用于将高强光耦合至低温光纤的设备和方法技术

一种用于将高强光（８２）耦合至低熔点光纤（８０）的方法和设备，在高强光源（３３）与低熔点低ＮＡ光纤（８０）之间采用高温低ＮＡ光纤作为空间滤波器（８４）。在一个替代实施例中，该空间滤波器（８４Ｂ）由熔合光纤束构成。光源（３３）可以是高光强弧光灯，或者可以是用于从远处光源传输光束的高ＮＡ高熔点光纤。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请是1996年8月19日申请的序列号为No．699，230的未决申请(现为美国专利No．)的部分连续申请。
技术介绍
相关技术说明在纤维光学传输系统的领域中，公知采用高光强、高热输出光源，例如水银弧光灯、金属卤化物弧光灯，或氙弧光灯，其典型工作功率在35至1000瓦的范围内。参见1988年7月12日公布的转让给本申请相同受让人的美国专利No．4，757，431。这些光源与纤维光导一起使用，其中纤维光导可以含有一根光纤或者一束许多根小光纤。标准光纤束一般包括与熔点约1000℃的熔融二氧化硅或石英相比具有较低熔点的玻璃。这些系统在医学和工业应用场合具有专门的用途，并且与例如内窥镜、管道镜等仪器结合使用。将来自高光强光源的光束耦合至光导需要光束的会聚和聚焦，并且其聚集在焦点处产生高功率密度。焦点处温度的升高取决于光被吸收的程度。较大的光斑尺寸导致较低的温升；小幅度的吸收会导致温度大幅度地升高。为了降低温升，必须降低与较大光斑尺寸关联的功率密度。为了防止光纤束熔化，一般在光源与光纤束之间设置IR滤波器。随着焦点尺寸的减小，必须采用较高熔点的材料例如石英。如美国专利No．4，757，431所述，存在有效的方法将光束聚焦至直径1mm以下，其在光纤对象处产生比通过光纤束传输光束的照明系统中所发现的高得多的功率密度。这种高功率密度需要由较高熔点材料制成的光导，以防止在光束至光纤耦合点处的光纤熔化。这既适用于单纤维光导，也适用于小直径(2mm以下)光纤束。石英制成的光纤价格昂贵，因而这种光纤必须使用足够长的时间以使成本合理。在外科领域中，这意味着该光纤在每次使用后需要消毒。由于消毒技术一般包括采用高温高压灭菌器或化学消毒剂，所以光纤光导必须制成能够经受热损伤以及采用这种化学制剂造成的损害。另外，石英光纤相当脆，难以不破裂地弯曲，因而在处理时需要高度小心。尽管标准玻璃(例如硼硅酸盐)光纤束由较廉价的材料制成，但是其在长光纤长度的传输性能受到材料透射率以及封装损耗的限制。而且，玻璃的低熔点也限制了可用于耦合至高光强光源的光纤束的最小尺寸。将纤维光学装置例如照明孔径2mm以下的微内窥镜耦合至直径3至5mm的典型光传输光纤束是效率低的，会导致向光学装置的较差光传输。这种低效率源自面积的不匹配。降低光纤束尺寸以使其与装置的尺寸相匹配会产生来自光源的实质耦合损耗，而将焦点压窄至小直径光纤束会使光纤束熔化。一般的说，耦合至纤维光学装置的光导尺寸应当与该装置的直径相配。因而对于小直径纤维光学装置(例如小于2mm)必须采用单根高温光纤或高温光纤束。耦合至光源的直径1mm以下的单根纤维光导比类似尺寸的光纤束更加有效，因为光纤束具有固有封装损耗。由于直径1mm以上的单根石英或玻璃光纤在实际应用中一般太坚硬，所以对于需要大于1mm直径的应用场合一般采用光纤束。尽管单根石英光纤和玻璃光纤束在传输光方面是有用和有效的，但是它们并非传输光的最廉价方式。塑料光纤既便宜而且具有高弹性，即使是大于1mm的直径。因此，最好采用这种低成本塑料光纤与高光强光源结合。然而与玻璃光纤束一样，塑料具有比石英低得多的熔点。因此，采用单根塑料光纤传送充分照明需要在塑料光纤与光源之间的中间光传输系统。其中低成本塑料光纤或小直径低成本玻璃光纤束适用的一个应用场合例子是医学领域。采用低成本光纤可以使医用照明仪器的光导以一次性使用的无菌产品出售，从而无须在每次使用后消毒。采用耦合至单根高光强石英光纤的小光纤束使得可以制造较小的装置。然而，塑料光纤和小直径玻璃光纤束都不能经受光源在焦点处产生的高温，其中光源被会聚和聚焦成尺寸与该光导直径相当的小光斑。1991年1月22日公布的美国专利No．4，986，622公开了一种现有技术，意在解决避免对低温塑料光纤热损伤的问题。该’622专利公开了一种光传输设备，用于在高强光源的输出端耦合耐热玻璃光纤束。接着在一个标准连接器中将该玻璃光纤束机械式地与塑料光纤束紧密耦合。