双包层光纤和具有双包层光纤的设备

摘要

双包层光纤包括纤芯、内包层和外包层，均由硅石基玻璃制成。纤芯可以具有小于约5微米的半径、第一折射率n1，并且不包含任何活性稀土掺杂剂。内包层可以围绕着纤芯，并且包括至少约25微米的径向厚度、至少约0.25的数值孔径以及第二折射率n2，以致n2＜n1。纤芯相对于内包层的相对折射率百分比(Δ％)可以大于约0.1％。外包层可以围绕着内包层，并且包括从约10微米到约50微米的径向厚度和第三折射率n3，以致n3＜n2。内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ％)可以大于约1.5％。

说明书

技术领域

本发明涉及双包层光纤和利用双包层光纤的设备，更具体地，涉及具有高数值孔径的内包层的双包层光纤以及利用这种双包层光纤的内窥镜。

背景技术

内窥镜，特别是利用双光子荧光过程的非线性内窥镜，已经成为在样品和/或受试者上执行荧光显微术的最佳非侵入性装置。非线性光学内窥镜利用源或激励激光束，用光纤将这种激光束引入到目标上。激励激光束与目标的交互作用导致目标材料由于双光子吸收而发荧光或发光，收集这些光使其通过光纤返回内窥镜以便进一步分析、成像、谱测量等。与单个光子显微术相比，双光子荧光显微术提供了固有的光学切片特性、较大的穿透深度以及灵活的光谱可达性。

利用双光子荧光过程的非线性光学内窥镜的关键部件之一是在内窥镜中使用的光纤。在可以在内窥镜中使用标准单模光纤把激励激光束传送到感兴趣的目标的同时，这些光纤并不适合于收集光信号，这些光信号是通过目标发射回内窥镜以便进一步分析、图像形成、谱测量等的。这主要是由于标准单模光纤的低的数值孔径和小的纤芯大小所引起的，这限制了光纤的收集效率。

为了提高非线性光学内窥镜的收集效率，可以使用双包层光纤。这种光纤一般包括纤芯、内包层以及外包层。通过光纤纤芯把内窥镜的激励光束传送到目标，并且收集从目标发射而经由光纤的内包层返回到内窥镜的光。然而，由于内包层的低的数值孔径，大多数双包层光纤的收集效率仍是低的。已经开发了具有较大数值孔径的内包层的双包层光纤，诸如光子晶体双包层光纤。然而，光子晶体双包层光纤通常比标准光纤更难以制造，结果，非常昂贵。

因此，存在对于另外的双包层光纤和使用双包层光纤的非线性光学内窥镜的需求。

发明内容

在一个实施例中，双包层光纤包括纤芯、内包层和外包层，均由硅石基玻璃制成。纤芯可以具有小于约5微米的半径、第一折射率n₁，并且不包含任何活性稀土掺杂剂。内包层可以围绕着纤芯，并且包括至少约25微米的径向厚度、至少约0.25的数值孔径以及第二折射率n₂，以致n₂＜n₁。纤芯相对于内包层的相对折射率百分比(Δ％)可以大于约0.1％。外包层可以围绕着内包层，并且包括从约10微米到约50微米的径向厚度和第三折射率n₃，以致n₃＜n₂。内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ％)可以大于约1.5％。

在另一个实施例中，非线性光学内窥镜可以包括激光源、双包层光纤、光束扫描单元、光学检测器以及计算机。双包层光纤可以包括纤芯、内包层和外包层。纤芯可以具有小于约5微米的半径、第一折射率n₁，并且不包含任何活性稀土掺杂剂。内包层可以围绕着纤芯，并且包括至少约25微米的径向厚度、至少约0.25的数值孔径以及第二折射率n₂，以致n₂＜n₁。纤芯相对于内包层的相对折射率百分比(Δ％)可以大于约0.1％。外包层可以围绕着内包层，并且包括从约10微米到约50微米的径向厚度和第三折射率n₃，以致n₃＜n₂。内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ％)可以大于约1.5％。可以把激光源的输出光学地耦合到双包层光纤第一端处的双包层光纤的纤芯，以致把激光源的输出引导到双包层光纤的纤芯中。可以把光学检测器耦合到双包层光纤第一端处的双包层光纤的内包层，并且可以可操作地使通过内包层传播的光转换成电信号。可以使计算机与光学检测器电耦合，并且可操作而从光学检测器接收到的电信号形成图像。可以使光束扫描单元光学耦合到光纤的第二端，并且可操作而以二维方式在目标上扫描引导到双包层光纤的纤芯的激光源输出，并且收集从目标发射到双包层光纤的内包层的光。

在下述的详细说明中将阐明本发明的另外的特征和优点，本技术领域中技术人员从该说明能容易地明白一部分，或通过包括下述的详细说明，权利要求书以及附图的、这里描述的本发明的实践而理解。要理解，上述一般说明和下述详细说明提供了本发明的实施例，并且旨在提供概述或框架，以便理解要求权益的本发明的性质和特征。

附图说明

附图中阐明的一些实施例是性质的说明，并且不旨在限制由权利要求书定义的本发明。此外，当连同下述附图一起阅读时，可以理解本发明的具体示意性实施例的下述说明，在附图中，用相同的附图标记来表示相似的结构，其中：

图1A描绘根据这里所示的和所描述的一个或多个实施例的双包层光纤的横截面图；

图1B描绘根据这里所示的和所描述的一个或多个实施例的图1A的双包层光纤的折射率分布；

图2描绘根据这里所示的和所描述的一个或多个实施例的双包层光纤的横截面图，所述双包层光纤在外包层中包括随机分布(大小和位置两者)的孔隙；

图3描绘根据这里所示的和所描述的一个或多个实施例的另一个双包层光纤的横截面图，所述双包层光纤在外包层中包括规则分布(大小和位置两者)的孔隙；

图4示出用于测量光纤的数值孔径的测试装置；

图5是曲线图，示出作为使用图4的装置的光纤的角度取向的函数的、通过光纤耦合的光源的归一化的功率；以及

图6是根据这里所示的和所描述的一个或多个实施例的、利用双包层光纤的非线性光学内窥镜设备的示意图。

在下述的详细说明中将阐明本发明的另外的特征和优点，本技术领域中技术人员从该说明能容易地明白一部分，或通过包括下述的详细说明，权利要求书以及附图的、这里描述的本发明的实践而理解。要理解，上述一般说明和下述详细说明两者提供了本发明的实施例，并且旨在提供概述或框架，以便理解要求权益的本发明的性质和特征。

