CN1228165A - 高强度光耦合进低温光纤的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

将高强度光(82)耦合到低熔化温度光纤(80)的方法和设备，采用一种高温度、低NA光纤(84)，一种置于高强度光源与低熔化温度、低NA光纤之间的空间滤光器。此光源可以是一高强度弧光灯或者是从一远程光源传送光的高NA、高熔化温度光纤。此空间滤光器不仅可使低熔化温度光纤离开高强度光的聚焦点，而且还在光传输进入低温光纤之前消散其中的非导引模。此空间滤光器可被置于高强度光源的焦点与低熔化温度光纤之间，另外也可以被置于一高NA、高熔化温度光纤与一低温、低NA光纤之间。高强度光源可以是一被聚焦到小于2mm光点的直接光源，或者可以是来自耦合到一高强度光源的第二单个光纤。如果接收光纤的数值口径小于空间滤光器的口径，则在光强高于约400mW/mm2时需要采用带有一机械散热器(66)的空间隔离结构。

Description

高强度光耦合进低温光纤的设备和方法
本发明总的说是关于高强度光照系统，特别是关于采用纤维光导传送来自高强度、高温度光源的光的光传输系统。较具体说，本发明是关于将来自高强度光源的光耦合进低温光纤的设备和方法。
在光纤传输系统领域内，通常采用运行功率在35到1000瓦范围内的例如汞弧光、卤化金属弧光、或氙弧光灯这样的具有高强度、高温输出的光源是众所周知的。见美国专利No.4757431，1988年7月12日颁发，并被转让给同一受让人。这些光源采用可由单一光纤或一束的多个细光纤组成的纤维光导。标准纤维束一般由低熔化温度的玻璃构成，与之相比，熔凝氧化硅或石英的熔化温度要高大约1000℃。这些系统在医学和工业应用中具有特别的功用，并与象内窥镜、管道探测仪之类的仪器相结合使用。
把高强度光源耦合进光导需要对光进行集缩和聚焦，而其集聚导致聚焦点处的高功率密度。聚焦点的温度升高取决于光被吸收的程度。光点尺寸越大相应地温升越小，吸收程度小将使得温度很大地增高。为降低温升，必须以相关的较大的光点尺寸来降低功率密度。为防止纤维熔化，通常在光源与纤维束间置以IR滤光器。在聚焦点尺寸减小时就需要采用较高熔化温度的材料例如石英。如美国专利No.4757431中指出的，有效的方法是将光聚焦到1mm或更小的直径并使得光纤目标处的功率密度比通过一束光纤传输光的光照系统所出现的要大得多。这样的高功率密度要求以较高熔化温度的材料构成的光导以便防止在光进入光纤的耦合点处光纤熔化。这对单一的纤维光导或小直径(2mm或更小)的纤维束均适用。
石英构成的光纤很昂贵，而是必须在足够长的时间内使用这种光纤来证明它们所费成本的合理性。在外科手术环境中，这就意味着在每次应用后这些光纤被加以消毒。由于消毒技术一般涉及到高温蒸压或化学灭菌的应用，光纤光导必须被作成能承受热损伤和因采用这些化学物质所带来的损伤。另外，石英纤维相当脆，难以有较大弯曲而不致破裂，使用期间需要高度小心。
虽然标准玻璃(如硼硅酸盐)纤维可由相对便宜的材料制成，但它们在长光纤距离上的传输性能受到材料的透射率和堆积损失的限制。而且，玻璃的低熔化温度也对可能耦合到高强度光源的最小光纤尺寸给予了限制。
将一光纤装置，例如一照射孔径为2mm或更小的微型内窥镜耦合到直径为3～5mm的通常的光传输纤维束效率很低下，而且使得光对光学装置的传送性很差。这种效率低下是由面积上的失配引起的。降低光纤束的尺寸来匹配装置的大小造成光源的很大耦合损耗，而缩小聚焦点到小直径纤维又会使纤维束熔化。
