专利名称：双包层光纤和具有双包层光纤的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及双包层光纤和利用双包层光纤的设备，更具体地，涉及具有高数值孔 径的内包层的双包层光纤以及利用这种双包层光纤的内窥镜。
背景技术：
内窥镜，特别是利用双光子荧光过程的非线性内窥镜，已经成为在样品和/或受 试者上执行荧光显微术的最佳非侵入性装置。非线性光学内窥镜利用源或激励激光束，用 光纤将这种激光束引入到目标上。激励激光束与目标的交互作用导致目标材料由于双光子 吸收而发荧光或发光，收集这些光使其通过光纤返回内窥镜以便进一步分析、成像、谱测量 等。与单个光子显微术相比，双光子荧光显微术提供了固有的光学切片特性、较大的穿透深 度以及灵活的光谱可达性。利用双光子荧光过程的非线性光学内窥镜的关键部件之一是在内窥镜中使用的 光纤。在可以在内窥镜中使用标准单模光纤把激励激光束传送到感兴趣的目标的同时，这 些光纤并不适合于收集光信号，这些光信号是通过目标发射回内窥镜以便进一步分析、图 像形成、谱测量等的。这主要是由于标准单模光纤的低的数值孔径和小的纤芯大小所引起 的，这限制了光纤的收集效率。为了提高非线性光学内窥镜的收集效率，可以使用双包层光纤。这种光纤一般包 括纤芯、内包层以及外包层。通过光纤纤芯把内窥镜的激励光束传送到目标，并且收集从目 标发射而经由光纤的内包层返回到内窥镜的光。然而，由于内包层的低的数值孔径，大多数 双包层光纤的收集效率仍是低的。已经开发了具有较大数值孔径的内包层的双包层光纤， 诸如光子晶体双包层光纤。然而，光子晶体双包层光纤通常比标准光纤更难以制造，结果， 非常昂贵。因此，存在对于另外的双包层光纤和使用双包层光纤的非线性光学内窥镜的需 求。
发明内容
在一个实施例中，双包层光纤包括纤芯、内包层和外包层，均由硅石基玻璃制成。 纤芯可以具有小于约5微米的半径、第一折射率ηι，并且不包含任何活性稀土掺杂剂。内包 层可以围绕着纤芯，并且包括至少约25微米的径向厚度、至少约0. 25的数值孔径以及第二 折射率n2，以致n2< Ii1。纤芯相对于内包层的相对折射率百分比(Δ%)可以大于约0. 1%. 外包层可以围绕着内包层，并且包括从约10微米到约50微米的径向厚度和第三折射率η3， 以致η3 < η2。内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ % )可以大于约1. 5%。在另一个实施例中，非线性光学内窥镜可以包括激光源、双包层光纤、光束扫描单 元、光学检测器以及计算机。双包层光纤可以包括纤芯、内包层和外包层。纤芯可以具有小 于约5微米的半径、第一折射率ηι，并且不包含任何活性稀土掺杂剂。内包层可以围绕着 纤芯，并且包括至少约25微米的径向厚度、至少约0. 25的数值孔径以及第二折射率η2，以致η2<ηι。纤芯相对于内包层的相对折射率百分比(Δ%)可以大于约0.1%。外包层可 以围绕着内包层，并且包括从约10微米到约50微米的径向厚度和第三折射率η3，以致η3 < η2。内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ % )可以大于约1. 5%。可以把激光 源的输出光学地耦合到双包层光纤第一端处的双包层光纤的纤芯，以致把激光源的输出引 导到双包层光纤的纤芯中。可以把光学检测器耦合到双包层光纤第一端处的双包层光纤的 内包层，并且可以可操作地使通过内包层传播的光转换成电信号。可以使计算机与光学检 测器电耦合，并且可操作而从光学检测器接收到的电信号形成图像。可以使光束扫描单元 光学耦合到光纤的第二端，并且可操作而以二维方式在目标上扫描引导到双包层光纤的纤 芯的激光源输出，并且收集从目标发射到双包层光纤的内包层的光。在下述的详细说明中将阐明本发明的另外的特征和优点，本技术领域中技术人员 从该说明能容易地明白一部分，或通过包括下述的详细说明，权利要求书以及附图的、这里 描述的本发明的实践而理解。要理解，上述一般说明和下述详细说明提供了本发明的实施 例，并且旨在提供概述或框架，以便理解要求权益的本发明的性质和特征。
