发明领域

本发明涉及光传输纤维，例如由聚合物纤维(比如，聚甲基丙 烯酸甲酯，PMMA等)制造的低熔化温度纤维，这些纤维已经广泛 应用在工业和医疗领域的光传输和照明中。更具体地说，本发明涉 及这种光传输纤维的功率传送能力(power handling capabilities)。

背景技术的描述

下面描述的背景技术为发明人的知识，并不一定是本领域人员 必需的知识。

由聚合物制造的低熔化温度纤维具有高数值孔径，高机械挠性 和低成本的优点。来自一个聚焦光源，或另一纤维或纤维束的光通 常通过邻接耦合(“对接耦合”)直接地耦合到这些纤维中。

由于这些聚合物的熔化温度低和它们的光吸收特性，聚合物纤 维的功率传送能力是相当低的。限制可传输光的总量的关键参数是 在纤维内吸收引起的温度的增加，尽管是小得可以忽略，但它会引 起“热逸散”和聚合物纤维的熔化。纤维端面逐渐熔化的原因不仅 包括光的吸收，而且也包括非传输光转换成热，后者是由于在光源 和聚合物纤维之间的参数和数值孔径的不匹配引起的。

光的吸收取决于局部的功率强度。结果是，通常为高斯分布的 强度分布形状是使聚合物纤维熔化时的输入功率的主要确定因素。 此外，假如没有采用适当的光过滤，以去除UV和IR光，则这些纤 维将变色，并降低它们的传输能力。后者由于光强度高和非传输光 产生的热而加速变坏。

在光源和聚合物纤维之间添加一个空间滤波器可以得到改善。 该空间滤波器可以由位于聚合物纤维和光源的输入接口的一个散热 器和一个小孔，或者一短片玻璃或石英纤维组成，其数值孔径等于 或小于聚合物纤维的孔径，其长度足以去除未制导的光模。后者可 改善聚合物纤维的功率传输性能，比如，对于1毫米直径的PMMA 纤维，从100mW范围到300-400mW的范围。不过，这些聚合物纤 维的低熔化温度严重地限制了能耦合到单根聚合物纤维或纤维束的 最大功率——这是与类似的玻璃或石英芯纤维相比的。对于较大直 径的单根纤维通常是3毫米或更大，在光源和聚合物纤维之间放入 一玻璃纤维束是本领域熟知的。美国专利4,986,622(Martinez) 讲述了采用一玻璃纤维束，以传输来自一个光源的光到一束塑料聚 合物纤维。尽管已知这类空间滤波器增加了能通过塑料纤维传输而 无损害的光，但是，空间滤波的程度被限制到消除未制导的光模， 而不改善高斯分布的形状。

尽管空间滤波消除了未制导的光模，但是，输入光具有一个类 似高斯分布的强度分布，对于这种分布，峰值功率在中心最高，在 光束的边缘最低。结果是，在聚合物纤维的端面中心的强度变成制 约纤维功率传送能力的因素，因为高于吸收阈值的峰值功率将引起 纤维的损坏。

                   发明的概述

本发明通过扩宽或改变高斯强度分布来增加聚合物纤维的功率 传送能力，而不会明显地降低将光耦合到聚合物纤维的效率。在优 选的实施例中，整个强度分布比较均匀，并且峰值强度比较低。这 样可以使较大的总功率耦合到聚合物纤维，而不会熔化聚合物纤维 的输入界面。所公开的方法有利于功率传输的明显改善——比如， 使超过1瓦的功率能够通过1mm直径的PMMA纤维传输。

本发明提供一种新的方案，它包括一种改善光强度分布以提高 阈值输入功率的装置，在阈值输入功率上，吸收将引起热逸散(run- away)。该装置在光被耦合到单根聚合物纤维或纤维束之前，扩宽光 源的输出强度分布。通过扩宽强度分布，在高斯强度分布的中心的 能量被分配到边缘，由此降低了峰值功率强度。由于吸收取决于单 位面积的能量，吸收能量的降低将减少达到温度阈值的概率，在该 温度阈值时，聚合物将开始熔化。因此，假如高斯分布没有改变， 上面积聚的热量就会减少，这样，在一个高得多的输入功率时可保 证纤维的安全。这就增加了聚合物纤维能传输而没有热损害的最大 功率。