通常，耦合到光纤装置的光导的尺寸应符合此装置的直径。因此对于小直径的光纤装置(例如小于2mm)必须使用一单根高温光纤或高温纤维束。耦合到光源的直径为1mm或更小的单根纤维光导较之一束同样尺寸光纤效率高，因纤维束具有固有的堆积损耗。由于大于1mm直径的单一的石英或玻璃纤维对实际应用通常过于坚硬，所以一般对要求直径大于1mm的应用采用纤维束。
尽管单根的石英纤维和玻璃纤维束可以有效地用于传输光，但它们并不是传输光的最经济途径。塑料光纤既便宜也具有高度的柔软性能，即使在直径大于1mm时也如此。因而可望将这些低成本的塑料纤维与高强度光源相结合使用。但与玻璃纤维同样，塑料也具有较之石英低得多的熔化温度。因此，采用单根的塑料纤维来传输足够的照度要求在此塑料纤维与光源之间有中介光传递系统。
低成本塑料纤维或者小直径、低成本的玻璃纤维束可加以利用的应用场合之一是医学领域。低成本光纤的应用将使得用于医学中照亮仪器的光导有可能作为免除每次使用后消毒的一次性应用的灭菌产品出售。耦合到单根的高强度石英纤维的小纤维束的应用将有可能制造更小的装置。但塑料纤维和小直径玻璃纤维束均无法承受由于光源被集缩聚焦成尺寸上与这样的光导的直径相当的小光点焦点所产生的高温。
美国专利No.4986622(1991年1月22日颁发)提出一种企图解决避免对低温塑料纤维的热损害问题的技术。此’622(No.4986622)专利提出在一高强度光源的输出处耦合一耐热玻璃光纤束的光传输设备。此玻璃光纤束然后在一标准接线器中以机械方式紧密耦合到一塑料光纤束。此’622专利要求此玻璃纤维束以机械方式与此塑料纤维束相匹配以避免在耦合点产生会损害塑料纤维束的相当大的热量。
此’622专利要求玻璃纤维束的直径小于或等于塑料纤维束的直径。这是为使由玻璃光纤束散发出的光能被传送进塑料纤维束而不损失光。但在实践中，只有在还具有针对各纤维束或光纤的光线的锥角(亦即数值孔径NA)和它们间的间距的光学技术条件时才有效。此’622专利没有认识到这种需要。而且，如果玻璃纤维束的直径大大小于塑料纤维束的直径，则在当由光源耦合有足够的光量时就在高功率密度处发生对塑料纤维的热损害。
在’622专利文献中，似乎典型地采用3或5mm直径的纤维束，因为玻璃和塑料纤维束之间的连接一般出现在医学照明设备中。这样的连接采用一在接头处具有最小间隔的纤维束间的耦合的接近方式并依赖于纤维束的相对直径的匹配程度。对较高功率密度，这样的连接将带来对低熔化温度纤维束的损害。
另外，此’622解决方案不足以使得从耦合到传输来自高强度光源的光的高温单根光纤的低温光纤的输出最大。
此技术中仍有必要完善将高强度光耦合进低熔化温度光纤的方法和设备。
本发明提供将高强度光耦合进低熔化温度光纤的方法和设备，它采用一特定的数值孔径(NA)的高温光纤作为高强度光源(至少400mW/mm2)与低熔化温度、低NA光纤之间的空间滤光器。此空间滤光器不仅能使低熔化温度光纤离开高强度光的聚焦点，而且还在光传输进入低温光纤之前消散非导引模。此空间滤光器可被置于高强度光源的焦点与低熔化温度光纤之间，也可以被置于高NA、高熔化温度光纤与低温低NA光纤之间。此高强度光源可以是被聚焦到一小于2mm的光点的直接光源，或者可以是一耦合到高强度光源的第二单根光纤。如果接收光纤的数值孔径小于此空间滤光器的数值孔径，则在光强度高于约400mW/mm2时就需要带机械散热器的空间隔离结构。如果接收光纤的数值孔径等于或大于此空间滤波器的孔径，则光纤被作空间隔开的程度和作机械散热的需要取决于光纤的相对直径、光的波长和功率密度。
由下面给出的详细说明和所列附图(它们仅用作说明途径而不对本发明加以限定)将会对本发明更全面地理解，所列附图中：
