CN102782540B - 三层包覆光纤和具有三层包覆光纤的装置 - Google Patents

Abstract

根据某些实施例，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。

Description

三层包覆光纤和具有三层包覆光纤的装置

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%。

在另一实施例中，非直线光学内窥镜可包括激光源、三包层光纤、光束扫描单元、光学探测器和计算机。三包层光纤包括：芯部、第一内包层、第二内包层以及外包层，所有包层由基于二氧化硅的玻璃制成。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%，或者甚至大于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%。光源的输出可在三包层光纤的第一端光学耦合到三包层光纤的所述芯部，使得激光源的输出被引导到三包层光纤的芯部内。光学探测器可在所述三包层光纤的第一端耦合到三包层光纤的内包层，并可操作以将行进穿过内包层的光转换成电信号。计算机可电联接到光学探测器并可操作以从由光学探测器接收的电信号形成图像。光束扫描单元可光学耦合到三包层光纤的第二端，并可操作以跨越目标沿两个维度扫描被引导到三包层光纤的芯部内的光源的输出并将从目标发出的光收集到三包层光纤的内包层内。

在下面的详细描述中将阐述本发明的其它特征和优点，它们对本领域的技术人员来说部分地可从该说明书中变得显而易见，或可通过如本文（包括下面的详细描述、权利要求书以及附图）所述那样来实践本发明认识到。应予理解的是，上面的总体说明和下面的详细说明都提供了本发明的实施例，并意在提供概况或框架以便理解如所要求保护的本发明的性质和特征。

附图说明

附图中所阐释的实施例在性质上是说明性的，且并非意在限制由权利要求书所限定的发明。此外，结合以下附图阅读时会理解本发明的各具体说明性实施例的以下详细说明，其中类似的结构用相同的附图标记来表示，且其中：

图1A示意性地示出根据在此所示和所述的一个或多个实施例的光纤的剖视图；

图1B示意性地示出根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的图1的光纤的折射率分布；

图2示意性地示出根据本文所示和所述的一个或多个实施例的三包层光纤的横截面，包括外包层内孔隙的随机分布（大小和位置）；

图3示意性地示出根据本文所示和所述的一个或多个实施例的另一三包层光纤的横截面，包括外包层内孔隙的规则分布（大小和位置）；

图4示出用于测量光纤的数值孔径的测试设备；以及

图5是根据本文所示和所述的一个或多个实施例的利用光纤的非直线光学内窥镜装置的示意图。

在下面的详细描述中将阐述本发明的其它特征和优点，它们对本领域的技术人员来说部分地可从该说明书中变得显而易见，或可通过如本文（包括下面的详细描述、权利要求书以及附图）所述那样来实践本发明认识到。应予理解的是，上面的总体说明和下面的详细说明都提供了本发明的实施例，并意在提供概况或框架以便理解如所要求保护的本发明的性质和特征。

具体实施方式

本发明中使用了以下定义和术语：

折射率分布是在光纤的选定部分上从光纤的中心线测得的光纤的相对折射率（Δ%）与半径之间的关系；

相对折射率百分比或Δ百分比（Δ%）定义为：

$\mathrm{\&Delta;}\%=100\frac{(n_i^2-n_{\mathrm{ref}}^2)}{{2n}_i^2},$

其中n_i是区域i中的最大折射率，而n_ref是基准区域的折射率，除非另有规定。

模场直径（MFD）是在单模光纤内传播的光的光点直径或光束宽度的度量。模场直径是源波长、光纤芯部半径和光纤折射率分布的函数。MFD是使用皮德曼（Peterman）II方法测量的，其中

MFD=2w,以及

$w^2=2\frac{{\&Integral;}_0^{\&infin;}{E}^2\mathrm{rdr}}{{\&Integral;}_0^{\&infin;}{(\mathrm{dE}/\mathrm{dr})}^2}\mathrm{rdr}$

其中E是光纤的电场分布，r是光纤的半径；

光纤的彩色消散或者色散是材料色散、波导色散和模间色散的总和。在单模波导光纤的情况下，模间色散为零。

光纤的有效面积是光纤的传播光的面积并定义为：

$A_{\mathrm{eff}}=2\mathrm{\&pi;}\frac{{\left({\&Integral;}_0^{\&infin;}{E}^2\mathrm{rdr}\right)}^2}{{\&Integral;}_0^{\&infin;}{E}^4\mathrm{rdr}},$

其中E是在光纤内传播的光相关的电场，而r是光纤的半径。

截止波长是光纤将仅支持一种传播模式的最小波长。如果工作波长低于截止波长，可发生多模工作，且引入另外的色散源可限制光纤的信息运载能力。可在SingleModeFiberOptics（单模光纤）,Jeunhomme,第39-44页,MarcelDekker,NewYork,1990中找到数学定义，其中，理论光纤截止描述成如下波长：在该波长处，模传播常数变成等于外包层中的平面波传播常数。该理论波长适合于无限长、完全直的光纤，其没有直径变化。

光纤截止波长将低于理论截止波长，并使用诸如题TIA-455-80B中为“MeasurementCut-offWavelengthofUncabledSingle-modeFiberByTransmittedPower”所描述技术的传输功率法进行测量。为了避免芯部区域内传播的光与三包层光纤的内包层区域内传播的光之间的干涉，使用发射光纤将光源照射到三包层光纤的芯部。发射光纤具有稍大于三包层光纤的预期芯部光纤截止波长的截止波长。发射光纤的长度应大于2米。发射光纤的芯部大小与三包层光纤的芯部尺寸大致相同。在测量中，将发射光纤小心地与三包层光纤对准以确保发射光纤的芯部与三包层光纤的芯部之间的高效耦合。

