專利名稱：光子晶體光纖和包括光子晶體光纖的醫(yī)療系統(tǒng)的制作方法
相關申請的相互參照在35USC§119(e)(l)下，本申請要求2004年4月8日提交的臨時專利申請?zhí)枮?0/560458、題為“光子晶體光纖應用(PHOTONICCRYSTAL FIBER APPLICATIONS)”的專利申請；2004年4月9日提交的臨時專利申請?zhí)枮?0/561020、題為“光子晶體光纖應用(PHOTONICCRYSTAL FIBER APPLICATIONS)”的專利申請；2004年6月30日提交的臨時專利申請?zhí)枮?0/584098、題為“光子晶體光纖應用(PHOTONICCRYSTAL FIBER APPLICATIONS)”的專利申請；2004年11月16日提交的臨時專利申請?zhí)枮?0/628462、題為“光子晶體光纖應用(PHOTONIC CRYSTAL FIBER APPLICATIONS)”的專利申請；2004年12月30日提交的臨時專利申請?zhí)枮?0/640536、題為“用于在喉科學中的CO2激光器的柔性傳送的OMNIGUIDE光子帶隙光纖(OMNIGUIDE PHOTONIC BANDGAP FIBERS FOR FLEXIBLEDELIVERY OF CO2LASERS IN LARYNGOLOGY)”以及2005年3月4日提交的臨時專利申請，號為60/658531、題為“光子晶體光纖(PHOTONIC CRYSTAL FIBER)”的專利申請的利益。上面列出的所有臨時專利申請的內(nèi)容整體在此引入作為參考。
背景技術：
現(xiàn)在，激光器在許多醫(yī)學領域是很普遍的。例如，激光器獲得在各種不同的醫(yī)療領域中的應用，諸如外科學、獸醫(yī)學、牙科學、眼科學以及在美學醫(yī)療過程中。
在許多這些應用中，光纖用于將輻射從激光器輸送到病人的目標區(qū)域。常規(guī)的光纖對于具有電磁波譜(例如，大約2微米或更小的波長)的可見光或近紅外部分的波長的輻射來說是極好的波導。但是，常規(guī)的光纖一般來說在利用具有相對較長波長的大功率激光輻射的應用中是不適合的。因此，輸送大功率(例如大約10瓦或更大)，長波長(例如，大于大約2微米)的許多醫(yī)用激光系統(tǒng)利用關節(jié)臂來輸送上述輻射，該關節(jié)臂包括光學部件，這些光學部件引導激光輻射通過剛性導管或者自由空間從激光器到目標。

發(fā)明內(nèi)容
光子晶體光纖可以用在醫(yī)用激光系統(tǒng)中以將輻射從輻射源(例如，激光器)引導到病人的目標位置。一般來說，光子晶體光纖包括圍繞芯的區(qū)域，其向芯提供某些輻射波長的非常有效的限制。這些所謂的限制區(qū)域可以專門由無定形的介電材料(例如，玻璃和/或聚合物)來形成，并且在仍然相對較薄時提供有效的限制。因此，光子晶體光纖可包括能夠引導極大功率輻射的薄的、撓性光纖。
此外，光子晶體光纖可以由預制件拉制而成，導致生產(chǎn)出與沒有被拉制的其他波導相比相對便宜的光纖。光纖制造技術也提供相當大的生產(chǎn)能力，例如能夠從單個預制件中拉制出數(shù)千米的光纖。在拉制過程中從相對較短的預制件轉變?yōu)殚L度非常長的光纖能夠有效地消除來自所需結構的在預制件中存在的任何微擾，產(chǎn)生低損耗、低缺陷的光纖。
一般來說，在第一方面，本發(fā)明的特征在于一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光子晶體光纖，該光子晶體光纖包括沿波導軸延伸的芯和圍繞該芯的介電限制區(qū)域，該介電限制區(qū)域配置為將輻射沿著波導軸從輸入端引導到光子晶體光纖的輸出端。該系統(tǒng)還包括連到該光子晶體光纖的機頭(handpiece)，其中該機頭使得操作者控制輸出端的朝向，從而將該輻射指引到病人的目標位置。
該系統(tǒng)的實施例可包括一個或多個下面的特征和/或其他方面的多個方面。
機頭可包括內(nèi)窺鏡。該內(nèi)窺鏡可包括軟導管，一部分光子晶體光纖穿過該軟導管中的通道。該內(nèi)窺鏡可包括機械地耦合到軟導管的致動器，其配置為使一部分軟導管彎曲，由此允許操作者改變輸出端的朝向。該致動器可配置為使一部分軟導管彎曲，從而使該軟導管的彎曲部分具有大約12厘米或更小(例如，大約10厘米或更小、大約8厘米或更小、大約5厘米或更小、大約3厘米或更小)的曲率半徑。該致動器可配置為使軟導管在彎曲面內(nèi)彎曲。機頭可連到光子晶體光纖上以保持介電限制區(qū)域的朝向從而控制光子晶體光纖繞著其在軟導管中的波導軸的朝向。機頭和光子晶體光纖之間的連接可以在保養(yǎng)操作時防止光纖扭轉大于大約10度(例如，大于大約5度)。內(nèi)窺鏡可以還包括輔助導管，該輔助導管包括與軟導管耦合的第一部分，其中將光子晶體光纖通過輔助導管中的通道穿入到軟導管的通道中，該輔助導管還包括可相對于第一部分移動的第二部分，其中光子晶體光纖連到第二部分并且移動該第二部分允許操作者使該輸出端相對于軟導管的一端延伸或收縮。第二部分可以相對于第一部分延伸或收縮。該輔助導管可以是剛性導管。
在一些實施例中，機頭包括導管，一部分光子晶體光纖穿過該導管。該導管可包括彎曲部分。該導管可由可變形材料形成。該機頭還包括機械耦合到導管的致動器，其配置為使一部分導管彎曲，由此允許操作者改變輸出端的朝向。
該機頭可包括延伸超過輸出端的尖端，其提供在輸出端和目標位置之間大約1毫米或更大的最小的間隔距離。
光子晶體光纖可以具有足夠的撓性，從而在使一部分光子晶體光纖彎曲成大約90度或更大的角度并且該部分具有大約12厘米或更小的曲率半徑時將輻射引導到目標位置。在使該部分光子晶體光纖彎曲成大約90度或更大的角度并且該部分具有大約12厘米或更小的曲率半徑時，該輻射可以具有在輸出端的大約1瓦或更高的平均功率。在使該部分光子晶體光纖彎曲成大約90度或更大的角度并且該部分具有大約12厘米或更小的曲率半徑時，該輻射可以具有在輸出端的大約5瓦或更高的平均功率。光子晶體光纖可以具有足夠的撓性，從而在使一部分光子晶體光纖彎曲成大約90度或更大的角度并且該部分具有大約10厘米或更小(例如，大約5厘米或更小)的曲率半徑時將輻射引導到目標位置。
介電限制區(qū)域可包括一層繞波導軸的螺旋形排列的第一介電材料。該介電限制區(qū)域可還包括一層繞波導軸的螺旋形排列的第二介電材料，第二介電材料具有與第一介電材料不同的折射率。第一介電材料可以是玻璃(例如，硫屬玻璃)。第二介電材料可以是聚合物。該介電限制區(qū)域可包括至少一層硫屬玻璃。該介電限制區(qū)域可包括至少一層聚合材料。在一些實施例中，介電限制區(qū)域包括至少一層沿波導軸延伸的第一介電材料，和至少一層沿波導軸延伸的第二介電材料，其中第一和第二介電材料可以與第一介電材料被共同拉制。
該芯可以是中空芯。該系統(tǒng)可還包括與輸入端或輸出端耦合的流體源，其中在操作過程中，該流體源供應流體通過該芯。該流體可以是氣體。
芯可以具有大約1000微米或更小(例如，大約500微米或更小)的直徑。光子晶體光纖可以在輸出端具有大約2000微米或更小的外徑。
在一些實施例中，該系統(tǒng)還包括光波導和連接器，該連接器將光波導連到光子晶體光纖上。光波導可以是第二光子晶體光纖。該系統(tǒng)還可以包括圍繞該光波導的導管。該導管可以比光波導具有更大的剛性。該系統(tǒng)可以包括與該導管耦合的流體源，其中在操作過程中，該流體源向該導管供應流體。
該系統(tǒng)可以還包括激光器，其產(chǎn)生輻射并朝光子晶體光纖的輸入端引導該輻射。該激光器可以是CO2激光器。輻射可以具有大約2微米或更長的波長。在一些實施例中，該輻射具有大約10.6微米的波長。
在某些實施例中，該系統(tǒng)還包括輔助輻射源和機械耦合到光子晶體光纖的至少一個附加光纖，附加波導配置為將輔助輻射從輔助輻射源輸送到目標位置。該輔助光纖可以由機頭機械地耦合到光子晶體光纖。輔助輻射源可以是第二激光器，其不同于為了將輻射引導到光子晶體光纖的輸入端而定位的激光器。第二激光器可以是Nd:YAG激光器、二極管激光器，或脈沖染料激光器。輔助的輻射可以具有在電磁波譜的可見光部分中的波長。
可以將至少一部分光子晶體消毒。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種物品，其包括光子晶體光纖的一段(length)，該光子晶體光纖包括沿波導軸延伸的芯和圍繞該芯的介電限制區(qū)域，該介電限制區(qū)域配置為將輻射沿著波導軸從輸入端引導到光子晶體光纖的輸出端，其中將光子晶體光纖的一段消毒。
該物品可以還包括密封包裝，其包含光子晶體光纖的一段。物品的實施例可以包括其他方面的一個或多個特征。
一般來說，在另外的方面，本發(fā)明的特征在于一種方法，該方法包括將輻射引導到光子晶體光纖的輸入端中，并利用連到光子晶體光纖的機頭來控制光子晶體光纖輸出端的朝向，且向病人的目標位置引導從輸出端發(fā)出的輻射。這些方法的實施例可以包括其他方面的一個或多個特征。
一般來說，在另一個方面，本發(fā)明的特征在于一種方法，該方法包括將輻射通過光子晶體光纖引導到病人的目標位置，光子晶體光纖具有中空芯，并使流體通過該中空芯流到病人的目標位置。
該方法的實施例可以包括下面的特征和/或其他方面的特征中的一個或多個。
輻射可以具有足夠的功率來切開、切除或摘除在目標位置處的組織。流體可以具有足夠的壓力和溫度來使目標位置處的血液凝結。
這些方法可包括在將輻射和流體引導到目標位置時使光子晶體光纖彎曲。使光纖彎曲可包括使一部分光纖彎曲大約45度或更多從而具有大約12厘米或更小的曲率半徑。
將輻射和流體引導到目標位置可包括保持連到光子晶體光纖的一部分機頭并利用該機頭控制輸出端的朝向。
流體可以是氣體、液體或超流體。在流體是氣體的實施例中，氣體可以在輸出端具有大約0.5PSI或更大(例如大約1PSI或更大)的壓力。氣體可以在目標位置處具有大約50℃或更高(例如大約80℃或更高)的溫度。氣體可以是空氣。氣體可以包括二氧化碳、氧、氮、氦、氖、氬、氪或氙。氣體可以是基本上純凈的氣體。例如，氣體可以包括大約98％或更高的單一組分氣體?？蛇x擇的是，在一些實施例中，氣體是氣體混合物。
流體能夠以大約1升/分或更大的速度(例如，大約2升/分或更大、大約5升/分或更大、大約8升/分或更大)流到中空芯中。
輻射可以具有大約2微米或更長(例如大約10.6微米)的波長。輻射可以在目標位置處具有大約1瓦或更高的平均功率。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種裝置，該裝置包括光子晶體光纖，該光子晶體光纖包括沿波導軸延伸的芯和圍繞該芯的介電限制區(qū)域，該介電限制區(qū)域配置為將輻射沿波導軸從輸入端引導到光子晶體光纖的輸出端，該光子晶體光纖還包括套，其耦合到光子晶體光纖的輸出端從而允許輻射穿過該套并通過第一開口從該套射出，該套還包括一個或多個第二開口，所述第二開口設置為使流入到該套中的氣體通過第二開口離開該套。
裝置的實施例還包括下面特征和/或其他方面的特征中的一個或多個。
流入到套中的氣體除了通過第二開口之外還通過第一開口離開該套。該裝置可以還包括設置在第一開口和第二開口之間的透明元件，其在輻射穿過該套時基本上透射該輻射。該透明元件可以基本上防止氣體通過第一開口離開該套。該透明元件可以包括ZnSe。
該裝置可還包括相對于第二開口設置的導管，從而使得通過第二開口離開該套的氣體被吸入到導管的輸入端中。
第二開口可設置在第一開口附近。第一開口的直徑可小于光子晶體光纖在輸出端的外徑。該裝置可還包括連到套上的聚焦元件，從而聚焦穿過該套的輻射?？蛇x擇的是，或者另外，其能夠包括連到套上的反射元件從而反射穿過該套的輻射。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種裝置，該裝置包括組件，該組件包括輻射輸入口和輸出口，所述輻射輸入口配置為接收來自輻射源的輻射，所述輸出口配置為將該輻射與光子晶體光纖耦合，該組件還包括延遲元件，該延遲元件設置為在從輻射源接收的輻射耦合到光子晶體光纖之前改變該輻射的偏振態(tài)。
該裝置的實施例可以包括下面特征和/或其他方面的特征中的一個或多個。
該組件可還包括配置為從氣體源接收氣體的氣體輸入口。光子晶體光纖可具有中空芯。輸出口可進一步配置為將從氣體源接收的氣體耦合到光子晶體光纖的中空芯中。該裝置可包括氣體源。
延遲元件可以是反射延遲元件。該裝置可包括輻射源，其中來自輻射源的輻射包括具有波長λ的輻射。反射延遲元件可包括反射鏡以及置于反射鏡的表面上的光學厚度為大約λ或更小的延遲層。該延遲層可具有沿著相對于反射鏡表面的法線成大約45°方向上的大約λ/4的光學厚度。λ可以是大約2微米或更大。例如，λ可以是大約10.6微米。
延遲元件可以是透射延遲元件。
延遲元件可以將輻射的偏振態(tài)從基本上線性偏振態(tài)變?yōu)榛旧戏蔷€性偏振態(tài)?；旧戏蔷€性的偏振態(tài)可以是基本上圓偏振態(tài)。
該組件可還包括聚焦元件，該聚焦元件配置為將在輻射輸入口射入該組件的輻射聚焦為在輸出口附近的收斂部分。聚焦元件可以將該輻射聚焦為直徑是大約1000微米或更小(例如，大約500微米或更小)的收斂部分。聚焦元件可以是透鏡。該透鏡可包括ZnSe。
該裝置可還包括光子晶體光纖。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種方法，該方法包括改變從激光器發(fā)射的輻射的偏振態(tài)、將具有已經(jīng)改變偏振態(tài)的輻射引導到具有中空芯的光子晶體光纖的輸入端，以及將來自氣體源的氣體耦合到中空芯的輸入端中。
該方法的實施例可包括一個或多個特征或其他方面。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種方法，該方法包括引導輻射通過光波導到達病人的組織，其中光波導具有中空芯，該方法還包括在引導輻射時將氣體指引到該組織，其中該輻射和氣體足以切割(例如，切除或摘除)該組織并且基本上使暴露的血液凝結。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種醫(yī)用激光系統(tǒng)，其包括激光器、具有中空芯的光波導、輸送設備、配置為將氣體輸送到組織的氣體源(例如，氣瓶、壓縮機、鼓風機)，其中在操作過程中，將來自激光器的輻射和來自氣體源的氣體輸送到病人的組織，其中該輻射和氣體足以切開組織并基本上使暴露的血液凝結。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種系統(tǒng)，其包括具有輸出終端的激光器、具有輸入端和輸出端的光子晶體光纖，所述輸入端配置為接收從輸出終端發(fā)出的輻射，還包括輸送設備，該輸送設備用于允許操作者將輸出端發(fā)射的輻射指引到目標組織。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種系統(tǒng)，其包括CO2激光器、內(nèi)窺鏡和光子晶體光纖，其中在操作過程中，光子晶體光纖引導來自CO2激光器的輻射通過內(nèi)窺鏡到達目標組織。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種耦合器，其用于將氣體和輻射耦合到光纖的中空芯的一端。
本發(fā)明的實施例可以包括下面特征中的一個或多個。
可以引導氣體通過光波導的中空芯或者可以引導氣體通過與中空芯分開的管而達到組織。輻射可以從激光器(例如，CO2激光器)輸送。激光器可以具有大約5瓦或更高(例如，大約10瓦或更大、大約15瓦或更大、大約20瓦或更大、大約50瓦或更大、大約100瓦或更大)的輸出功率。輸送到組織的輻射可以具有如在光波導的遠端處測量的大約1瓦或更高(例如，大約2瓦或更大、5瓦或更大、8瓦或更大、10瓦或更大、大約20瓦或更大、大約50瓦或更大)的功率。該輻射可以具有大約10.6微米的波長。該氣體可以具有大約1升/分或更高(例如，大約2升/分或更大、大約5升/分或更大、大約8升/分或更大、大約10升/分或更大、大約12升/分或更大、大約15升/分或更大、大約20升/分或更大)的流速。
離開中空芯的氣體的壓力可以相對較高。例如，離開光纖的氣體壓力可以與通過1米長的纖芯直徑為大約500μm的光纖的大約1升/分或更高(例如，大約2升/分或更大、大約5升/分或更大、大約8升/分或更大、大約10升/分或更大、大約12升/分或更大、大約15升/分或更大、大約20升/分或更大)的流速相對應。
氣體可以是空氣、氮、氧、二氧化碳或惰性氣體(例如，氦、氖、氬、氪和/或氙)。氣體可以包括基本上僅僅一種化合物(例如，大約98％或更高一種化合物、大約99％或更高、大約99.5％或更高、大約99.8％或更高、大約99.9％或更高)。可選擇的是，在一些實施例中，氣體可以包括不同化合物的混合物(例如，空氣)。
