CN109891285B - 流体冷却式光纤 - Google Patents

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Abstract

公开了流体冷却式光纤。示例性光纤包括：包括远端端部的纤维体、围绕所述远端端部的内帽、围绕所述内帽的外帽、以及被附接到所述外帽的管。管和外帽可以限定第一流动通道，外帽和内帽可以限定第二流动通道，并且外帽可以包括用于将使得第一流动通道与第二流动通道连通的一个或多个开口。还公开了相关联的系统。

Description

流体冷却式光纤
技术领域
本公开的方面总体上涉及光纤。特定方面涉及流体冷却式光纤(a fluid cooledoptical fiber)。
背景技术
液体冷却式光纤可以用在激光系统中，以提供快速和高效的激光能量排放。一些液体冷却式光纤可以包括单个、连续的流动通道，用于在光纤和/或光纤的远端帽周围引导冷却流体(例如，水)。光纤、管和远端帽之间的接口是已知问题区域。例如，远端帽的逐渐松动是已知的问题。当远端帽因激光能量生成的热量而变得相对于激光光纤可移动时，可能发生帽松动。当帽的某些部分移动到激光能量中时发生松的帽故障，从而生成甚至更多的热量。为避免松的帽故障，许多液体冷却式光纤被过早更换，从而增加了费用。在手术期间也可能发生帽故障，需要外科医生花费额外的手术时间，增加甚至更多的费用。本公开解决了现有技术中的这些问题和其他缺陷。
发明内容
本公开的方面涉及流体冷却式光纤。现在描述本公开的许多方面。
本公开的一个方面是光纤。所述光纤包括：纤维体(fiber body)，其包括具有反射表面的远端端部，该反射表面被设置角度以将激光能量沿着激光轴引导到纤维体外部；内帽，其围绕纤维体的远端端部，该内帽包括附接到纤维体的近端端部和与激光轴对准的至少一个透射部(transmission portion)；外帽，其围绕内帽，该外帽包括附接到内帽和纤维体中的至少一个的近端端部和与激光轴对准的出口；以及管，其围绕纤维体的至少一部分，该管包括附接到外帽的远端端部。根据该方面，管和外帽可以限定第一流动通道，外帽和内帽可以限定第二流动通道，外帽可以包括被配置为使得第一流动通道与第二流动通道连通的一个或多个开口和/或一个或多个开口可以远离内帽的近端端部。
在一些方面，内帽的近端端部可以通过第一环氧树脂而被附接到光纤主体。内帽的近端端部可以包括被配置为促进与第一环氧树脂的粘附的表面特征。内帽的内表面可以通过第一环氧树脂与纤维体的外表面间隔开，以在内帽内限定密封的内腔。密封的内腔可以包括绝缘元素。光纤还可以包括在内帽的内表面和纤维体的远端端部的外表面之间的一个或多个附接点。外帽的近端端部可以通过第二环氧树脂而被附接到内帽。第一环氧树脂可以具有与第二环氧树脂的性质不同的性质。第二环氧树脂可以封装内帽的近端端部和第一环氧树脂的外表面。与以上类似，内帽的近端端部可以包括被配置为促进与第二环氧树脂的粘附的表面特征。
外帽的一个或多个开口可以接近出口。在一些方面，可以将一个或多个开口围绕纤维体相对地定位。第一流动通道的远端部分可以朝向一个或多个开口汇聚，和/或第二流动通道可以包括邻近出口的扩张的内部部分。在这些方面中的任一方面，内帽可以由玻璃制成，并且外帽可以由金属制成。
另一方面是一种光纤尖端，包括：内帽，其包括大小被设置为容纳光纤的内腔、与光纤可接合的近端端部和至少一个透射部；以及外帽，其包括大小被设置为容纳内帽的内腔、与内帽和光纤中的至少一个可接合的近端端部、出口和一个或多个开口。根据该方面，当内帽和外帽被耦合在一起时，至少一个透射部可以与出口对准，外帽和内帽可以形成流动通道，并且一个或多个开口可以远离内帽近端端部。
根据该方面，一个或多个开口可以沿着与纤维体横切的开口轴延伸。第二流动通道可以包括邻近出口的扩张的内部部分。内帽的近端端部可以通过环氧树脂耦合到外帽的近端端部。在其他方面，内帽可以具有大于外帽的热阻的热阻。
