台湾专利TW201321671A 光纖照明系統與方法

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专利摘要:
揭示一種包含至少一個光擴散光纖的照明系統。照明系統包含至少一個低散射光傳導光纖，至少一個低散射光傳導光纖將至少一個光擴散光纖光學耦接至至少一個光源。光擴散光纖包含光源光纖部分，光源光纖部分在一長度上持續發出經散射光。光源光纖部分可被撓曲，包含捲繞成螺旋狀。光擴散光纖包含複數個奈米尺寸結構，複數個奈米尺寸結構經配置以將行進於光擴散光纖內的經引導光散射出光纖的外側表面。
公开号:TW201321671A
申请号:TW101136694
申请日:2012-10-04
公开日:2013-06-01
发明作者:Edward John Fewkes；Stephan Lvovich Logunov；Alranzo Boh Ruffin
申请人:Corning Inc；
IPC主号:G02B6-00

专利说明:
光纖照明系統與方法
對相關申請案的交叉引用
本申請案主張對於美國申請案第13/269,055號(申請於2011年10月7日)的優先權權益，本文根據美國申請案第13/269,055號的內容，且美國申請案第13/269,055號的內容在此全文併入本文中以作為參考。
本發明大體上相關於具有奈米尺寸結構區域的光擴散光纖，且特定而言相關於採用此種光纖以用於不同應用(包含生化反應器、招牌與特別照明應用)的照明系統與方法。
光纖被使用在需要將光從光源傳遞至遠端位置的各種應用中。例如，光通訊系統需要光纖網路，以從服務提供者傳送光至系統終端使用者。
通訊光纖被設計為操作於在800 nm至1675 nm範圍之近紅外線波長處，在近紅外線波長處由吸收(absorption)與散射(scattering)所造成的衰減(attenuation)的程度相對為低。此允許注入光纖一終端的光的大部分退出光纖的相對終端，而僅有不顯著的光量退出光纖側邊周圍。
近來，逐漸需要比起傳統光纖而言，對撓曲(bending)較不敏感的光纖。此係因為越來越多通訊系統被佈署在需要光纖被緊密地撓曲的配置中。由於此需求，開始發展利用圍繞核心區域被非週期性地放置的小型孔隙環。包含孔隙的環增加對撓曲的不敏感度，換言之，光纖可具有較小的撓曲半徑，而所通過之光訊號的衰減將不會遭受顯著的改變。在這些光纖中，包含孔隙的環區域被放置於光纖的覆層(cladding)中，並與核心相隔一些距離，以將傳播通過包含孔隙的環區域的光的量最小化，因為這會提昇光學損耗(optical loss)。
因為光纖通常被設計為有效率地從光纖一端傳遞光經過長距離至光纖另一端，非常少的光從典型的光纖側邊逃出，且因此光纖不被視為適合用於形成延伸的照明源。但是，存在數種應用，諸如特別照明、招牌或生化應用(包含細菌生長與光生質能及生質燃料的製造)，在這些應用中需要以有效率的方式提供選定的光量至指定區域。對於生質生長，需要發展將光能量轉換成基於生質之燃料的程序。對於特別照明，光源需要為薄、有彈性、並可輕易修改為各種不同的形狀。
根據一些具體實施例，本發明的第一態樣為產生具有在200 nm與2000 nm之間的至少一個波長(λ)的光的照明系統。系統包含光源與至少一個光擴散光纖。光擴散光纖具有玻璃核心與覆層。複數個奈米尺寸結構(在本文中亦稱為「奈米結構」)被放置在該玻璃核心內或在核心-覆層邊界處。光纖亦包含外側表面與終端，終端光學耦接至光源。光纖經配置以經由該等奈米尺寸結構將經引導光散射出玻璃核心並通過外側表面，以形成光源光纖部分，該光源光纖部分具有一長度，該光源光纖部分在該長度上發出實質上均勻的輻射，該光纖對於該波長具有大於50 dB/km之由散射引發的衰減。根據一些具體實施例，耦接至光纖的光源產生在200 nm至500 nm波長範圍中的光，且光纖塗層中的螢光材料產生白光、綠光、紅光、或NIR(近紅外線)光。
根據一些具體實施例，照明系統包含單一光擴散光纖。根據其他具體實施例，照明系統包含複數個光擴散光纖。這些光擴散光纖可被以筆直配置來利用，或可被撓曲。
根據一些示例性具體實施例，照明系統可被用於生化生長系統，且照明系統可進一步包含生化腔室，生化腔室的內部經配置為包含生化材料。在這些具體實施例中，光源產生具有為生化材料所敏感之波長的光。光纖可具有複數個撓曲形成於光纖中，以將經引導光從中心軸散射出核心，並通過外側表面以形成光源光纖部分，該光源光纖部分具有一長度，該光源光纖部分在該長度上發出實質上均勻的輻射。
根據一些具體實施例，照明系統包含產生具有在200 nm與2000 nm之間的至少一個波長的光的至少一個光源。照明系統亦包含至少一個低散射光傳導光纖，該至少一個低散射光傳導光纖具有輸入終端與輸出終端，該輸入終端光學耦接至該至少一個光源，且該至少一個低散射光傳導光纖經配置以將由該至少一個光源所接收的該光，作為經引導光而提供給該輸出終端。照明系統亦具有至少一個光擴散光纖，該至少一個光擴散光纖具有玻璃核心、主要覆層、以及位於該核心內或在核心-覆層邊界處的複數個奈米尺寸結構。該至少一個光擴散光纖具有外側表面以及輸入終端，該輸入終端光學耦接至該至少一個低散射光傳導光纖的該輸出終端。該至少一個光擴散光纖經配置以從該低散射光傳導光纖接收該經引導光，並經由該等奈米尺寸結構將該經引導光散射出該玻璃核心並通過該外側表面，以形成光源光纖部分，該光源光纖部分具有一長度，該經散射光在該長度上持續地發出。在一個範例中，該光擴散光纖對於光源的特定波長具有大於50 dB/km之由散射引發的衰減。
根據一些具體實施例，本發明的另一態樣包含執行來自發出光之光源的照明的方法。方法包含將來自該光源的該光作為經引導光，透過低散射光傳輸光纖傳導至光擴散光纖。該光擴散光纖具有一長度、玻璃核心、界定核心-覆層邊界的圍繞覆層、外側表面、以及奈米尺寸結構，該等奈米尺寸結構放置於該玻璃核心內或在該核心-覆層邊界處。該等奈米尺寸結構經配置以將行進於該光擴散光纖中的該經引導光散射出該玻璃核心並從該外側表面穿出，以在該光擴散光纖的該長度上形成持續地發出的經引導光。
本發明的至少一些具體實施例的一個有利的特徵，為照明系統與方法可利用光纖的能力以有效率地傳遞光至遠端位置，且此種光纖即使在以不同的形狀(例如撓曲、螺旋狀或筆直)佈署而符合應用需要時，仍將相對均勻地散射光。此外，本發明的一些具體實施例的一個有利的特徵為，根據本發明的至少一些示例性具體實施例的光擴散光纖能夠提供具有弱波長相依性的照明，其中在200 nm至2000 nm波長範圍內的散射損耗Ls為與λ^-p成比例，其中p大於或等於0且小於2、較佳地小於1、且又更佳地小於0.5或甚至更佳地小於0.3。本發明的至少一些具體實施例的另一有利的特徵，為沿著長度的散射為實質上均勻的能力(例如對於最大值的變異小於50%，且更佳地小於30%)，且在角度空間中為遠離光纖軸，而使往前、90度(相對於光纖軸)、與往後的散射強度幾乎相同(例如位於彼此的30%內，且較佳地位於彼此的20%內)。
在至少一些具體實施例中，通過光纖側邊於照明波長的所整合光強度的變異(亦即所擴散或散射的光的強度變異)為小於光纖目標長度的30%。
在至少一些具體實施例中，光纖的平均散射損耗大於50 dB/km，且散射損耗在任何給定的0.2 m長度光纖區段上不變化超過30%(亦即，散射損耗在平均散射損耗的±30%內)。根據至少一些具體實施例，光纖的平均散射損耗大於50 dB/km，且散射損耗在小於0.05 m長度的光纖區段上不變化超過30%。根據至少一些具體實施例，光纖的平均散射損耗大於50 dB/km，且散射損耗在0.01m長度的光纖區段上不變化超過30%(亦即±30%)。
根據本發明的一些具體實施例的光纖，以及利用此種光纖之照明系統的一個有利的特徵，為光纖動作為光源，並藉由通過光纖側邊的均勻散射光來照明所需的介體，而非藉由傳遞來自光纖終端的密集聚焦光束。再者，在一些具體實施例中，使用光纖有利地允許由電氣驅動的光源保持遠離光傳遞點。此事實將最有益於水性環境或可能爆炸的環境，其中可將電氣部件放置為與傳導環境或反應環境相隔一安全距離。
應瞭解到，上文的概述說明與下文的詳細說明，代表本發明的具體實施例，且意為提供概觀或框架以期瞭解如所主張的本發明本質與特性。包含附加圖式以提供對本發明的進一步瞭解，且附加圖式被併入本說明書並構成本說明書的一部分。圖式圖示說明本發明的各種具體實施例，並與說明書一起解釋本發明的原理與作業。
本發明的額外特徵與優點將說明於下文的詳細說明中，且其中的部分將由熟習本發明領域技藝者根據說明，或由實作如本文所說明的本發明而認知到而為顯然，包含詳細說明與接續的申請專利範圍，以及附加圖式。申請專利範圍被併入下文的詳細說明中並構成詳細說明的部份。
12‧‧‧光擴散光纖
16‧‧‧中央軸
48‧‧‧光纖側邊
2-2‧‧‧截面方向
20‧‧‧核心
22‧‧‧實心中央部分
26‧‧‧奈米結構環部分
28‧‧‧外側實心部分
31‧‧‧玻璃介質
32‧‧‧奈米尺寸結構
40‧‧‧覆層
44‧‧‧塗層
R1‧‧‧第一核心區域外側半徑
R2‧‧‧奈米結構區域外側半徑
R3‧‧‧第三核心區域外側半徑