具体实施方式

这里使用下述的定义和术语：

折射率分布是在光纤的选中部分上从光纤中心线测量到的相对折射率(Δ％)和光纤半径之间的关系；

定义相对折射率百分比或Δ百分比(Δ％)为：

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

其中n_i是区域i中的最大折射率，而n_ref是参考区域的折射率，除非这里另行规定之外；

模场直径(MFD)是在单模光纤中传播的光的光点大小或光束宽度的量度。模场直径是光源波长、光纤纤芯半径和光纤折射率分布的函数。使用PetermanII方法来测量MFD，其中：

MFD＝2w，以及

$w^2=2\frac{{\int }_0^{\infty }{E}^2\mathrm{rdr}}{{\int }_0^{\infty }{(\mathrm{dE}/\mathrm{dr})}^2}\mathrm{rdr}$

其中E是光纤中的电场分布，而r是光纤半径；

色散或光纤的色散是材料色散、波导色散、以及模间色散的总和。在单模波导光纤的情况中，模间色散是零。

光纤的有效区域是光纤中传播光的区域，并且定义为：

$A_{\mathrm{eff}}=2\pi \frac{{\left({\int }_0^{\infty }{E}^2\mathrm{rdr}\right)}^2}{{\int }_0^{\infty }{E}^2\mathrm{rdr}}$

其中E是与光纤中传播的光相关联的电场，而r是光纤半径。

截止波长是最小波长，光纤在截止波长处只支持一个传播模式。如果工作波长在截止波长以下，则可能发生多模工作，并且附加的色散源的引入可能限制光纤的信息携带量。在Jeunhomme的“Single Mode Fiber Optics”一书的第39-44页(Marcel Dekker出版社，纽约，1990)中可以发现数学定义，其中描述理论光纤截止波长为外包层中模式传播常数变成等于平面波传播常数时的波长。这个理论波长适合于没有直径变化的、无穷长的、完全直的光纤。

光纤截止波长将比理论截止波长低，并且使用诸如题为“Measurement Cut-off Wavelength of Uncabled Single-Mode fiber by Transmitted Power”的TIA-455-80B中描述的技术之类的发射功率技术进行测量。为了避免在双包层光纤的纤芯区域中传播的光与在内包层中传播的光之间的干扰，使用发射光纤(launch fiber)把光源引导到双包层光纤的纤芯中。发射光纤的截止波长稍大于双包层光纤的预期纤芯光纤截止波长。发射光纤的长度应该大于2米。发射光纤的纤芯大小约与双包层光纤的纤芯大小相同。在测量中，仔细地使发射光纤与双包层光纤对准以保证发射光纤的纤芯和双包层光纤的纤芯之间的有效的耦合。

这里报告特定波长的所有与波长有关的光学特性(诸如色散、截止波长等)。

应该理解，这里所使用的Δ₁％是指双包层光纤的纤芯相对于双包层光纤的内包层的相对折射率百分比(Δ％)。因此，

${\Delta }_1\%=100\frac{(n_1^2-n_2^2)}{2n_1^2},$

其中n₁是纤芯的折射率，而n₂是内包层的折射率。

应该理解，这里所使用的Δ₂％是指双包层光纤的内包层相对于双包层光纤的外包层的相对折射率百分比(Δ％)。因此，

${\Delta }_2\%=100\frac{(n_2^2-n_3^2)}{2n_2^2}$

其中n₂是内包层的折射率，而n₃是外包层的折射率。

图1A示出根据这里所示的和所描述的一个实施例的具有高数值孔径的内包层的双包层光纤。这里描述的双包层光纤一般包括纤芯、内包层和外包层。选择外包层和内包层的材料，以致外包层和内包层的折射率产生一种具有高数值孔径的内包层。纤芯、内包层和外包层一般包括硅石，特别包括硅石玻璃。这里将更详细地描述和讨论利用双包层光纤的制造、特征和设备的结构、组成、方法。

现在参考图1A和1B，示出了根据这里描述的一个实施例的双包层光纤100的横截面图和相应的折射率分布。双包层光纤100一般包括纤芯102、内包层104和外包层106。在所示的实施例中，纤芯102、内包层104和外包层106一般包括硅石，特别包括硅石玻璃。在一个实施例(未示出)中，一个或多个一个或多个保护涂层可以围绕着外包层106。在这里所示的实施例中，双包层光纤的横截面相对于纤芯的中心一般是圆对称的，虽然应该理解，光纤和光纤的各个层(例如，纤芯、内包层和外包层)可以具有其它几何形状配置。当双包层光纤如图1所示为圆对称时，双包层光纤100的外径(例如，2r₃)可以从约125微米到约500微米，更佳地，从125微米到约300微米，最佳地，125微米到约250微米。

在图1所示的实施例中，纤芯102可以具有第一折射率n₁。纤芯102可以包括纯硅石(SiO₂)，或另一方面，诸如当纤芯被“上掺杂(up-doped)”时，纤芯102可以包括一个或多个折射率升高掺杂剂，例如，诸如GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅和/或Ta₂O₅。在这里讨论的实施例和例子中，纤芯1021可以包含从约5.5重量百分比到约32.5重量百分比的GeO₂，更佳地，从约5.5重量百分比到约15重量百分比的GeO₂，并且最佳地，从约5.5重量百分比到约10重量百分比的GeO₂。

纤芯102的半径r₁可以从约1.5微米到约5微米，更佳地，从约2微米到约4.5微米，并且最佳地，从约2.5微米到约4微米，以致通过双包层光纤的纤芯传播的光点大小是较小的，具有相应高的光功率密度，从而如果使用双包层光纤连同非线性光学内窥镜的话，则产生强的非线性效应。然而，为了把光源有效地耦合到双包层光纤的纤芯，光点大小还应该是足够大的。双包层光纤的纤芯102的有效面积可以从约7平方微米到约80平方微米，更佳地，从约13平方微米到约64平方微米，并且最佳地，从约20平方微米到约50平方微米。

