专利名称：在光纤束末端制造微透镜网络的方法，相关光纤及用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学领域，且更具体地涉及应用于传输信息的光纤的光学。本发明因此考虑关于微光学器件的开发。更特别的情形是光纤一末端是处理并改性的；所考虑的光纤特别是所谓的多芯光纤，也就是说，由单元光纤的集合或网络组成的光纤，其中每个末端部都最终提供有与在邻近光纤末端部是形成的微透镜不同的透镜。该结构使得能够在多芯光纤或单元光纤束的一末端建立微透镜网络，该微透镜网络用于断面X射线照相术或同时光谱术中同时和/或复用成像。该情形是聚焦由非常大量(数千)光纤组成的光束末端光，以便通过相同数目的微点照亮给定表面。
背景技术：
带透镜单光纤及其制造方法是已知的。例如，以本申请人名义申请的文献FR2798740考虑单模或弱多模光纤，其在至少一个末端具有数值孔径。这些光纤的末端提供在具有通过光聚合获得的透明聚合物尖峰(peak)的末端。然而，该文献中所述方法仅考虑单纤维且不能用于多芯纤维。已经测试的多芯纤维换位(transposition)总是引起芯(单元纤维末端)之间的聚合，如果希望实现该应用，如同时成像复用，则这构成要解决的实际问题。已知的文献FR 2827968考虑与透明聚合物末端尖峰关联的单模或多模光纤。对于尖峰交叠的多模纤维中高模，该技术应用于单模的四个尖峰。该文献不考虑根据本发明的多芯纤维和相关问题。而且，该文献探索改变尖峰的化学成分，特别是通过其成分粘度。而且，微光学有几种开发路线用于处理和/或改性光纤末端，以便获得微透镜的网络。如已知那样，光在与光束经其注入的一末端相对的光纤末端分叉(diverge)。因此，必须在纤维出口聚焦光，特别通过在这些末端提供透镜。问题在纤维的尺寸和/或密度增加时产生。根据第一种开发方案，为了在纤维束末端制造微透镜网络，执行化学刻蚀以便在每个芯的末端制造玻璃点。该精细加工过程然后由绕要处理的单元纤维末端实现受控沉积，然后沉积树脂，且然后化学刻蚀以便使隔开的纤维尖端透明组成。另一种开发路线基于化学刻蚀以六角形网络设置的光纤集合(50000到60000之间)末端。基本圆柱形孔的网络首先获得，其底部相应于单元纤维的末端；然后，这些孔填充用作微透镜的介电微球。这些已知的技术实施复杂，并要求无数方法步骤且有时被证明难于控制，这产生成本和可靠性问题。玻璃尖峰也具有普通光学质量。
发明内容
本发明旨在补救现有技术的缺点，且特别提出在单元光纤末端制造微透镜的方法，单元光纤形成纤维网络或多芯纤维的一部分，具体包括在纤维束或所述多芯纤维的第一末端上沉积光可聚合溶液液滴(或毛细管弯液面(capillarity meniscus)。
根据本发明第一方面，该方法也由下列操作组成-改变所述液滴尺寸，-在所述多芯纤维或纤维束第二末端注入集中在给定波长的光，以便选择性聚合所述液滴，-利用溶剂如甲醇或乙醇的溶液冲洗所述第一末端，以便获得单元光纤的网络，每个单元光纤都在多芯纤维或纤维束的第一末端配备有微透镜，所述微透镜彼此物理分开。 特别地，该方法由下列操作组成，根据液滴的成分改变液滴的高度，以便所述高度小于基本沿多芯纤维纵轴测量并在所述第一末端和邻面(proximal surface)之间的距离，该邻面含从每个单元光纤发出的光束的交点。根据本发明的实施例，所述液滴尺寸的减小由减小其厚度至约几个微米构成。根据本方面另一个实施例，液滴尺寸的减小由多芯纤维的端面和在周边与液滴相切的平面之间的角度A减小到小于10°值构成。