图1说明按照本发明的空间滤光器的总体概念；
图2a～2c说明以一接近连接器实现的本发明各个可替换实施例；
图3为可用于本发明的高强度光照系统图；
图4为说明用于本发明中的一接近连接器的具体实施例图；和
图5表示采用空间滤光器将来自高NA光纤耦合到低温低NA光纤的本发明的另一实施例。
图3中表明如本发明所设想的一高强度光源示例。光源箱10包括有一光源(通常为诸如氙或汞弧灯等的高强度弧光灯或者其他能聚焦到至少400mW/mm2功率密度的可见电磁辐射源)和一收集和聚合来自光源的光到光纤2的输入端4的凹面反射器。此收集和聚合系统的使用在前述美国专利No.4757431中有介绍。由高热导金属(即铝)制成的接收块6被固定到箱10的箱壁之一，用于固定插进块6的端部6a的包含光纤2的连接器8。箱10还含有被固定在块6的端部6b上的衬套9。
连接器8通过一锁紧机构11固定在块6上。块6中配置有一按钮开关54，其中设有按钮58来保持光源的光闸处于关闭状态以便能防止在没有连接器8时出现高强度光线对用户眼睛的伤害。引线56连接到当存在有连接器8时按钮58被按下时控制此光闸的电路。
此光源系统33的特性是使得非常高的光通量密度能被聚焦在光纤2的输入端4的小面积上。此聚焦光点包括有很大扩张角的光线，它将使大量的传播模进入光纤。但是可在光纤中传播即导引的模的数量由光纤的物理特征包括象光纤的NA和光纤核芯半径之类的因素所限制。
由于面积和模式失配，仅一部分聚焦光实际上被光纤传送。剩余的光或者在围绕光纤输入端的区域内被吸收，导致产生相当多的热，或者以光纤无法传播的非导引模式进入光纤。
图1说明本发明的基本原理。含有高扩张角成分的高强度光82被聚焦在由高熔化温度材料制成的一小段耐热光纤上。这样的高熔化温度光纤的一例是石英纤维，不过任一种其他适合的高熔化温度材料均可应用。此高温纤维84被用热导材料例如金属制成的散热器66所围绕。
高温纤维84能承受由没进入光纤而入射在光纤输入端周围区域上的光所产生的热。另外，此光纤段足够长以使光纤能起一空间滤光器的作用，其中所有进入光纤输入端的非导引光模能被完全消散在此光纤84的长度之内。结果，光纤84的输出就仅由将被耦合为低熔化温度光纤80的导引模的光的导引模构成。光纤80由诸如塑料或例如象硼硅酸盐之类的软玻璃等材料制成。由于只有导引模耦合进低温光纤80，所以不会在光纤84的输出端与光纤80的输入端之间产生过量的热。理想的是，此高温光纤的数值孔径要等于或小于低熔化温度光纤的数值孔径。不过，即使高温光纤的数值孔径较大，对来自光源的光作空间滤光也会去除可能变换成热的高阶模式。
取决于低温光纤的纯度和熔化温度，可能需要附加的措施来保证不发生热损害。塑料光纤常常带有能吸收而造成热事故的杂质。当高温光纤的数值孔径高于低温光纤的孔径时这种作用更显著。例如，在高功率密度时在塑料接收光纤的表面内部所吸收的光就可使此塑料接收光纤的表面熔化而成坎状。这种现象在塑料光纤的NA小于高温光纤的NA时更明显。这一效应可通过将光纤隔离开和设置散热器来带走所产生的热能来消除。实际间隔取决于功率密度和NA。
例如，对于把2瓦可见光(410nm至650nm)传送到NA＝0.55的1mm直径的聚甲基丙烯酸酯光纤的NA＝0.68的0.47mm直径石英光纤，为避免对塑料光纤的热损伤所需间隔至少1.7mm。在这样的间隔时，一些从高温光纤出来的较大角度的光偏离塑料光纤的口径，从而提供额外的空间滤光手段。采用同样的间隔和1.5mm直径的塑料光纤，所传送的总功率将为1mm光纤的二倍。在此二种情况下，不致造成损害而传送到塑料光纤的光量明显大于通过直接耦合到光源所可能获得的光量。此空间隔离结构降低射在光纤表面上的光的强度和降低达到将带来热损伤的光纤内部临界吸收的概率。由过量的光所产生的热需要采用散热器。
