或者0.5-30％、或者1.0-15％、或者2.0-10％、或者2.0-30％、或者3.0-20％。
内部空穴的横截面分布可以沿着光漫射元件的长度在芯和/或包层内的不同位置发生变化。注意到的是，内部空穴的长度和横截面属性(例如，形状和尺寸或者密度)可以发生改变。也可在光漫射元件的轴向或长度方向发生这种变化。由于内部空穴的长度不可延伸到光漫射元件的整个长度，可能在一些横截面中存在特定的内部空穴而在其他横截面中不存在。
在另一个实施方式中，散射中心是纳米颗粒。纳米颗粒是尺寸是纳米规格范围的颗粒物质。纳米颗粒的横截面尺寸可以是至少20nm、或者至少50nm、或者至少100nm、或者至少150nm、或者至少200nm、或者25-500nm、或者50-400nm、或者50-300nm、或者50-200nm、或者100-400nm、或者100-300nm。在一个实施方式中，纳米颗粒是近似球形的，以及横截面尺寸是球直径。纳米颗粒的浓度可以是1-30体积％、或者2-25体积％、或者5-20体积％。
在一个实施方式中，纳米颗粒是氧化物纳米颗粒。氧化物纳米颗粒的代表性组合物包括TiO2、ZrO2、其他过渡金属氧化物、稀土氧化物、混合的金属氧化物(例如，石榴石，如Y3Al5O12)、SiO2和Al2O3。也可以使用氟化物或者硫属化物纳米颗粒。在一个实施方式中，纳米颗粒是发光的(例如，荧光或磷光)。发光纳米颗粒包括包含发光金属中心的氧化物。发光金属中心包括Cr3+、Ce3+、Nd3+、Tb3+、Eu3+、和Pr3+。发光金属中心可以作为掺杂剂结合到其他不发光无机基质晶格(例如，氧化物晶格，如Y3Al5O12或Al2O3)中。发光纳米颗粒还包括量子点或者发光半导体材料，例如CdS、CdSe、ZnTe、ZnS或其他直接带隙II-VI或III-V半导体材料。使用发光散射中心实现了对从光漫射元件发射出来的光的颜色的控制。包层中的发光散射中心吸收了至少一部分的从芯散射的光，并且以不同波长重新发射光，从而改变了光的颜色。可以结合以多波长发射的发光纳米颗粒，从而提供对于颜色的更好的控制以实现光谱中的任意颜色或颜色组合(包括白光)。包含发光散射中心避免了在光漫射元件上施涂单独的磷光涂层的需求。
在一个实施方式中，光漫射元件包括未掺杂的玻璃芯和具有内部空穴的玻璃包层。在另一个实施方式中，光漫射元件包括掺杂的玻璃芯和具有内部空穴的玻璃包层。在另一个实施方式中，光漫射元件包括未掺杂的玻璃芯和具有内部空穴的聚合物包层。在另一个实施方式中，光漫射元件包括掺杂的玻璃芯和具有内部空穴的聚合物包层。在另一个实施方式中，光漫射元件包括未掺杂的玻璃芯和具有纳米颗粒的聚合物包层。在另一个实施方式中，光漫射元件包括掺杂的玻璃芯和具有纳米颗粒的聚合物包层。
在一个实施方式中，光漫射元件包括具有内部空穴的玻璃芯和具有内部空穴的玻璃包层。在另一个实施方式中，光漫射元件包括具有内部空穴的玻璃芯和具有内部空穴的聚合物包层。在另一个实施方式中，光漫射元件包括具有内部空穴的玻璃芯和具有纳米颗粒的聚合物包层。
芯和/或包层可以包括不止一种类型的散射中心。在一个实施方式中，芯是包含掺杂剂和内部空穴的玻璃。在另一个实施方式中，包层是包含掺杂剂和内部空穴的玻璃。在另一个实施方式中，包层是包含内部空穴和纳米颗粒的聚合物。
光漫射元件可以构造成通过控制芯和/或包层中的散射中心的布置和浓度从而沿其全部长度或部分长度散射光。光漫射元件包含散射中心的区域可以高效地散射光以产生照明效应，而光漫射元件不含散射中心的区域则不可以。如下文更详细所述，加工条件可以被用来控制散射中心是否形成在光漫射元件的特定区域中，以及被用来控制形成的内部空穴的空间和尺寸特性。光漫射元件可以包括不含散射中心的固体玻璃的横截面或延长的长度，其几乎不散射光或者不散射光，以及还包括包含散射中心的横截面或延长的长度。具有或不具有散射中心的区域或横截面可以沿着光漫射元件的长度交叉或交替。
作为照明源的光漫射元件的亮度取决于散射通过外表面的光强度。散射光的强度取决于传播通过光漫射元件的光散射损耗。如本文所用，散射损耗指的是通过芯和包层的总散射被导向到光漫射元件外部的光。较高的散射损耗导致每单位长度的光漫射元件更大的散射光强度，并且增加了光漫射元件的亮度。光漫射元件的散射损耗可以是至少0.1dB/m、或者至少0.5dB/m、或者至少1dB/m、或者至少2dB/m、或者至少5dB/m、或者至少10dB/m。
在一些应用中，可能希望沿着光漫射元件的长度或其选定区域实现均匀的照明强度。通过元件的外表面的散射光强度可以具有最大值。通过元件的外表面的散射光强度的变化可以是沿着元件的长度或其选定部分在照明波长下变化小于50％的最大值，或者沿着元件的长度或其选定部分在照明波长下变化小于30％的最大值，或者沿着元件的长度或其选定部分在照明波长下变化小于20％的最大值。
散射效率可以沿着光漫射元件的长度发生变化。可能希望控制沿着光漫射元件的长度或其选定部分的照明波长的散射变化程度，从而实现更均匀的照明效应。相对于靠近元件的传递端，靠近元件的源端的散射效率可以是不同的。随着距离元件的源端的距离增加，散射效率可以沿着元件增加。在更远离源的位置处较高的散射效率通过补偿了距离源的距离增加的源光强度损耗，起到了保持照明强度的作用。随着光在光漫射元件中传播远离源，其发生散射并且其强度逐渐下降。为了维持亮度，光漫射元件可以构造成随着由于距离源的距离增加导致的源光强度的下降提供增加的散射效率。可以通过例如改变沿着光漫射元件长度的散射中心的浓度、尺寸和/或组成来控制散射效率。
沿着元件长度的散射效率可具有最大值。在照明波长下，沿着光漫射元件的长度或其选定部分的散射效率可以变化小于最大值的50％、或者小于最大值的30％、或者小于最大值的20％。在光漫射元件中，可以同时实现所述的散射效率、散射光强度和/或散射损耗的变化。