本公开的又另一方面是一种激光系统，包括光纤、激光源和流体源。根据该方面，光纤可以包括：纤维体，其在与激光源可接合的近端端部和被配置为将激光能量引导到纤维体外部的远端端部之间延伸；内帽，其围绕纤维体的远端端部，该内帽包括被附接到纤维体的近端端部和至少一个透射部；外帽，其围绕内帽，该外帽包括附接到内帽的近端端部和出口；管，其围绕纤维体的至少一部分，该管包括与流体源可接合的近端端部和附接到外帽的远端端部；第一流动通道，其在管和纤维体之间；第二流动通道，其在外帽和内帽之间；以及一个或多个开口，其通过外帽延伸以使得第一流动通道与第二流动通道连通，一个或多个开口中的每个远离内帽的近端端部。
可以理解的是，前面的概述和下面的详细描述都只是示例性和说明性的，都不是对下面要求保护的本发明的限制。
附图说明
附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分。这些图示出了本公开的方面，其与本文的书面描述一起用于如下地解释本公开：
图1描绘了根据本公开的方面的被耦合到流体源和激光源的光纤；以及
图2描绘了根据本公开的方面的光纤。
具体实施方式
现在参考流体冷却式光纤来描述本公开的各方面。参考激光能量用于治疗肾结石的医疗手术来描述一些方面。对特定类型的手术、激光能量、结石对象和/或身体器官的参考是为了方便而提供的，并且除非要求保护，否则不旨在限制本公开。因此，本文描述的概念可以用于任何类似的光纤-医疗或另外肾脏特定的或非特定的方面。
描述了许多轴和方向。每个轴可以与下一个轴横切或甚至垂直，以便建立具有原点O的笛卡尔坐标系。一个轴可以沿元件的纵向轴延伸。方向可以由术语“近端”和“远端”以及它们相应的首字母“P”和“D”来表示，其中的任一个可用于描述与本文所述的任何轴相关的相对组件和特征。近端是指更靠近身体的外部或使用者的位置，而远端是指更靠近身体的内部或更远离使用者的位置。将首字母“P”或“D”附加到元件编号表示近端或远端位置，并且将P或D附加到图中的箭头表示沿一个或多个轴的近端或远端方向。除非要求保护，否则这些术语是为了方便而提供的，并且不旨在将本公开限制于特定的位置、方向或取向。
术语“大体上”用于表示可能值的范围。例如，激光轴L-L被描述为大体上与光纤轴F-F横切，意味着轴L-L可以与轴F-F横切或垂直。术语“大体上”也可以与其他描述性术语同义，诸如“约”、“基本上”和/或“近似”，其中的任何一个可以指示在所述值的+/-5％内的可能值的范围。
如本文所使用的，术语“包括”、“包含(comprising)”或类似型旨在涵盖非排他性包括，使得包括一列要素的设备或方法不仅包括这些要素，而且可以包括未明确列出或对于其固有的其他要素。除非另有声明，否则术语“示例性”用于“示例”而不是“理想的”含义。相反，术语“由...组成(consists of)”和“由...构成(consisting of)”旨在涵盖排他性包括，使得由一列要素组成的设备或方法仅包括这些要素。
本公开的一个方面在图1中被描绘为系统10。如所示，系统10可以包括：流体冷却式光纤12；激光源14；流体源16；和控制器18。光纤12包括与激光源14和流体源16耦合的近端端部12P、以及被配置为使激光能量2从激光源14和/或流体4从流体源16排放的远端端部12D。例如，图1的激光源12和/或流体源14可以被配置为响应于来自控制器18的控制信号在相同或不同的时间排放激光能量2和/或流体4。
图1和图2中描绘了光纤12的示例性远端端部12D。如所示，光纤12可以包括：纤维体20，其包括远端端部20D；内帽30，其围绕远端端部20D；外帽40，其围绕内帽30；以及管50，其从外帽40接近延伸。根据该方面，管50和外帽40可以限定近端或第一流动通道60；外帽40和内帽30可以限定远端或第二流动通道70；并且外帽40可以被配置为使得近端通道60与远端通道70连通。在系统10内，可以使流体4(例如，二氧化碳或盐水)通过流体源16的近端通道60和远端通道70进行循环。