塑料光纤的熔化临界点取决于光纤的组成和不纯度级别。吸收由空间滤光器传送的光的波长的材料趋向于降低能无损害地耦合的光量。并且与具有相同间隔的空间滤光器NA小于塑料接收光纤的NA的情况相比，其损害临界值要更低。同样，如果空间滤光器的NA大于塑料接收光纤的NA，耦合效率就会减低相反，将来自0.68 NA的石英单根光纤的高强度光耦合到NA＝0.86或0.55的1mm硼硅酸盐光纤束则无需特殊的隔离(仅需的隔开是此单根光纤被布置得能使光正好充满光纤束的口径)并能承受2瓦功率的传输光数小时。这一结果主要是由于与塑料相比硼硅酸盐具有较高的熔化温度。采用单根硼硅酸盐光纤(1mm直径)可期望能得到类似结果。必须小心避免接收光纤表面的污染，因为热损失和事故多半起因于污染物的吸收。
图2a～2c表示以上结合图1所述的本发明的各种可行具体实施例。图2a为第一实施例，其中空间滤光器到低熔化温度纤维的连接是在接近连接器1内部，从而使高温纤维的采用对用户来说是不明显的。
图4中表示这样一接近连接器的示例。连接器1由圆柱体3、套筒5和在未连接到导套9时保护光纤84的输入端4的护筒7组成。散热器66采用光纤支撑管的形式。连接器1的进一步的细节在美国专利No.5452392中有介绍，这里将不加重复。
图2b说明第二实施例，其中低温光纤80被连接到一可被插入连接器1的独立连接器86。在此实施例中，此接近连接器1可重复使用，同时低温光纤80易于处置。
图2c表示第三可行的实施例，其中高温光纤84伸展出接近连接器1之外并通过外连接器88耦合到低温光纤80。
在所有此三个实施例中，当低熔化温度光纤为塑料制品时光纤到光纤连接需要在连接处有空间隔开结构和加以散热。对于较高温度光纤例如硼硅酸盐，此间隔并不是必需的。
图5表示本发明另一可行实施例，它能无损害地增加通过塑料光纤传送的光量。虽然高NA石英光纤比较低NA光纤能耦合明显多的来自弧光源的光，但如果低熔化温度接收光纤的NA小于石英光纤的NA则最后的空间滤光就不会理想。这种情况可通过匹配空间过滤光纤的NA使其要小于或等于塑料接收光纤的NA、或者通过结合一NA等于或小于塑料光纤的NA的第二光纤作为高NA石英光纤与接收塑料光纤之间的空间滤光器来加以补救。这种结构使得能比无这样的空间滤光器的直接耦合至少多50％的光被耦合进塑料接收光纤。
实践中，因为塑料光纤内部色中心的吸收作用，通过滤光成功消除塑料光纤的熔化受到限制。最终，上边界由低熔化温度光纤的吸收度、纯度、和光纤间接触面处存在的污染物质所确定。被发送到塑料光纤的光的最大强度取决于空间滤光器发射的光的功率密度、机械散热器的特性、和光纤间的间隔的大小。一般说，当功率密度超过400mW/mm2时，需要空间隔离结构而且连接器必须能起散热器的作用。
图5中，低NA的空间滤光光纤84a被用来将来自高温高NA光纤90的光耦合进低温低NA光纤80中。此系统的NA的最佳关系为NA光 纤90＞NA光纤84a≤NA光纤80。由光纤90输出的高NA光能将不被低NA空间滤光器传播而是将在其长度内被散射。这样散射所生成的热将被散热器66由光纤84a传导掉。只有低NA导引模将被光纤84a输出并耦合进低温光纤80。这样就能维持光纤80的低温使用。与先有技术相比，能被耦合到低熔化温度塑料纤维的光量是3至5或更大。
本发明的优选实施例中，光纤为直径由0.1mm到1.0mm的单芯光纤。但是，此发明的原理可被同样地应用于光纤维束。
