CN112292358A - 相干成像光纤以及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种形成成像光纤装置的方法，所述方法包括：布置纤芯棒102和包层棒104以形成至少一个一次层叠体100a，每个一次层叠体100a包括层叠布置的多个纤芯棒102和包层棒104，从而形成在包层区域内的多个纤芯区域；进行拉伸过程以由至少一个一次层叠体形成多个经拉伸的层叠体；其中多个纤芯棒和包层棒进一步被布置为具有选定的形状，使得多个层叠体以所需布置层叠在一起，并且其中层叠布置包括包层棒的至少部分外层，从而当以所需布置层叠在一起时在各相邻层叠体的纤芯区域之间提供间隔，所述方法还包括：将多个经拉伸的层叠体以所需布置层叠在一起以形成进一步的层叠体；拉伸进一步的层叠体；和·使用经拉伸的进一步的层叠体来形成成像光纤装置。

Description

相干成像光纤以及方法
技术领域
本发明涉及光纤装置(例如空间相干成像光纤)以及制备光纤装置的方法。
背景技术
相干成像光纤(其可以被称为光纤束)可以包括数千个导光纤芯(core)，其中的每一个导光纤芯都沿着光纤长度传输一部分图像。每个纤芯可以作为构成图像的像素。
为了构成高分辨率图像，光纤的纤芯靠近放置。对于纤芯彼此之间可以放置多接近可能存在限制。当纤芯靠得太近时，一个纤芯中的光可能从该纤芯脱离并且耦合到另一个纤芯中。在纤芯之间的这种光耦合可能使传输的图像变差。
一种缓解耦合效应的方法可以是提高纤芯和周围包层之间的折射率对比度，其通常使用光纤的数值孔径(NA)进行测量。已知的光纤可以通过使用昂贵的玻璃掺杂和回火技术而获得大于0.3的NA。
自从90年代后期，已经存在NA超过0.7的光子晶体光纤(PCF)用于诸如超连续产生之类的应用，其通过使用中空毛细管来形成具有与空气折射率(index)接近的有效折射率的包层。
已知的光纤(例如可从肖特集团(Schott AG)得到的那些)涉及由与包层玻璃相比具有高折射率的特种玻璃制成的均匀纤芯的层叠阵列，从而提供高折射率对比度。肖特集团(Schott AG)还提供了具有吸收间质元素的光纤，或经浸渍的光纤束，在经浸渍的光纤束中，间质玻璃被蚀刻掉，留下在光纤任一端结合并且沿着光纤长度被空气间隔开的隔离纤芯的束。
藤仓有限公司(Fujikura Ltd)生产基于掺杂二氧化硅玻璃的成像光纤。可以通过使用具有随机尺寸变化和随机空间分布的高NA(～0.4)阶跃型纤芯来抑制串扰。获取用于经济地制作这样的光纤的原料可能是困难的。这可能导致高的制造成本。
Zhao等人(“Image Transport Through Meter-Long Randomly DisorderedSilica-Air Optical Fiber(通过米长的随机无序二氧化硅-空气光纤的图像传输)”，Scientific Reports(2018))描述了一种基于横向安德森定域化的空气-二氧化硅成像光纤。光纤的结构为二氧化硅玻璃和空气的随机横向布置。光纤可以沿着长度空间相干。Zhao等人还证明了在405nm下通过弯折至20cm半径的90cm长光纤的分辨率为20μm。
Eijkelenborg(“Imaging with microstructured polymer fibre(利用微结构化聚合物光纤的成像)”，Opt.Express 12，342-346(2004))描述了一种112个气孔的方形阵列，从而在介于气孔之间的聚合物纤芯中导光或者在空气通道自身中导光。光纤未层叠，但是由整体的结构化预成型体拉伸得到。光纤由聚合物制成，并且含有91个实心纤芯和112个气孔。证明了具有42μm分辨率的成像。
Kobayashi(“Multi-element hollow-core anti-resonant fibre for infraredthermal imaging(用于红外热成像的多元中空纤芯抗共振光纤)”，Opt.Express24，26565-26574(2016))描述了一种成像光纤，其由设计用于内窥镜红外热成像的245个抗共振玻璃中空光纤的阵列组成。光通过抗共振来引导。Kobayashi在大于2μm波长操作，通过90cm光纤的分辨率为大约500μm。
Ming-Leung等人(“Superlattice Microstructured Optical Fibre(超晶格微结构化光纤)”，Materials 7，no.6，4567-4573(2014))描述了超晶格PCF的制作和使用。PCF仅具有一个纤芯。进行多重层叠以提供超晶格包层。第一层叠体由被实心棒包围的内部毛细管组成。
Michaille等人(“Multicore Photonic Crystal Fibre Lasers for HighPower/Energy Applications(用于高功率/能量应用的多纤芯光子晶体光纤激光器)”，IEEE 15，328-336(2009))描述了用于高功率激光应用的多纤芯PCF结构。每个光纤具有少于40个纤芯。
概述
在本发明的第一方面，提供了一种形成光纤装置的方法，所述方法包括：布置纤芯棒和包层棒以形成至少一个一次层叠体，每个一次层叠体包括层叠布置的多个纤芯棒和包层棒，从而形成在包层区域内的多个纤芯区域；进行拉伸过程以由所述至少一个一次层叠体形成多个经拉伸的层叠体；其中多个纤芯棒和包层棒进一步被布置为具有选定的形状，使得多个层叠体以所需布置层叠在一起，并且其中所述层叠布置包括包层棒的至少部分外层，从而当以所需布置层叠在一起时在各相邻层叠体的纤芯区域之间提供间隔，所述方法还包括：将多个经拉伸的层叠体以所需布置层叠在一起而形成进一步的层叠体；拉伸所述进一步的层叠体；和使用经拉伸的进一步的层叠体来形成光纤装置。光纤装置可以包括成像光纤装置。
上述方法可以使得能够形成具有提高的分辨率和/或宽功能光谱范围的光纤。所述方法还可以提供一种简化或高效的用于形成光纤装置的方法。
拉伸过程可以包括：拉伸至少一个一次层叠体以形成至少一个经拉伸的一次层叠体，和切割至少一个经拉伸的一次层叠体。
包层棒可以包括毛细管，使得包层区域至少部分地包括空气包层区域。
层叠布置可以使得各相邻层叠体的一个或多个边缘以所需布置协作，从而在所述各层叠体的纤芯区域之间提供所述间隔。
层叠布置可以使得每个层叠体包括至少一个包含至少一个包层棒的外边缘。
层叠布置可以使得每个层叠体包括包层棒的一个或多个外边缘。
层叠布置可以使得每个层叠体包括包层棒的外层。
多个经拉伸的层叠体中的每个都可以具有基本上相同的层叠布置和/或选定形状。
层叠布置和/或所需布置可以包括纤芯棒和包层棒的规则阵列。
以所需布置布置层叠体还可以包括控制或改变多个经拉伸的层叠体中的一个或多个的取向。
层叠布置可以使得进一步的层叠体包括多个纤芯区域在包层区域内的基本上均匀的分布。
层叠布置可以使得所布置的层叠体包括多个纤芯区域在包层区域内的非对称分布。
层叠布置可以使得所布置的层叠体包括纤芯棒和包层棒的非对称分布，并且所需布置可以使得进一步的层叠体包括纤芯区域的对称分布。
层叠布置可以使得进一步的层叠体包括纤芯棒和包层棒的重复图案。