这里对于指定波长报告所有的依赖波长的光学特性（诸如色散、截止波长等）。

应当理解，本文使用的Δ_o%是指三包层光纤芯部相对于三包层光纤的第一内包层的相对折射率百分比（Δ%）。因而，

${\mathrm{\&Delta;}}_0\%=100\frac{(n_0^2-n_1^2)}{{2n}_0^2},$

其中n₀是芯部的折射率，而n₁是第一内包层的折射率。

应当理解，本文使用的Δ₁%是指三包层光纤的第一包层相对于三包层光纤的外包层的相对折射率百分比（Δ%）。因而，

${\mathrm{\&Delta;}}_1\%=100\left(\frac{n_1^2-n_3^2}{{2n}_1^2}\right),$

其中n₁是第一内包层的折射率，而n₃是外包层的折射率。

应当理解，本文使用的Δ_2%是指三包层光纤的第二包层相对于三包层光纤的外包层的相对折射率百分比（Δ%）。因而，

${\mathrm{\&Delta;}}_2\%=100\frac{(n_2^2-n_3^2)}{{2n}_2^2},$

其中n₂是第二内包层的折射率，而n₃是外包层的折射率。

图1A示出根据本文所示和描述的一实施例的三包层光纤。本文所述的三包层光纤通常包括芯部102、第一包层（这里也称为第一内包层）104、第二包层（这里也称为第二内包层）105以及外（第三）包层106。第二内包层105围绕第一内包层104并具有高数值孔径。外包层和第二内包层的材料选择成使得外包层和第二包层的折射率产生具有高数值孔径的第二内包层。根据某些实施例，外包层是基于至少掺杂有F的二氧化硅的玻璃。芯部、内包层和外包层通常包括二氧化硅、具体是二氧化硅玻璃。根据至少某些实施例，光纤具有在1060至1700nm波长范围内小于1dB/km的衰减。

将在下文详细更描述和讨论利用三包层光纤的结构、成分、制造方法、特性和装置。

根据某些实施例，光纤芯部102具有折射率n₀。其可由掺杂有诸如Ge或Al的折射率提高掺杂剂的玻璃制成以增大折射率，或者可由纯二氧化硅制成。第一内包层104具有折射率n₁<n₀。其可由纯二氧化硅玻璃或者掺杂有诸如F或B的折射率降低掺杂剂的玻璃制成。根据某些实施例，芯部相对于第一内包层的折射率变化（Δ₀）范围在0.1-2%。根据某些实施例，芯部半径r₀范围为2-10μm。第一内包层的外半径r₁较佳地大于芯部半径r₀的5倍，以提供芯部102内引导的光的低穿透损失。根据某些实施例，第一内包层相对于外包层的折射率（Δ₁）较佳地在0.5至1.5%之间。第二内包层105具有折射率n₂>n₁。其可由诸如Ge、Al或Ti的折射率提高掺杂剂掺杂的玻璃制成。外包层106具有折射率n₃<n₂。其可由诸如B、F或两者的折射率降低掺杂剂掺杂的玻璃制成。第二内包层相对于外包层的相对折射率变化Δ₂较佳地大于1.5%，其对应于大于0.25的NA。根据应用，内包层(第一+第二内包层)的总厚度较佳在25-500μm之间。外包层的厚度较佳地在10-50μm之间。在使用图1A、1B和2所示的三包层光纤100的二光子显微镜检查中，泵浦光在芯部内引导的并递送到目标，同时通过内包层收集与目标相互作用后的光信号。芯部102较佳地在泵浦波长处是单模的，以确保良好的光束质量。第二内包层105较佳地具有高数值孔径和大尺寸以能够具有信号的高捕获效率。

现参见图1A和1B，示出根据本文描述的一实施例的三包层光纤100和相应的折射率分布。图1A的三包层光纤100包括芯部102、第一内包层104、第二内包层105以及外包层106。在所示实施例中，芯部102、第一内包层104、第二内包层105和外包层106通常包括二氧化硅，具体是二氧化硅玻璃。在一实施例（未示出）中，一个或多个保护涂层可围绕外包层106。在本文所示的实施例中，三包层光纤的横截面可相对于芯部中心大致圆形对称，但应当理解光纤和光纤的各层（例如芯部、内包层和外包层）可具有其它几何构造。当三包层光纤100如图1A所示圆形对称时，三包层光纤100的外径（例如2r₃）可以从约120μm至约500μm、更佳地125μm至约300μm、且最佳地125μm至250μm。

在图1A所示的实施例中，三包层光纤的芯部102可具有第一折射率n₀。芯部103可包括纯二氧化硅（SiO₂）或替代地，诸如当芯部是“上掺杂”时，芯部102可较佳地包括相对少量的诸如GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅和/或Ta₂O₅的一种或多种折射率提高掺杂剂。在本文所讨论的实施例和实例中，芯部102可包括从约0重量%至约20重量%的GeO₂，例如约0重量%至约10重量%的GeO₂，且在某些示例实施例中0重量%至约6重量%的GeO₂。或者，在本文所讨论的实施例和实例中，芯部102可包括从约0重量%至约10重量%的Al₂O₃，例如约0重量%至约8重量%的Al₂O₃，且在某些示例实施例中0重量%至约7重量%或者甚至0重量%至约4重量%的Al₂O₃。

芯部102的半径r₀可例如从约1.5μm至约5μm、更佳地从约2μm至约4μm，且在某些实施例中从约2.5μm至约3.5μm，从而通过三包层光纤的芯部传播的光的光斑尺寸较小，具有相应的高光功率密度，由此，如果三包层光纤与非直线光学内窥镜结合使用，则产生强的非直线效果。但是，光斑尺寸应当足够大以将光源高效地耦合到三包层光纤的芯部。三包层光纤的芯部102的有效面积可从约30μm²至约120μm²、更佳地从约50μm²至约100μm²。

芯部相对于第一包层的相对折射率百分比（Δ%）（例如Δ₀%）可以是至少0.1%、更佳地大于约0.2%、且更佳地大于约0.3%、例如0.4%、0.5%、0.6%、0.75%、1%、1.2或1.3%。芯部的数值孔径NA表征芯部可接收或发出光信号的角度范围，并直接与芯部102和内包层104的折射率相关（下文进一步讨论）。对于折射率为n₀的芯部和折射率为n₁第一内包层，文所使用的“芯部的数值孔径”表达为：

除非另有表述，任何提到芯部的数值孔径或NA芯部都是指由上述数学关系确定的芯部的数值孔径。在本文所示和所述的实施例中，构成芯部102和内包层104的材料可选择成使得芯部102的数值孔径NA较佳地为约0.08至约0.25、更佳地为约0.09至约0.20、且更佳地为0.1至0.15。芯部的折射率分布可以是如图1B所示的阶梯形分布、圆形阶梯或梯度分布。

在一实施例中，芯部102可以是无源的，例如芯部102不包含任何会使芯部102内有增益或激光作用的有源元件。具体来说，芯部102可不含任何稀土掺杂剂，包括Yb、Er、Nd、Tm、Sm和Tb。在某些实施例中，可向芯部102添加磷以降低芯部102内二氧化硅玻璃的软化温度。如果芯部通过内部气相沉积（IVD）工艺生产，则这会尤其有利。磷的添加也可用于提高芯部102的折射率n₀。