R4‧‧‧高分子材料覆層外側半徑
Rc‧‧‧外側半徑
13‧‧‧輸入終端
14‧‧‧終端
150‧‧‧光源
152‧‧‧經引導光線
152G‧‧‧經引導光
M‧‧‧鏡子
152S‧‧‧經散射光
12A‧‧‧光傳導光纖
13A‧‧‧輸入終端
14A‧‧‧輸出終端
98‧‧‧生化生長系統
160‧‧‧光學耦接系統
164‧‧‧接合構件
170‧‧‧生化腔室
172‧‧‧內部
180‧‧‧生化材料
184‧‧‧支撐載體
200‧‧‧範例照明系統
168‧‧‧光學隔離器
F‧‧‧焦長
FP‧‧‧焦點
A1‧‧‧光軸
220‧‧‧凹面鏡
222‧‧‧反射性凹表面
12B‧‧‧光擴散光纖束
第1圖為光擴散光纖範例具體實施例的一區段的示意側視圖；第2圖為第1圖的光纖從2-2方向看來的示意截面圖；第3A圖為光擴散光纖的示例性具體實施例的相對折射率圖對光纖半徑的示意圖示說明；第3B圖為光擴散光纖的另一示例性具體實施例的相對折射率圖對光纖半徑的示意圖示說明；第3C圖圖示說明光擴散光纖的玻璃核心的示例性配置；第4A圖與第4B圖繪製光纖衰減(損耗；dB/m)對波長(nm)；第5圖圖示說明利用兩個傳輸於單一光纖內的光的光纖佈署；第6A圖圖示說明在光纖以均勻張力(範例A)與可變張力(範例B)製成時，沿著光纖的強度分配；第6B圖圖示說明具有白墨水與不具有墨水的散射分配函式；第7圖圖示說明第5圖圖示的光纖的散射(具有耦接至光纖尾端的反射鏡)，以及在塗層中利用白墨水的光纖的散射；第8A圖圖示說明照明系統的示例性具體實施例；第8B圖圖示說明如與為燒瓶之形式的生化腔室連同使用的照明系統的範例具體實施例；第9A圖為類似於第8B圖照明系統的範例照明系統的側視圖，且該範例照明系統包含在光擴散光纖的一個終端處的鏡子；第9B圖類似於第9A圖且圖示照明系統範例，該照明系統範例採用分別光學連接至多重光擴散光纖的多重低散射光傳導光纖；第10A圖為類似於第9A圖照明系統的另一範例照明系統，但其中光擴散光纖為弧形而形成迴圈；第10B圖類似於第10A圖，且第10B圖進一步包含光學耦接至光擴散光纖的終端的鏡子，且第10B圖具有放置於低散射光傳導光纖中的可選隔離器，以防止光返回光源；第10C圖類似於第10A圖與第10B圖，且第10C圖圖示說明照明系統具體實施例，其中光擴散光纖的終端光學耦接至光學耦接器；第11圖圖示說明類似於第10C圖照明系統的照明系統範例具體實施例，但其中使用兩個光源與各別的低散射光傳導光纖區段，以在光擴散光纖內提供反向傳播的經引導光；第12A圖為類似第9A圖照明系統的照明系統範例具體實施例的側視圖，但其中光源包含多重光源元件；第12B圖類似於第12A圖並圖示說明範例具體實施例，其中低散射光傳導光纖被撓曲，而使對應的光擴散光纖可經由各別的經散射光在選定位置提供照明；第13A圖為範例照明系統的截面圖，該範例照明系統包含凹面鏡，其中光擴散光纖的光源部分具有捲繞配置並實質上位於(亦即，位於或接近)凹面鏡的焦點處；且第13B圖類似於第13A圖並圖示說明照明系統具體實施例，該照明系統具體實施例包含大體上沿著圓柱鏡的焦線而設置的多重光擴散光纖。
本發明的額外特徵與優點將說明於上文詳細說明中，並將由熟習本發明領域技藝者根據說明連同於申請專利範圍與附加圖式，或由實作如本文所說明的本發明而認知到而為顯然。
現在詳細參考本發明當前的較佳具體實施例，具體實施例的範例被圖示說明於附加圖式中。在所有圖式中盡可能地使用類似或相似的元件符號來代表類似或相似的部分。應瞭解到，本文所揭露的具體實施例僅為範例，每一具體實施例併入本發明的某些益處。
可在本發明範圍內對下列範例進行各種修改與改變，且不同的範例態樣可由不同的方式混合，以得到更進一步的範例。因此，應根據本發明整體來瞭解本發明的真實範圍，並參考(但不限於)本文所說明的具體實施例。
定義
諸如「水平」、「垂直」、「前」、「後」等等的用詞，以及笛卡爾坐標(Cartesian Coordinates)的使用，目的是為了參照圖式並容易說明，且不意為嚴密地限制為絕對的指向及/或方向，無論是在說明書中或是在申請專利範圍中。
在下文說明中，下列用詞與片語係連同具有奈米尺寸結構的光擴散光纖來使用。
「折射率輪廓」為折射率(或相對折射率)與波導(光纖)半徑之間的關係。
「相對折射率百分比」被界定為
△(r)%=100 x[n(r)²-n_REF ²]]/2n(r)²
其中n(r)為在半徑r處的折射率，除非另外指定。相對折射率百分比被界定於850 nm，除非另外指定。在一種態樣中，參考折射率n_REF為矽玻璃(於850 nm折射率為1.452498)，在另一種態樣中參考率n_REF為覆層玻璃於850 nm的最大折射率。本文所使用的相對折射率由△代表，且相對折射率值的單位為「%」，除非另外指定。在區域的折射率小於參考折射率n_REF的情況下，相對折射率百分比為負，且被稱為具有凹陷(depressed)區域或凹陷折射率，並在相對折射率最負處計算出最小相對折射率，除非另外指定。在區域的折射率大於參考折射率n_REF的情況下，相對折射率百分比為正，且區域可被稱為凸起(raised)或具有正折射率。
「增摻雜物(updopant)」在本文中被視為具有提昇折射率(相對於純未摻雜SiO₂)傾向的摻雜物。「減摻雜物(downdopant)」在本文中被視為具有降低折射率(相對於純未摻雜SiO₂)傾向的摻雜物。增摻雜物可存在於具有負相對折射率的光纖的區域中，並相伴一或更多種其他不為增摻雜物的摻雜物。類似的，一或更多種其他摻雜物(不為增摻雜物)可存在於具有正相對折射率的光纖的區域中。減摻雜物可存在具有正相對折射率的光纖的區域中，並相伴一或更多種其他不為減摻雜物的摻雜物。
類似的，一或更多種其他摻雜物(不為減摻雜物)可存在具有負相對折射率的光纖的區域中。
用詞「α輪廓」或「alpha輪廓」代表一相對折射率輪廓，以△(r)表示且單位為「%」，其中r為半徑，並遵循下列方程式，△(r)=△(r_o)(1-[|r-r_o|/(r₁-r_o)]^α)
其中在r_o處△(r)為最大，在r₁處△(r)%為零，且r位於r_i rr_f之範圍中，其中△如上文界定，r_i為α輪廓的初始點，r_f為α輪廓的終點，且α為指數(為實數)。
本文所使用的用詞「拋物線」因此包含實質上拋物線形的折射率輪廓，此折射率輪廓可在核心中的一或更多點從2.0 α值稍微變化，以及包含具有小變異及/或中線低窪(centerline dip)的輪廓。在一些示例性具體實施例中，α大於1.5並小於2.5，更佳為大於1.7並小於2.3，且又更佳為在1.8與2.3之間(測量於850 nm)。在其他具體實施例中，折射率輪廓的一或更多個區段具有實質上階梯形的折射率，且α值大於8，更佳為大於10，且又更佳為大於20(測量於850 nm)。
用詞「奈米結構光纖區域」說明具有大量(大於50個)填充氣體的孔隙區域(或面積)或其他奈米尺寸結構的光纖，例如在光纖截面中有大於50個、大於100個、或大於200個孔隙。填充氣體的孔隙可包含(例如)SO₂、Kr、Ar、CO₂、N₂、O₂、或以上之混合物。本文所說明的奈米尺寸結構(例如孔隙)的截面尺寸(例如直徑)可從10 nm變化至1 μm(例如50 nm至500 nm)，且長度可從1 mm變化至50 m(例如2 mm至5 m，或5 mm至1 m的範圍)。
在標準的單模或多模光纖中，小於1300 nm之波長的損耗係由瑞利散射(Rayleigh scattering)支配。這些瑞利散射損耗Ls係由材料性質決定，且通常為約20 dB/km(對於400 nm至700 nm之可見波長)。瑞利散射損耗亦具有強波長依賴性(亦即，L_S 1/λ⁴，見第4B圖所比較的光纖A)，此表示消散95%的輸入光至少需要約1 km至2 km的光纖。較短的此種光纖將導致較低的照明效率，儘管使用長的此種光纖(1 km至2 km，或更長)的成本可更高並可更難以管理。長的光纖在使用於生化反應器或其他照明系統中時可難以安裝。
在一些照明應用配置中，期望使用較短的光纖，例如1 m至100 m。此需要提昇光纖的散射損耗，同時能夠維持良好的角度散射性質(光從光纖軸均勻地散射出)與良好的撓曲效能，以避免在光纖撓曲處產生亮點。本文所說明之本發明具體實施例的至少一些具體實施例所期望的特性之一，為沿著光纖照明器長度的照明為均勻與明亮。因為光纖具有彈性，此允許廣泛地採用各種照明形狀。較佳的是在光纖撓曲點處沒有亮點(由升高的撓曲損耗所造成)，而使光纖所提供的照明不變化超過30%，較佳地為小於20%，且又更佳為小於10%。例如在至少一些具體實施例中，光纖的平均散射損耗為大於50 dB/km，而散射損耗在任何給定的0.2 m長度區段中不變化超過30%(亦即，散射損耗位於平均散射損耗的±30%內)。根據至少一些具體實施例，光纖的平均散射損耗為大於50 dB/km，而散射損耗在小於0.05 m長度的光纖區段中不變化超過30%。根據至少一些具體實施例，光纖的平均散射損耗為大於50 dB/km，而散射損耗在0.01 m長度光纖區段中不變化超過30%(亦即±30%)。根據至少一些具體實施例，光纖的平均散射損耗為大於50 dB/km，而散射損耗在0.01 m長度光纖區段中不變化超過20%(亦即±20%)，且較佳地不變化超過10%(亦即±10%)。
