内窥镜的红外激光传输用柔性空芯光纤的研制
内窥镜的红外激光传输用柔性空芯光纤的研制
摘要： 通过理论计算确立了多功能介质一金属结构空芯光纤的结构参量，优化了液相镀膜法的有关条件，明确了具体制作参量。制作了以聚碳酸酯毛细管为基管的，高柔韧性的，可同时低损耗传输红外目标波长激光和可见导航光红外的空芯光纤。对光纤传输性能进行了测试。在2．94 m波长的Er：YAG和0．63 m波长的红色半导体激光器的直线损耗分别为0．4 dB／m 和3 dB／m。组装在医疗内窥镜中的柔性空芯光纤，在先端以0．9 cm半径135。角弯曲时，对Er：YAG激光仍有近7O 的传输效率；绿色导航光在内窥镜中的的损耗值为11 dB，绿色指示点在内窥镜的视窗中清晰可见。结果表明此种光纤在内窥镜的激光传输方面有重要的应用价值。
1 引 言
在内窥镜中用于激光传输的多为石英光导纤维，因为石英光纤可以安全地应用于人体。空芯光纤是一种有应用前景的红外光纤，在2～10 m的波长范围内对Er：YAG，CO和COz激光可以有低损耗特性 ，因此在红外激光的能量传输方面有重要应用。但绝大部分特性指标较好的空芯光纤均采用玻璃毛细管作为基管 。因为玻璃毛细管具有非常光滑的内表面，容易形成高质量的金属和介质薄膜。但在医疗现场使用时，由于操作失误而破损时会有玻璃碎片溅出。聚碳酸酯毛细管具有柔性好、安全等特点，是代替玻璃毛细管的有力候选材料之一l7j。采用聚碳酸酯毛细管作为基管，在内面镀金属银和环状丙烯树脂薄膜制作了高性能空芯光纤。制作过程中，根据理论计算结果，确立了多功能介质一金属结构空芯光纤的结构参量。然后根据结构参量优化了液相镀膜法的有关条件，明确各种规格的多功能空芯光纤中介质镀膜的具体制作参量。最后对制作的空芯光纤的传输性能进行了实验测量，实验结果证实其具有优越的柔韧性、低损耗特性、多功能和安全性，在医疗等领域有着广阔的应用前景。
2 介质一金属结构红外空芯光纤
2．1 多功能空芯光纤优化设计
在不考虑介质吸收时，介质一金属膜结构的空芯光纤获得最低损耗的介质膜厚度d为27c~／n。一1 arctan(＼—~南／n 一l)／ ，㈩其中 是传输激光的波长，n是介质膜的折射率。图1是空芯光纤的损耗随介质膜厚度变化的计算结果。计算针对HE 模式，介质膜的折射率为1．53，空芯光纤的内径为700 m。图中的曲线分别对应波长为2．94 m 的Er：YAG 激光、波长为0．63 m和0．53 m的红色和绿色激光。从图1中可以看到，与红色和绿色激光相比，Er：YAG激光有较大的膜厚误差容忍度。在0．3～0．4 tLm的膜厚范围内，Er：YAG激光只有很小的损耗变化；在Er：YAG激光有低损耗特性的范围内，红色和绿色激光分别在膜厚为0．29 m 和0．34 tLm处有损耗谷。理论上可以对Er：YAG激光的传输特性略图1 理论损耗与聚酯膜厚度的关系作牺牲，可以同时低损耗传输红色或绿色激光。从实际制作的空芯光导纤维的传输特性来看，介质膜的微小变动对Er：YAG激光的传输特性的影响几乎可以忽略不计。可以认为在几乎不影响Er：YAG激光传输特性的情况下，可以任意选择某种颜色的可见激光作为导航光。电容表| 电力分析仪| 谐波分析仪| 发生器| 多用表| 验电笔| 示波表| 电流表| 钩表| 测试器| 电力计| 电力测量仪| 光度计| 电压计| 电流计|
2．2 优化制作参量
介质一金属膜结构的空芯光纤的制作有内面镀金属和镀介质两个关键工艺。金属膜要求表面光滑，介质膜则要求膜厚在最佳值并且表面光滑膜厚均匀以提高反射比降低损耗。在红外波段通常采用
