構(gòu)區(qū)26’是具有多個(gè)空穴32的環(huán)形環(huán)。在此實(shí)施方式中，區(qū)域26’的寬度可小至1-2μπι，并且可具有負(fù)的平均相對(duì)折射率Δ2。包覆體40包圍納米結(jié)構(gòu)區(qū)26’。包覆體40的(徑向)寬度可小至I微米，并且包覆體的相對(duì)折射率可以是負(fù)的、正的或0% (相對(duì)于純二氧化硅)。圖3Α和3Β中的實(shí)施例之間的主要差異在于:圖3Α所示的納米結(jié)構(gòu)區(qū)域位于光漫射纖維12的芯體20中，在圖3Β中其位于芯體/包覆體界面處。折射率降低環(huán)狀部分26，從芯體的相對(duì)折射率最先達(dá)到小于-0.05 %的值處開始，沿徑向從中心線向外延伸。在圖3Β所示的實(shí)施方式中，包覆體40具有相對(duì)折射率分布△ 3(r)，其最大絕對(duì)值小于0.1%；并且在該實(shí)施方式中，Δ 3駄〈0.05 %且Δ撮^>-0.05%,折射率降低環(huán)狀部分26終止于填充了空穴的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的最外面的空穴處。
[0082]在圖3Β所示的實(shí)施方式中，芯體20的折射率大于環(huán)區(qū)26’的折射率112，而包覆體40的折射率m也大于折射率m。
[0083]圖3C顯示了已經(jīng)制成的光纖12的一個(gè)實(shí)施方式的芯體20。此光纖具有外半徑Rl約為33.4微米的第一芯體區(qū)域22、外半徑R2 = 42.8微米的納米結(jié)構(gòu)區(qū)26、外半徑R3 = 62.5微米的第三芯體區(qū)域28和外半徑R4(未示出)為82.5微米的聚合物包覆體40。在此實(shí)施方式中，芯體材料是純二氧化硅(未摻雜的二氧化硅)，用于包覆體的材料是低折射率聚合物(例如，折射率為1.413的可UV固化的硅樹脂，可以商品名Q3-6696購(gòu)自密歇根州米德蘭市的道康寧公司(Dow_Corning，Midland，Michigan))，該聚合物與玻璃芯體一起使光纖的NA為
0.3。相比于標(biāo)準(zhǔn)單模透射光纖，例如SMF-28eR光纖，光纖12對(duì)波長(zhǎng)具有較平坦(弱)的依賴性，見圖4B。在標(biāo)準(zhǔn)單模(例如SMF-28eR)或多模光纖中，在小于1300nm的波長(zhǎng)處的損耗主要取決于瑞利散射。這些瑞利(Ray Ieigh)散射損耗由材料的性質(zhì)決定，對(duì)可見光波長(zhǎng)(400-700nm)通常約為20dB/km。瑞利散射損耗對(duì)波長(zhǎng)的依賴性與—p成正比4約為4。在的400]1111-1lOOnm波長(zhǎng)范圍中至少80% (例如大于90% )的部分，包含至少一個(gè)納米結(jié)構(gòu)化區(qū)域的纖維中的波長(zhǎng)依賴性散射損耗的指數(shù)小于2，優(yōu)選地小于I。400-1 10nm的平均光譜衰減在以40g的拉力拉制光纖時(shí)約為0.4dB/m;在以90g的拉力拉制光纖12時(shí)約為0.1dB/m。在此實(shí)施方式中，納米尺寸結(jié)構(gòu)包含SO2氣體。申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)環(huán)中填充SO2的空穴極大地有助于散射。此外，當(dāng)將SO2氣體用來(lái)形成納米結(jié)構(gòu)時(shí)，已發(fā)現(xiàn)這種氣體運(yùn)行獲得熱學(xué)可逆的損耗，SP低于600°C時(shí)納米結(jié)構(gòu)的纖維散射光但大于600°C時(shí)相同的纖維將引導(dǎo)光。SO2帶來(lái)的這種獨(dú)特的性質(zhì)也是可逆的，因?yàn)樵趯⑾嗤睦w維冷卻到低于600°C時(shí)，纖維12將用作光漫射纖維并將再次產(chǎn)生可觀察的散射效應(yīng)。
[0084]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過在拉制工藝中控制光纖拉力；或者通過選擇合適的拉制拉力(例如在30-100g之間，或者在40-90g之間)，控制沿著光纖長(zhǎng)度的照明均勻性，從而使得最小散射照明強(qiáng)度不小于最大散射照明強(qiáng)度的0.7倍。
[0085]因此，根據(jù)一些實(shí)施方式，一種制備光散射纖維的方法，所述方法包括下述步驟:通過在拉制過程中控制光纖拉力的步驟來(lái)控制沿著光纖的照明均勻性，其中最小散射照明強(qiáng)度不小于最大散射照明強(qiáng)度的0.7倍。