在包层中包含散射中心省略了对于位于光漫射元件上的单独的外表面油墨层的需求。本领域已知，通常将油墨层施涂到光漫射元件以控制或改变散射自光漫射元件的光角度分布。油墨层可用于增强散射光的分布和/或特性。油墨层通过如下方式使得散射自光漫射元件的光的角度分布更为均匀：补偿了来自芯区域的光散射的方向偏差(例如，正向散射与反向散射)从而为散射光提供更好的角度均匀性。散射自光漫射元件的光分布的角度独立性有助于角度方向中更为均匀的强度分布。在包层中存在散射中心天然地提供了表面油墨层的益处。
可以通过经由化学气相沉积(CVD)、外部气相沉积(OVD)、气相轴向沉积(VAD)、火焰水解、火焰氧化或者本领域已知的其他技术形成含烟炱光纤预成形件，来制造光漫射元件的玻璃部分。可以在用于制造预成形件的玻璃组合物中提供掺杂剂。预成形件可以包括芯区域和/或包层区域，其中，每个区域中的掺杂情况可以是不同的。
为了形成内部空穴，可以在围绕了预成形件的气态气氛中固结烟炱预成形件。在气态气氛存在的情况下进行固结，导致固结过程中一部分的气态气氛被俘获在预成形件中，从而导致在经固结的预成形件中形成内部空穴。空穴可以以非周期性的方式分布在固结的预成形件中，并且每个空穴可对应于固结的玻璃预成形件内至少一个俘获的固结气体的区域。然后对具有空穴的经固结的预成形件进行拉制以制造根据本公开的光漫射元件。至少部分在固结过程中形成在预成形件中的空穴保留在经拉制的元件中。可以使用光漫射光纤或者多个光漫射光纤来代替光纤预成形件。
可以对进行固结的条件进行操控，以控制空穴的尺寸、形状、长度、填充比例和空间分布。还可以实现空穴特性的方向控制(例如，沿着轴向与横向方向)。固结条件可用于使得大量的气体被俘获在固结的玻璃坯体中，从而导致在经固结的玻璃预成形件中形成非周期性分布的空穴。所得到的预成形件用于形成其中具有空穴的光漫射元件。通过使用较低渗透性的气体和/或较高的烧结速率，可以在固结工艺过程中在固结的玻璃中俘获空穴。在烟炱固结步骤期间，烟炱由于暴露于高热量经受致密化过程去除了开放孔隙度(例如，未被致密化玻璃围绕的烟炱之间的孔穴)并留下致密化玻璃。在本公开内容中，俘获大量的固结过程中存在的环境气体排除了玻璃的完全致密化，并且在固结之后空穴留在玻璃中。可以在烟炱固结炉中进行烟炱固结。可以通过提高烧结温度以及/或者增大烟炱预形成件经过固结炉的烧结区的向下进料速率来增大烧结速率。在某些烧结条件下，可以获得俘获气体的面积比例占据了预成形件的大部分的总面积或总体积的玻璃。
可以通过将含二氧化硅烟炱沉积到进行转动和平移的心轴或饵棒的外表面上来形成烟炱预成形件。该方法被称作OVD或外部气相沉积法。优选地，心轴逐渐变细并且通过将气体形式的玻璃前体提供到燃烧器的火焰使其发生氧化来形成烟炱。向燃烧器提供燃料(例如甲烷(CH4))和支持燃烧的气体(例如氧气)，并引燃，从而产生火焰。形成玻璃的化合物(例如，SiCl4、八甲基环四硅氧烷)在火焰中氧化，在心轴或基材上形成大致圆柱形状的烟炱区域。可以包含掺杂剂化合物。
烟炱预成形件可以在固结炉内固结，形成固结坯件。在固结之前，去除心轴，以形成空心圆柱形烟炱坯预成形件。在固结过程期间，通过保持机制使得烟炱预成形件悬在例如固结炉的纯石英马弗管中。优选地，在固结步骤之前，预成形件暴露于干燥气氛。例如，合适的干燥气氛可以包含约95-99％的氦气和1-5％的氯气，温度约为950-1250℃，合适的干燥时间约为0.5-4.0小时。
在固结步骤过程中(该步骤优选在烟炱干燥步骤之后进行)，升高加热炉温，使得预成形件在合适的温度(例如约1390-1535℃)固结，以形成固结的预成形件。
可以采用梯度烧结，将烟炱预成形件向下驱动通过炉的热区，该热区维持在约为1225-1550℃或者约为1390-1535℃的温度。例如，预成形件保持在等热区中，该等热区维持在所需的干燥温度(950-1250℃)，之后驱使烟炱预成形件通过维持在所需固结温度(例如，1225-1550℃或者1390-1535℃)的区，速率足以导致预成形件温度增加大于1℃/分钟。炉的上区可以维持在较低温度，这有助于干燥和杂质去除步骤。下区可以维持在固结所需的较高温度。含烟炱的预成形件可以以第一向下加料速率向下加料通过固结热区，然后以第二向下加料速率使预成形件向下加料通过第二热区，所述第二向下加料速率小于所述第一向下加料速率。这样的固结技术导致烟炱预成形件的外侧部分先于预成形件的其余部分烧结,从而促进了气体的捕获，这又促进了所得固结玻璃中空穴的形成和保持。
例如，可以将预成形件以第一速度暴露于此类合适的固结温度(例如大于约1390℃)，所述第一速度足以导致预成形件温度增加超过15℃/分钟(更优选超过17℃/分钟)，之后至少是第二向下加料速率/固结温度组合，其足以导致预成形件被加热至少约12℃/分钟(更优选大于14℃/分钟)。优选地，第一固结速率导致预成形件外侧的温度增加速率比第二固结速率的加热速率高2℃/分钟，或者高10℃/分钟或高约20℃/分钟，以及最优选高50℃/分钟。如果需要的话，可以采用第三固结步骤或者甚至进一步的固结步骤，其以较慢的速率加热(例如小于10℃/分钟)。或者，可以通过驱使烟炱预成形件通过炉热区(其中的温度大于1550℃、或者大于1700℃、甚至更优选大于1900℃)以甚至更快的速率烧结烟炱预成形件以产生更多的空穴。或者，可以通过使用开放火焰炬或者等离子体炬与烟炱接触，在炉外部甚至以更快的速率烧结烟炱预成形件。