在至少一些具體實施例中，通過光纖側邊於照明波長的整合(擴散)光強度的強度變異，對於光纖目標長度而言為小於30%，目標長度可為(例如)0.02 m至100 m。注意到，通過光纖側邊於所指定照明波長的整合光強度的強度，可藉由併入螢光材料於覆層或塗層中來變化。螢光材料所散射的光波長係不同於傳播於光纖中的光的波長。
在下列示例性具體實施例的一些具體實施例中，發明人說明具有奈米結構光纖區域(具有奈米尺寸結構的區域)的光纖設計，奈米結構光纖區域放置於光纖的核心區域中，或非常接近核心。一些光纖具體實施例具有超過50 dB/km的散射損耗(例如大於100 dB/km、大於200 dB/km、大於500 dB/km、大於1000 dB/km、大於3000 dB/km、大於5000 dB/km)，散射損耗(以及照明，或由這些光纖發出的光)在角度空間中為均勻。
為了減少(或消除)光纖撓曲處的亮點，期望在光纖中90°撓曲處的衰減的提昇為小於5 dB/轉折(例如小於3 dB/轉折、小於2 dB/轉折、小於1 dB/轉折)，同時撓曲直徑為小於50 mm。在示例性具體實施例中，以甚至更小的撓曲直徑達成這些低撓曲損耗，例如小於20 mm、小於10 mm、與甚至小於5 mm。較佳地是，在5 mm的撓曲半徑處衰減的總提昇為小於1 dB(每90°)。
較佳地，根據一些具體實施例，撓曲損耗等於(或低於)筆直光纖核心的固有(intrinsic)散射損耗。由於來自奈米尺寸結構的散射，固有散射為顯著的。因此，至少根據對撓曲不敏感的光纖具體實施例，撓曲損耗不超過光纖的固有散射。然而，因為散射位準為對撓曲直徑的函數，光纖的撓曲部署取決於光纖的散射位準。例如在一些具體實施例中，光纖的撓曲損耗小於3 dB/轉折，較佳地為小於2 dB/轉折，且光纖可被撓曲於半徑小至5 mm的弧形而不形成亮點。
同時，在下文說明中，在一些具體實施例中說明透過光反應材料來提供或傳遞經散射光化學光(actinic light)，所散射的光化學光被假定為具有充足的強度以在可接受的時間週期內對光反應材料執行光反應。
光擴散光纖
第1圖為具有中央軸(「中線」)16的光擴散光纖(此後亦稱為「光纖」)12的範例具體實施例的區段的示意側視圖。第2圖為從第1圖中的方向2-2看來的光擴散光纖12的示意截面。光纖12可為(例如)各種具有奈米結構光纖區域的光纖類型的任一者，且奈米結構光纖區域具有週期性或非週期性的奈米尺寸結構32(例如孔隙)。在範例具體實施例中，光纖12包含核心20，核心20被分成三個區段或區域。這些核心區域為：實心中央部分22、奈米結構環部分(內部環形核心區域)26、以及圍繞內部環形核心區域26的外側實心部分28。覆層區域40(「覆層」)圍繞環形核心20且具有外表面。覆層40可具有低折射率，以提供高數值孔徑(numerical aperture；NA)。覆層40可為(例如)低折射率高分子材料(polymer)，諸如可由UV或熱固化的含氟丙烯酸酯(fluoroacrylate)或矽氧樹脂(silicone)。
可選的塗層44圍繞覆層40。塗層44可包含低係數主要塗層與高係數第二塗層。在至少一些具體實施例中，塗層44包含高分子材料塗層，諸如以丙烯酸酯為基礎或以矽氧樹脂為基礎的高分子材料。在至少一些具體實施例中，塗層沿著光纖長度的直徑為固定。
在下文所說明的其他示例性具體實施例中，塗層44被設計為增強從核心20通過覆層40的「輻射光」的分佈及/或本質。覆層40的外表面，或可選塗層44的外側，代表光纖12的「側邊」48，在光纖中行進的光經由散射而通過側邊48退出，如本文所說明。
保護層或保護套(未圖示)可選地覆蓋覆層40。光纖12可包含含氟的覆層40，但若欲將光纖用於短長度應用(其中洩漏損耗不使照明特性惡化)，則不需要含氟覆層。
在一些示例性具體實施例中，光纖12的核心區域26包含玻璃介質(「玻璃」)31，玻璃矩陣內含有複數個非週期性放置的奈米尺寸結構(例如「孔隙」)32，諸如在第2圖中的放大插圖中詳細圖示的範例孔隙。在另一範例具體實施例中，孔隙32可被週期性地放置，諸如於光子晶體光纖中，其中孔隙的直徑通常約為1x10^-6 m與1x10^-5 m之間。孔隙32亦可被非週期性地或隨機地放置。在一些示例性具體實施例中，區域26中的玻璃31為摻雜氟的矽，同時在其他具體實施例中玻璃為未摻雜的純矽。孔隙的直徑較佳地為至少10 nm。
奈米尺寸結構32將光從核心20散射朝向光纖外表面。所散射的光隨後被「擴散」通過光纖12外表面，以提供所需的照明。換言之，大部分的光沿著光纖長度被(經由散射)擴散通過光纖12的側邊。較佳地是，光纖在光纖長度中發出實質上均勻的輻射，且在所發出輻射的波長(照明波長)中光纖之由散射引發的衰減大於50 dB/km。較佳地是，對於此波長，由散射引發的衰減大於100 dB/km。在一些具體實施例中，對於此波長，由散射引發的衰減大於500 dB/km，且在一些具體實施例中為1000 dB/km、大於2000 dB/km、以及大於5000 dB/km。這些高散射損耗約比標準單模與多模光纖中的瑞利散射損耗高2.5倍至250倍。
製成核心區域22與28的玻璃可包含增摻雜物，諸如鍺、鋁及/或鏻。「非週期性地放置」與「非週期性分佈」表示，在從光纖截面看來時(如第2圖所圖示)，孔隙32隨機地或非週期性地分佈於光纖的一部分中。從光纖長度上的不同點看來的類似截面，將顯出不同的截面孔隙圖樣，亦即，不同的截面將具有不同的孔隙圖樣，在不同的孔隙圖樣中孔隙的分佈與孔隙的大小將不匹配。換言之，孔隙為非週期性，亦即，孔隙不被週期性地放置於光纖結構內。這些孔隙沿著光纖長度(亦即與縱軸平行)延展(伸長)，但不延伸至典型傳輸光纖長度的整體光纖長度。在不希望被理論所限制的同時，吾人相信孔隙沿著光纖長度的延伸小於10 m，且在許多情況下小於1 m。
製成本文所使用之在下文所討論的照明系統中的光纖12的方法，可利用預製件固結(preform consolidation)條件，預製件固結條件使大量的氣體陷入固結玻璃胚料中，從而使孔隙形成於經固結玻璃光纖預製件中。所產生的預製件被用以形成具有孔隙(或奈米尺寸結構)於其中的光纖，而非採取步驟而移除這些孔隙。所產生的光纖的奈米尺寸結構(或孔隙)被利用來沿著光纖長度使光經由光纖的側邊散射(或引導光)出光纖。換言之，光被引導離核心20，通過光纖的外表面，以提供所需的照明。
本文所使用的奈米尺寸結構(諸如孔隙)的直徑為最長的線段，在從橫截光纖縱軸的正交截面看來時。製成具有奈米尺寸孔隙的光纖的方法，說明於(例如)美國專利申請案第11/583,098號中，此申請案在此併入本文以做為參考。
如上文所說明，在光纖12的一些具體實施例中，核心區段22與28包含摻雜了鍺的矽，亦即摻鍺矽。可在核心中單一地或連同地採用除了鍺以外的摻雜物，且特別是在(或接近)光纖中線16處，以獲得所需的折射率與密度。在至少一些具體實施例中，本文所揭露的光纖的相對折射率輪廓在區段22與28中不為負。這些摻雜物可為(例如)鋁、鈦、鏻、鍺、或以上之結合。在至少一些具體實施例中，光纖在核心中不包含降低折射率的摻雜物。在一些具體實施例中，本文所揭露的光纖的相對折射率輪廓在區段22、24與28中不為負。
在如本文所使用的光纖12的一些範例中，核心20包含純矽。在一種具體實施例中，光纖的一個較佳屬性為在所需的頻譜範圍中將光散射出光纖(亦即擴散光)的能力，且有生化材料對此頻譜範圍敏感，或者此頻譜範圍造成光反應材料中的光反應。在另一具體實施例中，所散射的光可被用於裝飾性的點綴或白光應用中。可藉由改變光纖中玻璃的特性、奈米結構區域26的寬度、以及奈米尺寸結構的尺寸與密度，來提昇由散射產生的損耗量。
在如本文所使用的光纖12的一些範例中，核心20為階化折射率核心，且較佳地，核心的折射率輪廓具有拋物線形狀(或實質上拋物線形狀)；例如在一些具體實施例中，核心20的折射率輪廓具有α值約為2的α形狀，且α值較佳地在1.8與2.3之間(如測量於850 nm)。在其他具體實施例中，折射率輪廓的一或更多個區段具有實質上階化的折射率形狀，且α值大於8，又更佳地大於10，且又更佳地大於20(如測量於850 nm)。在一些具體實施例中，核心的折射率可具有中線低窪，其中核心的最大折射率與整體光纖的最大折射率係定位於與中線16相隔一小距離，但在其他具體實施例中核心的折射率不具有中線低窪，且核心的最大折射率與整體光纖的最大折射率位於中線。
在示例性具體實施例中，光纖12具有以矽為基礎的核心20，以及凹陷折射率(相對於矽)高分子材料覆層40。低折射率高分子材料覆層40較佳地具有負的相對折射率，又更佳地小於-0.5%，且又更佳地小於-1%。在一些示例性具體實施例中，覆層40的厚度為20 μm或更多。在一些示例性具體實施例中，覆層40的折射率比核心要低，且覆層40的厚度為10 μm或更多(例如20 μm或更多)。在一些示例性具體實施例中，覆層的外徑為Rmax的兩倍，例如為約125 μm(例如120 μm至130 μm、或123 μm至128 μm)。在其他具體實施例中，覆層的直徑小於120 μm，例如60或80 μm。在其他具體實施例中，覆層的外徑大於200 μm、大於300 μm、或大於500 μm。在一些具體實施例中，覆層沿著光纖12長度的直徑為固定。在一些具體實施例中，光纖12的折射率具有徑向對稱性。較佳地，核心20沿著光纖長度的外徑2R3為固定。較佳地，核心區段22、26、28的外徑沿著光纖長度的外徑為固定。「固定」表示直徑的變異相對於平均值小於10%、較佳地小於5%、且又較佳地小於2%。