纤芯相对于内包层(例如，Δ₁％)的相对折射率百分比(Δ％)可以至少为0.1％，更佳地，大于约0.2％，并且最佳地，大于约0.3％。纤芯的数值孔径NA给出角度范围的特征，在该角度范围上，纤芯可以接收或发射光信号，并且直接与纤芯102和内包层104的折射率有关(这里进一步讨论)。如这里所使用的，表达“纤芯的数值孔径”为：

${\mathrm{NA}}_{\mathrm{core}}=\sqrt{(n_1^2-n_2^2)}$

对于具有折射率n₁的纤芯和具有折射率n₂的内包层。除非另行说明，对于纤芯的数值孔径或NA_core的任何引用是指通过上述引用的数学关系式确定的纤芯的数值孔径。在这里所示的和描述的实施例中，可以选择构成纤芯102和内包层104的材料，以致纤芯102的数值孔径较佳地从约0.08到约0.2，更佳地，约0.1到约0.15，并且最佳地，约0.12。纤芯的折射率分布可以是阶跃式分布，如图1B所示，圆形阶跃式(rounded step)或梯度分布。

在一个实施例中，纤芯102可以是无源的，例如，纤芯102不包含会在纤芯102中启动增益或激光发射动作的任何有源元件。具体地，纤芯102可以不含Yb、Er、Nd、Tm、Sm和Tb的任何稀土掺杂剂。在某些实施例中，可以把磷添加到纤芯102中，以便降低纤芯102中硅石玻璃的软化温度。如果通过内气相沉积(IVD)过程来产生纤芯，则这是特别有利的。还可以利用磷的加入量来提高纤芯104的折射率。

在这里所示的和描述的实施例中，双包层光纤的纤芯在要求工作波长处是单模的形式，例如，要求工作波长诸如800纳米、1060纳米、1310纳米和1550纳米的波长。如这里所使用的，单模意味着双包层光纤只支持特定光波长的一个传播模式。单模光纤一般比多模光纤具有较佳的色散特性(例如，较低的色散)。光纤截止波长一般描写工作波长，在该工作波长下，双包层光纤是单模的，其工作波长大于适合于单模传播的截止波长。因此，要求设计光纤，以致纤芯光纤截止波长小于指定要使用的光纤的工作波长，例如，小于800、1060、1310和/或1550纳米。

内包层104可以具有第二折射率n₂，以致n₂＜n₁。内包层104可以包括纯硅石玻璃(SiO₂)，诸如当上掺杂内包层时，具有增加折射率的一个或多个掺杂剂的硅石玻璃(例如，GeO₂、Al₂O₃、P₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅和/或Ta₂O₅)，或诸如当下掺杂内包层时，硅石玻璃具有减小折射率的掺杂剂(诸如氟或硼)。在一个实施例中，内包层是纯硅石玻璃。在另一个实施例中，内包层可以包括掺杂GeO₂的硅石玻璃，GeO₂的量从约5.5重量百分比到约27重量百分比，更佳地，5.5重量百分比到约15重量百分比，并且最佳地，5.5重量百分比到约10重量百分比。在再另一个实施例中，内包层可以包括掺杂Al₂O₃的硅石玻璃，从约1重量百分比到约15重量百分比，更佳地，1重量百分比到约10重量百分比，并且最佳地，从约1重量百分比到约5重量百分比。应该理解，添加到纤芯的掺杂剂不必须与添加到内包层的掺杂剂相同。例如，内包层可以包括掺杂GeO₂的硅石玻璃，而纤芯可以包括掺杂Al₂O₃的硅石玻璃。然而，如果在纤芯中使用Al₂O₃和GeO₂，并且工作波长(即，信号)在850纳米以上，则较佳地，纤芯中使用小于2重量百分比的Al₂O₃，更佳地，使用小于1重量百分比的Al₂O₃，并且甚至更佳地小于0.5重量百分比，以便使在这些波长(即，＞850纳米)处纤芯中的光散射达到最小。

内包层104的厚度(例如，r₂-r₁)可以大于约25微米，更佳地，大于约30微米，并且最佳地，大于约40微米。内包层104相对于外包层106(例如，Δ₂(％))的相对折射率百分比(Δ％)大于约1.5％，这对应于至少0.25的数值孔径。内包层的数值孔径给出角度范围的特征，在该角度范围上，内包层可以接收或发射光信号，并且取决于内包层和外包层两者的折射率之间的数学关系。根据一个实施例，可以使用下述关系式计算“内包层的数值孔径”：

${\mathrm{NA}}_{\mathrm{innercladding}}=\sqrt{(n_2^2-n_3^2)},$

其中n₂是内包层的折射率，而n₃是外包层的折射率(这里进一步讨论)。例如，对于表2A和2B中所示的光纤例子，使用上述数学关系式从理论上确定内包层的数值孔径。然而，使用将在这里进一步讨论的装置和技术，通过实验确定表1中所示的光纤例子的内包层的数值孔径。可以选择内包层104和外包层106的相对组成，以致折射率的差产生具有要求数值孔径的内包层104。内包层的数值孔径可以大于约0.25，更佳地，大于约0.3，并且最佳地，大于约0.35，以使内包层接收或发射光信号的角度范围最大化。内包层的折射率分布可以是阶跃式分布，如图1B所示，圆形阶跃式或梯度分布。

外包层106的厚度(例如，r₃-r₂)可以从约10微米到约50微米，更佳地，约12.5微米到约30微米，并且最佳地，约15微米到约20微米。外包层一般可以具有第三折射率n₃，以致n₃＜n₂＜n₁。如上所述，可以选择内包层104和外包层106的材料组成，以致折射率的差产生要求的内包层104的数值孔径。为了得到大于约0.25的要求数值孔径的内包层，可以相对于内包层104对外包层106进行下掺杂，以致外包层折射率n₃和内包层折射率n₂之间的差导致要求的内包层104的数值孔径。另一方面，可以相对于外包层106对内包层104进行上掺杂，或可以相对于外包层106对内包层104进行上掺杂，并且相对于内包层104对外包层106进行下掺杂。