在本文所示和描述的实施例中，三包层光纤的芯部是所要求的工作波长、诸如800nm、1060nm、1310nm和1550nm的波长下是单模的。本文所使用的单模意思是三包层光纤的芯部对于特定波长的光仅支持一种传播模式。单模光纤通常比多模光纤具有更好的色散特性（例如更低的色散）。光纤截止波长通常描绘这样的运行波长：三包层光纤对于适于单模传播的大于截止波长的运行波长是单模的。因此，理想的是，光纤设计成使得芯部光纤截止波长小于光纤所用的运行波长，例如小于800、1060、1310和/或1500nm。

第一内包层104可具有第二折射率n₂，使得n₁<n₀。第一内包层104可包括纯二氧化硅玻璃（SiO₂）或诸如当内包层是“下掺杂”时具有一种或多种诸如氟或硼的掺杂剂的二氧化硅玻璃，该掺杂剂降低折射率。在一实施例中，芯部是掺杂有Ge的，具有小于6重量%的GeO₂，且第一内包层104是纯二氧化硅玻璃。在另一实施例中，芯部102是纯二氧化硅玻璃，且第一内包层104可包括掺杂有F的二氧化硅玻璃，含量从约0.5重量%至约2重量%、例如0.5至1.5重量%、例如在某些实施例中0.6重量%至约1.3重量%，以及或者0.7重量%至约1.2重量%。

第二内包层105围绕第一内包层104且折射率大于内包层的折射率（即n₂>n₁）。在某些实施例中，第二内包层105包括掺杂有GeO₂的二氧化硅玻璃，GeO₂的量为从约5重量%至约40重量%、较佳地20重量%至约40重量%（例如10重量%、15重量%、20重量%、25重量%、30重量%、35重量%或40重量%）。在某些实施例中，第二内包层包括掺杂有TiO₂的二氧化硅玻璃，TiO₂量为从约1重量%至约20重量%、更佳地10重量%至约20。在又一实施例中，第二内包层105可包括掺杂有Al₂O₃的二氧化硅玻璃，Al₂O₃的量从0重量%至18重量%，例如1重量%至约15重量%，且最佳地从约5重量%至约10重量%。应当理解，添加到芯部102的掺杂剂不需要与添加到第二内包层105的掺杂剂相同。例如，第二内包层105可包括掺杂有GeO₂的二氧化硅玻璃，而芯部可以是纯二氧化硅或掺杂有相对少量Al₂O₃的二氧化硅。

第一内包层104的厚度（例如r₁-r₀）可大于约20μm，例如11μm至35μm之间。较佳地，比值r₁/r₀≥5以使穿透引起的损失最小。

根据至少一个实施例，“第一内包层的数值孔径”可使用以下关系计算：

其中n₁是第一内包层104的折射率，而n₃是外包层106的折射率（本文将进一步讨论）。例如，第一内包层104的数值孔径（NA）可以是>0.25、或≥0.29、例如0.25至0.3。

第二内包层105的厚度（例如r₂-r₁）可大于约10μm，且在某些实施例中大于12或约14μm，且例如在约15至175μm之间或者约15μm至约90μm之间。第二内包层105相对于外包层106的相对折射率百分比（Δ%）（例如Δ₂(%)）大于约1.5%，对应于至少0.25的数值孔径。第二内包层的数值孔径表征第一和第二内包层可接收或发射光学信号的角度范围，并取决于两内包层与外包层的折射率之间的数学关系。根据至少一个实施例，第二内包层的“数值孔径”可使用以下关系计算：

其中n₂是第二内包层的折射率，而n₃是外包层106的折射率（本文将进一步讨论）。例如，对于表2A和2B所示的光纤实例，内包层的数值孔径使用以上定义的数学关系进行理论确定。但是，表1中所示光纤实例的内包层的数值孔径使用本文将进一步讨论的设备和技术经验地确定。第二内包层105与外包层106的相对成分可选择成使得折射率之差产生具有所要求数值孔径的第二内包层105。第二内包层的数值孔径可大于约0.25、更佳地大于约0.3、最佳地大于约0.35以使第二内包层接收和发射光信号的角度范围最大。第二内包层105的折射率分布可以是如图1B所示的阶梯形分布、圆形阶梯或梯度分布。

外包层106的厚度（例如r₃-r₂）可从约10μm至约50μm、更佳地约12.5μm至约30μm、且最佳地约15μm至约20μm。外包层106可大致具有为n₃的第三折射率，使得n₃<n₂。较佳地，n₁>n₃和/或n₀>n₃。如上所述，内包层104和外包层106的材料成分可选择成使得折射率之差产生第二内包层105的所要求的数值孔径。为了实现具有大于约0.25的所要求数值孔径的第二内包层105，外包层106可相对于第二内包层105下掺杂，从而外包层的折射率n₃与内包层的折射率n₂之差致使第二内包层105的所要求的数值孔径。或者，第二内包层105可相对于外包层106上掺杂，或者第二内包层105可相对于外包层106上掺杂，而外包层106相对于第二内包层105下掺杂。在至少一个实施例中，外包层106可包括具有诸如氟、硼或其组合的一种或多种掺杂剂的二氧化硅玻璃，这些掺杂剂相对于第一和第二内包层104、105的折射率n₂降低外包层106的折射率n₃（例如，外包层106是“下掺杂的”）。在一实施例中，外包层106可包括少于约5重量%F和少于约10重量%B₂O₃形式的B、更佳地少于约2.5重量%F和少于约5重量%B₂O₃形式的B、且最佳地约2重量%F和少于约5重量%B₂O₃形式的B的二氧化硅玻璃，从而内包层104和105相对于外包层106的相对折射率百分比（Δ%）（例如Δ₂%）大于约1.5%。当第一内包层104包括纯二氧化硅玻璃，且外包层106包括具有约2重量%F和约5重量%B的二氧化硅玻璃，第一内包层的数值孔径可以是约0.30。在某些实施例中，当第二内包层105包含提高第二内包层105的折射率的掺杂剂（例如GeO₂、Al₂O₃等），且外包层106包括具有约2重量%F和约5重量%B的二氧化硅玻璃时，第二内包层的数值孔径可大于约0.36。

或者，外包层106的折射率n₃可通过使外包层形成成外包层包含如图2和3所示的孔隙分布来降低，图2和3示出具有包含孔隙的外包层的三包层光纤200、300的两个实施例。孔隙可包含空气和/或固化气体，从而孔隙的折射率小于外包层的折射率。因而，通过在外包层内包含孔隙，外包层相对于内包层的折射率n₃可减小。