第3A圖為示例性相對折射率△相對於第2圖所圖示之範例光纖12(粗實線)的光纖半徑的圖表。核心20亦可具有階化的核心輪廓，特徵在於(例如)在1.7與2.3之間的α值(例如1.8至2.3)。替代的示例性折射率輪廓係由虛線圖示說明。核心區域22徑向地從中線朝外延伸至核心區域22的外徑R1，且核心區域22的相對折射率輪廓△₁(r)對應於最大折射率n1(與相對折射率百分比△_1MAX)。在此具體實施例中，參考折射率n_REF為覆層處的折射率。第二核心區域(奈米結構區域)26具有最小折射率n2、相對折射率輪廓△2(r)、最大相對折射率△2_MAX、與最小相對折射率△2_MIN，其中在一些具體實施例中△2_MAX=△2_MIN。第三核心區域28具有最大折射率n3、相對折射率輪廓△3(r)(具有最大相對折射率△3_MAX與最小相對折射率△3_MIN)，其中在一些具體實施例中△3_MAX=△3_MIN。在此具體實施例中，環形覆層40具有最小折射率n4、相對折射率輪廓△4(r)、最大相對折射率△4_MAX、與最小相對折射率△4_MIN。在一些具體實施例中△4_MAX=△4_MIN。在一些具體實施例中，△1_MAX>△4_MAX且△3_MAX>△4_MAX。在一些具體實施例中△2_MIN>△4_MAX。在圖示於第2圖與第3A圖的具體實施例中，△1_MAX>△3_MAX>△2_MAX>△4_MAX。在此具體實施例中，區域的折射率具有下列關係：n1>n3>n2>n4。
在一些具體實施例中，核心區域22、28具有實質上固定的折射率輪廓，如圖示於第3A圖而△1(r)與△3(r)為固定。在這些具體實施例的一些中，△2(r)為稍微正(0<△2(r)<0.1%)，稍微負(-0.1%<△2(r)<0)，或0%。在一些具體實施例中，△2(r)的絕對量值為小於0.1%，較佳地小於0.05%。在一些具體實施例中，外側覆層區域40具有實質上固定的折射率輪廓，如圖示於第3A圖且△4(r)為固定。在這些具體實施例的一些中，△4(r)=0%。在核心區段22的折射率中△1(r)0%。在一些具體實施例中，填充孔隙的區域26的相對折射率輪廓△2(r)具有負的折射率且絕對量值小於0.05%，且核心區域28的△2(r)可為(例如)正的或零。在至少一些具體實施例中，n1>n2且n3>n4。
在一些具體實施例中，覆層40的折射率為-0.05%<△4(r)<0.05%。在其他具體實施例中，覆層40與核心部分部分20、26與28可包含純的(未摻雜)矽。
在一些具體實施例中，覆層40包含純的或摻雜氟的矽。在一些具體實施例中，覆層40包含純的低折射率高分子材料。在一些具體實施例中，奈米結構區域26包含包含複數個孔隙32的純矽。較佳地，奈米結構區域26的最小相對折射率與平均等效相對折射率(考慮任何孔隙的存在)兩者皆小於-0.1%。孔隙(或孔隙32)可包含一或更多種氣體，諸如氬、氮、氧、氪或SO₂，或可為實質上無包含氣體的真空。然而，無論任何氣體的存在與否，奈米結構區域26中的平均折射率因為孔隙32的存在而降低。孔隙32可被隨機地或非週期性地放置在奈米結構區域26中，且在其他具體實施例中，孔隙被週期性地放置於奈米結構區域26中。
在一些具體實施例中，複數個孔隙32包含複數個非週期性放置的孔隙與複數個週期性放置的孔隙。
在範例具體實施例中，核心區段22包含摻雜鍺的矽，核心內側環形區域28包含純矽，且覆層環形區域40包含玻璃或低折射率高分子材料。在這些具體實施例中的一些中，奈米結構區域26包含複數個孔隙32於純矽中；且又於這些具體實施例的其他者中，奈米結構區域26包含複數個孔隙32於摻雜氟的矽。
在一些具體實施例中，核心的外側半徑Rc大於10 μm且小於600 μm。在一些具體實施例中，核心的外側半徑Rc大於30 μm及/或小於400 μm。例如，Rc可為125 μm至300 μm。在其他具體實施例中，核心20的外側半徑Rc(請注意到在圖示於第3A圖中的具體實施例中，Rc=R3)大於50 μm且小於250 μm。核心20的中央部分22的半徑位於0.1RcR₁ 0.9Rc範圍內，較佳地為0.5RcR₁ 0.9Rc。奈米結構環區域26的寬度W2較佳地為0.05RcW20.9Rc，較佳地為0.1RcW20.9Rc，且在一些具體實施例中為0.5RcW20.9Rc(較寬的奈米結構區域給予較高的由散射引發的衰減，對於相同密度的奈米尺寸結構而言)。實心玻璃核心區域28的寬度Ws=W3，而使0.1Rc>W3>0.9Rc。核心20的每一區段包含以矽為基礎的玻璃。奈米結構區域26的徑向寬度W₂較佳地大於1 μm。例如，W₂可為5 μm至300 μm，且較佳地為200 μm或更少。在一些具體實施例中，W₂大於2 μm並小於100 μm。在其他具體實施例中，W₂大於2 μm並小於50 μm。在其他具體實施例中，W₂大於2 μm並小於20 μm。在一些具體實施例中，W₂為至少7 μm。在其他具體實施例中，W₂大於2 μm並小於12 μm。核心區域28的寬度W₃為(R3-R2)且W₃的中點R_3MID為(R2+R3)/2。在一些具體實施例中，W₃大於1 μm並小於100 μm。
光纖12的數值孔徑(NA)較佳地等於或大於將光導入光纖的光源的NA。較佳地，光纖12的數值孔徑(NA)大於0.2，在一些具體實施例中大於0.3，且又更佳為大於0.4。
在一些具體實施例中，第一核心區域22的核心外側半徑R1較佳地不小於24 μm且不多於50 μm，亦即核心半徑位於約48 μm與100 μm之間。在其他具體實施例中，R1>24微米；在又其他具體實施例中，R1>30微米；在又其他具體實施例中，R1>40微米。
在一些具體實施例中，對於環形內側部分26的徑向寬度的50%以上而言，|△₂(r)|<0.025%，而在其他具體實施例中，對於區域26的徑向寬度的50%以上而言，|△₂(r)|<0.01%。在覆層首先到達小於-0.05%的值時，凹陷折射率環形部分26開始，並徑向地從中線朝外伸展。在一些具體實施例中，覆層40具有相對折射率輪廓△4(r)，相對折射率輪廓△4(r)的最大絕對量值小於0.1%，且在此具體實施例中△4_MAX<0.05%且△4_MIN>-0.05%，且凹陷折射率環形部分26在抵達最外側的孔隙時終止。
覆層結構40延伸至半徑R4，半徑R4亦為光纖的最外側邊緣。在一些具體實施例中，覆層寬度R4-R3大於20 μm；在其他具體實施例中R4-R3為至少50 μm，且在一些具體實施例中R4-R3至少70 μm。
在另一具體實施例中，整體核心20具有奈米結構(例如填充孔隙)，且核心20被覆層40圍繞。核心20可具有「階梯」形的折射率差，或可具有階化的核心輪廓，且α輪廓具有(例如)約於1.8與2.3之間的α值。
在一個示例性具體實施例中形成對用以形成光纖12的光學預製件(未圖示)的準備，其中將470公克的SiO₂(密度為0.5 g/cc)經由外側氣相沈積(OVD)沈積至完全固結的長度1 m、直徑20 mm的純矽無孔隙核心桿，產生包含固結無孔隙矽核心區域的預製件組件(有時稱為預製件或光學預製件)，固結無孔隙矽核心區域被粉塵矽區域圍繞。此預製件組件的粉塵覆層隨後被如下述般燒結(sinter)。首先將預製件組件在1100℃的爐的上區部分中在包含氦與3%氯的氣體中乾燥兩小時(所有的氣體百分比為容積百分比)，隨後以200 mm/min(對應於在下驅製程(downdrive process)中粉塵預製件外側約100℃/min的溫度提昇)下驅通過設於約1500℃於100%SO₂(容積)燒結氣體中的熱區(hot zone)。隨後，預製件組件被以100 mm/min速率(對應於在下驅製程期間粉塵預製件外側約50℃/min的溫度提昇)再次下驅(亦即第二次)通過熱區。隨後，預製件組件被以50 mm/min速率(對應於在下驅製程期間粉塵預製件外側約25℃/min的溫度提昇)再次下驅(亦即第三次)通過熱區。隨後，預製件組件被以25 mm/min速率(對應於在下驅製程期間粉塵預製件外側約12.5℃/min的溫度提昇)再次下驅(亦即第四次)通過熱區，而最終以6 mm/min(約為12.5℃/min的加熱速率)燒結，以將粉塵燒結入SO₂種晶矽上覆預製件。在每一下驅步驟之後，預製件組件被以200 mm/min上驅進爐的上區部分(上區部分保持設定為1100℃)。採用第一系列的較高下饋(downfeed)速率以將光纖預製件外側擦光，此協助將氣體陷入預製件中。預製件隨後被放置於經氬氣沖洗的固持爐(設於1000℃)，以排出預製件中任何剩餘的氦。此預製件隨後被再拉入氬氣氣體中於傳統石墨再拉爐(設於約1700℃)上，進入無孔隙SiO₂核心、SO₂種晶(亦即，包含非週期性地放置的孔隙(包含SO₂氣體))矽上覆桿(直徑為10 mm，長度為1 m)。