选定形状可以包括不规则形状。
选定形状可以包括以下各项中的至少一种：正方形、矩形、菱形、平行四边形、六边形、正多边形。
层叠布置可以包括以下各项中的至少一项：
六方堆积布置、蜂巢状布置、六角格(hexagonal lattice)布置、交错行布置。
对于每个层叠体，各多个纤芯棒和各多个包层棒可以以层叠布置进行布置，使得每个纤芯区域至少部分地被包层棒包围。
多个纤芯区域可以包括一个或多个内部纤芯区域和一个或多个边缘纤芯区域，并且层叠结构可以包括用包层棒包围所述一个或多个内部纤芯区域。
层叠布置可以使得每个纤芯棒通过至少一个包层棒与其最接近的相邻纤芯棒间隔开。
多个纤芯区域中的每个都可以由单个纤芯棒形成。
每个纤芯棒可以包含以下各项中的至少一项：二氧化硅、Ge掺杂的二氧化硅、氟掺杂的二氧化硅、硼掺杂的二氧化硅、铝掺杂的二氧化硅、硅酸盐玻璃。
每个包层棒可以包含以下各项中的至少一项：二氧化硅、Ge掺杂的二氧化硅、氟掺杂的二氧化硅、硼掺杂的二氧化硅、铝掺杂的二氧化硅、硅酸盐玻璃。
多个纤芯区域中的每个可以包括不均匀的折射率分布。
层叠布置和/或所需布置可以使得：对于每个纤芯区域，所述纤芯区域的最接近的相邻纤芯区域包括与所述纤芯区域不同的折射率分布。
层叠布置和/或所需布置可以使得：对于每个纤芯区域，所述纤芯区域的最接近的相邻纤芯区域包括与所述纤芯区域不同的有效折射率。
层叠布置和/或所需布置可以使得：对于每个纤芯区域，所述纤芯区域的次邻近的纤芯区域包括包含基本上相同的折射率分布或有效折射率的纤芯区域。
每个纤芯区域可以具有内部纤芯区域和外部纤芯区域。层叠布置可以使得对于每个纤芯棒，所述纤芯棒的最接近的相邻纤芯棒包括不同的内部纤芯区域尺寸与外部纤芯区域尺寸的比率。
内部纤芯区域和外部纤芯区域可以分别通过内部折射率分布的边界以及它们的包层区域的边界来限定。
内部纤芯区域和外部纤芯区域中的至少一种可以包括掺杂纤芯区域。
所述方法还可以包括：通过拉伸至少一个预成型体来获得纤芯棒。
棒的外部尺寸可以为0.5mm至10mm，任选地1mm至5mm。
每个层叠体的宽度可以为10mm至100mm。
每个纤芯的数值孔径可以小于0.50，任选地小于0.45。
每个纤芯棒可以包括纤芯和包层。
所述方法还可以包括对光纤的端部区域进行密封过程。
密封过程可以包括以下各项中的至少一项：
使用至少部分透明的封堵材料(例如，树脂和/或胶和/或玻璃和/或溶胶-凝胶)封堵在端部区域的纤芯之间的孔；
使在端部区域的棒坍塌/压缩，例如，使用光纤拉锥机(fibre tapering rig)进行；
将端部区域熔化；
抛光端部区域。
所述玻璃可以具有低熔融温度。
所述方法还可以包括：
控制进行至少一个一次层叠体的拉伸过程的第一拉伸温度，和/或控制进行进一步的层叠体的拉伸的进一步的拉伸温度。
第一拉伸温度可以是1800至2000摄氏度。第一拉伸温度可以是1850至1950摄氏度。第一拉伸温度可以是1890至1910摄氏度。
进一步的拉伸温度可以是1800至2000摄氏度。进一步的拉伸温度可以是1850至1950摄氏度。进一步的拉伸温度可以是1890至1910摄氏度。
所述方法还可以包括：
控制进行至少一个一次层叠体的拉伸过程的第一拉伸张力，和/或控制进行进一步的层叠体的拉伸的进一步的拉伸张力。
第一拉伸张力可以是至少300克力。第一拉伸张力可以是300至1000克力。第一拉伸张力可以是500至800克力。
进一步的拉伸张力可以是至少300克力。第一拉伸张力可以是300至1000克力。进一步的拉伸张力可以是500至800克力。
根据可以独立提供的本发明的第二方面，提供了一种光纤装置，所述光纤装置包括在包层区域内的纤芯区域，其中纤芯区域通过被布置为至少部分地包围所述纤芯区域的包层棒间隔开。
纤芯区域和包层区域可以由纤芯棒和包层棒以单元格(unit lattice)的重复图案的布置形成，每个单元格包括被包层棒包围的至少一个纤芯棒。
纤芯区域可以布置为使得对于每个纤芯区域，所述纤芯区域的最接近的相邻纤芯区域具有不同的折射率分布。
纤芯区域可以布置为使得对于每个纤芯区域，所述纤芯区域的次邻近的纤芯区域具有基本上相同的折射率分布。
光纤装置可以配置用于成像。
装置可以配置成传输可见光、紫外光、红外光中的至少一种。
光耦合器可以与光纤装置耦合，并且与光源和/或光检测器耦合。
在可以独立提供的本发明的另一方面中，可以提供一种光纤组件，所述光纤组件包括：根据本发明的第二方面所述或本文中所述的光纤装置或者使用根据本发明的第一方面所述或本文中所述的方法形成的光纤装置；至少一个另外的光纤和/或至少一个毛细管；以及容纳成像光纤装置以及至少一个另外的光纤和/或至少一个毛细管的包装。包装可以包括例如玻璃管或聚合物管。光纤装置可以包括成像光纤装置。
光纤组件还可以包括光耦合器，所述光耦合器被配置成将光纤装置与光源和/或光检测器耦合。
光纤组件还可以包括另外的耦合器，所述另外的耦合器被配置成将所述或每个另外的光纤与至少一个传感装置耦合。
光纤组件还可以包括连接器，所述连接器被配置成将所述或每个毛细管与流体插入装置(例如注射器)相连接。
光纤组件的远端可以被配置用于插入到人或动物受试者中。
在本发明的一个方面中的任何特征可以以任何适当的组合应用于本发明的其他方面。例如，装置特征可以作为方法特征应用，反之亦然。
附图简述
现在通过非限制性实例的方式描述本发明的实施方案，并且在以下附图中示出，其中：-
图1是一种光纤拉伸装置的示意图；
图2是概括示出一个实施方案的方法的流程图；
图3是包层棒和纤芯棒的一种层叠布置的一部分的示意图；
图4(a)是第一种一次层叠体的示意图，并且图4(b)是带有套的第一种二次层叠体的示意图；
图5(a)是第一种一次层叠体的示意图，并且图5(b)是第二种二次层叠体的一部分的示意图；
图6(a)是第三种一次层叠体的示意图，并且图6(b)是第三种二次层叠体的一部分的示意图；
图7是一种使用多于一种类型纤芯棒的一次层叠布置的示意图；
图8(a)是由第一光纤的扫描电子显微镜获得的图像，并且图8(b)是第一光纤的放大图；
图9示出了使用第一光纤得到的测试图像的实验成像结果，连同使用已知光纤得到的比较结果；
图10示出了使用第二光纤得到的测试图像的实验成像结果；
图11示出了使用第一光纤得到的测试图像的实验成像结果；
图12是一种光纤端面的实验图像，以及
图13示出了传输的白光的显微照片。
详述
在此描述了一种成像光纤(例如一种空间相干成像光纤)以及一种制备成像光纤的方法。所形成的成像光纤具有在包层区域内的多个纤芯区域。成像光纤的包层区域由中空空气填充的管或毛细管形成。光纤形成为使得多个纤芯区域布置在包层区域内，以使得纤芯区域被包层棒间隔开。所形成的成像光纤具有纵向长度，所述纵向长度具有用于接收光的第一端和用于传输光的第二端。
在使用时，光被引入到成像光纤的第一端中，并且被引导至成像光纤的第二端。光经由纤芯区域传输通过成像光纤。通过包层区域基本上将行进通过光纤的光限制为行进通过纤芯区域。纤芯区域也可以被称为光限制区域。