图2示出具有含孔隙外包层206的三包层光纤200的横截面。含孔隙外包层206包括在整个外包层中分布的多个孔隙208。在一实施例中，孔隙可包括制造拉制三包层光纤200的光纤预制件期间沉积并固化外包层材料时形成在外包层内的离散封闭孔隙。封闭的孔隙可包含固化过程期间捕集在孔隙内的固化气体。在所示实施例中，孔隙208可以较小，例如，孔隙的直径可小于沿三包层光纤200的第二内包层105传播的光的波长。例如，孔隙208的直径可小于约500nm、更佳地小于约300nm、且更佳地小于200nm。如图2所示，孔隙可具有在整个外包层206的随机尺寸分布，从而外包层包括具有不同横截面面积的孔隙分布。当外包层内的孔隙是本文定义的小孔隙时，孔隙的区域孔隙面积百分比可大于5%（例如5%至60%）。例如大于约10%、更佳地大于约20%，且最佳地大于25%。孔隙的区域孔隙面积百分比可较佳地小于60%，例如小于30%。本文使用的区域孔隙区域百分比意思是含孔隙区域（例如外包层）内孔隙的总面积除以含孔隙区域的总面积（当沿垂直于光线轴线截取的横截面观察光线时）乘以100。在图2所示的特定实施例中，外包层206的区域孔隙面积百分比为25%的量级。

在某些实施例中，包含在外包层内的孔隙可以是非周期性设置的或周期性设置的或两者都有。“非周期性设置”或“非周期分布”意思是对于光线的特定横截面（诸如垂直于纵向轴线的横截面），非周期性设置的孔隙是随机的，或跨越外包层非周期性分布。沿该光纤的长度的不同点处所取的类似的截面将显示不同的截面孔图案，即各截面将具有不同的孔隙图案，其中孔的分布和孔隙的大小不匹配。这些孔隙沿光纤的长度（即平行于纵轴）伸展（延长），但不会延伸典型长度的传输光纤的整个光纤整个长度。虽然不希望受理论限制，但认为孔隙沿光纤长度延伸小于几米，而且在许多情况下小于1米。此处公开的三包层光纤可通过利用预成型固化条件的方法来制造，这能有效地使大量气体被捕获在固化的玻璃坯料中，从而在固化的玻璃光纤预成型件中形成孔隙。不是设法去掉这些孔隙，而是使用所得的预成型件来形成其中具有孔隙或多个孔隙的光纤。如此处所使用，当从横切光纤的纵轴的垂直截面观察光纤时，孔隙的直径是端点设置在限定孔隙的二氧化硅内表面上的最长线段。

在图2所示实施例中，三包层光纤200的内包层104和芯部102可如上文参照图1所示的三包层光纤100所描述的。具有纯二氧化硅玻璃的内包层和区域孔隙面积百分比约25%空气的含孔隙外包层的三包层光纤可产生数值孔径约0.68的内包层。

尽管本文已经描述图2所示的孔隙208为具有随机尺寸分布的封闭、非周期性分布孔隙，但应当理解，孔隙208也可在整个外包层中周期性分布，且孔隙也可具有大致均匀的尺寸。此外，孔隙也可打开，且于是如本文更详细描述的包含空气。

现参照图3，示出具有含孔隙外包层306的三包层光纤300的另一实施例。在该实施例中，孔隙308较大，例如，孔隙308的直径大于沿三包层光纤300的内包层104传播的光的波长。例如，在该实施例中，较大孔隙308的直径通常可大于1μm、更佳地大于约5μm、且更佳地大于约10μm。当孔隙308如本文所限定较大时，区域孔隙面积百分比可大于约80%、更佳地大于约90%、且更佳地约95%。当孔隙308如本文所定义较大时，区域孔隙面积百分比可较佳地小于98%。在所示示例中，外包层306的区域孔隙面积5为90%的量级，这大大降低外包层的总体折射率。当外包层区域孔隙面积%约为80%至90%空气，且第二内包层包括上掺杂的二氧化硅，第二内包层可具有约1的数值孔径。

在图3所示实施例中，孔隙308可在外包层的整个横截面周期性地分布。孔隙308也可大致包括相同直径。孔隙308可以是打开的，且于是可包含空气。孔隙308可通过在拉制三包层光纤的光纤预制件的外包层区域内钻孔而形成。或者，较大孔隙308可使用形成光纤预制件的“堆叠和拉制”方法形成。钻孔并堆叠和拉制方法可用于形成较小孔隙（例如，诸如参照图2描述的）或较大孔隙（例如，诸如参照图3描述的）。但是，应当理解，可使用在外包层内形成打开孔隙的其它技术。

在一实施例中，图1-3的三包层光纤可通过外部气相沉积（OVD）工艺形成。OVD工艺是制造光纤的方法，该方法通过特定气相成分在CH₄+O₂火焰中经由水解过程的反应以形成二氧化硅玻璃和/或二氧化硅玻璃和掺杂剂煤烟颗粒，然后二氧化硅玻璃和/或二氧化硅玻璃和掺杂剂煤烟颗粒通过热泳（thermopheretic）方式收集到饵料杆（用于形成芯部煤烟预制件）或玻璃芯部茎或杆（用于形成上部包层煤烟预制件）。随后煤烟预制件在高温熔炉中被干燥和增密成实心玻璃（在从芯部预制件去除饵料杆之后），通常称为固化的工艺。通过在煤烟预制件制造过程中对于每层利用不同量的气相成分实现所希望的芯部和包层成分。总之，首先产生芯部和/或包层预制件，然后固化，并将最终（固化）预制件通过已知纤维拉制方法拉制成光纤。

更具体地，可用于形成与三包层光纤的芯部相关的煤烟预制件的部分的气相前体材料可以例如是SiCl₄、GeCl₄、AlCl₃、TiCl₄或POCl₃。在某些实施例中，芯部预制件包括纯二氧化硅玻璃或掺杂有GeO₂的二氧化硅玻璃。在煤烟固化到芯部预制件之后，使用OVD工艺来将包含煤烟的SiO₂沉积在固化的芯部预制件上以形成三包层光纤的第一和第二内包层的煤烟预制件。第一内包层可利用纯二氧化硅煤烟，或可包含可降低内包层的折射率的掺杂剂。第二包层可包含可增加第二内包层的折射率的掺杂剂。这些掺杂剂可用SiO₂煤烟沉积。例如，当第二内包层用GeO₂上掺杂时，GeO₂可用SiO₂煤烟沉积。在第一和第二内包层的煤烟预制件沉积在芯部预制件上之后，内包层的煤烟预制件可固化以围绕芯部预制件形成一层密实二氧化硅玻璃。在某些实施例中，芯部预制件包括没有任何掺杂剂的纯二氧化硅玻璃（且第一内包层是相对于SiO₂下掺杂的）。