該方法可還包括利用輻射切除組織。光波導可以是光子晶體光纖(例如，布拉格光纖)。氣體可以在組織處具有大約50C或更高(例如，大約60℃或更高、大約70℃或更高、大約80℃或更高、大約90℃或更高、大約100℃或更高)的溫度。該方法可還包括在將輻射輸送到組織時使光纖彎曲。光纖彎曲可以具有大約12cm或更小(例如，大約10cm或更小、大約8cm或更小、大約7cm或更小、大約6cm或更小、大約5cm或更小、大約4cm或更小、大約3cm或更小、大約2cm或更小)的曲率半徑。
在此引入多個參考文獻作為參考。如果沖突，本申請將進行控制。
下面在附圖和描述中闡明了本發(fā)明的一個或多個實施例的細節(jié)。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將從描述和附圖以及從權利要求書中顯而易見。
附圖簡述

圖1是包括光子晶體光纖的激光醫(yī)療系統(tǒng)的實施例的示意圖。
圖2A是光子晶體光纖的實施例的橫截面視圖。
圖2B-2D是光子晶體光纖的限制區(qū)域的實施例的橫截面視圖。
圖3是包括具有不對稱橫截面的包層的光子晶體光纖的橫截面視圖。
圖4A-4D是連在光子晶體光纖輸出端的套的實施例的橫截面。
圖5A和5B是用于將輻射和流體耦合到光子晶體光纖的中空芯的耦合組件的實施例的圖。
圖6是包括有延展性的導管的機頭的圖。
圖7A是包括光子晶體光纖的激光醫(yī)療系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖。
圖7B是內(nèi)窺鏡的圖。
圖7C是包括光子晶體光纖的醫(yī)用激光系統(tǒng)的再一個實施例的示意圖。
圖8是包括光子晶體光纖和第二光纖波導的醫(yī)用激光系統(tǒng)的一部分的示意圖。
圖9是包括光子晶體光纖和管的醫(yī)用激光系統(tǒng)的一部分的示意圖，所述管用于從光纖中排出流體。
各幅附圖中相同的附圖標記表示相同的部件。
發(fā)明詳述參考圖1，醫(yī)用激光系統(tǒng)100包括CO2激光器110和光子晶體光纖120，該光子晶體光纖120具有用于將輻射112從該激光器引導到病人的目標位置99的中空芯。輻射112具有10.6微米的波長。耦合組件130將激光輻射112耦合到光子晶體光纖120的中空芯中，中空芯通過機頭140傳送輻射而到達目標位置99。在使用過程中，操作者(例如醫(yī)師，如外科醫(yī)生、牙科醫(yī)生、眼科醫(yī)師或獸醫(yī))握住機頭140的一部分142，并操作該機頭，從而將光子晶體光纖120的輸出端發(fā)出的激光輻射113指引到目標位置99，以便在目標位置執(zhí)行治療的功能。例如，該輻射可用于切除、切開、割除或蒸發(fā)在目標位置處的組織。
CO2激光器110受電子控制器150的控制，用以設置和顯示系統(tǒng)的操作參數(shù)。操作者利用遠程控制152來控制激光輻射的傳送，遠程控制如腳踏開關。在一些實施例中，遠程控制是機頭140的部件，使操作者用一只手或兩只手來控制所發(fā)出的激光輻射的方向和激光輻射的傳送。
機頭140除了包括緊握部分142之外，還包括間距端144，該間距端保持光纖120的輸出端與目標組織99之間的所需距離(例如從大約0.1毫米至大約30毫米)。該間距端幫助操作者將光子晶體光纖120的輸出端設置在與目標位置99分開的位置，并且還能夠減少因目標位置處的碎屑而引起的輸出端的堵塞。在一些實施例中，機頭40包括將光纖發(fā)出的光束聚焦為所需光斑尺寸的光學部件(例如一個或多個透鏡)。聚集光束的收斂部分可以位于間距端的遠端或遠端附近。
在一些實施例中，光纖120能夠很容易地安裝到耦合組件130和機頭140(例如，利用常規(guī)的光纖連接器)上，并從耦合組件130和機頭140上拆下來。這便于將該系統(tǒng)容易地用在單用途應用中，在每個過程之后替換該光纖。
通常，CO2激光器110具有在10.6微米處大約5瓦至大約80瓦(例如大約10瓦或更大、大約20瓦或更大)的平均輸出功率。在許多應用中，大約5瓦至大約30瓦的激光功率足夠使該系統(tǒng)執(zhí)行其預期功能。例如，在系統(tǒng)100用于切除或切開組織的情況下，將輻射限制為小光斑尺寸，并且具有在該范圍中的平均輸出功率的激光器已經(jīng)足夠用了。
但是，在某些實施例中，激光器110可以具有大約100瓦或更高(例如高達大約500瓦)的輸出功率。例如，在將系統(tǒng)100用于使相對較大面積(例如幾平方毫米或平方厘米)上的組織蒸發(fā)的應用中，極高功率的激光器可能是所希望的。
光子晶體光纖能夠以相對較高的效率將輻射從激光器110傳送到目標位置。例如，光纖的平均輸出功率能夠是光纖輸入能的大約50％或更高(例如，大約60％或更高、大約70％或更高、大約80％或更高)。因此，光纖的輸出功率能夠是大約3瓦或更高(例如，大約8瓦或更高、大約10瓦或更高、大約15瓦或更高)。但是，在某些實施例中，光纖的平均輸出功率可以小于激光功率的50％，并且對于進行預期的過程來說仍然足夠高。例如，在一些實施例中，光纖的平均輸出功率可以是激光平均輸出功率的大約20％至大約50％。
光子晶體光纖120的長度可以根據(jù)需要而改變。在一些實施例中，光纖的長度為大約1.2米或更長(例如，大約1.5米或更長、大約2米或更長、大約3米或更長、大約5米或更長)。該長度通常取決于該激光系統(tǒng)所用于的專門應用。在激光器110能夠定位于接近病人的應用中，和/或在為了該應用而希望機頭的活動范圍相對較小的應用中，光纖的長度可以相對較短(例如，大約1.5米或更短、大約1.2米或更短、大約1米或更短)。在某些應用中，光纖120的長度可以非常短(例如，大約50厘米或更短、大約20厘米或更短、大約10厘米或更短)。例如，光子晶體光纖的非常短的長度可能在系統(tǒng)能夠通過一些其他裝置(例如，不同的波導或關節(jié)臂)將輻射從激光器傳送到該光纖的過程中是有用的。非常短的光纖長度可能對于例如鼻和眼的治療過程是有用的。
但是，在不方便將激光器放置在與病人極接近的位置和/或希望機頭有大的活動范圍的應用中，光纖的長度會更長(例如，大約2米或更長、大約5米或更長、大約8米或更長)。例如，在外科應用中，在需要大隊的醫(yī)師與病人極接近的情況下，可能希望將激光器在遠離手術臺的位置(例如在手術室的拐角處，或者完全放置在不同的房間內(nèi))。在這些情況下，較長的光纖可能是所希望的。
一般來說，光子晶體光纖120是撓性的，可以將其彎曲成在相對較大的角度上的相對較小的曲率半徑而不會顯著影響其性能(例如，不會使該光纖失效，或者不會將光纖傳輸降低到在光纖彎曲時系統(tǒng)不能用于其預期用途的程度)。在一些實施例中，操作者可以將光子晶體光纖120彎曲成具有相對較小的曲率半徑，如大約15cm或更小(例如，大約10cm或更小、大約8cm或更小、大約5cm或更小、大約3cm或更小)，同時仍然將足以使系統(tǒng)執(zhí)行其功能的足夠的功率傳送到目標位置。
一般來說，光纖彎曲的角度可以改變，且其通常取決于正在進行的過程。例如，在一些實施例中，光纖能夠彎曲大約90°或更大(例如，大約120°或更大、大約150°或更大)。
由于操作者使光子晶體光纖120彎曲而引起的傳輸功率損失可能相對較小。一般來說，由于彎曲而引起的損失不應該明顯地損壞光纖，例如導致其失效，或者將光纖輸出功率降低到系統(tǒng)不能再執(zhí)行其所設計執(zhí)行功能的程度。光子晶體光纖120(例如長度為大約1米或更長)的實施例是能夠被彎曲90°，彎曲半徑為大約5cm或更小，并且仍然傳輸在引導波長處耦合到光纖的輻射的大約30％或更多(例如，大約50％或更多、大約70％或更多)。這些光纖能夠提供這種傳輸特性，并提供大約3瓦或更高(例如，大約5瓦或更高、大約8瓦或更高、大約10瓦或更高)的平均輸出功率。
從光纖120的輸出端發(fā)出的激光輻射光束的質(zhì)量能夠相對較好。例如，該光束能夠具有低的M2值，如大約4或更低(例如，大約3或更低、大約2.5或更低、大約2或更低)。M2是通常用于描述激光束質(zhì)量的參數(shù)，大約為1的M2值對應于從激光器發(fā)出的TEM00光束，其具有理想的高斯輪廓。M2值與根據(jù)下面公式由該光束形成的最小光斑尺寸有關ds＝1.27fλM2/db(1)其中ds是最小光斑直徑，db是由透鏡聚焦為光斑之前的光束直徑，透鏡的焦距為f。因此，聚焦的最小可能光斑尺寸與光束的M2值成比例。實際上，具有較小M2值的光束能夠向目標區(qū)提供較高的輻射功率密度，同時由于光斑尺寸減小而對周圍組織具有較小的損害。
由光子晶體光纖120傳送到目標組織的輻射的光斑尺寸可以相對較小。例如，在某些實施例中，該光斑在與光纖的輸出端相隔所需工作距離處(例如，從大約0.1mm至大約3mm)具有大約500微米或更小(例如，大約300微米或更小、大約200微米或更小、如大約100微米)的直徑。如前面所討論的，在將系統(tǒng)100用于切除或切開組織的情況下或者在輻射的傳送中需要相當大的精度的其他應用中，小的光斑尺寸是所希望的。可選擇的是，在將組織割除或蒸發(fā)和/或較小的精度級已經(jīng)足夠的應用中，光斑尺寸可以相對較大(例如直徑為大約2毫米或更大、大約3毫米或更大、大約4毫米或更大)。
當激光器110是CO2激光器時，光子晶體光纖可以用于使用其他類型的在不同于10.6微米的波長處工作的激光器的醫(yī)用激光系統(tǒng)中。一般來說，醫(yī)用激光系統(tǒng)能夠提供紫外線(UV)、可見光或紅外線(IR)波長的輻射。傳送IR輻射的激光器例如發(fā)出波長在大約0.7微米和大約20微米之間(例如，在大約2至大約5微米之間或大約8至大約12微米之間)的輻射。具有中空芯的波導，如光子晶體光纖120非常適合于供波長為大約2微米或更大的激光系統(tǒng)使用，因為與許多介電材料(例如，基于硅石的玻璃和各種聚合物)相比，通常占據(jù)該芯的氣體在這些波長處具有相對較低的吸收。除了CO2激光器之外，能夠發(fā)射IR輻射的其他激光器的例子包括Nd:YAG激光器(例如，在1.064微米處)、Er:YAG激光器(例如，在2.94微米處)、Er，Cr:YSGG(摻鉺、鉻的釔鈧鎵石榴石)激光器(例如，在2.796微米處)、Ho:YAG激光器(例如，在2.1微米處)、自由電子激光器(例如，在6至7微米的范圍內(nèi))，和量子級聯(lián)激光器(例如，在3至5微米的范圍內(nèi))。
一般來說，醫(yī)用激光系統(tǒng)中所用的激光器的類型取決于設計該系統(tǒng)的目的?？梢愿鶕?jù)該系統(tǒng)是否用于外科過程中、診斷中，或者生理研究中來選擇激光器的類型。例如，氬激光器輸送可見光譜的藍光和綠光范圍內(nèi)的光，其具有兩個能量峰值，分別在488nm和514nm處，該激光器能夠用于光凝固。染料激光器是有機染料溶解在溶劑中作為激活媒質(zhì)的激光器，其光束在可見光譜中，該激光器能夠用于光動力性療法中。準分子激光器提供紫外光譜中的輻射，僅僅穿透組織一個較小距離，能夠用于使組織中分子的化學鍵斷裂來代替產(chǎn)生熱而破壞組織。這些激光器能夠用在眼科過程和激光血管成形術中。Ho:YAG激光器能夠提供近紅外光譜中的輻射，并能夠用于光凝固和光摘除。氪激光器提供黃紅可見光譜中的輻射，并能夠用于光凝固。來自KTP激光器的輻射能夠是倍頻的以提供在綠色可見光譜中的輻射，并能夠用于光摘除和光凝固。Nd:YAG激光器能夠用于光凝固和光摘除。脈沖染料激光器能夠用于提供在黃色可見光譜(例如，波長為577nm或585nm)中，每隔幾微秒交替通斷階段，并且該脈沖染料激光器能夠用于使著色的損傷脫色。
一般來說，激光系統(tǒng)能夠使用連續(xù)波或脈沖激光器。而且，當通常在大約5瓦至大約100瓦的平均輸出功率處使用CO2激光器時，光子晶體光纖120一般能夠與各種激光功率一起使用。例如，平均激光功率能夠是在某些系統(tǒng)中的毫瓦范圍內(nèi)，達到在極高功率系統(tǒng)中的幾百瓦(例如，大約200瓦或更高)。
一般來說，對于高功率系統(tǒng)，由光纖120引導的平均功率密度可以極高。例如，在該光纖中的功率密度，或離開纖芯的功率密度可以是大約103W/cm2或更高(例如，大約104W/cm2或更高、大約105W/cm2或更高、106W/cm2或更高)。
參考圖2A，一般來說，光子晶體光纖120包括芯210，其由沿著波導軸299(垂直于圖2A的平面)延伸的限制區(qū)域220包圍。限制區(qū)域220由包層230(例如聚合物包層)包圍，其提供機械支撐并保護芯和限制區(qū)域不受環(huán)境危害。限制區(qū)域220包括將波長λ處的輻射基本上限制于芯210的光子晶體結構。參考下面的圖2B-2D來描述這種結構的例子。如這里所用的，光子晶體是具有折射率調(diào)制(例如，周期性的折射率調(diào)制)的結構(例如介電結構)，所述折射率調(diào)制在光子晶體中產(chǎn)生光子帶隙。引起一維折射率調(diào)制的這種結構的例子是高和低折射率的介電層的疊加，這些層基本上具有相同的光學厚度。如這里所用的光子帶隙是一個頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)介電結構中沒有可獲得的延伸(即傳播、非局限的)狀態(tài)。通常該結構是周期性介電結構，但是其也可以包括例如更復雜的“準晶體”。通過將光子晶體與偏離帶隙結構的“缺陷”區(qū)域結合，可以將帶隙用于限制光、引導光和/或使光局限在某一地方。此外，對于在該間隙之下和之上的頻率，存在可獲得的延伸狀態(tài)，同時將光限制在甚至更低折射率的區(qū)域中(與受折射率引導的(index-guided)TIR結構相比)。術語“可獲得的”狀態(tài)意味著耦合沒有被系統(tǒng)的一些對稱或守恒定律所禁止的那些狀態(tài)。例如，在二維系統(tǒng)中，將偏振保存，因此僅僅需要從帶隙中排除相似的偏振的狀態(tài)。在具有均勻橫截面的波導(如典型的光纖)中，將波矢β保存，因此僅僅需要從帶隙中排除具有給定β的狀態(tài)以支持光子晶體引導的模式。此外，在具有圓柱對稱的波導中，將“角動量”指數(shù)m保存，因此僅僅需要從帶隙中排除具有相同m的模式。簡言之，對于高對稱系統(tǒng)來說，與不管對稱與否將所有狀態(tài)都排除的“完全的”帶隙相比，其顯著地放松了對光子帶隙的要求。
理論上，當光子晶體中的折射率調(diào)制具有無限的程度時，光子晶體在帶隙中僅僅是完全反射的。否則，入射輻射能夠經(jīng)由倏逝模式“穿”(tunnel)過光子晶體，其將光子晶體每一側的傳播模式耦合。但是在實踐中，這種穿過速率隨光子晶體的厚度(例如，交替層的數(shù)量)按指數(shù)規(guī)律減小。其也隨限制區(qū)域中的折射率反差量而減小。
而且，光子帶隙可以在傳播矢量的僅僅相對較小的區(qū)域上延伸。例如，介電疊層對于垂直入射光線可以是高反射的，而對于斜入射光線僅僅是部分反射的。“完全的光子帶隙”是在所有可能的波矢和所有偏振上延伸的帶隙。通常，完全的光子帶隙僅僅與具有沿三維的折射率調(diào)制的光子晶體相關聯(lián)。但是，在從鄰近的介電材料入射在光子晶體上的EM輻射的情況下，我們也可以定義“全向的光子帶隙”，其是用于所有可能波矢和偏振的光子帶隙，對于該偏振來說，鄰近的介電材料支持傳播EM模式。等效的是，可以將全向的光子帶隙規(guī)定為用于在亮線(light line)之上的所有EM模式的光子帶隙，其中亮線定義與該光子晶體鄰近的材料所支持的最低頻率傳播模式。例如，在空氣中，亮線由ω＝cβ來近似地給出，其中ω是輻射的角頻率，β是波矢，c是光速。美國專利US6130780中公開了全向平面反射器的描述，該專利的全部內(nèi)容在此引入作為參考。而且，在公布的PCT申請WO 00/22466中公開了使用交替介電層為圓柱形波導幾何體提供(在平面界限內(nèi)的)全向反射，該申請的內(nèi)容在此引入作為參考。
當限制區(qū)域220引起相對于芯210的全向帶隙時，引導的模式受到強烈限制，因為原則上從芯入射在限制區(qū)域上的任何EM輻射都被完全地反射。但是，如上所述，這種完全反射僅僅當存在無限數(shù)量的層時發(fā)生。對于有限數(shù)量的層(例如，大約20層)，全向光子帶隙可以與從0°到80°范圍內(nèi)的所有入射角和具有全向帶隙中的頻率的EM輻射的所有偏振在至少95％的平面幾何形狀中的反射率相對應。而且，甚至當光纖120具有非全向的帶隙的限制區(qū)域時，仍然可以支持強引導的模式，例如，對于帶隙中的頻率范圍來說具有小于0.1dB/km的輻射損失的模式。通常，帶隙是否是全向的將取決于由交替層產(chǎn)生的帶隙的尺寸(其通常根據(jù)兩層的折射率對比來確定)和光子晶體的最低折射率的組分。