10 mm桿之一者被放回車床中，在車床處經由OVD沉積190公克的額外SiO₂(密度為0.52 g/cc)粉塵。對於此組件的此覆層的粉層(可稱為上覆(overcladding))隨後被如下述般燒結。組件首先在由氦與3%氯所組成的氣體中於1100℃乾燥兩小時，隨後以5 mm/min下驅通過設於1500℃於100%氦(容積)氣體中的熱區，以將粉塵燒結至包含鍺的無孔隙矽核心矽SO₂種晶環(亦即具有包含SO₂的孔隙的矽)與無孔隙上覆預製件。預製件隨後被放置於經氬氣沖洗的固持爐(設於1000℃)24小時，以排出預製件中任何剩餘的氦。光纖預製件在約1900℃至2000℃於氦氣體中，在石墨阻抗爐(graphite resistance furnace)上被拉成3 km長、直徑125微米的光纖。由監視並控制光纖張力，來控制光學預製件的溫度；在此具體實施例中光纖張力被保持在30與600 g之間的一值處，在每一光纖管拉伸部分(例如3 km長)期間。光纖在拉伸製程期間被塗上以矽為基礎的低折射率塗層。
另一如上述之10 mm無孔隙矽核心SO₂種晶上覆桿(亦即第二桿)被利用來生產(例如)圖示於第4B圖中的光纖預製件與光纖。更特定而言，第二10 mm無孔隙矽核心SO₂種晶上覆桿被放回車床中，在車床處經由OVD沉積3750公克的額外SiO₂(密度為0.67 g/cc)粉塵。對於此組件的此覆層的粉層(可稱為上覆)隨後被如下述般燒結。組件首先在由氦與3%氯所組成的氣體中於1100℃乾燥兩小時，隨後以5 mm/min下驅通過設於1500℃於100%氦(容積)氣體中的熱區，以將粉塵燒結至包含鍺的無孔隙矽核心矽SO₂種晶環(亦即具有包含SO₂的孔隙的矽)與無孔隙上覆預製件。所產生的光纖預製件隨後被放置於經氬氣沖洗的固持爐(設於1000℃)24小時，以排出預製件中任何剩餘的氦。最後，光纖預製件如上述被拉成5 km長、直徑125微米的光纖，並被塗上低折射率的高分子材料。
第3B圖示意圖示說明光纖12的另一示例性具體實施例。第3B圖的光纖12包含具有相對折射率△₁的核心20、放置在核心20上並圍繞核心20的奈米結構區域26’。核心20可具有「階梯形」折射率輪廓或階化核心輪廓，且α輪廓具有(例如)約於1.8與2.3之間的α值。
在此示例性具體實施例中(見第3B圖)，奈米結構區域26’為具有複數個孔隙32的孔環(annular ring)。在此具體實施例中，區域26’寬度可小至1-2 μm，並可具有負的平均相對折射率△₂。覆層40圍繞奈米結構區域26’。覆層40的(徑向)寬度可小至1 μm，且覆層可具有負的、正的或0%相對折射率(相對於純矽)。
第3A圖與第3B圖範例之間的主要差異，為第3A圖所示中的奈米結構區域位於核心20，而在第3B圖中奈米結構區域位於核心/覆層界面處。凹陷折射率環形部分26’開始於核心相對折射率首先抵達小於-0.05%的一值處，並徑向地從中線朝外伸展。在第3B圖的具體實施例中，覆層40具有相對折射率輪廓△3(r)，相對折射率輪廓△3(r)具有小於0.1%的最大絕對量值，且在此具體實施例中△3_MAX<0.05%且△3_MIN>-0.05%，而凹陷折射率環形部分26結束在最外側的孔隙出現在填充孔隙區域之處。
在第3B圖所圖示的具體實施例中，核心20的折射率大於環形區域26’的折射率n2，且覆層40的折射率n1亦大於折射率n2。
第3C圖為代表實際被生產的光纖的光纖12的範例核心20的示意截面圖。亦參照第2圖，第3C圖的核心20具有第一核心區域22(具有約33.4 μm的外側半徑R1)、奈米結構區域26(外側半徑R2=42.8 μm)、第三核心區域28(外側半徑R3=62.5 μm)、以及高分子材料覆層40(見第2圖)(外側半徑R4(未圖示)為82.5 μm)。在此具體實施例中，核心的材料為純矽(未摻雜的矽)，覆層的材料為低折射率高分子材料(例如，具有1.413反射率的可UV固化矽氧樹脂，可從美國密西根州Midland市的Dow-Corning取得(產品名稱Q3-6696))，連同玻璃核心而使光纖NA為0.3。光纖12對波長的依賴性相對為扁平(弱)，與標準單模傳輸光纖相較之下，諸如(例如)SMF-28e^R光纖，如呈現於第4B圖。在標準單模(諸如SMF-28e^R)或多模光纖中，在小於1300 nm的波長處的損耗係由瑞利散射所支配。這些瑞利散射損耗係由材料性質決定，且對於可見光波長(400-700 nm)通常為約20 dB/km。瑞利散射損耗的波長依賴性與λ^-p成比例，且p4。在包含至少一個奈米結構區域的光纖中的波長相依散射損耗的指數為小於2，較佳地小於1，在400 nm至1100 nm波長範圍中的至少80%上(例如大於90%)。從400 nm至1100 nm的平均頻譜衰減，在光纖被以40 g張力拉伸時為約0.4 dB/m，且在光纖12被以90 g張力拉伸時為約0.1 dB/m。在此具體實施例中，奈米尺寸結構包含SO₂氣體。申請人已發現，奈米結構環中填充SO₂的孔隙大大地提供了散射。再者，在SO₂氣體被用以形成奈米結構時，已發現此氣體允許獲得熱可逆(thermally reversible)的損耗，亦即在600℃以下奈米結構光線散射光，但在600℃以上相同的光纖將引導光。SO₂所給予的此獨特行為亦為可逆：在相同的光纖冷卻於600℃以下時，光纖12將如光擴散光纖般，且將再次產生可見的散射效應。
在較佳的具體實施例中，沿著光纖長度的照明均勻度被控制，而使最小散射照明密度不小於最大散射照明密度的0.7，藉由在拉伸製程期間控制光纖張力；或藉由選擇適當的拉伸張力(例如，在30 g與100 g之間，或在40 g與90 g之間)。
因此，根據一些具體實施例，製成光纖12以控制沿著光纖長度的照明均勻度的方法(其中最小散射照明密度不小於最大散射照明密度的0.7)，包含在拉伸製程期間控制光纖張力的步驟。
奈米尺寸結構32在光纖12的存在(見第2圖)，由於光學散射而產生損耗，且散射通過光纖外側表面的光可被用於照明目的。第4A圖為第3C圖光纖(具有填充了SO₂氣體的孔隙的光纖)之衰減(損耗；dB/m)相對於波長(nm)的圖表。第4A圖圖示說明(i)光纖12可在可見光波長範圍達成非常大的散射損耗(且因此可提供高照明密度)。光纖12的散射損耗對波長的相依性亦為弱(L_s與1/λ^-p成比例，其中p小於2，更佳地為小於1，且又更佳地為小於0.5)，相較於一般的125 μm階化折射率核心多模比較性光纖A(光纖A為不具有奈米結構區域的階化折射率多模光纖，在可見光波長範圍內具有約0.02 dB/m的瑞利散射損耗，或在500 nm波長處具有約20 dB/km的瑞利散射損耗，以及相對強的波長相依性1/λ⁴)。對光纖12的張力的效應亦圖示說明於第4A圖至第4B圖。更特定而言，第4A圖至第4B圖圖示說明，較高的光纖拉伸張力產生較低的散射損耗，且較高的光纖拉伸張力產生具有較高散射損耗的光纖區段(亦即較強的照明)。
第4A圖繪製在不同光纖張力90 g與400 g之光纖12(核心中有孔隙)的衰減(對波長的函數)。第4B圖繪製在不同光纖張力90 g與40 g之不同的光擴散光纖12、具有標準化損耗的比較性多模光纖(光纖A)、以及具有1/λ損耗相依性的理論性光纖的衰減(對波長的函數)。注意到，第4B圖的圖形說明損耗的波長相依性。在此範例中，為了比較光纖12與光纖A的散射的斜率，低損耗光纖(光纖A)的損耗被乘以20之因子，而使兩個圖表能被輕易圖示在相同的圖式上。
不被任何特定的理論所限制，相信在拉伸張力下降時(例如從90 g至40 g)，散射損耗的提昇係由奈米結構平均直徑的提昇所造成。因此，光纖張力的此效應可被用以產生沿著光纖長度的固定衰減(固定照明強度)，藉由在拉伸製程期間改變光纖張力。例如，以高張力T1拉伸的第一光纖區段(損耗為α₁ dB/m，長度為L1)，將使光學功率從輸入位準P0衰減至P0exp(-α₁ ^＊L1/4.343)。以較低張力T2拉伸之耦接至第一光纖區段的第二光纖區段(損耗為α₂ dB/m，長度為L2)，將進一步使光學功率從P0exp(-α₁ ^＊L1/4.343)衰減至P0exp(-α₁ ^＊L1/4.343)exp(-α₂ ^＊L2/4.343)。可調整第一與第二光纖區段的長度與衰減，以提供沿著連在一起的光纖長度的均勻強度。
光纖12的一個優點，為能夠沿著光纖12長度提供均勻照明的能力。第5圖圖示說明利用來自光源150的兩道經引導光線152，沿著光纖長度提供實質上均勻的照明的光纖12的設置。在此設置中，放置鏡子M於光纖12的末端14處。由光源150提供至光擴散光纖12輸入終端13的輸入光152，在光纖12中作為經引導光線152而傳播。未作為經散射光152S被散射出光纖12的經引導光線152部分(在第5圖中為了易於圖示說明，僅圖示此經散射光的一些部分)，被鏡子M反射並沿著光纖12的軸往回朝向光纖端13傳播。若光纖12的衰減與長度被適當地選擇，則提供回光源的光輸出功率係小於初始光功率的2%-5%。具有固定損耗分布(見第4A圖)的光纖的散射損耗強度，在光纖開始處可為較高且在光纖尾端處可為較弱。然而，若以經週期性地控制的張力拉伸光纖12(張力值相關於爐溫度，爐溫度可從1800℃變化至2100℃)而使散射損耗在光纖開始處較低(此處強度為高)，且在光纖尾端較高(此處強度較低)，則所產生的散射強度可被製成為較不為可變，或為固定(例如圖示於第6A圖中的範例C)。光纖拉伸張力可被控制並變化於(例如)40 g與400 g之間，因此提供廣泛的由散射引發的衰減(例如上至6次)。第5圖中的鏡子M亦可被第二光源替換，第二光源具有類似於第一光源的功率密度輸出(在2倍內，亦即於50%至200%的範圍中)，此不僅產生了更均勻的照明，而亦提昇了由光纖散射的光量。
