专利名称：生物应用的纳米结构光纤照明系统以及方法
技术领域：
本发明一般涉及纳米结构光纤，尤其涉及将纳米结构光纤用于生物应用的照明系 统和方法。
背景技术：
光纤被用于需要将光从光源传递到远程位置的各种应用中。例如，光学远程通信 系统依赖于光纤网络，比如在所谓的“光纤到X”(即“FTTX”)系统中将光从中心机构发送到 系统终端用户，此处，“X”表示光纤的末端位置(比如“H”表示“家”，“C”表示“路边”等)。远程通信光纤被设计成在SOOnm到1675nm的近红外波长范围中工作，在该范围中 仅存在因吸收和散射而导致的相对较低程度的衰减。这让输入到光纤一端中的大部分的光 从光纤的相反一端出射，同时只有少量的光通过光纤侧面向外出射。最近，越来越需要与常规光纤相比对弯曲不太敏感的光纤。这是因为越来越多的 远程通信系统被部署在要求光纤具有很强的弯曲的配置之中。这种需求导致开发了所谓的 “纳米结构”光纤，这种光纤使用了围绕着纤芯区域的非周期性设置的小孔隙的环。这种空 气线环用于增大对弯曲的不敏感性，即，光纤可以具有更小的弯曲半径，而不会使在其中穿 行的光信号的衰减有很显著的变化。因为光纤通常被设计成将光从其一端通过很长的距离有效地传递到另一端，所以 一般不认为光纤适用于形成一种延长的照明光源，因为很少有光从光纤侧面出射。然而，有 许多生物应用(比如细菌生长以及光生物能量与生物质燃料的产生)需要以有效的方式将 选择的光量提供给远处的生长区域(比如光生物反应器)。特别是，迫切需要开发出能将光 能转换成高价值的基于生物质的燃料的处理工艺，这种燃料是高密度的且能清洁地燃烧， 使得这种燃料可以用在内燃机中。生物燃料的大规模生产将越来越需要更有效的反应器和 光传递方法。这些需求仅当存在有效的光源将光传递到生物材料时才可能得到满足。由此，照明系统和方法若能利用光纤有效地将光传递到远程位置且这种光纤也能 调适而形成延长的光源，则是很有益的。
发明内容
本发明的第一方面是一种用于生物生长系统的照明系统，该生物生长系统具有一 生物腔室，该生物腔室的内部被配置成包含生物材料。该系统包括一光源，该生物材料对该 光源所产生的光的波长很敏感。该系统也包括至少一个纳米结构光纤，这种光纤具有中心 轴、外表面以及光学地耦合到该光源的末端。该光纤被配置成具有形成于其中的多个弯曲， 以便散射受引导的光使其偏离该中心轴并穿透该外表面从而形成具有一段长度的光源光 纤部分，在这段长度上该光源光纤部分发出基本上均勻的辐射。本发明的第二方面是生物生长系统。该系统包括一生物腔室，该生物腔室的内部 被配置成包含生物材料。该系统也包括一光源，该生物材料对该光源所产生的光的波长很 敏感。该系统还包括至少一个纳米结构光纤，这种光纤具有中心轴、外表面以及光学地耦合到该光源的末端。该光纤被配置成具有形成于其中的多个弯曲，以便散射受引导的光使其 偏离该中心轴并穿透该外表面从而形成具有一段长度的光源光纤部分，在这段长度上该光 源光纤部分发出基本上均勻的辐射。本发明的第三方面是一种向生物腔室提供基本上均勻的照明的方法，该生物腔室 的内部被配置成支持生物材料。该方法包括在至少一个纳米结构光纤中形成多个弯曲从 而形成所述至少一个光纤的光源光纤部分，这种光纤具有中心轴以及外表面，所述多个弯 曲被配置成基本上增大所述至少一个光纤中的瑞利散射。该方法也包括将所述光源光纤 部分设置在生物腔室内部，将光输入到所述至少一个光纤中，使一部分光发生瑞利散射从 而偏离中心轴并穿透外表面，由此从所述光源光纤部分中发出基本上均勻的辐射。这种基 本上均勻的辐射包括所述生物材料对其很敏感的波长。本发明的其它特征和优点将在下面的详细描述中得到阐明，并且本领域技术人员 从说明书中将很容易看得出或通过按详细描述、权利要求书和附图所描述的那样来实施本 发明而认识到这些特征和优点。应该理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都呈现出本发明的各种实施方 式，并且旨在对权利要求书所限定的本发明的本质和特征作概要或框架式的理解。所包括 的附图提供了对本发明的进一步理解，并入说明书中且构成其一部分。这些图示出了本发 明的各种实施方式，与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。