關于光子晶體光纖120的結構，一般來說，芯210的直徑(在圖2A中由附圖標記211來表示)可以根據(jù)系統(tǒng)100的最終使用應用而改變。例如，在需要大的光斑尺寸的情況下，芯可以相對較大(例如，大約1mm或更大、大約2mm或更大)?？蛇x擇的是，在需要小的光斑尺寸的情況下，芯直徑211可以小得多(例如，大約500微米或更小、大約300微米或更小、大約200微米或更小、大約100微米或更小)。
更一般的是，在將光纖120用于具有其他類型的激光器的系統(tǒng)中的情況下，和/或用于引導不同于10.6微米的波長的情況下，芯的直徑取決于由該光纖引導的能量的波長或波長范圍，并且取決于光纖是單模還是多模光纖。例如，在光纖是用于引導可見波長(例如，在大約400nm和大約800nm之間)的單模光纖的情況下，芯的半徑可以是在亞微米至幾微米的范圍內(nèi)(例如，大約0.5微米至大約5微米)。但是，例如在光纖是用于引導IR波長的多模光纖的情況下，芯的半徑可以是在幾十至幾千微米的范圍內(nèi)(例如，大約10微米至大約2000微米，如大約500微米至大約1000微米)。芯的半徑可以是大約5λ或更大(例如，大約10λ或更大、大約20λ或更大、大約50λ或更大、大約100λ或更大)，其中λ是所引導的能量的波長。
光子晶體光纖的優(yōu)點在于，因為光纖能夠從預制件中拉出，所以具有小的芯直徑的光纖可以被很容易地生產(chǎn)出來，在按照受控的方式將該結構的直徑減小到小尺寸的同時保持光纖橫截面結構的相對比例。
在光子晶體光纖120中，芯220是中空的。可選擇的是，在沒有經(jīng)由芯而泵吸出的流體的情況下，芯220可以包括與形成限制區(qū)域220的材料流變地相容并且在(多個)引導波長處具有足夠高的傳輸性質(zhì)的任何材料或材料的組合。在一些實施例中，芯220包括介電材料(例如，無定形的介電材料)，如無機玻璃或聚合物。在某些實施例中，芯220可以包括一種或多種摻雜材料，如2002年4月12日提交、美國專利申請序列號為10/121452且以公開號為US20030044158A1而公布的、題為“高折射率反差光纖波導和應用(HIGH INDEX-CONTRASTFIBER WAVEGUIDES AND APPLICATIONS)”的美國專利申請中所記載的，該申請的全部內(nèi)容在此引入作為參考。
包層230可以由聚合物(例如，丙烯酸鹽或硅酮聚合物)或其他材料而形成。包層230可以由也用于作為限制區(qū)域220的一部分的材料形成，這在下面進行描述。在包層與病人接觸的應用中，該包層可以由符合醫(yī)療設備的FDA標準的材料形成。在這些例子中，硅酮聚合物例如可能特別適合于用作包層材料。通常，包層230保護光纖不受外部損害。通過選擇適當?shù)暮穸取⒔M成成分和/或結構，也可以將包層230設計為限制該光纖的撓性，例如防止受彎曲的小曲率半徑的損害。
一般來說，光纖120的厚度可以改變。在圖2A中，該厚度由外徑(OD)231來表示。可以將OD231選擇為使光纖120與設備的其他部分相容。例如，可以將光纖120制成為使OD231足夠小從而能夠將該光纖穿過內(nèi)窺鏡或其他工具的通道(例如，OD231可以是大約2000微米或更小)。在一些實施例中，光纖120具有相對較小的OD(例如，大約1000微米或更小)。窄光纖在將其插入到狹窄空間的應用中是有用的，如通過病人的尿道。可選擇的是，在一些實施例中，直徑231可以相比之下相對較大(例如，大約3000微米或更大)。大的OD可能降低光纖的機械撓性，這能夠防止光纖彎曲成損壞該光纖或者將其傳輸降低到系統(tǒng)不再能夠執(zhí)行其預期功能的程度的小曲率半徑。
除了包層230之外，光纖200可包括限制彎曲半徑的附加部件。例如，光纖可以包括環(huán)繞其外徑的螺旋形卷繞的材料(例如，螺旋形卷繞的導線)。可選擇的是，或者另外，光纖可以包括附加的包層以提供附加的機械支撐。
盡管可以將光纖彎曲(如上面所討論的)，但是在一些實施例中，可能會在所設計的應用的常規(guī)使用中限制該光纖彎曲成小于大約20cm(例如，大約10cm或更小、8cm或更小、5cm或更小)的曲率半徑。
可以將包層材料選擇為使光纖是可消毒的。例如，可以將包層材料選擇為使光纖能夠耐受高溫(例如，在高壓滅菌器中使用的那些光纖)。
轉向限制區(qū)域220的結構和組成成分，在一些實施例中，光子晶體光纖120是布拉格光纖，限制區(qū)域220包括多個具有高和低折射率的交替層，其中高和低折射率層具有相似的光學厚度。例如，參考圖2B，在一些實施例中，限制區(qū)域220A包括不同折射率的多個環(huán)形介電層(即，由折射率為nH的高折射率材料組成的層以及由折射率為nL的低折射率材料組成的層)，表示為層212、213、214、215、216、217、218、219、222和223。這里，nH＞nL且nH-nL可以是例如大約0.01或更大、大約0.05或更大、大約0.1或更大、大約0.2或更大、大約0.5或更大。為方便起見，圖2B中僅僅示出了幾個介電限制層。在實踐中，限制區(qū)域220A可以包括更多層(例如，大約15層或更多、大約20層或更多、大約30層或更多、大約40層或更多、大約50層或更多、大約80層或更多)。
在一些實施例中，限制區(qū)域220能夠引起相對于芯210的全向帶隙，其中引導的模式受到強烈地限制，因為原則上從芯入射在限制區(qū)域上的任何EM輻射都被完全地反射。但是，這種完全反射僅僅當存在無限數(shù)量的層時發(fā)生。對于有限數(shù)量的層(例如，大約20層)，全向光子帶隙可以與從0°到80°范圍內(nèi)的所有入射角和具有全向帶隙中的頻率的EM輻射的所有偏振在至少95％的平面幾何形狀中的反射率相對應。而且，甚至當光纖120具有非全向的帶隙的限制區(qū)域時，仍然可以支持強烈引導的模式，例如，對于帶隙中的頻率范圍來說具有小于0.1dB/km的輻射損失的模式。通常，帶隙是否是全向的將取決于由交替層產(chǎn)生的帶隙的尺寸(其通常根據(jù)兩層的折射率對比而確定)和光子晶體的最低折射率的組分。
但是，全向帶隙的存在對于光纖120的有用的應用來說可以不是必需的。例如，在一些實施例中，用于在該光纖中建立傳播場的激光束是TEM00模式。這一模式能夠以高效率與適當設計的光纖的HE11模式耦合。這樣，為了將該光纖成功地應用于激光能的傳輸，唯一必需的可能是這一模式的損失足夠低。更一般的是，光纖只支持大量低損耗模式可能就足夠了(例如，HE11模式和根據(jù)簡單擾動與之耦合的模式，如光纖的彎曲)。換句話說，可以將光子帶隙光纖設計為使光纖中一種或一組模式的損耗減為最小，而不需要具有全向帶隙。
對于平面介電反射器，眾所周知的是，對于垂直入射，“四分之一波”疊層獲得最大帶隙，在該疊層中每一層都具有相等的光學厚度λ/4，或者等效的是nhidhi＝nlodlo＝λ/4，其中dhi/lo和nhi/lo分別指的是疊層中高折射率和低折射率層的厚度和折射率。但是，垂直入射對應于β＝0，而對于圓柱形波導，所希望的模式通常處于亮線條ω＝cβ附近(在大的R的限制中，最低階模式基本上是沿著z軸傳播的平面波，z軸即波導軸)。在這種情況下，四分之一波條件成為dhinhi2-1=dlonlo2-1=λ/4---(2)]]>該方程式可能不是精確地最佳的，因為圓柱幾何體修改了該四分之一波條件，其可能需要每一層的光學厚度隨其徑向坐標平滑地改變。此外，高和低折射率材料的不同吸收能夠根據(jù)其四分之一波的值來改變最佳層厚度。
在某些實施例中，限制區(qū)域220包括多個不滿足在方程式2中給出的四分之一波條件的層。換句話說，對于在圖2B中所示的例子，層212、213、214、215、216、217、218、219、222和223中的一個或多個比dλ/4更厚或更薄，其中dλ/4=λ4n2-1,]]>n是該層的折射率(即，dλ/4對應于等于四分之一波厚度的光學厚度)。例如，限制區(qū)域中的一個或多個層的厚度可以是大約0.9dλ/4或更小(例如，大約0.8dλ/4或更小、大約0.7dλ/4或更小、大約0.6dλ/4或更小、大約0.5dλ/4或更小、大約0.4dλ/4或更小、大約0.3dλ/4或更小)，或者大約1.1dλ/4或更大(例如，大約1.2dλ/4或更大、大約1.3dλ/4或更大、大約1.4dλ/4或更大、大約1.5dλ/4或更大、大約1.8dλ/4或更大、大約2.0dλ/4或更大)。在一些實施例中，可以根據(jù)四分之一波條件使限制區(qū)域中的所有層失諧。在一些實施例中，一個或多個高折射率層的厚度可以與其他高折射率層的厚度不同(例如，更厚或更薄)。例如，最內(nèi)部的高折射率層的厚度可以與其他高折射率層的厚度不同?？蛇x擇的是，或者另外，一個或多個低折射率層的厚度可以與其他低折射率層的厚度不同(例如，更厚或更薄)。例如，最內(nèi)部的低折射率層的厚度可以與其他低折射率層的厚度不同。
根據(jù)四分之一波條件使限制區(qū)域中的多個層的厚度失諧與試驗光纖相比可以減少光子晶體光纖120的衰減，該試驗光纖指的是除了限制區(qū)域中的所有層都滿足四分之一波條件之外與光子晶體光纖120相同的光纖(即，該試驗光纖具有相同的芯，其限制區(qū)域具有與光子晶體光纖120相同數(shù)量的層，所述層具有與光子晶體光纖120相同的組成成分)。例如，光纖120可以具有一個或多個引導模式的衰減，其與試驗光纖的衰減相比減小了大約2倍或更多(例如，減小了大約3倍或更多、大約4倍或更多、大約5倍或更多、大約10倍或更多、大約20倍或更多、大約50倍或更多、大約100倍或更多)。說明減少衰減的光子晶體光纖的例子在2004年11月1日提交的美國專利申請序列號為10/978605、題為“光子晶體波導以及利用這種波導的系統(tǒng)(PHOTONIC CRYSTAL WAVEGUIDES AND SYSTEMS USING SUCHWAVEGUIDES)”的美國專利申請中記載，該申請的全部內(nèi)容在此引入作為參考。
限制區(qū)域內(nèi)的每一層的厚度可以根據(jù)光子晶體光纖的組成成分和結構而改變。厚度也可以根據(jù)波長、模式或一組模式而改變，為此使光子晶體光纖最佳。每一層的厚度可以利用理論和/或經(jīng)驗方法來確定。理論方法包括計算模型。一種計算方法是確定不同層厚度的光纖的衰減，并利用最優(yōu)化程序(例如，非線性最優(yōu)化程序)來確定使光纖對于引導模式的衰減最小的層厚度的值。例如，可以利用W.Press，S.Teukolsky，W.Vetterling和B Flannery在教科書“在FORTRAN中的數(shù)值方法(第二版)(Numerical Recipes in FORTRAN(second edition))”中記載的“單調(diào)下降方法(downhill simplex method)”來進行該最優(yōu)化。
這種模型應該說明在光纖中的不同衰減機制。通過這兩種機制能夠從引導的EM模式中損失能量，這兩種機制是根據(jù)吸收損失和輻射損失。吸收損失指的是由于材料吸收而引起的損失。輻射損失指的是由于不完善的限制而從光纖漏泄的能量。這兩種損失模式都對于光纖衰減有影響，并且能夠例如利用傳遞矩陣法和微擾理論對這兩種損失模式進行理論地研究。傳遞矩陣法的討論可以在P.Yeh等人在《J.Opt.Soc.Am.，68》第1196頁(1978年)撰寫的論文中獲得。微擾理論的討論可以在M.Skorobogatiy等人在《Optics Express，10》第1227頁(2002年)撰寫的論文中獲得。特別是，傳遞矩陣碼找到了在光子晶體光纖結構中的漏泄模式諧振的傳播常數(shù)β。β的虛部定義了模態(tài)輻射損失，這樣Lossradiation～Im(β)。利用微擾理論擴展來計算由于材料吸收而引起的損失，并且依據(jù)模態(tài)場重疊積分可以根據(jù)下式來確定該損失LOSSabsorption~2πω∫0∞rdr(αE→β*E→β)---(3)]]>其中ω是輻射頻率，r是光纖半徑，α是材料的大量(bulk)吸收， 是電場矢量。
可選擇的是，能夠在光纖中傳播的所希望的模式場可以在適當?shù)暮瘮?shù)集中進行擴展，如B樣條函數(shù)(參見例如由C.deBoor撰寫的《樣條函數(shù)實用指南(A Practical Guide to Splines)》)。因此，Galerkin條件的應用(例如參見1984年C.A.J.Fletcher，Springer-Verlag的《計算Galerkin方法(Computational Galerkin Methods)》)將麥克斯韋方程轉變成標準的特征值-特征向量問題，該問題可以利用LAPACK軟件包(例如從因特網(wǎng)上的netlib庫http//www.netlib.org免費獲得)來解決。所需的復數(shù)傳播常數(shù)，包括材料和輻射損失，可以直接由特征向量獲得。
引導模式可以分成以下三種類型之一純橫向電(TE)；純橫向磁(TM)；以及混合模式。損失經(jīng)常取決于模式的類型。例如，TE模式能夠顯示出比TM/混合模式更低的輻射和吸收損失。因此，可以為引導能夠經(jīng)歷低輻射和/或吸收損失的模式而將光纖最優(yōu)化。
盡管限制區(qū)域220A包括引起徑向折射率調(diào)制的多個環(huán)形層，但是一般來說，限制區(qū)域也可以包括提供限制性質(zhì)的其他結構。例如，參考圖2C，限制區(qū)域220B包括具有不同折射率的介電材料(例如，聚合物、玻璃)的連續(xù)層240和250，該連續(xù)層與多個不連續(xù)的同心層相反。連續(xù)層240和250形成圍繞著軸299的螺旋。這些層中的一個或多個，例如層240是折射率為nH厚度為dH的高折射率層，并且例如層250這樣的層是折射率為nL、厚度為dL的低折射率層，其中nH＞nL(例如，nH-nL可以是大約0.01或更大、大約0.05或更大、大約0.1或更大、大約0.2或更大、大約0.5或更大)。
由于層240和250是圍繞著軸199的螺旋，因此從軸199延伸的徑向切面不止一次與每一層相交，提供包括交替的高折射率和低折射率層的徑向剖面。
限制區(qū)域220B中的成螺旋形的層提供沿徑向切面的周期性折射率變化，周期對應于層240和250的光學厚度。一般來說，徑向周期性變化具有與n240d240+n250d250相對應的光學周期。
基于與上面對限制區(qū)域220A的討論相同的考慮來選擇層240和250的厚度(d240和d250)與光學厚度(n240d240和n250d250)。
對于圖2C中所示的實施例，限制區(qū)域220B是5個光學周期那么厚。但是在實踐中，螺旋形限制區(qū)域可以包括更多光學周期(例如大約8個光學周期或更多、大約10個光學周期或更多、大約15個光學周期或更多、大約20個光學周期或更多、大約25個光學周期或更多、如大約40或更多的光學周期)。
具有螺旋形限制區(qū)域的光纖可以通過將平面多層膜卷成螺旋而形成螺旋形預制件，并通過使該螺旋的相鄰層一起熔化(例如通過加熱)將該螺旋結成一體。在一些實施例中，平面多層膜可以卷成圍繞著心軸(例如玻璃柱或棒)的螺旋，并且在結成一體之后去掉心軸(例如通過蝕刻或者通過使心軸與螺旋鞘分開并使螺旋滑出該鞘)來提供螺旋形圓柱體。心軸可以由單一材料形成，或者其可以包括不同材料的部分。例如，在一些實施例中，心軸可以涂敷一層或多層，在卷起的螺旋形結構結成一體之后不會去掉所述層。舉例來說，心軸可以由中空棒形狀的第一材料(例如硅酸鹽玻璃)以及涂敷到該中空棒外面上的第二材料(例如另一種玻璃，如硫屬玻璃)而形成。第二材料可以與用于形成多層膜的一種材料相同。在結成一體之后，刻蝕該第一材料，第二材料形成光纖預制件的一部分。
在一些實施例中，可以將附加的材料置于卷繞的多層膜的外面。例如，可以圍繞著該螺旋的外面卷繞聚合物膜，隨后將該聚合物膜熔化到該螺旋從而提供環(huán)形聚合物層(例如，包層)。在某些實施例中，可以在單一的熔化步驟中圍繞著心軸卷繞多層膜和附加膜，并將其結成一體。在一些實施例中，可以圍繞著心軸卷繞多層膜，并將其結成一體，然后可以在第二熔化步驟中圍繞著熔化的螺旋來卷繞附加膜并將其結成一體。第二次結成一體在蝕刻該心軸之前或之后發(fā)生?？蛇x的是，在利用附加膜進行卷繞之前在該螺旋中淀積一個或多個附加層(例如，利用CVD)。
用于制備螺旋形產(chǎn)品的方法在2003年12月10日提交的美國專利申請序列號為10/733873、題為“光纖波導和制造該光纖波導的方法(FIBER WAVEGUIDES AND METHODS OF MAKING SAME)”的美國專利申請中記載，該專利申請的全部內(nèi)容在此引入作為參考。
參考圖2D，在一些實施例中，光子晶體光纖120包括限制區(qū)域220C，該限制區(qū)域包括螺旋形部分260和環(huán)形部分270。環(huán)形部分270和螺旋形部分260中的層的數(shù)量(沿著從光纖軸開始的徑向方向)可以根據(jù)需要而改變。在一些實施例中，環(huán)形部分可以包括單個層。可選擇的是，如圖2D中所示，環(huán)形部分270可以包括多個層(例如，2個或更多層、3個或更多層、4個或更多層、5個或更多層、10個或更多層)。