图1是包括加热元件20和光纤牵引机构22的第一拉伸装置10的示意图。光纤拉伸装置10用于形成上述成像光纤。为了清楚，已经省略了光纤拉伸装置的其他部件。图1不是按比例示出的。
在本实施方案中，光纤拉伸装置10是通信设备中的一项，并且被配置成将经拉伸的光纤的直径控制在微米范围内。在其他实施方案中，可以使用任何合适的光纤拉伸装置。
光纤拉伸装置10被配置成拉伸包括纤芯部分32和包层部分34的光纤预成型体30。
在一些实施方案中，光纤的纤芯部分32没有掺杂的部分。在一些实施方案中，纤芯部分32具有掺杂的部分。在一些实施方案中，纤芯部分32具有内部纤芯部分和外部纤芯部分，其中内部纤芯部分具有第一折射率分布和/或有效折射率，并且外部纤芯部分具有不同的第二折射率分布和/或有效折射率。
为了拉伸光纤预成型体30，通过牵引机构在箭头40指示的方向(其在图1中为向下)上牵引光纤预成型体。
通过加热元件20加热光纤预成型体30，使得其变软并且可以拉伸。通过牵引机构22牵引光纤预成型体30，使得其长度增大并且横截面减小。光纤牵引装置10的输出是与原始光纤预成型体30相比具有基本上相同的纤芯尺寸与包层尺寸的比率但是小得多的横截面的纤芯棒102。牵引机构包括牵引带(未示出)。
纤芯尺寸与包层尺寸的比率(例如，纤芯直径与包层直径的比率)可以被称为纤芯与包层的比率。包层尺寸也可以被称为外部尺寸。
光纤拉伸装置10进一步被配置成拉伸包层预成型体(图1中未示出)以形成包层棒。包层预成型体具有中央部分和包层部分。在该实施方案中，包层预成型体是F300二氧化硅玻璃，其具有中央部分，所述中央部分是被包层部分包围的空通道。当拉伸时，将包层预成型体放置在光纤拉伸装置中被预成型体30占据的相同位置。
为了拉伸包层预成型体，通过牵引机构在箭头40指示的方向(其在图1中为向下)上牵引包层预成型体。
通过加热元件20加热包层预成型体，使得其变软并且可以被拉伸。通过牵引机构22牵引包层预成型体，使得其长度增大并且横截面减小。光纤牵引装置10的输出是与原始光纤预成型体30相比具有基本上相同的包层尺寸与内部尺寸的比率但是小得多的横截面的包层棒104。
在该实施方案中，对于拉伸纤芯预成型体和包层预成型体示出相同的装置。在一些实施方案中，使用不同的装置。
图2是概括示出根据一个实施方案的形成光纤装置的方法的流程图。光纤装置是多纤芯光纤装置。光纤装置是多纤芯光纤装置。在该实施方案中，所形成的光纤装置是相干成像光纤，所述相干成像光纤包括与空气填充的包层棒一起以格子型形状布置的11,343个纤芯。在其他实施方案中，光纤装置可以是包括任意数量的纤芯(例如包括数百、数千或数万个纤芯)的任何合适光纤装置。
所制备的光纤具有在包层区域内的多个纤芯区域。光纤的纤芯区域被包层棒间隔开，使得每个纤芯区域提供空气包层的光导。在使用时，光被引入到光纤装置的第一端中，并且传播至光纤装置的第二端。通过包层棒将光限制于成像光纤的多个纤芯区域。在一些实施方案中，每个纤芯区域由单个纤芯棒形成。在备选实施方案中，纤芯区域可以由多于一个的纤芯棒形成。
在图2的阶段50a，使用光纤拉伸装置10拉伸一种或多种类型的光纤预成型体30以形成纤芯棒，所述纤芯棒在图3中用附图标记102描述。具有低折射率包层的个体纤芯棒由单一类型的光纤预成型体拉伸得到。在一些实施方案中，每个纤芯棒由单一类型的光纤预成型体拉伸得到，所述光纤预成型体包括一件或多件光纤预成型体，其各自具有相同的材料组成、纤芯直径和包层直径。在一些实施方案中，纤芯棒由多于一种类型的光纤预成型体拉伸得到，所述光纤预成型体例如具有不同的材料组成、纤芯直径和/或包层直径。
在本实施方案中，光纤预成型体30是由二氧化硅形成的多模电信级预成型体。光纤预成型体30被设计用于批量生产。
光纤预成型体30具有25mm的外径和50cm的长度。光纤预成型体30包括以第一折射率为特征的包层部分34和以峰折射率为特征的纤芯部分32。
在该实施方案中，纤芯棒由二氧化硅玻璃制成。在该实施方案中，光纤预成型体30的纤芯部分是锗掺杂的阶跃折射率纤芯部分。在其他实施方案中，光纤预成型体30具有渐变折射率，例如，所述渐变折射率具有抛物线渐变的折射率分布。在一些实施方案中，光纤预成型体30没有掺杂的部分。
光纤预成型体30可以被认为是具有标准尺寸的现货部件。
使用光纤拉伸装置10将光纤预成型体30拉伸至一定尺寸。例如，光纤拉伸装置10可以通过以下方式将光纤预成型体30的长度拉伸至第一尺寸以形成多个纤芯棒102：以第一速度运行光纤拉伸装置10，并且切下1米长度的棒以形成第一多个纤芯棒102。在其他实施方案中，可以使用任何长度的棒。
在图2的阶段50b，使用光纤拉伸装置10拉伸一种或多种类型的包层预成型体(未示出)以形成包层棒，所述包层棒在图3中用附图标记104描述。在一些实施方案中，包层棒是毛细管，使得所形成的包层区域是空气包层区域。在下文中，包层棒也可以被称为毛细管。在一些实施方案中，所形成的包层区域的有效折射率基本上等于空气的有效折射率。
具有低折射率包层的个体包层棒由单一类型的包层预成型体拉伸得到。在一些实施方案中，每个包层棒由单一类型的包层预成型体拉伸得到，所述包层预成型体包括一件或多件包层预成型体，其各自具有相同的材料组成、内径和包层直径。在一些实施方案中，包层棒由多于一种类型的光纤预成型体拉伸得到，例如，所述多于一种类型的光纤预成型体具有不同的材料组成、纤芯直径和/或包层直径。
在本实施方案中，包层预成型体是F300二氧化硅玻璃管。包层预成型体被设计用于批量生产。包层预成型体具有25mm的外径和1米的长度。
使用光纤拉伸装置10将包层预成型体拉伸至一定尺寸。例如，光纤拉伸装置10可以通过以下方式将光纤预成型体30的长度拉伸至第一尺寸以形成多个包层棒104：以第二速度运行光纤拉伸装置10，并且切下1米长度的包层棒以形成第一多个包层棒102。在其他实施方案中，可以使用任何长度的棒。
在阶段50a，拉伸纤芯预成型体以形成具有第一直径的纤芯棒102，并且在阶段50b，拉伸包层预成型体以形成直径基本上等于第一直径的包层棒104。在一些实施方案中，拉伸纤芯棒和包层棒以具有相等的直径，这可以使得能够层叠。在其他实施方案中，在其他层叠布置中，纤芯棒和包层棒可以具有彼此不同的直径。
在一些实施方案中，纤芯棒和/或包层棒的外径在0.5mm至10mm的范围内。在一些实施方案中，纤芯棒和/或包层棒的外径在1mm至5mm的范围内。在本实施方案中，纤芯棒和包层棒的外径为1.85mm。
在其他实施方案中，可以使用任何合适的拉伸过程和拉伸装置。例如，光纤拉伸过程可以如在An Introduction to Fibre Optic Imaging(光纤成像入门)(Schott NorthAmerica，第二版，Schott，2007)的第8页所描述的。
在下文的描述中，提到具有纤芯尺寸和/或外部尺寸的棒是指具有在垂直于棒长度的方向上的纤芯尺寸和/或外部尺寸棒，例如，具有纤芯直径和/或外径、和/或纤芯横截面积和/或外部横截面积的棒。
可以使用被配置用于光传输的任何适当的纤芯棒102，例如，被配置成传输红外光、可见光和/或紫外光的任何纤芯棒。