通过如此进行描述的本发明，对熟悉本技术本领域的人们将很明显，可以有许多方法对之加以变更和修改而不背离本发明的精神实质和范畴。而所有这些变型的任一个均应被看作为包含在所列权利要求的范围之内。

Claims (17)

1、用于将至少400mW/mm2的高强度光耦合进低熔化温度光纤的设备，包括：
由高熔化温度材料构成的空间滤光器，用于接收所述高强度光，在所述空间滤光器的长度内散射光的非导引模，和基本上仅输出光的导引模；
接近所述空间滤光器的散热器，用于吸收由所述空间滤光器产生的热和从所述空间滤光器传导掉所述的热；和
低熔化温度光纤，用于在其输入端接收来自所述空间滤光器的基本上仅是光的导引模，沿所述低熔化温度光纤本体传播所述光的导引模，和在其输出端输出所述光的导引模。
2、按权利要求1的设备，其中所述空间滤光器包括一单根石英光纤。
3、按照权利要求1的设备，其中所述低熔化温度光纤的数值孔径等于或大于所述空间滤光器的数值孔径。
4、按照权利要求1的设备，其中所述空间滤光器从高强度光源接收所述高强度光。
5、按照权利要求1的设备，其中所述空间滤光器从高NA光纤接收所述高强度光。
6、按照权利要求1的设备，其中所述低熔化温度光纤由硼硅酸盐材料制成。
7、按照权利要求1的设备，其中所述散热器由金属制成。
8、按照权利要求1的设备，还包括固定到所述低熔化温度光纤的连接器，用于将所述低熔化温度光纤连接到提供所述高强度光的光源系统，所述空间滤光器被置于所述连接器内部。
9、按照权利要求1的设备，还包括把其一端固定到提供所述高强度光的光源系统的第一连接器，所述空间滤光器被置于所述连接器内，和所述低熔化温度光纤被耦合到第二连接器，所述第二连接器被插进所述第一连接器的另一端，用于将来自所述空间滤光器的光耦合进所述低熔化温度光纤。
10、光纤耦合设备，用于将来自光源系统的至少为400mW/mm2的高强度光耦合进低熔化温度光纤，包括：
一耦合到所述低熔化温度光纤的连接器，用于将所述低熔化温度光纤连接到所述光源系统；
一由高熔化温度材料制成的空间滤光器，被置于所述光源系统与所述低熔化温度光纤之间的所述连接器内，用于接收所述高强度光，在所述空间滤光器的长度内散射光的非导引模，和将基本上仅是光的导引模输入到所述低熔化温度光纤。
11、按照权利要求10的设备，其中所述空间滤光器包括一单根石英光纤。
12、按照权利要求10的设备，其中所述低熔化温度光纤的数值孔径等于或大于所述空间滤光器的数值孔径。
13、按照权利要求10的设备，其中所述低熔化温度光纤由硼硅酸盐材料制成。
14、用于将至少400mW/mm2的高强度光耦合进一低熔化温度光纤的方法，包括步骤：
设置一个由单根的高熔化温度光纤构成的空间滤光器，用于接收所述高强度光，在所述空间滤光器的长度内散射光的非导引模，和基本上仅输出光的导引模；
在接近所述空间滤光器处设置一散热器，用于吸收由所述空间滤光器产生的热并从所述空间滤光器将所述热传导出；和
将一低熔化温度光纤耦合到所述空间滤光器，用于在其一输入端接收来自所述空间滤光器的基本上仅是光的导引模，沿所述低熔化温度光纤本体传送所述光的导引模，和在其输出端输出所述光的导引模。
15、按照权利要求1的设备，其中所述低熔化温度光纤包括一束多个小直径的低熔化温度光纤。
16、按照权利要求1的设备，其中所述低熔化温度光纤由光传输塑料材料制成。
17、按照权利要求10的设备，其中所述低熔化温度光纤由光传输塑料制成。
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