“在周边与液滴相切的平面”意味着在其周边与纤维或纤维束的端面接触的液滴的外表面。 根据本发明的一个特例，所述光可聚合溶液包括PETIA型光可聚合单体，其中加入混合物，混合物包括约4%重量的甲基二乙醇胺型试剂和约O. 5%重量的伊红型试剂。有利地，使用对抑制剂，如氧和/或4-甲氧基苯酚敏感的自由基光可聚合溶液，其具有给定的光聚合阈值并由所述抑制剂，如氧和/或4-甲氧基苯酚诱导。此外，使用波长约为O. 532微米的光源，以便照亮多芯纤维或纤维束的第二末端。优选，所述末端被照亮约一秒钟。通过照亮，液滴尺寸的改变由下列操作组成使纤维型外部元件的平坦端与粘附到多芯纤维第一末端的液滴的远弯曲端接触，该纤维型外部元件与液滴具有基本相同的外径；一旦平坦末端加载有一定量的光可聚合溶液，移动所述末端远离；测量多芯纤维第一末端上液滴的厚度和/或角度A ;然后根据测量的结果，在从外部元件的平坦末端除去溶液的任何痕迹后，再次使两个末端聚集到更接近。重复使其聚集到一起的操作，直到达到预定厚度值或角度A。本发明也涉及单元光纤束，据此，所有或部分所述纤维在其末端之一具有通过上述方法获得的微透镜。在医学或复用成像中，在光纤耦合中使用根据上述方法获得的光纤束构成本发明的一部分。
本发明的其他特征、细节和优点可通过参考附图，阅读下面的描述看出，其中图I示出根据本发明方法的主要步骤的几个示图；图IA是提供有大体积液滴的纤维束的第一末端的简化截面；图IB是提供有小体积液滴的纤维束的第一末端的简化截面；图2是用于减小光可聚合液滴尺寸的设备的轮廓图；以及图3示出自由基聚合阈值图。为了简洁起见，所有图中相同或相似的元件以相同标识号表示。
具体实施方式
图I示出根据本发明制造方法的不同主要步骤。首先，例如使用移液管或外部纤维3，光可聚合溶液的液滴2沉积在纤维束或所谓的多芯纤维I的第一末端10上。多芯纤维I由一束外部带护套的光纤100组成，沉积的溶液优选是基于单体的溶液，如PETIA，其中包括至少一种光引发剂，如伊红，以及甲基二乙醇胺(MDEA)。对于本发明优选的应用，选择4wt% (重量百分比)的MDEA和O. 5wt%的伊红混合物。不偏离本发明的保护范围，可修改光引发剂以便适应特定波长。这里波长约为O. 532微米。一旦液滴(或毛细管弯液面) 2沉积在纤维或纤维束I第一末端10上，该液滴2的尺寸改变。该改变通常由厚度减小和/或纤维束端平面和与液滴在周边相切的平面之间角度A减小组成。图IA和IB示出如何确定角度A :根据方法的第一步，图IA相应于液滴2，其中角度A约为23° ;图IB基本相应于根据图I (iv)的液滴，其尺寸已经减小，如下面的解释。因此，最终角度A约为8°。根据已经测试的本发明实施例，其寻求减小方法中角度A。技术上减小厚度和/或角度是通过下面的操作实现的使与液滴2的外径基本相同的纤维型外部元件3的末端与液滴2的远弯曲端接触。使末端聚集到一起的过程在图I(i)中示意示出，且接触在图I (ii)中的示出。然后末端轴向分开，以便初始无任何溶液的外部元件3的末端加载有溶液，这可从图I (iii)中看出；液滴2的体积因此减少。图2示出用于实现受控修改液滴2尺寸(或体积)的设备的例子。因此，提供有液滴2的纤维I或纤维束的第一末端10置于白光光源5处；与光源5相对，设置观察系统6，其包括例如用于精细观察液滴2的透镜和照相机。在要处理的纤维I的纵轴上，设置外部纤维3，其被支撑并可利用由例如板形件和测微螺杆组成的系统7轴向移动。该结构使得能够移动纤维I和3，或更精确地，其中的各端，轴向更靠近或远离。图2中箭头F示出该运动，其使得能够修改光可聚合溶液的液滴2的尺寸，并控制该修改。