可以通过在烧结和/或固结过程中，将预成形件暴露于气体来形成空穴。用于形成预成形件中的内部空穴的气体在本文中可以被称作产生空穴的气体。优选的产生空穴的气体包括以下一种或多种：N2、Ar、Kr、CO2、O2、空气、SO2、Cl2、CF4，或其混合物。在烧结或固结期间，可以直接使用产生空穴的气体或者在存在稀释气体的情况下使用。产生空穴的气体在等于或低于根据本公开方法适合用来形成内部空穴的固结温度下，在二氧化硅玻璃中展现出较低的渗透性。优选地，这些产生空穴的气体单独使用或者组合使用，用量是5-100体积％或者约20-100体积％或者约40-100体积％。余下的烧结或固结气氛是由合适的稀释气体或者载气构成的，例如，氦气、氢气、氘气，或其混合物。通常来说，用于烧结气体中的产生空穴的气体的百分比越大，则在所得到的固结玻璃中的空穴会越大且更丰富。作为结果，可以通过控制产生空穴的气体的类型变化、加工环境中产生空穴的气体的压力和/或产生空穴的气体与稀释气体的比例，来实现对于内部空穴的尺寸、形状、数量密度和空间分布的控制。
当在产生空穴的固结过程之后，希望经由OVD向所得到的玻璃预成形件或杆沉积额外的烟炱时，可以采用包含少于10％的O2、或者包含小于5％的O2或者不含O2的烧结气体，以避免在暴露于OVD过程中形成氢气之后晶种的损失。产生空穴的气体可以是N2和Ar的组合，其中，在烧结气氛中所使用的N2和Ar的组合的量大于10体积％、或者大于30体积％、或者大于50体积％。
使用本文所述的烧结气体，希望采用如下固结过程，其包括以一定的速率和温度向下进料预成形件，其足以使得能够有意地俘获至少部分固结气体。这可以通过如下方式实现：例如，将至少一部分的烟炱预成形件以大于约10℃/分钟、更优选大于约12℃/分钟、甚至更优选大于约14℃/分钟进行加热。用于本发明的烧结温度优选大于1100℃、或者大于1300℃、或者大于1400℃、和或大于1450℃。
可以对在固结过程期间使用的气态气氛、固结炉内的温度以及预成形件固结速率进行选择，从而使得在烟炱固结过程期间，气体被有意地俘获在预成形件内，在固结的玻璃中形成内部空穴。这些含气体的内部空穴优选在元件拉制过程之前和/或过程中是不完全脱气的，从而在拉制了玻璃之后，在玻璃中保留了内部空穴。可以对各种工艺参数进行控制，以改变和控制空穴的尺寸。例如，增加固结时间或温度可以增加空穴尺寸，因为温度的增加导致俘获在空穴内的气体膨胀。类似地，空穴的尺寸和面积百分数会受到拉制条件的影响。例如，在拉制炉内较长的加热区和/或较快的拉制速度会增大空穴的尺寸以及面积百分数。选择在固结温度下对于玻璃更具有渗透性的气体会导致较小的空穴。
烧结速率也会对空穴尺寸和空穴密度造成显著影响。较快的烧结速率会导致形成较多较大的空穴。但是，使用过于缓慢的烧结速率会导致不形成空穴，因为气体会具有逃出玻璃的时间。因此，所采用的预成形件的向下进料速率和/或固结温度优选足够高，以得到对至少一部分的预成形件进行加热的速率大于约10℃/分钟、更优选大于约12℃/分钟、甚至更优选大于约14℃/分钟。一般来说，具有较低烟炱密度的预成形件会形成较多的空穴。但是，在需要的地方，特定预成形件内沉积的烟炱的密度可以变化，从而设置更多的空穴(较高的区域空穴面积百分数)。例如，可以将第一高密度烟炱区域直接沉积到固结玻璃(例如纯二氧化硅)芯杆上，之后沉积密度低于第一烟炱区域的第二烟炱区域。发现这导致在靠近芯处形成较高空穴面积百分比(即，高密度烟炱区域)。含二氧化硅的烟炱的堆积密度优选约为0.10-1.7g/cc、更优选约为0.30-1.0g/cc。该效应还可用于形成含空穴的固结预成形件，其具有低空穴或不含空穴区域与高空穴区域之间的交替；其中，在至少100μm的距离上，初始烟炱密度径向变化大于3％。关于制造和加工的其他信息可参见美国专利第7,450,806号，其通过引用结合入本文。
可以通过在从预成形件拉制芯的过程期间，将上文所述类型的包层组合物施涂到玻璃芯，从而在玻璃芯上形成聚合物包层(掺杂或未掺杂，具有内部空穴或者不具有内部空穴)。包层组合物是液体，并且可以喷涂、刷涂或者任意其他方式施涂到拉制的玻璃芯。包层组合物的反应在玻璃芯上提供了聚合物包层。在一个实施方式中，反应是在使得施涂的涂层组合物暴露于合适波长的辐射之后的包层组合物的光致反应和聚合反应(固化)。合适的波长是能够引发固化反应的波长，并且可通过对用于包层组合物的光引发剂的选择而决定。
可以通过在存在产生空穴的气体的情况下进行固化，从而在聚合物包层中形成内部空穴。随着固化反应进行，包层组合物变得越来越粘性，以及产生空穴的气体开始俘获在聚合物中以形成内部空穴。为了保留空穴，优选产生空穴的气体不溶于或者仅弱溶于聚合物包层中。产生空穴的气体在聚合物包层中还应具有低扩散系数。对于聚合物包层，合适的产生空穴的气体包括O2、N2、空气和Ar。可以通过改变产生空穴的气体的类型、在固化过程中包层组合物暴露于产生空穴的气体的时间、以及固化环境中产生空穴的气体的压力或浓度，来控制聚合物包层中的内部空穴的尺寸、形状和数量密度。
在一个实施方式中，通过在固化环境中包含溶解于包层聚合物的气体以及产生空穴的气体，来改变形成在聚合物包层中的内部空穴的特性。可溶性气体稀释了产生空穴的气体，并且可溶性气体与产生空穴的气体的混合物起始结合作为内部空穴。随着固化进行和/或时间流逝，可溶性气体离开内部空穴并溶解在包层聚合物中，留下部分坍塌(收缩)的内部空穴。通过控制可溶性气体与产生空穴的气体的相对比例，可以系统地改变内部空穴的尺寸。混合物中，可溶性气体相对于产生空穴的气体的高比例预期产生平均较小的内部空穴，反之亦然。在一个实施方式中，可溶性气体是CO2。
可以通过在向拉制的玻璃芯施涂包层组合物之前向包层组合物添加纳米颗粒(直接作为固体添加、以悬液的形式或位于溶剂中的形式添加)，从而在聚合物包层中结合纳米颗粒。随着固化反应进行和形成聚合物包层，纳米颗粒变得结合在聚合物包层中。在一个实施方式中，纳米颗粒作为分散相结合在聚合物包层中。