在沉积内包层的煤烟预制件之后，可将外包层的煤烟预制件沉积在芯部预制件上。在一实施例中，如上所述，外包层包括下掺杂有氟和B₂O₃形式硼的二氧化硅玻璃。因而，为了沉积下掺杂的二氧化硅玻璃层，可将SiO₂或下掺杂有B₂O₃的SiO₂沉积在内包层的固化煤烟预制件上以形成外包层的煤烟预制件。例如SiF₄的含F气体可用在固化过程中以降低预制件的包层部分的折射率。如上所述，含B和/或F的固化玻璃具有比纯二氧化硅低的折射率。

如果采用硼/氟共同掺杂，二氧化硅玻璃中的硼/氟共同掺杂可经由两个步骤完成：(i)煤烟沉积中的硼掺杂；接着（ii）固化期间的氟烧结-掺杂。

例如，硼掺杂的SiO₂外包层的沉积可在纯二氧化硅或掺杂的二氧化硅内包层上进行，该内包层围绕纯二氧化硅或GeO₂掺杂的二氧化硅芯部杆，使用BCl₃和SiCi₄或含B-和Si-的有机金属前体作为原材料。应当指出，当OVD燃烧器火焰温度下降时，硼在沉积中的捕获效率降低。对于煤烟的10重量%至12重量%的目标氧化硼含量，沉积步骤期间的较佳温度范围约为1400℃至1600℃，且在随后固化步骤中更容易F烧结掺杂适当的煤烟密度（例如小于0.6gm/cm³、更佳地小于0.5gm/cm³、且甚至更佳地小于0.5gm/cm³）。这种硼掺杂的煤烟制成的预制件分别由于较低温度水解工艺和煤烟成分的较高热膨胀系数而通常具有高OH含量和高应力水平。为了防止煤烟预制件破裂的可能性，在固化时其F烧结掺杂之前对于煤烟预制件来说热稳定步骤是较佳的。煤烟预制件较佳地热稳定在100℃至500℃，例如在300℃，将炉子保持在干燥惰性气体氛围下约8小时。在这方面，热稳定化可以是3至24（例如10、12、16或18小时），对于较大尺寸的煤烟预制件用更长的热稳定化。

然后根据该示例实施例的煤烟预制件与例如SiF₄或CF₄的F化合物在熔炉内固化。根据本发明的一实施例，氟（F）烧结掺杂到含硼煤烟预制件内是单区域固化工艺。整个固化工艺在较低温度熔炉的干区区域内进行，该区域通常位于标准固化熔炉的上部内。由于B/F共同掺杂二氧化硅的相当低的玻璃相变温度（T_g），固化在相对低的温度下进行。示例性二氧化硅煤烟预制件（掺杂有10重量%B）首先在约850°C-900°C下Cl₂-干燥45-60分钟。然后干燥区域温度爬升到1200℃以用SiF₄进行烧结/F掺杂90至150分钟。在烧结和F掺杂期间，硼成分在玻璃中的固化显著下降，诸如从煤烟相中的10重量%至完全固化玻璃相中的4-8重量%。这种减少由存在氟时硼的蚀出造成。于是，玻璃中硼和氟的浓度可能分别在4-8重量%和1.5-2.5重量%范围内。在固化过程之后，固化预成形件冷却并进行光纤拉制。

在另一实施例中，三包层光纤的外包层106可包括含孔隙外包层而不是含B和/或F掺杂剂的外包层。含孔隙外包层内的孔隙可降低外包层的折射率。在一实施例中，为了形成含孔隙外包层，可将SiO₂煤烟沉积在第二内包层的固化煤烟预制件上。SiO₂煤烟在有效将固化气体的一部分捕集在固化玻璃内的条件下沉积和固化，由此形成拉制三包层光纤的光纤预制件的外包层区域内的封闭孔隙阵列。例如，外包层106可在孔隙封闭时使气态氛围的一部分捕集在孔隙内的条件下在气态氛围中固化。气态氛围可包括降低折射率的气体，诸如氮气或氙气。但是，应当理解，也可使用降低玻璃的折射率的其它固化气体，诸如氮气、氩气、二氧化碳、氧气、CF₄、氯气、CO、C₂F₆、SO₂、Kr、Xe、Ne及其混合物，但不是空气。在某些实施例中，用于形成含孔隙外包层106的方法可类似于2008年5月5日提交的题为“MICROSTRUCTUREDOPTICALFIBERSANDMETHODS”的美国专利申请第12/151,170号中所揭示的方法，但也可使用形成含孔隙外包层的其它方法。

如上文讨论的，可用数学方法计算内包层的数值孔径。但是，在某些情况下，可能必需实验确定内包层的组合数值孔径。例如，在某些情况下，两内包层中一个的折射率可能不是精确已知的。在这些情况下，本文描述的三包层光纤的两内包层的组合数值孔径可使用类似于1996年11月的3134OpticalEngineering,第35卷No.11中AnpingLu和KenichiUeda的题为“Propagationlossesofpumplightinrectangulartriple-cladfibers”的文章中描述的角度测量技术进行测量。图4中示意性地示出用于进行类似测量技术的示例装置。该装置总体包括光源406、可转动平台404和光学探测器412。光源404可总体包括具有特定中心波长的宽带光源。例如，可选择不同的宽带光源来获得不同的中心波长。尤其有利的是具有对应于三包层光纤的典型运行波长的中心波长的光源和采用该光纤的内窥镜。因而，宽带光源可具有850nm、1060nm、1310nm或1550nm的中心波长。

为了测量内包层的数值孔径，三包层测试光纤402定位在可转动平台404上，使得三包层测试光纤402的角度定向相对于来自光源的光被精确控制。光源404的输出用联接光纤410和校准透镜408耦合到三包层测试光纤402的切开端。具体来说，光源404的输出同时联接到三包层测试光纤402的两个内包层。耦合到三包层测试光纤402的光在穿过校准透镜之后大致校准。三包层测试光纤402的相对端耦合到光探测器412，从而可测量通过三包层测试光纤402耦合的光的功率。