该’622专利需要玻璃光纤束与塑料光纤束的机械匹配，以避免在耦合点产生相当的热量，这会损伤塑料光纤束。该’622专利需要玻璃光纤束的直径小于或等于塑料光纤束的直径。这使得玻璃光纤束发出的光锥可以无损耗地输入塑料光纤束。然而实际中，这只有在对于各光纤束或光纤及其间隙还具有针对光锥角的光学限定(即数值孔径NA)时才是有效的。该’622专利不能满足这种要求。另外，如果玻璃光纤束的直径显著小于塑料光纤束的直径，那么在高功率密度当从光源耦合有充分的光通量时会产生对塑料光纤的热损伤。在该’622专利的上下文中，显示出采用典型的3或5mm直径的光纤束，因为玻璃光纤束与塑料光纤束之间的连接一般存在于医用照明设备中。这种连接器采用光纤束之间在其结合处具有最小间距的密接耦合，并且依赖于光纤束的相对直径的匹配。对于较高的功率密度，这种连接器将导致对低熔点光纤束的损伤。另外，该’622专利的解决方法不足以最大限度提高低温光纤的光输出，其中低温光纤被耦合至用于输送来自高强光源的光束的高温单根光纤。因而本领域存在需求以改进用于将高强光耦合至低熔点光纤的方法和设备。专利技术概述本专利技术提供了一种用于将高强光耦合至低熔点光纤的方法和设备，在高强光源(至少400mW／mm2)与低熔点低NA光纤之间采用有特定数值孔径(NA)的光纤作为空间滤波器。该空间滤波器不仅使得低熔点光纤可以从高强光的焦点移开，而且还可以在其进入低温光纤之前散射光传输的非传导模。该空间滤波器可以置于高强光源的焦点与低熔点光纤之间，替代地也可以置于高NA高熔点光纤与低熔点低NA光纤之间。高强光源可以是聚焦至小于2mm光斑的直射源，也可以是来自耦合至高强光源的第二单根光纤的光。如果接收光纤的数值孔径小于空间滤波器的数值孔径，则在光强高于约400mW／mm2时需要带有机械散热器的隔离结构。如果数值孔径相等或者接收光纤的数值孔径大于空间滤波器的数值孔径，则光纤隔离的程度以及是否需要机械散热器取决于光纤的相对直径、光波长，以及功率密度。根据本专利技术的再一个优选实施例，所述空间滤波器由一束单根光纤熔合在一起而制成。附图的简要说明通过下面给出的详细说明和附图可以更充分地理解本专利技术，其中附图仅仅以例示形式给出，并不构成对本专利技术的限制。附图中附图说明图1表示根据本专利技术的一般概念的空间滤波器的示意图；图2a-2c表示与密接连接器一起采用的本专利技术相应替代实施例；图3表示可用于本专利技术的高光强照明系统；图4表示本专利技术采用的密接连接器的一个具体实施例；图5表示本专利技术的一个替代实施例，其中空间滤波器用于将来自高NA光纤的光束耦合至低温低NA纤；图6A表示本专利技术的另外一个优选实施例，其中空间滤波器由熔合光纤束制成；图6B表示图6A的熔合光纤束84b的剖面图；图7A表示熔合光纤束的空间滤波效应；图7B表示熔合光纤束的输入和输出端面的光强分布的差别；以及图8表示在光学系统的反射器上采用介电涂层作为UV吸收材料以滤去不需要波长的光束。优选实施例的详细说明图3表示例如在本专利技术中所采用的一例高光强光源。光源盒10中含有一个光源(典型地为高强弧光灯例如氙弧光灯、金属卤化物弧光灯、水银弧光灯或其它任何可以被聚焦成至少400mW／mm2功率密度的可见电磁辐射源)和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将高强光耦合进入接收对象的设备，其中该高强光的光强分布由一个图象分布所限定，包括：一个空间滤波器，具有用于接收所述高强光的输入端，所述高强光的非传导模在所述空间滤波器的长度范围内被散射，其中入射在所述输入端的最大光强的图象分布以 展宽的空间光强分布被传输至所述空间滤波器的输出端；用于在将所述高强光传输至所述空间滤波器之前从其中滤除约４００ｎｍ以下和约７００ｎｍ以上光波长的装置；一个散热器，与所述空间滤波器密接，用于吸收所述空间滤波器产生的热量并将该热量从所述 空间滤波器中传送走；和一个接收光纤对象，用于在其输入端基本只接收来自所述空间滤波器的光的传导模，并且将所述光的传导模在其输出端输出。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：钦福郑，肯尼斯K李，道格拉斯M布伦纳，
申请(专利权)人：考金特光学技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]