[0086]光漫射纖維12中存在納米尺寸的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致因光學(xué)散射造成的損耗，且穿過纖維的外部表面的光散射可用于照明目的。圖4A是圖3C的光纖(具有填充了 SO2氣體的空穴的光纖)的衰減(損耗)(dB/m)與波長(zhǎng)(nm)的曲線圖。圖4A顯示⑴光漫射纖維12在可見光波長(zhǎng)范圍中可獲得非常大的散射損耗(并因此可提供高照明強(qiáng)度)。相比于常規(guī)125μπι漸變折射率芯體多模比較光纖A(光纖A是沒有納米結(jié)構(gòu)區(qū)的階梯式折射率多模光纖，在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的瑞利散射損耗約為0.02dB/km，或者在500nm波長(zhǎng)處約為20dB/km，且具有I/4的較強(qiáng)波長(zhǎng)依賴性)，光纖12的散射損耗還具有弱波長(zhǎng)依賴性(Ls與I/—p成正比，其中P小于2，優(yōu)選小于I，甚至更優(yōu)選小于0.5)。圖4A-4B還顯示了光纖12的拉力的影響。更具體地，圖4A-4B表明，拉制光纖的拉力越大，所得散射損耗越小;拉制光纖的拉力越小，得到散射損耗越大(即照明強(qiáng)度越高)的光纖部分。圖4A顯示了在90g和400g的不同光纖拉力下拉制出的光漫射光纖12(芯體中有空穴)的衰減-波長(zhǎng)關(guān)系圖。圖4B顯示了在90g和40g的不同光纖拉力下拉制出的不同光漫射光纖12(芯體中有空穴)、具有歸一化損耗的比較多模光纖(光纖A)和具有I/損耗依賴性的理論光纖的衰減-波長(zhǎng)關(guān)系圖。(應(yīng)注意的是，圖4B描述了損耗對(duì)波長(zhǎng)的依賴性。在該實(shí)施例中，為了比較光纖12和纖維A的散射的斜率，將低損耗纖維(纖維A)的損耗乘以20的系數(shù)，從而可在同一張圖上容易地顯示這兩個(gè)圖表)。雖然不受任何特定理論的限制，但是相信，當(dāng)拉制拉力減小，例如從90g減小到40g時(shí)，納米結(jié)構(gòu)的平均直徑增大導(dǎo)致了散射損耗的增大。因此，光纖拉力的這種效應(yīng)可通過在拉制過程中改變光纖拉力，來(lái)沿著光纖長(zhǎng)度產(chǎn)生恒定的衰減(照明強(qiáng)度)。例如，在高拉力Tl下拉制的第一纖維段具有aidB/m的損耗和LI的長(zhǎng)度，且將光學(xué)功率從輸入水平PO衰減到POexpbaALl/^.343)。光學(xué)地連接到第一纖維段并在較低拉力T2下拉制的第二纖維段具有a2dB/m的損耗和L2的長(zhǎng)度，其進(jìn)一步將光學(xué)功率從POexpbaALl/l 343)衰減到POexpbaALl/^.343)exp(_a2*L2/4.343)?？烧{(diào)節(jié)第一和第二光纖段的長(zhǎng)度和衰減，以便沿著連接好的光纖的長(zhǎng)度提供均勻的強(qiáng)度。
[0087]光漫射纖維12的益處之一是它們能沿著光漫射纖維的長(zhǎng)度提供均勻照明。圖5顯示纖維12的設(shè)置，其得到沿著纖維長(zhǎng)度的均勻照明并在單一光漫射纖維12中利用兩光程。在該設(shè)置中，在光漫射纖維12的端部放置鏡子M。由光源150提供到光漫射纖維12的輸入光沿著光漫射纖維12的軸線傳播，其余的光被鏡子反射并沿著纖維12的軸線朝著輸入處往回傳播。如果適當(dāng)?shù)剡x擇光纖12的衰減和長(zhǎng)度，則回傳到光源的光輸出功率小于起始光功率的2%-5%。對(duì)于具有恒定損耗分布的光纖(見圖4A)，散射損耗強(qiáng)度可能在光纖的頭部更高，而在光纖的尾部更弱。但是，若以周期性受控的拉力(拉力值與爐溫有關(guān)，爐溫可從1800°C變化到210(TC)拉制光散射纖維12，使得散射損耗在光纖頭部更低(強(qiáng)度高)而在尾部更高(強(qiáng)度更低)，則可使所得散射強(qiáng)度的變化更小，或者說(shuō)變得穩(wěn)定(例如，如圖6A所示，示例C)。可在例如40-400g之間控制和改變拉制光纖的拉力，從而提供寬范圍的散射誘導(dǎo)衰減(例如高達(dá)6倍)。圖5中的鏡子M也可用第二光源代替，所述第二光源的功率密度輸出類似于第一光源的功率密度輸出(在2倍的范圍內(nèi)，即在50%-200%的范圍內(nèi))，不僅產(chǎn)生更均勻的照明，而且還增加光纖所散射的光的量。