光漫射元件可以包括围绕包层的保护涂层。保护涂层旨在保护光漫射元件免受机械损坏。可以由包含一种或多种单体的可固化保护涂层组合物形成保护涂层。单体可包括烯键式不饱和化合物。可固化保护涂层组合物还可包含一种或多种低聚物、一种或多种聚合引发剂以及一种或多种添加剂。在一个实施方式中，保护涂层是含有氨基甲酸酯丙烯酸酯单体的保护涂层组合物的聚合产物。
可固化保护涂层组合物的单体组分可包含一种或多种单体。所述一种或多种单体存在的量可以大于或等于50重量％，或者约为75-99重量％，或者约为80-99重量％，或者约为85-98重量％。
可固化保护涂层组合物的单体组分可包含烯键式不饱和化合物。烯键式不饱和单体可以是单官能或者多官能的。官能团可以是可聚合基团和/或促进或实现交联的基团。在两种或更多种单体的组合中，组成单体可以是单官能、多官能或者单官能和多官能化合物的组合。烯键式不饱和单体的合适官能团包括但不限于，(甲基)丙烯酸酯、丙烯酰胺、N-乙烯基酰胺、苯乙烯、乙烯基醚、乙烯基酯、酸酯，及其组合。
示例性单官能烯键式不饱和单体包括但不限于，丙烯酸羟烷基酯，例如2-羟乙基-丙烯酸酯、2-羟丙基-丙烯酸酯和2-羟丁基-丙烯酸酯；长链和短链丙烯酸烷基酯，例如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸异丙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸戊酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸戊酯、丙烯酸异戊酯、丙烯酸己酯、丙烯酸庚酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸2-乙基己基酯、丙烯酸壬酯、丙烯酸癸酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸十一烷基酯、丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸十八烷基酯和丙烯酸硬脂基酯；丙烯酸氨基烷基酯，例如丙烯酸二甲基氨基乙基酯、丙烯酸二乙基氨基乙基酯和丙烯酸7-氨基-3,7-二甲基辛基酯；丙烯酸烷氧基烷基酯，例如丙烯酸丁氧基乙基酯、丙烯酸苯氧基乙基酯(例如，购自沙多玛有限公司的SR339)和丙烯酸乙氧基乙氧基乙基酯；单环和多环的环状芳族或非芳族丙烯酸酯，例如丙烯酸环己基酯、丙烯酸苄基酯、双环戊二烯丙烯酸酯、丙烯酸二环戊烷酯(dicyclopentanyl acrylate)、丙烯酸三环癸烷酯、丙烯酸保米磷酯(bomylacrylate)、丙烯酸异冰片酯(例如，SR423，沙多玛有限公司)、丙烯酸四氢糠基酯(例如，SR285，沙多玛有限公司)、己内酯丙烯酸酯(例如，SR495，沙多玛有限公司)和丙烯酰吗啉；基于醇的丙烯酸酯，例如聚乙二醇单丙烯酸酯、聚丙二醇单丙烯酸酯、甲氧基乙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚丙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、乙氧基二乙二醇丙烯酸酯，以及各种烷氧基化的烷基酚丙烯酸酯，例如乙氧基化(4)壬基酚丙烯酸酯(例如，Photomer4066，IGM树脂公司)；丙烯酰胺，例如双丙酮丙烯酰胺、异丁氧基甲基丙烯酰胺、N,N’-二甲基-氨基丙基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N二乙基丙烯酰胺和叔辛基丙烯酰胺；乙烯基化合物，例如N-乙烯基吡咯烷酮和N-乙烯基己内酰胺；以及酸酯，例如马来酸酯和富马酸酯。对于上文所列的长链和短链丙烯酸烷基酯，短链丙烯酸烷基酯是具有小于或等于6个碳的烷基，长链丙烯酸烷基酯是具有大于或等于7个碳的烷基。
代表性多官能烯键式不饱和单体包括但不限于，烷氧基化双酚A二丙烯酸酯，例如乙氧基化双酚A二丙烯酸酯，烷氧基化程度大于或等于2。第二组合物的单体组分可包括：乙氧基化程度是2至约30的乙氧基化双酚A二丙烯酸酯(例如，购自宾夕法尼亚州西切斯特市(West Chester,Pa.)沙多玛有限公司的SR349和SR601和购自IGM树脂公司的Photomer4025和Photomer 4028)或者丙氧基化程度大于或等于2(例如2至约30)的丙氧基化双酚A二丙烯酸酯；烷氧基化和没有烷氧基化的羟甲基丙烷聚丙烯酸酯，例如乙氧基化程度大于或等于3(例如3至约30)的乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(例如，Photomer 4149，IGM树脂公司，和SR499，沙多玛有限公司)；丙氧基化程度大于或等于3(例如3-30)的丙氧基化-三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(例如，Photomer 4072，IGM树脂和SR492，沙多玛公司)；二-三羟甲基丙烷四丙烯酸酯(例如，Photomer 4355，IGM树脂公司)；烷氧基化甘油基三丙烯酸酯，例如丙氧基化程度大于或等于3的丙氧基化甘油基三丙烯酸酯(例如，Photomer 4096，IGM树脂公司和SR9020，沙多玛公司)；烷氧基化和没有烷氧基化的赤藓醇聚丙烯酸酯，例如季戊四醇四丙烯酸酯(例如，购自宾夕法尼亚州西切斯特市沙多玛有限公司的SR295)，乙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯(例如，SR494，沙多玛有限公司)和二季戊四醇五丙烯酸酯(例如，Photomer 