內窺鏡的紅外激光傳輸用柔性空芯光纖的研制
內窺鏡的紅外激光傳輸用柔性空芯光纖的研制
摘要： 通過(guò)理論計算確立了多功能介質(zhì)一金屬結構空芯光纖的結構參量，優(yōu)化了液相鍍膜法的有關(guān)條件，明確了具體制作參量。制作了以聚碳酸酯毛細管為基管的，高柔韌性的，可同時(shí)低損耗傳輸紅外目標波長(cháng)激光和可見(jiàn)導航光紅外的空芯光纖。對光纖傳輸性能進(jìn)行了測試。在2．94 m波長(cháng)的Er：YAG和0．63 m波長(cháng)的紅色半導體激光器的直線(xiàn)損耗分別為0．4 dB／m 和3 dB／m。組裝在醫療內窺鏡中的柔性空芯光纖，在先端以0．9 cm半徑135。角彎曲時(shí)，對Er：YAG激光仍有近7O 的傳輸效率；綠色導航光在內窺鏡中的的損耗值為11 dB，綠色指示點(diǎn)在內窺鏡的視窗中清晰可見(jiàn)。結果表明此種光纖在內窺鏡的激光傳輸方面有重要的應用價(jià)值。
1 引 言
在內窺鏡中用于激光傳輸的多為石英光導纖維，因為石英光纖可以安全地應用于人體�？招竟饫w是一種有應用前景的紅外光纖，在2～10 m的波長(cháng)范圍內對Er：YAG，CO和COz激光可以有低損耗特性 ，因此在紅外激光的能量傳輸方面有重要應用。但絕大部分特性指標較好的空芯光纖均采用玻璃毛細管作為基管 。因為玻璃毛細管具有非常光滑的內表面，容易形成高質(zhì)量的金屬和介質(zhì)薄膜。但在醫療現場(chǎng)使用時(shí)，由于操作失誤而破損時(shí)會(huì )有玻璃碎片濺出。聚碳酸酯毛細管具有柔性好、安全等特點(diǎn)，是代替玻璃毛細管的有力候選材料之一l7j。采用聚碳酸酯毛細管作為基管，在內面鍍金屬銀和環(huán)狀丙烯樹(shù)脂薄膜制作了高性能空芯光纖。制作過(guò)程中，根據理論計算結果，確立了多功能介質(zhì)一金屬結構空芯光纖的結構參量。然后根據結構參量?jì)?yōu)化了液相鍍膜法的有關(guān)條件，明確各種規格的多功能空芯光纖中介質(zhì)鍍膜的具體制作參量。最后對制作的空芯光纖的傳輸性能進(jìn)行了實(shí)驗測量，實(shí)驗結果證實(shí)其具有優(yōu)越的柔韌性、低損耗特性、多功能和安全性，在醫療等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。
2 介質(zhì)一金屬結構紅外空芯光纖
2．1 多功能空芯光纖優(yōu)化設計
在不考慮介質(zhì)吸收時(shí)，介質(zhì)一金屬膜結構的空芯光纖獲得最低損耗的介質(zhì)膜厚度d為27c~／n。一1 arctan(＼—~南／n 一l)／ ，㈩其中 是傳輸激光的波長(cháng)，n是介質(zhì)膜的折射率。圖1是空芯光纖的損耗隨介質(zhì)膜厚度變化的計算結果。計算針對HE 模式，介質(zhì)膜的折射率為1．53，空芯光纖的內徑為700 m。圖中的曲線(xiàn)分別對應波長(cháng)為2．94 m 的Er：YAG 激光、波長(cháng)為0．63 m和0．53 m的紅色和綠色激光。從圖1中可以看到，與紅色和綠色激光相比，Er：YAG激光有較大的膜厚誤差容忍度。在0．3～0．4 tLm的膜厚范圍內，Er：YAG激光只有很小的損耗變化；在Er：YAG激光有低損耗特性的范圍內，紅色和綠色激光分別在膜厚為0．29 m 和0．34 tLm處有損耗谷。理論上可以對Er：YAG激光的傳輸特性略圖1 理論損耗與聚酯膜厚度的關(guān)系作犧牲，可以同時(shí)低損耗傳輸紅色或綠色激光。從實(shí)際制作的空芯光導纖維的傳輸特性來(lái)看，介質(zhì)膜的微小變動(dòng)對Er：YAG激光的傳輸特性的影響幾乎可以忽略不計�？梢哉J為在幾乎不影響Er：YAG激光傳輸特性的情況下，可以任意選擇某種顏色的可見(jiàn)激光作為導航光。電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量?jì)x| 光度計| 電壓計| 電流計|
2．2 優(yōu)化制作參量
介質(zhì)一金屬膜結構的空芯光纖的制作有內面鍍金屬和鍍介質(zhì)兩個(gè)關(guān)鍵工藝。金屬膜要求表面光滑，介質(zhì)膜則要求膜厚在最佳值并且表面光滑膜厚均勻以提高反射比降低損耗。在紅外波段通常采用
