基于光纤的光源制造技术

本发明专利技术的各种实施例针对在显微术、分光术与其他科学和技术仪器、装置以及过程中使用的基于光纤的光源。在本发明专利技术的各种实施例中，发光二极管(“LED”)和其他光源包含在光纤或纤维光缆上或内以便产生明亮的基于光纤的光源。通过将发光装置包含在光纤上或内，在该光纤或纤维光缆内可以获得比通过将光从等同的外部发光元件引导进入该光纤或纤维光缆可以获得的光子通量大得多的光子通量，并且本发明专利技术的这些基于光纤的光源提供嵌在它们上或内的光源的可取特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在科学和技术仪器、其他装置中使用和用于各种过程的光源，并且特别地涉及用于在显微镜、分光计中以及在其他科学和技术仪器、装置和多种过程中使用的明亮的基于光纤的光源。
技术介绍
光源在多种不同的科学和技术仪器以及装置(包括光学显微镜、分光计、微阵列扫描仪、拍摄装置和其他类型的图像记录装置)中广泛使用，以及另外用于照明、数据和图像传输，以及在多种其他应用中使用。最初，光源主要基于被加热的灯丝或产生弧光的等离子体，其包括许多不同类型的白炽灯、汞弧光灯、氙灯、金属卤化物灯和使用发光物质的组合的混合弧光灯(包括汞-氙弧光灯)。在过去的50年期间，物理学和材料科学中的发展和突破产生许多另外的类型的光源，其包括激光器、发光二极管(“LED”)，以及微米尺度和纳米尺度的光发射器(包括量子点)。当选择光源并且使光源适应于特定应用(包括对特定科学仪器和分析过程选择光源)时，存在要考虑的重要约束和参数。在许多情况下，期望具有电磁辐射谱的某个部分内的波长(例如对应于可见光的波长范围等)的光，并且具有电磁辐射谱的其他部分中的波长的光(包括紫外光和较短波长辐射)是不可取的。此外， 特定应用可要求特定的最小光子通量，并且可要求光从光源输送通过特定的传输介质并且通过特定尺寸的孔径。科学和技术仪器以及装置的研究者和开发者，以及这样的仪器和装置的制造者和专利技术者继续寻找对于特定应用适合的光源。
技术实现思路
本专利技术的各种实施例针对在显微术、分光术与其他科学和技术仪器、装置以及过程中使用的基于光纤的光源。在本专利技术的各种实施例中，发光二极管(“LED”)和其他光源被包含在光纤或纤维光缆上或之内以便产生明亮的基于光纤的光源。通过将发光装置包含在光纤上或之内，在该光纤或纤维光缆内可以获得比通过将光从等同的外部发光元件引导进入该光纤或纤维光缆可以获得的光子通量要大得多的光子通量，并且本专利技术的这些基于光纤的光源提供嵌在它们上面或之内的光源的可取特性。附图说明图1示出连接到光源的光学显微镜。图2图示将光引入如图1中示出的示例中使用的光纤，其作为科学仪器、技术仪器或其他装置内的光源。图3示出连续氙弧光灯和氙闪光灯的输出谱。图4示出许多不同类型的LED的谱输出。图5图示本专利技术的一个实施例。图6示出本专利技术的备选实施例，其中LED阵列的每个LED关于该LED阵列的平面倾斜以便增加从每个LED输出到光纤中的光量，并且从而增加光纤光源的累积亮度。图7图示围绕代表本专利技术的实施例的包括嵌入光源的光纤的热控护套。图8示出本专利技术的另一个备选实施例。图9A-D图示本专利技术的另外的实施例。图10使用图9B-D的一般图示约定图示本专利技术的另外的实施例。 具体实施例方式很多种不同类型的光源在科学仪器、技术仪器、各种其他装置中使用，在各种分析和实际过程中使用，并且用于很多种不同的应用。光源的一个示范性使用是光学显微术，其包括荧光显微术。图1示出连接到光源的光学显微镜。该光学显微镜102经由纤维光缆 106与光源104连接。在该特定应用中，该外部光源还可以是显著的热源。将该光源移开避免与该显微镜102直接接触或包含在该显微镜102之内消除了对高容量散热硬件的需要， 该高容量散热硬件否则对于控制由该显微镜检查的样品内或附近的温度可能是必需的。另外，该光纤为显微镜和其他应用提供小孔径、极小光源。基于光纤的光源具有许多另外的应用，包括分光术、照明或难以接近的体积、传感器和许多其他应用。图2图示将光引入图1中示出的示范性应用中使用的光纤，作为科学仪器、技术仪器或其他装置内的光源。