高强度光耦合进低温光纤的设备和方法技术

用于将至少４００ｍＷ／ｍｍ↑［２］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。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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专利技术加以限定)将会对本专利技术更全面地理解，所列附图中附图说明图1说明按照本专利技术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专利技术各个可替换实施例；图3为可用于本专利技术的高强度光照系统图；图4为说明用于本专利技术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光纤的本专利技术的另一实施例。图3中表明如本专利技术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，其中设有按钮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肯尼思·李，
申请(专利权)人：考金特光学技术公司，
类型：发明
国别省市：