金屬銀作為金屬膜，因為銀在該波段有較高的反射率，也比較容易在各種管材上成膜。銀的鍍膜原理是銀鏡反應 ]。介質(zhì)膜用環(huán)狀丙烯樹(shù)脂，采用液相法鍍膜。使溶液以一定速度流過(guò)鍍有銀膜的毛細管，殘留的液相膜被干燥后形成均一的光學(xué)薄膜。圖1的優(yōu)化設計結果表明，介質(zhì)膜厚的控制非
常重要。流體力學(xué)的分析表明，液相鍍膜法的膜厚D可以用下式表達l1 ：
， r、、，
D一( )√ ， (2)
式中n為毛細管內半徑，C為液相鍍膜法中溶液濃度，為的溶液流速，即為溶液黏度，y為溶液表面張力。當采用的溶液一定時(shí)，流速是唯一的可調節參量。調節流速可以微調樹(shù)脂膜厚，從而移動(dòng)可見(jiàn)光低損耗窗口的位置。圖2是根據實(shí)際制作結果總結的可見(jiàn)光低損耗窗口的波長(cháng)與流速的關(guān)系。從圖2可以看出，光纖內徑越大所需流速越慢。對于內徑700 m的空芯光纖，在紅色和綠色獲得低損耗窗口的流速分別為7 cm／min和12 cm／min。根據優(yōu)化條件制作的鍍有銀膜和環(huán)狀丙烯樹(shù)脂膜的空芯光纖損耗譜見(jiàn)圖3所示。圖3(a)為光纖
圖2 可見(jiàn)光低損耗窗口的波長(cháng)與液相鍍膜時(shí)流速的關(guān)系
制 2125在中紅外波段的損耗譜特性。激勵光源是半峰全寬為12。的高斯分布光源；圖3(b)為光纖在可見(jiàn)光和近紅外波段的損耗譜特性。激勵光源為半峰全寬為10．5。的高斯分布光源。樹(shù)脂的膜厚可以根據薄膜干涉峰的波長(cháng)用下式估算口 ：
d一— 一， (3)
4√ 一1
其中 是損耗譜中m階干涉峰的波長(cháng)， 是介質(zhì)膜的折射率。
利用(3)式估算圖3中樹(shù)脂的膜厚分別為
0．27 m和0．31 m。該結果與圖1中的設計結果略有差異，因為理論計算中沒(méi)有考慮介質(zhì)材料的色散。盡管介質(zhì)膜厚有一些變化，在3 m 波長(cháng)帶其損耗特性幾乎沒(méi)有變化。需要說(shuō)明的是，損耗譜中損耗值較大。這是因為測量采用發(fā)散角很大的高斯光源激勵。對于發(fā)散角很小的激光束其損耗很小。由圖3(b)可見(jiàn)由于膜厚的微調節，光纖分別在色和綠色波長(cháng)處有低損耗窗口。
2．3 激光傳輸特性
由于光在介質(zhì)一金屬結構的空芯光纖內面不是全反射，存在由彎曲引起的附加損耗并且與曲率成正
比。對圖3中的光纖用實(shí)際激光器進(jìn)行了彎曲傳輸特性測試。圖4為空芯光纖對Er：YAG激光的彎曲
損耗特性。Er：YAG激光器的輸出為100 mJ／pulse，脈沖寬度350 m，脈沖頻率10 Hz。測試光纖長(cháng)度1 m、內徑700／xm。測試中，入射端30 cm保持直線(xiàn)剩余70 cm按一定曲率半徑彎曲。光纖的直線(xiàn)損耗約為0．4 dB(傳輸效率大90 )。當光纖以曲率20(彎曲半徑5 cm)時(shí)，光纖已經(jīng)被繞成2周，仍然有近60 的傳輸效率(損耗為2．5 dB)。其柔韌性∞∞
0
圖4 測得的對于Er：YAG激光的空芯光纖彎曲損耗
Fig．4 M easured bending loss of hollow fiber for
Er：YAG laser light
和彎曲損耗可以滿(mǎn)足絕大多數醫療或工業(yè)的實(shí)際
應用。
圖5為光纖的導航光的彎曲損耗特性。測試中，光纖的輸出端以不同的彎曲半徑彎成180�；�
90。，其損耗分別約為7 dB和5 dB。與Er：YAG激光相比，導航光的損耗明顯較高。但可見(jiàn)導航光的功能為指示紅外激光的照射點(diǎn)，5～7dB的損耗是可以接受的。綠光的損耗略高于紅光，主要因為短波長(cháng)光對表面的粗糙更加敏感。小彎曲半徑的損耗略低于大彎曲半是的損耗。這是因為輸出端以較小半徑彎曲時(shí)，所需要的反射次數減少。
采用聚碳酸酯毛細管作為基管使空芯光纖具有lO
0 2 4 6 8 lO
Bending radius ／era