根据本发明的第一个方面，一种增加聚合物纤维的功率传送能 力的方法包括下列步骤：a)发射光，过滤，以去除波长低于大约400 纳米和高于大约700纳米的光，并具有一个来自纤维光源的高斯强 度分布；b)扩宽高斯强度分布，从而使高斯强度分布中心的能量被 分配到边缘，以在光被发射到聚合物纤维之前，减小发射光的峰值 功率强度；c)传输发射光到至少一根聚合物纤维。

根据本发明的另一个方面，高斯强度分布被保持，这样，发射 (即，传输)到至少一根聚合物纤维的总能量实质上是不变的，但 是峰值功率强度降低了。

根据本发明的再一个方面，扩宽高斯强度分布的步骤包括：在 发射光和至少一根聚合物纤维之间设置一个扩散器——该扩散器最 好是一个熔接纤维束。

根据本发明的还有一个方面，熔接纤维束的端面成一个角度。

这样一个扩宽装置的优选功能特性就是：对于一个来自光源的 给定的功率强度，比如，来自光导纤维或弧光灯的光，照射到聚合 物纤维表面上的总能量必须不变，但是，峰值功率必须减小。实际 上，必须受影响的变换是将光从中心，低角度光，分散到边缘，高 角度光，由此降低在高斯分布的中心的每一点的局部功率密度。

本发明的上述和其它优点、特征和其它方面，从下面对优选实 施例的描述并参考附图和权利要求书将可以更容易地领会。

               附图的简要描述

下面结合附图，以实施例方式来说明本发明，但本发明不限于 这些实施例，其中，相应的标记表示相应的部分，附图中：

图1是本发明的第一个实施例的示意性侧视图；

图2是本发明的第二个实施例的示意性侧视图；

图3是根据本发明的一个实施例，输入端面有一定角度的熔接 束的输出强度分布的曲线图；

图4是根据本发明多个实施例，表示本发明的布置的示意性侧 视图；

图5是表示本发明的另一个实施例的示意性侧视图；

图6是表示本发明的再一个实施例的示意性侧视图；

图7是根据本发明的另一个实施例，表示扭绞的(twisted)熔接束 扩散器的示意性侧视图；

图8是根据另一个实施例，表示双锥形熔接束扩散器的示意性 侧视图；

图9是根据另一个实施例，表示一个单渐大锥形束扩散器的示 意性侧视图；

图10是根据另一个实施例，表示一个单渐小锥形束扩散器的示 意性侧视图；

              优选实施例的详细描述

本发明的构思是：强度分布的变换和扩宽借助扩散器来实现， 比如借助全息光栅，或微透镜阵列，或聚光抛物面聚光器，或旋转 三棱镜，或劈光器。然而，本发明的优选实施例采用一个熔接纤维 束，它被设计成：比起作一个光导器件来说更是作为一个扩散器。

一个熔接纤维束，比如能具有几千根小直径纤维，每根纤维的 直径范围为大约10μm-50μm。熔接束的设计取决于耦合光的聚合 物纤维的数值孔径。通过聚合物纤维实现强度分布的扩宽和更高的 光传输的一般要求取决于熔接束和聚合物纤维的相对数值孔径，及 熔接纤维束的长度。在熔接束的输入端面上，每一小纤维截取一部 分从光源发出的光束，并将它传输到熔接束的输出端。熔接束的输 出分布是每单根纤维的输出强度分布的总和，它取决于每单根纤维 的数值孔径。

假如熔接束比大约它的直径的7倍更短，光还将在包层模中(例 如，未制导光)传输到远端，进一步将来自每根纤维的发射强度分 布扩散。熔接束相对于它的直径的实际长度取决于芯体包层率和相 对数值孔径。最终效果就是在输出端面上建立比输入端面上的峰值 强度更低的较宽高斯分布，甚至当输入光的数值孔径与在熔接束中 的各纤维的数值孔径相同时也是如此。通常是，将熔接束的有效数 值孔径选择为比聚合物纤维的更大。数值孔径越大，输出分布就越 平，这还能使聚合物纤维比光源被直接耦合时传输更大的功率，而 不熔化。实际上，光从中心分散到高斯分布的边缘，减少了发生熔 化的吸收阈值和峰值功率。因为包层模的光量取决于熔接纤维束的 长度，该熔接束的长度可以调整，以控制在包层模中传输的光量， 因此进一步根据需要再扩散该强度分布。通过控制熔接束的数值孔 径和其长度之一或者这两者，便可获得一个最佳的输出强度分布。

