DE69535032T2

DE69535032T2 - Kohärenter, flexibler hohlfaserwellenleiter mit beschichteter innenbohrung, und dessen herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69535032T2
Application number: DE69535032T
Authority: DE
Inventors: A. James Martinsville HARRINGTON; C. Todd Lakewood ABEL; Jeffrey Princeton HIRSCH
Original assignee: Rutgers State University of New Jersey
Current assignee: Rutgers State University of New Jersey
Priority date: 1994-01-13
Filing date: 1995-01-10
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2015-01-11
Also published as: CA2180828A1; EP0744034B1; US5567471A; IL112228A; WO1995019580A1; DE69535032D1; AU2599795A; KR100348170B1; CA2180828C; US5440664A; EP0744034A1; EP0744034A4; JPH10504656A; ATE329281T1; IL112228A0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Wellenleiter zum Übermitteln von Infrarotstrahlung und insbesondere einen biegsamen Hohlfaserwellenleiter zum Übermitteln von Strahlung im mittleren Infrarot mit geringer Dämpfung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Strahlung von Lasern im sichtbaren, nahen ultravioletten und nahen Infrarotbereich wird gut durch einfache, robuste, kostengünstige, nichttoxische, feste Oxidglasfasern übertragen. Jedoch besteht ein Problem bei der Entwicklung eines Abgabesystems zum Transport von Strahlung aus einem Laser im mittleren Infrarot zu dem Punkt, an dem die Anwendung der Strahlung erwünscht ist. Laseremissionen bei diesen Wellenlängen werden von den meisten Feststoffen nicht gut übertragen. Ungeachtet dessen, ob die Verwendung industriell oder chirurgisch ist, sollte ein befriedigendes Abgabesystem für mittleres Infrarot: (1) Brennfleckgrößen unter 0,5 mm (vorzugsweise hinunter bis 0,1 mm) im Durchmesser bei einem angemessenen Arbeitsabstand für die jeweilige Verwendung ohne erforderliche große Endoptik erlauben; (2) mindestens einige Zehn Watt mittlere Leistung bei geringer Dämpfung leiten; (3) leicht um eine Anwendungsstelle manövriert werden, bei wenig Gegen-Bewegungswiderstand und minimaler Sperrigkeit, die den Zugang zu und Betrachtung der Anwendungsstelle beeinträchtigt und ohne wesentliche Änderung in den Abgabeeigenschaften; und (4) einfach, robust und relativ kostengünstig sein. Für chi rurgische Anwendungen darf das Abgabesystem auch selbst für den Patienten nicht schädlich sein (wie es Fasern sind, die toxische Materialien enthalten, welche in Körperflüssigkeiten löslich sind). Es wird dem Fachmann der Laseranwendung klar sein, dass die Erfordernisse für gute Fokussierbarkeit und für unveränderbare Ausgabeeigenschaften notwendigerweise implizieren, dass der Laser in dem Gauss'schen oder TEM₀₀-Mode arbeitet und dass das Abgabesystem im Wesentlichen den Mode nicht vermindert.
Für die Laserwellenlängen von unmittelbar vorliegendem Interesse (etwa 2,5–12 μm) gab es bis jetzt kein befriedigendes Abgabesystem. Gelenkarme liefern gute Strahlenqualität und gute Übertragung, sind jedoch unhandlich, kompliziert und kostspielig und erfordern häufige Wiederausrichtung. Vollfasern für diesen Wellenlängenbereich liefern schlechte Strahlqualität und nur mäßige Übertragung, sind im Allgemeinen toxisch, sind kostspielig und können nur begrenzt oft gebogen werden und in einem eher eingeschränkten Grad. Folglich hat man im Stand der Technik versucht, hohle Wellenleiterfasern anzuwenden.
Hohle Wellenleiter n > 1 des Standes der Technik liefern schlechte Strahlenqualität (schlechte transversale räumliche Kohärenz). 12B von Gregory & Harrington und 5 und 6 von Croitoru et al., „Characterization of hollow fibers for the transmission of infrared radiation", Appl. Opt. Band 29, 1805–1809 (20. April 1990) und Dror et al., "Hollow Tubes for Transmitting IR Laser Energy for Surgery Applications", vorgestellt auf der ICALEO '89 (15.–20. Januar, Los Angeles), sind für die Eigenschaften der hohlen Wellenleiter von n > 1 des Standes der Technik repräsentativ. Solche Wellenleiter haben nur mäßige Übertragung. Typischerweise sind Wellenleiter, wie in Matsuura & Miyagi, „Low-loss metallic hollow waveguides coated with durable and nontoxic ZnS", Appl. Phys. Lett. Band 61, 1622–1623 (5. Oktober 1992) offenbart, ausgezeichnet. Wellenleiter mit Metallrohrwänden, die als die tragende Struktur für beliebige Beschichtungen dienen (wie in US-Patent Nr. 5 005 944, erteilt für Laakman et al., und US-Patent Nr. 4 913 505, erteilt für Levy '505 offenbart), können mit einer wesentlichen Leistung beaufschlagt werden, sind jedoch bestenfalls halbbiegsam. Jene mit Kunststoffrohrwänden (wie in US-Patent Nr. 4 930 863, erteilt für Croitoru et al., offenbart) sind biegsam, können jedoch bestenfalls nur mit geringer Leistung beaufschlagt werden, haben hohen Verlust und Mangel an Kohärenz. Als solche sind sie hauptsächlich zur Signalverarbeitung geeignet. Noch frühere Vorrichtungen, wie in US-Patent Nr. 3 436 141, erteilt für Comte, US-Patent Nr. 3 583 786, erteilt für Marcatili, und US-Patent Nr. 3 963 828, erteilt für Onoda et al., offenbart, erwiesen sich für die Anwendungen von vorliegendem Interesse bei den Wellenlängen von vorliegendem Interesse als nicht verwendbar.