本文所說明的照明系統的示例性具體實施例的一個態樣，為散射光強度的角度分佈在角度空間內為均勻或接近均勻。軸向地從光纖表面散射的光相對於平均散射強度的變異為小於50%，較佳地小於30%，較佳地小於20%，且又較佳地小於10%。在傳統以矽為基礎且不具有奈米尺寸結構的光纖中，支配的散射機制為具有廣角度分佈的瑞利散射。光纖12(其中由於奈米結構環中的孔隙而具有額外的散射損耗)可具有強的正向分量，如圖示於第6A圖中(具體實施例a與b)與第6B圖中(具體實施例a')。然而，此分佈可藉由在光擴散光纖12的塗層上方放置散射材料來校正。由包含以TiO₂為基礎的白墨水的塗層所製成的光纖12(見第6B圖具體實施例b')提供了顯著地較不偏向正向的經散射光角度分佈。使用額外的厚TiO₂墨水層(例如1-5 μm)，可能進一步減少正向散射分量，從而提昇角度強度分佈的均勻度。然而，如第7圖所圖示，若照明器設計可利用光學地耦接至向後反射鏡子M或額外光源150(見(例如)第5圖)，則即使光纖不具有以TiO₂為基礎的白墨水塗層，此配置仍提供相當平(亦即非常均勻)的角度散射強度(見第6A圖)。在一些具體實施例中，沿著光纖長度的墨水塗層的經控制變異(墨水塗層的厚度，或塗層中墨水濃度的變異)，將提供在以大角度(大於15度)從光纖散射出的光的強度中製成更均勻變異的額外方式。
在一些具體實施例中，墨水可為將經散射光轉換成較長光波長的螢光材料。在一些具體實施例中，可藉由將具有此種塗層的光擴散光纖12耦接至UV光源(例如405 nm或445 nm二極體雷射)，來使光纖12發出白光(擴散出外側表面)。在示例性具體實施例中的螢光白光的角度分佈為實質上均勻(例如在角度空間內為25%至400%、較佳為50%至200%、甚至較佳為50%至150%、或70%至130%、或80%至120%)。
照明系統配置
有效率地耦接至低成本光源150(諸如發光二極體(LEDs)或陽光)，需要具有高NA與高核心直徑的光纖12。使用類似於第2圖所圖示的設計，多模核心20的尺寸可被最大化，並可具有上至500 μm的半徑。覆層厚度可要小很多，例如約15-30 μm(例如約20 μm)。例如，根據一種具體實施例，複數個光擴散光纖12可捲繞於支撐結構，且每一光擴散光纖可被光學耦接至光源或複數個光源。複數個光纖12可被束在一起為以下之至少一者：條帶、條帶堆疊、或圓束。光纖束或條帶(亦即多重光纖的集合)亦可被設置為光源的形狀，以提昇耦接效率。典型的束/條帶結構可包含(例如)2至36個光纖12，或可包含上至數百個光纖12。纜線設計(為多重光纖的組件)係為眾所周知，並可包含條帶、多重光纖的集合、或集入管的光纖。此種光纖可包含一或更多個光擴散光纖12。
單一光纖
如下文所說明，耦接入光纖12的明亮連續光源150，可作為照明系統並用於不同應用中，諸如號誌、或顯示照明、或執行光反應。
若照明系統利用核心直徑為125至300 μm的單一光纖12，則多模雷射二極體可作為用以提供光進入光纖12的光源。構成第8A圖的照片圖示了使用具有反射性塗層將光導向一個方向的單一光纖12的示例性的照明固定架(顯示螢幕的明亮周邊照明器)。根據一些具體實施例，可在水性環境中利用單一或更多重光纖照明與光纖12，例如照明船塢、釣魚線或誘餌、以及相關的應用，在這些環境中高度需要光纖12的小型彈性尺寸，以及能夠安全地浸漬入水的能力。光纖12亦有用於出口照明、照明通道、發出紅外線輻射(用於室內偵測器)、或作為服裝中的串線以進一步增強穿戴者的可視性(特別是保護性/反射性服裝)。存在多種將光纖12使用於裝飾性照明的範例，但有一些範例被使用於器具照明與邊緣效應、汽車/航空器照明、或家用與家具照明。
第8B圖圖示說明生化生長系統98，以及用於生化生長系統中的範例照明系統100的範例具體實施例，其中生化腔室170的形式為具有內部172的燒瓶。光源150與光學耦接系統160經配置為將光152從光源耦接入低散射光傳導光纖12A的輸入終端13A。光傳導光纖12A具有(例如使用接合構件164)光學耦接至光纖12輸入終端13的輸出終端14A。在照明系統100中，光纖12作為第二光源並亦於下文稱為光源光纖。
在第8B圖的具體實施例中，光源光纖12係由單一反捲繞光纖所形成。注意到，光源光纖12可捲繞在支撐結構上以形成光源光纖部分，其中所引導的光從光纖外側表面散射出，以形成發出實質上均勻的輻射的延伸光源。光源光纖部分中的撓曲被形成為增強光纖12中的散射量。反捲繞至少一個光纖，藉由補償沿著光源光纖部分之降低的所發出輻射的效應，可提昇輻射的均勻度。可循序捲繞多重光纖12於支撐結構上，且每一光纖耦接至光源，此可用以形成延伸長度的光源。光纖12可經配置以適合多樣的生化腔室幾何形狀，並提供光於生化材料180的生化材料生長。生化材料可為(例如)藻(例如藻群體、藻華(algae blooms))或細菌(例如藍綠藻)。在範例具體實施例中，生化材料180可懸浮於支撐載體184中(諸如水)。
塗層
在範例具體實施例中，如上文連同第2圖所討論，光纖12可包含塗層44。在一種示例性具體實施例中，塗層44包含提供增進的濕附著的親水性塗層，諸如UV固化丙烯酸酯塗層。塗層可為可UV固化塗層，包含鄰接玻璃的低係數主要塗層(通常>3 MPa)與較高係數的第二塗層(通常>50 MPa)。較高係數第二塗層係鄰接主要(較低係數)塗層並位於主要塗層之上。亦可利用應用為單層塗層或多層塗層的層之其他或額外的塗層。此種材料的範例為作為細胞生長載體的親水性塗層44A(未圖示)，或包含材料以對逃出的光提供額外的散射的塗層。這些塗層亦可作為對於光纖12的保護層。
用於塗層44中的示例性親水性塗層44A，為常見地用於增進細胞元對表面的附著與成長的親水性塗層，並包含羧酸(carboxylic acid)機能性與胺(amine)機能性(例如包含丙烯酸或丙烯醯胺的配方)。此外，親水性塗層44A可由作為對生化材料生長為必要的養分的容器來增強。
在一些示例性具體實施例中，塗層44包含用以修改經輻射光的螢光或紫外線吸收分子。適合的上轉換或下轉換分子亦可被包含在塗層中，以產生具有與輸入光源不同的波長的光。亦可應用墨水塗層以改變所發出光的顏色或色調。其他塗層具體實施例，包含能夠對從光纖發出的光提供額外散射的分子。進一步的具體實施例可為包含光反應性觸媒於塗層上，光反應性觸媒可用以提昇光反應的速率。此種觸媒的一個範例為作為光觸媒的金紅石TiO₂。
根據一些具體實施例，光纖12可被封入高分子材料、金屬、或玻璃的覆蓋層(或塗層)內，其中該塗層(或覆蓋層)具有大於250 μm的最小外側尺寸(例如直徑)。若光纖具有金屬塗層，則金屬塗層可包含開放區段，以允許光被選擇性地導入給定區域。這些額外塗層或覆蓋層亦可包含額外的複合物，以由與上文所述對於塗在光纖上的塗層所相同的方式，改變所發出的光或觸媒反應。
如上文所述，光纖12可包含放置在光纖外側表面上的親水性塗層。又，可放置螢光族(例如紫外線吸收材料)、以及能夠對所發出光提供額外散射的分子於光纖塗層中。根據一些具體實施例，光源耦合至光纖12的光源產生在200 nm至500 nm波長範圍中的光，且光纖塗層中的螢光材料(螢光族)產生白、綠、紅或NIR(近紅外線)光。
再者，可在光纖外側表面上提供額外的塗層。此層可經配置為修改所輻射的光，改變塗層材料的交互作用。此種塗層的範例可為分別包含諸如(但不限於)聯聚(二丙烯胺二甲磺酸)、鄰硝基苯族、或偶氮苯偶族的塗層。
示例性照明系統配置
照明系統的一些示例性具體實施例包含：(i)產生光152的光源150，光152具有至少一個在200 nm至2000 nm範圍內的波長λ；以及(ii)至少一個光擴散光纖12。光纖12包含具有核心、覆層、與複數個奈米尺寸結構32，複數個奈米尺寸結構32放置於核心內或核心與覆層邊界處。此光纖進一步包含外側表面，且此光纖的至少一個終端光學耦接至光源。如上文所說明，光擴散光纖12經配置以經由遠離核心的奈米尺寸結構(諸如孔隙)，將所引導的光152G散射通過外側表面以形成光源光纖部分，光源光纖部分在光源光纖部分的長度上發出實質上均勻的輻射。光擴散光纖12對於200 nm至2000 nm範圍內的一或更多個波長(例如400-700 nm，或1 μm至2 μm)具有大於50 dB/km之由散射引發的衰減。光纖12中可形成複數個撓曲，以優先地在所指定區域內經由奈米尺寸結構32使光散射出核心20並通過外側表面。較佳地，所散射光的照明強度的偏差小於沿著長度的最大散射照明強度的30%。
