CN111505761B - 具有较高数值孔径的光纤及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有较高数值孔径的光纤及制备方法，它包括多根纤芯和多根空气毛细管，所述的多根纤芯与多根空气毛细管交错排列，以使纤芯获得较高的光学耦合性能。制备方法，包括以下步骤：将光纤预制棒和玻璃管预制棒按交错布置的阵列方式固定安装在光纤拉丝塔上，加热到1800~2000℃，拉制出5微米到35微米的阵列光纤，将阵列光纤集束后，在集束表面制备覆层。本发明能够提高和灵活控制数值孔径。经检测，本发明的光纤，数值孔径能够达到0.69。通过带状纤芯或多纤芯的结构，能够实现较大面积的照明。

Description

具有较高数值孔径的光纤及制备方法
技术领域
本发明涉及光纤照明技术领域，尤其是一种具有较高数值孔径的光纤及制备方法。
背景技术
生物内窥镜广泛应用于临床医学，具有图像传感器、光学镜头、光源照明、机械装置等功能，可以进入胃内或经其他孔道进入人体内。利用内窥镜可以看到X射线不能显示的病变，因此对诊断或者治疗非常有利。例如，借助内窥镜医生可以观察胃内的溃疡或肿瘤，据此制定出最佳的治疗方案。内窥镜整体长度2-3米，直径约为800微米。图8a展示出内窥镜的照明功能，图8b是内窥镜端面照片，其中照明使用的纤维无规则的围绕在光纤纤芯周边，纤维直径大约10-30微米；图8c展示出可见光光源在内窥镜另一头，形成透射时，照明光纤是明亮的。用于照明用的玻璃纤维大约接近100根，要求玻璃纤维组需不易则断，需要弯曲半径达到5mm。
生物内窥镜内照明光纤使用的光纤有几个指标要求，（1）是光学耦合性能较好，有较低衰耗，可以实现另外一头端可见光光源较好的传输。（2）易于弯曲不易折断。因为内窥镜要进入人体内，可能弯曲环境较多，所以整根内窥镜的弯曲半径不能太大，一般是5mm弯曲半径。传统的照明玻璃光纤并没有涂层材料保护，玻璃丝在一定弯曲条件下容易折断。因此现有传统照明技术的内窥镜成品率较低、使用寿命有限。（3）大数值孔径。为了保证光线较容易耦合进内窥镜的光纤，需要具有较高数值孔径（NA）光纤。数值孔径是一个无量纲的数，它表示光纤接收和传输光的能力。通常NA的数值在0.14～0.5范围之内。光纤的数值孔径NA越大，光线可以越容易地被耦合到该光纤中。光纤的数值孔径大小与纤芯折射率，及纤芯－包层相对折射率差有关。从物理上看，光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。从增加进入光纤的光功率的观点来看，NA越大越好，因为光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。
中国专利文献CN1050984A记载了一种激光照射装置，记载了多根相互平行的光纤结构。中国专利文献CN1242080A记载了一种具有多层光纤的光学耦合器。上述的结构均不能获得较高的数值孔径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有较高数值孔径的光纤及制备方法，能够获得具有较高数值孔径的光纤，且弯曲半径达到5mm。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种具有较高数值孔径的光纤，它包括多根纤芯和多根空气毛细管，所述的多根纤芯与多根空气毛细管交错排列，以使纤芯获得较高的光学耦合性能。
优选的方案中，所述的纤芯紧密排列成带状，纤芯带状结构的两个面设有带状排列的空气毛细管；
所述的光纤用于照明。
优选的方案中，所述的纤芯紧密排列且互相联系成带状，纤芯带状结构的两个面设有带状排列的空气毛细管。
优选的方案中，所述的纤芯层数为2-9层。
优选的方案中，所述的纤芯与空气毛细管之间以根为单位随机交错排列。
优选的方案中，所述的纤芯与空气毛细管之间以根为单位交错排列，纤芯相邻为空气毛细管，空气毛细管相邻为纤芯。
优选的方案中，纤芯与空气毛细管的外接圆直径大致相同；