Hohle Wellenleiterfasern mit einem Brechungsindex von weniger als jenen haben bis jetzt weder die Übertragungseigenschaften noch die Biegsamkeit, die für viele Anwendungen erforderlich sind, erreicht. In anderer Hinsicht sind diese Wellenleiterfasern bei ausgewählten Wellenlängen allerdings sehr befriedigend. Siehe Gregory & Harrington, „Attenuation, modal, and polarization properties of n < 1, hollow dielectric waveguides", Appl. Opt. Band 32, 5302–5309 (20. September 1993).
Andere Offenbarungen von Wellenleitern des Standes der Technik schließen EP 0344478A , US 4805987A , EP 0360391A , WO 93/16404A, Applied Optics, Band 32, Nr. 33, November 1993, Seiten 6598–6601, Applied Optics, Band 31, Nr. 30, Oktober 1992, Seiten 6441–6445, Journal Applied Physics, Band 68, Nr. 11, Dezember 1990, Seiten 5463–5466, und Optics and Laser Technology, Band 22, Nr. 2, April 1990, Seiten 141–145, ein. EP 0344478A offenbart einen Wellenleiter zum Überführen von elektromagnetischer Strahlung im mittleren Infrarot, der ein hohles biegsames Rohr, eine Metallschicht auf der inneren Oberfläche des Hohlrohrs und einen dünnen dielektrischen Film über der Metallschicht umfasst. US 4805987A , EP 0360391A , WO 93/16404A, offenbaren einen Wellenleiter, ähnlich zu EP 0344478A . Applied Optics, Band 32, Nr. 33 (vorstehend angegeben) offenbart ZnS-beschichtete Ag-Hohlwellenleiter, und Applied Optics, Band 31, Nr. 30 (vorstehend angegeben), Journal Applied Physics, Band 68, Nr. 11 (vorstehend angegeben), und Optics and Laser Technology, Band 22, Nr. 2 (vorstehend angegeben), offenbaren ZnSe-beschichtete Ag-Hohlwellenleiter.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Wellenleiter und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wellenleiters bereit, der den Bedarf für ein biegsames Übertragungsmedium für Laser im mittleren Infrarot erfüllt, welcher relativ geringen Verlust aufweist und die Laserstrahlung ohne Unterbrechung des TEM₀₀-Mode überträgt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen biegsamen Hohlfaserwellenleiter, wie in Anspruch 1 definiert, sowie ein Verfahren zur Herstellung von solchem Wellenleiter, wie in Anspruch 12 definiert, bereit.
Der Wellenleiter kann eine wesentliche mittlere Leistung (beispielsweise bis zu etwa 500 W) oder Pulsenergie bei oder etwa einer Bemessungswellenlänge im Spektralbereich von < 2 μm bis etwa 20 μm aufnehmen. Die Leistung/Die Energie wird an dem proximalen Ende des Wellenleiters von einem TEM₀₀-Laser eingegeben und mit geringer Dämpfung in einem nahezu HE₁₁-Faser-Eigenmode zu dem distalen Ende des Wellenleiters befördert. An dem distalen Ende wird die Leistung/die Energie abgegeben, als wenn es nur die Fortsetzung war, ohne wesentlichen Abbau des Eingabe-TEM₀₀-Eigenmode. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Raumprofil sich von jenem an der Eingabe unterscheiden.
Die vorliegende Erfindung ist einfach, robust, relativ kostengünstig herzustellen und sicher in der Anwendung beim medizinischen/chirurgischen Einsatz. Eine erfindungsgemäße Faser kann auch sichtbares Licht bei seiner Eingabe annehmen und eine nutzbare Menge des Lichts durch die Bohrung und/oder über die ringförmige Wand des Wellenleiters zur Ausgabe zum sichtbaren Beleuchten und/oder zur Unterstützung beim Erzielen der Infrarotlaserstrahlung übertragen.