附图中阐明的一些实施例是性质的说明，并且不旨在限制由权利要求书定义的本 发明。此外，当连同下述附图一起阅读时，可以理解本发明的具体示意性实施例的下述说 明，在附图中，用相同的附图标记来表示相似的结构，其中图IA描绘根据这里所示的和所描述的一个或多个实施例的双包层光纤的横截面 图；图IB描绘根据这里所示的和所描述的一个或多个实施例的图IA的双包层光纤的 折射率分布；图2描绘根据这里所示的和所描述的一个或多个实施例的双包层光纤的横截面 图，所述双包层光纤在外包层中包括随机分布(大小和位置两者)的孔隙；图3描绘根据这里所示的和所描述的一个或多个实施例的另一个双包层光纤的 横截面图，所述双包层光纤在外包层中包括规则分布(大小和位置两者)的孔隙；图4示出用于测量光纤的数值孔径的测试装置；图5是曲线图，示出作为使用图4的装置的光纤的角度取向的函数的、通过光纤耦 合的光源的归一化的功率；以及图6是根据这里所示的和所描述的一个或多个实施例的、利用双包层光纤的非线 性光学内窥镜设备的示意图。在下述的详细说明中将阐明本发明的另外的特征和优点，本技术领域中技术人员 从该说明能容易地明白一部分，或通过包括下述的详细说明，权利要求书以及附图的、这里 描述的本发明的实践而理解。要理解，上述一般说明和下述详细说明两者提供了本发明的 实施例，并且旨在提供概述或框架，以便理解要求权益的本发明的性质和特征。
具体实施例方式这里使用下述的定义和术语折射率分布是在光纤的选中部分上从光纤中心线测量到的相对折射率(Δ % )和光纤半径之间的关系；定义相对折射率百分比或Δ百分比(Δ % )为
(nf -Yi2ref)
权利要求
1.一种包括纤芯、内包层和外包层的双包层光纤，其中纤芯包括小于约5微米的半径、第一折射率Ii1,并且不包含任何活性稀土掺杂剂；内包层围绕着纤芯，并且包括至少25微米的径向厚度、至少约0. 25的数值孔径以及 第二折射率n2，以致Ii2Cn1，其中纤芯相对于内包层的相对折射率百分比(Δ%)大于约 0. 1% ；外包层围绕着内包层，并且包括从约10微米到约50微米的径向厚度和第三折射率η3， 以致η3 < η2，其中内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ % )大于约1. 5% ；以及纤芯、内包层和外包层均由硅石基玻璃制成。
2.如权利要求1所述的双包层光纤，其特征在于，所述纤芯的数值孔径是从约0.08到 约 0. 2。
3.如权利要求1或2所述的双包层光纤，其特征在于，所述内包层包括纯硅石玻璃，并 且所述纤芯包括从约5. 5重量百分比的GeA到约32. 5重量百分比的Ge02。
4.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述内包层包括纯硅石玻 璃，并且所述外包层是用硼和氟进行共同掺杂的。
5.如权利要求4所述的双包层光纤，其特征在于，所述外包层包括小于约5.0重量百分 比的氟以及形式为化03的小于约10重量百分比的硼。
6.如权利要求1或2所述的双包层光纤，其特征在于，所述内包层包括掺杂剂，以致内包层相对于外包层的相对折射率百分比(△ % )大于 约3% ；所述纤芯包括掺杂剂，以致纤芯相对于内包层的相对折射率百分比(△ % )大于约 0. 3% ；以及所述外包层包括小于约5. 0重量百分比的氟以及形式为化03的小于约10重量百分比 的硼。
7.如权利要求6所述的双包层光纤，其特征在于，所述内包层包括从约5.5重量百分比 到约27重量百分比的Ge02。
8.如权利要求6所述的双包层光纤，其特征在于，所述内包层包括从约1重量百分比到 约15重量百分比的Al2O3。
9.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述外包层包括孔隙分布， 所述孔隙分布减小相对于内包层折射率n2的外包层折射率n3。
10.如权利要求9所述的双包层光纤，其特征在于，所述孔隙在整个外包层中是非周期 性地分布的。
11.如权利要求9所述的双包层光纤，其特征在于，所述孔隙在整个外包层中是周期性 地分布的。
12.如权利要求9所述的双包层光纤，其特征在于，所述孔隙包括不同的横截面面积。
13.如权利要求9所述的双包层光纤，其特征在于，所述孔隙的直径小于约500纳米，并 且所述外包层的区域孔隙面积百分比是从约10%到约30%。
14.如权利要求13所述的双包层光纤，其特征在于，所述孔隙是闭合的，并且包括氮 气、氪气或它们的组合。
15.如权利要求9所述的双包层光纤，其特征在于，所述孔隙是打开的。
16.如权利要求15所述的双包层光纤，其特征在于，所述孔隙的直径大于约1微米，并 且外包层的区域孔隙面积百分比是从约80%到约95%。