在图2的阶段52，将分别在阶段50a和50b形成的多个纤芯棒102和多个包层棒104层叠成六边形阵列以形成可以被称为一次层叠体100的棒的层叠体。图4、5、6和7中示出了根据各实施方案的一次层叠体。我们要注意的是，术语布置和层叠可以互换地用于描述要素的垂直布置。一次层叠体也可以被称为子格(sub-lattice)。
层叠体可以以其宽度为特征。当一次层叠体为六边形形状时，宽度可以在直边与相对的直边之间测量。在一些实施方案中，在拉伸前，一次层叠体的该宽度为10mm至100mm。
图3是一次层叠体100的横截面的一部分的图。仅示出了一次层叠体的一部分。图4、5、6和7中示出了根据各实施方案的不同类型的一次层叠体。每行一次层叠体都具有纤芯棒102和包层棒104。纤芯棒和包层棒布置为使得纤芯棒102通过包层棒彼此间隔开。纤芯棒102和包层棒104层叠以使得每个纤芯棒通过包层棒与其最接近的相邻纤芯棒间隔开。在图3至7中，阴影圆形表示纤芯棒，并且白色圆形表示包层棒。
如上所述，图4(a)、5(a)和6(a)以及7示出了根据各实施方案的一次层叠布置。
在本实施方案中，如图4(a)所示的一次层叠体100具有57个纤芯棒102，其中的每一个都至少部分地被包层棒104包围。一次层叠体具有六边形形状，所述六边形形状具有六条边。
在本实施方案中，六边形一次层叠体包括多行包层棒104和纤芯棒102。在本实施方案中，一次层叠体具有17个行。为了描述一次层叠体的布置，一次层叠体可以被认为具有上部、下部和中部。上部通过中部与下部结合。
在本实施方案中，下部的第一(最低)行具有9个纤芯棒。下部中的每个后续(更高)行添加一个纤芯，并且被布置为与下方行相邻，但是具有半个纤芯棒尺寸的偏移。下部中有8个行，包括第一行，使得第八且最高的行具有16个纤芯棒。中部具有一行17个纤芯棒，其也布置为与下部的第八且最高行偏移半个纤芯棒尺寸。
上部为下部的旋转或翻转版本。上部的第一(最低)行具有17个纤芯。上部中的每个后续(更高)行具有少一个的纤芯，并且被布置为与下方行相邻，但是具有半个纤芯尺寸的偏移。上部中有8个行，包括第一(最低)行，使得第八且最高的行具有9个纤芯。
当上部、下部和中部布置在一起时，一次层叠体提供纤芯棒102的六方堆积布置。六方堆积布置使得表示纤芯的端部的所有圆形接触，并且在所述圆形之间没有重叠。
在本实施方案中，如果纤芯棒102用字母A表示，并且包层棒用字母B表示，则在一次层叠体中，可以用使用字符串“BAB”产生的字母的阵列来表示每个行。例如，纤芯棒和包层棒的10个棒宽的行可以表示为：BABBABBABB。在按行考虑棒的情况下，一次层叠体中的邻近纤芯棒被两个包层棒间隔开。
在本实施方案中，一次层叠体具有六边形形状。一次层叠体可以被认为具有选定形状，在本实施方案中所述选定形状为六边形。在其他实施方案中，选定形状可以是任何形状，例如矩形、平行四边形、菱形或正方形。选定形状可以包括例如多边形。在一些实施方案中，选定形状选择为使得具有选定形状的一次层叠体可以与具有该选定形状的其他一次层叠体和/或具有一种或多种另外的选定形状的其他一次层叠体层叠。
一旦棒102和104已经层叠为一次层叠体100，棒102、104的端部就被固定以抑制在棒102、104之间的相对移动，从而保持棒的一次层叠体100布置为六边形。在本实施方案中，用手使用PTFE胶带在两端将棒102、104粘住。在本实施方案中，可以以任何合适的方式将棒102、104以六边形层叠体保持在一起。在其他实施方案中，除了胶粘以外或者作为胶粘的备选方案，可以通过在两端熔融来固定棒。
在其他实施方案中，在阶段52形成多个一次层叠体100，其中每个一次层叠体都是棒102、104的六边形阵列。
在图2的阶段54和56，形成六边形阵列的一次层叠体100使用光纤拉伸装置10进行拉伸而形成多个经拉伸的层叠体。
光纤拉伸装置10通过以下方式拉伸一定长度的一次层叠体100以形成多个经拉伸的层叠体：运行光纤拉伸装置10拉伸一次层叠体而形成经拉伸的一次层叠体，并且切下1米长的经拉伸的一次层叠体以形成多个经拉伸的层叠体。在其他实施方案中，可以使用任何长度的经拉伸的一次层叠体。
多个经拉伸的层叠体也可以被称为多个层叠体或多个坯棒(cane)。每个经拉伸的层叠体都是棒的六边形阵列。
然后如下所述将多个经拉伸的层叠体再次层叠。在该阶段，经拉伸的层叠体具有比一次层叠体的宽度小的宽度。在本实施方案中，在阶段52形成的层叠体100的总数为199。
在一些实施方案中，应在拉伸前适当地准备牵引机构22的牵引带。在一些实施方案中，牵引带应是清洁且柔软的，这可以避免破坏任何外部包层棒。
如上所述，在阶段54，拉伸所形成的一次层叠体100以形成多个经拉伸的层叠体。每个经拉伸的层叠体在拉伸后都保持基本上六边形。在本实施方案中，每个经拉伸的层叠体都具有1.2mm的厚度(从直边到相对的直边进行测量)。这可以与在其最宽点的宽度为约31.45mm的一次层叠体的厚度相比较。
在拉伸过程期间，加热一次层叠体，并且每个一次层叠体的棒变为与该一次层叠体的邻近棒熔合。在每个一次层叠体的棒之间仍存在间隙气隙。
当在阶段54拉伸一次层叠体时，炉温的选择是重要的。如果温度过高，并且包层棒变得过热，则玻璃可能开始流动，并且包层棒可能塌陷。如果玻璃变得过冷，则经拉伸的层叠体可能由于张力而破裂。
在一些实施方案中，在阶段54将温度控制为在1800至2000摄氏度的一次拉伸温度范围内。在其他实施方案中，一次拉伸温度范围为1850至1950摄氏度。在其他实施方案中，一次拉伸温度范围为1890至1910摄氏度。
在阶段56，将多个所形成的经拉伸的层叠体以六边形阵列层叠在一起，所述六边形阵列可以被称为二次层叠体110。二次层叠体根据所需布置来布置。六边形阵列也可以被称为蜂窝状阵列。将199个经拉伸的层叠体层叠在一起而形成二次层叠体。图4(b)中示出了二次层叠体的一个实施方案。
二次层叠体也可以被称为进一步的层叠体。二次层叠体也可以被称为超晶格(super-lattice)。二次层叠体的所需布置可以被称为二次层叠布置。
在一些实施方案中，将多个一次层叠体层叠而形成二次层叠体包括控制一次层叠体的取向。在一些实施方案中，将多个层叠体层叠包括根据二次层叠布置将两个以上的相邻一次层叠体的边对齐以提供二次层叠体。在一些实施方案中，将多个层叠体层叠成二次布置包括旋转一次层叠体或者以其他方式对一次层叠体进行定向。
在一些实施方案中，二次层叠体是相同或几乎相同的部件的层叠体。
尽管描述了六边形阵列或蜂巢状阵列，但是在一些实施方案中，可以使用任何交错行布置或合适的堆积布置。
在一些实施方案中，将经拉伸的一次层叠体以二次层叠布置的层叠形成了棒的重复布置。
经拉伸的一次层叠体可以被认为是一次单元格，于是所述单元格的形状(在该实施方案中其为六边形)可以使得单元格能够容易地层叠。二次层叠体可以被认为是一次单元格的铺砌物(tiling)，使得一次单元格被铺砌为填充空间。一次单元格可以棋盘格形(tessellated)布置进行布置。
在其他实施方案中，一次单元格可以具有可以层叠在一起的任何规则几何形状，例如矩形、平行四边形、菱形或正方形。