如图1和图2所示，纤维体20沿着光纤轴F-F在远端端部20D和近端端部20P之间延伸，近端端部20P被光学耦合到激光源14。图2的远端端部20D具有侧射(side-fire)配置，其包括反射表面22，该反射表面22被设置角度为沿着激光轴L-L将激光能量2引导到纤维体20的外部，激光轴L-L大体上与光纤轴F-F横切。远端端部20D可以替代地具有端射(end-fire)配置，其中表面22被省略或进一步修改，以将激光能量2引导到远端端部20D之外，使得激光轴L-L大体上与光纤轴F-F平行。在图2中，图2的纤维20的近端部分包括包层24，而纤维20的远端部分不包括包层24。例如，包层24可以具有比纤维体20更低的折射率，从而在纤维体20中保留更多的激光能量2。近端端部20P可以通过任何常规手段光学耦合到激光源14。
在图2中，内帽30围绕纤维体20的远端端部20D。如所示，内帽30可以包括：近端端部30P，其附接到光纤主体20；中央部分30C，其包括与激光轴L-L对准的至少一个透射部32；远端端部30D；以及内腔34，其在远端端部30D和近端端部30P之间延伸。现在描述内帽30的每个元件。
内帽30的近端端部30P可以通过第一环氧树脂80而被附接到纤维体20。在图2中，第一环氧树脂80被配置为固定内帽30相对于纤维体20的位置，和/或密封内腔34。例如，第一环氧树脂80可以是第一环氧树脂(例如，UV固化的环氧树脂)。在图2中，第一环氧树脂80覆盖内帽30的近端端部30P和包层24的远端部分，从而提供帽30和纤维体20之间的逐渐过渡。可以在纤维体20、包层24和/或帽30上提供一个或多个表面特征，以促进与第一环氧树脂80的粘附。例如，内帽30的近端端部30P的外表面或内表面可以包括被配置为促进与第一环氧树脂80粘附的表面特征。示例性表面特征可以包括脊、凹陷、突起、螺纹或类似元件，其被配置为提供与环氧树脂80可接合的扩张的表面区域。纤维体20的外表面可以具有互补的表面特征。
中央部分30C包括被配置为使激光能量2从其中通过的至少一个透射部32。内腔34被设置大小以容纳纤维体20，使得激光轴L-L与透射部32对准。例如，如图2所示，内帽30可以完全由沿光纤轴F-F具有恒定直径的透射材料(例如，玻璃)构成。在该配置中，激光轴L-L可以在可以将激光能量2从反射表面22引导通过透射部32的任何位置中与透射部32对准。根据其他方面，内帽30可以由具有可变直径的非透射元件(例如，金属)构成，并且至少一个透射部32可以包括附接到帽30的单独的透射材料。在该配置中，激光轴L-L可以在可以将激光能量2从反射表面22引导通过所述透射材料的任何位置中与透射部32对准。无论是如何形成的，内帽30和至少一个透射部32可以提供帽30的连续外表面，从而允许内腔34与通道60和70密封隔离。
第一环氧树脂80可以被配置为保持内帽30的内表面和纤维体20的外表面之间的隔离。第一环氧树脂80可以密封内腔34。一旦被密封，绝缘元素(例如，绝缘气体)可以被放置在腔34的内部。如图2所示，例如，附接点36可以被定位在腔34内并且被成形为围绕和/或支撑纤维体20的远端端部20D的至少一部分。可以用激光能量形成附接点36。例如，内帽30可以由第一材料制成，并且外帽40可以由第二材料形成，使得可以用激光能量(例如，来自CO2激光器)将帽30和40的一部分熔合在一起以限定附接点36。激光能量2可以沿着激光轴L-L穿过附接点36或在其中形成的开口。根据一些方面，附接点36可以将内腔34分成近端密封部分和远端密封部分，从而允许在每个密封部分中提供不同的绝缘元素；或者相同元素在热量的引导下在其间流动。附加附接点36可以被形成在帽30和40之间。可以用第一环氧树脂80形成类似的点36。
在图2中，远端端部30D的内表面和外表面具有与光纤轴F-F同轴的半球形表面。远端端部30D的内部半球形表面可以包括将激光能量2引导回纤维体20的涂层，而远端端部30D的外部半球形表面可以被配置为将流体4引导回远端腔70，如下面所描述的。