金属银作为金属膜，因为银在该波段有较高的反射率，也比较容易在各种管材上成膜。银的镀膜原理是银镜反应 ]。介质膜用环状丙烯树脂，采用液相法镀膜。使溶液以一定速度流过镀有银膜的毛细管，残留的液相膜被干燥后形成均一的光学薄膜。图1的优化设计结果表明，介质膜厚的控制非
常重要。流体力学的分析表明，液相镀膜法的膜厚D可以用下式表达l1 ：
， r、、，
D一( )√ ， (2)
式中n为毛细管内半径，C为液相镀膜法中溶液浓度，为的溶液流速，即为溶液黏度，y为溶液表面张力。当采用的溶液一定时，流速是唯一的可调节参量。调节流速可以微调树脂膜厚，从而移动可见光低损耗窗口的位置。图2是根据实际制作结果总结的可见光低损耗窗口的波长与流速的关系。从图2可以看出，光纤内径越大所需流速越慢。对于内径700 m的空芯光纤，在红色和绿色获得低损耗窗口的流速分别为7 cm／min和12 cm／min。根据优化条件制作的镀有银膜和环状丙烯树脂膜的空芯光纤损耗谱见图3所示。图3(a)为光纤
图2 可见光低损耗窗口的波长与液相镀膜时流速的关系
制 2125在中红外波段的损耗谱特性。激励光源是半峰全宽为12。的高斯分布光源；图3(b)为光纤在可见光和近红外波段的损耗谱特性。激励光源为半峰全宽为10．5。的高斯分布光源。树脂的膜厚可以根据薄膜干涉峰的波长用下式估算口 ：
d一— 一， (3)
4√ 一1
其中 是损耗谱中m阶干涉峰的波长， 是介质膜的折射率。
利用(3)式估算图3中树脂的膜厚分别为
0．27 m和0．31 m。该结果与图1中的设计结果略有差异，因为理论计算中没有考虑介质材料的色散。尽管介质膜厚有一些变化，在3 m 波长带其损耗特性几乎没有变化。需要说明的是，损耗谱中损耗值较大。这是因为测量采用发散角很大的高斯光源激励。对于发散角很小的激光束其损耗很小。由图3(b)可见由于膜厚的微调节，光纤分别在色和绿色波长处有低损耗窗口。
2．3 激光传输特性
由于光在介质一金属结构的空芯光纤内面不是全反射，存在由弯曲引起的附加损耗并且与曲率成正
比。对图3中的光纤用实际激光器进行了弯曲传输特性测试。图4为空芯光纤对Er：YAG激光的弯曲
损耗特性。Er：YAG激光器的输出为100 mJ／pulse，脉冲宽度350 m，脉冲频率10 Hz。测试光纤长度1 m、内径700／xm。测试中，入射端30 cm保持直线剩余70 cm按一定曲率半径弯曲。光纤的直线损耗约为0．4 dB(传输效率大90 )。当光纤以曲率20(弯曲半径5 cm)时，光纤已经被绕成2周，仍然有近60 的传输效率(损耗为2．5 dB)。其柔韧性∞∞
0
图4 测得的对于Er：YAG激光的空芯光纤弯曲损耗
Fig．4 M easured bending loss of hollow fiber for
Er：YAG laser light
和弯曲损耗可以满足绝大多数医疗或工业的实际
应用。
图5为光纤的导航光的弯曲损耗特性。测试中，光纤的输出端以不同的弯曲半径弯成180。或
90。，其损耗分别约为7 dB和5 dB。与Er：YAG激光相比，导航光的损耗明显较高。但可见导航光的功能为指示红外激光的照射点，5～7dB的损耗是可以接受的。绿光的损耗略高于红光，主要因为短波长光对表面的粗糙更加敏感。小弯曲半径的损耗略低于大弯曲半是的损耗。这是因为输出端以较小半径弯曲时，所需要的反射次数减少。
采用聚碳酸酯毛细管作为基管使空芯光纤具有lO
0 2 4 6 8 lO
Bending radius ／era