在一个实施例中，外包层106可以包括具有诸如氟、硼或它们的组合的一个或多个掺杂剂的硅石玻璃，这使外包层106的折射率n₃相对于内包层104的折射率n₂降低(例如，对外包层106进行“下掺杂”)。在一个实施例中，外包层106可以包括形式为B₂O₃的、具有小于约5重量百分比的氟和小于约10重量百分比的硼的硅石玻璃，更佳地，形式为B₂O₃的、小于约2.5重量百分比的氟和小于约5重量百分比的硼，并且最佳地，形式为B₂O₃的、小于约2重量百分比的氟和小于约5重量百分比的硼，以致内包层104相对于外包层106(例如，Δ₂％)的相对折射率百分比(Δ％)大于约1.5％。当内包层104包括纯硅石玻璃和外包层106包括具有约2重量百分比的氟和约5重量百分比的硼的硅石玻璃时，内包层的数值孔径约为0.30。在另一个实施例中，当内包层104包含减小内包层的折射率的掺杂剂(例如，GeO₂，、Al₂O₃等)并且外包层106包括具有约2重量百分比的氟和约5重量百分比的硼的硅石玻璃时，内包层的数值孔径可以大于约0.30。

另一方面，通过形成外包层可以减小外包层106的折射率n₃，以致外包层包含图2和3所示的孔隙分布，图2和3描绘具有含孔隙的外包层的双包层光纤200、300的两个实施例。孔隙可以包含空气和/或固结气体，以致孔隙的折射率小于外包层的折射率。因此，通过在外包层中结合孔隙，可以减小外包层相对于内包层的折射率n₃。

图2中示出具有含孔隙的外包层206的双包层光纤200的横截面图。含孔隙的外包层206包括了分布在整个外包层中的多个孔隙208。在一个实施例中，在制造用于拉伸双包层光纤200的光纤预制件期间，当沉积和固结外包层的材料时，孔隙可以包括形成在外包层中的分立的闭合的孔隙。闭合的孔隙可以包含在固结过程期间俘获在孔隙中的固结气体。在所示的实施例中，孔隙208是小的，例如，孔隙的直径可以比沿双包层光纤200的内包层104传播的光波长小。例如，孔隙208可以具有小于约500纳米的直径，更佳地，小于约300纳米，并且最佳地，小于约200纳米。如图2所示，在整个外包层206中，孔隙可以具有随机大小的分布，以致外包层包括具有不同横截面面积的孔隙的分布。如这里所定义的，当外包层中的孔隙是小孔隙时，孔隙的区域孔隙面积百分比可以大于约10％，较佳地，大于约20％，并且最佳地，大于25％。孔隙的区域孔隙面积百分比较佳地小于60％。如这里所使用的，区域孔隙面积百分比意味着在含孔隙区域(例如，外包层)中的孔隙的总面积除以含孔隙的区域的总面积(当在垂直于光纤轴的方向上观察光纤时)乘上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处于25％的数量级。

在一些实施例中，可以非周期性地设置或可以周期性地设置包含在外包层中的孔隙，或两者。“非周期性设置”或“非周期性分布”意味着对于光纤的特定横截面(诸如垂直于纵轴的横截面)，非周期性设置的孔隙在外包层上是随机地或非周期性地分布的。沿光纤长度方向的不同点处取得的相似横截面将展示不同的横截面孔图案，即，各个横截面具有不同的孔图案，其中孔隙的分布和孔隙的大小是不匹配的。沿光纤的长度(即，平行于纵轴)拉长了这些孔隙，但是对于传输光纤的典型的长度来说，没有延伸整个光纤的整个长度。在不希望受到理论的约束的同时，相信孔隙延伸小于数米，在许多情况中，沿光纤的长度小于1米。可以通过一些方法制造这里揭示的双包层光纤，这些方法利用预制件固结条件，这些条件有利于导致在固结玻璃毛坯中俘获大量气体，从而导致在固结玻璃光纤预制件中形成孔隙。不是采用步骤来除去这些孔隙，而是使用所产生的预制件来形成具有孔隙或其中有孔隙的光纤。如这里所使用的，孔隙的直径是最长的线段，当在垂直于光纤纵轴的横截面中观察光纤时，在定义孔隙的硅石内表面上设置线段的终点。

在图2所示的实施例中，双包层光纤200的内包层104和外包层106可以如上相对于图1描绘的双包层光纤100那样。具有内包层(包括纯硅石玻璃)和外包层(具有约25％空气的区域孔隙面积百分比)的含孔隙的双包层光纤可以产生具有约0.68的数值孔径的内包层。

在这里已经把图2所示的孔隙208描述成具有随机大小分布的、闭合的、非周期性分布的孔隙的同时，应该理解，孔隙208也可以在整个外包层中周期性地分布，并且通常孔隙也可以具有一致的大小。此外，还可以打开孔隙而结果含空气，将在这里更详细地描述。

现在参考图3，示出了具有含孔隙的外包层306的双包层光纤300的另一个实施例。在该实施例中，孔隙308是大的，例如，孔隙308的直径大于沿双包层光纤300的内包层104传播的光的波长。例如，在该实施例中，大孔隙308一般可以具有大于1微米的直径，更佳地，大于约5微米，并且最佳地，大于约10微米。如这里所定义的，当孔隙308是大的时，区域孔隙面积百分比可以大于约80％，更佳地，大于约90％，并且最佳地，约95％。如这里所定义的，当孔隙308是大的时，区域孔隙面积百分比较佳地小于98％。在所示的例子中，外包层306的区域孔隙面积5处于90％的数量级，这大大地减少了外包层的总折射率。当外包层区域孔隙面积％约为90％空气和内包层包括纯硅石玻璃时，内包层可以具有约为1的数值孔径。

在图3所示的实施例中，可以使孔隙308在外包层的整个横截面中周期性地分布。孔隙308一般还可以包括相同的直径。可以打开孔隙308，结果可以包含空气。可以通过在用于拉伸出双包层光纤的光纤预制件的外包层区域中钻孔来形成孔隙308。另一方面，可以使用形成光纤预制件的“堆叠和拉伸”方法来形成大的孔隙308。可以使用钻孔和堆叠和拉伸方法来制造小孔隙(例如，诸如相对于图2所描述的)或大孔隙(例如，诸如相对于图3所描述的)。然而，应该理解，可以使用在外包层中形成打开孔隙的其它技术。