根據一些具體實施例，由散射引發的衰減在100 dB/km與6000 dB/km之間，或者更高。在一些具體實施例，由光纖12的散射所造成的衰減，對於位於200 nm至2000 nm範圍內的一或更多個波長而言為6000 dB/km至20000 dB/km。根據一些具體實施例，光纖12的長度在0.5 m與100 m之間，且由散射引發的衰減，對於位於200 nm至2000 nm範圍內的一或更多個波長而言為在300 dB/km與5000 dB/km之間，及/或大於3 dB/光纖長度。
在其他具體實施例中，光纖12的長度為0.1 m與0.5 m之間，且由散射引發的衰減對於位於200 nm至2000 nm範圍內的一或更多個波長而言，為5000 dB/km與20000 dB/km之間。較佳地，奈米尺寸結構32為填充氣體的孔隙(例如填充SO₂的孔隙)，且直徑大於10 nm，較佳地大於50 nm，更較佳地大於100 nm。較佳地，光纖覆層為玻璃或高分子材料，且厚度至少為20 μm。覆層連同該核心提供0.2或更大的NA。如上文所說明，沿著光纖長度的照明均勻度(為約離最大強度30%，且較佳地為約離最大強度20%內，且又較佳地為約離最大強度10%內)，可由在拉伸製程期間內控制光纖張力來達成。如先前討論，照明均勻度可由利用反射器來進一步的改進，反射器耦接至相對於耦接至光源之光纖終端的光纖終端。
因此，根據一些具體實施例，光擴散光纖12包含至少部分地填充用於散射光的奈米結構的核心、圍繞核心的覆層、以及至少一個圍繞覆層的塗層。例如，核心與覆層可被主要塗層與第二塗層圍繞，及/或被墨水層圍繞。在一些具體實施例中，墨水層包含色料(pigment)以提供額外的吸收，並修改由光纖散射的光的頻譜(例如提供額外顏色給所擴散的光)。在其他具體實施例中，塗層的一或更多者包含將傳播通過光纖核心的光的波長轉換的分子，而使從光纖塗層析出的光(由光纖擴散的光)位於不同的波長。在一些具體實施例中，墨水層及/或塗層可包含燐光質(phosphor)，以將來自核心的所散射光轉換成不同波長的光。在一些具體實施例中，燐光質及/或色料散布(disperse)於主要塗層中。在一些具體實施例中，色料被散布在第二塗層中，在一些具體實施例中色料被散布在主要塗層與第二塗層中。在一些具體實施例中，燐光質及/或色料被散布在高分子材料覆層中。較佳地，奈米結構為填充SO₂的孔隙。
根據一些具體實施例中，光纖12包含主要塗層、圍繞主要塗層的可選第二塗層及/或墨水層(例如直接位於覆層上，或在塗層之一者上)。主要塗層及/或第二塗層可包含以下之至少一者：色料、燐光質、螢光材料、UV吸收材料、親水性材料、光修改材料、或以上之組合。
複數個光擴散光纖12可一起被束在以下之至少一者中：條帶、條帶堆疊、或圓束。光纖束或條帶(亦即多重光纖的集合)亦可被設置於光源的形狀，以提昇耦接效率。典型的束/條帶結構可包含(例如)2至36條光擴散光纖12，或可使用光纖過堆疊(overstacking)而包含上至數百條光纖12。
如上文所述，光纖可包含放置在光纖外側表面上的親水性塗層。或者，可在光纖條帶外側表面上放置親水性塗層。條帶亦可被設置於光源的形狀，以在光擴散光纖12與光源之間提供更佳的耦接。條帶結構所帶來的優點為可不需要捲繞個別光纖，因為條帶可形成撓曲結構(諸如波紋、螺旋、或旋渦)，從而允許光散射入所需的區域。再者，使用多重光纖條帶，提供了大條帶堆疊的可能性。此種條帶堆疊將提供更濃縮的光量，且亦打開了使用不同光源的可能性，諸如紅雷射、陽光、發光二極體、或點引導光源(guidance of point light source)。例如，根據一種具體實施例，可將複數個光擴散光纖12光學耦接至單一光源或複數個光源，同時光擴散光纖12被一起束在以下之至少一者中：條帶、條帶堆疊、或圓束。再者，可將光擴散光纖12束(或條帶)藉由傳輸光纖連接至光源，傳輸光纖能夠以最小損耗將光導向光擴散光纖。前一配置可被期望為對遠端照明應用非常有用，其中從遠離所要傳遞光至的區域的來源收集光。
根據一些具體實施例，光擴散光纖包含：1)核心、覆層、以及位於該核心內或在核心-覆層邊界處的複數個奈米尺寸結構，光纖進一步包含外側表面且經配置以(i)經由該奈米尺寸結構將所引導的光散射出核心並通過外側表面，(ii)在照明波長處的由散射引發的衰減大於50 dB/km；以及2)一或更多個塗層，而使覆層或至少一個塗層包含燐光質或色料。根據一些具體實施例，這些色料可能夠改變光波長，而使由光纖外側表面提供的照明(所擴散光)的波長，與傳播通過光纖核心的光的波長不同。較佳地，奈米結構為填充SO₂的孔隙。
根據一些具體實施例，光擴散光纖包含：核心、覆層、以及位於該核心內或在核心-覆層邊界處的複數個奈米尺寸結構。光纖進一步包含外側表面且經配置以(i)經由該等奈米尺寸結構將所引導的光散射出核心並通過外側表面，(ii)在照明波長處的由散射引發的衰減大於50 dB/km；其中核心整體包含奈米尺寸結構。此種光纖可可選地包含至少一個塗層，而使覆層或至少一個塗層包含燐光質或色料。根據一些具體實施例，奈米結構為填充SO₂的孔隙。
根據一些具體實施例，光擴散光纖12包含：核心(例如玻璃核心)以及位於該核心內的複數個奈米尺寸結構，而使核心整體包含奈米結構，光纖進一步包含外側表面且經配置以(i)經由該等奈米尺寸結構將所引導的光散射出核心並通過外側表面，(ii)在照明波長處具有大於50 dB/km的由散射引發的衰減，其中光纖不包含覆層。根據一些具體實施例，奈米結構為填充SO₂的孔隙。在奈米結構區域中的填充SO₂的孔隙提供了大量的散射(增進散射)。
根據一些具體實施例，光擴散光纖包含：核心(例如玻璃核心)，以及位於該核心內的複數個奈米尺寸結構，而使核心整體包含奈米結構，該光纖進一步包含外側表面且經配置以(i)將所引導的光經由該等奈米尺寸結構散射出核心並通過外側表面，(ii)在照明波長處的由散射引發的衰減大於50 dB/km，其中該光纖不包含覆層。根據一些具體實施例，光纖包含至少一個塗層，而使覆層或塗層包含燐光質或色料。根據一些具體實施例，奈米結構為填充SO₂的孔隙。如上文所述，在奈米結構區域中的填充SO₂的孔隙提供了大量的散射(增進散射)。
額外的示例性照明系統配置
第9A圖為類似於第8B圖的照明系統的範例照明系統200的側視圖。低散射光傳導光纖12A在終端13A處經由光學耦接系統160光學耦接至光源150，光學耦接系統160可例如為光纖連接器。低散射光傳導光纖12A的終端14A使用(例如)圖示的接合構件164以光學耦接至光擴散光纖12的輸入終端13。低散射光纖12亦具有相對於輸入終端13的終端14。光源150發出光152，光152作為經引導光152G行進於光纖12A與12中。行進在光擴散光纖12中的經引導光152G作為經散射光152S散射出光纖。光擴散光纖12可經配置為捲繞線圈(如第8B圖所圖示)，或可經配置為任何可接受的形狀。在一種範例中，將鏡子M光學耦接至光擴散光纖12的終端14，如第5圖所圖示。在一種範例中，照明系統200包含光學隔離器168，光學隔離器168經設置於低散射光傳導光纖12A中，以防止經散射光152S或經引導光152G返回光源150(例如藉由被鏡子M反射)。
第9B圖類似於第9A圖，並圖示採用多重低散射光傳導光纖12A，以及分別光學連接至多重低散射光傳導光纖12A的多重光擴散光纖12的照明系統200範例。
第10A圖為類似於第9A圖的另一範例照明系統200，但其中光擴散光纖12為弧形，例如形成迴圈。第10B圖類似於第10A圖且進一步包含光學耦接至光擴散光纖12終端14的鏡子M，以及在低散射光傳導光纖12A中的可選光學隔離器168。
第10C圖類似於第10A圖與第10B圖，並圖示說明照明系統200的一種具體實施例，其中將光擴散光纖12的終端13與14光學耦接至光學耦接器170的各別的埠(未圖示)。再者，低散射光傳導光纖12A的終端14A連接至光學耦接器170的一埠(未圖示)。在此配置中，行進於低散射光傳導光纖12A中的經引導光152G進入光學耦接器170，並分離以在光擴散光纖12中以相對的方向行進。
第11圖圖示說明類似於第10C圖的照明系統200的範例具體實施例，其中兩個光源150與低散射光傳導光纖12A的各別區段，經配置為提供反向傳播的經引導光102G，經引導光102G在光擴散光纖12中產生經散射光152S。
第12A圖為類似於第9A圖的照明系統200的範例具體實施例的側視圖，但其中光源150包含多重光源元件151。為了圖示說明之目的，圖示了三個此種光源元件151-1、151-2與151-3，其中光源元件各別發出波長λ1、λ2與λ3的光152。λ1、λ2、與λ3的範例波長可分別為紅、藍與綠。
將每一光源元件151光學耦接至各別的低散射光傳導光纖12A，低散射光傳導光纖12A相應地被光學耦接至各別的光擴散光纖12。因此，第12A圖的照明系統200可提供為在多重波長的經散射光152形式的照明(例如經散射光152S1、152S2與152S3)。