4399，IGM树脂公司和SR399，沙多玛有限公司)；通过合适官能的异氰脲酸酯与丙烯酸或丙烯酰氯反应形成的异氰脲酸酯聚丙烯酸酯，例如三-(2-羟乙基)异氰脲酸酯三丙烯酸酯(例如，SR368，沙多玛有限公司)和三-(2-羟乙基)异氰脲酸酯二丙烯酸酯；烷氧基化和没有烷氧基化的醇聚丙烯酸酯，例如三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯(例如，CD406，沙多玛有限公司)和乙氧基化程度大于或等于2(例如约2-30)的乙氧基化聚乙二醇二丙烯酸酯；通过双酚A二缩水甘油醚等与丙烯酸酯的加合形成的环氧丙烯酸酯(例如，Photomer 3016，IGM树脂公司)；以及单环和多环环状芳族或非芳族聚丙烯酸酯，例如二环戊二烯二丙烯酸酯和二环戊烷二丙烯酸酯。
保护涂层组合物可以包含或不包含低聚组分。保护组合物中可以存在一种或多种低聚物。可以包含的一类低聚物是烯键式不饱和低聚物。当使用的时候，合适的低聚物可以是单官能低聚物、多官能低聚物，或者单官能低聚物和多官能低聚物的组合。如果存在的话，低聚物组分可包括：脂族和芳族氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸低聚物、脲(甲基)丙烯酸酯低聚物、聚酯和聚醚(甲基)丙烯酸酯低聚物、丙烯酸酯化丙烯酸低聚物、聚丁二烯(甲基)丙烯酸酯低聚物、聚碳酸酯(甲基)丙烯酸酯低聚物以及三聚氰胺(甲基)丙烯酸酯低聚物，或其组合。保护涂层组合物可以不含氨基甲酸酯基团、氨基甲酸酯丙烯酸酯化合物、氨基甲酸酯低聚物或者氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物。
保护涂层组合物的低聚物组分可包括二官能低聚物。二官能低聚物可具有如下化学式(I)的结构：
F1-R1-[氨基甲酸酯-R2-氨基甲酸酯]m-R1-F1 (I)
其中，F1可以独立地是反应性官能团，例如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、N-乙烯基酰胺、苯乙烯、乙烯基醚、乙烯基酯或者本领域已知的其他官能团；R1可以独立地包括-C2-12O-、-(C2-4-O)n-、-C2-12O-(C2-4-O)n-、-C2-12O-(CO-C2-5O)n-或者-C2-12O-(CO-C2-5NH)n-，其中n是1-30的整数，包括例如1-10；R2可以是聚醚、聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚氨酯、聚脲，或其组合；以及m是1-10的整数，包括例如1-5。在化学式(I)的结构中，氨基甲酸酯部分可以是二异氰酸酯与R2和/或R1反应形成的残基。本文所用术语“独立地”表示每个F1可以与另一个F1是不同的，这对于每个R1也是如此。
可固化保护组合物的低聚物组分可包含多官能低聚物。多官能低聚物可以具有如下化学式(II)、化学式(III)或化学式(IV)的结构：
多氨基甲酸酯-(F2-R1-F2)x (II)
多元醇-[氨基甲酸酯-R2-氨基甲酸酯)m-R1-F2]x (III)
多氨基甲酸酯-(R1-F2)x (IV)
其中，F2可以独立地表示1-3个官能团，例如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、N-乙烯基酰胺、苯乙烯、乙烯基醚、乙烯基酯或者本领域已知的其他官能团；R1可以包括-C2-12O-、-(C2-4-O)n-、-C2-12O-(C2-4-O)n-、-C2-12O-(CO-C2-5O)n-或-C2-12O-(CO-C2-5NH)n-，其中n是1-10的整数，包括例如1-5；R2可以是聚醚、聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚氨酯、聚脲，或其组合；x是1-10的整数，包括例如2-5；以及m是1-10的整数，包括例如1-5。在化学式(II)的结构中，多氨基甲酸酯基团可以是多异氰酸酯与R2反应形成的残基。类似地，化学式(III)的结构中的氨基甲酸酯基团可以是二异氰酸酯与R2和/或R1键合形成的反应产物。
氨基甲酸酯低聚物可通过如下方式制备：脂族或芳族二异氰酸酯与二氢聚醚或聚酯，最典型的是聚氧化亚烷基二醇如聚乙二醇反应得到。可以类似的方式合成抗湿性低聚物，不同之处在于，避免极性聚醚或聚酯二醇，有利的主要是饱和以及主要是非极性脂族二醇。这些二醇可包括具有约2-250个碳原子的烷烃二醇或亚烷基二醇，并且可以基本上没有醚或酯基团。
可将聚脲元素结合到通过这些方法制备的低聚物中，例如通过在合成过程中用二胺或多胺代替二醇或多元醇。
保护涂层组合物还可含有聚合引发剂以促进向包层施涂保护涂层组合物之后的聚合(固化)。对于许多基于丙烯酸酯的涂料制剂，可以采用光引发剂，例如已知的酮类光引发添加剂和/或氧化膦添加剂。可以将光引发剂的量调节至促进辐射固化，以提供合理的固化速度而不造成保护涂层组合物的过早凝胶化。所希望的固化速度可以是足以引起大于约90％(或者大于95％)的涂料组合物的固化的速度。如在剂量相对于模量曲线中所测量，对于厚度约为75μm的涂层而言，固化速度可以是例如小于1.0J/cm2，或者小于0.5J/cm2。