在另外的实施方案中，每个一次单元格都具有互锁的形状(例如，可以被认为类似于拼图片的形状)。在这样的实施方案中，在阶段56，将单元格布置为使得它们互锁。
在一些实施方案中，在阶段52形成的多个一次层叠体中的每个都以相同层叠布置形成以允许在阶段56的一次层叠体的层叠。在一些实施方案中，在阶段52的多个一次层叠体中的每个都形成为具有相同的选定形状以允许在阶段56的一次层叠体的层叠。
在阶段58，将二次层叠体放入套管中。在该实施方案中，二氧化硅夹套的内径/外径为19/25mm。在套管和二次层叠体之间加入填充玻璃以将二次层叠体保持在套管内。填充玻璃包括实心玻璃棒，例如，纯二氧化硅坯棒。实心玻璃棒被配置成不传输光。在阶段58形成的有套的层叠预成型体具有11,343个纤芯。在步骤58产生的二次层叠体、套管和填充玻璃可以被认为提供了用于成像光纤的最终预成型体。
在阶段60和62，使用光纤拉伸装置10或另外的拉伸装置将预成型体拉伸两次。
在阶段60，将最终预成型体拉伸至4.3mm直径。在拉伸过程期间，加热二次层叠体，并且每个一次层叠体的棒变成与来自在它们接触的点上的其他一次层叠体的邻近棒熔合。在不同的一次层叠体的棒之间以及在每个二次单元格内的棒之间仍存在间隙气隙。
使用真空附接件从纤芯之间的间隙中抽出空气，从而移除在棒之间的间隙以提供最终组件。施加真空以破坏间隙并且制作预成型体。在本实施方案中，在拉伸阶段60进行该步骤。在其他实施方案中，在拉伸阶段54进行该步骤。
尽管描述了首先将最终预成型体拉伸至4.3mm直径，但是可以使用任何适合于最终预成型体的直径。在一些实施方案中，阶段60和阶段62不是拉伸的单独阶段，而是作为用于形成成像光纤的单一拉伸过程进行。
在阶段62，使用光纤拉伸装置10或另外的拉伸装置将经拉伸的预成型体进一步拉伸以形成成像光纤。在阶段62，可以形成不同尺寸的成像光纤。
当在阶段60拉伸二次层叠体或者在阶段62拉伸最终预成型体时，炉温的选择是重要的。在一些实施方案中，在阶段60和/或阶段62将温度控制为1800至2000摄氏度。在其他实施方案中，将该温度控制为1850至1950摄氏度。在其他实施方案中，将该温度控制为1890至1910摄氏度。
阶段62的拉伸过程得到光纤装置，在该实施方案中所述光纤装置是相干成像光纤。相干成像光纤可以被配置成传输可见光、红外光和/或紫外光。相干成像光纤可以被认为形成导光元件(在该情况下导光元件是已经拉伸形成相干成像光纤的棒的纤芯)的阵列，其以导光元件的重复布置进行布置。
如上所述，用包层棒包围导光元件可以减少导光元件之间的串扰。
在一些情形下，一次层叠体或二次层叠体在将它们拉伸时可能有一些形变。例如，层叠体可能有一些扭曲。在一些情形下，一些类型的变形可能阻止这样的互锁单元格与其他单元格顺利地互锁。情况可能是使用不互锁的规则形状(例如，正方形或六边形)可以得到对变形更大的容差。
在上述实施方案中，进行两个层叠步骤，即一次层叠步骤和二次层叠步骤。在一些实施方案中，进行一个或多个中间层叠步骤和/或拉伸步骤。在一些实施方案中，进行中间层叠步骤，以使得根据中间层叠布置将一次层叠体层叠在一起以形成中间层叠体，并且将中间层叠体层叠在一起以形成二次层叠体。
形成光纤装置的另外的阶段包括对光纤的端面进行密封过程，使得细菌和其他材料无法进入。密封过程可以根据各实施方案以多种不同的方式进行。在一些实施方案中，使用密封材料(例如，树脂或胶)封堵孔，所述密封材料在固化时使得端面能够抛光平整。密封材料是至少部分光学透明的。密封材料对波长在关注光谱区域内的光透明。密封材料也可以具有高的光学质量。密封材料可以是例如，树脂，胶，具有低熔融温度的玻璃，或溶胶-凝胶。
在另外的实施方案中，在光纤拉锥机上或以其他方式破坏光纤的端部。这也可以提高分辨率，因为纤芯将会在端面处更靠近。通过使用如以上所讨论的掺杂纤芯，这些将会作为在端面的短暂的塌陷区域上的弱光导，从而保持图像的相干。在一些实施方案中，另一部分将使用光纤熔接机(fibre splicer)将端面熔化为实心玻璃的珠。珠潜在地可以作为透镜，并且如果不想要的话，可以抛光回去，仅留下在端面上的玻璃“窗”。
在其他实施方案中，将光学部件(例如端窗或透镜)附接至光纤束的端面。可以使用任何合适的附接方法，例如，粘合或熔合。光学部件可以定尺寸为覆盖光纤束的整个面。
在其他实施方案中，密封过程包括使用光学元件，例如透镜或窗作为用于光纤的夹套的端部密封件。光纤的夹套在任一端部用光学部件封端。
通过对成像光纤进行适当的精整或密封步骤，可以降低污染的可能性，例如，当在医疗环境中使用时。
所制造的光纤的主要优点可以是在二氧化硅中可传输的任何波长的分辨率提高以及极宽的功能光谱范围。与在相干光纤束的纤芯中常用的掺杂材料相比，它们也可以由纯二氧化硅玻璃制成，这可以使得能够制作较廉价的光纤。
在一些实施方案中，除了在一次层叠体的拉伸期间控制温度以外或者备选地，在拉伸一次层叠体的过程期间将张力控制在与300克力至1000克力、任选地500克力至800克力的力对应的范围内。在一些实施方案中，除了在二次层叠体的拉伸期间控制温度以外或者备选地，在二次层叠体的拉伸期间将张力控制在300克力至1000克力、任选地500克力至800克力的范围内。
尽管以克力的计量单位提供了以上张力，但是要理解的是，以牛顿计的等同张力范围也是合适的，因为第一张力或第二张力可以在2.94牛顿至9.81牛顿、任选地4.90牛顿至7.85牛顿的范围内。
在阶段52，将多个纤芯棒102和包层棒104布置为一次层叠体100。图4(a)、5(a)和6(a)示出了根据各实施方案的一次层叠体的层叠布置。一次层叠体具有包层棒的至少部分外层以在层叠在一起时提供各相邻层叠体的纤芯棒之间的间隔。
图4(a)、5(a)和6(a)所示的一次层叠体是六边形的。在一些实施方案中，一次层叠体具有位于一次层叠体的外边缘的至少一个纤芯棒。在这样的实施方案中，存在于所述布置的外边缘处的纤芯棒可以被称为外边缘纤芯棒，并且不在布置的外边缘处的纤芯棒可以被称为内部纤芯棒，使得一次布置被描述为内部纤芯棒、边缘纤芯棒和包层棒的布置。在一些实施方案中，一次层叠体没有位于外边缘处的纤芯，因此没有边缘纤芯棒。
图4(a)是根据各实施方案以第一种一次层叠布置进行布置的第一种一次层叠体。图示出了包层棒104和纤芯棒102。围绕第一种一次层叠布置提供了包层棒的完整外层122。当一次层叠体在二次层叠体中层叠在一起时，每个一次层叠体中的包层棒的完整外层提供相邻一次层叠体中的纤芯棒之间的间隔。
以第一种一次层叠布置进行布置的第一种一次层叠体没有边缘纤芯棒。一次层叠体的外层是一个棒厚度的层，并且在该实施方案中，所述外边缘包括包层棒并且不包括纤芯棒。因此，第一种一次层叠体的所有内部纤芯棒都被包层棒包围。
图4(b)示出了包括二次层叠体的最终的有套布置，所述二次层叠体包括如参照图4(b)描述而形成的多个一次层叠体100a、套管126和填充玻璃128。在图4(b)的布置中看到了包层棒的完整外层。