纤芯的外接圆直径为5微米到35微米；
纤芯与空气毛细管整体的外接圆直径≤125微米；
光纤的最小弯曲半径为5mm。
优选的方案中，纤芯和空气毛细管的材质包括：石英玻璃，其他玻璃材料和塑料透光材料；
其他玻璃材料包括：铅酸盐玻璃、硫系玻璃、重金属氧化物玻璃、肖特公司多组分玻璃；
在纤芯与空气毛细管的整体之外设有覆层，覆层的厚度大于纤芯的外接圆直径；
光纤的横截面为圆形、方形和扁平的形状。
一种制备上述的具有较高数值孔径的光纤的制备方法，包括以下步骤：将光纤预制棒和玻璃管预制棒按交错布置的阵列方式固定安装在光纤拉丝塔上，加热到1800~2000℃，拉制出5微米到35微米的阵列光纤，将阵列光纤集束后，在集束表面制备覆层。
优选的方案中，在玻璃管中通入压力气体，以避免空气毛细管塌缩；
通过控制空气毛细管的壁厚来控制光纤的数值孔径。
本发明提供了一种具有较高数值孔径的光纤及制备方法，与现有技术相比，具有以下的有益效果：
1、采用纤芯与空气毛细管结合的结构，能够提高和灵活控制数值孔径。经检测，本发明的光纤，数值孔径能够达到0.69。空气毛细管的壁厚可以调节，例如毛细管壁厚较大，玻璃材料相对厚，因此相对折射率高；壁厚较小，玻璃材料相对薄，因此相对折射率低。毛细管层的相对折射率决定纤芯层的数值孔径，因此光纤的数值孔径可以根据应用需求在0.2~0.69之间进行调整。
2、通过带状纤芯或多纤芯的结构，能够实现较大面积的照明。
3、光纤外壁能够增加涂层，以提高光纤的韧性。经测试，外径为125微米的光纤，可以在弯曲半径为5mm的工装上盘100圈，并长期可靠。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的光纤结构端面示意图。
图2为本发明优选的光纤结构端面示意图。
图3为本发明另一优选的光纤结构端面示意图。
图4为本发明另一优选的光纤结构端面示意图。
图5为本发明的扁形端面示意图。
图6为本发明的方形端面示意图。
图7为本发明中端面折射率分布示意图。
图8a为内窥镜的照明功能的示意图。
图8b为内窥镜的端面图。
图8c为内窥镜透射成像时的示意图。
图中：纤芯1，空气毛细管2，覆层3，填充区域4，纤芯折射率n1，空气毛细管n2，折射率n，光纤直径D。
具体实施方式
实施例1：
如图1~4中，一种具有较高数值孔径的光纤，它包括多根纤芯1和多根空气毛细管2，所述的多根纤芯1与多根空气毛细管2交错排列，以使纤芯1获得较高的光学耦合性能。由此结构利用纤芯1与空气毛细管2之间的相对折射率差提高光纤的数值孔径，使光线能够更容易地被耦合到光纤中。
优选的方案如图1中，所述的纤芯1紧密排列成带状，纤芯1带状结构的两个面设有带状排列的空气毛细管2。由此结构，带状结构纤芯的上、下层由带状的空气毛细管隔离开，使得每层纤芯形成良好的波导。从光纤端面看，上、下层的空芯毛细管与纤芯毛细棒自然紧密贴合。每层的毛细管层由多根毛细管紧密排列而成。在制备阵列光纤的过程，纤芯1容易在高温作用下，互相联系。经测试对整个照明的效果影响不大。但是能够减少制备工艺的难度。例如对温度控制和拉制参数控制的难度。
优选的方案如图2中，所述的纤芯1紧密排列且互相联系成带状，纤芯1带状结构的两个面设有带状排列的空气毛细管2。该结构有利于降低光纤的制备难度。
优选的方案中，所述的纤芯1层数为2-9层。优选为5层。在该结构下，能够满足弯曲直径达到5mm的要求。
优选的方案如图3中，所述的纤芯1与空气毛细管2之间以根为单位随机交错排列。由于仅使用光纤作为照明传输，没有类似通讯应用中的较高要求，需要精准耦合对应的纤芯，因此本发明中的纤芯1和空气毛细管2能够随机堆叠。光纤传输光线照明的效果会有影响，但如果只是短距离传输，可以在接受范围内。
优选的方案如图4中，所述的纤芯1与空气毛细管2之间以根为单位交错排列，纤芯1相邻为空气毛细管2，空气毛细管2相邻为纤芯1。该结构下，检测得到最高的数值孔径，达到0.69。
优选的方案中，纤芯1与空气毛细管2的外接圆直径大致相同；由此结构，以便于后继的制备工序。利于光纤预制棒排管工艺。