用于保护涂层组合物的合适的光引发剂可包括但不限于，2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基膦氧化物(例如，Lucirin TPO)；1-羟基环己基苯基酮(例如，购自巴斯夫公司的Irgacure 184)；(2,6-二乙氧基苯甲酰基)-2,4,4-三甲基戊基膦氧化物(例如，市售可得掺混物Irgacure 1800、1850和1700，巴斯夫公司)；2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(例如，Irgacure,651，巴斯夫公司)；二(2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯基膦氧化物(例如，Irgacure819，巴斯夫公司)；(2,4,6-三乙基苯甲酰基)二苯基膦氧化物(例如，市售可得掺混物Darocur 4265，巴斯夫公司)；2-羟基-2-甲基-1-苯基丙烷-1-酮(市售可得掺混物Darocur4265，巴斯夫公司)，及其组合。
除了上文所述的组分，本发明的保护涂层组合物可任选地包含添加剂或者添加剂的组合。代表性添加剂包括但不限于，抗氧化剂、催化剂、润滑剂、低分子量非交联树脂、粘合促进剂和稳定剂。添加剂可以具有控制聚合过程的作用，从而影响由组合物形成的聚合产物的物理性质(例如模量、玻璃转化温度)。添加剂可影响组合物的聚合产物的整体性(例如防止解聚或氧化劣化)。
保护涂层组合物可包含硫代二亚乙基二(3,5-二叔丁基)-4-羟基氢化肉桂酸酯(例如，购自巴斯夫公司的Irganox 1035)作为抗氧化剂。保护涂层组合物可包括丙烯酸酯化的酸粘合促进剂(例如，Ebecryl 170(购自佐治亚州士麦那市拉德固化公司(UCBRadcure(Smyrna Ga.)))。
保护涂层的模量可以高于包层聚合物材料。当构造成直径约为0.022"的固化杆时，保护涂层的杨氏模量至少约1000MPa、或者至少约1200MPa、或者至少约1400MPa、或者至少约1600MPa、或者至少约1800MPa。
保护涂层的厚度是30-90μm，或者40-80μm，或者50-70μm。可以向保护涂层的顶部施涂任选的白色油墨层。油墨层的功能是确保散射辐射在所有方向是均匀的。白色油墨层可以包含负载到用于保护涂层所用类型的涂层材料中的TiO2粉末。或者，TiO2粉末可以直接负载到保护涂层中。
通过如下方式形成保护涂层：将保护涂层组合物施涂到包层以及引发保护涂层组合物的反应从而在包层上形成保护涂层。在一个实施方式中，通过在玻璃预成形件的拉制期间使得保护涂层组合物固化，来形成保护涂层。当包层是通过包层组合物固化形成的聚合物时，可以在包层组合物的固化之前或之后向包层组合物施涂保护涂层组合物(湿-湿构造或者湿-干构造)。
在初始加工之后，制造的元件可具有圆柱形或杆状构造。可以采用制造后加工来改变光漫射元件的形状。可以采用常规的软化、弯曲和/或浇铸技术来实现弯曲或任意形状的光漫射元件，例如可以制造根据本公开的空穴。
光漫射元件可以被结合在包含光源的光学系统中。光源可以是灯、二极管、激光、激光二极管、LED(发光二极管)或者其他来源。光源可以在200-2000nm的光谱范围的整体或部分下运作。为了确保光源与光漫射元件的高效耦合，希望确保光漫射元件的数值孔径与光源的数值孔径是相当的，或者超过光源的数值孔径。通过芯和包层的相对折射率来控制光漫射元件的数值孔径。可以通过增加芯的折射率和/或降低包层的折射率，来增加光漫射元件的数值孔径。可以通过在芯玻璃组合物中包含(一种或多种)正掺杂剂作为(一种或多种)散射中心来增加芯的折射率。可以通过在包层中结合内部空穴作为散射中心，采用聚合物包层代替二氧化硅玻璃包层，以及使用包层聚合物材料的氟化版本，来降低包层的折射率。光漫射元件的数值孔径可以至少是0.4、或者至少是0.5、或者至少是0.6、或者至少是0.7、或者至少是0.8。
图5显示结合了光漫射元件的照明系统。照明系统120包括光源125和光漫射元件130。光源125将源光135发射进入光漫射元件130中。光漫射元件130中的内部空穴对源光135进行散射，产生照明光140，其离开光漫射元件130的外表面。光源125可以与光漫射元件130直接接触(例如，“对接耦合(butt coupled)”)或者可以存在空气间隙。虽然出于方便的原因将照明光140显示为平行射线，但是应理解的是，照明光140可以包括以无规方向导向的光线。
照明系统150包括光源155、光学件160和光漫射元件165。光源155将源光170发射进入光学件160，其对源光170进行加工从而向光漫射元件165提供源光172。光漫射元件165中的内部空穴对源光172进行散射，产生照明光175，其离开光漫射元件165的外表面。虽然出于方便的原因将照明光175显示为平行射线，但是应理解的是，照明光140可以包括以无规方向导向的光射线。
结合到照明系统中的光源包括灯、激光、二极管、激光二极管和发光二极管。如图5显示为光学件160的居间光学件是照明系统可促进光源与光漫射元件耦合的元件。光学件可以对光源供给的光进行收集、校准、聚焦和/或任意其他方式加工。光学件可以是固体玻璃元件、固体聚合物或塑料元件、玻璃或聚合物光纤、透镜或者其他耦合元件。
根据本公开的光漫射元件可以用于照明系统作为光源(例如，用于光化学反应、冷却空间、加热空间或者具有受控环境的封闭空间)和作为泛光灯。光漫射元件适用于功能照明应用和装饰照明应用。