在一些实施方案中，如图4(b)所示，在二次层叠体中使用的所有一次层叠体都是相同的。在一些实施方案中，使用多于一种类型的一次层叠体来形成二次层叠体。在这样的实施方案中，可以将所形成的没有边缘纤芯棒的一次层叠体放置为与所形成的具有边缘纤芯棒的一次层叠体相邻，使得纤芯棒在处于二次层叠体中时保持间隔开。
图5(a)是根据各实施方案以第二种一次层叠布置进行布置的第二种一次层叠体100b。图示出了包层棒104和纤芯棒102。如同图4(a)的一次层叠体100a一样，图5(a)的一次层叠体100b是六边形，因此具有六个外边缘。这些外边缘中的三个由包层棒形成，并且可以被称为外部包层边缘。如果六边形的六个外边缘从上边缘开始按顺时针方向依次编号，则第一外部包层边缘132a设置在一次层叠体的第四边缘，第二外部包层边缘132b设置在一次层叠体的第五边缘，并且第三外部包层边缘132c设置在一次层叠体的第六边缘。
以第二种一次层叠布置进行布置的第二种一次层叠体100b具有多于一个的边缘纤芯棒。更详细地，第二种一次层叠体100b的三个边缘具有多于一个的边缘纤芯棒。图5(a)的第二种一次层叠体100b可以被描述为内部纤芯棒、外部纤芯棒和包层棒的布置。因此，在第二种一次层叠体中，内部纤芯棒被包层棒包围。如图3所示，内部纤芯棒被6个包层棒包围。在第二种一次层叠体100b中，外部纤芯棒部分地被包层棒包围。如图3所示，边缘纤芯棒被4个包层棒包围。
通过将两个以上根据第二种一次层叠布置进行布置的一次层叠体层叠，一次层叠体的包层边缘协作以提供相邻层叠体的纤芯棒之间的间隔并且防止相邻一次层叠体的边缘芯接触。
尽管第二种一次层叠布置的三个以上边缘是外部包层边缘，但是可以设置不同数量的外部包层边缘。
图5(b)示出了由以第二种一次层叠布置进行布置的一次层叠体形成的二次层叠体的一部分。如由图5(b)可以看到的，当在二次层叠体中，相邻一次层叠体的外边缘132a、132b、132c协作以提供相邻一次层叠体的纤芯棒之间的间隔，从而提供相邻一次层叠体的纤芯棒之间的间隔。
第二种一次层叠布置可以提供以下优点：一次层叠体之间的边界对成像质量的影响可以降低。然而，形成二次层叠体可能更困难，因为必须控制一次层叠体的取向以提供相邻层叠体的纤芯棒之间的间隔。
一次层叠体100b可以被认为是不对称的一次层叠体，该不对称通过仅在六边形的一条边上具有纤芯棒的边缘来提供。
图6(a)是以第三种一次层叠布置进行布置的第三种一次层叠体100c。与上述第一种和第二种一次层叠布置相比，第三种一次层叠布置是不规则形状的六边形。更详细地，第三种一次层叠体100c具有六条边，其中三条边具有第一长度，并且三条边具有第二长度。在该实施方案中，第三种一次层叠体的第一条边、第三条边和第五条边的长度为9个棒，并且第三种一次层叠体的第二条边、第四条边和第六条边的长度为8个棒。
图6(b)示出了由以第三种一次层叠布置进行布置的一次层叠体形成的二次层叠体的一部分。如由图6(b)可以看到的，相邻层叠体的一次层叠布置的外部边缘协作以提供相邻层叠体的纤芯棒之间的间隔。图6(b)示出了纤芯棒和包层棒的均匀分布的一个实例。该分布的内部纤芯棒完全被包层棒包围，并且该分布的外部(边缘)纤芯棒部分地被包围。
第三种一次层叠布置可以提供无缝二次层叠体的优点。然而，形成二次层叠体可能更困难，因为必须控制一次层叠体的取向以提供相邻层叠体的纤芯棒之间的间隔。
第三种一次层叠体100c可以被认为是不对称的一次层叠体，该不对称通过具有一次层叠体100c的不规则边来提供。使用不对称一次层叠体100c形成的二次层叠体是对称的。
要理解的是，图5(a)和6(a)的一次层叠体以二次层叠布置进行布置，如图4(b)所示，与夹套和填充玻璃一起形成光纤预成型体。
通过提供相邻层叠体的纤芯棒之间的间隔，可以减少纤芯间耦合。
在一些实施方案中，一次层叠布置使得二次层叠体包括纤芯棒和包层棒的均匀分布，例如，如图6(b)所示。在一些实施方案中，一次层叠布置为纤芯棒和包层棒的非对称分布，例如，如图5(b)和5(c)所示。在一些实施方案中，一次层叠布置为纤芯棒和包层棒的非对称分布，并且二次层叠布置为纤芯棒的对称分布，如图6(b)所示。
在一些实施方案中，一次层叠体为纤芯棒和包层棒的规则阵列，并且任选地，二次层叠体为纤芯棒和包层棒的规则阵列。
在一些实施方案中，二次层叠体可以被认为是内部一次层叠体和外部一次层叠体的布置，其中内部一次层叠体在所有边上都被其他一次层叠体包围，并且外部一次层叠体在二次层叠体的边缘上。在一些实施方案中，如图5(b)和图6(b)所示，当内部一次层叠体在二次层叠体中时，内部一次层叠体的边缘纤芯棒完全被纤芯棒包围。
如图4(b)、图5(b)和图6(b)所示，在一些实施方案中，二次层叠体为纤芯棒和包层棒的重复图案。在一些实施方案中，重复单元为一次层叠体，例如，图4(b)。在一些实施方案中，一次层叠体层叠在一起，使得重复单元是比一次层叠体小的单元。例如，图6(b)示出了一种包括被6个包层棒包围的单个纤芯棒的单元格。一次层叠体层叠在一起而生成可以使用该单元格产生的二次层叠体。
图4(b)、5(b)和6(b)进一步示出了在二次层叠体中，每个纤芯棒通过至少一个包层棒与其最接近的相邻纤芯棒间隔开。
尽管图4、5和6示出了六边形的一次层叠布置(其可以被描述为具有作为六边形的选定形状)，但是在一些实施方案中，选定形状是任何合适的形状，例如，正方形、矩形、平行四边形、菱形。
在另外的实施方案中，在过程的阶段50a可以使用多于一种类型的掺杂预成型体。在这样的实施方案中，将具有不同折射率分布的纤芯棒与包层棒一起布置在一次层叠体中。然后将由掺杂纤芯预成型体形成的纤芯棒以一次布置层叠，使得邻近的纤芯不具有相同的折射率分布。
通过形成光纤使得邻近的纤芯区域没有相同的折射率，可以进一步减少纤芯间耦合。更详细地，可以降低邻近的纤芯棒之间的耦合，因为光可以在各种类型的纤芯中不同地传播，并且可以不太能够在邻近的纤芯之间移动。
图7示出了一种根据各实施方案使用包层棒和三种不同类型的纤芯棒形成的一次层叠体，各种类型的纤芯棒具有不同的折射率分布。纤芯棒由电信级预成型体拉伸得到。
各种类型的纤芯棒具有直径不同的锗掺杂的阶跃折射率芯。在一个实施方案中，这些预成型体中的纤芯与包层的比率为0.35、0.42和0.48。通过纤芯棒在一次层叠体和二次层叠体中的布置来防止最接近的相邻同类物的有效折射率相同。
折射率分布可以以有效折射率为特征。不同类型的纤芯棒用字母A、B和C表示。纤芯棒和包层棒布置在一次层叠体中，使得每个纤芯棒的最接近的相邻纤芯棒具有不同的折射率分布或有效折射率。图7示出了一种使得每个纤芯棒的最接近的相邻纤芯棒具有不同的有效折射率的一次布置。
在该实施方案中，纤芯棒的纤芯与包层的不同比率为纤芯区域提供不同的折射率分布。要理解的是，可以使用不同的方法或组成来实现纤芯区域的不同折射率分布。
在一些实施方案中，纤芯棒由具有内部纤芯部分和外部纤芯部分的预成型体形成，其中内部纤芯部分和外部纤芯部分具有不同的折射率分布。因此，由所述预成型体拉伸得到的纤芯棒具有不均匀的折射率分布。在一些实施方案中，使用不同的纤芯棒，使得所形成的光纤具有内部芯尺寸与外部芯尺寸的比率不同的最邻近纤芯区域。内部纤芯区域和外部纤芯区域可以分别通过内部折射率分布的边界以及包层区域的边界来限定。