第12B圖類似於第12A圖，並圖示說明範例具體實施例，其中將低散射光傳導光纖12A撓曲，而使對應的光擴散光纖可從選定位置提供經散射光152S，例如從相間隔的位置。在一種範例中，照明系統200包含相對於光擴散光纖區段12而設置的反射構件172，而使來自光擴散光纖區段12的經散射光152S被對應的反射構件反射於所需的方向。反射構件172可具有任何可接受的形狀，例如平或彎曲，如提供特定反射類型所需要者。反射構件172亦可為鏡面反射性或漫射性。
第13A圖為範例照明系統200的截面圖，範例照明系統200包含光源150、光學耦接系統160、光學連接至光學耦接系統160的低散射光傳導光纖12A、以及光學連接至低散射光傳導光纖的光擴散光纖12。光擴散光纖12包含光源光纖部分12'，光源光纖部分12'的至少一區段為捲繞配置，類似於第8B圖中所圖示的捲繞配置。照明光學系統200亦包含凹面鏡220，凹面鏡220具有反射性凹表面222、由焦點FP所識別的焦長F、以及光軸A1，焦點的位置係沿著光軸A1。光源光纖部分12'的位置實質上位於焦點FP(亦即，在焦點FP或接近焦點FP)。此允許來自捲繞光源光纖部分12'的經散射光152S的一部分被凹面鏡表面222收集，並從凹面鏡表面222反射為實質上的準直光。在一種範例中，將鏡子M放置於光擴散光纖12的終端14，以提昇抵達凹面鏡表面220的經散射光152S的量，相較於不具有終端鏡子M。
第13B為另一範例照明系統200的截面圖，另一範例照明系統200包含圓柱形凹面鏡220，其中光擴散光纖12的束12B大體上沿著凹面鏡的焦線FPL運行。此配置形成經散射光152S光束，經散射光152S光束準直於相關於圓柱形鏡子220的曲度平面(亦即光學功率)的方向。
應瞭解到，前述說明僅為本發明的示例，且意為提供概觀以期瞭解對如由申請專利範圍所界定的本發明的本質與特性。所包含的附加圖式提供對本發明的進一步瞭解，並被併入而構成本說明書的一部分。圖式圖示說明本發明的各種特徵與具體實施例，這些特徵與具體實施例與相關的說明解釋了本發明的原理與操作。熟習本發明領域技藝者將顯然明瞭，可對本文所說明的本發明較佳具體實施例進行各種修改，而不脫離如由附加申請專利範圍所界定的發明精神與範圍。
12‧‧‧光擴散光纖
13‧‧‧輸入終端
13A‧‧‧輸入終端
14‧‧‧終端
14A‧‧‧輸出終端
A1‧‧‧光軸
M‧‧‧鏡子
F‧‧‧焦長
FP‧‧‧焦點
150‧‧‧光源
152G‧‧‧經引導光
152S‧‧‧經散射光
160‧‧‧光學耦接系統
164‧‧‧接合構件
220‧‧‧凹面鏡
222‧‧‧反射性凹表面

权利要求:
Claims (20)
[1] 一種照明系統，該照明系統包含：至少一個光源，該至少一個光源產生具有在200 nm與2000 nm之間的至少一個波長的光；至少一個低散射光傳導光纖，該至少一個低散射光傳導光纖具有一輸入終端與一輸出終端，該輸入終端光學耦接至該至少一個光源，且該至少一個低散射光傳導光纖經配置以將由該至少一個光源所接收的該光，作為經引導光而提供給該輸出終端；以及至少一個光擴散光纖，該至少一個光擴散光纖具有一玻璃核心、圍繞該核心的一覆層、以及位於該核心內或在一核心-覆層邊界處的複數個奈米尺寸結構，且該至少一個光擴散光纖進一步包含一外側表面以及一輸入終端，該至少一個光擴散光纖的該輸入終端係光學耦接至該至少一個低散射光傳導光纖的該輸出終端，其中該至少一個光擴散光纖經配置以從該低散射光傳導光纖接收該經引導光，並經由該等奈米尺寸結構將該經引導光散射出該玻璃核心並通過該外側表面，以形成一光源光纖部分，該光源光纖部分具有一長度，該經散射光在該長度上持續地發出。
[2] 如請求項1所述之照明系統，其中該至少一個光擴散光纖具有複數個撓曲，該複數個撓曲係形成於該至少一個光擴散光纖之中，以優先地經由該等奈米尺寸結構將該經引導光散射出該玻璃核心並通過該外側表面。
[3] 如請求項1所述之照明系統，該照明系統進一步包含：該至少一個光擴散光纖具有一輸出終端，且該照明系統進一步包含耦接至該輸出終端的至少一個鏡子，以反射該經引導光而使該經引導光往後朝向該至少一個光源行進過該至少一個光擴散光纖。
[4] 如請求項1所述之照明系統，該照明系統進一步包含一圓柱形鏡子，該圓柱形鏡子具有一焦線，且其中該光源光纖部分係大體上沿著該焦線設置。
[5] 如請求項1所述之照明系統，其中該光源光纖部分包含一捲繞區段。
[6] 如請求項5所述之照明系統，該照明系統進一步包含一鏡子，該鏡子具有一焦點，且其中該捲繞區段實質上係放置於該焦點處。
[7] 如請求項1所述之照明系統，該照明系統進一步包含：該光源光纖部分包含一迴圈區段。
[8] 如請求項1所述之照明系統，其中：該至少一個光源包含產生第一光與第二光的第一光源與第二光源；該至少一個低散射光傳導光纖包含分別連接至該第一光源與該第二光源的第一低散射光傳導光纖與第二低散射光傳導光纖；且該至少一個光擴散光纖係光學連接至該第一低散射光傳導光纖與該第二低散射光傳導光纖，而使該第一光與該第二光作為第一經引導光與第二經引導光以相對的方向行進通過該至少一個光擴散光纖。
[9] 如請求項1所述之照明系統，其中該至少一個光擴散光纖為多模，且該至少一個光擴散光纖包含以下之至少一者：(i)該玻璃核心具有大於50 μm且小於500 μm的一直徑；以及(ii)一數值孔徑NA，其中NA>0.2。
[10] 如請求項1所述之照明系統，其中該至少一個光擴散光纖包含複數個光擴散光纖，該複數個光擴散光纖被一起束在以下之至少一者中：一條帶、條帶堆疊、與一圓束。
[11] 如請求項1所述之照明系統，該照明系統進一步包含放置在該至少一個光擴散光纖上的一螢光成分與一散射成分的至少一者，而使該經散射光在該長度上具有一實質上均勻的強度。
[12] 一照明系統，該照明系統包含：至少一個光源，該至少一個光源產生光；至少一個低散射光傳導光纖，該至少一個低散射光傳導光纖具有一輸入終端與一輸出終端，該輸入終端光學耦接至該至少一個光源，且該至少一個低散射光傳導光纖經配置以將由該至少一個光源所接收的該光，作為經引導光而提供給該輸出終端；至少一個光擴散光纖，該至少一個光擴散光纖具有一玻璃核心、一圍繞覆層、以及位於該玻璃核心內或在一核心-覆層邊界處的複數個奈米尺寸結構，且該至少一個光擴散光纖進一步包含一外側表面以及一輸入終端，該至少一個光擴散光纖的該輸入終端係光學耦接至該至少一個低散射光傳導光纖的該輸出終端，以接收並引導來自該至少一個低散射光傳導光纖的該經引導光；以及其中該至少一個光擴散光纖經配置以在一長度上經由該等奈米尺寸結構，將行進於該至少一個光擴散光纖中的該經引導光散射通過該外側表面，且該經散射光在該長度上持續地發出。
[13] 如請求項12所述之照明系統，該照明系統進一步包含：該至少一個光擴散光纖具有一輸出終端，在該輸出終端處可操作地放置一鏡子以反射該經引導光，而使該經引導光以往後朝向該光源的一方向行進。
[14] 如請求項12所述之照明系統，該照明系統進一步包含：該至少一個光源包含分別發出第一光與第二光的第一光源與第二光源，其中該第一光源與該第二光源係光學耦接至一個光擴散光纖，而使該光擴散光纖中的該第一光與該第二光以相對的方向行進。
[15] 如請求項12所述之照明系統，該照明系統進一步包含一鏡子，該鏡子具有一焦點或一焦線，且其中該光源光纖部分係設置為實質上位於該焦點處或大體上沿著該焦線。
[16] 如請求項12所述之照明系統，該照明系統進一步包含：該光源光纖部分包含一迴圈區段。
[17] 如請求項12所述之照明系統，其中該至少一個光擴散光纖為多模，且該至少一個光擴散光纖包含以下之至少一者：(i)該玻璃核心具有大於50 μm且小於500 μm的一直徑；以及(ii)一數值孔徑NA，其中NA>0.2。
[18] 一種執行來自發出光之一光源的照明的方法，該方法包含以下步驟：將來自該光源的該光作為經引導光，透過一低散射光傳輸光纖傳導至一光擴散光纖；且該光擴散光纖具有一長度、一玻璃核心、界定一核心-覆層邊界的一圍繞覆層、一外側表面、以及奈米尺寸結構，該等奈米尺寸結構放置於該玻璃核心內或在該核心-覆層邊界處，且該等奈米尺寸結構經配置以將行進於該光擴散光纖中的該經引導光散射出該玻璃核心並從該外側表面穿出，以在該光擴散光纖的該長度上形成持續地發出的經引導光。
[19] 如請求項18所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：在該光擴散光纖上放置一螢光成分與一散射成分的至少一者，而使該經散射光具有一實質上均勻的強度。
[20] 如請求項18所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：將行進於該光擴散光纖內的該引導光的至少一部分，反射為往後朝向該光源行進。

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法律状态:

优先权:

申请号 | 申请日 | 专利标题

US13/269,055|US8805141B2|2011-10-07|2011-10-07|Optical fiber illumination systems and methods|

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