在一个实施例中，可以通过外气相沉积(OVD)过程来制造图1-3的双包层光纤。OVD过程是制造光纤的一个方法，通过经由在CH₄+O₂火焰中的水解过程从特定气相成分(包括硅石和其它掺杂剂前驱体)的反应，以形成硅石玻璃和/或硅石玻璃和掺杂剂清灰颗粒，然后通过热电(thermopheretic)装置把它们收集到饵棒(用于制造纤芯清灰预制件)或玻璃芯杖或棒(用于制造覆层清灰预制件)。接着在高温炉中使清灰预制件干燥和致密成为固态玻璃(在从纤芯预制件中除去饵棒之后)，通常称之为固结的一个过程。在清灰预制件制造过程中，通过对于每个层利用各种气相成分的不同量而得到要求的纤芯和包层组成。总之，首先产生纤芯和/或包层预制件，然后固结，最后通过已知的光纤拉伸方法把(固结的)预制件拉伸成光纤。

更具体地，例如，可以用于制造与双包层光纤的纤芯相关联的清灰预制件部分的气相前驱体材料可以是SiCl₄、GeCl₄、AlCl₃、TiCl₄、或POCl₃。在一些实施例中，纤芯预制件包括纯硅石玻璃或掺杂GeO₂的硅石玻璃。在把清灰固结到纤芯预制件中之后，使用OVD过程把SiO₂清灰沉积在固结的纤芯预制件上以形成双包层光纤的内包层的清灰预制件。如上所述，内包层可以包含掺杂剂，掺杂剂可以增加或减小内包层的折射率。这种掺杂剂可以与SiO₂清灰一起沉积。例如，当用GeO₂对内包层进行上掺杂时，GeO₂可以与SiO₂清灰一起沉积。在把内包层的清灰预制件沉积在纤芯预制件上之后，可以固结内包层清灰预制件以形成围绕纤芯预制件的稠密的硅石玻璃。在一些实施例中，纤芯预制件包括无任何掺杂剂的纯硅石玻璃(并且使内包层相对于SiO₂进行下掺杂)。

在沉积内包层的清灰预制件之后，可以把外包层的清灰预制件沉积到纤芯预制件上。在一个实施例中，如上所述，外包层包括下掺杂了形式为B₂O₃的氟和硼的硅石玻璃。因此，为了沉积下掺杂的硅石玻璃层，可以把SiO₂或下掺杂了B₂O₃的SiO₂沉积在固结的内包层清灰预制件上，以形成外包层的清灰预制件。例如，可以在固结过程中使用含氟的气体，SiF₄，以降低预制件的包层部分的折射率。如上所述，含硼和/或氟的固结的玻璃的折射率比纯硅石玻璃要低。

如果采用硼/氟共同掺杂，则可以通过两个步骤来完成硅石玻璃中的硼/氟共同掺杂：(i)在清灰沉积中掺杂硼；接着(ii)在固结期间硅石烧结-掺杂。

例如，使用BCl₃和SiCi₄或含硼-和硅-的有机金属前驱体作为源材料，可以在纯硅石上或上-或下-掺杂的硅石内包层(它围绕纯硅石或掺杂GeO₂的硅石芯棒)上预制掺杂硼的SiO₂外包层的沉积。要注意，当OVD燃烧火焰温度降低时，在沉积中捕获硼的效率增加。对于10重量百分比到12重量百分比的清灰的目标氧化硼含量以及合适的清灰密度(例如，小于0.6克/立方厘米，更佳地，小于0.5克/立方厘米，甚至更佳地，小于0.4克/立方厘米)，在沉积步骤期间的较佳温度范围约为1400℃到1600℃，在后续的固结步骤中易于氟烧结-掺杂。由于分别对于清灰组成的较低温度水解过程和较高热膨胀系数，如此掺杂硼的清灰制造预制件通常具有高的OH含量和高的应力水平。为了防止清灰预制件裂开的可能性，在固结时氟-烧结掺杂之前，为清灰预制件较佳地执行热稳定步骤。较佳地使清灰预制件热稳定在100℃到500℃，例如，在300℃保持炉中，在干燥的惰性气体氛围下约8个小时。在这个方面，热稳定可以是3到24(例如，10、12、16或18小时)，较大尺寸的清灰预制件，热稳定时间较长。

然后用氟化合物(例如，用SiF₄或CF₄)在炉子中固结根据这个示例性实施例的清灰预制件。根据本发明的一个实施例，氟(F)烧结-掺杂成含硼的清灰预制件是一个单区固结过程。整个固结过程发生在较低温度炉子的干燥区区域中，这通常位于标准固结炉子的上部。在相当低的温度下进行固结，由于共同掺杂硼/氟的硅石的相当低的玻璃化转变温度(T_g)(约为800℃或更低)。首先在约850℃到900℃对示例性硅石清灰预制件(掺杂10重量百分比的硼)进行Cl₂干燥达45-60分钟。然后使干燥区温度上升到1200℃，用SiF4进行烧结/氟掺杂达90到150分钟。在烧结和氟掺杂期间，固结玻璃的硼成分大大地下降，诸如从清灰相中的10重量百分比到完全固结玻璃相中的4-8重量百分比。在氟存在的情况下，蚀刻掉了硼而导致这种减小。结果，玻璃中硼和氟的浓度可以分别在4-8重量百分比和1.5-2.5重量百分比的范围内。在固结过程之后，冷却固结的预制件，并且进行光纤拉伸。