在環(huán)形部分270包括多于一個層的實施例中，每一層的光學厚度可以與環(huán)形部分中的其他層相同或不同。在一些實施例中，環(huán)形部分270中的一個或多個層可以具有對應于四分之一波厚度的光學厚度(即，如方程式(2)所給出的)?？蛇x擇的是，或者另外，環(huán)形部分270的一個或多個層可以具有與四分之一波厚度不同的厚度?？梢岳眠@里公開的最優(yōu)化方法將層厚度最優(yōu)化以減少引導的輻射的衰減(例如，使其最小)。
在某些實施例中，環(huán)形部分270可以由具有相對較低缺陷密度的材料形成，其將散射和/或吸收由光子晶體光纖120引導的輻射。例如，環(huán)形部分270可以包括具有相對較低密度(concentration)的不均勻性和/或雜質(zhì)的一種或多種玻璃。不均勻性和雜質(zhì)可以利用例如光學或電子顯微術來確認。也可以利用喇曼光譜學、輝光放電質(zhì)譜學、濺射中性物質(zhì)譜學或傅里葉變換紅外光譜學(FTIR)來監(jiān)控光子晶體光纖中的不均勻性和/或雜質(zhì)。
在某些實施例中，環(huán)形部分270由具有比螺旋形部分260更低的缺陷密度的材料形成。一般來說，這些缺陷包括結構缺陷(例如層之間的層離、裂縫)以及材料不均勻性(例如化學組成成分和/或晶體結構的變化)。
可以通過將一個或多個環(huán)形層淀積到具有螺旋形橫截面的圓柱體的表面上形成預制件來制備具有如圖2D中所示的限制區(qū)域的光纖。然后可以從該預制件中拉出光子晶體光纖。
可以利用各種淀積法將環(huán)形層淀積到螺旋形圓柱體的表面上。例如，在螺旋形部分位于環(huán)形部分和芯之間的情況下，可以將材料蒸發(fā)或濺射到螺旋形產(chǎn)品的外表面上以形成預制件。
在光子晶體光纖的環(huán)形部分位于螺旋形部分和芯之間的實施例中，可以通過例如化學汽相淀積(例如等離子體增強化學汽相淀積)將材料淀積在螺旋形產(chǎn)品的內(nèi)表面上。用于將例如一種或多種玻璃的層淀積到圓柱形預制件的內(nèi)表面上的方法在2003年11月24日提交的、美國專利申請序列號為10/720453、題為“介電波導以及制造該介電波導的方法(DIELECTRIC WAVEGUIDE AND METHOD OF MAKINGTHE SAME)”的美國專利申請中記載，該申請的全部內(nèi)容在此引入作為參考。
一般來說，限制區(qū)域可以包括與多層配置不同的光子晶體結構。例如，限制區(qū)域220C包括螺旋形部分和環(huán)形部分，在一些實施例中，限制區(qū)域可包括具有其他非螺旋形結構的部分。例如，限制區(qū)域可包括螺旋形部分和有孔的部分(例如由大量沿著光纖軸延伸的孔所貫穿的實心圓柱組成)。這些孔可以沿著同心圓排列，同時提供限制區(qū)域的有孔部分的徑向折射率變化。
關于限制區(qū)域220的組成成分，通常選擇高折射率層和低折射率層的組成成分以提供在(多個)光纖工作波長處的層之間的所需折射率反差。每一個高折射率層的組成成分可以與其他高折射率層相同或不同，正如每一個低折射率層的組成成分可以與其他低折射率層相同或不同。
適合于高和低折射率層的材料可以包括無機材料，如無機玻璃或無定形合金。無機玻璃的例子包括氧化物玻璃(例如，重金屬氧化物玻璃)、鹵化物玻璃和/或硫屬玻璃，以及有機材料，如聚合物。聚合物的例子包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、醋酸丁酸光纖素(CAB)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)(包括，例如共聚物苯乙烯-丁二烯(SBC)、甲基乙烯苯均聚物-丙烯腈、苯乙烯-亞二甲苯基、苯乙烯-乙烯、苯乙烯-丙烯、苯乙烯-丙烯腈(SAN))、聚醚酰亞胺(PEI)、聚醋酸乙烯酯(PVAC)、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙稀(PVC)、聚氧化亞甲基；聚甲醛(聚縮醛)(POM)、乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVAC)、聚酰胺(PA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PETP)、含氟聚合物(包括，例如聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基乙烯(polyperfluoroalkoxythylene)(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP))、聚對苯二甲酸丁二酯(PBTP)、低密度聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲基戊烯(PMP)(以及其他聚烯烴，包括環(huán)聚烯烴)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚硫化物(包括，例如聚苯硫醚(PPS))，以及聚砜(包括，例如聚砜(PSU)、聚醚砜(polyehtersulfone)(PES)、聚苯基砜(PPSU)、聚芳基烷基砜，以及聚磺酸鹽)。聚合物可以是均聚物或共聚物(例如，(共)聚(丙烯酰胺-丙烯腈)和/或丙烯腈苯乙烯共聚物)。聚合物可以包括共混聚合物，例如聚酰胺-聚烯烴、聚酰胺-聚碳酸酯，和/或PES-聚烯烴的混合物。
能夠使用的聚合物的其他例子包括環(huán)烯烴聚合物(COP)和環(huán)烯烴共聚物(COC)。在一些實施例中，可以通過將降冰片烯單體聚合或者將norbornen單體和其他聚烯烴(聚乙烯、聚丙烯)發(fā)生共聚作用來制備COP和COC?？梢允褂蒙虡I(yè)上可得到的COP和/或COC，包括例如Zeonex聚合物(例如ZeonexE48R)和Zeonor共聚物(例如Zeonor1600)，這些都可以從Zeon化學制品L.P.(路易斯維爾市，KY)得到。COC也能夠從Promerus LLC(Brecksville，OH)(例如，F(xiàn)S1700)獲得。
可選擇的是，或者另外，低折射率區(qū)域可以通過利用中空結構支撐材料來制造，從而與高折射率層或區(qū)域分開，所述材料如硅石球體或中空光纖。包括這種結構支撐的光纖的例子在題為“雙折射光纖(BIREFRINGENT OPTICAL FIBRES)”的公開的國際申請WO03/058308中記載，該申請的全部內(nèi)容在此引入作為參考。
在某些實施例中，限制區(qū)域是介電限制區(qū)域，其由基本上所有的介電材料組成，如一種或多種玻璃和/或一種或多種介電聚合物。通常，介電限制區(qū)域基本上不包括金屬層。
在一些實施例中，限制區(qū)域的高折射率層或低折射率層可以包括硫屬玻璃(例如，包含硫族元素的玻璃，如硫磺、硒，和/或碲)。除了硫族元素之外，硫屬玻璃可以包括下面元素的一種或多種硼、鋁、硅、磷、硫、鎵、鍺、砷、銦、錫、銻、鉈、鉛、鉍、鎘、鑭和鹵化物(氟、氯、溴、碘)。
硫屬玻璃可以是二元或三元玻璃，例如，As-S、As-Se、Ge-S、Ge-Se、As-Te、Sb-Se、As-S-Se、S-Se-Te、As-Se-Te、As-S-Te、Ge-S-Te、Ge-Se-Te、Ge-S-Se、As-Ge-Se、As-Ge-Te、As-Se-Pb、As-S-Tl、As-Se-Tl、As-Te-Tl、As-Se-Ga、Ga-La-S、Ge-Sb-Se或合成物、基于這些元素的多組分玻璃，所述元素如As-Ga-Ge-S、Pb-Ga-Ge-S等。硫屬玻璃中每種元素的比率可以改變。
在某些實施例中，除了(多種)硫屬玻璃之外或者作為該硫屬玻璃的替代，限制區(qū)域220中的一個或多個層可以包括一種或多種氧化物玻璃(例如，重金屬氧化物玻璃)、鹵化物玻璃、無定形合金，或其組合物。
一般來說，高和低折射率層的吸收根據(jù)其組成成分和光纖的(多個)工作波長而改變。在一些實施例中，形成高和低折射率層的材料可以具有低吸收。低吸收材料在工作波長處具有大約100dB/m或更小(例如大約20dB/m或更小、大約10dB/m或更小、大約5dB/m或更小、大約1dB/m或更小、大約0.1dB/m或更小)的吸收。低吸收材料的例子包括硫屬玻璃，其在大約3微米的波長處顯示出大約4dB/m的吸收系數(shù)。硫屬玻璃在大約10.6微米的波長處顯示出大約10dB/m的吸收系數(shù)。作為另一個例子，氧化物玻璃(例如，硼硅酸鉛玻璃，或硅石)對于大約1和2微米之間的波長能夠具有低吸收。一些氧化物玻璃在該波長范圍內(nèi)能夠具有大約1dB/m至0.0002dB/m的吸收系數(shù)。
可選擇的是，高和低折射率材料的一個或全部能夠具有高吸收(例如，大約100dB/m或更高，如大約1000或更多、大約10000或更多、大約20000或更多、大約50000或更多)。例如，許多聚合物對于在大約3和大約11微米之間的波長顯示出大約105dB/m的吸收系數(shù)。這些聚合物的例子包括聚醚酰亞胺(PEI)、聚氯三氯乙烯(polychlorotrifluoroethylene)(PCTFE)、全氟烷氧基乙烯(perfluoroalkoxyethylene)(PFA)和聚萘二酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate)(PEN)。PEI在3微米處具有比大約105dB/m更高的吸收，而PCTFE、PFA和PEN在10.6微米處具有比大約105dB/m更高的吸收。
在一些實施例中，高折射率材料具有低吸收系數(shù)，低吸收材料具有高吸收系數(shù)，或者反之亦然。
通過測量穿過該材料的至少兩個不同厚度T1和T2的相對透射來確定材料的吸收。假定材料中的場根據(jù)Pe-αT而隨厚度T發(fā)生衰變，P代表入射在該材料上的功率，那么通過厚度T1和T2的測得的透射功率為P1=pe-αT1]]>和P2=pe-αT2.]]>那么得到的吸收系數(shù)α為α=1T2-T11n(P2/P1).]]>如果需要，可以通過利用幾個厚度并進行透射功率的對數(shù)的最小二乘擬合來獲得α的更精確的估計。
如前面所述，可以為限制區(qū)域選擇材料以提供有利的光學性質(zhì)(例如，在(多個)引導波長處具有適當折射率的低吸收)。但是，材料也應當與用于制造該光纖的過程相容。在一些實施例中，高和低折射率材料優(yōu)選應當對于共同拉制是相容的。用于共同拉制相容性的標準在上述美國專利申請序列號為10/121452、題為“高折射率反差光纖波導和應用(HIGH INDEX-CONTRAST FIBER WAVEGUIDES ANDAPPLICATIONS)”的美國專利申請中提供。此外，高和低折射率材料優(yōu)選相對于結晶、相位分離、化學侵蝕和對于這些條件(例如，環(huán)境條件，如溫度、濕度和周圍氣體環(huán)境)的不需要的反作用應該是足夠穩(wěn)定的，在這些條件下形成、配置和使用光纖。
當利用拉制方法制造耐用光纖波導時，并非具有所需光學性質(zhì)的材料的每一種組合都必然是合適的。通常，應當選擇流變地、熱機地和物理化學地相容的材料。現(xiàn)在討論用于選擇相容材料的幾個標準。
第一個標準是選擇流變相容的材料。換句話說，對應于在光纖拉制和工作的不同階段中的溫度體驗，應該選擇在寬溫度范圍上具有相似粘度的材料。粘度是在所應用的剪應力下流體對流動的阻力。這里，粘度以泊(Poise)為單位。在詳細說明流變相容性之前，為給定的材料定義特性溫度的集合是有用的，所述溫度是給定材料具有特定粘度的溫度。
退火點Ta是材料具有1013泊的粘度時的溫度。根據(jù)測溫陶瓷組織(Orton Ceramic Foundation)(Westerville，OH)利用型號為SP-2A系統(tǒng)可以測量Ta。通常Ta是一塊玻璃的粘度足夠低以允許釋放殘余應力時的溫度。
軟化點Ts是材料具有107.65泊的粘度時的溫度。根據(jù)測溫陶瓷組織(Westerville，OH)利用例如型號為SP-3A的軟化點儀器可以測量Ts。軟化點與材料的流動在形狀上從塑性變?yōu)檎承詴r的溫度有關。
工作點Tw是材料具有104泊的粘度時的溫度。根據(jù)測溫陶瓷組織(Westerville，OH)利用例如型號為SP-4A的玻璃粘度計可以測量Tw。工作點與玻璃可以很容易地拉制成光纖時的溫度有關。在一些實施例中，例如，在材料是無機玻璃的情況下，該材料的工作點溫度可以高于250℃，如大約300℃、400℃、500℃或更高。
熔點Tm是材料具有102泊的粘度時的溫度。根據(jù)測溫陶瓷組織(Westerville，OH)利用例如型號為SP-4A的玻璃粘度計可以測量Tm。熔點與玻璃變?yōu)橐后w的溫度有關并且此時相對于光纖的幾何形狀保持對光纖拉制過程的控制變得非常困難。
為了達到流變相容，兩種材料應該在寬溫度范圍上具有相似的粘度，所述寬溫度范圍例如從低到拉制光纖時的溫度至光纖不再能夠以可辨別的速度釋放應力時的溫度(例如，在Ta)或更低的溫度。因此，兩種相容材料的工作溫度應該相似，從而在拉制時這兩種材料以相似的速度流動。例如，如果測量第一種材料在第二種材料的工作溫度Tw2下的粘度η1(T)，那么η1(Tw2)應該是至少103泊，例如104泊或105泊，并且不大于107泊。此外，由于拉制光纖冷卻，因此這兩種材料的性能在相似的溫度時應該從粘性變?yōu)閺椥缘?。換句話說，這兩種材料的軟化溫度應該相似。例如，在第二種材料的軟化溫度TS2下，第一種材料的粘度η1(Ts2)應該至少為106泊，例如107泊或108泊，并且不大于109泊。在優(yōu)選實施例中，使這兩種材料一起退火應該是可能的，因此在第二種材料的退火溫度Ta2下，第一種材料的粘度η1(Ta2)應該至少為108泊(例如至少109泊、至少1010泊、至少1011泊、至少1012泊、至少1013泊、至少1014泊)。
另外，為了流變相容，這兩種材料的作為溫度的函數(shù)的粘度變化(即，粘度斜率)優(yōu)選應該盡可能緊密地相匹配。
第二個選擇標準是每種材料的熱膨脹系數(shù)(TEC)在退火溫度和室溫之間的溫度處應該相似。換句話說，由于光纖冷卻且其流變能力從像流體一樣變?yōu)橄窆腆w一樣，因此這兩種材料的體積應該改變相似的量。如果兩種材料的TEC沒有足夠匹配，那么在兩個光纖部分之間的大的差量體積變化會導致大量殘余應力積累，這會使一個或多個部分破裂和/或分為薄層。甚至在應力遠低于材料的斷裂應力時殘余應力也可能導致滯后斷裂。
TEC是樣品長度隨溫度變化的微小變化的測量值。可以根據(jù)溫度-長度(或者等效的是，溫度-體積)曲線的斜率為給定材料計算這一參數(shù)。材料的溫度-長度曲線可以根據(jù)測溫陶瓷組織(Westerville，OH)利用例如型號為1200D的膨脹計來進行測量。或者在選擇的溫度范圍內(nèi)或者在給定溫度的瞬時變化時測量TEC。該量的單位為℃-1。
對于許多材料，在具有不同斜率的溫度-長度曲線中有兩個線性區(qū)域。存在曲線從第一線性區(qū)域變?yōu)榈诙€性區(qū)域的過渡區(qū)域。這一區(qū)域與玻璃轉化相關聯(lián)，在該區(qū)域中玻璃樣品的性能從與固體材料正常相關聯(lián)過渡到與粘性流體正常相關聯(lián)。這是一個連續(xù)的過渡，并且其特征在于與斜率的非連續(xù)變化相反，溫度-體積曲線的斜率逐漸變化。玻璃轉化溫度Tg可以規(guī)定為外延的玻璃固體與粘性流體的線相交時的溫度。玻璃轉化溫度是與從脆性固體到能夠流動的固體的材料流變能力變化相關聯(lián)的溫度。在物理上，玻璃轉化溫度與激發(fā)材料中各種分子平移和旋轉模式所需的熱能有關。玻璃轉化溫度經(jīng)常被理解為近似退火點，此處的粘度是1013泊，但是事實上，測量的Tg是相對值，并且取決于測量技術。
膨脹計也可用于測量膨脹軟化點Tds。膨脹計通過對樣品施加小的壓縮負載并加熱該樣品來工作。當樣品溫度變得足夠高時，材料開始軟化并且壓縮負載導致樣品發(fā)生變形，此時觀察到體積或長度的減小。該相對值稱為膨脹軟化點，并且通常是當材料粘度在1010和1012.5泊之間時發(fā)生。材料的精確Tds值通常取決于儀器和測量參數(shù)。當使用類的儀器和測量參數(shù)時，該溫度提供在粘性狀態(tài)中的不同材料流變相容性的有用的測量。