Die allgemeine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst ein biegsames Hohlrohr mit einer Bohrung von weniger als etwa 2,5 mm und mit einer Bohrungsoberfläche, die eine Glattheit von nicht mehr als 0, 05 μm aufweist. Jedoch ist in der bevorzugten Ausführungsform die Bohrung 0,5 mm. Das Rohr ist vorzugsweise ein kommerziell erhältliches biegsames, dünnwandiges Siliziumdioxidglasrohr, vorzugsweise mit einer Schutzschicht an der äußeren Oberfläche des Tubus, um gegen Abrieb und physikalischen Abbau zu schützen. Eine Materialschicht, die optisch bei Wellenlängen im mittleren Infrarot vorliegt, wird auf der Bohrungsoberfläche in einer derartigen Weise abgeschieden, dass die sich ergebende Bohrung bei solchen Wellenlängen optisch glatt ist. Ein dielektrischer Film wird erzeugt und auf der frei liegenden Oberfläche der Reflexionsschicht in einer derartigen Weise abgeschieden, dass der sich ergebende Film bei sowohl der Reflexionsschichtgrenzfläche, als auch bei der Luftgrenzfläche, glatt ist und so, dass die Dicke des dielektrischen Films für die Bemessungswellenlänge geeignet ist. Die bevorzugte, nachstehend beschriebene Ausführungsform verwendet Silber als Reflexionsschicht und Silberjodid als Dielektrikum. Andere Ausführungsformen verwenden Metalle (beispielsweise Gold, Kupfer, Aluminium, Nickel, Platin, Molybdän und Zink) als die Reflexionsschicht und andere dielektrische Stoffe, wie anorganische Verbindungen (beispielsweise Silberbromid und Kupferjodid, Kupferselenid, Silbersulfid, Zinkselenid und Zinksulfid). Es wird vor dem vorangehenden Hintergrund und aus der nachstehenden Beschreibung deutlich, dass die erfindungsgemäßen Vorrichtungen gute Eingabestrahlqualität (gute transversale räumliche Kohärenz) halten und auch beibehalten und folglich eine qualitative Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellen.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung solcher Vorrichtungen bereit, umfassend die Schritte von: Beginnend mit einem Rohr (wie einem glasartigen Rohr) mit einer glatten Bohrung; Plattieren der Bohrung mit einer Reflexionsschicht, unter Anwendung von Lösungen und Verfahren, die die Glattheit der Bohrung nicht abbauen und/oder von. der die Reflexionsschicht zu einer glatten Reflexionsoberfläche geebnet wird; und Erzeugen eines dielektrischen Films mit der geeigneten Dicke an der entgegen gesetzten Oberfläche der Reflexionsschicht unter Anwendung von Lösungen und Verfahren, die die Glattheit der Bohrung nicht vermindern.
Die Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in den beigefügten Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung angegeben. Sind einmal die Einzelheiten der Erfindung bekannt, werden zahlreiche zusätzliche Innovationen und Änderungen dem Fachmann klar.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Endansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Faser, die ihren Aufbau zeigt.
2 ist eine Kurve der Spektralempfindlichkeit von Fasern, die erfindungsgemäß aufgebaut sind, für zwei verschiedenen Bemessungswellenlängen.
3 ist eine Kurve der spektralen Interferenzwirkungen für verschiedene unterschiedliche Fasern, die erfindungsgemäß aufgebaut sind.
4 ist eine Kurve von einer dreidimensionalen Projektion des räumlichen Profils der Stromabgabe aus einer Faser, die erfindungsgemäß aufgebaut ist, wobei die Eingabe korrekt mit einem CO₂-Laser beleuchtet wird.
5 ist eine Kurve der Leistung gegen Verbiegen von einigen Fasern von verschiedenen Bohrungsgrößen, die erfindungsgemäß aufgebaut wurden.
6 ist eine Kurve, die veranschaulicht, wie eng Fasern, die erfindungsgemäß aufgebaut sind, sich der theoretischen Leistungsgrenze annähern.
7 ist eine Kurve, die die Nennbelastbarkeit einer erfindungsgemäß aufgebauten Faser veranschaulicht.
8 ist eine Kurve, die die Bedeutung des Optimierens und Steuerns der Dicke des dielektrischen Films für erfindungsgemäß aufgebaute Fasern veranschaulicht.
Gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Elemente.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG IM EINZELNEN
Innerhalb der gesamten Beschreibung sollte/sollten die bevorzugte Ausführungsform und gezeigten Beispiele als beispielhaft betrachtet werden, anstatt als Begrenzungen der vorliegenden Erfindung.
1 erläutert schematisch einen gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauten Hohlfaserwellenleiter 1 zum Übertragen von Infrarotstrahlung aus sowohl inkohärenten als auch kohärenten Quellen. Ein Schutzmantel 2 (der eine Polymerbeschichtung, ein Polyimid, Silikon/Nylon, Metall oder anderes Material sein kann) wird vorzugsweise um die oder auf der äußeren Oberfläche des Tubus eines Hohlfaserwellenleiters mit einer glatten Bohrung, wie ein kommerziell erhältliches, dünnwandiges Siliziumdioxidglasrohr 3, gebildet. Ein erfindungsgemäßer Wellenleiter 1 ist vorzugsweise von einer solchen Dicke, dass er für Anwendungen, wie Ausführen von Schneidstrahlung auf Gewebestellen innerhalb eines menschlichen Körpers, geeignet ist. Als solches muss das erfindungsgemäße Rohr 3 einen äußeren Durchmesser aufweisen, der dem Wellenleiter erlaubt, biegsam zu sein (d.h. leicht zu einem Radius von weniger als 10 cm gebogen zu werden). Ein Mantel 2 schützt vorzugsweise die Röhre vor Abrieb und anderem mechanischem Abbau und verschließt gegen Feuchtigkeit und andere Substanzen, die das Rohr 3 physisch abbauen können.