一般而言，光源202可通过想象的球体204或包封该光源的其他流形在许多或所有向外的径向上发射光。然而，仅由该光源发射的光的一小部分与光纤206 的长轴定向对准，光被引导进入该长轴以供传输通过该光纤到科学仪器内充当光源的远端终点。此外，在围绕的反射包覆层212内一般包括中心透光玻璃或聚合物芯的光纤208的末端的表面可部分反射来自远离该光纤的光源的适当取向的光的一部分，进一步减少有效传输通过该光纤的末端进入该光纤的光量。可以使用许多不同的技术来捕捉由光源发射的光的更大部分以供传输通过该光纤的末端进入该光纤，包括使用抛物面镜和其他技术。然而， 一般而言，由例如被加热的灯丝和弧光等非定向取向的光源发射的光的仅一小部分可以有效地集中在光纤的末端供引入该光纤。此外，对于可以集中通过孔径的光量存在物理限制。拉格朗日不变量或6tendUe 表达可以传输通过孔径的最大光量。6tendUe的一个数学形式是etendue = n2 / / cos(0)dAdQ ,其中η是折射率，并且θ是到微分面积dA的法线和微分立体角(1Ω的质心之间的角度。从而，通过用外部光源照亮光纤来获得通过该光纤的足够光子通量一般是成问题的，并且受物理和实际约束的约束。当前，使用许多应用，包括荧光显微术应用、汞弧光灯、氙灯或金属卤化物灯以及混合弧光灯(其结合汞蒸气、氙和其他发光物质)。这些灯在可见范围上提供相对连续的光输出，是众所周知的，并且是相对经济的，但与某些劣势关联。这些灯具有有限的使用寿命， 需要相对大的电力供应用于供应高电流供灯操作和需要高压脉冲来使灯通电，在相对高的温度操作，并且需要对温度、爆炸危险和杂散光发射的防护，并且常常需要传输路径滤光器来去除光的红外(“顶”)和紫外(“UV”)分量。由这样的灯发射的光的仅极小部分可以有效地集中通过光纤的末端，并且从而在操作灯中使用的能量的极大比例最终成为不需要的废热。图3示出连续氙弧光灯和氙闪光灯的输出谱。尽管由虚线302示出的该连续氙弧光灯在从380nm至750nm的可见光的波长范围上产生相对连续的光输出，该连续氙弧光灯还在紫外波长范围中和在红外波长范围中产生可观输出。顶发射对于光学显微术或荧光显微术不是有用的，并且产生可观热量，一般由滤光器去除。对于包括通过荧光显微术的活细胞成像的某些应用非常有害的UV发射一般也由滤光器去除。UV和顶滤光器可减小具有期望波长范围的光子通量，并且可能不理想地消除不可取的波长。从而，基于被加热的灯丝和基于弧光的光源(尽管有用并且可获得)与各种应用的许多不可取的特性关联。激光源提供相对高的光子通量和高度定向取向的光输出。然而，激光器产生相干光，其与包括散斑(speckling)的多种衍射相关的问题关联，并且因此对于许多光学成像目的是不可取的。此外，尽管许多应用必须能够从跨可见谱选择波长范围，激光器一般发射单色光，并且激光器对于许多应用可能是过于昂贵的。发光二极管(“LED”)是更近的光源发展。LED —般由掺杂有杂质形成p_n结的两个半导体层制成。该p-n结特征在于由于正和负电荷载流子在该结的任一侧上的不同浓度引起的该结两端的小电压电势。当由外部施加的电压引入的电流流过该结时，负电荷载流子或电子与正电荷载流子或空穴结合，导致能量采用光子的形式释放。由LED发射的光的波长取决于形成该P-n结的材料的带隙能量。具有不同发射谱的LED可以通过使用不同的半导体材料、不同的掺杂剂和不同的掺杂水平制造。图4示出许多不同类型的LED的谱输出。在图4中，每个不同的峰对应于不同类型的LED。从而，一个类型的LED产生530nm 的峰404，并且另一个类型的LED产生505nm的峰406本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于光纤的光源，其包括：反射包覆层；内部光传输芯；嵌入所述内部光传输芯的内部光源；以及光发射激励子系统，其当被激活时激励所述内部光源来发射光至所述内部光传输芯中，所述光的一部分通过所述反射包覆层和所述内部光传输芯之间的界面处的全内反射来沿所述基于光纤的光源的长度传输并且从所述基于光纤的光源的末端发射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·索伊伯特，
申请(专利权)人：应用精密公司，
类型：发明
国别省市：US