[发明专利]具有散射中心的包层的光漫射光学元件

说明书

本申请根据35U.S.C.§119，要求2015年02月06日提交的美国临时申请系列第62/112,852号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及用于漫射光以提供宽区域照明的光学元件。更具体地，本公开涉及具有高散射效率以实现高效光漫射的光学元件。光学元件也可以具有大数值孔径以实现与LED和激光二极管照明源的高效耦合。

背景技术

许多光学系统使用光纤从远处光源向目标终点传送光。在典型系统中，光源被耦合至光纤从而光源所提供的光被光纤引导至目标终点。光纤已被广泛地用于通信中来传递以光信号的形式编码的信息。通信链路包括将电信号转换为光信号的发射机。光信号被发射到光纤中且被传送到接收机，该接收机将光信号重新转换成电信号，以便在链路的终端进一步处理。光纤也已经被用作为点照明源。在这些应用中，来自源的光被耦合到光纤的接收端，并作为照明光束从光纤的终端出现。

最近已经有兴趣将光纤的使用扩展到宽区域照明的应用。在这些系统中，目的是实现沿至少部分的光纤长度的光的受控发射。作为使用光纤来限制光且以最小量损耗传送来自光源的光从而向位于光纤轴方向的目标提供光信号或点照明的替代，目的是将光纤的横向表面用作在光纤的径向上工作的宽区域照明源。

光漫射光纤是一类能被用作宽区域照明源的光纤。光漫射光纤被设计成将沿光纤轴方向传播的光以径向方向散射出光纤。径向散射通常通过将纳米结构空穴结合到光纤的芯区域中实现的。空穴是通常填充有气体的低折射率区域，且具有通过光纤传播的光的波长级的尺寸。空穴和周围致密玻璃基质之间的折射率对比影响光的散射。可以通过控制空穴的尺寸、空间排列和数量密度来控制散射效率，从而控制散射光的强度。除了宽区域照明，还可在显示器中采用光漫射光纤以及采用光漫射光纤作为光化学应用中的光源。有关光漫射光纤和代表性应用的其他信息可以在美国专利第7,450,806号和第8,591,087号中找到，其公开内容通过引用并入本文。

随着远离传统的白炽光源的增长趋势，LED和激光二极管成为光纤越来越重要的光源。由于横截面积和数值孔径(NA)的不匹配，LED和激光二极管对光纤的有效耦合面临挑战。LED和激光二极管的横截面积和数值孔径远大于典型光纤的横截面积和数值孔径。

改善耦合效率的一种策略是增加光纤的直径。然而，该方法的缺点在于为了保持光纤的柔韧性，希望将玻璃部分(芯+包层)的直径保持等于或小于约125μm。由于需要大得多的直径以有效地耦合到LED和激光二极管，该方法在需要光纤柔韧性的应用中具有有限的效果。

改善耦合效率的第二种策略是增加光纤的数值孔径。然而，这种策略对于常规光漫射光纤而言难以实现，因为在芯区域中使用的以提供光漫射光纤所需的散射效率的空穴是低折射率区域并且导致芯的平均折射率的降低。由于增加芯的折射率有利于高数值孔径，所以通过在芯区域中包含低折射率空穴来增加在光漫射光纤中的散射效率的需要与增加光漫射光纤的数值孔径的目的相冲突，并且这使得实现LED和激光二极管与光漫射光纤之间的有效耦合更加困难。

存在对于如下光漫射光学元件的需求，其有效地耦合到LED和激光二极管，同时保持在不可能部署常规光源的狭窄空间、弯曲配置和区域部署维持所需的柔韧性。

发明内容

本公开提供了用于宽区域照明的光漫射元件，其有效地耦合到LED和激光二极管光源。光漫射元件包括芯和包层。芯由玻璃构造。包层由玻璃或聚合物构造。包层包括散射中心。芯也可包括散射中心。散射中心包括掺杂剂、纳米颗粒和内部空穴。从光源提供的光进入芯并被引导穿过光漫射元件。

散射中心可以是纳米结构区域或微结构区域，其用于在径向、横向或离轴方向上重新定向沿元件的中心轴线的方向传播的光。散射光可以离开元件的横向表面以提供宽区域照明。从芯进入包层的渐逝光通过包层中的散射中心被散射从而提供照明效果。

散射中心可以分布在元件的整个横截面方向上或者局部位于元件的特定区域。散射中心可以分布在芯的整个横截面区域上或者局部位于芯的特定区域。散射中心可以分布在包层的整个横截面上或者局部位于包层的特定区域。散射中心可以在芯中、在包层中、或在芯和包层两者中。

散射中心可以被配置为在25nm至20μm的范围内散射一个或多个波长的光。

光漫射元件可以直接耦合到光源或通过中间元件耦合到光源。光源可以是灯、激光器、激光二极管或者LED。中间元件可以是光学元件、透明玻璃棒或者透光聚合物。

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