图1是以纳米结构光纤为形式的一段弯曲-不敏感光纤的示例性实施方式的示意 性侧视图；图2是沿方向2-2看到的图1的光纤的示意性横截面图；图3A是图2所示的示例性多模纳米结构光纤的相对折射率对光纤半径的图，这种 光纤包括在纤芯与纳米结构区域之间的内部环形包层区域；图:3B是与图3A相似的图，但对应的是纳米结构区域直接围绕着纤芯的示例性多 模纳米结构光纤；图4是一种生物生长系统的示例性实施方式的示意图，该生物生长系统包括与生 物腔室相结合的照明系统；图5是图4的照明系统中所使用的多模纳米结构光纤的近视图，其中，输入光纤部 分(12A)被耦合到另一段纳米结构光纤光学耦合器件；图6是与图5相似的近视图，示出了一个示例性实施方式，其中，输入光纤部分是 由不同类型的光纤形成的(比如非纳米结构光纤)并且光学地耦合到多模纳米结构光纤， 从而构成上述光源光纤部分；图7是典型的远程通信光纤的损耗(dB/km)对波长(nm)的图，示出了与SOOnm和 以上的近红外波长相比在可见光波长范围中损耗非常大；图8是多模纳米结构光纤中的弯曲的近视图，正如光纤的光源光纤部分中所形成 的那样，示出了弯曲半径&以及由该弯曲所导致的辐射的光；图9是强度I (归一化的单位)与沿着长度L的光纤12的距离D (米)的函数关 系图，示出了辐射的光的量(强度)是如何随沿着光纤的距离而减小的以及反向缠绕该光纤是如何在距离L上产生基本上均勻的辐射的光的；图10是光纤照明系统的光源光纤部分的示例性实施方式的相对强度对距离 D (米)的图，该光纤照明系统包括多模纳米结构光纤的四个反向缠绕的层以产生基本上均 勻的辐射的光；图IlA是图4的照明系统的一部分的近视图，示出了包括两个反向缠绕光纤的光 纤的光源光纤部分的示例性实施方式；图IlB与图IlA相似，示出了相同的光纤被反向缠绕的光纤的光源光纤部分的示 例性实施方式；图IlC与图IlB相似，示出了具有多次反向缠绕的光纤的光源光纤部分的示例性 实施方式，这些缠绕是相对紧密的且在相反方向上成一定的角度；图IlD与图IlC相似，并且示出了具有更多反向缠绕的光纤的光源光纤部分的示 例性实施方式；图12示出了图4的照明系统的一部分的示例性实施方式，其中多个光纤排列成一 系列环形段以形成延长的光源；图13示出了照明系统的前部的示例性实施方式，其中，光源和光学耦合系统被配 置成将光耦合到多个光纤的各个输入末端中；图14示出了与以烧瓶为形式的生物腔室相结合而使用的照明系统的示例性实施 方式；图15示出了一个示例性实施方式(从上向下观看)，其中，照明系统的光源光纤部 分被配置成用在矩形横截面生物腔室中；图16示出了一个示例性实施方式(从上向下观看)，其中，照明系统的光源光纤部 分被配置成用在矩形横截面生物腔室中；图17A是生物质(表示为细胞密度)对蓝细菌的接种生长天数的图，所述蓝细菌 包括用图4和14的本发明的照明系统照射的测试组以及用相等的光合光子通量(PPF)的 荧光灯照射的对照组；图17B是生物质(表示为细胞密度)对蓝细菌的接种生长天数的图，所述蓝细菌 包括用图4和14的本发明的照明系统照射的测试组以及通过具有相同光功率的光纤的尖 端照射的对照组；图18是对于示例性的光纤直径而言的光纤损耗对弯曲直径的图。本发明的其它特征和优点将在下面的详细描述中得到阐明，并且本领域技术人员 从说明书中将很容易看得出或通过按详细描述、权利要求书和附图所描述的那样来实施本 发明而认识到这些特征和优点。