图5 测得的对于红色和绿色导航光的空芯光纤弯曲损耗高柔韧性、安全性等突出优点。但聚碳酸酯毛细管的管壁薄，入射光耦合校准有偏差时端面容易被激光烧坏。实验中，脉冲频率10 Hz在100 mJ／pulse即出现端面热损坏现象。采用了金属入射端面保护，防止激光直接照射在断面上。由此，脉冲频率10 Hz在350 mJ／pulse进行了5 min传输实验没有发现任何劣化及损伤迹象。
3 内窥镜中的红外空芯光纤传输特性
测试使用的内窥镜为UP2—2565型软性医疗用内窥镜，全长940 mm，先端有效长度650 mm。有效部分的外径为2．5～2．7 mm。工作通道的内径为1．2 mm。内窥镜采用石英光纤束传输图像和照明光。通过观察窗可以看到内窥镜先端到达位置的情况。通过操作手柄可以使先端达到得最小弯曲为半径0．8 cm，角度180 。
长度1 In，内径700 m 的空芯光纤从内窥镜的工作通道装入，从通道的输出口伸出1 cm。进行了
Er：YAG激光和绿色导航光的传输实验。输出端为直线和输出端135。弯曲(半径0．9 cm)的状态下，其损耗值分别为1．4 dB和1．7 dB。损耗较图4中的结果有较大增加。这是因为装入内窥镜的光纤在输入端有大约30。的弯曲。空芯光纤在输入端的弯曲会激励高次模式，而这些高次模式被很快衰减。因此损耗大大高于图4中直线状态的损耗。输出端135。(半径0．9 cm)的弯曲所造成的附加损耗仅为0．3 dB，这说明先端的微小弯曲对损耗的影响已大大减弱。因为高次模式的能量在光纤的前端已经被衰减，输出端的低次模式对弯曲的敏感度较低。波长为0．53 m 的绿色导航光在输出端为直线和输出端180。弯曲(半径0．9 cm)的状态下，其损耗值分别为11 dB和14 dB。同样道理其损耗值也(a) (b)
图6 已将空芯光纤安装在工作通道内的内窥镜
Fig．6 Endoscope with hollow fiber installed in working
channel
远远大于图5中的测试结果。由于绿色激光的功能是导航，l4 dB的损耗是可以接受的。图6(a)所示是输出端180。弯曲(半径0．9 cm)的状态下的绿色激光输出的照片。绿色激光光源为波长0．53 m、输出功率3 mw 的半导体激光器。在明亮的室内灯光下，绿色指示点清晰可见足以满足为红外光导航的需要。图6(b)所示是从内窥镜的视窗中观察的图
像。书中的英文字母和绿色斑点也清晰可见。
4 结 论
理论计算证实，空芯光纤具有同时低损耗传输红外和可见光的可能性。在几乎不影响红外激光的
损耗特性的条件下，可以微调节介质膜厚度选择可见光的波长。利用聚碳酸酯毛细管作为的基管，研制了具有优越柔韧性能和损耗特性的红外空芯光纤。根据实验结果优化了介质膜的镀膜参量，为研制高性能多功能红外空芯光纤提供了依据。实现了Er：YAG和可见导航光的低损耗传输，其损耗分别为0．4 dB和3 dB。加有输入端保护装置的光纤可以传输脉冲频率10 Hz，350 mJ／pulse的Er：YAG激光脉冲。根据医疗现场的实际应用情况，该空芯光纤组装在医疗用内窥镜中进行了激光传输实验。因为光纤在工作通道中的弯曲和应力等原因，红外Er：YAG激光和可见导航光的传输损耗略有增加，分别为1．4 dB和11 dB。实验表明该光纤的特性可以满足医疗等领域的应用，有广阔的应用前景。
发布人：2010/8/18 9:52:001716
发布时间：2010/8/18 9:52:00
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