进入低熔化聚合物纤维的光应该被滤波到可能去除光的光谱带 宽的范围，该带宽由纤维强力地吸收，并可以潜在地引起纤维本身 的光传输性能过早的损害。通常是，这些带宽包括UV(＜400纳米) 和IR(＞700纳米)波长范围，但是，实际切掉(cutoffs)取决于聚 合物纤维的光谱性能。例如，采用PMMA纤维，低于410纳米和高 于700纳米的光在本发明的优选实施例中被过滤。对于Rohm和 Hass Optiflex聚丙烯酸酯纤维，切掉点是大约430纳米和700纳米。

光的过滤可以在内部进行，在作为光源的单光传输纤维的输入 端，或者在熔接束和至少一根聚合物纤维之间的界面上进行滤光。 光的过滤可以采用涂敷到传输表面或反射表面的介电涂层来实现， 所述的传输表面或反射表面例如为用于传输光的镜面，用来收集， 聚光，和聚焦光到一单根光学纤维的端面上。熔接束的端面可以被 介电地涂敷，以只传输在400纳米和700纳米之间的波长，使对聚 合物纤维的损害最小。所选择的实际波长将取决于聚合物纤维的吸 收特性。另一方案是，可以在熔接束的一端或两端应用一个带通滤 波器，以限制光的带宽，使对聚合物纤维的损害最小，或者控制光 本身的特殊应用的带宽。例如，假如一个特殊带宽(630纳米-690 纳米)的光被要求用于一种特殊的用途，比如一种药或者化学品的 活化，那么，熔接束的输入和输出端面可以分别用低通(＜690纳米) 和高通(＞630纳米)涂料介电地涂敷，以产生所需要的特殊带宽的 光。另一方案是，介电涂层可以涂敷到作为光源的光学纤维的一端 或者两端，以产生过滤过的光。类似地，在为了将光耦合到一聚合 物纤维而不损害其光传输性能的构造中，可以在不同的光学元件中 使用组合涂层，这些光学元件例如为镜子，其反射表面被设计成收 集，聚光，和聚焦光到单一光学纤维的端面和熔接束的一个端面上。 假如不用熔接束，而是用另一种扩散光的装置来起上面描述的作用， 那么，介电涂层可以涂敷到这些扩散器上，并且用于光的过滤。

图1表示本发明的第一个实施例，按上面所述，具有一个包含 通常垂直的端面210和220的熔接纤维束200——即，每一端面抛 光成0度。如图所示，一个纤维光源100引导光到纤维束200。然 后，纤维束200引导该光到聚合物纤维300。可以考虑的是，聚合 物纤维可以包含一单根纤维或一纤维束。

图2表示另一个实施例，其中，端面210形成为一个角A。在 图2中，相同的数字表示相同的部分。聚合物纤维300的功率传送 能力通过将光发射到这样一个熔接束200而进一步提高，即这种熔 接束200的输入端面210抛光成与垂直线Y成大于0度的角度。增 加输入角的效果是降低在输入侧的熔接束200的有效数值孔径 (NA)，以增加通过包层模传输的光量，并将强度分布的中心移向 在输出侧上的纤维的边缘，因此形成一种非对称的强度分布。相对 于熔接束的X轴所获得的非对称分布有利于散热器(未示出)的更 有效的利用，从而在纤维中集聚能量之前更快速地消散能量。

本发明考虑，输入强度分布被改变的聚合物纤维300，可以是 单根聚合物纤维，或用于一纤维束，这取决于光源和聚合物的特性。 输入光源100可以是来自单根纤维的光，或者它可以是一个聚焦的 光源。此外，如上所述，分散或扩散强度分布的熔接束200可以用 其它的来代替，尽管不是优选的，但可以用提供类似分散的装置来 代替，这些装置包括：空间取样的光学装置，比如二进制光器件； 集成光器件；或适当设计的非粘接纤维束。最后，除了为发射光到 一聚合物纤维的本发明的功率传送优点之外，该光装置还可以用于 发射高强度光到聚合物纤维束，同时减小在束中的纤维之间的输出 功率偏差。