具体实施例方式现在，详细参照本发明的较佳实施方式，其示例在附图中被示出。在可能的情况 下，附图中所使用的相同或相似的标号指代相同或相似的部分。应该理解，本文所揭示的实 施方式仅仅是示例，每个示例包括本发明的某些优点。在本发明的范围中可以对下列示例做出各种修改和变化，不同示例的多个方面可 以按不同的方式进行混合，以实现其它示例。相应地，本发明的真实范围应该是基于本申请的整体来理解的，考虑但不限于本文所揭示的诸多实施方式。定义术语“水平”、“垂直”、“前”、“后”等以及笛卡尔坐标的使用都是为了参考附图且更 容易进行描述，并不旨在在说明书或权利要求书中严格地限定成绝对的取向和/或方向。在下文中，使用了与纳米结构光纤有关的如下术语和短语。“折射率分布”是折射率或相对折射率与波导(光纤)半径之间的关系。“相对折射率”被定义成Δ (r) % = IOOx [η (r) 2-nREF2) ] /2n (r)2,其中，n(r)是半径r处的折射率，除非另外指明。相对折射率百分比是在850nm处 测量的，除非另外指明。在一个方面中，参考折射率nKEF是纤芯/包层界面处的折射率。在另一个方面中， nEEF是包层的外部环形部分的平均折射率，这是可以计算的，例如，可以在包层的外部环形 部分中进行“N”次折射率测量(ηα，η。2，···!％)，并通过下式来计算平均折射率
权利要求
1.一种用于生物生长系统的照明系统，所述生物生长系统具有生物腔室，所述生物腔 室的内部被配置成包含生物材料，所述照明系统包括光源，所述生物材料对所述光源所产生的光的波长很敏感；以及 至少一个纳米结构光纤，所述光纤具有中心轴、外表面以及光学地耦合到所述光源的 末端，所述光纤被配置成具有形成于其中的多个弯曲，以便散射受引导的光使其偏离所述 中心轴并穿透所述外表面，从而形成具有一段长度的光源光纤部分，在这段长度上所述光 源光纤部分发出基本上均勻的辐射。
2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述至少一个纳米结构光纤被包在聚合物、金属、或玻璃覆盖层之内，其中 所述覆盖层具有大于250微米的最小外部尺寸(比如直径)。
3.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述至少一个纳米结构光纤是围着一支持结构反向缠绕的。
4.如权利要求3所述的照明系统，其特征在于， 单个纳米结构光纤围着所述支持结构反向缠绕。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，多个纳米结构光纤围着一支持结构缠绕，并且，每个光纤被光学地耦合到所述光源或 一个或多个光源。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，(i)多个纳米结构光纤围着一支持结构进行缠绕， ( )每个光纤被光学地耦合到所述光源或多个光源，(iii)多个纳米结构光纤被束到一起且被置于下列中的至少一个之中光纤带，光纤 带堆叠物，或圆形束。
7.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于， 所述多个弯曲引起瑞利散射。
8.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，在所述光源光纤部分上，基本上均勻的辐射改变不超过+/_10%。