三包层测试光纤402转动通过一定的输入角θ_i范围，从而相对于来自光源404的光调节三包层测试光纤402的角度定向。当三包层测试光纤402转动时，测量通过光测试光纤402的内包层耦合的光的功率为来自光源406的光的输入角θ_i的函数。对于来自光源的光的特定波长，可使用半角（例如）来计算三包层测试光纤的内包层的组合数值孔径。为了进行该计算，将阈值大小设定为第一确定值θ₁和θ₂。例如，阈值大小可设定为耦合穿过三包层测试光纤402的内包层的光的峰值功率的2.5%或5%。因而，可通过转动三包层测试光纤402直到耦合穿过三包层测试光纤的内包层的光的功率为耦合穿过光纤的峰值或最大功率的2.5%（或5%）为止。从三包层测试光纤相对于光源输出的角度定向确定θ₁和θ₂。对于特定阈值功率大小，可使用以下方程计算内包层的数值孔径。

$\mathrm{NA}=\sin \left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2}{2}\right)$

可对几种不同波长测量内包层的组合数值孔径NA。但是，总体而言，组合数值孔径仅稍微取决于耦合穿过光纤的光的波长。图4所示的测量装置可与以上数值表达组合使用来确定两个内包层的组合数值孔径。

实例

测量的光纤实例。

表1中列出的三个光纤实例（光纤A、B和C）的两个内包层（相对于外包层）的组合数值孔径是使用上述技术试验确定的。表1中报告的数值孔径是两个内包层的总体数值孔径。使用本文所述的外部气相沉积（OVD）工艺制造三包层光纤。三个三包层光纤（光纤A、B和C）的芯部102都由纯二氧化硅玻璃组成，而第一内包层104由掺杂有1.2%氟的二氧化硅玻璃组成以降低第一内包层的折射率（相对于纯二氧化硅）。第二内包层105由纯二氧化硅玻璃组成。因此，在这些纤维中n₀=n₂和n₁<n₂。在这些示例光纤实施例中，光纤芯部不含稀土掺杂剂且不含Al或F。外包层106由掺杂有2重量%F和5重量%B₂O₃的二氧化硅玻璃组成以相对于内包层降低外包层的折射率。表1中，对于三个示例光纤中的每个列出了芯部半径（r₀）、第一内包层半径（r₁）、第二内包层半径（r₂）和外包层半径（(r₃）。在5%亮度阈值下，表1中描述的三包层光纤的内包层的组合数值孔径测量为大于0.29。三个示例三包层光纤（即光纤A、B和C）的测得芯部光纤截止波长分别低于800nm、850nm和1060nm。确定芯部相对于包层的相对折射率百分比（Δ%）（例如Δ₁%）为0.34%。

表1

其它实例

具有图1A和1B所示三包层结构的十个模拟示例光纤包括芯部102、第一内包层104、第二内包层105和外包层106。在这些实例光纤中，芯部102是醚纯二氧化硅、掺杂有诸如Ge或Al的折射率提高掺杂剂的基于二氧化硅的玻璃。对内包层104具有折射率n₁<n₀，并由纯二氧化硅玻璃、或者掺杂有诸如F或B的折射率降低掺杂剂的玻璃制成。在各示例模拟实施例中芯部相对于第一内包层的典型相对折射率Δ₀在0.1-2%范围内。例如，芯部半径r₀在2-5μm范围内。在这些实施例中，第一内包层的外半径r₁大于芯部半径r₀的5倍，以有利地提供芯部内引导的光的低穿透损失。在这些实施例中，第一内包层相对于外包层的折射率Δ₁较佳地在0.5至1.5%之间。第二内包层105具有折射率n₂>n₁。在这些示例实施例中，其由纯二氧化硅玻璃或掺杂有诸如Ge、Al或Ti的折射率提高掺杂剂掺杂的玻璃制成。在这些示例实施例中，外包层106具有折射率n₃<n₂。在表2A和2B中的前八个光纤示例中，外包层106由掺杂有诸如B、F或两者的折射率减小掺杂剂的玻璃制成。在示例9和10中，外包层包括充气孔隙。第二内包层相对于外包层的相对折射率变化Δ₂大于1.5%，其对应于大于0.25的NA。这些示例光纤实施例的总内包层（第一+第二内包层）的典型厚度在25-500μm之间。外包层的厚度在10-50μm之间。

表2A和2B示出示例性三包层光纤成分和相应的光学特性。这些示例光纤中的每个具有芯部、第一内包层、第二内包层和外包层，都包括基于二氧化硅的玻璃。应当指出，较佳地，如表2A和2B的光纤示例1-4和6-8所示，光纤芯部不含Al，且因此表2A的示例光纤在1600至1700nm的工作波长范围内呈现非常低的散射损失和小于1dB/km的低衰减。（在芯部内存在Yb₂O₃以及Al₂O₃和GeO₂的比较光纤示例中，在1120nm-1700nm的波长范围内衰减大于20dB/km，且在低于1100nm波长下衰减大于100dB/km）。在某些实施例中，对于约800-1600nm的工作波长，芯部的色散绝对值小于约120ps/nm/km。在某些实施例中，对于约1310-1550nm的工作波长，芯部的色散绝对值小于约18ps/nm/km。

芯部Δ和芯部半径可调节成改变芯部截止波长、波长直径和色散。示例1-3分别具有0.34、0.26和0.2的芯部Δ，和分别0.25μm、2.86μm和3.30μm的芯部半径r₀。示例1-3的光纤在800nm的工作波长下是单模的。光纤示例1-3的模场直径（MFD）分别是5.5μm、6.3μm和7.2μm。

在示例1中，光纤芯部102是纯二氧化硅。第一包层104掺杂有1.2%F。芯部102的折射率Δ₀为0.34%（相对于第一内包层104）。芯部半径为2.5μm，且光纤芯部在779nm处具有截止波长。光纤芯部在800nm的工作波长下是单模的。第二内包层105是纯二氧化硅。因此，n₀=n₂。外包层106掺杂有2%F和5%B₂O₃以降低相对于纯二氧化硅的折射率。相对于外包层，第一和第二包层104、105分别具有1.76%和2.1%的折射率Δ，分别对应于0.27和0.3的NA值。光纤具有6.25μm的外包层半径r₃，从而示例1的三包层光纤是标准125μm直径光纤。

在示例2中，光纤芯部102是纯二氧化硅。第一包层104掺杂有0.94%F。芯部102的折射率Δ₀为0.26%（相对于第一内包层104）。芯部半径为2.86μm，且光纤芯部在781nm处具有截止波长。第二内包层105掺杂有GeO₂以增加其折射率。外包层106掺杂有2.5%F以降低其相对于纯二氧化硅的折射率。在该光纤实例中，第二内包层105掺杂有32.5的GeO₂，这形成相对于掺杂F的外包层的0.34的NA。相对于外包层，第一和第二内包层104、105具有0.44%和2.7%的折射率Δ。