任何其他本质上已知的能够实现与这类过程控制方式关联的改变的装置都可使用，而不偏离本发明的保护范围。实际情形是尽可能精确地实现一定厚度值和/或角度A。这是因为本发明的原理基于形成液滴2的溶液的自由基可聚合阈值，所述阈值由聚合抑制剂引起，如氧或4-甲氧基苯酚或任何其他等效抑制剂。抑制剂消除溶液中的自由基、聚合矢量，因此防止其发生。为了超过该阈值，需要增加光子能量(功率或曝光时间)，这使得能够消耗抑制剂分子，从而实现聚合。通过改变，且特别地减小溶液层或者更具体的液滴2的厚度，液滴外部出现的氧更快扩散直到辐照区，并以该方式限制聚合。因此，较低强度的区域，也就是芯，或单元纤维末端之间的区域不会诱导聚合，且位于单元纤维100末端的区域能够聚合，同时彼此物理分开。图3示出上面指出的原理，从中可明确看出(a)如果有大尺寸，且因此高厚度的液滴2，对于给定阈值Es和少量氧，纤维束的整个末端10聚合超过一定厚度。则不同方式
(b)中，如果液滴的厚度较小(这里约几微米)且聚合阈值Es增加，则一定量的抑制剂使得能够选择性聚合纤维的末端，而非纤维之间的区域(也称为芯间区域)。如上所述，因此实际情形是相对沉积的溶液的自由基聚合阈值，精确控制液滴2的厚度。液滴2的尺寸，更具体地高度是沿纤维纵轴测量的，其必须保持小于沿同一纵轴测量的多芯纤维的第一末端10和含从每个单元纤维100发出的光束交点的近端表面之间的距离。每个光束都基本为圆锥形，其最小截面是由每个单元纤维100的实际末端形成的。单元纤维100基本彼此平行设置，光束的相交面积超出离纤维100末端的一定距离。如上所述，根据交叠面积改变液滴20的高度(或厚度)。此外,液滴的高度将依赖于光可聚合溶液的成分,且具体地,抑制剂的浓度,如氧或4-甲氧基苯酚。比较测试揭示出八个微透镜101直接与沉积在纤维束或纤维I的末端10的溶液的厚度关联。一旦获得液滴2的尺寸，该方法接着利用光源4照射多芯纤维I的第二末端20，参考图I (iv)。这会引起在纤维I的第一末端10看到的选择性聚合。·最后，根据图I中步骤(V)，实际情形是冲洗纤维I的第一末端，以便消除纤维100末端形成的聚合之外的任何聚合痕迹，并形成微透镜101。通过图示，在一(I)米长多芯光纤I第一末端10提供有液滴2，其厚度为10微米，从第二末端20以波长为532纳米，功率为7微瓦的光源照射2秒钟。因此在多芯光纤I的末端获得彼此物理分开的微透镜101。因此上述方法实施简单，使得其能够在纤维束或多芯纤维I的一末端10产生微透镜101的网络。这些原创性和发明性结构形成本发明的保护范围。更一般地，本发明使得能够获得微纤维束，其中至少一末端10提供有微透镜101，其将从纤维其他末端20发出的光聚焦，其中微透镜之间为零光强度。高度有意义的是，该特殊束可有利地用作微透镜网络，用于同时成像应用，如内窥镜，或同时光谱术，以便利用多次聚焦光在数百，或甚至数千彼此非常接近的点而照射生物组织。
权利要求
1.一种在形成纤维网络或多芯纤维(I)的一部分的单元光纤(100)末端制造微透镜(101)的方法，其具体包括在所述纤维束或所述多芯纤维(I)的第一末端(10)上沉积光可聚合溶液液滴(2)，其特征在于所述方法也包括改变所述液滴(2)的尺寸；在所述纤维束或所述多芯纤维(10的第二末端(20)注入集中在给定波长的光(4)，以选择性地聚合所述液滴(2);利用如甲醇或乙醇溶剂的溶液冲洗所述第一末端(10)，以获得单元光纤(100)的网络，每个单元光纤都在所述多芯纤维或纤维束(I)的第一末端配备有微透镜(101 )，所述微透镜(101)彼此物理分开。