图6显示示意性光漫射元件的一部分图像。光漫射元件200包括玻璃芯210、聚合物包层220和保护涂层230。玻璃芯210是由二氧化硅玻璃制造的，并且直径为125μm。聚合物包层220是厚度为32.5μm的低模量氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物。保护涂层230是厚度为32.5μm的高模量氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物。光漫射元件200在聚合物包层220中包括多个散射中心240。散射中心240是填充了N2气体的各种尺寸的内部空穴并且是通过如下方式制造的：在向玻璃芯210施涂包层组合物的过程中，将包层组合物暴露于N2气体，之后使得包层组合物固化以形成聚合物包层220。玻璃芯210和保护涂层230不含散射中心。
为了评估散射损耗，进行一系列的计算。在计算中，确定由于来自含散射中心的块体材料的光散射所导致的衰减。光的波长是560nm。块体材料是560nm处的折射率为1.37的氟化丙烯酸酯聚合物。氟化丙烯酸酯聚合物是代表性的包层聚合物材料。散射中心包括折射率为1.0的球体气泡形式的内部空穴以及折射率为2.4的TiO2纳米颗粒。在第一个计算中，散射中心是块体材料中直径为1μm且浓度为100/mm3的球形气泡。计算得到散射损耗是2dB/m。在第二个计算中，散射中心是块体材料中直径为5μm且浓度为10/mm3的球形气泡。计算得到散射损耗是3dB/m。在第三个计算中，散射中心是块体材料中直径为10μm且浓度为1/mm3的球形气泡。计算得到散射损耗是1.6dB/m。在第四个计算中，散射中心是块体材料中直径为0.2μm且浓度为2000/mm3的TiO2纳米颗粒。计算得到散射损耗是2.4dB/m。
图7显示分别计算的结果，显示衰减损耗与氟化丙烯酸酯聚合物块体材料中的气体填充的内部空穴和TiO2散射中心的半径有关。图7的计算假定每立方微米1个散射中心的恒定浓度。衰减的尺度是m-1，其可以通过乘以10转化为dB/m。半径值小于1μm的数据点对应TiO2散射中心。半径值大于1μm的数据点对应气体填充的内部空穴散射中心。对于每种类型的散射中心的数据点，给定的半径值是1μm。结果显示随着散射中心的半径的增加，衰减(散射损耗)增加。如上文所述，在包层中存在气体填充的内部空穴降低了包层的平均折射率，对于增加光漫射元件的数值孔径以实现与具有高数值孔径的光源的更好耦合效率是推荐的策略。相反地，TiO2纳米颗粒的存在导致包层的平均折射率的增加，这使得更难以获得具有高数值孔径的光漫射元件。
虽然本文所述的计算涉及的是块体包层聚合物材料而不是本文光漫射元件构造中的包层聚合物材料，但是结果对于散射损耗(预期具有不含散射中心的玻璃芯和具有气体填充的内部空穴或TiO2纳米颗粒作为散射中心的氟化丙烯酸酯聚合物的光漫射元件)是具有预测性的。在典型的光漫射元件中，大部分的光被芯所引导，约2-3％的光进入包层作为渐逝场(evanescent field)。因此，对于块体材料计算得到的散射损耗可以放大以提供对于如本文所述的聚合物包层构造中的块体材料的散射损耗。
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离所示实施方式的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。因为本领域的技术人员可以想到结合了所示实施方式的精神和实质内容的所揭示的实施方式各种改良、组合、子项组合和变化，应认为本说明书包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。
Claims (47)
1.一种光漫射元件，其包括：
玻璃芯，所述玻璃芯的直径大于65μm；以及，
围绕所述玻璃芯的包层，所述包层具有比所述玻璃芯低的折射率，所述包层包括第一散射中心，所述第一散射中心具有尺寸至少为25nm的横截面；
其中，所述元件展现出至少0.1dB/m的光散射损失。
2.如权利要求1所述的光漫射元件，其特征在于，所述玻璃芯包括二氧化硅玻璃。
3.如权利要求2所述的光漫射元件，其特征在于，所述二氧化硅玻璃经过掺杂。
4.如权利要求1-3中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述玻璃芯的直径小于500μm。
5.如权利要求1-4中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述包层包括玻璃。
6.如权利要求5所述的光漫射元件，其特征在于，所述第一散射中心包括内部空穴，所述内部空穴被气体填充并且具有尺寸为50nm至20μm的横截面。
7.如权利要求6所述的光漫射元件，其特征在于，所述气体选自下组：N2、O2、空气、Ar、CO2、SO2和Cl2。
8.如权利要求6或7所述的光漫射元件，其特征在于，所述内部空穴的横截面尺寸为500nm至10μm。
9.如权利要求6-8中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述内部空穴的长度是1μm至50m。
10.如权利要求6-9中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述包层中所述内部空穴的浓度至少是1体积％。
11.如权利要求5-10中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述玻璃芯包括第二散射中心。
12.如权利要求11所述的光漫射元件，其特征在于，所述第二散射中心是掺杂剂或内部空穴。
13.如权利要求1-4中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述包层包括聚合物。
14.如权利要求13所述的光漫射元件，其特征在于，所述聚合物是包含第一可辐射固化组分的可固化组合物的固化产物。