在一些实施方案中，内部纤芯区域是掺杂的，并且外部纤芯区域是未掺杂的。
对于具有不均匀折射率分布的纤芯棒来说，沿着由所述纤芯棒形成的纤芯区域传输的光的性质将会根据不均匀的折射率分布行进。
在一些实施方案中，纤芯棒没有掺杂的区域。在一些实施方案中，纤芯棒具有包层、内部纤芯区域和外部纤芯区域。在一些实施方案中，内部纤芯区域包括掺杂的区域，使得内部纤芯区域比外部纤芯区域具有更高的折射率。在一些实施方案中，纤芯区域是掺杂的，使得纤芯区域包括阶跃折射率分布。在一些实施方案中，纤芯区域是掺杂的，使得纤芯区域包括渐变折射率分布。
在上文中，使用了术语纤芯棒和包层棒。纤芯棒可以指包括包含至少一种材料的中央部分和包含第二材料的包层的棒，所述中央部分以第一折射率分布为特征，所述包层以第二折射率分布为特征，其中包层具有比第一部分的有效折射率低的有效折射率，从而将光限制于中央部分。
在上述实施方案中，包层棒是中空的二氧化硅管。在一些实施方案中，包层棒可以指包括以第一有效折射率分布为特征的芯材料和包含以第二有效折射率为特征的包层材料的包层的棒，其中第二有效折射率高于第一有效折射率。
要理解的是，图7仅是举例说明性的，并且纤芯棒的其他布置是能够使得每个纤芯棒的最接近的相邻纤芯棒具有不同的折射率分布。
图8至13示出了使用两种制造的光纤得到的实验结果。具体地，使用利用三种不同类型的纤芯棒形成的光纤的结果。
图8(a)示出了所制造的光纤的扫描电子显微镜图像。图8(b)是图8(a)的制造光纤的区域的放大图。要理解的是，尽管在图3至7中，纤芯棒表示为灰色圆形，并且包层棒表示为白色圆形，但是在图8(a)和8(b)的显微图像中，纤芯棒显示为白色，并且包层棒显示为黑色。所制造的光纤的纤芯的直径为约1.9μm，并且纤芯-纤芯间隔为约3.5μm(中心到中心进行测量)。
在下文中，提供了对制作过程和根据各实施方案得到的结果的进一步讨论。
制作
首先，将结构的基础元件都拉伸至1.85mm外径。
由F300二氧化硅玻璃管拉伸得到毛细管，并且纤芯来自一组3个电信级预成型体，所述3个电信级预成型体各自具有不同直径的锗掺杂的阶跃折射率纤芯。这些预成型体中的纤芯与包层的比率为0.35、0.42和0.48。以此方式使用掺杂材料可以防止最接近的邻近纤芯的有效折射率相同，因此可以减少纤芯间耦合。
将这些坯棒和毛细管以第一种一次层叠布置层叠而形成57-纤芯阵列，如图4(a)所示。将该层叠体在没有套的情况下拉伸至1.2mm的平面到平面(flat-to-flat)的厚度。
然后将199个57-纤芯坯棒以六边形阵列层叠，插入到内径/外径为19/25mm的二氧化硅夹套中，并且在边缘处用纯二氧化硅坯棒包装，以制备具有11,343个纤芯的预成型体。图4(b)中示出了该类型的预成型体。在最终拉伸为多种不同尺寸的光纤之前，将其拉伸为4.3mm直径坯棒。
在下文中讨论两种不同尺寸的空气包层光纤：第一光纤，535μm直径变化方案，具有大约3.5μm的相同纤芯间距；第二光纤，用于高分辨率、短波长应用的335μm直径光纤。将第一光纤与已知光纤即藤仓的FIGH-30-650s进行比较。如上所述，图8示出了一种所制造的光纤的横截面，特别是第一光纤的横截面(535μm变化方案)。
表征
光纤的表征分三部分完成，并且所有测试使用盘绕成大约15cm半径的超过一米长的空气包层光纤进行。
A.USAF测试目标图像
使用美国空军(US air force)测试目标来评价光纤的最大分辨率。这在零工作距离成像设备中完成，其中用超连续白色光源对目标进行背照明。在光纤的输出端使用带通滤光片来产生图9和10的图像。
图9示出了在使用根据实施方案形成的第一光纤(535μm空气包层光纤)和已知光纤FIGH-30-650S两者的情况下在500至1000nm波长范围上拍摄的一组这些图像。更详细地，上行的图像使用第一光纤获得，并且从左到右在波长500nm、850nm和1000nm获得。下行的图像使用第二已知光纤获得，并且从左到右在波长500nm、850nm和1000nm获得。
图9示出了使用硅CCD摄像机拍摄的来自535μm空气包层成像光纤和藤仓的FIGH-30-650S的USAF测试目标图像的比较。组七中所示的个体线宽在2.19μm至3.91μm的范围内。
在每个图像的右上方示出组7，其中组6的元件1在底部。在使用本发明的空气包层光纤拍摄的所有图像中，组7的元件3是清楚可见的。这对应于161.3线对/毫米(LP/mm)或3.1μm的分辨率。在使用FIGH-30-650S的情况下，组7的元件3仅在使用波长700nm以下的光时可见，并且甚至组6的元件1(64LP/mm，或7.81μm)在超过800nm时消失。
图10示出了使用高分辨335μm外径空气包层光纤和500nm带通滤光片拍摄的USAF测试目标的组7的图像。图10显示了可以使用这些光纤实现的高分辨率，因为甚至组7的元件6(228.1LP/mm，2.19μm)在使用353μm空气包层光纤和500nm时也是清楚可见的。
图11是使用535μm空气包层光纤和SWIR摄像机在101600nm拍摄的USAF测试目标的组6的图像。图11示出了使用535μm版本和红外摄像机的在1600nm的组6的图像以证明可以使用空气包层光纤实现的长波长特性。尽管存在由于耦合造成的分辨率损失，但是其随着波长增加的发生率远低于传统光纤。
B.数值孔径
使用刀口测量来得到光纤的纤芯的选择的数值孔径(NA)。以光束轮廓的边缘作为功率下降至其峰值的10％的点。这通过以下方式在两个波长完成：将超连续光源耦合到单纤芯中并且用500和1000nm带通滤光片过滤输出。NA在500和1000nm分别为0.41±0.05和0.44±0.05。
C.掺杂纤芯的显著性
图11示出了在耦合到纤芯(圆形)中时的输出光纤端面的近场。六边形表明子晶格层叠体的边界。通过将1200nm光耦合到335μm光纤的圆形纤芯中，产生图11中的图像。
类似地掺杂纤芯(即所有次邻近的纤芯)的耦合家族是立即显现的，这表明对结构的耦合特性的强影响。还注意到由于双毛细管边界造成的在子格(六边形)层叠体的边界上的纤芯之间耦合的功率急剧降低。
锥形结构
纤芯之间的耦合可以取决于传播距离以及纤芯间隔和折射率阶跃。如果受影响的长度足够短，则可以通过在远端局部缩小纤芯间隔来进一步提高图像分辨率。这可以在不损害内窥镜的总体长度的情况下通过对较大的光纤进行拉锥(tapering)来实现。
将外径600μm的空气包层成像光纤加热并且在小的框架中伸展。使变窄的区域裂开以在端面处形成9.5cm长且直径为310μm的锥形尖端，其附接至1m的600μm直径光纤。
图13示出了未拉锥光纤(左侧)和锥形光纤(右侧)的传输泛光照明白光的显微照片。在右侧示出了在500nm成像的最小的USAF组7元件。
减小的纤芯间隔为1.2μm，并且气孔从该过程中幸存下来。经由500nm带通滤光片对放置在锥形端部的USAF测试目标的组7进行成像，图9(右侧)。与在相同波长的较小均匀光纤(图10)相比，组7的元件明显更好分辨。注意，图像比例尺的差异是由于锥形物的附带放大效应导致的。