图2的外帽40围绕内帽30。帽40可以包括：近端端部40P，其被附接到内帽30；转移部40T，其包括一个或多个开口43；中央部分40C，其包括与激光轴L-L对准的出口42；远端端部40D；以及内腔44，其在端部40D和端部40P之间延伸。现在描述帽60的元件。
近端端部40P可以通过第二环氧树脂82附接到内帽30。在图2中，第二环氧树脂82被配置为固定外帽40相对于内帽30的位置，和/或进一步密封内腔34。帽40的近端端部40P的内直径可以相对于帽30的近端端部30P的外直径而被设置大小。第二环氧树脂82可以具有与第一环氧树脂80的性质相同或不同的至少一种性质。例如，第一环氧树脂80可以具有大于第二环氧树脂82的热阻和/或弹性模量的热阻和/或弹性模量。在一些方面，第二环氧树脂82可以是UV固化的环氧树脂。第一环氧树脂80和第二环氧树脂82可以通过任何其他手段来固化，或者是相同的材料。
在图2中，第二环氧树脂82覆盖内帽30的近端端部30P和整个第一环氧树脂80，使得仅环氧树脂82被暴露于流体4。可在内帽30和/或外帽40上提供一个或多个表面特征，以促进与第二环氧树脂82的粘附。例如，内帽30的近端端部30P的内表面可以包括被配置为促进与第二环氧树脂82的粘附的表面特征(例如，脊)。外帽40的内表面和/或第一环氧树脂80的外表面可以包括类似的表面特征。与第一环氧树脂80非常相似，第二环氧树脂82可以被配置为保持外帽40的内表面和内帽30的外表面之间的隔离。第一环氧树脂80可以与第二环氧树脂82化学或物理地结合，以进一步保持该隔离。例如，第一环氧树脂80可以被配制为在施加热下与第二环氧树脂82融合。
转移部40T包括延伸穿过外帽40的一个或多个开口43。转移部40T的内直径和外直径被设置大小以将流体4引导到开口43中。每个开口43例如位于远离外帽40的近端端部40P，并且位于接近管50的远端端部50D。开口43可以是任何形状(例如，圆形、椭圆形等)；并且可以是任何大小(例如，相同的或不同的大小)。在图2中，外帽40包括被配置为将流体4从近端通道60引导到远端通道70中的至少两个开口43。可以提供任何数量的开口43。如图2所示，可以将这些至少两个开口43沿着与光纤轴F-F横切或垂直的开口轴O-O相对地布置。
中央部分40C包括出口42。内腔44被设置大小以容纳内帽30，使得外帽40的出口42和内帽30的至少一个透射部32都与激光轴L-L对准。在图2中，出口42是完全穿过外帽40延伸的通孔，并被配置为沿着激光轴L-L排放激光能量2和/或流体4。所述通孔可以例如与激光轴L-L同轴。内腔44在中央部分40C处的直径被扩张，以便允许与管50的附接，并且使较大量的流体4集中在邻近出口42，在该处可以生成大部分热量。出口42可以被配置为使流体4集中或消散。
在图2中，远端端部40D的内表面和外表面具有与光纤轴F-F同轴的半球形表面。远端端部40D可以相对于帽30的远端端部30D而被设置大小。例如，在图2中，外帽40的远端端部40D的内部半球形表面可以略大于内帽30的远端端部30D的外部半球形并且与其间隔开，从而限定远端流动通道70的回流部分。
如图2所示，管50可以围绕纤维体20、内帽30和/或外帽40的近端部分。可以使用任何类型的管。管50的远端50D可以通过任何常规手段在一个或多个开口43的远端位置处被附接到外帽40的中央部分40C。如图1所示，管50的近端端部50P可以是与流体源16可接合的，并且被配置为引导流体4通过第一通道60。可以使用任何类型的流体源。
近端流动通道60和远端流动通道70可以由纤维体20、内帽30、外帽40和/或管50来限定。例如，在图2中，管50的内表面与纤维体20的外表面间隔开，使得近端流动通道60由管50和主体20限定为具有围绕光纤轴F-F的环形截面。近端流动通道60的远端部分被配置为引导流体4通过转移部40T。在该配置中可以增加流体4的压力。例如，如图2所示，管50的内直径可以是恒定的，而远端端部40D的外直径可以小于转移部40T的外直径，从而限定了被配置为当流体4从通道60通过进入通道70中时增加流体4的压力的漏斗。