2.根据权利要求I的方法，其特征在于包括根据液滴(2)的成分改变所述液滴(2)的高度，因此所述高度小于基本沿所述多芯纤维的纵轴测量的所述第一末端(10)和含从每个单元光纤发出的光束交点的近端表面之间的距离。
3.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于改变所述液滴(2)的尺寸包括减小其厚度到约几微米。
4.根据权利要求I到3中任一项所述的方法，其特征在于改变所述液滴(2)的尺寸包括减小所述多芯纤维或纤维束的末端平面和在周边与所述液滴相切的平面之间的角度到小于10。。
5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述光可聚合溶液包括PETIA型光可聚合单体，其中加入了混合物，该混合物包括约4重量百分比的甲基二乙醇胺型试剂和约O. 5重量百分比的伊红型试剂。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于使用对如氧和/或4-甲氧基苯酚的抑制剂敏感的自由基光可聚合溶液，其具有给定的光聚合阈值，并由如氧和/或4-甲氧基苯酚的所述抑制剂诱导。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于使用的光源的波长约为O.532微米，以照射所述多芯纤维或纤维(I)束的第二末端(20)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第二末端(20)被照射约一秒钟的一段时间。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于改变所述液滴的尺寸包括使与所述液滴(2 )的外径基本相同的纤维型外部元件(3)的平坦端(30)与粘附到所述多芯纤维或纤维束(I)的第一末端(10)的液滴的远端弯曲端接触，一旦所述平坦端(30)加载有一定量光可聚合溶液，移开所述末端(10、30)，测量所述多芯纤维或纤维束第一末端(10)上液滴(2)的厚度和/或角度A，然后根据测量结果，在从所述外部元件(3)的平坦端(30)除去任何溶液痕迹后，再次使两个末端(10、30)彼此更接近。
10.一种单兀光纤(100)束，其特征在于所有或部分所述纤维在其一个末端具有根据前面任一项权利要求所述的方法获得的微透镜(101 )。
11.一种根据前面任一项权利要求所述的光纤(100)束在医学或复用成像和/或光纤耦合中的用途。
全文摘要
本发明涉及一种制造单独光纤(100)的末端微透镜(101)的方法，该单独光纤为纤维束或多芯纤维的一部分。该方法具体包括在纤维束或多芯纤维的第一末端(10)上沉积光可聚合溶液液滴(2)。根据本发明，该方法也包括改变液滴(2)的尺寸；在纤维束或多芯纤维的第二末端(20)施加集中在预定波长的光，以选择性地聚合液滴(2)；利用甲醇溶液冲洗第一末端(10)，以获得单独光纤(100)的网络，每个单独光纤都在多芯纤维或纤维束(1)的第一末端配备有微透镜(101)，所述微透镜(101)彼此物理分开。本发明还涉及通过该方法制造的微透镜纤维束，以及在例如医疗成像或复用成像和/或光纤耦合中使用该纤维束的方法。
文档编号G02B6/26GK102918439SQ201180027154
公开日2013年2月6日 申请日期2011年3月22日 优先权日2010年3月31日
发明者J·普雷恩, R·巴舍洛, P·罗耶, 曾新华, S·杰拉蒂 申请人:特鲁瓦技术大学