图4示意性地表示本发明的实施例，它们包括一个扩散器D， 以变换和扩宽强度分布。除了在优选实施例中的纤维束扩散器，扩 散器D可以包括其它的扩散器，比如全息光栅，或微透镜阵列，或 聚光抛物面聚光器，或旋转三棱镜，或辟光器。本领域的普通技术 人员将会知道：如何基于这里公开的内容来结合这些其它的扩散器。

本发明的若干示范性结构将在下面讨论。下面的表1应用于若 干这样的结构中。 熔接束输入 端面角(度) 780μm纤维和 熔接束之间的 耦合效率(％) 熔接束和PMMA 纤维之间的耦合   效率(％) 未熔化的最大 功率输出(瓦)     0     88     48.3     590     15     85     48     860     20     84     47.9     890     25     77     46.4     970

                      表1

      耦合效率和最大输出功率与熔接束输入角的关系。

           光源纤维：780μm芯体直径，0.68NA

         熔接纤维束：＜8mm长，1mm直径，0.57NA

           塑料纤维：4′长，1mm直径，0.5NA。

表1表示对于同一类型光源纤维，纤维束和塑料纤维在不同输 入端面角时的耦合效率和最大输出功率。

现在来讨论图1所示实施例的一种形式的第一示范性结构。在 该第一例中，输入光源是0.78mm直径、0.68NA及具有高斯输出强 度分布的单根石英纤维。来自它的光被发射到短件(short-piece)熔接 玻璃纤维束中，后者约小于8mm长(例如，约7mm)，具有0.57NA 并具有几千根20μm直径的纤维。表1包括属于这类结构的数据。 如表1所示，在熔接束输出端面上耦合效率的测量确定出包层模的 存在，因为唯一观察出的损耗是由在每个表面上的菲涅耳(Fresnel) 损耗引起的。在此第一实施例中，熔接束的端面相对垂直Y轴被抛 光为约零度。熔接束输出被对接地耦合到PMMA纤维(1mm直径， 0.5NA)。如表1所示，该类结构通过4英尺长度塑料纤维传输的最 大功率约为600mW；当这种熔接束不存在时，该最大值实际上约大 于300mW。当0.57NA的熔接束被具有较大数值孔径的0.66NA的 熔接束替代时(其中0.66NA熔接束仍具有相同长度、相同直径和 相同直径纤维)，相同的PMMA纤维能传输1.3瓦的光功率而不熔 化。强度分布的小变化可导致实质性的区别，其区别程度为：光可 通过PMMA纤维传输而不会引起损坏。

现在描述展示该实施例的一个替换例。来自滤波的300W氙弧 灯的光被聚焦到3mm直径、0.66NA熔接束的端面上，它接着被耦 合到3mm直径聚丙烯酸酯单纤维(由Rohm和Hass制造的 “Optiflex”)上。高达4.5瓦的光被耦合到聚合物纤维中而不损伤聚 合物纤维。相反地，将滤波的氙灯光直接地耦合到3mm直径的聚丙 烯酸酯单纤维中时，约在2分钟内引起纤维熔化。使用小NA熔接 束或较长长度的0.66NA熔接束将会同样地降低聚合物纤维的寿命。 耦合到聚合物纤维端面中的强度分布愈宽，则能通过纤维传输而不 损坏的光强度愈大。类似地，使用相同的或较大NA的及具有小于 3倍其直径的长度的第二熔接束作为与起空间滤波器作用的第一熔 接束结合的扩散器来产生很好限定的高斯分布，将进一步改善聚合 物纤维的输入强度分布，由此使聚合物纤维的损坏减到最小。这两 个扩散器均抛光成垂直于它们各自的光轴。第二熔接束200′的例子 被示意性地表示在图5中。另一种方式是，可使用包层的玻璃杆(光 茎)来取代第一扩散器，使光从光源，比如氙弧灯耦合到熔接束。 这种包层玻璃杆R的例子被示意性地表示在图6中。对于较小直径 的纤维，插在光源和聚合物纤维之间的熔接束当其长度小于过滤空 间未制导光模所需长度时，将起到扩散器的作用。这种熔接束扩散 器的性能在它的NA等于或大于聚合物纤维NA时表现为最佳。