如上所述，匹配TEC是對于獲得不受過度殘余應力的光纖的一種重要因素，所述殘余應力能夠在拉制過程中在光纖中產(chǎn)生。通常，當兩種材料的TEC不充分匹配時，產(chǎn)生作為彈性應力的殘余應力。彈性應力分量源于在光纖從玻璃轉化溫度冷卻到室溫(例如25℃)時在光纖中不同材料之間的體積收縮之差。體積變化由TEC和溫度變化來確定。對于在拉制過程中光纖內(nèi)的材料在任何界面處成為熔化的或者粘合的實施例，其各自的TEC之差將導致在界面處的應力。一種材料將處于拉伸(正應力)，另一種材料處于壓縮(負應力)，因此總應力為零。適度的壓應力本身通常不是對于玻璃光纖主要關心的問題，但是拉應力是不希望的，并且可能隨時間導致失效。因此，希望使部件材料的TEC之差最小，從而使拉制過程中光纖內(nèi)產(chǎn)生的彈性應力最小。例如，在由兩種不同材料形成的復合光纖中，在利用加熱速率為3℃/分的膨脹計測得的每塊玻璃在Tg和室溫之間的TEC的絕對差應該不大于大約5×10-6℃-1(例如，不大于大約4×10-1℃-1、不大于大約3×10-6℃-1、不大于大約2×10-6℃-1、不大于大約1×10-6℃-1、不大于大約5×10-7℃-1、不大于大約4×10-7℃-1、不大于大約3×10-7℃-1、不大于大約2×10-7℃-1)。
盡管選擇具有相似TEC的材料能夠使彈性應力分量最小，但是殘應力也可以由粘彈性應力分量來產(chǎn)生。粘彈性應力分量在部件材料應變點或玻璃轉化溫度之間有足夠大的差時出現(xiàn)。當材料冷卻到Tg下時，其經(jīng)歷相當大的體積收縮。由于粘度在冷卻時的這一轉化中生變化，減輕應力所需的時間從零(瞬時)增加為幾分鐘。例如，考復合預制件由具有不同玻璃轉化范圍(和不同的Tg)的玻璃和聚合物成。在初始拉制過程中，玻璃和聚合物像是粘性流體一樣，并由于制應變而引起的應力立刻減輕。在離開拉制爐的最熱部分之后，光快速地損失熱量，使光纖材料的粘度連同應力減輕時間按指數(shù)規(guī)律增大。在冷卻到其Tg時，由于應力減輕時間與拉制速度相比已經(jīng)變得非常大，因此玻璃和聚合物實際上不能再釋放應力。因此，假定部件材料具有不同的Tg值，冷卻到其Tg的第一材料不再減小應力，而第二材料仍然在其Tg之上并能夠釋放在材料之間產(chǎn)生的應力。一旦第二材料冷卻到其Tp，就不再有效地減輕在材料之間產(chǎn)生的應力。此外，在這一點上，第二塊玻璃的體積收縮比第一材料(現(xiàn)在該材料低于其Tg并變得像是脆性固體一樣)的體積收縮大得多。這種情況能夠導致在玻璃和聚合物之間的足夠多的應力積累，因此一個或兩個部分關于機械方面而失效。這讓我們得到用于選擇光纖材料的第三選擇標準希望使部件材料的Tg之差最小從而使拉制過程中光纖內(nèi)產(chǎn)生的粘彈性應力最小。優(yōu)選的是，第一材料的玻璃轉化溫度Tg1應該在第二材料的玻璃轉化溫度Tg2的100℃內(nèi)(例如，|Tg1-Tg2|應該小于90℃、小于80℃、小于70℃、小于60℃、小于50℃、小于40℃、小于30℃、小于20℃、小于10℃)。
由于存在兩種機制(即彈性和粘彈性)來產(chǎn)生因組分材料之差而引起的在拉制光纖中的永久應力，因此可以采用這些機制使其彼此抵消。例如，如果材料Tg中的不匹配導致相反符號的應力，那么構成光纖的材料可以自然地抵消由熱膨脹不匹配而引起的應力。相反地，如果材料的熱膨脹將減小全部的永久應力，那么材料之間的Tg的較大差值是可接受的。估計熱膨脹和玻璃轉化溫度差的組合效應的一種方式是將每個部件材料的溫度-長度曲線進行比較。在利用上述斜率-切線方法查找到每種材料的Tg之后，沿縱軸移動曲線中的一條，從而使這些曲線在較低Tg溫度值重合。如果玻璃沒有結合，那么在室溫處的y軸截距之差產(chǎn)生所期望的應變ε。所期望的顯示出在從Tg到室溫的溫度范圍內(nèi)的較大收縮量的材料的拉應力σ可以根據(jù)下面的方程式簡單地進行計算σ＝E·ε (4)其中E是該材料的彈性模量。通常，小于大約100Mpa(例如，大約50Mpa或更小、大約30Mpa或更小)的殘余應力值足夠小以表明兩種材料相容。
第四選擇標準是使參選材料的熱穩(wěn)定性匹配。熱穩(wěn)定性的測量由溫度間隔(Tx-Tg)給出，其中Tx是當材料緩慢地冷卻到足以使每個模量能夠找到其最低能態(tài)時在結晶開始的溫度。因此，結晶相是對于材料來說比玻璃相更加高能的有利狀態(tài)。但是，材料的玻璃相在達到光纖波導應用時通常具有優(yōu)于結晶相的性能和/或制造優(yōu)點。結晶溫度越接近玻璃轉化溫度，材料在拉制過程中就越有可能結晶，這對于該光纖來說是有害的(例如，通過將光學不均勻性引入到光纖中，這會增大傳輸損失)。通常，至少大約80℃(例如，至少大約100℃)的熱穩(wěn)定性間隔(Tx-Tg)足夠允許通過從預制件拉制光纖來進行材料的光纖化。在優(yōu)選實施例中，熱穩(wěn)定性間隔是至少大約120℃，如大約150℃或更高，如大約200℃或更高。可以利用熱分析儀器來測量Tx，如差熱分析儀(DTA)或差示掃描量熱儀(DSC)。
選擇能夠被共同拉制的材料時的另一個考慮是材料的熔化溫度Tm。在熔化溫度下，材料的粘度變得太低而不能在光纖拉制過程中成功地保持精確的幾何形狀。因此，在優(yōu)選實施例中，一種材料的熔化溫度高于流變相容的第二種材料的工作溫度。換句話說，當加熱預制件時，在該預制件中任一種材料熔化之前預制件達到能夠被成功拉制的溫度。
能夠被共同拉制并且向光子晶體光纖波導提供限制區(qū)域的層之間的高折射率反差的一對材料的一個例子是As2Se3和聚合物PES。As2Se3具有大約180℃的玻璃轉化溫度(Tg)和大約24×10-6/℃的熱膨脹系數(shù)(TEC)。As2Se3在10.6μm處的折射率為2.7775，如由Hartouni和同事們測量并將其記載在《Proc.SPIE》，505，11(1984)中，As2Se3的吸收系數(shù)α是5.8dB/m，如由Voigt和Linke測量并將其記載在由Ed.A.Andriesh和M.Bertolotti在NATO ASI Series，3High Technology第36卷，第155頁(1996)發(fā)表的題為“非晶半導體在光電子學中的物理現(xiàn)象和應用(Physics and Application of Non-Crystalline Semiconductors inOptoelectronics)”的論文中。這兩份參考文獻整體在此引入作為參考。PES具有大約55×10-6/℃的TEC，并具有大約1.65的折射率。
光子晶體光纖和用于形成光子晶體光纖的方法的實施例記載在下列專利和專利申請中美國專利號為US6625364、題為“具有大的芯半徑的低損耗光子晶體波導(LOW-LOSS PHOTONIC CRYSTALWAVEGUIDE HAVING LARGE CORE RADIUS)”的美國專利；美國專利號為US6563981、題為“在光子晶體多模波導中的電磁模式變換(ELECTROMAGNETIC MODE CONVERSION IN PHOTONICCRYSTAL MULTIMODE WAVEGUIDES)”的美國專利；2002年1月25日提交的、美國專利申請序列號為10/057440、題為“具有特制的分散輪廓的光子晶體光波導(PHOTONIC CRYSTAL OPTICALWAVEGUIDES HAVING TAILORED DISPERSION PROFILES)”的美國專利申請；2002年4月12日提交的、美國專利申請序列號為10/121452、題為“高折射率反差光纖波導及應用(HIGHINDEX-CONTRAST FIBER WAVEGUIDES AND APPLICATIONS)”的美國專利申請；美國專利號為US6463200、題為“增強光波導的全向多層器件(OMNIDIRECTIONAL MULTILAYER DEVICE FORENHANCED OPTICAL WAVEGUIDING)”；2002年11月22日提交的、臨時號為60/428382、題為“高功率波導(HIGH POWER WAVEGUIDE)”的美國專利；2002年7月16日提交的、美國專利申請序列號為10/196403、題為“形成反射介電反射鏡的方法(METHOD OFFORMING REFLECTING DIELECTRIC MIRRORS)”的美國專利申請；2003年11月24日提交的、美國專利申請序列號為10/720606、題為“介電波導和制造該介電波導的方法(DIELECTRIC WAVEGUIDE ANDMETHOD OF MAKING THE SAME)”的美國專利申請；2003年12月10日提交的、美國專利申請序列號為10/733873、題為“光纖波導和制造該光纖波導的方法(FIBER WAVEGUIDES AND METHODS OFMAKING SAME)”的美國專利申請。上述每一篇專利和專利申請的內(nèi)容整體在此引入作為參考。
再參考圖1，在一些實施例中，可以將光子晶體光纖120設計為使該光纖優(yōu)選在某一平面內(nèi)彎曲。例如，參考圖3，光子晶體光纖300包括具有不對稱橫截面的包層360，其沿著長軸361的直徑與沿著垂直于該長軸的短軸362的直徑相比更大。長軸和短軸均與軸399正交。在包層外表面的形狀中也顯示出不對稱的橫截面，這包括不同曲率的部分。特別是，包層360包括弓形部分331和332以及兩個直線部分333和334。弓形部分331和332位于沿著長軸321的包層的相對側。直線部分333和334位于沿短軸322的包層的相對側。
一般來說，包層360的橫截面輪廓的不對稱足以致使光纖300在其正常使用過程中優(yōu)選在光纖軸399和短軸362所確定的平面內(nèi)彎曲。
光纖300沿長軸的直徑與其沿短軸的直徑之比可以改變。通常，選擇該比例使光纖300優(yōu)選在彎曲面內(nèi)彎曲，同時包層300仍然提供所希望的機械支撐或作為設計目的的其他(多個)功能(例如，光學功能、熱力管理)。在一些實施例中，該比率相對較低，如大約1.5∶1或更低(如約1.3∶1或更低、大約1.1∶1或更低)。可選擇的是，在某些實施例中，該比率能高于大約1.5∶1(例如大約1.8∶1或更高、大約2.1∶1或更高)。
光子晶體光纖300還包括芯320和限制區(qū)域310，限制區(qū)域310包括螺旋層330、340和350，并具有內(nèi)接縫321和外接縫322，其對應于形成限制區(qū)域的連續(xù)層的邊緣。內(nèi)接縫321位于沿著從短軸362開始移動α角的方位323。α可以是大約10°或更大(例如，大約20°或更大、大約30°或更大、大約40°或更大、大約50°或更大、大約60°或更大、大約70°或更大、大約80°或更大)。在一些實施例中，α是大約90°。
內(nèi)接縫不位于光纖的優(yōu)選彎曲面中。在光纖300中，這通過使內(nèi)接縫321定位在遠離短軸的位置來實現(xiàn)。將內(nèi)接縫定位在遠離優(yōu)選彎曲面的位置是有利的，因為這里認為與限制區(qū)域的其他部分相比在該接縫處的引導輻射的損耗(例如，由于散射和/或吸收)更大。此外，可以相信，相對于芯的其他部分的能量密度，引導輻射在芯中的朝向光纖中彎曲的外部的能量密度更大。通過相對于短軸來定位內(nèi)接縫從而使該接縫不可能位于優(yōu)選彎曲面(例如，α是大約90°)中，可以降低內(nèi)接縫位于朝向光纖彎曲的外面的可能性。因此，可以避免在引導輻射的能量密度很高的區(qū)域處具有限制區(qū)域的相對較高損耗部分的復合影響，同時降低與該光纖中的彎曲有關聯(lián)的損耗。
盡管內(nèi)接縫321和外接縫322位于相對于光纖300中的軸399的相同的方位，但是在其他實施例中，內(nèi)和外接縫也可以沿著相對于光纖軸的不同的相對方位而定位。
如上所述，包層為光纖的限制區(qū)域提供機械支撐。因此，包層360的厚度可以根據(jù)需要沿著長軸361而改變。包層360沿著短軸362的厚度也可以改變，但是通常小于其沿長軸的厚度。在一些實施例中，包層360沿長軸的厚度基本上比限制區(qū)域310更厚。例如，包層360沿長軸的厚度與限制區(qū)域310相比可以是大約10倍或更厚(例如，大于大約20倍厚、大于大約30倍厚、大于大約50倍厚)。
通過修整預制件，然后從具有不對稱橫截面的預制件拉制光纖可以產(chǎn)生光纖不對稱性?？蛇x擇的是，在一些實施例中，可以在從預制件拉制光纖之后產(chǎn)生光纖不對稱性。例如，可以修整或研磨光纖作為在拉制之后但是在纏繞之前的生產(chǎn)過程的一部分。
盡管光纖300包括具有接縫的限制區(qū)域，但是一般來說，不對稱光纖的實施例可以包括不具有接縫的限制區(qū)域(例如，由大量環(huán)形層所形成的限制區(qū)域)。
而且，盡管光纖300具有由兩個圓弧和兩條直線組成的形狀，但是一般來說，光纖可以具有其他形狀。例如，光纖可以具有不對稱的多邊形形狀，并且光纖可以由具有不同曲率半徑的弓形部分和/或由沿相反方向彎曲的弓形部分來形成。通常，所述形狀應該向該光纖提供優(yōu)選的彎曲面。
盡管上述光纖相對于其橫截面形狀是不對稱的，但是一般來說，光纖能夠是以各種方式形成的不對稱以便提供優(yōu)選的彎曲面。例如，在一些實施例中，光纖可以包括產(chǎn)生優(yōu)選彎曲面的材料不對稱性。材料不對稱性指的是光纖不同部分的材料性質(zhì)之間的變化，其致使光纖以特定方式優(yōu)選地彎曲。例如，光纖包層的一部分可以由與其他部分相比機械剛性稍差的材料形成，致使該光纖優(yōu)選在該部分彎曲。機械變化可以由組成成分變化而引起，或者由具有相同組成成分的那些部分的物理差異而引起?？梢岳缤ㄟ^將改變光纖的機械性質(zhì)的摻雜劑摻雜到光纖或者光纖預制件的多個部分來引入組成成分的差異。作為另一個例子，可以通過由不同的化合物形成光纖的不同部分來引入組成成分的差異。物理差異指的是例如光纖的不同部分中的結晶度的差異。通過在光纖制造過程中有選擇性地加熱和/或冷卻光纖的多個部分，和/或利用在不同光纖部分的加熱/冷卻的不同速度來引入諸如結晶度差異的物理差異。
而且，在一些實施例中，光纖可以包括對稱的第一包層，但也能夠包括包層外面的附加結構，該附加結構致使光纖優(yōu)選在特殊平面內(nèi)彎曲。例如，可以將光纖放置在一個或多個鞘中，所述鞘在使得光纖彎曲時是不對稱的。
再參考圖1，激光系統(tǒng)100還包括冷卻裝置170，其經(jīng)由輸送管171和耦合組件130將冷卻流體(例如氣體或液體)輸送到光纖120。冷卻流體被泵送通過芯，并從與該芯鄰近的光纖表面吸收熱量。在本實施例中，冷卻流體沿著與來自激光器110的輻射相同的方向流動，但是在一些實施例中，可以沿著與激光輻射的傳播方向相反的方向來泵送該冷卻流體。
冷卻流體通過光子晶體光纖120的芯的流速可以根據(jù)需要而改變。通常，流速取決于例如激光器的工作功率、在工作波長處的光纖的吸收、光纖的長度以及纖芯的尺寸。一般來說，流速應該足以在其工作功率處冷卻該光纖。在一些實施例中，流速可以是大約0.1升/分或更大(例如，大約0.5升/分或更大、大約1升/分或更大、大約2升/分或更大、大約5升/分或更大、大約8升/分或更大、大約9升/分或更大、大約10升/分或更大)。
從光纖中流出的冷卻流體的壓力可以改變。在一些實施例中，冷卻流體的壓力可以相對較高。例如，在該流體從與射出輻射相同的光纖的那一端流出的情況下，冷卻氣體可以處于足以從病人的目標組織中清除碎屑的高壓力。氣體壓力可以是大約0.2PSI或更高(例如大約0.5PSI或更高、大約1PSI或更高)。在一些實施例中，離開纖芯的氣體的壓力可以對應于流過1米長的纖芯直徑為大約500μm的光纖時的大約1升/分或更大(例如，大約2升/分或更大、大約5升/分或更大、大約8升/分或更大、大約10升/分或更大)的流速。
當系統(tǒng)啟動時，該流速可以是額定不變的，或者可以根據(jù)激光系統(tǒng)的狀態(tài)操作而改變。例如，在一些實施例中，可以根據(jù)是否引導輻射通過光纖120來調(diào)整流速。在啟動激光器并引導輻射通過該光纖時，流速可以處于足以適當?shù)乩鋮s光纖的水平。但是，在輻射劑量之間，系統(tǒng)可以將流速降低到較低的水平(例如，在啟動激光器時用于冷卻光纖的速率的大約10％或更低)?？梢岳眠h程控制152或者操作者在使用該系統(tǒng)時能夠很容易操作的附加遠程控制來觸發(fā)氣體流速。
一般來說，引導到光纖的冷卻流體的溫度可以改變。在一些實施例中，在環(huán)境溫度(例如，室溫)下將冷卻流體引導到光纖。在某些實施例中，在冷卻光纖之前，將該冷卻流體冷卻到環(huán)境溫度之下。可以將冷卻流體冷卻到使光纖排出的流體在一定的溫度范圍內(nèi)。例如，可以將冷卻流體足夠冷卻，使光纖排出的流體在其接觸到病人時不會燙傷病人。作為另一個例子，可以將冷卻流體足夠冷卻，使光纖排出的流體在室溫和體溫之間。在一些實施例中，引導到光纖的冷卻流體可以冷卻為使其具有低于室溫的溫度。例如，該流體可以具有大約20℃或更低(例如，大約10℃或更低、大約0℃或更低、大約-10℃或更低、大約-20℃或更低、大約-50℃或更低)的溫度。
