[发明专利]用于将高强光耦合至低温光纤的设备和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是1996年8月19日申请的序列号为No．699，230的未决申请(现为美国专利No．)的部分连续申请。

发明背景

发明领域

本发明一般涉及高光强照明系统，并且特别涉及采用纤维光导从高强高温光源输送光的光传输系统。更具体地说，本发明涉及用于将来自高强光源的光束耦合至低温光纤的设备和方法。

相关技术说明

在纤维光学传输系统的领域中，公知采用高光强、高热输出光源，例如水银弧光灯、金属卤化物弧光灯，或氙弧光灯，其典型工作功率在35至1000瓦的范围内。参见1988年7月12日公布的转让给本申请相同受让人的美国专利No．4，757，431。这些光源与纤维光导一起使用，其中纤维光导可以含有一根光纤或者一束许多根小光纤。标准光纤束一般包括与熔点约1000℃的熔融二氧化硅或石英相比具有较低熔点的玻璃。这些系统在医学和工业应用场合具有专门的用途，并且与例如内窥镜、管道镜等仪器结合使用。

将来自高光强光源的光束耦合至光导需要光束的会聚和聚焦，并且其聚集在焦点处产生高功率密度。焦点处温度的升高取决于光被吸收的程度。较大的光斑尺寸导致较低的温升；小幅度的吸收会导致温度大幅度地升高。为了降低温升，必须降低与较大光斑尺寸关联的功率密度。为了防止光纤束熔化，一般在光源与光纤束之间设置IR滤波器。随着焦点尺寸的减小，必须采用较高熔点的材料例如石英。如美国专利No．4，757，431所述，存在有效的方法将光束聚焦至直径1mm以下，其在光纤对象处产生比通过光纤束传输光束的照明系统中所发现的高得多的功率密度。这种高功率密度需要由较高熔点材料制成的光导，以防止在光束至光纤耦合点处的光纤熔化。这既适用于单纤维光导，也适用于小直径(2mm以下)光纤束。

石英制成的光纤价格昂贵，因而这种光纤必须使用足够长的时间以使成本合理。在外科领域中，这意味着该光纤在每次使用后需要消毒。由于消毒技术一般包括采用高温高压灭菌器或化学消毒剂，所以光纤光导必须制成能够经受热损伤以及采用这种化学制剂造成的损害。另外，石英光纤相当脆，难以不破裂地弯曲，因而在处理时需要高度小心。

尽管标准玻璃(例如硼硅酸盐)光纤束由较廉价的材料制成，但是其在长光纤长度的传输性能受到材料透射率以及封装损耗的限制。而且，玻璃的低熔点也限制了可用于耦合至高光强光源的光纤束的最小尺寸。

将纤维光学装置例如照明孔径2mm以下的微内窥镜耦合至直径3至5mm的典型光传输光纤束是效率低的，会导致向光学装置的较差光传输。这种低效率源自面积的不匹配。降低光纤束尺寸以使其与装置的尺寸相匹配会产生来自光源的实质耦合损耗，而将焦点压窄至小直径光纤束会使光纤束熔化。

一般的说，耦合至纤维光学装置的光导尺寸应当与该装置的直径相配。因而对于小直径纤维光学装置(例如小于2mm)必须采用单根高温光纤或高温光纤束。耦合至光源的直径1mm以下的单根纤维光导比类似尺寸的光纤束更加有效，因为光纤束具有固有封装损耗。由于直径1mm以上的单根石英或玻璃光纤在实际应用中一般太坚硬，所以对于需要大于1mm直径的应用场合一般采用光纤束。

尽管单根石英光纤和玻璃光纤束在传输光方面是有用和有效的，但是它们并非传输光的最廉价方式。塑料光纤既便宜而且具有高弹性，即使是大于1mm的直径。因此，最好采用这种低成本塑料光纤与高光强光源结合。然而与玻璃光纤束一样，塑料具有比石英低得多的熔点。因此，采用单根塑料光纤传送充分照明需要在塑料光纤与光源之间的中间光传输系统。

其中低成本塑料光纤或小直径低成本玻璃光纤束适用的一个应用场合例子是医学领域。采用低成本光纤可以使医用照明仪器的光导以一次性使用的无菌产品出售，从而无须在每次使用后消毒。采用耦合至单根高光强石英光纤的小光纤束使得可以制造较小的装置。然而，塑料光纤和小直径玻璃光纤束都不能经受光源在焦点处产生的高温，其中光源被会聚和聚焦成尺寸与该光导直径相当的小光斑。

1991年1月22日公布的美国专利No．4，986，622公开了一种现有技术，意在解决避免对低温塑料光纤热损伤的问题。该’622专利公开了一种光传输设备，用于在高强光源的输出端耦合耐热玻璃光纤束。接着在一个标准连接器中将该玻璃光纤束机械式地与塑料光纤束紧密耦合。该’622专利需要玻璃光纤束与塑料光纤束的机械匹配，以避免在耦合点产生相当的热量，这会损伤塑料光纤束。