现在来讨论展示图2所示实施例的一种形式的第二示范性结 构。该第二例表示聚合物纤维对输入强度分布及光源功率密度的光 传输敏感性。如所指出的那样，图2表示进一步增加聚合物纤维的 功率传送能力的优选技术。当将光发射到具有斜角输入端面210的 熔接束时，输出强度分布被移动，以致于光束强度分布的峰值移向 与垂直轴Y成大于零度的角度上。通常具有0度入射角的光能有效 地移到其入射的角度上；结果是，通常在熔接束中具有最小数量内 部反射的光被移到其入射角上并在纤维内部产生了大量的内部反 射。由于对于高斯分布在0度上出现强度分布峰值，因此，内部反 射数量的增加使输出端强度分布峰扩宽。通过将峰值强度散布开， 使聚合物纤维内部的峰值功率减小并使峰值吸收也减少。因为峰值 强度移动引起了不对称的强度分布，所以，分布的中心更靠近聚合 物纤维周围。这种移动还可更有效地进行散热，以便更快地散除热 量。图3表示端面210的角度不同时的熔接束输出强度分布(基于 如表1中的结构)。曲线0、15和25表示输入端面210分别倾斜0、 15和25度时的强度分布。输入角为0、15、20和25度及具有0.57 数值孔径(NA)的塑料纤维熔接束的最大输出功率被列在表1中。

本发明不仅增加聚合物纤维的最大功率能力(对于聚合物纤维 来说，正是纤维的功率传送能力限制了自身的应用)，而且还可用于 无论何时出于安全或另外原因调节最大光输出。通过调节熔接束输 入端面的角度，即通过控制聚合物纤维端面的最大功率输入，可以 设置入射到聚合物纤维面上光强度的上限，由此可防止聚合物纤维 传输过大的功率。

                 附加的实施例

图7-10表示本发明的改善聚合物纤维的功率传送能力的附加实 施例。如图7-10所示的实施例能用在类似于上面所述的环境——即， 其中从光源发射来的并引导到至少一根纤维(比如，聚合物纤维) 的光在耦合到所述纤维之前被扩宽(例如，通过一个扩散器)。

在图7所示的实施例中，扭绞的熔接束2000用作扩散器D。尽 管只示出了扩散器D，但是扩散器将以如上所述的方式位于光源和 纤维之间。

了解了图7中所示的实施例的益处就有助于理解：在通常的熔 接束中，将纤维紧密地封捆，并且通过用包层包封单个纤维而使它 们隔离；在熔接束中邻近纤维之间(即，从一根纤维到另一根纤维) 的光的耦合实质上取决于包层的厚度。假如包层太厚，则耦合量就 很小。假如包层太薄，制导就弱并且损失就增加。

在图7所示的实施例中，在第一和第二纤维光学元件之间(即， 在光源和至少一根光学纤维之间)的光耦合通过物理绞合纤维束的 方法被增强，这样各股纤维略微伸开并形成具有一般的锥通道。这 种伸开操作最好取得一种或多种下列效果：a)略微加长纤维，这样， 略微减小包层厚度，以允许更高的耦合；b)形成单股纤维的锥通道， 它扭绞单股纤维并允许更高次模(higher order modes)被耦合到纤维的 输出中，并进入熔接束邻接纤维中。结果是，促进了相邻(比如， 邻近)纤维之间的光耦合，这具有从输入到输出散开光强度分布和 降低峰值强度的最终效果。这样可以使更多的光耦合到一根或一根 以上的纤维(比如，特别是塑料纤维)而不会熔化输入端。扭绞量 可以选择，以使得不同的光量根据输入功率的等级以最佳效率扩散。 在一些非限制性的示范性实施例中，螺旋角θ相对于纵向轴X可以 大于约5度，或10度，或15度，或20度。