17.如权利要求9所述的双包层光纤，其特征在于，所述内包层包括纯硅石玻璃，并且 所述纤芯包括从约5. 5重量百分比到约27重量百分比的Ge02。
18.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，对于约1550纳米的工作 波长，所述纤芯的色散的绝对值小于约lOps/nm/km。
19.如权利要求1所述的双包层光纤，其特征在于，对于约1310纳米的工作波长，所述 纤芯的色散的绝对值小于约lOps/nm/km。
20.一种包括激光光源、双包层光纤、光束扫描单元、光学检测器以及计算机的光学内 窥镜，其中双包层光纤包括纤芯、内包层和外包层，其中所述纤芯包括小于约5微米的半径、第一折射率Ii1，并且不包含任何活性稀土掺杂剂；所述内包层围绕着纤芯，并且包括至少25微米的径向厚度、至少约0. 25的数值孔径以 及第二折射率n2，以致Ii2Cn1，其中纤芯相对于内包层的相对折射率百分比(Δ%)大于约 0. 1% ；外包层围绕着内包层，并且包括从约10微米到约50微米的径向厚度和第三折射率η3， 以致η3 < η2，其中内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ % )大于约1. 5% ；以及纤芯、内包层和外包层均由硅石基玻璃制成；激光光源的输出在双包层光纤的第一端处光学地耦合到双包层光纤的纤芯，以致把激 光光源的输出引导到双包层光纤的纤芯；把光学检测器耦合到双包层光纤的第一端处的光纤的内包层，并且可操作地使通过内 包层传播的光转换成电信号；使计算机与光学检测器电耦合，并且可操作所述计算机从光学检测器接收到的电信号 形成一图像；以及使光束扫描单元光学地耦合到光纤的第二端，其中可操作所述光束扫描单元以二维方 式在一目标上扫描被引导到双包层光纤的纤芯中的激光光源的输出，并且收集从所述目标 发射到双包层光纤的内包层中的光。
21.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述纤芯具有比所述内包 层更多的GeO2。
22.如权利要求22所述的双包层光纤，其特征在于，所述纤芯具有比所述内包层多至 少5重量百分比的GeO2。
23.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述纤芯的有效面积为 (65. 2平方微米。
24.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述内包层的外半径为 (61. 25 微米。
25.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述纤芯在工作波长处是 单模纤芯。
26.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述光纤具有不大于800 纳米的截止波长。
27.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述光纤在1060到1700 纳米的波长范围处具有小于ldB/km的衰减。
28.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述纤芯包括GeO2并且内 包层不具有GeO2。
29.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述纤芯是没有任何其它 掺杂剂的纯硅石。
30.如上述任一项权利要求所述的双包层光纤，其特征在于，所述内包层不包括Ge。
全文摘要
双包层光纤包括纤芯、内包层和外包层，均由硅石基玻璃制成。纤芯可以具有小于约5微米的半径、第一折射率n1，并且不包含任何活性稀土掺杂剂。内包层可以围绕着纤芯，并且包括至少约25微米的径向厚度、至少约0.25的数值孔径以及第二折射率n2，以致n2＜n1。纤芯相对于内包层的相对折射率百分比(Δ％)可以大于约0.1％。外包层可以围绕着内包层，并且包括从约10微米到约50微米的径向厚度和第三折射率n3，以致n3＜n2。内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ％)可以大于约1.5％。
文档编号G02B6/028GK102132178SQ200980133839
公开日2011年7月20日 申请日期2009年7月16日 优先权日2008年7月24日
发明者M-J·李, X·陈, 高周铉 申请人:康宁股份有限公司