在示例3中，光纤芯部102是纯二氧化硅。第一包层104掺杂有0.72%F。芯部102的折射率Δ₀为0.2%（相对于第一内包层104）。芯部半径为3.3μm。第二内包层105掺杂有32.5重量%的GeO₂以增加其折射率。外包层106共同掺杂有F和B₂O₃以降低其相对于纯二氧化硅的折射率。相对于外包层，第一和第二内包层104、105分别具有1.9%和4.1%的折射率Δ和0.29和0.42的NA。

在示例4光纤中，芯部掺杂有5.5%的GeO₂以增加其折射率。第二内包层105掺杂有Al₂O₃以增加其折射率。更具体地，在示例4中，第二内包层105掺杂有14%的Al₂O₃，这形成第二内包层相对于F和B₂O₃共同掺杂的外包层0.36的NA。

在示例1-4中，模场直径至少为5.5μm。对于某些应用，可能需要更高的芯部NA和更小的MFD。在示例5光纤中，芯部NA通过使芯部掺杂有7%的Al₂O₃而增加到0.15%。芯部102的MFd相对于光纤实例1-4的MFD减小到4.5μm。

尽管对于某些应用来说62.5μm的标准光纤半径（外包层半径）是较佳的，但对于某些应用，较大的光纤半径可进一步增加某些应用的信号捕获效率。在示例4-5中，半径r₃分别增加到125μm和200μm，且第二内包层半径r₂分别为110μm和180μm。

在示例1-5中，工作波长是800nm。其它工作波长也可用于非直线光学内窥镜应用。示例6中的光纤设计成用于1060nm的工作波长。芯部设计成具有1021nm的截止，这使光纤在1060nm下是单模的。光纤的一个优点是其在1060nm的色散比示例1-5在800nm的色散低。该色散值从-116降至-34.9ps/nm/km。

如果需要更低的色散，可使用1310nm的工作波长，其中材料色散更低。示例7是具有单模芯部的光纤，具有1295nm的芯部截止波长。该示例光纤的光纤色散在1310nm工作波长下几乎为零。如果该光纤在1550nm波长下使用，则色散为正，且值约为17ps/nm/km。

应当指出，三包层光纤100也可设计成通过改变芯部Δ并减小芯部尺寸而在1300至1600nm之间的任何其它波长处具有零色散。示例8光纤具有1.2%的芯部Δ和2.28μm的芯部半径。光纤在1550nm下具有几乎零色散。

表2A。

表2B

如上文讨论的，增加内包层的数值孔径的一种替代方法是通过形成在整个外包层具有孔隙分布的含孔隙外包层来降低外包层的折射率。光纤9和10是具有包括孔隙的含孔隙外包层的三包层光纤的两种示例成分。

光纤9具有包括含捕集气体的小型封闭孔隙分布的含孔隙外包层，使得外包层的局域孔隙面积约为25%。这降低了外包层的折射率，于是，第二内包层相对于外包层的相对折射率百分比（Δ₂%）增加到11.7%，而第二内包层的数值孔径增加到0.68。此外，光纤设计成在1310nm下工作（例如，光纤的芯部具有4.01的半径r₀，与示例7相同）。这样，示例9的三包层光纤也在工作波长下具有几乎零色散。

在光纤10中，含孔隙外包层包括大型开放孔隙分布，使得外包层的局域孔隙面积约为90%空气。这降低外包层的折射率，于是，第二内包层相对于外包层的相对折射率百分比（Δ₂%）增加到30%，而第二内包层的数值孔径增加到1.0。与光纤9一样，光纤设计成在1310nm波长下工作，使得三包层光纤在工作波长下具有几乎零色散。

图5示出光学非直线内窥镜的示意图。短脉冲（泵浦）激光器使用光学部件耦合到三包层光纤的芯部。光纤芯部较佳地在泵浦波长处是单模的，以确保良好的光束质量。通过光纤芯部将激光束输送到目标。光束扫描单元跨越目标上二维区域扫描激光束。激光束通过二光子吸收过程与目标相互作用，且产生的信号通过光纤的两个内包层收集回到光纤探测器。因此，在芯部内引导该泵浦光并输送到目标，同时与目标相互作用后的光信号被内包层收集。内包层较佳地具有高数值孔径和大尺寸以能够具有信号的高捕获效率。第二内包层的高NA有利地提供信号返回探测器的高捕获效率。通过计算机分析信号以形成图像。

图5是示例性非直线光学内窥镜500的示意图。本文所示和描述的三包层光纤的内包层的相对高的数值孔径使得这些光纤尤其适于与这些非直线光学内窥镜结合使用，尤其是当内窥镜使用二光子或多光子荧光过程来从目标材料形成图像或光谱时。非直线光学内窥镜500总体包括光源508、三包层光纤502、光束扫描单元512和光学探测器514，三包层光纤502如本文所述包括芯部504、两个内包层和外包层。

三包层设计中的芯部较佳地由纯二氧化硅玻璃或掺杂有最小掺杂剂含量的玻璃制成，这减少直线和非直线荧光，因此减少背景噪声。第二内包层具有高数值孔径，这允许信号的高收集效率。此外，光纤结构与诸如OVD的常规光纤制造工艺相容并易于以低成本制造。

光源508可包括诸如短脉冲激光源之类的激光源。光源508的输出可用光学部件510在三包层光纤的第一端耦合到三包层光纤502的芯部内。光学部件可包括透镜、准直透镜、平面镜等。三包层光纤可穿过光学耦合器535，光学耦合器535可选地将三包层光纤502的内包层耦合到光学探测器514，如本文将进一步讨论的。光束扫描单元512可在三包层光纤502的第二端耦合到三包层光纤502。

光束扫描单元512可操作以沿两个方向定位三包层光纤502，使得可跨越目标522扫描光源508的输出。在一实施例中，光束扫描单元512包括压电致动器，该压电致动器可操作以将三包层光纤502沿两个方向定位，且由此实现在目标522上进行光源508的输出的所需扫描模式。非直线光学内窥镜500也可包括设置在光束扫描单元512内的一个或多个透镜（未示出），使得射出三包层光纤502的光源输出穿过透镜并聚焦在目标522上。透镜还可用于将从目标发出的光聚焦在三包层光纤502的第一和第二内包层内。在一实施例中，用于将射出三包层光纤502的光源输出聚焦的透镜可设置在光束扫描单元512与目标522之间。