已经演示了一种基于空气和二氧化硅之间的折射率指引制作空气包层成像光纤的技术。光纤可以制作用于低至2μm的高分辨率成像，或者用于具有与藤仓的FIGH-30-650S类似的分辨率的在1600nm的宽带成像，但是其最大功能波长翻倍。通过将光纤拉伸至不同的尺寸来优化这些光纤用于在任何应用所需的波长(仅受二氧化硅本身的透射光谱限制)的最大分辨率是容易的。
该技术可以提供一种用于开发下一代内窥镜技术(特别是行业内依赖于荧光标记染料的近红外成像和红外成像的那些)的平台。
可以理解，以上仅通过举例的方式描述了本发明，并且在本发明的范围内可以进行对细节的改变。
尽管在上文中描述了第一层叠阶段和第二层叠阶段，但是在另外的实施方案中，可以使用任何数量的多层叠迭代。例如，可以将棒层叠和/或拉伸两次、三次、四次或五次。
在上述实施方案中，纤芯棒由掺杂的或未掺杂的二氧化硅玻璃制成。在一些实施方案中，纤芯棒由以下各项中的至少一种制成：二氧化硅、Ge掺杂的二氧化硅、氟掺杂的二氧化硅、硼掺杂的二氧化硅、铝掺杂的二氧化硅、硅酸盐玻璃。
在上述实施方案中，包层棒是中空的二氧化硅毛细管。在一些实施方案中，包层棒由以下各项中的至少一种制成：二氧化硅、Ge掺杂的二氧化硅、氟掺杂的二氧化硅、硼掺杂的二氧化硅、铝掺杂的二氧化硅、硅酸盐玻璃。
在另外的实施方案中，纤芯棒或纤芯区域具有不均匀的折射率分布。纤芯棒中的至少一个可以具有内部纤芯区域和外部纤芯区域，其中内部纤芯区域包括掺杂纤芯区域。
在另外的实施方案中，将由图2的过程得到的成像光纤与多个传感光纤和毛细管一起封装以形成多功能光纤装置。将成像光纤、传感光纤和毛细管放在可以被称为包装的另外的玻璃管或聚合物管内。另外的玻璃管或聚合物管可以比成像光纤、传感光纤和毛细管短。包装容纳使用环氧树脂固定在适当位置的成像光纤、传感光纤和毛细管。
说明书以及(在适当的情况下)权利要求书和附图中公开的每个特征可以独立地或者以任何适当的组合提供。

Claims (20)

1.一种形成成像光纤装置的方法，所述方法包括：
布置纤芯棒和包层棒以形成至少一个一次层叠体，每个一次层叠体包括层叠布置的多个纤芯棒和包层棒，从而形成在包层区域内的多个纤芯区域；
进行拉伸过程以由所述至少一个一次层叠体形成多个经拉伸的层叠体；
其中所述多个纤芯棒和包层棒进一步被布置为具有选定的形状，以使得所述多个层叠体以所需布置层叠在一起，并且其中所述层叠布置包括包层棒的至少部分外层，从而当以所需布置层叠时在各相邻层叠体的纤芯区域之间提供间隔，所述方法还包括：
将多个经拉伸的层叠体以所需布置层叠在一起而形成进一步的层叠体；
拉伸所述进一步的层叠体；和
使用经拉伸的进一步的层叠体来形成成像光纤装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述拉伸过程包括：拉伸所述至少一个一次层叠体以形成至少一个经拉伸的一次层叠体，以及切割所述至少一个经拉伸的一次层叠体。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述包层棒包括毛细管，以使得所述包层区域至少部分地包括空气包层区域。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述层叠布置使得各相邻层叠体的一个或多个边缘以所需布置协作，从而在所述各层叠体的纤芯区域之间提供所述间隔。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述层叠布置使得每个层叠体包括至少一个包含至少一个包层棒的外边缘。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述层叠布置使得每个层叠体包括包层棒的一个或多个外边缘。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述层叠布置使得每个层叠体包括包层棒的外层。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述层叠布置和/或所述所需布置包括纤芯棒和包层棒的规则阵列。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述层叠布置使得所述进一步的层叠体包括所述多个纤芯区域在所述包层区域内的基本上均匀的分布，和/或其中所述层叠布置使得所布置的层叠体包括所述多个纤芯区域在所述包层区域内的非对称分布。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述层叠布置使得所布置的层叠体包括纤芯棒和包层棒的非对称分布，并且所需布置使得所述进一步的层叠体包括纤芯区域的对称分布。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述选定的形状包括不规则形状。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述选定的形状包括以下各项中的至少一种：正方形、矩形、菱形、平行四边形、六边形、正多边形。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述层叠布置包括以下各项中的至少一种：六方堆积布置、蜂巢状布置、六角格布置、交错行布置。
14.根据任一前述权利要求所述的方法，其中对于每个层叠体，各多个纤芯棒和各多个包层棒以层叠布置进行布置，使得每个纤芯区域至少部分地被包层棒包围。
15.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述层叠布置使得每个纤芯棒通过至少一个包层棒与其最接近的相邻纤芯棒间隔开。
16.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述层叠布置和/或所需布置使得，对于每个纤芯区域，所述纤芯区域的最接近的相邻纤芯区域包括与所述纤芯区域不同的折射率分布。
17.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法还包括对光纤的端部区域进行密封过程。
18.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法还包括：
控制进行所述至少一个一次层叠体的拉伸过程的第一拉伸温度，和/或控制进行所述进一步的层叠体的拉伸的进一步的拉伸温度。
19.一种光纤装置，所述光纤装置包括在包层区域内的纤芯区域，其中所述纤芯区域通过被布置为至少部分地包围所述纤芯区域的包层棒间隔开。
20.一种光纤组件，所述光纤组件包括：
根据权利要求19所述的光纤装置和/或根据权利要求1至18中任一项形成的光纤装置；
至少一个另外的光纤和/或至少一个毛细管；以及
容纳所述光纤装置以及所述至少一个另外的光纤和/或至少一个毛细管的包装。
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