[发明专利]三层包覆光纤和具有三层包覆光纤的装置

说明书

背景

本申请要求2010年2月24日提交的美国申请系列第12/711,671号的优先权权益。

技术领域

本发明涉及三层包覆光纤以及使用三层包覆光纤的装置，且更具体地涉及具有高数值孔径内包层的三层包覆光纤，和利用这种三层包覆光纤的内窥镜。

背景技术

使用二光子荧光处理的内窥镜、尤其是非直线光学内窥镜已经作为在采样和/或对象上进行荧光显微镜检查的最佳非侵入装置之一出现。非直线光学内窥镜利用用光纤照射到目标上的源或激励激光束。激励激光束与目标之间的相互作用使目标材料由于二光子吸收而发荧光或发光，荧光或发光用光纤收集回到内窥镜进行进一步分析、成像、分光等。与单光子显微镜检查相比，二光子荧光显微镜检查提供固有的光学断层特性、更大的穿透深度和灵活的光谱可达性。

利用二光子荧光处理的非直线光学内窥镜的关键部件之一是用在内窥镜中的光纤。尽管标准单模光线可用在内窥镜中以将激励激光束传送到所关注的目标，但这些光纤不适于将由目标发射的光信号收集回内窥镜进行进一步分析、成像、分光等。这主要是由于标准单模光纤的低数值孔径和小芯部尺寸，这限制光纤的收集效率。

为了改进非直线光学内窥镜的收集效率，可使用双包层光纤。这些光纤通常包括芯部、内包层和外包层。内窥镜的激励光束经由光纤芯部被传送到目标，且从目标发出的光经由光纤的内包层被收集回内窥镜。为了具有高收集效率，需要内包层的高数值孔径。可通过用折射率升高的掺杂剂掺杂内包层来增加数值孔径。在该情况下，芯部必须用较高掺杂度（Ge或Al）上掺杂以在芯部内形成波导。但是，用高浓度掺杂剂掺杂双包层光纤的光纤芯部（尽管具有上掺杂内包层）会增加背景噪声。在内窥镜应用中，理想的是用低噪声背景收集二光子信号。为了降低背景噪声，可使用双包层光纤，该双包层光纤具有低上掺杂剂含量的芯部、和为纯二氧化硅或用折射率降低掺杂剂掺杂的内包层以形成波导结构。但是，内包层内的较低折射率降低内包层的NA，这降低双包层光纤的收集效率。因此本领域的技术人员在设计用于内窥镜应用的双包层光纤时，通常必须强调良好的收集效率或低背景噪声。

因此，需要设计芯部内具有低掺杂剂含量但在包层内具有高数值孔径的光纤以增加包层内的收集效率。因而，需要替代的光纤和采用该光纤的非直线光学内窥镜。

发明内容

在某些实施例中，一种三包层光纤，包括：芯部、第一内包层、第二内包层以及外包层，其中，（i）芯部包括半径r₀和第一折射率n₀；（ii）第一内包层围绕芯部并具有至少约0.12的数值孔径和第二折射率n₁，使得n₁<n₀，（iii）第二内包层围绕第一内包层，并具有至少约0.2的数值孔径和第二折射率n₂，使得n₂>n₁，其中第二包层相对于外包层的相对折射率百分比（Δ%）大于1%；以及（iv）外包层围绕第二内包层并具有第三折射率n₃，使得n₃<n₂且n₃<n₁。

在某些实施例中，三包层光纤包括：芯部、第一内包层、第二内包层以及外包层，所有包层都由基于二氧化硅的玻璃制成。所述芯部具有小于约5μm的半径r₀和折射率n₀，且不含任何活性（稀土）掺杂剂。第一内包层可围绕芯部并包括至少约5μm的径向厚度、至少约0.12（且较佳地至少0.14）的数值孔径和折射率n₁，使得n₁<n₀。芯部相对于内包层的相对折射率（Δ%）可大于约0.07%，且在某些实施例中大于0.1%。第二内包层可围绕内包层并包括至少约10μm的径向厚度、至少约0.2（且在某些实施例中＞0.25）的数值孔径和折射率n₂，使得n₂>n₁。外包层可围绕第二内包层并包括约10μm至约50μm的径向厚度和折射率n₃，使得n₃<n₂。内包层相对于外包层的相对折射率百分比（Δ%）大于约1.5%。