如上所述，中央部分40C被设置大小以使较大量的流体4集中在邻近出口42处。中央部分40C的内表面可以被配置为将流体4引导到出口42之外和/或将流体4引导到远端流动通道70的回流部分中。例如，转移部40T的内表面可以包括凹槽(或类似的表面特征)，其被配置为将流体4中的第一部分引导到出口42之外，并将流体4中的第二部分引导到所述回流部分中。例如，可以使第一组凹槽围绕中央部分40C的内部螺旋以使流体4中的一部分围绕出口42进行循环，而第二组凹槽可以沿着光纤轴F-F延伸以使流体4中的另一部分通过远端通道70的回流部分进行循环。
虽然本文参考特定应用的示例性方面描述了本公开的原理，但是本公开不限于此。本领域普通技术人员以及接触到本文提供的教导的人将认识到等价物的额外修改、应用、方面和替换全部落入本文描述的方面的范围内。因此，本公开不被视为受前述描述的限制。

Claims (15)

1.一种光纤，包括：
纤维体，其包括具有反射表面的远端端部，所述反射表面被设置角度以沿着激光轴将激光能量引导到纤维体之外；
内帽，其围绕所述纤维体的远端端部，所述内帽包括：被附接到所述纤维体的近端端部、以及与所述激光轴对准的至少一个透射部；
外帽，其围绕所述内帽，所述外帽包括：被附接到所述内帽和所述纤维体中的至少一个的近端端部、转移部、包括与所述激光轴对准的出口的中央部、以及远端端部；
管，其围绕所述纤维体的至少一部分，所述管包括被附接到所述外帽的远端端部，
其中，所述管和所述外帽限定第一流动通道，所述外帽和所述内帽限定第二流动通道，所述外帽的转移部包括被配置为使得所述第一流动通道与所述第二流动通道连通的一个或多个开口，并且所述一个或多个开口远离所述内帽的近端端部；
其中，所述外帽的远端端部的外直径小于所述转移部的外直径。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述内帽的近端端部通过第一环氧树脂而被附接到所述纤维体，并且所述内帽的内表面通过所述第一环氧树脂而与所述纤维体的外表面间隔开，以在所述内帽内限定密封的内腔。
3.根据权利要求2所述的光纤，其中，所述内帽的近端端部包括被配置为促进与所述第一环氧树脂的粘附的表面特征。
4.根据权利要求2所述的光纤，其中，所述密封的内腔包括绝缘元素。
5.根据权利要求2所述的光纤，还包括在所述内帽的内表面和所述纤维体的远端端部的外表面之间的一个或多个附接点。
6.根据权利要求2所述的光纤，其中，在所述内帽的内表面和所述纤维体的远端端部的外表面之间形成附接点，以将所述密封的内腔分成近端密封部分和远端密封部分，所述近端密封部分和所述远端密封部分包括不同的绝缘元素。
7.根据权利要求2所述的光纤，其中，所述外帽的近端端部通过第二环氧树脂而被附接到所述内帽。
8.根据权利要求7所述的光纤，其中，所述第一环氧树脂具有与所述第二环氧树脂的性质不同的性质。
9.根据权利要求7所述的光纤，其中，所述第二环氧树脂封装所述内帽的近端端部和所述第一环氧树脂的外表面。
10.根据权利要求7所述的光纤，其中，所述内帽的近端端部包括被配置为促进与所述第二环氧树脂的粘附的表面特征。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的光纤，其中，所述外帽的一个或多个开口接近所述出口。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的光纤，其中，将所述一个或多个开口沿着与所述纤维体的光纤轴垂直的开口轴相对地定位。
13.根据权利要求1-10中任一项所述的光纤，其中，所述第一流动通道的远端部分朝向所述一个或多个开口汇聚。
14.根据权利要求1-10中任一项所述的光纤，其中，所述第二流动通道包括邻近所述出口的扩张的内部部分。
15.根据权利要求1-10中任一项所述的光纤，其中，所述内帽由玻璃制成，并且所述外帽由金属制成。
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