纤芯1的外接圆直径为5微米到35微米；优选采用15~30微米，以将光纤的整体直径控制在150微米以内。
纤芯1与空气毛细管2整体的外接圆直径≤125微米。由此结构，满足最小弯曲半径的要求。经过在光纤外壁增加涂层，保证了光纤的强度，经测试，外径为125微米的光纤，可以在弯曲半径为5mm的工装上盘100圈，并通过超过1000小时长期疲劳测试。
优选的方案中，纤芯1和空气毛细管2的材质包括：石英玻璃，其他玻璃材料和塑料透光材料；
其他玻璃材料包括：铅酸盐玻璃、硫系玻璃、重金属氧化物玻璃、肖特公司多组分玻璃；
在纤芯1与空气毛细管2的整体之外设有覆层3，覆层3的厚度大于纤芯1的外接圆直径。
如图1~6中，光纤的横截面为圆形、方形和扁平的形状。通过采用不同的横截面形状，以适应不同的应用场景。
实施例2：
一种制备上述的具有较高数值孔径的光纤的制备方法，包括以下步骤：将光纤预制棒和玻璃管预制棒按交错布置的阵列方式固定安装在光纤拉丝塔上，加热到1800~2000℃，拉制出5微米到35微米的阵列光纤，将阵列光纤集束后，在集束表面制备覆层3。具体步骤为，将集束的纤芯1和空气毛细管2穿入到覆层3玻璃管内，其中覆层3玻璃管被加工成具有锥形的口部，其最小开口直径略大于阵列光纤集束的外接圆直径，将覆层3玻璃管加热至1800~2000℃，将光纤集束与覆层3玻璃管同时拉出，即实现将覆层3与纤芯1和空气毛细管2光纤集束加工在一起。
优选的方案中，在玻璃管中通入压力气体，以避免空气毛细管2塌缩；压力气体包括空气和氮气，压力大小与空气毛细管2的材质、壁厚和加热温度相关。通常控制在环境大气压下的110%~150%。
通过控制空气毛细管2的壁厚来控制光纤的数值孔径。空气毛细管2的壁厚增大，玻璃材料相对厚，因此相对折射率高；壁厚较小，玻璃材料相对薄，因此相对折射率低。空气毛细管2的壁厚由玻璃管预制棒的壁厚决定。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有较高数值孔径的光纤，其特征是：它包括多根纤芯（1）和多根空气毛细管（2），所述的多根纤芯（1）与多根空气毛细管（2）交错排列，以使纤芯（1）获得较高的光学耦合性能；
纤芯（1）与空气毛细管（2）的外接圆直径大致相同；纤芯（1）的外接圆直径为5微米到35微米；
纤芯（1）与空气毛细管（2）整体的外接圆直径≤125微米；
所述的纤芯（1）紧密排列成带状，纤芯（1）带状结构的两个面设有带状排列的空气毛细管（2）；
光纤的最小弯曲半径为5mm；
所述的光纤用于照明。
2.根据权利要求1所述的一种具有较高数值孔径的光纤，其特征是：所述的纤芯（1）紧密排列且互相联系成带状，纤芯（1）带状结构的两个面设有带状排列的空气毛细管（2）。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种具有较高数值孔径的光纤，其特征是：所述的纤芯（1）层数为2-9层。
4.根据权利要求1所述的一种具有较高数值孔径的光纤，其特征是：纤芯（1）和空气毛细管（2）的材质包括：石英玻璃，其他玻璃材料和塑料透光材料；
其他玻璃材料包括：铅酸盐玻璃、硫系玻璃、重金属氧化物玻璃、肖特公司多组分玻璃；
在纤芯（1）与空气毛细管（2）的整体之外设有覆层（3），覆层（3）的厚度大于纤芯（1）的外接圆直径；
光纤的横截面为圆形、方形和扁平的形状。
5.一种制备权利要求1~4任一项所述的具有较高数值孔径的光纤的制备方法，其特征是包括以下步骤：将光纤预制棒和玻璃管预制棒按交错布置的阵列方式固定安装在光纤拉丝塔上，加热到1800~2000℃，拉制出5微米到35微米的阵列光纤，将阵列光纤集束后，在集束表面制备覆层（3）。
6.根据权利要求5所述的一种具有较高数值孔径的光纤的制备方法，其特征是：在玻璃管中通入压力气体，以避免空气毛细管（2）塌缩；
通过控制空气毛细管（2）的壁厚来控制光纤的数值孔径。
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