在另一个实施例中，双包层光纤的外包层可以包括含孔隙的外包层来代替包括硼和/或氟掺杂剂的外包层。含孔隙的外包层中的孔隙会降低外包层的折射率。在一个实施例中，为了制造含孔隙的外包层，可以在内包层的固结的清灰预制件上沉积SiO₂清灰。在一些条件下沉积和固结SiO₂清灰，这些条件对于俘获固结的玻璃中的一部分固结气体是有效的，从而在用于拉伸双包层光纤的光纤预制件的外包层区域中产生闭合的孔隙的阵列。例如，可以在一些条件下在气体环境中固结外包层，这些条件导致当孔隙闭合时在孔隙中俘获了一部分气体环境。气体环境可以包括降低折射率的气体，诸如氮气或氪气。然而，要理解，可以使用降低玻璃折射率的其它固结气体，例如，诸如氮气、氩气、二氧化碳、氧气、CF₄、氯气、CO、C₂F₆、SO₂、Kr、Xe和它们的混合物，但是不是空气。在一些实施例中，用于产生含孔隙的外包层的方法可以与2008年5月5提交的题为“MICROSTRUCTURED OPTICAL FIBERS AND METHODS”的美国专利申请12/151,170中揭示的方法相似，虽然可以使用形成含孔隙的外包层的其它方法。

如上所述，可以在数学上计算内包层的数值孔径。然而，在某些情况下，可能需要通过实验来确定内包层的数值孔径。例如，在某些情况中，并不精确地已知内包层的折射率n₂。在这种情况下，可以使用角度测量技术来测量这里描述的双包层光纤的内包层的数值孔径，所述角度测量技术与Anping Lu和Kenichi Ueda的题为“Propagation losses of pump light in rectangular double-clad fibers”(3134 Optical Engineering，Vol.35 No.11，1996年11月)的文章中描述的相似。图4中示意性地示出用于执行相似的测量技术的示例性设备。该设备一般包括光源406、可旋转台404以及光学检测器412。光源404一般可以包括具有特定中心波长的宽带光源。例如，可以选择不同的宽带光源以得到不同的中心波长。特别感兴趣的是具有与双包层光纤以及使用双包层光纤的内窥镜的典型的工作波长对应的中心波长的光源。因此，宽带光源可以具有850纳米、1060纳米、1310纳米或1550纳米的中心波长。

为了测量内包层的数值孔径，在可旋转台404上设置双包层测试光纤402，以致可以相对于来自光源的光而精确地控制双包层测试光纤402的角度取向。用耦合光纤410和准直透镜408把光源404的输出耦合到双包层测试光纤402的切开端子。具体地，光源404的输出耦合到双包层测试光纤402的内包层中。在通过准直透镜之后，实质上对耦合到双包层测试光纤402的内包层的光进行了准直。把双包层测试光纤402的相对端子耦合到光学检测器412，以致可以测量通过双包层测试光纤402耦合的光的功率。

通过输入角度θ_i的一个范围来旋转双包层测试光纤402，以致相对于来自光源404的光调节双包层测试光纤402的角度取向。当旋转双包层测试光纤402时，测量通过双包层测试光纤402的内包层耦合的光的功率作为来自光源406的光的输入角度θ_i的函数。图5中示出通过双包层光纤的内包层耦合的、作为角度取向的函数的归一化光功率的示例性标绘图。可以使用半角(例如，)来计算来自光源的光的特定波长的双包层测试光纤的内包层的数值孔径。为了进行这个计算，设置阀值水平以首先确定θ₁和θ₂。例如，可以设置阀值水平为通过双包层测试光纤402的内包层耦合的光的峰值功率的2.5％。因此，可以通过旋转双包层测试光纤402直到通过双包层测试光纤402的内包层耦合的光的功率是通过光纤耦合的峰值或最大功率的2.5％而确定θ₁和/或θ₂。从双包层测试光纤相对于光源的输出的角度取向来取定θ₁和θ₂。对于特定的阀值功率水平，可以使用下列公式计算内包层的数值孔径：

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

可以在数个不同波长的情况下测量内包层的数值孔径。然而，通常，数值孔径仅与通过光纤耦合的光的波长稍微有关。可以使用图4中示出的测量设备以及上述数学表达式来确定内包层的数值孔径。

使用上述技术，通过实验来确定表1中列出的三个光纤例子的内包层的数值孔径。使用这里描述的外气相沉积(OVD)过程来制造双包层光纤。所有三个双包层光纤的纤芯都包括掺杂了5.5重量百分比的GeO₂(无稀土掺杂剂)的硅石玻璃，同时内包层包括纯硅石玻璃。在这些示例性光纤实施例中，光纤纤芯不包含稀土掺杂剂和不包含铝或氟。外包层包括掺杂了21重量百分比的氟和5重量百分比的B₂O₃的硅石玻璃以降低外包层相对于内包层的折射率。列出所有三个示例性光纤的纤芯半径(r₁)、内包层半径(r₂)和外包层半径(r₃)。表1中示出的测量到的双包层光纤的数值孔径在2.5％强度阀值处大于0.25。测量到的所有三个示例性双包层光纤的纤芯光纤截止波长小于800纳米，并且纤芯模场直径(MFD)在800纳米处为从4.7到5.7。确定纤芯相对于包层(例如，Δ₁％)的相对折射率百分比(Δ％)为0.36％。

表1 NA测量结果

表2A和2B示出示例性双包层光纤组成和相应的光学特性。每个示例性组成都是基于具有纤芯、内包层和外包层的光纤的，所有都包括硅石基玻璃。要注意，较佳地，如表2A和2B的光纤例子中所示，光纤纤芯不包括铝，因此表2A的示例性光纤在1060纳米到1700纳米的工作波长范围内展现出极低的散射损耗和小于1dB/km的低衰减。(在具有相似折射率分布，但是纤芯中存在Yb₂O₃、Al₂O₃和GeO₂的对比光纤例子中，在1120纳米到1700纳米的波长范围中，衰减大于20dB/km，并且在1100纳米波长以下，衰减大于100dB/km)。

表2A：双包层光纤示例性组成和特性

光纤1的硅石基玻璃的纤芯具有2.5微米的半径，并且包括5.5重量百分比的GeO₂以增加纤芯的折射率。纤芯具有779纳米的理论截止波长，以致双包层光纤的纤芯在800纳米的工作波长处是单模的。内包层是纯硅石，并且纤芯相对于内包层(例如，Δ₁％)的相对折射率百分比(Δ％)是0.34％。外包层包括掺杂了2％的氟和5％的B₂O₃的硅石玻璃，以降低外包层的折射率。内包层相对于外包层(例如，Δ₂％)的相对折射率百分比(Δ％)是2.1％，这对应于具有0.3数值孔径的内包层。外包层具有62.5微米的外半径r₃，以致双包层光纤是标准的125微米直径的光纤。