在某些實施例中，冷卻流體沿激光輻射傳播方向流過纖芯的情況下，其可以執(zhí)行沖擊病人的目標組織的附加功能。例如，在一些實施例中，從光纖流出的加熱流體(例如，氣體)可以通過增強血液的凝結而減少切開的血管處的出血?？梢哉J為在大約60℃或更高的溫度時可以加速血液的凝結。因此，在離開光纖并沖擊目標組織的氣體是大約60℃或更高的情況下，可以增大血液凝結的速度，這通過降低對從工作區(qū)吸出血液的需求來幫助外科醫(yī)生。在一些實施例中，離開光纖的氣體的溫度可以是例如大約50℃或更高、大約60℃或更高、大約65℃或更高、大約70℃或更高、大約80℃或更高、大約90℃或更高、大約100℃或更高)?？蛇x擇的是，在某些實施例中，離開光纖的氣體的溫度可以低于室溫(例如大約10℃或更低、大約0℃或更低)。例如，該系統(tǒng)能夠在有益于在照射組織之前冷卻組織的過程中向目標位置提供冷卻氣體。在某些實施例中，離開光纖的氣體的溫度可以近似體溫(例如，大約37℃)。
可以通過大約5-10℃/瓦(例如，大約7-8℃/瓦)的輸入功率對流過纖芯的氣體進行加熱。例如，具有大約20瓦的輸入功率的光纖可以將流過纖芯的氣體加熱大約100-200℃。
在一些實施例中，流過纖芯的流體可以用于將其他物質(zhì)輸送到目標組織。例如，霧化的藥用化合物可以引入到流過纖芯的氣體中并經(jīng)由光子晶體光纖輸送到目標組織。
一般來說，冷卻流體的類型可以根據(jù)需要而改變。冷卻流體可以是液體、氣體或超流體。在一些實施例中，冷卻流體包括惰性氣體(例如，氦、氖、氬、氪和/或氙)、氧、二氧化碳，和/或氮。冷卻流體可以基本上由單一化合物組成(例如，純度為大約98％或更高、大約99％或更高、大約99.5％或更高、大約99.8％或更高、大約99.9％或更高)，或者可以是混合物(例如，空氣或氦氧混合氣)。
在一些實施例中，可以根據(jù)其冷卻光纖的能力來選擇冷卻流體。流體的冷卻能力可以取決于流體流速和/或流體熱導率。例如氦氣與其他氣體相比具有相對較高的熱導率。而且，對于給定的壓降，氦可以具有比諸如氮的其他氣體更高的流速。因此，在一些實施例中，根據(jù)氦具有比其他氣體更好的冷卻光纖的能力而選擇氦。
可選擇的是，或者另外，根據(jù)是否與病人有任何不利的相互作用來選擇冷卻流體。例如，在冷卻流體與病人極接近的實施例中，可以根據(jù)冷卻流體所具有的相對較低的毒性來選擇冷卻流體。在某些實施例中，可以根據(jù)與其他流體相比的溶解度來選擇冷卻流體。具有在血液中的相對較低溶解度的流體能夠降低具有因暴露于冷卻流體中而使病人栓塞的危險。具有相對較低毒性和相對較低溶解度的流體的例子是氦氣。
也可以根據(jù)其他標準來選擇冷卻流體，如與其他元素的反應性(例如，易燃性(flammability))。在一些實施例中，根據(jù)冷卻流體的惰性特性(例如，易燃性(inflammability))來選擇冷卻流體，例如氦。
在某些實施例中，可以將保護套連到光子晶體光纖120的輸出端。套可以用于防止碎屑積累以及光纖輸出端的堵塞。圖4A中示出了套401的例子。套401連到光子晶體光纖410的輸出端。套401包括套環(huán)425，該套環(huán)保持光纖的輸出端與套的遠端開口430之間的間距405。通常，間距405是大約0.5cm至大約4cm長。從光纖410的芯420射出的輻射411通過遠端開口430從該套射出。
套401還可以包括孔眼，這些孔眼降低在遠端開口430處流出光纖的流體的壓力。例如，套401包括第二開口435和436，所述開口與遠端開口430一起提供從芯420流出的流體能夠從該套流出的路徑。
通常，套由剛性材料形成，所述剛性材料可以被很容易地消毒。例如，套可以由不銹鋼形成。套可以是一次性的或者是可重復使用的。
套的另一個例子是圖4B中所示的套401A。套401A沿其長度變窄，其具有與遠端開口附近的直徑402A相比的較大直徑402B，該較大直徑安裝到光纖401的輸出端。變窄的套增大了在套中從芯420流出的流體的壓力，增大了開口435A和435B處的流體壓力，由此減少了將碎屑通過這些開口吸入到套中的可能性。
在一些實施例中，套可以包括一個或多個光學部件。例如，參考圖4C，套401B可以包括連到遠端開口附近的反射器440(例如，反射鏡)。反射器440將從芯420射出的輻射411重定向，并且使操作者能夠將輻射引導到以另外的方式不能到達的限制空間中。
在一些實施例中，套還可以包括透射光學部件。例如，參考圖4D，套401C包括安裝在遠端開口430附近的透鏡450。透鏡由透鏡架451安裝在套中，該透鏡架位于遠端開口430和第二開口435、436之間，從而使來自光纖的流體仍然能夠通過開口435和436從套401C流出。透鏡450將從芯420射出的輻射411聚焦為遠端開口430之外某一位置處的收斂部分。能夠安裝在套中的透射光學部件的另一個例子是透射光學平板，其能夠用作在防止流體流過遠端開口430時將從纖芯射出的輻射透射的窗。
如上所述，在激光系統(tǒng)100中，來自激光器110的光與來自流體源170的流體通過耦合組件130耦合到光纖120中。參考圖5A，用于將氣體和輻射耦合到光子晶體光纖中的耦合器的例子是耦合組件500。耦合組件500包括接收來自激光器的輻射和來自氣體源的氣體的第一部分510，以及連接到光子晶體光纖120的第二部分。第一部分510通過撓性接合505(例如，金屬波紋管或橡皮管)耦合到第二部分520。
第一部分510包括透鏡架502和用于該透鏡架的轉接器504。該透鏡架可以是商業(yè)上可獲得的透鏡架。當耦合到透鏡架502時，轉接器504將透鏡501緊固在透鏡架中。O形環(huán)503形成在轉接器504和透鏡501之間的密封。轉接器504還包括接頭504a，該接頭用于連接到向系統(tǒng)供應氣體的管。在一些實施例中，接頭504a包括有倒刺的軟管接頭。
部分520包括連接器對準臺508，其包括光纖連接器插座(例如商業(yè)上可獲得的臺，如從Newport(Irvine，CA)可獲得的部件LP-1A)。臺508由轉接器506連接到撓性接合505。O形環(huán)507形成在臺508和轉接器506之間的密封。光纖連接器509將光子晶體光纖510與臺58耦合。另一個O形環(huán)511形成在光纖連接器509和臺508之間的密封。
圖5B中示出了耦合組件的另一個例子。耦合組件530包括激光器連接器540，該激光器連接器連到激光器110的輸出終端111。耦合組件530包括連到激光器連接器540的外殼531。該外殼包括流體入口533和輻射輸出端口534。光纖連接器550附于輻射輸出端口534上，同時相對于該輻射輸出端口來定位光子晶體光纖551的一端。另外，連接器560通過連到流體輸入口533而將流體導管561與外殼連接。
延遲反射器532位于外殼531中。延遲反射器532將從激光器入射到外殼的線偏振輻射541朝輻射輸出端口534引導，同時改變偏振態(tài)，從而使反射的輻射542是圓偏振的。更一般的是，該反射延遲器改變激光輻射的偏振態(tài)，以便向光纖551提供較低損失的偏振。在一些實施例中，圓偏振輻射的平均損失可以低于線偏振輻射，在線偏振輻射中，光纖具有與偏振面重合的高損失區(qū)域。例如，與圓偏振光相比，具有帶接縫的限制區(qū)域的光子晶體光纖對于在接縫的平面中偏振的輻射表現(xiàn)出較高的損失。作為具有延遲器的可選擇的技術方案，或者除了具有延遲器之外，還可以將光纖551安裝為使得其接縫(或者其他高損失區(qū)域)相對于來自激光器的輻射的偏振態(tài)沿特殊朝向。
適合于10.6微米輻射的反射延遲器的例子是PRR系列(從激光器研究光學系統(tǒng)(Providence，RI)商業(yè)上可獲得的)硅和銅相位延遲反射器。可以使用(例如由雙折射晶體形成的)透射延遲器來代替延遲反射器532，或者除了延遲反射器532之外使用該透射延遲器。
耦合組件530還包括利用框架535安裝在外殼531中的透鏡545，該透鏡將反射輻射542聚焦為輻射輸出端口534的收斂部分，其耦合到光纖551的芯。適合于在10.6微米波長處使用的透鏡例如可以由ZnSe形成。
在不將冷卻流體耦合到纖芯中的實施例中，可以使用其他耦合組件。一般來說，在這些實施例中，可以使用適合于激光系統(tǒng)工作的波長和強度的任何耦合器。R.Nubling和J.Harrington在《應用光學》34，第3號，第372-380頁(1996)的“用于大功率工業(yè)CO2激光器的中空波導輸送系統(tǒng)(Hollow-waveguide delivery systems for high-power，industrial CO2lasers)”中記載了一種類型的耦合器。耦合器的其他例子包括一個或多個聚焦元件，如一個或多個透鏡。更一般的是，耦合器可以包括附加光學部件，如光束整形光學系統(tǒng)、濾光器等。
一般來說，耦合效率能夠相對較高。例如，耦合組件130可以將引導波長處輸出的大于大約70％(例如，大約80％或更多、90％或更多、95％或更多、98％或更多)的激光耦合到光纖中的引導模式中。耦合效率指的是由所需模式引導的功率與入射在光纖上的總功率之比。
當激光系統(tǒng)100包括機頭140時，根據(jù)機頭所應用的醫(yī)療應用，系統(tǒng)可以包括不同類型的機頭。一般來說，機頭包括操作者例如在他/她手掌或指尖能夠緊握的部分，并且可以包括其他部件。在某些實施例中，機頭可以包括內(nèi)窺鏡(例如，柔性或剛性內(nèi)窺鏡)，諸如膀胱鏡(用于檢查病人的膀胱)、腎鏡(用于檢查病人的腎)、氣管鏡(用于檢查病人的支氣管)、喉鏡(用于檢查病人的喉)、檢耳鏡(用于檢查病人的耳)、關節(jié)鏡(用于檢查病人的關節(jié))、腹腔鏡(用于檢查病人的腹部)，以及胃腸內(nèi)窺鏡。機頭的另一個例子是導液管，其允許操作者將光子晶體光纖的輸出端定位到管、脈管、通道，和/或體腔中。
此外，機頭可以結合其他部件一起使用，而不是將其他部件集成到機頭中。例如，機頭可以結合套管針一起使用，從而將光子晶體光纖的輸出端定位在病人的腹腔中。在另一個例子中，機頭可以結合剛性內(nèi)窺鏡一起使用，該剛性內(nèi)窺鏡沒有連到機頭的緊握部分，或者沒有連到光子晶體光纖。
參考圖6，在一些實施例中，機頭680包括窄導管684，該窄導管包括將光子晶體光纖120插入通過的通道。導管684可以由剛性但是可變形的材料(例如，不銹鋼)制成。這使得操作者在操作過程中將該導管(例如通過手或者利用工具)彎曲所需的量(例如，在轉彎處686)，導管保持彎曲直到操作者將其弄直或者將其以不同的方式彎曲。機頭680還包括連到導管684的緊握部分682，其使得操作者舒適地握住該機頭。
在某些實施例中，機頭還包括致動器，其允許操作者例如在系統(tǒng)的工作過程中遠程地將光纖彎曲。例如，參考圖7A，在一些實施例中，利用內(nèi)窺鏡610可以將激光輻射112傳送到病人601之內(nèi)的目標組織699。內(nèi)窺鏡610包括緊握部分611和軟導管615，通過內(nèi)窺鏡主體616使緊握部分和軟導管彼此相連。容納光纖束的成像電纜622穿過緊握部分611中的通道和軟導管615。成像電纜622經(jīng)由軟導管615向目標組織699提供照明。該成像電纜還將從目標組織反射的光引導到控制器620，在控制器620處成像并顯示，從而向操作者提供可視信息?？蛇x擇的是，或者另外，內(nèi)窺鏡可以包括目鏡，該目鏡允許操作者直接通過成像電纜來觀察目標區(qū)。
內(nèi)窺鏡610還包括致動器640，該致動器允許操作者將軟導管615彎曲或弄直。在一些實施例中，致動器640允許軟導管615只在一個平面內(nèi)彎曲。可選擇的是，在某些實施例中，該致動器允許軟導管在多于一個平面內(nèi)彎曲。
內(nèi)窺鏡610還包括輔助導管630(例如，可拆卸的導管)，其包括光纖120穿過的通道。該通道與軟導管615中的第二通道相連，允許光纖120穿過該輔助導管而進入軟導管615中。以保持光纖相對于通過軟導管615的通道的朝向的方式將光纖120連到輔助導管上，從而使光子晶體光纖繞其在軟導管中的波導軸的扭轉最小。在光子晶體光纖120具有包括接縫的限制區(qū)域的實施例中，光纖能夠連到輔助導管上，從而使接縫不與軟導管的彎曲面重合。
一般來說，光子晶體光纖能夠結合商業(yè)上可獲得的內(nèi)窺鏡一起使用，所述內(nèi)窺鏡如從PENTAX醫(yī)療公司(Montvale，NJ)以及Olumpus外科和工業(yè)美國有限公司(Orangeburg，NY)獲得的內(nèi)窺鏡。
輔助導管630可以配置為允許用戶延伸和收縮軟導管615中光子晶體光纖的輸出端。例如，參考圖7B，在一些實施例中，內(nèi)窺鏡610的輔助導管630可以包括兩個部分631和632，這兩個部分相對于彼此是可移動的。部分632連到內(nèi)窺鏡主體616上，而部分631套接(telescope)部分632。部分632包括連接器636，該連接器與連到光纖120的光纖連接器638相連。連接器636和光纖連接器638的配套機構可以允許快速和簡單地將光子晶體光纖從內(nèi)窺鏡上拆卸下來以及將光子晶體光纖連到內(nèi)窺鏡上。當連接時，連接器636和光纖連接器638基本上能防止光纖120扭轉，保持其在軟導管615中關于光纖軸的朝向。這些連接器能夠保持例如導管中的光纖與遠離導管的彎曲面而定位的光纖中的接縫的朝向。而且，當部分631相對于部分632延伸或收縮時，使光纖120的輸出端645相對于軟導管615的遠端618延伸或收縮。輔助導管630也包括鎖定機構634(例如，閂鎖或夾鉗)，該鎖定機構允許用戶相對于部分632來鎖定部分631。該鎖定機構防止光纖120在軟導管615中的不需要的運動，同時將輻射輸送給病人。
當激光系統(tǒng)100和600包括單一的用于將輻射從激光器110輸送到目標位置的一段光子晶體光纖時，也可以使用多段連接起來的光子晶體光纖。例如，參考圖7C，激光系統(tǒng)700包括兩段光子晶體光纖720和721而不是單段光子晶體光纖作為激光系統(tǒng)100和600。光子晶體光纖長度720和721由連接器730耦合在一起，該連接器連到內(nèi)窺鏡610的輔助導管630上。
激光系統(tǒng)700除了包括冷卻裝置170之外還包括第二冷卻裝置740，或者，激光系統(tǒng)700包括第二冷卻裝置740作為冷卻裝置170的可選擇方案。光子晶體光纖段720放置在鞘744中，鞘由輸送管742連接到第二冷卻裝置740。第二冷卻裝置740通過泵送冷卻流體通過鞘744來冷卻光子晶體光纖段720。
第二冷卻裝置740可以將泵送通過鞘744的冷卻流體再循環(huán)。例如，鞘744可以包括使該冷卻流體返回到第二冷卻裝置740的附加導管。配有第二冷卻系統(tǒng)的熱交換器可以在第二冷卻系統(tǒng)將流體泵送回到鞘744之前主動地冷卻排出的冷卻流體。
冷卻流體可以與通過冷卻裝置170泵送到光子晶體光纖的芯中的冷卻流體相同或不同。在一些實施例中，冷卻裝置170將氣體泵送通過光纖的芯，同時第二冷卻裝置740利用液體(例如，水)冷卻該光纖。
鞘744能夠執(zhí)行保護功能，保護光子晶體光纖長度720不受環(huán)境危害。在一些實施例中，鞘744包括相對剛性的材料(例如，使得鞘744比光子晶體光纖長度720的剛性更大)，同時降低光子晶體光纖長度720的撓曲。在一些實施例中，鞘744由相對剛性的材料形成，如鎳鈦合金(從Bethel，CT的Memry有限公司商業(yè)上可以獲得的)。
在一些實施例中，利用兩段光子晶體光纖能夠延長至少一段光纖的可用壽命。例如，由于通過冷卻裝置740和/或鞘744給予光纖段的額外冷卻和/或保護，因此光子晶體光纖段720通常比光纖段721更換的次數(shù)要少。在一些實施例中，光纖段721可以使用多次，而光纖段721在每次使用之后丟棄。
盡管激光系統(tǒng)700利用光子晶體光纖的兩個連接的段，但是更一般的是，也可以將與光子晶體波導不同的波導連接到一段光子晶體光纖，從而提供用于將輻射從激光器輸送到目標位置的輸送方式。例如，可以將一段中空金屬波導連接到一段光子晶體光纖從而對IR輻射提供輸送方式。
而且，一般來說，可以將其他導管與醫(yī)用激光系統(tǒng)中的光子晶體光纖捆在一起，從而例如在操作過程中向目標組織輸送東西、從目標組織中移開東西或者觀察目標組織。例如，如參考圖7A所討論的，可以將光子晶體光纖與其他光波導捆在一起，如用于照亮和/或利用成像系統(tǒng)將目標組織成像的成像電纜。在某些實施例中，激光系統(tǒng)可以通過將來自激光輻射的輻射輸送通過光子晶體光纖以及將來自第二源(例如，第二激光器)的輻射輸送通過另一個導管(例如，光纖)而將來自多于一個輻射源的輻射輸送給病人。舉例來說，參考圖8，在某些實施例中，系統(tǒng)800包括光纖波導830和光子晶體光纖810，一部分光纖波導與光子晶體光纖810捆扎在外殼850(例如撓性外殼，如撓性聚合物外殼)中。光子晶體光纖810與激光器820耦合，該激光器將波長λ1的輻射輸送通過光子晶體光纖810的芯812。光纖波導830與另一個輻射源840耦合，該輻射源將不同波長λ2的輻射輸送通過光纖波導830的芯832。光子晶體光纖810和光纖波導830分別將波長λ1和λ2的輻射(分別用附圖標記822和842來表示)輸送到公共位置。