光学探测器514可经由光学耦合器535可选地耦合到三包层光纤的第一和第二内包层，从而沿两个内包层传播的光信号、具体是从目标发出并收集到两个内包层内的光信号被光学探测器接收。传输光纤530将光学耦合器535连接到光学探测器514。更具体地，光学耦合器535将在三包层光纤502的内包层内传播的光耦合到传输光纤530，传输光纤530将光传输到光学探测器。在一实施例中，光学探测器响应于沿内包层传播的光信号，并向计算机516产生相应的电输出信号，计算机516编程成基于接收的输出信号形成图像或者以其它方式分析从光学探测器接收的输出信号。在另一实施例中，光学探测器514可包括光谱仪和/或产生输出信号的成像装置，该输出信号指示源自沿内包层传播的光信号的光谱信息。在任一实施例中，光学探测器的输出可用于确定目标的特性，例如用于基于从目标发出的光形成目标的图像或由于荧光过程产生指示从目标发出的不同波长强度的光谱图。

工作中，非直线光学内窥镜的光源508（例如激光器）使用光学元件504产生耦合到三包层光纤502的芯部504内的光脉冲。光脉冲沿三包层光纤502传播并在光束扫描单元512附近射出三包层光纤的第二端。光束扫描单元512可用于将三包层光纤502定位成使得射出三包层光纤的光脉冲沿目标522被扫描。当光脉冲射出三包层光纤并入射到目标上，目标可发荧光并发出光信号520。由目标522发出的光信号520被收集回三包层光纤，具体是三包层光纤502的两个内包层。由于第二内包层的大数值孔径（例如NA>0.25），三包层光纤能够收集具有大发散角的光信号520，且这样改进三包层光纤的光信号收集效率。

在由目标发出的光信号520被收集到两个内包层内之后，光信号沿三包层光纤502在内包层内往回传播，在内包层光信号用传输光纤530通过光学耦合器535转移到光学探测器514。光学探测器514将光信号520转换成电子信号，电子信号可用于进一步对目标进行分析和/或成像。

现在应当理解，本文所示和描述的三包层光纤的各实施例和成分可产生具有数值孔径大于约0.25的三包层光纤。此外，本文所示和描述的三包层光纤的某些实施例和成分可产生出了数值孔径大于0.25之外还具有低色散的三包层光纤。

还应当理解，本文所示和描述的三包层光纤的光学特性，具体是三包层光纤的内包层的大数值孔径使得三包层光纤非常适于包含在光学内窥镜中、尤其是利用二光子或多光子过程来对目标进行成像和/或分析的非直线光学内窥镜。具体来说，本文所示和描述的三包层光纤的使用可改进非直线光学内窥镜的光信号收集效率，从而改进非直线光学内窥镜声称的图像质量以及源自由非直线光学内窥镜收集的光学信号的数据质量。本文描述的光纤的各实施例中的至少一些的优点之一是光纤芯部具有相对低的上掺杂剂含量（或由纯二氧化硅制成），但光纤在内包层内仍具有高收集效率。

本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和变动。因此本发明旨在覆盖本发明的修改和变型，只要这些修改和变型在所附权利要求及其等价物的范围内。

Claims (8)

1.一种三包层光纤，包括：芯部、第一内包层、第二内包层以及外包层，其中，

所述芯部包括半径r₀和第一折射率n₀；

所述第一内包层围绕所述芯部并具有至少约0.12的数值孔径和第二折射率n₁，使得n₁<n₀，

所述第二内包层围绕所述第一内包层，并具有至少约0.2的数值孔径和第三折射率n₂，使得n₂>n₁，其中所述第二内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ％)大于1％；以及

所述外包层围绕所述第二内包层并具有第四折射率n₃，使得n₃<n₂且n₃<n₁，其中，

所述芯部包括小于约5μm的半径r₀，且不含任何稀土掺杂剂；

所述第一内包层包括至少10μm的径向厚度，且其中所述芯部相对于所述第一内包层的相对折射率百分比(Δ％)大于约0.07％；

所述第二内包层包括至少8μm的径向厚度；以及

所述外包层包括至少10μm的径向厚度。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯部、所述第一内包层、所述第二内包层和所述外包层由基于二氧化硅的玻璃制成，其中所述光纤在1060nm至1700nm的波长范围具有小于1dB/km的衰减。

3.如权利要求1所述的三包层光纤，其特征在于，所述芯部的数值孔径NA从约0.08至约0.2。

4.如权利要求1所述的三包层光纤，其特征在于：

所述第二内包层包括掺杂剂，使得所述第二内包层相对于所述外包层的相对折射率百分比(Δ％)大于约3％；

所述芯部包括掺杂剂，使得所述芯部相对于所述第一内包层的相对折射率百分比(Δ％)为至少0.2％；以及

所述外包层包括小于约5.0重量％的氟且小于约10重量％的B₂O₃形式的硼。

5.如权利要求1所述的三包层光纤，其特征在于，所述外包层包括孔隙分布，所述孔隙分布相对于所述第二内包层的折射率n₂降低所述外包层的折射率n₃，并且其中：

(i)所述孔隙直径小于约500nm，且所述外包层的区域孔隙面积百分比从约5％至约30％；或者

(ii)所述孔隙直径大于约1μm，且所述外包层的区域孔隙面积百分比从约80％至约95％。

6.如权利要求1所述的三包层光纤，其特征在于，对于约1310-1550nm的工作波长，所述芯部的色散绝对值小于约18ps/nm/km。

7.一种光学内窥镜，包括：激光源、权利要求1的三包层光纤、光束扫描单元、光学探测器和计算机，其中：

三包层光纤包括芯部、第一和第二内包层以及外包层，其中：

所述激光源的输出在所述三包层光纤的第一端光学耦合到所述三包层光纤的所述芯部，使得所述激光源的输出被引导到所述三包层光纤的所述芯部内；

所述光学探测器在所述三包层光纤的所述第一端耦合到所述光纤的所述第一和第二内包层，并可操作以将行进穿过所述第一内包层和第二内包层的光转换成电信号；

所述计算机电联接到所述光学探测器并可操作以从由所述光学探测器接收的电信号形成图像；以及

所述光束扫描单元光学耦合到所述三包层光纤的第二端，其中所述光束扫描单元可操作以跨越目标沿两个维度扫描被引导到所述三包层光纤的所述芯部内的所述激光源的输出并将从所述目标发出的光收集到所述光纤的所述第一和第二内包层。

8.如权利要求1所述的三包层光纤，其特征在于，(i)所述芯部的有效面积>30μm²且≤100μm²；和/或(ii)所述芯部在工作波长下是单模芯部。