通过增加内包层相对于外包层的折射率(n₂)可以增加内包层的数值孔径。例如，在光纤2中，内包层掺杂了27.0重量百分比的GeO₂，从而提高了内包层的折射率。外包层像光纤1那样掺杂了相同重量百分比的氟和B₂O₃。作为增加内包层的折射率(n₂)的结果，使内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ₂％)增加到大于约3％，具体地，3.76％，而使内包层的数值孔径增加到0.4。在该例子中，纤芯掺杂了另外的GeO₂以保持Δ₁％为0.34％，像在光纤1中那样。

另一方面，内包层可以包括可增加内包层的折射率的其它掺杂剂。例如，在光纤3中，内包层包括具有增加内包层的折射率(n₂)的效果的14.1％的Al₂O₃，使内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ₂％)提高到大于约3％，具体地，3.1％，并且使内包层的数值孔径提高到0.36。像光纤2那样，纤芯掺杂了足够的GeO₂以保持Δ₁％为0.34％。

光纤1-3中的示例性组成是针对双包层光纤的，其中外包层的半径(r₃)是62.5微米。然而，对于某些应用，可能需要较大直径光纤以进一步提高光纤的收集效率。因此，在光纤4中，已经放大了光纤1的双包层光纤组成的尺寸，以产生具有250微米外径的光纤。光纤4的较大直径双包层光纤的数值孔径和其它特性与光纤1的双包层光纤组成的数值孔径和其它特性相同。

在光纤1-4的示例性组成中，双包层光纤的纤芯具有0.12的数值孔径和5.5微米的模场直径(MFD)。然而，对于某些应用，可能需要更大数值孔径和更小MFD的纤芯。这可以通过掺杂而增加纤芯的折射率来实现。在光纤5中，纤芯掺杂了8.1重量百分比的GeO₂(与光纤1的5.5重量百分比的GeO₂相比)。与光纤1比较，光纤5中附加的GeO₂使光纤的Δ₁％增加到0.50％，并且使光纤的数值孔径增加到0.15，同时使MFD减小到4.5微米。

在表1A的示例性组成中，设计800纳米的工作波长的双包层光纤。然而，如表1A所示，在800纳米处，双包层光纤的纤芯的色散在800纳米处为120ps/nm/km的数量级。为了减少纤芯的色散，可以使用不同的工作波长。这种工作波长一般对应于通常在内窥镜中使用的其它工作波长。例如，非线性光学内窥镜可以具有800到1550纳米范围内的工作波长。设计在表2B中示出的光纤6-10中的双包层光纤使之具有800纳米之外的工作波长，具体地，1060纳米、1310纳米和1550纳米。

表2B：双包层光纤示例性组成和特性

例如，设计工作波长为1060纳米的光纤6。这是通过增加纤芯半径到3.22微米而实现的。结果，纤芯的截止波长为1021纳米，以致双包层光纤在1060纳米处是单模的。光纤6的双包层光纤具有7.28的MFD，这比设计成工作于800纳米处的光纤的MFD要大。设计双包层光纤使之工作于更大波长的一个特定的优点是减少光纤的纤芯的色散。例如，设计工作于800纳米处的表2A的光纤使之在800纳米处具有数量级为-120ps/nm/km的色散。设计工作于1060纳米的光纤6使之具有色散为-34.9ps/nm/km的纤芯，在设计成工作于800纳米的表1A的对应双包层光纤上提高了约85ps/nm/km。

事实上，通过设计光纤使之工作于1310纳米可以得到具有接近零色散的纤芯，如光纤7所示的那样。这可以通过增加纤芯的半径r₁来实现。例如，增加纤芯的半径可以产生纤芯色散的绝对值小于约10ps/nm/km的双包层光纤，更佳地，小于约5ps/nm/km，并且最佳地，在约1310纳米的工作波长处小于约2ps/nm/km。使纤芯的半径增加到4.01微米时，纤芯的截止波长变成1295，并且双包层光纤在1310纳米处变成单模的。对于这个实施例，使双包层光纤的纤芯的色散减小到-0.03ps/nm/km。

在另一个例子中，可以通过增加Δ₁％和减小纤芯的半径r₁来设计双包层光纤，使之在1550纳米的工作波长处具有接近零的色散。增加Δ₁％和减小纤芯的半径可以产生纤芯色散的绝对值小于约10ps/nm/km的双包层光纤，更佳地，小于约5ps/nm/km，并且最佳地，在约1550纳米的工作波长处小于约2ps/nm/km。例如，在光纤8中，通过掺杂19.5重量百分比的GeO₂而增加纤芯的折射率来增加Δ₁％。在内包层包括纯硅石的情况下，Δ₁％变成1.2％。还使纤芯的半径r₁减小到2.28微米，以致纤芯的截止波长为1240纳米。如此，对于任何1240纳米以上的波长，双包层光纤都是单模的。对于1550纳米的工作波长，光纤8的色散约为-0.04ps/nm/km。

如上所述，增加内包层的数值孔径的一个另外的方法是通过形成在整个外包层中具有孔隙分布的含孔隙的外包层来减小外包层的折射率。光纤9和光纤10是具有包括孔隙的含孔隙的外包层的两个示例性的组成。

光纤9具有含孔隙的外包层，含孔隙的外包层包括含俘获的气体的、小的、闭合的孔隙的分布，以致外包层的区域孔隙面积约为25％。这降低了外包层的折射率，结果，使内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ₂％)增加到11.7％，并且使内包层的数值孔径增加到0.68。此外，设计光纤使之工作于1310纳米的波长处(例如，光纤的纤芯具有4.01的半径r₁，如例子7那样)。如此，双包层光纤在工作波长处也具有接近零的色散。

在光纤10中，含孔隙的外包层包括含空气的、大的、打开的孔隙，以致外包层的区域面积包括90％空气。这降低了外包层的折射率，结果，使内包层相对于外包层的相对折射率百分比(Δ₂％)增加到30％，并且使内包层的数值孔径增加到1.0。如光纤9那样，设计光纤使之工作于1310纳米的波长处，以致双包层光纤在工作波长处具有接近零的色散。