光纖波導830可以是例如光纖或光子晶體光纖。輻射源840可以是激光器或其他光源(例如，燈泡或發(fā)光二極管)。舉例來說，在一些實施例中，輻射源840是發(fā)射可見光輻射(例如，λ2在從大約400nm到大約800nm的范圍內(nèi)，諸如633nm)的激光器，諸如氦氖激光器，光纖波導830是光纖。在輸送來自激光器820的激光輻射之前，從光纖830射出的可見光輻射允許操作者將光子晶體光纖的輸出端對準適當?shù)慕M織。在另一個例子中，另一個輻射源840是Nd:YAG激光器，其也能夠為了光凝固或光摘除的目的而將輻射輸送給病人。
外殼850可以具有足夠小的外徑以允許該外殼結合各種機頭一起使用。例如，外殼可以具有大約2mm或更小的外徑，允許外殼插入到內(nèi)窺鏡的標準尺寸的通道中。
在一些實施例中，光子晶體光纖可以與用于向目標位置處的碎屑輸送氣體(例如用于血液凝固的熱氣)或者用抽真空的方式打掃目標位置處的碎屑的管捆扎在一起，作為與光纖波導捆扎在一起的可選擇方案或者除了與光纖波導捆扎在一起之外的方案。
例如，參考圖9的系統(tǒng)900，光子晶體光纖910與用于在光纖輸出端將光子晶體光纖的芯912流出的流體(例如，冷卻流體)排出的管930捆扎在一起。圖9中所示的系統(tǒng)包括激光器920和流體源926，所述激光器和流體源將輻射和流體經(jīng)由耦合組件924輸送到光子晶體光纖的芯912。該系統(tǒng)還包括泵，該泵將從芯912流出的流體通過管930吸出以遠離病人。
光纖910的輸出端和管930的輸入端由蓋960連接在一起，所述蓋套在光纖和管的端部。蓋960包括窗962，所述窗由對從激光器920輸送的輻射的波長基本上透明的材料制成。蓋960將窗962設置在輻射922從芯912射出的路徑中，使得該系統(tǒng)將該輻射輸送給病人。但是，從芯912流出的流體通過排出口964流到管942中。與管930的相反端連接的泵940將流體942通過管進行泵吸，以使其遠離病人。
一部分管930和光子晶體光纖910一起捆扎在外殼950中，同時提供撓性管道，所述撓性管道穿過機頭(例如，包括內(nèi)窺鏡的機頭)中的通道。
系統(tǒng)900可用于不希望將流體(例如，冷卻流體)排出到暴露于輻射的組織的過程中。例如，在內(nèi)部輸送輻射的情況下，在排出的流體有毒的情況下，或者排出的流體在不希望的溫度(例如非常熱足以燒傷暴露的組織)的情況下，可以包括排出管和光子晶體光纖，從而防止組織暴露于流體中。
在一些情況下，醫(yī)用激光系統(tǒng)中的機頭可以用機器人來代替，該機器人能夠被遠程地操作。例如，在外科醫(yī)生不容易或快速到達病人的應用中(例如，戰(zhàn)場上的傷兵)正在考慮機器人執(zhí)行的外科手術。
由于光子晶體光纖用在醫(yī)療過程中，因此它們應該是可消毒的。例如，光子晶體光纖應該能夠承受住消毒過程，如高壓滅菌。通常，向用戶提供的多段光子晶體光纖是預消毒的并且密封在容器(例如真空密封在容器中，該容器具有足夠的防護性能以防止在存儲和運輸過程中對光纖段的污染)中。例如，可以提供密封(例如，真空密封)在塑料容器(例如，包括阻擋膜層)中的多段消毒的光子晶體光纖(例如，大約0.5米到大約2.5米的段)。
一般來說，上述激光系統(tǒng)可以用于大量不同的醫(yī)療應用中。通常，可以根據(jù)應用而連同其他系統(tǒng)參數(shù)一起選擇激光器的類型、波長、光纖長度、光纖外徑和光纖內(nèi)徑。醫(yī)療應用包括美容醫(yī)療術、外科醫(yī)療手術、眼科手術、獸醫(yī)手術，和牙科手術。
美容醫(yī)療術包括以下治療脫毛；用于緩解細小皺紋線、日光損害、年齡斑、雀斑、一些胎記、紅斑痤瘡、不規(guī)則的色素沉著、破碎的毛細管、良性的褐色素和色素沉著的脈沖光子嫩膚治療；換膚術；下肢靜脈；血管疾??；著色的損傷；痤瘡；牛皮癬和白癲風；和/或化妝品色素再生。
外科手術包括用于婦科學、腹腔鏡檢查、濕疣和外生殖器的損傷，和/或粘膜白斑病的手術。外科應用還可以包括耳/鼻/喉(ENT)手術，如激光輔助懸雍垂腭咽成形術(LAUP)(即，停止打鼾)；消除鼻塞的手術；鐙骨足板造孔術；氣管支氣管內(nèi)窺鏡檢查；扁桃體摘除術；和/或良性喉部損傷的移除。外科應用還包括胸部活組織切片檢查、轉移性疾病的細胞減滅術(cytoreduction)、褥瘡或淤滯潰瘍(statis ulcers)的治療、痔切除術、腹腔鏡檢查外科、乳房切除術，和/或乳房縮小成形術。外科手術還可以包括在足病學領域中的手術，如神經(jīng)瘤、甲周疣、甲下疣和足底疣的治療、堵塞汗孔(porokeratoma)摘除術，和/或根治性指甲切除手術?？梢允褂眉す馄鞯钠渌饪祁I域包括整形外科、泌尿學、胃腸病學和胸部和肺部外科學。
眼科用途包括對青光眼、與年齡相關的黃斑變性(AMD)、類風濕性糖尿病視網(wǎng)膜病變、早產(chǎn)兒視網(wǎng)膜病變、視網(wǎng)膜裂孔和剝離、視網(wǎng)膜靜脈阻塞的治療，和/或用于緩解或消除屈光不正的屈光外科治療。
獸醫(yī)用途包括對小動物和大動物的手術。
牙科應用的例子包括硬組織、軟組織和牙髓學手術。硬組織牙科手術包括去齲和備洞和激光刻蝕。軟組織牙科手術包括切開、切除和汽化、露齦笑的治療、凝固(止血)、未長出的牙齒的暴露、口瘡性潰瘍、牙齦整形術、牙齦切除術、牙冠印模的牙齦成槽、植入物暴露、系帶切斷術、翻瓣術、纖維瘤切除、齦蓋切除術(operculectomy)、膿腫的切開和導出、口腔乳頭切除術(oral papilectomy)、牙齦肥大的復位、修復前外科手術、冠周炎、植體周圍炎、口腔損傷和牙齦溝清創(chuàng)術(sulcular debridement)。牙髓學手術包括牙髓切斷術、牙根管清創(chuàng)術和清理。牙科手術也包括牙齒的美白。
通常，根據(jù)應用連同其他系統(tǒng)參數(shù)一起選擇激光器的類型、波長、光纖長度、光纖外徑和光纖內(nèi)徑。例如激光器是CO2激光器的實施例，激光系統(tǒng)可用于需要摘除、汽化、切除、切開和凝固軟組織的外科手術。CO2激光系統(tǒng)可應用于包括專業(yè)美容(例如皮膚病學和/或整形外科)、足病學、耳鼻喉學(例如ENT)、婦科學(包括腹腔鏡檢查)、神經(jīng)外科、整形外科學(例如，軟組織整形外科學)、關節(jié)鏡檢查(例如，膝蓋關節(jié)鏡檢查)、普通和胸外科學(包括開放外科手術和內(nèi)窺鏡外科手術)、牙科和口腔外科、眼科學、泌尿生殖器外科和獸醫(yī)外科在內(nèi)的多種醫(yī)學專業(yè)中的外科應用。
在一些實施例中，CO2激光系統(tǒng)在皮膚病學和/或整形外科中執(zhí)行激光換膚術、激光皮膚磨削術和/或激光燒傷清創(chuàng)術時可用于對組織(例如，軟組織)進行摘除、汽化、切除、切開和/或凝固。例如在皺紋、細紋和/或溝紋(包括細線和肌理不規(guī)則)的治療中進行激光嫩膚術(例如通過摘除和/或蒸發(fā))?？梢詾榫徑?、除去和/或治療以下癥狀而進行激光嫩膚術角質(zhì)化物(包括光化性角化病)、Seborrhoecae Vulgares、脂溢性疣(seborrheic wart)，和/或疣皮脂溢(verruca seborrheica)；嘴唇的朱紅切除術(vermillionectomy)；皮角；日光/光化性角化??；唇炎(包括光化性唇炎)；痣(包括惡性雀斑樣痣或Hutchinson惡性雀斑)；不均勻的色素沉著/皮服變色；痤瘡疤痕；外科疤痕；瘢痕疙瘩(包括頸背痤瘡瘢痕(acne keloidlis nuchae))；血管瘤(包括頰部的，葡萄酒樣的和/或化膿性肉芽腫(pyogenic granulomas)/化膿性肉芽腫(granulomapyogenicum)/肉芽腫telagiectaticum)；紋身；毛細管擴張；皮膚瘤(包括甲周纖維瘤和/或甲下纖維瘤)的移除；表層色素病變(superficialpigmented lesions)；腺脂肪性肥大(adenosebaceous hypertrophy)和/或脂肪增生；肥大性酒渣鼻的緩解；皮垂；粟粒疹；濕疹性和/或感染皮膚的清創(chuàng)；基底和鱗片細胞癌(basal and squamous cel carcinoma)(包括角化棘皮瘤，Bowen病，和/或Bowenoid丘疹病損傷)；痣(包括蛛狀的，皮樣的，和/或突出的)；纖維神經(jīng)瘤；激光器去黏膜(laserde-epithelialization)；毛發(fā)上皮瘤；瞼黃斑瘤；和/或汗管瘤。CO2激光系統(tǒng)可以用于激光摘除，完整和/或部分指甲基質(zhì)切除術的汽化和/或切除，皮膚損傷的汽化和/或凝固(例如，良性的和/或惡性的，有血管的和/或無血管的)，和/或Moh外科，脂肪切除術。實例還包括將激光系統(tǒng)1300用于執(zhí)行上和/或下眼瞼的眼瞼整容術中的軟組織的激光切開和/或切除，和/或用于建立毛發(fā)移植的受皮區(qū)。
在特定實施例中，在進行以下用于緩解、移除、和/或治療的足病學手術過程中尋常疣/足底疣(包括甲溝炎性疣、甲周疣和甲下疣)；堵塞汗孔摘除術；向內(nèi)生長指甲的治療；神經(jīng)瘤/纖維瘤(包括Moron神經(jīng)瘤)；潰瘍的清創(chuàng)術；和/或其他軟組織損傷，CO2激光系統(tǒng)用于軟組織的激光摘除、汽化、和/或切除。CO2激光系統(tǒng)還在完整和/或部分基質(zhì)切除術的足病學中用于激光摘除、汽化、和/或切除。
CO2激光系統(tǒng)在用于治療以下疾病的耳鼻喉學中用于軟組織的激光切開、切除、摘除、和/或汽化，所述疾病包括鼻后孔閉鎖；黏膜白斑病(包括口、喉、懸雍垂、腭、上橫咽組織(upper lateralpharyngeal))；鼻塞；成人和/或青少年乳頭狀瘤病息肉；鼻和/或鼻孔息肉切除術；淋巴管瘤的移除；聲帶/聲襞小結、息肉和囊腫的移除；口腔、鼻腔、喉、咽和氣管(包括懸雍垂、腭、上橫咽組織、舌頭和聲帶)中的復發(fā)性乳頭狀瘤的移除；喉、咽、鼻、耳和口部結構和組織的激光/腫瘤外科；Zenker憩室/咽食管(pharynoesophageal)憩室(例如，食管憩室吻合術(esophagodiverticulostomy))；狹窄(包括聲門下狹窄)；扁桃體切除術(包括扁桃體的隱性減退(tonsillar crytolysis)，贅生性腫瘤)和扁桃體摘除術/扁桃體切開術；肺支氣管和氣管損傷的移除；良性和惡性小結、腫瘤和纖維瘤(如喉的、咽的、氣管的、氣管支氣管的/支氣管內(nèi)的)；良性和/或惡性損傷和/或纖維瘤(例如，鼻的或鼻孔的)；良性和/或惡性腫瘤和/或纖維瘤(例如，口的)；鐙骨足板造孔術/鐙骨切除術；耳內(nèi)聽神經(jīng)瘤；耳部的表層損傷(包括慢性螺旋結節(jié)性軟骨皮炎(chondrodermatitis nondularis chronica helices)/Winkler病)；喉、咽、和/或氣管(包括懸雍垂、腭、和/或上橫咽組織)的毛細管擴張/血管瘤；索帶切除術；聲帶切開術(例如，用于聲帶麻痹/聲襞運動損害)，和/或喉、咽、和/或氣管的帶損傷；鼓膜切開術/鼓膜造孔術(例如，鼓膜開窗術)；懸雍垂腭咽成形術(例如，LAUP)；鼻甲切除術和/或鼻甲骨復位/摘除；鼻中隔棘(septal spur)的摘除/復位和/或鼻中隔成形術；部分舌截除術；口部、面下和/或頸部組織上的腫瘤切除術；肥大性酒渣鼻；尋常疣；和/或牙齦整形術/牙齦切除術。
在一些實施例中，在用于治療以下疾病的婦科醫(yī)學中CO2激光系統(tǒng)用于對軟組織進行激光切開、切除、摘除、和/或汽化，所述疾病包括子宮頸的錐形切除術(包括子宮頸上皮內(nèi)的新生物，外陰和/或陰道上皮內(nèi)的新生物)；尖銳濕疣(包括子宮頸、生殖器、外陰、會陰(preineal)、和/或Bowen病、和/或Bowenoid丘疹病損傷)；黏膜白斑病(例如外陰營養(yǎng)不良)；前庭大腺囊腫和/或納博特囊腫(nubuthiancysts)；皰疹的汽化；尿道肉阜的汽化；子宮頸非典型增生；良性和/或惡性腫瘤；和/或血管瘤。
CO2激光系統(tǒng)在用于治療以下疾病的包括婦科學腹腔鏡的內(nèi)窺鏡和/或腹腔鏡外科中用于對軟組織進行汽化、切開、切除、摘除和/或凝固，所述疾病包括子宮內(nèi)膜損傷(包括子宮內(nèi)膜異位摘除術)；粘連的切除/減退；輸卵管復通術；卵巢摘除術/卵巢切除術；輸卵管整復術(fimbroplasty)；子宮成形術；輸卵管顯微外科；子宮肌瘤和/或纖維瘤；卵巢纖維瘤和/或濾泡性囊腫；子宮骶韌帶的摘除；和/或子宮切除術。
在特定的實施例中，CO2激光系統(tǒng)在用于治療以下顱部疾病的神經(jīng)外科中用于對軟組織進行激光切開、切除、摘除和/或汽化，所述疾病包括后顱窩腫瘤；周圍神經(jīng)切斷；良性和/或惡性腫瘤和/或囊腫(例如，神經(jīng)膠質(zhì)瘤、腦脊膜瘤、聽神經(jīng)瘤、脂肪瘤、和/或大腫瘤)；動靜脈畸形；和/或腦下垂體瘤。在一些實施例中，CO2激光系統(tǒng)在用于治療脊髓疾病的神經(jīng)外科中用于對軟組織進行激光切開、切除、摘除和/或汽化，包括對良性和/或惡性腫瘤和/或囊腫；硬膜內(nèi)和/或硬膜外損傷；和/或椎板切除術/椎板切開術/顯微切除(microdisectomy)。
CO2激光系統(tǒng)用于在包括關節(jié)內(nèi)窺鏡外科和/或普通外科的整形外科的應用中，對軟組織進行切開、切除、和/或汽化。內(nèi)窺鏡應用包括半月板切除術；關節(jié)軟骨病；軟骨成形術；韌帶的放松(ligamentrelease)(例如，外側韌帶的放松)；皺襞的切除；和/或部分滑膜切除術。普通外科應用包括創(chuàng)傷的清創(chuàng)；褥瘡和/或糖尿病性潰瘍的清創(chuàng)；顯微外科；人工關節(jié)修正；和/或聚合體(例如，聚甲基丙烯酸酯)的移除。
CO2激光系統(tǒng)還用于在包括內(nèi)窺鏡和/或開放式治療過程的普通和/或胸外科中，對軟組織進行切開、切除、和/或汽化。這樣的應用包括褥瘡性潰瘍、淤滯(stasis)、糖尿病性和其他潰瘍的清創(chuàng)；乳房切除術；燒傷的清創(chuàng)；直腸和/或肛門的痔切除術；乳房活組織切片檢查；乳房縮小成形術；轉移性疾病的細胞減滅術；剖腹手術和/或腹腔鏡應用；縱隔和/或胸損傷和/或畸形；皮垂汽化；動脈粥樣化；囊腫(包括脂肪性囊腫，毛發(fā)囊腫，和/或嘴唇的粘液囊腫)；潛毛性囊腫的移除和/或修復；膿腫；和/或其他軟組織應用。
在特定的實施例中，CO2激光系統(tǒng)在牙科和/或口部外科中用于對軟組織進行切開、切除、和/或汽化，包括用于齦切除術；牙齦整形術；切開性/切除性活組織切片檢查；潰瘍性損傷(包括口瘡性潰瘍)的治療；使用抗生素療法時的感染的切開；系帶切斷術；良性和/或惡性損傷的切除和/或摘除；內(nèi)環(huán)境平衡；齦蓋切除術；牙冠拉伸；軟組織、囊腫、和/或腫瘤的移除；口腔腫瘤和/或血管瘤；膿腫；抽血點止血；唾液腺病理；修復前齦準備；黏膜白斑??；部分舌截除術；和/或牙周齦切除術。
在一些實施例中，CO2激光系統(tǒng)在泌尿生殖器治療過程中用于對軟組織進行切開、切除、和/或汽化，包括用于外生殖器的良性和/或惡性損傷；濕疣；包皮過長；和/或增殖性紅斑。
實施例利用在10.6微米處工作的CO2激光系統(tǒng)進行從狗的身上切除喉的多個部分的外科手術。在該過程中使用的光子晶體纖維具有直徑近似為550微米的中空芯。該光纖具有螺旋形限制區(qū)域，該限制區(qū)域包括近似20個PES/As2Se3雙層的徑向剖面。該雙層的厚度近似為3微米，厚度比例近似為2比1(PES比As2Se3)。光纖的包層由PES形成，光纖的OD近似為1500微米。光纖為1.5米長。
進行完整的整體聲門喉切除術，其包括索帶切除術。利用具有半剛性機頭的光子晶體光纖來輸送激光輻射。將機頭插入并使其通過剛性喉鏡。輸入到光纖中的功率近似為20瓦。從光纖輸出的輻射功率近似為7瓦。沿著與輻射相同的方向吹送氮并使其通過該光纖。氮的流速近似為1升/分。
將輻射輸送給目標組織，同時在光纖的遠端和目標組織之間的間距是幾毫米(例如大約5mm-1cm)。僅僅一個用于燒灼任何切開的血管或者將任何血液吸出使其遠離目標區(qū)的停頓就可將聲門(supraglottis)切除。從切開的血管中流出的血由于暴露在光纖的外面而發(fā)生凝結，因此觀察到的出血最小。該過程持續(xù)大約45分鐘，在該過程中從狗的身上切除聲門(supraglottis)和左索帶。