Eine Reflexionsschicht 4 wird auf der Bohrung des Rohrs 3 in einer solchen Weise abgeschieden, dass eine glatte äußere Oberfläche für die Reflexionsschicht 4 zurückbehalten wird, oder so, dass die Reflexionsschicht 4 zu einer glatten Reflexionsoberfläche „ausgeglichen" wird. Die Reflexionsschicht ist vorzugsweise Silber von weniger als 1 μm Dicke. In anderen Ausführungsformen kann die Reflexionsschicht jedoch von verschiedener Dicke sein. Weiterhin können andere Ausführungsformen Metalle (beispielsweise Gold, Kupfer, Aluminium, Platin, Molybdän, Zink und Nickel) und Halbleiter (beispielsweise Germanium, usw.) als die Reflexionsschicht verwenden. Ein dielektrischer Film 5 mit vorzugsweise einem Brechungsindex, der weniger als der Brechungsindex der Reflexionsschicht 4 ist, wird auf der frei liegenden Oberfläche der Reflexionsschicht 4 in einer derartigen Weise erzeugt oder abgeschieden (d.h. „geschaffen"), dass im Wesentlichen die Glätte der frei liegenden Oberfläche der Bohrung beibehalten wird oder sich verbessert. Der dielektrische Film 5 verstärkt das Reflexionsvermögen der Innenwand des Wellenleiters 1. Die exakte Dicke des dielektrischen Films wird durch optische Messungen bestimmt und wird vorsichtig gesteuert, um den geringsten Verlust bei einer bestimmten Wellenlänge im Infrarot zu ergeben. Der dielektrische Film 5 ist etwa 0,1 μm bis 0,8 μm dick. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der dielektrische Film Silberjodid. Jedoch kann bei anderen Ausführungsformen der dielektrische Film anorganische Verbindungen (beispielsweise Silberbromid, Kupferjodid, Kupferselenid, Silbersulfid, Zinkselenid und Zinksulfid) sein.
Die innere frei liegende Oberfläche des dielektrischen Films 5 definiert ein vorzugsweise inneres Hohlvolumen 6 des Wellenleiters 1, das Luft, ein weiteres Gas oder gasförmiges Gemisch, Vakuum, oder beliebiges anderes Medium, vorzugsweise mit einem Brechungsindex, der etwa gleich 1 ist, enthalten kann. Die Reflexionsschicht 4 und der dielektrische Film sind vorzugsweise dünn und biegsam, sodass der fertige Wellenleiter im Wesentlichen ein biegsames Rohr mit speziellen Beschichtungen, die auf der Bohrung abgeschieden sind, um einen Wellenleiter mit sehr geringem Verlust bei Wellenlängen im Infrarot herzustellen, darstellt. Erfindungsgemäße Wellenleiter können verwendet werden, um Infrarotlaserstrahlung hoher Leistung (< 500 W) zum Industrieschweißen, Schneiden und zur Wärmebehandlung abzugeben. Die vorliegende Erfindung findet auch Anwendung als Breitband-Infrarotfasersensoren, die von etwa 2,0 bis 20 μm arbeiten. Auf diese Weise vermitteln die Wellenleiter Signale zu entfernten Lichtdetektoren. Insbesondere könnten diese Wellenleiter als die Faseroptikverbindung bei entfernten spektroskopischen und radiometrischen (thermometrischen) Anwendungen dienen.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Innendurchmesser des Wellenleiters 1 vor der Anwendung der Reflexionsschicht 4 von weniger als etwa 1,0 mm bis etwa 100 μm, was gute Übertragungseigenschaften, gute mechanische Biegsamkeit bereitstellt und besonders für medizinische Verwendungen aufgrund seiner kleinen Größe geeignet ist.
Die Glattheit der Bohrung des Rohrs 3 vor der Endbehandlung ist etwa 0,05 μm oder weniger. Der fertige Wellenleiter hat vorzugsweise einen ähnlichen Glattheitsgrad. Es wurde gefunden, dass solche Glätte im Wesentlichen zu den Hochleistungseigenschaften der vorliegenden Erfindung beiträgt. Dieser Glättegrad kann im Allgemeinen nur durch Glas- oder glasartige Hohlfaserrohre erreicht werden.
Das Raumprofil des Laserstrahls, das am distalen Ende eines erfindungsgemäß hergestellten Wellenleiters abgegeben wird, hängt von dem Durchmesser der Bohrung des Wellenleiters, der Reinheit des Eingabelaserstrahls und dem Biegeradius des Wellenleiters ab. Im Allgemeinen ergibt eine kleinere Bohrung einen reineren Mode. Somit ist das Raumprofil der Laserstrahlausgabe am distalen Ende ähnlicher dem Raumprofil von der Laserstrahleingabe am proximalen Ende. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine kleinere Bohrung höheren Ver lust für Moden höherer Ordnung als für Moden geringerer Ordnung verursacht. Wellenleiter mit einer relativ kleinen Bohrung (beispielsweise etwa 1,0 mm) werden am besten den TEM₀₀-Mode beibehalten, der in die Faser am proximalen Ende des Wellenleiters eingekoppelt wird.
Unter Verwendung der vorliegenden Erfindung können etwa 3 m lange Hohlfasern mit sehr geringer Dämpfung und hoher transversaler räumlicher Kohärenz für Wellenlängen im mittleren Infrarot von etwa 2,0 μm bis etwa 20 μm hergestellt werden.