圖5 測得的對于紅色和綠色導航光的空芯光纖彎曲損耗高柔韌性、安全性等突出優(yōu)點(diǎn)。但聚碳酸酯毛細管的管壁薄，入射光耦合校準有偏差時(shí)端面容易被激光燒壞。實(shí)驗中，脈沖頻率10 Hz在100 mJ／pulse即出現端面熱損壞現象。采用了金屬入射端面保護，防止激光直接照射在斷面上。由此，脈沖頻率10 Hz在350 mJ／pulse進(jìn)行了5 min傳輸實(shí)驗沒(méi)有發(fā)現任何劣化及損傷跡象。
3 內窺鏡中的紅外空芯光纖傳輸特性
測試使用的內窺鏡為UP2—2565型軟性醫療用內窺鏡，全長(cháng)940 mm，先端有效長(cháng)度650 mm。有效部分的外徑為2．5～2．7 mm。工作通道的內徑為1．2 mm。內窺鏡采用石英光纖束傳輸圖像和照明光。通過(guò)觀(guān)察窗可以看到內窺鏡先端到達位置的情況。通過(guò)操作手柄可以使先端達到得最小彎曲為半徑0．8 cm，角度180 。
長(cháng)度1 In，內徑700 m 的空芯光纖從內窺鏡的工作通道裝入，從通道的輸出口伸出1 cm。進(jìn)行了
Er：YAG激光和綠色導航光的傳輸實(shí)驗。輸出端為直線(xiàn)和輸出端135。彎曲(半徑0．9 cm)的狀態(tài)下，其損耗值分別為1．4 dB和1．7 dB。損耗較圖4中的結果有較大增加。這是因為裝入內窺鏡的光纖在輸入端有大約30。的彎曲�？招竟饫w在輸入端的彎曲會(huì )激勵高次模式，而這些高次模式被很快衰減。因此損耗大大高于圖4中直線(xiàn)狀態(tài)的損耗。輸出端135。(半徑0．9 cm)的彎曲所造成的附加損耗僅為0．3 dB，這說(shuō)明先端的微小彎曲對損耗的影響已大大減弱。因為高次模式的能量在光纖的前端已經(jīng)被衰減，輸出端的低次模式對彎曲的敏感度較低。波長(cháng)為0．53 m 的綠色導航光在輸出端為直線(xiàn)和輸出端180。彎曲(半徑0．9 cm)的狀態(tài)下，其損耗值分別為11 dB和14 dB。同樣道理其損耗值也(a) (b)
圖6 已將空芯光纖安裝在工作通道內的內窺鏡
Fig．6 Endoscope with hollow fiber installed in working
channel
遠遠大于圖5中的測試結果。由于綠色激光的功能是導航，l4 dB的損耗是可以接受的。圖6(a)所示是輸出端180。彎曲(半徑0．9 cm)的狀態(tài)下的綠色激光輸出的照片。綠色激光光源為波長(cháng)0．53 m、輸出功率3 mw 的半導體激光器。在明亮的室內燈光下，綠色指示點(diǎn)清晰可見(jiàn)足以滿(mǎn)足為紅外光導航的需要。圖6(b)所示是從內窺鏡的視窗中觀(guān)察的圖
像。書(shū)中的英文字母和綠色斑點(diǎn)也清晰可見(jiàn)。
4 結 論
理論計算證實(shí)，空芯光纖具有同時(shí)低損耗傳輸紅外和可見(jiàn)光的可能性。在幾乎不影響紅外激光的
損耗特性的條件下，可以微調節介質(zhì)膜厚度選擇可見(jiàn)光的波長(cháng)。利用聚碳酸酯毛細管作為的基管，研制了具有優(yōu)越柔韌性能和損耗特性的紅外空芯光纖。根據實(shí)驗結果優(yōu)化了介質(zhì)膜的鍍膜參量，為研制高性能多功能紅外空芯光纖提供了依據。實(shí)現了Er：YAG和可見(jiàn)導航光的低損耗傳輸，其損耗分別為0．4 dB和3 dB。加有輸入端保護裝置的光纖可以傳輸脈沖頻率10 Hz，350 mJ／pulse的Er：YAG激光脈沖。根據醫療現場(chǎng)的實(shí)際應用情況，該空芯光纖組裝在醫療用內窺鏡中進(jìn)行了激光傳輸實(shí)驗。因為光纖在工作通道中的彎曲和應力等原因，紅外Er：YAG激光和可見(jiàn)導航光的傳輸損耗略有增加，分別為1．4 dB和11 dB。實(shí)驗表明該光纖的特性可以滿(mǎn)足醫療等領(lǐng)域的應用，有廣闊的應用前景。
發(fā)布人：2010/8/18 9:52:001608
發(fā)布時(shí)間：2010/8/18 9:52:00
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