表2A和2B的示例性光纤具有掺杂GeO₂的纤芯。然而，可以在纤芯中使用其它掺杂剂。例如，表2C中的光纤11具有掺杂了4.2％的Al₂O₃的硅石基纤芯，并且没有其它掺杂剂(即，没有GeO₂)。可以利用示例性光纤11来检测300-500纳米波长范围内的信号(由于两个光子吸收)，因为掺杂Al₂O₃的纤芯在该波长范围(300-500纳米)内具有较少的吸收和荧光，并且导致较低的噪声背景。然而，纤芯中的Al₂O₃可能增加线性和非线性荧光(相对于纯硅石纤芯)，因此，增加了内窥镜应用的背景噪声。具有纯硅石纤芯的光纤具有进一步降低背景噪声的吸引力。表2C中的示例性光纤12具有纯硅石纤芯，因此光纤具有比示例性光纤11少的背景噪声。在示例性光纤12中，用氟掺杂内包层以降低其折射率而在纤芯中创建一个波导，外包层含硼和氟两者，以致外包层具有比内包层更低的折射率增量。设计工作波长为800纳米并且具有硅石基纤芯的两个示例性光纤(11和12)。光纤11在800纳米波长处具有小于5dB的衰减。光纤12在800纳米波长处具有小于3dB的衰减，并且在1060纳米处小于1dB。然而，也可以使用相似的方法设计其它工作波长的光纤。

表2C：双包层光纤示例性组成和特性

现在参考图6，示意性地示出非线性光学内窥镜500。尤其当内窥镜使用两个光子或多个光子荧光过程以从目标材料产生图像或光谱时，这里示出的和描述的双包层光纤的内包层的相当高的数值孔径使这种光纤特别适用于与这种非线性光学内窥镜一起使用。非线性光学内窥镜500一般包括光源508、包括如这里描述的纤芯504、内包层506和外包层的双包层光纤502、光束扫描单元512以及光学检测器514。

光源508可以包括激光光源，诸如短脉冲激光光源。光源508的输出可以用光学部件510在双包层光纤的第一端处耦合到双包层光纤502的纤芯。光学部件可以包括透镜、准直透镜、镜子等。双包层光纤可以通过光学耦合器535，光学耦合器535使双包层光纤502的内包层光耦合到光学检测器514，这将在这里进一步讨论。光束扫描单元512可以在双包层光纤502的第二端处耦合双包层光纤502。

光束扫描单元512可操作而使双包层光纤502在两个方向上定位，以致可以在目标522上扫描光源508的输出。在一个实施例中，光束扫描单元512包括压电致动器，可操作压电致动器使双包层光纤502在两个方向上定位，从而在目标522上得到所要求的光源508的输出的扫描图案。非线性光学内窥镜500还可以包括设置在光束扫描单元512中的一个或多个透镜(未示出)，以致退出双包层光纤502的光源的输出通过透镜，并且聚焦在目标522上。透镜还可以用来使从目标发射的光聚焦到双包层光纤502的内包层506上。在一个实施例中，可以把用于对退出双包层光纤502的光源的输出进行聚焦的透镜设置在光束扫描单元512和目标522之间。

光学检测器514可以经由光学耦合器535光耦合到双包层光纤的内包层，以致光学检测器接收沿内包层传播的光信号，具体地，从目标发射的和收集到内包层506中的光信号。传输光纤530连接光学耦合器535和光学检测器514。更具体地，光学耦合器535把在双包层光纤502的内包层中传播的光耦合到传输光纤530，传输光纤530把光发射到光学检测器。在一个实施例中，光学检测器响应沿内包层传播的光信号，并且产生到计算机516的相应的电输出信号，根据接收到的输出信号可编程而形成图像，或在其它方面分析从光学检测器接收到的输出信号。在另一个实施例中，光学检测器514可以包括光谱仪和/或成像设备，成像设备产生表示从沿内包层506传播的光信号得到的光谱信息的输出信号。在每个实施例中，可以使用光学检测器的输出来确定目标的特征，例如，用于根据从目标发射的光来创建目标的图像或产生表示从目标发射的不同波长的强度的光谱作为荧光过程的结果。

在工作中，非线性光学内窥镜的光源508(例如，激光器)产生光脉冲，使用光学元件504把光脉冲耦合到双包层光纤502的纤芯504。光脉冲沿双包层光纤502传播，并且退出接近光束扫描单元512的双包层光纤的第二端。可以使用光束扫描单元512对双包层光纤502进行定位，以致沿目标522扫描退出双包层光纤的光脉冲。当光脉冲退出双包层光纤并且入射在目标上时，目标可以发出荧光，并且发射光信号520。把目标522发射的光信号520收集回双包层光纤，具体地，收集到双包层光纤502的内包层中。由于内包层的大的数值孔径(例如，NA＞.25)，双包层光纤能够用大发散角来收集光信号520，这样，提高了双包层光纤的光信号收集效率。

在把目标发射的光信号520收集到内包层中之后，光信号在内包层中沿双包层光纤502传播回来，其中用传输光纤530通过光学耦合器535把它转移到光学检测器514。光学检测器514把光信号520转换成电信号，可以使用电信号进一步分析和/或对目标进行成像。

现在应该理解，这里所示的和描述的双包层光纤的各个实施例和组成可以产生数值孔径大于约0.25的双包层光纤。此外，这里所示的和描述的双包层光纤的某些实施例和组成除了具有大于约0.25的数值孔径之外，还可以产生低色散的双包层光纤。

还应该理解，这里所示的和描述的双包层光纤的光学特性，具体地，双包层光纤的内包层的大数值孔径，使双包层光学特性适合于结合到光学内窥镜中，尤其，利用两个光子或多个光子过程对目标进行成像和/或分析的非线性光学内窥镜。尤其，使用这里所示的和描述的双包层光纤可以提高非线性光学内窥镜的光信号收集效率，结果提高了通过非线性光学内窥镜产生的图像的质量以及从非线性光学内窥镜收集到的光信号得到的数据的质量。

对于本技术领域中技术人员显而易见的是，可以对本发明进行各种修改和改变而不偏离本发明的精神和范围。因此旨在使本发明包括本发明的修改和改变，只要它们落在所附的权利要求书和它们的等效物的范围之内。