BEISPIEL
Das dünnwandige Siliziumdioxidglasrohr 3 mit glatter Bohrung (vorzugsweise mit einem Schutzpolymermantel 2 an der Außenseite) von der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist von einigen kommerziellen Quellen (beispielsweise Fiberguide Industries of Stirling, NJ und Polymicro Technologies of Phoenix, AZ) erhältlich. Glas ist aufgrund seiner hohen Nennbelastbarkeit (beispielsweise bis zu etwa 500 W von durchschnittlicher Leistung wurden gezeigt) bevorzugt. Die hierin erörterten erfindungsgemäßen Ausführungsformen haben Bohrungsdurchmesser von 700, 530 und 320 μm, jedoch werden diese beispielhaft wiedergegeben und sollten nicht als begrenzend aufgefasst werden. Solche Fasern haben eine Bohrungsglätte von nicht mehr als etwa 0,05 μm. Die Fasern werden vorzugsweise so verwendet, wie sie im Handel erhalten werden. Folglich wird kein Ätzverfahren in der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Bohrung des Rohrs 3 wird mit einer Reflexionsschicht 4 (wie Silber, Gold, Kupfer, Aluminium, usw.) in einer Weise plattiert, die die Glätte der frei liegenden Oberfläche der Reflexionsschicht 4 beibehält. Dieses Plattierungsverfahren wird nachstehend im Einzelnen beschrieben. Nun wird ein glatter dielektrischer Film 5 (vorzugsweise aus Silberjodid) mit einem vorbestimmten Brechungsindex und einer optimalen Dicke für die Bemessungswellenlänge auf der Oberfläche der Reflexionsschicht 4 gebildet. Die Kombination und Implementierung dieser Dinge in der nachstehend angegebenen Weise im Einzelnen ist das neue erfindungsgemäße Verfahren und erzeugt den neuen Faserwellenleiter 1 der vorliegenden Erfindung.
Vorbehandlung: Ätzen/Sensibilisieren/Aktivieren
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, in der Silberbeschichtungen unter Bildung der Reflexionsschicht 4 verwendet werden, wird das mit Polymer beschichtete Rohr 3 wie erhalten, ohne die Vorbehandlung, verwendet. Die Vorbehandlung scheint Teil des Grundes zu sein, warum Hohlfasern des Standes der Technik nicht kohärent wurden, da solche Vorbehandlung scheinbar die Oberfläche des Substrats und somit die Oberfläche der Reflexionsschicht löchrig und andersartig grob gestalten (im Maßstab der optischen Wellenlängen).
Silberlösung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Silberlösung, beginnend mit etwa 1,15 g von 99,999% reinem Silbernitrat (AgNO₃), gelöst in etwa 400 ml destilliertem, desionisiertem Wasser (H₂O), hergestellt. Wässriges Ammoniumhydroxid (NH₄OH; 15%) wird zu einem Tropfen bei einer Zeit zugegeben, das braunen Niederschlag zu bilden veranlasst, und fortgesetzt, bis die Lösung klar ist. Eine Lösung von etwa 0,22 g Natriumhydroxid (NaOH) in 100 ml destilliertem Wasser wird dann zu der Silbernitrat/Ammoniumhydroxid-Lösung gegeben, um einen dicken braunen Niederschlag herzustellen. Ammoniumhydroxid wird dann mit einem Tropfen zu dem Zeitpunkt zugegeben, bis die Lösung nach klar umschlägt.
Reduzierende Lösung
Eine reduzierende Lösung wird verwendet, die aus etwa 22,5 ml Dextrose (C₆H₁₂O₆; 5 Gewichtsprozent in Wasser), verdünnt auf etwa 500 ml mit destilliertem, desionisiertem Wasser, besteht. Andere solche reduzierenden Lösungen sind auf dem Fachgebiet sehr gut bekannt und können verwendet werden.
Silberplattieren
Das Rohr 3 wird vorzugsweise horizontal oder vertikal gelegt. Die Silberlösung und die reduzierende Lösung werden vorzugsweise in etwa gleichen Mengen in einem T-Fitting kurz vor dem Einlass zu dem Rohr 3 vereinigt. In Abhängigkeit von der Bohrungsgröße des herzustellenden Wellenleiters sowie von der Zielwellenlänge variiert das angewendete Volumen der Lösung. Für CO₂-Laserwellenlängen verwendet eine 700-μm-Bohrungsfaser etwa 500 ml/2 h, jeweils von jeder Lösung; wohingegen die 530-μm- und 320-μm-Fasern jeweils etwa 100 ml/1 h von jeder Lösung verwenden. Für Er:YAG-Laserwellenlängen verwendet die 700-μm-Faser etwa 100 ml/0,5 h von jeder Lösung und die 530-μm- und 320-μm-Fasern verwenden jeweils etwa 50 ml/0,5 h von jeder Lösung. Die Lösungen werden durch das Rohr 3 durch Erhöhen des Drucks am Ende des Rohrs 3, in das die Lösung eintritt, wie durch eine peristaltische Pumpe, oder durch Vermindern des Drucks am entgegen gesetzten Ende des Rohrs, wie durch eine Vakuumpumpe, gezwungen. Das Rohr 3, wenn horizontal, wird vorzugsweise etwa 180 Grad an seiner Längsachse während des Plattierens gedreht, um eine gleichförmigere Beschichtung bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ können die Enden der Rohre in der Mitte des Plattierungsverfahrens umgekehrt werden, oder die Lösung kann durch das Rohr 3 für einen vorbestimmten Zeitraum gezwungen und anschließend zurück durch das Rohr 3 für einen weiteren vorbestimmten Zeitraum, um auch gleichmäßigeres Plattieren zu erleichtern, gezogen werden. Weiterhin kann die Lösung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für mindestens einen Teil der Zeit im Kreislauf geführt werden, wobei die Lösung durch das Rohr 3 fließt. Das plattierte Rohr 3 wird dann vorzugsweise mit einer nichtreaktiven Spüllösung, wie Ethanol (Ethylalkohol; CH₃CH₂OH), gespült und getrocknet, wie durch Blasen mit Pressluft. Die Mengen von jeder Lösung und die Geschwindigkeit, bei der jede Lösung durch die Bohrung gezwungen wird, wurden empirisch bestimmt.