附加實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明的多個實施例。然而，應該理解可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進行各種修改。因此，其他實施例在下面的權利要求的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種系統(tǒng)，其包括光子晶體光纖，該光子晶體光纖包括沿波導軸延伸的芯和圍繞該芯的介電限制區(qū)域，該介電限制區(qū)域配置為將輻射沿著該波導軸從光子晶體光纖的輸入端引導到輸出端；以及機頭，其連到該光子晶體光纖，其中該機頭使得操作者控制該輸出端的朝向，從而將該輻射指引到病人的目標位置。
2.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該機頭包括內(nèi)窺鏡。
3.根據(jù)權利要求2的系統(tǒng)，其中該內(nèi)窺鏡包括軟導管，一部分該光子晶體光纖穿過該軟導管中的通道。
4.根據(jù)權利要求3的系統(tǒng)，其中該內(nèi)窺鏡包括機械地耦合到該軟導管的致動器，其配置為使一部分軟導管彎曲由此使得該操作者改變該輸出端的朝向。
5.根據(jù)權利要求4的系統(tǒng)，其中該致動器配置為使一部分該軟導管彎曲，從而使該軟導管的彎曲部分具有約12厘米或更小的曲率半徑。
6.根據(jù)權利要求4的系統(tǒng)，其中該致動器配置為使該軟導管在彎曲面內(nèi)彎曲。
7.根據(jù)權利要求6的系統(tǒng)，其中該機頭連到該光子晶體光纖上以保持該介電限制區(qū)域的朝向從而控制該光子晶體光纖關于在該軟導管中的其波導軸的朝向。
8.根據(jù)權利要求7的系統(tǒng)，其中該機頭和該光子晶體光纖之間的連接在保養(yǎng)操作時防止該光纖扭轉大于約10度。
9.根據(jù)權利要求3的系統(tǒng)，其中該內(nèi)窺鏡還包括輔助導管，該輔助導管包括與該軟導管耦合的第一部分，其中將該光子晶體光纖通過該輔助導管中的通道穿入到該軟導管的通道中，該輔助導管還包括可相對于該第一部分移動的第二部分，其中該光子晶體光纖連到該第二部分并且移動該第二部分使得操作者使該輸出端相對于該軟導管的一端延伸或收縮。
10.根據(jù)權利要求9的系統(tǒng)，其中該第二部分可以相對于該第一部分延伸或收縮。
11.根據(jù)權利要求9的系統(tǒng)，其中該輔助導管是剛性導管。
12.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該機頭包括導管，一部分該光子晶體光纖穿過該導管。
13.根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中該導管包括彎曲部分。
14.根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中該導管由可變形材料形成。
15.根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中該機頭包括機械耦合到該導管的致動器，其配置為使一部分該導管彎曲，由此使得該操作者改變該輸出端的朝向。
16.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該機頭包括延伸超過該輸出端的尖端，其提供在該輸出端和該目標位置之間約1毫米或更大的最小相隔間距。
17.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該光子晶體光纖具有足夠的撓性，從而在使一部分該光子晶體光纖彎曲成大約90度或更大的角度并且該部分具有大約12厘米或更小的曲率半徑時，將輻射引導到該目標位置。
18.根據(jù)權利要求17的系統(tǒng)，其中在使該部分光子晶體光纖彎曲成大約90度或更大的角度并且該部分具有大約12厘米或更小的曲率半徑時，該輻射具有在該輸出端的大約1瓦或更高的平均功率。
19.根據(jù)權利要求17的系統(tǒng)，其中在使該部分光子晶體光纖彎曲成大約90度或更大的角度并且該部分具有大約12厘米或更小的曲率半徑時，該輻射具有在輸出端的大約5瓦或更高的平均功率。
20.根據(jù)權利要求17的系統(tǒng)，其中該光子晶體光纖具有足夠的撓性從而在使一部分該光子晶體光纖彎曲成大約90度或更大的角度并且該部分具有大約10厘米或更小的曲率半徑時，將輻射引導到該目標位置。
21.根據(jù)權利要求20的系統(tǒng)，其中該光子晶體光纖具有足夠的撓性從而在使一部分該光子晶體光纖彎曲成大約90度或更大的角度并且該部分具有大約5厘米或更小的曲率半徑時，將輻射引導到該目標位置。
22.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該介電限制區(qū)域包括一層繞該波導軸螺旋形排列的第一介電材料。
23.根據(jù)權利要求22的系統(tǒng)，其中該介電限制區(qū)域還包括一層繞該波導軸螺旋形排列的第二介電材料，該第二介電材料具有與該第一介電材料不同的折射率。
24.根據(jù)權利要求23的系統(tǒng)，其中該第一介電材料是玻璃。
25.根據(jù)權利要求24的系統(tǒng)，其中該玻璃是硫屬玻璃。
26.根據(jù)權利要求25的系統(tǒng)，其中該第二介電材料是聚合物。
27.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該介電限制區(qū)域包括至少一層硫屬玻璃。
28.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該介電限制區(qū)域包括至少一層聚合材料。
29.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該介電限制區(qū)域包括至少一層沿該波導軸延伸的第一介電材料，和至少一層沿該波導軸延伸的第二介電材料，其中該第一和第二介電材料可以與第一介電材料被共同拉制。
30.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該芯是中空芯。
31.根據(jù)權利要求30的系統(tǒng)，還包括與該輸入端或輸出端耦合的流體源，其中在操作過程中，該流體源通過該芯而供應流體。
32.根據(jù)權利要求31的系統(tǒng)，其中該流體是氣體。
33.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中芯具有大約1000微米或更小的直徑。
34.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該芯具有大約500微米或更小的直徑。
35.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中該光子晶體光纖在該輸出端具有大約2000微米或更小的外徑。
36.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，還包括光波導和連接器，該連接器將該光波導連到該光子晶體光纖上。
37.根據(jù)權利要求36的系統(tǒng)，其中該光波導是第二光子晶體光纖。
38.根據(jù)權利要求36的系統(tǒng)，還包括圍繞該光波導的導管。
39.根據(jù)權利要求38的系統(tǒng)，其中該導管比該光波導具有更大的剛性。
40.根據(jù)權利要求38的系統(tǒng)，還包括與該導管耦合的流體源，其中在操作過程中，該流體源向該導管供應流體。
41.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，還包括激光器，其產(chǎn)生輻射并朝該光子晶體光纖的輸入端引導該輻射。
42.根據(jù)權利要求41的系統(tǒng)，其中該激光器是CO2激光器。
43.根據(jù)權利要求41的系統(tǒng)，其中該輻射具有大約2微米或更長的波長。
44.根據(jù)權利要求41的系統(tǒng)，其中該輻射具有大約10.6微米的波長。
45.根據(jù)權利要求41的系統(tǒng)，還包括輔助輻射源和機械耦合到該光子晶體光纖的至少一個附加光纖，該附加波導配置為將輔助輻射從該輔助輻射源輸送到該目標位置。
46.根據(jù)權利要求45的系統(tǒng)，其中該附加光纖由該機頭機械地耦合到該光子晶體光纖。
47.根據(jù)權利要求45的系統(tǒng)，其中該輔助輻射源是第二激光器，其不同于為了將該輻射引導到該光子晶體光纖的輸入端而設置的激光器。
48.根據(jù)權利要求47的系統(tǒng)，其中該第二激光器是Yd:YAG激光器、二極管激光器，或脈沖染料激光器。
49.根據(jù)權利要求42的系統(tǒng)，其中該輔助輻射具有在電磁波譜的可見光部分中的波長。
50.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中將至少一部分該光子晶體消毒。
51.一種物品，其包括一段光子晶體光纖，該光子晶體光纖包括沿波導軸延伸的芯和圍繞該芯的介電限制區(qū)域，該介電限制區(qū)域配置為將輻射沿著該波導軸從該光子晶體光纖的輸入端引導到輸出端，其中將該光子晶體光纖的一段消毒。
52.根據(jù)權利要求51的物品，還包括密封的封裝，其包含該光子晶體光纖的一段。
53.一種方法，其包括將輻射引導到光子晶體光纖的輸入端中；以及利用連到該光子晶體光纖的機頭來控制該光子晶體光纖輸出端的朝向，且朝病人的目標位置引導從該輸出端發(fā)出的輻射。
54.一種方法，其包括將輻射通過光子晶體光纖引導到病人的目標位置，該光子晶體光纖具有中空芯；以及使流體通過該中空芯流到該病人的目標位置。
55.根據(jù)權利要求54的方法，其中該輻射具有足夠的功率來切開、切除或摘除在該目標位置處的組織。
56.根據(jù)權利要求55的方法，其中該流體具有足夠的壓力和溫度來使該目標位置處的血液凝結。
57.根據(jù)權利要求54的方法，還包括在將該輻射和該流體引導到該目標位置時使該光子晶體光纖彎曲。
58.根據(jù)權利要求57的方法，其中使該光纖彎曲包括使一部分該光纖彎曲大約45度或更多從而具有大約12厘米或更小的曲率半徑。
59.根據(jù)權利要求54的方法，其中將該輻射和該流體引導到該目標位置包括保持連到該光子晶體光纖的一部分機頭，并利用該機頭控制該輸出端的朝向。
60.根據(jù)權利要求54的方法，其中該流體是氣體。
61.根據(jù)權利要求60的方法，其中該氣體在該輸出端具有大約0.5PSI或更大的壓力。
62.根據(jù)權利要求60的方法，其中該氣體在該輸出端具有大約1.0PSI或更大的壓力。
63.根據(jù)權利要求60的方法，其中該氣體在該目標位置處具有大約50℃或更高的溫度。
64.根據(jù)權利要求60的方法，其中該氣體在該目標位置處具有大約80℃或更高的溫度。
65.根據(jù)權利要求60的方法，其中該氣體是空氣。
66.根據(jù)權利要求60的方法，其中該氣體包括二氧化碳、氧、氮、氦、氖、氬、氪或氙。
67.根據(jù)權利要求66的方法，其中該氣體包括大約98％或更高的單一組分氣體。
68.根據(jù)權利要求60的方法，其中該氣體是氣體混合物。
69.根據(jù)權利要求54的方法，其中該流體以大約1升/分或更大的速度流到該中空芯中。
70.根據(jù)權利要求54的方法，其中該流體以大約2升/分或更大的速度流到該中空芯中。
71.根據(jù)權利要求54的方法，其中該流體以大約8升/分或更大的速度流到該中空芯中。
72.根據(jù)權利要求54的方法，其中該輻射具有大約2微米或更長的波長。
73.根據(jù)權利要求54的方法，其中該輻射具有大約10.6微米的波長。
74.根據(jù)權利要求54的方法，其中該輻射在該目標位置處具有大約1瓦或更高的平均功率。
75.一種裝置，其包括光子晶體光纖，該光子晶體光纖包括沿波導軸延伸的芯和圍繞該芯的介電限制區(qū)域，該介電限制區(qū)域配置為將輻射沿波導軸從該光子晶體光纖的輸入端引導到輸出端；以及套，其耦合到該光子晶體光纖的輸出端從而使得輻射穿過該套并通過第一開口從該套射出，該套還包括一個或多個第二開口，所述第二開口設置為使流入到該套中的氣體通過該第二開口離開該套。
76.根據(jù)權利要求75的裝置，其中流入到該套中的氣體除了通過該第二開口之外還通過該第一開口離開該套。
77.根據(jù)權利要求75的裝置，還包括設置在該第一開口和第二開口之間的透明元件，其在輻射穿過該套時基本上透射該輻射。
78.根據(jù)權利要求77的裝置，其中該透明元件基本上防止氣體通過該第一開口離開該套。
79.根據(jù)權利要求77的裝置，其中該透明元件包括ZnSe。
80.根據(jù)權利要求75的裝置，還包括相對于該第二開口設置的導管，從而使得通過該第二開口離開該套的氣體被吸入到導管的輸入端中。
81.根據(jù)權利要求75的裝置，其中該第二開口設置在該第一開口附近。
82.根據(jù)權利要求75的裝置，其中該第一開口的直徑小于該光子晶體光纖在輸出端的外徑。
83.根據(jù)權利要求75的裝置，還包括連到該套上的聚焦元件，從而聚焦穿過該套的輻射。
84.根據(jù)權利要求75的裝置，還包括連到套上的反射元件從而反射穿過該套的輻射。
85.一種裝置，其包括包括輻射輸入口和輸出口的組件，所述輻射輸入口配置為接收來自輻射源的輻射，所述輸出口配置為將該輻射與光子晶體光纖耦合，該組件還包括延遲元件，該延遲元件設置為在從該輻射源接收的輻射耦合到該光子晶體光纖之前改變該輻射的偏振態(tài)。
86.根據(jù)權利要求85的裝置，其中該組件還包括配置為從氣體源接收氣體的氣體輸入口。
87.根據(jù)權利要求86的裝置，其中該光子晶體光纖具有中空芯。
88.根據(jù)權利要求87的裝置，其中該輸出口進一步配置為將從該氣體源接收的氣體耦合到該光子晶體光纖的中空芯中。
89.根據(jù)權利要求85的裝置，其中該延遲元件是反射延遲元件。
90.根據(jù)權利要求85的裝置，還包括輻射源，其中來自該輻射源的輻射包括具有波長λ的輻射。
91.根據(jù)權利要求90的裝置，其中該反射延遲元件包括反射鏡以及置于該反射鏡的表面上的光學厚度為大約λ或更小的延遲層。
92.根據(jù)權利要求91的裝置，其中該延遲層具有沿著相對于該反射鏡表面的法線成大約45°方向上的大約λ/4的光學厚度。
93.根據(jù)權利要求90的裝置，其中λ是大約2微米或更大。
94.根據(jù)權利要求90的裝置，其中λ是大約10.6微米。
95.根據(jù)權利要求85的裝置，其中該延遲元件是透射延遲元件。
96.根據(jù)權利要求85的裝置，其中該延遲元件將輻射的偏振態(tài)從基本上線性的偏振態(tài)變?yōu)榛旧戏蔷€性的偏振態(tài)。
97.根據(jù)權利要求96的裝置，其中該基本上非線性的偏振態(tài)是基本上圓偏振態(tài)。
98.根據(jù)權利要求85的裝置，其中該組件還包括聚焦元件，該聚焦元件配置為將在該輻射輸入口射入該組件的輻射聚焦為在該輸出口附近的收斂部分。
99.根據(jù)權利要求98的裝置，其中該聚焦元件將該輻射聚焦為直徑是大約1000微米或更小的收斂部分。
100.根據(jù)權利要求98的裝置，其中該聚焦元件將該輻射聚焦為直徑是大約500微米或更小的收斂部分。
101.根據(jù)權利要求98的裝置，其中該聚焦元件是透鏡。
102.根據(jù)權利要求101的裝置，其中該透鏡包括ZnSe。
103.根據(jù)權利要求86的裝置，還包括該氣體源。
104.根據(jù)權利要求85的裝置，還包括該光子晶體光纖。
105.一種方法，其包括改變從激光器發(fā)射的輻射的偏振態(tài)；將具有已經(jīng)改變偏振態(tài)的輻射引導到具有中空芯的光子晶體光纖的輸入端；以及將來自氣體源的氣體耦合到該中空芯的輸入端中。
全文摘要
一般來說，在一個方面，本發(fā)明的特征在于一種系統(tǒng)，其包括光子晶體光纖(120)，該光子晶體光纖包括沿波導軸延伸的芯(210)和圍繞該芯的介電限制區(qū)域(220)，該介電限制區(qū)域(220)配置為將輻射沿著波導軸從輸入端引導到光子晶體光纖(120)的輸出端。該系統(tǒng)還包括機頭(680)，其連到該光子晶體光纖(120)上，其中該機頭允許操作者控制輸出端的朝向，從而將該輻射指引到病人的目標位置。
文檔編號G02B6/06GK1977194SQ200580018948
公開日2007年6月6日 申請日期2005年4月8日 優(yōu)先權日2004年4月8日
發(fā)明者布拉克·泰梅爾庫蘭, 哈拉蘭博斯·阿納斯塔索, 戴維·托里斯, 吉爾·沙皮拉, 馬克斯·舒爾加林, 格雷戈爾·德萊曼, 奧里·韋斯伯格, 史蒂文·A·雅各布斯, 王泰然, 尤里·科洛德內(nèi), 杰西·臘斯科, 羅伯特·佩恩, 約爾·芬克, 格克汗·烏盧 申請人:全波導公司