[0088]本文所用的光漫射光纖的一個(gè)示例性實(shí)施方式的一個(gè)方面是散射光強(qiáng)度的角度分布在角度空間里是均勻的或接近均勻。自光纖表面沿軸向散射的光相對(duì)于平均散射強(qiáng)度的變化小于50%，優(yōu)選小于30%，優(yōu)選小于20%，更優(yōu)選小于10%。在沒有納米尺寸結(jié)構(gòu)的基于二氧化硅的常規(guī)光纖中，主要散射機(jī)理是瑞利散射，這種散射具有寬角度分布。納米結(jié)構(gòu)環(huán)中的空穴導(dǎo)致額外的散射損耗的光纖12可具有強(qiáng)的正向分量(f orward component)，如圖6A(實(shí)施方式a和b)和圖6B(實(shí)施方式a’)所示。然而，通過在光漫射纖維12的涂層之上放置散射材料，可校正這種分布。使用包含T12基白色油墨的涂層制備的光漫射纖維(參見圖6B，實(shí)施方式b’)提供散射的光的角度分布，其是顯著更少的正向偏向的。通過更厚的附加T12油墨層(例如1-5微米)，可以進(jìn)一步減小正向散射分量，從而增強(qiáng)角度強(qiáng)度分布的均勻性。然而，如圖7所示，用于光學(xué)地連接到背面反射鏡或額外的光源(參見圖5)的纖維的散射是較平坦的(即，非常均勻)。在一些實(shí)施方式中，油墨涂層沿著光纖長(zhǎng)度的受控變化(油墨涂層厚度或者涂層中油墨濃度的變化)將提供另一種途徑，使從光纖散射的光的強(qiáng)度在大角度(超過15度)上的變化更均勻。
[0089]在一些實(shí)施方式中，發(fā)光團(tuán)油墨可以是將散射光轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光的熒光材料。在一些實(shí)施方式中，可通過下述方式用纖維12來(lái)發(fā)射(漫射出外部表面)白光:將具有這種涂層的光漫射纖維12連接到UV光源，例如405nm或445nm 二極管激光器。在示例性實(shí)施方式中，熒光白光的角度分布是基本均勻的(例如在角度空間中為25%-400 %，優(yōu)選50-200%，甚至更優(yōu)選50%-150%，或70%-130%，或80%_120% )。
[0090]要將光纖有效連接到低成本光源如發(fā)光二極管(LED)，需要光纖具有高NA和大芯體直徑。對(duì)于類似于圖2所示的設(shè)計(jì)，可使多模芯體20的尺寸最大化，并且可具有最高至500μπι的半徑。包覆體厚度可小得多，例如約為15-30μπι(例如約為20μπι)。例如，根據(jù)一種實(shí)施方式，多個(gè)光漫射纖維12可繞著支撐結(jié)構(gòu)纏繞，且各光漫射光纖可光學(xué)地連接到一個(gè)光源或多個(gè)光源。多個(gè)光漫射光纖12可束縛在一起來(lái)形成下述的至少一種:帶、帶堆或圓束。光纖束或光纖帶(即多根光纖的集合)也可設(shè)置成光源的形狀，以提高連接效率。典型的束/帶結(jié)構(gòu)可包含，例如，2-36根光漫射纖維12，或可包含最多達(dá)幾百根纖維12?？勺鳛槎喔饫w的組合件的光纜設(shè)計(jì)形式是眾所周知的，可包括帶、多根帶的集合或者聚集成管的光纖。這種纖維可包含一根或多根光漫射纖維12。
[0091]連接進(jìn)入光漫射纖維的明亮的連續(xù)的光源可用于不同的應(yīng)用，例如標(biāo)牌或顯示器照明。如果照明系統(tǒng)使用芯體直徑為125-300μπι的單根光纖12，則可使用多模激光二極管作為光源，用于將光提供到光纖12中。
[0092]根據(jù)一些實(shí)施方式，光散射纖維12包含至少部分填充用來(lái)散射光的納米結(jié)構(gòu)的芯體、圍繞芯體的包覆體以及至少一個(gè)圍繞包覆體的涂層。例如，芯體和包覆體可被主要和次級(jí)涂層和/或油墨層環(huán)繞。在一些實(shí)施方式中，油墨層包含顏料來(lái)提供額外的吸收并改變由纖維散射的光的光譜(例如，為漫射的光提供額外的顏色)。在其它實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)涂層包含分子，所述分子對(duì)通過纖維芯體傳播的光的波長(zhǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而從纖維涂層發(fā)射的光(通過纖維的光漫射)具有不同的波長(zhǎng)。在一些實(shí)施方式中，油墨層和/或涂層可包含磷光體，從而將從芯體出來(lái)的散射光轉(zhuǎn)換為不同波