Jodierung
In der bevorzugten Ausführungsform wird. eine Lösung von etwa 100 ml Cyclohexan, zu der 1 g Jod gegeben wird, in einem warmen Ultraschallbad vermischt. Die erhaltene Lösung wird auf etwa Raumtemperatur abkühlen lassen. Eine Menge der sich ergebenden Lösung, die von der Bohrungsgröße, Zielwellenlänge und Art der verwendeten Pumpe abhängt, wird dann ausgemessen, um eine optimale Silberjodidschicht für den geringsten Verlust und beugungsbegrenzter (d.h. räumlich kohärent oder Gauss) Ausgabe zu bilden. Beispielsweise werden bei CO₂-Wellenlängen für eine 700-μm-Faser etwa 22 ml/5 Minuten von der Jod/Cyclohexanlösung vorzugsweise durch das Rohr 3 mit einer peristaltischen Pumpe, oder etwa 50 ml/4,5 Minuten mit einer Vakuumpumpe, gedrückt. Für eine 530-μm-Faser sind die bevorzugten Werte etwa 20 ml/4 Minuten mit einer peristaltischen Pumpe oder etwa 50 ml/4 Minuten mit einer Vakuumpumpe. Für eine 320-μm-Faser werden etwa 15 ml/3 Minuten vorzugsweise mit einer peristaltischen Pumpe (in diesem Fall kann eine Vakuumpumpe nicht verwendet werden, weil die Lösung innerhalb des Wellenleiters 1 gefriert) verwendet. Bei der Er:YAG-Wellenlänge nimmt eine 700-μm-Faser vorzugsweise etwa 2,5 ml/0,5 min der Lösung unter Anwendung von jeder Pumpe. Eine 530-μm-Faser nimmt vorzugsweise etwa 4 ml/1 Minute unter Anwendung von jeder Pumpe. Eine 320-μm-Faser wird etwa 2,0 ml/0,5 Minuten vorzugsweise mit einer peristaltischen Pumpe verwenden. In jedem der vorstehenden Fälle muss der Druck so gesteuert werden, dass die Lösung nicht gefriert. In jedem Fall wird das sich ergebende Rohr 3 vorzugsweise mit einer nichtreaktiven Spüllösung, wie Ethanol, gespült, und getrocknet, wie mittels Durchblasen mit verdichteter Luft. Das Ergebnis ist ein fertiger Wellenleiter 1. Das Vorangehende sollte nicht als begrenzend aufgefasst werden. Beispielsweise ist in einer alternativen Ausführungsform Bromierung wirksam, und unpolare Lösungsmittel mit vernachlässigbaren Gesundheitswirkungen können anstatt Cyclohexan verwendbar sein.
ERÖRTERUNG
2, 3 und 8 zeigen, wie der Verlust für den ausgewählten Spektralbereich durch Bestimmen und Bereitstellen erfindungsgemäßer, optimaler dielektrischer Filmdicke minimiert wird. Geeignete Steuerung dielekrischer Filmdicke ist zum Minimieren von Verlust wichtig. Die vorliegende Erfindung erlaubt, die Dicke des dielektrischen Films 5 genau zu steuern, auch in Fasern mit kleiner Bohrung.
4 zeigt das ausgezeichnete Modenverhalten von Wellenleitern, die erfindungsgemäß aufgebaut sind. Die Ausgabe ist im Wesentlichen der gleiche wie in 12A und 13 von Gregory & Harrington (1993), was zeigt, dass das vorliegende Herstellungsverfahren nicht eine abgebaute Bohrungsoberfläche ergibt. Die erfindungsgemäßen Hohlfaserwellenleiter sind die einzigen solcher Leiter mit n > 1, die nicht Modenmischen (wenn anfänglich angepasster Mode) und anschließende Mehrfachmodenausgabe, zusammen mit übermäßigem Biegeverlust und mit wesentlichen Veränderungen im Ausgabeprofil, wie dem Radius von Krümmungsveränderungen, verursachen. Die Wichtigkeit der Glätte der Wellenleiterbohrung wird im Stand der Technik nicht mitgeteilt, und solche Glattheit war früher nicht erreichbar.
5 und 6 zeigen, dass die erfindungsgemäß aufgebauten Wellenleiter Dämpfung nahe der theoretischen Grenze zeigen. Zum Vergleich dazu sind gemäß Techniken des Standes der Technik aufgebaute Wellenleiter, wie die Mitteilungen von Croitoru et al. '863, um etwa 300-mal schlechter.
