CN105359013A - 无规空气线杆 - Google Patents

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Abstract

杆，所述杆包括光学透射体，所述光学透射体具有长度和与长度呈横向的横截面，其沿着横截面的最大尺寸为约500um至高至10cm，所述光学透射体具有空气填充的线、空穴或者气体填充的线，其至少在横截面的中心部分上以无序方式分布，优选地是在整个横截面上以无序方式分布，从而发射进入光学透射体的光被限制在与光学透射体的长度呈横向的方向，并且沿着光学透射体的长度传播。

Description

无规空气线杆
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119，要求2013年5月1日提交的美国临时申请系列第61/818,449号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
所揭示的实施方式属于具有光学透射体的杆领域，具体地，属于具有能够将图像从一个平面透射到另一个平面的光学透射体的杆。
背景技术
波传输通过介质会受到无规则杂质的干涉和多次散射而发生严重抑制甚至是终止，这会产生强(或“安德森”)局域化。该过程背后的理论初始是相对于物质波建立的(无序原子晶体中的电子)，但是其可以直接延伸到微波、声波甚至是玻色-爱因斯坦凝聚中的物质波，以及电磁波或光。
在光的情况下，无规散射介质和无序晶格已经吸引了相当多的实验兴趣作为有希望的模型体系用于测试局域化概念。提出的一种建立多次散射的技术是在光子晶体中引起少量的无序。在理想的光子晶体中，通过布洛赫模型描述光传播。打破此类结构的对称性导致光的多次散射。多次散射光的干涉会导致在接近光子晶体带隙的受限制的频率范围中形成安德森局域化模式。
横向安德森局域化还被用作光纤中的波导机制，其具有无规横向折射率曲线。通过实验和数字模拟，研究显示横向局域化会导致与典型的折射率引导光纤相当的有效传播束直径。
发明内容
所揭示的实施方式包括杆，其包括光学透射体，所述光学透射体具有长度和与长度呈横向的横截面，其沿着横截面的最大尺寸为500um至高至10cm，所述光学透射体具有空气填充的线、空穴或者气体填充的线，其至少在横截面的中心部分上以无序方式分布，优选地是在整个横截面上以无序方式分布，从而发射进入光学透射体的光被限制在与光学透射体的长度呈横向的方向，并且沿着光学透射体的长度传播。希望光学透射体包括玻璃，希望光学透射体具有基本圆形或者椭圆形横截面形状，但是也可具有其他形状。希望光学透射体沿着横截面具有500um至高至10cm的最大尺寸，并且具有各种空气填充的线、空穴或气体填充的线，它们具有直径，希望所述直径的范围约为20纳米至高至10微米。
虽然不希望受到特定理论的限制，但是相信本文所揭示的成像元件可利用安德森局域化或者强局域化，并且不依赖于全内反射。
前述总体描述以及以下详细描述代表具体实施方式，旨在提供理解权利要求的性质和特性的总体或框架。
附图说明
图1是具有无规空气线或无规空穴或者无规气体填充线的杆的横截面示意图。
图2是制造的无规空气线光子晶体玻璃杆的横截面数字图。
图3是图2的横截面以更大的放大倍数的数字图像。
图4A和4B是示意图，它们对比了在规则玻璃杆中光传播的计算路径以及在制造的无规空气线光子晶体玻璃杆中光传播的实验检测路径。
图5是根据本发明的杆的实施方式，测试基础成像功能性的示意图。
图6A和6B是通过图5的测试获得的两幅代表性图像。
具体实施方式
本文所揭示的各种杆实施方式依赖于如下机制，其涉及：在横截面上无序的结构中发生散射，从而将光限制在杆的区域中，并实现沿着杆长度传播。
如图1示意性所示是(优选由玻璃形成的)杆10的横截面，其具有无规空气线(或者无规空穴或无规气体填充线)20。从附图可以看出，杆10含有贯穿杆10的整个玻璃横截面的无规分布的空气线(或者空穴或气体填充线)20。这是目前优选的实施方式，但是在一个替代方式中，可以是仅仅杆的中心部分含有无规分布的空气线(或者空穴或气体填充线)20。各种无规、填充线(或空穴)20的直径优选是数十纳米至数微米，例如约20纳米至10微米，但是预期制造变量可能产生一些界外值。空气线(或者空穴或气体填充线)20具有伸长的形状，因此是术语“线”20。它们还沿着杆10无规分布。线20的长度范围分别是数微米至数毫米，但是总体来说，它们沿着杆的整个长度延伸。线20可以填充有空气或者其他气体，例如N2、O2、CO2、Kr2、SO2等。杆内的线的填充比例是0.5-50％，优选0.2-20％。制造无规线结构的工艺不是本发明的方面，优选可通过US7450806、US7921675和US8020410所揭示的那样进行，出于美国法律的目的，将它们分别通过引用结合入本文。杆10的直径可以是500um至数厘米，例如10cm。杆10的长度可以是数毫米至数厘米或者甚至更长，这取决于应用。根据所引用的专利中所揭示的方法，可以将杆形成为单件，或者可以通过对首先通过此类方法形成的多个光纤或者杆进行熔合，形成为具体为更大直径的杆。
波在无规结构中的限制参见Anderson的“Absenceofdiffusionincertainrandomlattices(在某些无规晶格中的扩散缺失)”，Phys.Rev.109，492-1505(1958)。Anderson提出，由于无规散射电子的量子力学干涉，可能在无序材料中存在电子的局域化。虽然不希望受到任意特定理论的限制，但是相信本文所揭示的各种实施方式采用与这些涉及无序材料中的电子的局域化类似的机制，从而对光进行限制，防止在高无序度方向的传播(高空间频率无序度)(杆的横截面方向)，同时允许低或较低无序度的传播(低空间频率无序度)(沿着杆10的长度方向，或者线20的方向)。
图2显示制造的直径为4.66mm的无规空气线玻璃杆的横截面数字图像，2.5倍物镜。作为附图中黑点的空气线在杆横截面上无规分布，从附图中可见的杆横截面的部分可以看出。图3显示图2的部分横截面，40倍物镜。该情形下的平均空气线直径为1.20±0.53μm。
图4A和4B是示意图，它们对比了在规则玻璃杆100中光传播的计算路径(图4A)以及在制造的无规空气线光子晶体玻璃杆10中光传播的实验检测路径(图4B)。对于图4B，使用0.14NA的单模光纤30在杆10的一端发射激光束。在杆10的另一端(总长14.1mm)，获得近场图像，在391μm处测量半峰值全宽(FWHM)的模场直径。相比较而言，对于图4A，采用光线追踪软件，计算杆100的离开侧的束直径，假定束从光纤30传播通过长度为14.1mm的规则玻璃杆100。在杆100的离开侧计算得到的束宽度为2.6mm，或者约比无规空气线杆10大7倍(附图不成比例)。这给出了杆10内的基于光子的安德森局域化效应的良好指示。
实验还显示在杆横截面上的不同位置发射的光可以独立地传播。因此，计划将杆用作成像透镜。得益于其小型化尺寸，其可以特别适用于小型化的内窥镜成像应用。常规的基于微光学透镜或者梯度指数透镜的成像***要求精密的光学制造(例如，梯度指数透镜中的精密节距或者常规凸透镜、凹透镜中的曲率)或者精密对准。但是，对于所揭示的具有无规空气线的杆，这不是问题。它使得光从一端表面局域化至另一端表面，对于杆的节距或长度没有任何特殊要求。杆的两个表面都是平坦的，这易于制造。
为了测试杆的基础成像功能性，根据图5所示的基础示意性设定进行实验。用不连贯白光源40照射蜡纸目标50，其与长度约为14mm的、具有无规空气线的玻璃杆10接触。使用具有显微物镜70的CCD照相机60拍摄近场图像，其聚焦在杆10远离蜡纸目标50的相对端表面上。如图6A和6B所示是该测试获得的图像(图6A没有参照指示物，图6B具有参照指示物)。如图6A和6B所示，杆10的端部产生三线目标拉制图案的复制，同时蜡纸上的邻近三线图案80没有复制到杆10的端部平面上，因而是非常失焦的且几乎没有可辨识的图像。因此可以看出，杆10对于将图像从一个平面光学透射或传输到另一个平面是有效的，没有任何额外的光学分量。
前述描述提供了示例性实施方式来帮助理解权利要求的性质和特性。对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离所附权利要求的精神和范围的情况下，对这些实施方式进行各种改动。