9.如权利要求1所述的照明系统，还包括至少一个光纤部分，所述至少一个光纤部分在第一端处光学地耦合到所述至少一个纳 米结构光纤且在第二端处光学地耦合到所述光源。
10.如权利要求1所述的照明系统，还包括 亲水性涂层，被设置在光纤外表面上。
11.如权利要求3所述的照明系统，还包括 亲水性涂层，被设置在光纤带的外表面上。
12.如权利要求1所述的照明系统，还包括 荧光物质，被设置在光纤涂层中。
13.一种生物生长系统，包括生物腔室，所述生物腔室的内部被配置成包含生物材料； 光源，所述生物材料对所述光源所产生的光的波长很敏感；以及 至少一个纳米结构光纤，所述光纤具有中心轴、外表面以及光学地耦合到所述光源的末端，所述光纤被配置成具有形成于其中的多个弯曲，以便散射受引导的光使其偏离所述 中心轴并穿透所述外表面，从而形成具有一段长度的光源光纤部分，在这段长度上所述光 源光纤部分发出基本上均勻的辐射。
14.如权利要求13所述的生物生长系统，其特征在于，所述至少一个纳米结构光纤被一支持结构支持着。
15.如权利要求13所述的生物生长系统，其特征在于，所述至少一个纳米结构光纤围着所述支持结构反向缠绕一次或多次，使得在所述光源 光纤部分上，基本上均勻的辐射在均勻性方面改变不超过+/_10%。
16.如权利要求13所述的生物生长系统，其特征在于，多个纳米结构光纤沿着一支持结构按顺序地围着该支持结构缠绕，每个光纤被光学地 耦合到所述光源或一个或多个光源。
17.一种将基本上均勻的照明提供给生物腔室的方法，所述生物腔室的内部被配置成 支持生物材料，所述方法包括在具有中心轴和外表面的至少一个纳米结构光纤中，形成多个弯曲，这些弯曲被配置 成使至少一个光纤中的瑞利散射增大，所述多个弯曲形成至少一个光纤的光源光纤部分；将所述光源光纤部分置于生物腔室内部；以及将光输入到至少一个光纤中，使所述光的一部分发生瑞利散射从而偏离所述中心轴并 穿过所述外表面，由此，从所述光源光纤部分中发出基本上均勻的辐射，其中，所述基本上 均勻的辐射包括所述生物材料对其很敏感的波长。
18.如权利要求17所述的方法，还包括反向缠绕至少一个光纤一次或多次，使得在所述光源光纤部分上，基本上均勻的辐射 在均勻性方面改变不超过+/-10%。
19.如权利要求18所述的方法，还包括使至少一个光纤围着至少一个支持结构反向缠绕。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，生物腔室内部具有一几何结构，并且形成所述光源光纤部分以对应于所述几何结构。
21.如权利要求17所述的方法，还包括在光纤外表面上提供一个层，所述层被配置成修改福射的光。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述层包括荧光物质。
全文摘要
一种用于生物应用的照明系统，其中，该系统使用至少一个纳米结构光纤。较佳地，这种光纤围着一支持结构进行缠绕，以形成一光源光纤部分，其中，受引导的光是从光纤外表面被散射的，以形成一种延伸的光源，该光源发出基本上均匀的辐射。光源光纤部分中形成了弯曲，以增强纳米结构光纤中散射的量。通过抵消沿光源光纤部分的长度方向减少发出的辐射的影响，反向缠绕至少一个光纤可用于增大辐射的均匀性。多个光纤按顺序围着一支持结构进行缠绕，每个光纤耦合到该光源，这些光纤可以被用于形成很长的延伸的光源。该光源光纤部分可以被配置成适合各种生物腔室几何结构。
文档编号G01N33/50GK102150044SQ200980135966
公开日2011年8月10日 申请日期2009年7月22日 优先权日2008年7月25日
发明者E·J·富克斯, L·董, M·J·温宁汉姆, S·L·洛古诺夫, S·R·别克汉姆 申请人:康宁股份有限公司