5 und 8 zeigen die gute Biegsamkeit und den geringen Biegeverlust, und 7 zeigt die Nennbelastbarkeit von Wellenleitern 1, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung wurden gemessen, wobei sie Verluste von nur 0,1 dB/m, für die 700-μm-Bohrungsfasern und nahezu Einzelmodenausgabe haben. Erfindungsgemäße Wellenleiter mit Innendurchmessern nahezu 500 μm haben Verluste von nur 0,3 dB/m, wenn mit 9 μm Linien des CO₂-Lasers verwendet. Bei der ER:YAG Laserwellenlänge von 2,94 μm liegt der Verlust oberhalb 0,3 dB/m für Wellenleiter mit etwa einem Innendurchmesser von 700 μm. Ein Biegeradius von nur 5 cm ist für eine 500-μm-Bohrung mit einem Verlust von nur etwa 1,7 dB/m möglich. Die erfindungsgemäßen Hohlglaswellenleiter haben einen etwa 275-fach geringeren Verlust als ein vergleichbarer Wellenleiter des Standes der Technik, wie jener, der von Croitoru, unter Anwendung von Kunststoffleitern, in US-Patent Nr. 4 930 863 mitgeteilt wird. Dies ist zumindest zum Teil auf die erfindungsgemäße Fähigkeit, dass eine sehr glatte frei liegende innere Oberfläche für die Reflexionsschicht 4 und den dielektrischen Film 5 beibehalten wird, zurückzuführen. Dies ergibt einen niedrigen Streuungsverlust und minimale Modenumwandlung. Der geringe Verlust der vorliegenden Erfindung ist auch zum Teil auf die Tatsache zurückzuführen, dass die dielektrische Dicke sorgsam gesteuert wird. Weiterhin wurden keine Veränderungen in deren Eigenschaften mit der Zeit beobachtet und mindestens eine solche Faser verhielt sich gut nach Krankenhausqualitätssterilisierung mit Ethylenoxid. Rauere Oberflächen führen zu höherem Verlust, insbesondere beim Biegen. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung widerstandsfähig und kann wesentlichen Leistungen, verglichen mit Kunststofffasern des Standes der Technik, die leicht schmelzen, wenn Stromstärken über etwa 20 W durchgeleitet werden, widerstehen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine einfache Struktur, die unter Anwendung von geradliniger Lösungschemie gefertigt wird, und kostengünstiges biegsames Glasrohr bereit. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik dahingehend, dass die Verluste aufgrund der außergewöhnlichen Glätte der frei liegenden inneren Oberfläche der Bohrung des erfindungsgemäßen Wellenleiters sehr gering sind. Die vorliegende Erfindung behält auch einen sehr hohen Biegsamkeitsgrad, gute transversale räumliche Kohärenz und ist nicht toxisch.
Eine Anzahl von erfindungsgemäßen Ausführungsformen wurde beschrieben. Nichtsdestoweniger wird es verständlich sein, dass verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise hat ein Wellenleiter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine schützende äußere Beschichtung oder Mantel über dem Tubus. In einer solchen Ausführungsform kann die Beschichtung oder der Mantel mit dem Wellenleiter verbunden sein. Jedoch kann der erfindungsgemäße Wellenleiter alternativ in einen solchen Mantel entfernbar eingeschoben werden. In einer weiteren Ausführungsform kann der Wellenleiter durch eine Bedeckung (üblicherweise bekannt als „Heißschrumpfschlauch"), die mit der äußeren Oberfläche des Wellenleiters nach einer Anwendung von Wärme darauf konform geht, geschützt werden. Weiterhin muss in Anwendungen, in denen der Wellenleiter für eine sehr begrenzte Zeit verwendet wird, wie medizinische Anwendungen, der Wellenleiter nicht durch jede solche Beschichtung geschützt sein. Jedes Mittel zum Auftragen von Metall, glatt auf der inneren frei liegenden Oberfläche einer Hohlfaser, kann zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wellenleiters verwendet werden. Auch die Lösung, die zum Abscheiden der Reflexionsschicht verwendet wird, kann ein beliebiges Reflexionsmaterial sein, einschließlich Metalllegierungen, die nur ein einziges Metall einschließen. Obwohl sich die vorstehende Beschreibung der Beispiele der vorliegenden Erfindung auf die Anwendung von Silber als das angewendete Material zur Herstellung der Reflexionsschicht fokussiert, liegt außerdem jedes Material mit hohem Reflexionsvermögen und das in der Lage ist, glatt auf der frei liegenden inneren Oberfläche der Bohrung einer Hohlfaser durch Fließen des Materials durch die Bohrung abgeschieden zu werden, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Weiterhin liegt jeder dielektrische Stoff, der einen geeigneten Brechungsindex aufweist und der auf der frei liegenden Oberfläche der Reflexionsschicht abgeschieden werden kann, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
Folglich ist es selbstverständlich, dass die Erfindung durch die speziell erläuterte Ausführungsform nicht begrenzt sein soll, sondern nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche.

Claims

Wellenleiter zum Übertragen von elektromagnetischer Strahlung im mittleren Infrarot, umfassend (a) ein biegsames Hohlrohr (3) mit einer Bohrung von weniger als etwa 2,5 mm, (b) eine Reflexionsschicht (4), die auf der Oberfläche der Bohrung des biegsamen Hohlrohrs angeordnet ist, und (c) einen dielektrischen Film (5), der auf der Oberfläche der Reflexionsschicht gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das biegsame Hohlrohr aus einem Siliziumdioxidglas gebildet ist und eine Bohrungsoberfläche aufweist, die eine ursprüngliche Glätte von nicht mehr als 0,05 μm aufweist, dadurch, dass der auf der Oberfläche der Reflexionsschicht gebildete dielektrische Film eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,8 μm aufweist, und dadurch, dass die Oberfläche der Bohrung vor dem Abscheiden der Reflexionsschicht darauf keiner Vorbehandlung unterzogen wurde, sodass seine ursprüngliche Glätte nicht abnimmt, wodurch die Oberfläche der Reflexionsschicht, die auf der Oberfläche der Bohrung abgeschieden ist, etwa genauso glatt ist, wie die Oberfläche der Bohrung und die freiliegende Oberfläche des dielektrische Films etwa genauso glatt ist, wie die Oberfläche der Reflexionsschicht, auf der der dielektrische Film gebildet ist.
Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei der dielektrische Film einen Brechungsindex aufweist, der geringer als der Brechungsindex der Reflexionsschicht ist.
Wellenleiter nach entweder Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Reflexionsschicht eine Schicht aus einem Metall ist.
Wellenleiter nach Anspruch 3, wobei das Metall mindestens ein Metall, ausgewählt aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel, Platin, Molybdän und Zink, umfasst.
Wellenleiter nach entweder Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Reflexionsschicht eine Schicht eines Halbleiters ist.
Wellenleiter nach Anspruch 5, wobei der Halbleiter Germanium umfasst.
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der dielektrische Film ein Film von einer anorganischen dielektrischen Verbindung ist.
Wellenleiter nach Anspruch 7, wobei die anorganische dielektrische Verbindung aus Silberbromid, Kupferjodid, Kupferselenid, Silbersulfid, Zinkselenid und Zinksulfid ausgewählt ist.
Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei die Reflexionsschicht eine Schicht aus Silber umfasst und der dielektrische Film ein Film aus Silberjodid ist.
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das biegsame Hohlrohr eine Bohrung von weniger als 1,0 mm aufweist.
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das biegsame Hohlrohr eine äußere Schutzhülle aufweist.
Verfahren zur Herstellung des Wellenleiters nach Anspruch 1, umfassend die Schritte von: (a) In-Kontakt-Bringen der Oberfläche der Bohrung des biegsamen Hohlrohrs, das aus Siliziumdioxidglas gebildet wurde, ohne Unterziehen der Bohrungsoberfläche einer Vorbehandlung, die ihre ursprüngliche Glattheit vermindert, mit einer ersten Lösung, die Reflexionsmaterial einschließt, durch Erzeugen eines Druckunterschieds zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende der Bohrung, sodass ein Film von im Wesentlichen opakem Reflexionsmaterial auf der Oberfläche der Bohrung abgeschieden wird, und (b) In-Kontakt-Bringen der freiliegenden Oberfläche des Films von Reflexionsmaterial mit einer zweiten Lösung durch Erzeugen eines Druckunterschieds zwischen dem proximalen und distalen Ende der Bohrung, um die Bildung eines Film aus dielektrischem Material von steuerbarer Dicke auf der freiliegenden Oberfläche des Films von Reflexionsmaterial zu veranlassen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Reflexionsmaterial ein Metall ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Metall mindestens ein Metall, ausgewählt aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel, Platin, Molybdän und Zink, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Reflexionsmaterial ein Halbleiter ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Halbleiter Germanium ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Lösung ein Monosaccharid einschließt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Lösung Dextrose einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei der dielektrische Film eine anorganische Verbindung ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der dielektrische Film eine Verbindung darstellt, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: (a) Silberbromid, (b) Kupferjodid, (c) Kupferselenid, (d) Silbersulfid, (e) Zinkselenid und (f) Zinksulfid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, das weiterhin den Schritt des Spülens der Bohrung mit einer nicht reaktiven Spüllösung nach Abscheiden der Schicht von Reflexionsmaterial einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, das weiterhin den Schritt des Spülens der Bohrung mit einer nicht reaktiven Spüllösung nach Bilden des dielektrischen Films auf der freiliegenden Oberfläche des Films von Reflexionsmaterial einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, wobei der Druckunterschied zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende der Bohrung, der den Kontakt der ersten Lösung mit der Oberfläche der Bohrung veranlasst, durch eine peristaltische Pumpe erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, wobei der Druckunterschied zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende der Bohrung, der den Kontakt der ersten Lösung mit der Oberfläche der Bohrung veranlasst, durch eine Vakuumpumpe erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, wobei der Druckunterschied, der den Kontakt der zweiten Lösung mit der Reflexionsschicht veranlasst, durch eine peristaltische Pumpe erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, wobei der Druckunterschied zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende der Bohrung, der den Kontakt der zweiten Lösung mit der Reflexionsschicht veranlasst, durch eine Vakuumpumpe erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 26, wobei der Druck an dem proximalen Ende größer als der Druck an dem distalen Ende der Bohrung für einen ersten vorbestimmten Zeitraum ist und der Druck an dem proximalen Ende geringer als der Druck an dem distalen Ende der Bohrung für einen zweiten vorbestimmten Zeitraum ist, der nach dem ersten vorbestimmten Zeitraum auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 26, wobei der Druck an dem proximalen Ende geringer als der Druck an dem distalen Ende der Bohrung für einen ersten vorbestimmten Zeitraum ist, wobei die erste Lösung mit der Oberfläche der Bohrung während mindestens eines Teils des ersten Zeitraums in Kontakt tritt, und der Druck an dem proximalen Ende größer als der Druck an dem distalen Ende der Bohrung für einen zweiten vorbestimmten Zeitraum ist, was nach dem ersten vorbestimmten Zeitraum auftritt, wobei die erste Lösung mit der Oberfläche der Bohrung für mindestens einen Teil des zweiten Zeitraums in Kontakt tritt.