Claims (7)

1.一种杆，所述杆包括：
光学透射体，所述光学透射体具有长度和与所述长度呈横向的横截面，其沿着所述横截面的最大尺寸为500um至高至10cm，所述光学透射体具有空气填充的线、空穴或者气体填充的线或空穴，它们至少在所述光学透射体的所述横截面区域的中心部分上以无序方式分布并且总体以沿着所述光学透射体的整个长度延伸，从而发射进入所述光学透射体的所述中心部分中的光被限制在与所述光学透射体的长度呈横向的方向，并且光沿着光学透射体的长度传播。
2.如权利要求1所述的杆，其特征在于，所述光学透射体具有空气填充的线、空穴或者气体填充的线，它们在所述光学透射体的整个横截面上以无序方式分布，从而发射进入所述光学透射体的光被限制在与所述光学透射体的长度呈横向的方向，并且光沿着光学透射体的长度传播。
3.如权利要求1或2所述的杆，其特征在于，所述光学透射体包括玻璃。
4.如权利要求1-3中任一项所述的杆，其特征在于，所述光学透射体具有基本圆形或椭圆形横截面形状。
5.如权利要求1-4中任一项所述的杆，其特征在于，各种空气填充的线、空穴或者气体填充的线具有直径，所述直径约为20纳米至高至10微米。
6.一种用于形成杆的方法，所述杆包括光学透射体，所述光学透射体具有长度和与所述长度呈横向的横截面，其沿着所述横截面的最大尺寸为500um至高至10cm，所述光学透射体具有空气填充的线、空穴或者气体填充的线或空穴，它们至少在所述光学透射体的所述横截面的中心部分上以无序方式分布，所述方法包括：
形成多个杆或光纤，所述多个杆或光纤分别具有在其各自的横截面区域上以无序方式分布的空气填充的线、空穴或者气体填充的线或空穴；以及
熔合所述多个杆或光纤，以形成具有横截面的单个光学透射体，所述单个光学透射体沿着所述横截面的最大尺寸为500um至高至10cm。
7.一种传输图像的方法，所述方法包括：
放置光学透射体，所述光学透射体具有长度和与所述长度呈横向的横截面，其沿着所述横截面的最大尺寸为500um至高至10cm，所述光学透射体具有空气填充的线、空穴或者气体填充的线或空穴，它们至少在所述光学透射体的所述横截面区域的中心部分上以无序方式分布并且总体以沿着所述光学透射体的整个长度延伸，所述光学透射体在长度方向具有第一端和第二端，使得所述光学透射体的第二端是待接收图像的位置；以及
在所述光学透射体的第一端提供图像。
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