15.如权利要求14所述的光漫射元件，其特征在于，所述第一可辐射固化组分包括第一烯键式不饱和官能团。
16.如权利要求15所述的光漫射元件，其特征在于，所述第一烯键式不饱和官能团是丙烯酸酯基团或者甲基丙烯酸酯基团。
17.如权利要求15或16所述的光漫射元件，其特征在于，所述可固化组合物还包括第二可辐射固化组分。
18.如权利要求17所述的光漫射元件，其特征在于，所述第二可辐射固化组分包括第二烯键式不饱和官能团。
19.如权利要求18所述的光漫射元件，其特征在于，所述第二可辐射固化组分还包括第三烯键式不饱和官能团。
20.如权利要求19所述的光漫射元件，其特征在于，所述第二烯键式不饱和基团是丙烯酸酯基团或者甲基丙烯酸酯基团，以及所述第三烯键式不饱和基团是丙烯酸酯基团或者甲基丙烯酸酯基团。
21.如权利要求13-20中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述聚合物包含氟。
22.如权利要求13-21中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述第一散射中心包括内部空穴，所述内部空穴被气体填充并且具有尺寸为25nm至40μm的横截面。
23.如权利要求22所述的光漫射元件，其特征在于，所述气体选自下组：N2、空气和Ar。
24.如权利要求22或23所述的光漫射元件，其特征在于，所述内部空穴的横截面尺寸为50nm至20μm。
25.如权利要求22-24中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述包层中所述内部空穴的浓度至少是1.0体积％。
26.如权利要求13-25中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述玻璃芯包括第二散射中心。
27.如权利要求26所述的光漫射元件，其特征在于，所述第二散射中心是掺杂剂或内部空穴。
28.如权利要求13-27中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述第一散射中心包括纳米颗粒，所述纳米颗粒的横截面尺寸至少为25nm。
29.如权利要求28所述的光漫射元件，其特征在于，所述纳米颗粒的所述横截面尺寸小于500nm。
30.如权利要求28或29所述的光漫射元件，其特征在于，所述纳米颗粒的组成选自下组：Al2O3、SiO2、ZrO2、Y3Al5O12和稀土氧化物。
31.如权利要求29所述的光漫射元件，其特征在于，所述纳米颗粒是发光的。
32.如权利要求29-31中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述包层中所述纳米颗粒的浓度至少是1.0体积％。
33.如权利要求29-32中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述包层还包括第二散射中心，所述第二散射中心包括内部空穴，所述内部空穴被气体填充并且具有尺寸为25nm至40μm的横截面。
34.如权利要求1-33中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述元件展现出至少0.5dB/m的光散射损失。
35.如权利要求1-34中任一项所述的光漫射元件，其特征在于，所述元件的数值孔径至少为0.4。
36.如权利要求1-35中任一项所述的光漫射元件，其还包括围绕所述包层的保护涂层。
37.一种照明系统，其包括：
光源，其光耦合到光漫射元件，所述光漫射元件包括：
玻璃芯，所述玻璃芯的直径大于65μm；以及，
围绕所述玻璃芯的包层，所述包层具有比所述玻璃芯低的折射率，所述包层包括第一散射中心，所述第一散射中心具有尺寸至少为25nm的横截面；
其中，所述元件展现至少0.1dB/m的光散射损失。
38.如权利要求37所述的照明系统，其特征在于，所述光源是LED或激光二极管。
39.一种用于形成光漫射元件的方法，其包括：
形成芯，所述芯包括玻璃；
在所述芯上形成包层，所述包层包括第一散射中心，所述第一散射中心具有尺寸至少为25nm的横截面。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述形成芯包括对玻璃预成形件进行拉制。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述对玻璃预成形件进行拉制还形成了所述包层。
42.如权利要求40或41所述的方法，其特征在于，所述形成包层包括将可固化组合物施涂到所述芯并且使所述可固化组合物固化。
43.如权利要求42所述的方法，其特征在于，所述形成包层包括在存在产生空穴的气体的情况下，使所述可固化组合物固化。
44.如权利要求42或43所述的方法，其特征在于，所述可固化组合物包括可辐射固化组分，所述可辐射固化组分包含烯键式不饱和基团。
45.如权利要求42-44中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一散射中心是纳米颗粒，以及其中，所述可固化组合物还包括所述纳米颗粒。
46.如权利要求39-45中任一项所述的方法，其特征在于，所述芯包括第二散射中心。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述第二散射中心包括内部空穴，以及所述形成芯包括在存在产生空穴的气体的情况下对玻璃预成形件进行拉制。
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