图8表示一个附加的实施例，其中，扩散器D包括双锥熔接束 2000′，其中熔接束从第一较大直径d1到第二较小直径d2成锥形， 然后锥形回到第三较大直径d3。第三直径d3可以与第一直径d1相 同，或者它可以依据周边情况为不同的直径。在变细的区域TD，根 据熔接束的整个直径，每单股纤维的直径变得更小，包层变得更薄。 本发明人已经发现，这种结构能用于促进单股邻近纤维之间的光交 叉耦合。这种光的交叉耦合有效地扩散邻近纤维之间的光，从而， 降低了扩散器的输入和输出之间的峰值强度。当光进入变细的 (tapered-down)区域TD时，光通过一个NA/区域变换，其中，照明 区域被减小，NA被增加。对于光返回到目标的优选传输，熔接束 包括重新变粗的区域TB，在此，熔接束向外成锥形(比如，到原来 直径，或到另一合适直径)，这样NA最好是在输出目标处或接近输 出目标(比如，纤维束目标等)。据此，“双锥”的最终效果是从输 入端到输出端扩散光强度分布，允许更多的光被耦合到塑料纤维而 不会使输入端的纤维熔化。锥形的范围可以选择，以使得所需数量 的光扩散。此外，输出直径d3可以选择，例如，以匹配目标的NA。 在一些非限制性的示范性实施例中，锥角Y相对于纵向轴X可以大 于约5度，或约10度，或15度，或20度。

在其它实施例(未示出)中，如图7所示的扭绞和如图8所示 的锥体可以组合在一起，以进一步收集光模，并产生输出时较均匀 的强度分布。作为一些例子，图7所示的实施例可以包括一个在扭 绞区域中部的锥形区域，或者熔接束的锥形部分可以在熔接束的不 同的纵向位置由锥形部分形成(比如，锥形部分可以从扭绞部分向 下形成，等)。类似地，在这类应用中描述的任何一个实施例(例如， 扩散器结构)基于这些公开可以由本领域的普通技术人员合适地组 合在一起。

图9表示另一个实施例，其中，熔接束2000″被提供，它具有一 个单渐大锥形(single increasing taper)——从第一较小d1到第二较大 d2。在熔接束内邻近纤维之间的光耦合实质上发生在输入区域IR， 在此，直径d1较小，包层的厚度也较小，以促进进一步耦合。在这 种情况下，输出的峰值强度可以通过下面两种方式减小：a)扩散光 强度分布；和b)增加锥形输出面积。这样，所获得的从扩散器2000″ 发射出的光将具有较大的面积和较小的数值孔径。

图10表示另一个实施例，其中，熔接束2000被提供，它具有 单渐小锥形(single increasing taper)——从第一较大直径d1到第二较 小直径d2。在这种方式中，光强度分布可以散开。另一方面，第二 直径d2处的输出面积的减小可增加强度。依据散开的量和面积减小 的程度，净输出强度可以较高或较低。这种结构在有些情况下可以 不必减小峰值强度，但输出面积的减小将增加输出的数值孔径，并 适合于，比如，高NA的场合。

如图7-10所示的实施例对于聚合物纤维的功率传送能力是很有 优势的，但这些扩散光强度分布的方法和装置还可以用于提高其它 类型的纤维(或其它光学元件)的能力，其中，输出端是对温度敏 感的，或者其温度受到限制。作为一个例子，这些实施例可以用于 标准纤维束，其中，每根纤维(例如，玻璃纤维或聚合物纤维)被 一起环氧化并且束端部被抛光。该环氧物的耐温度性能通常比玻璃 纤维低，并且对光的透明度比聚合物纤维低。结果是，该环氧物吸 收光并很快加热。这样，该环氧物会失效，并首先燃烧，再使整个 纤维束失效。不同类型的环氧物被用不同的纤维束制造，这些不同 的环氧物具有不同的功率传送能力。上面描述的实施例将增加其功 率传送能力。

虽然参照附图以现在认为是最佳实施例的方式对本发明进行了 说明，但是应该知道，在不偏离这里公开的本发明的发明构思及由 以下权利要求所限定的范围的情况下，可以对本发明的各个实施例 进行各种变化。

本申请是1997年3月27日申请的名称为“提高聚合物纤维的 功率传送能力的方法和装置”的美国专利申请08/827,092的部分继 续申请。

                     发明的背景