CN111552027A - 一种具有环绕光波通道的安德森局域光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤。其特征是：它包括一个安德森局域光波导通道，围绕安德森局域光波导通道环形分布的纤芯光波导通道以及包层。其中安德森局域光波导通道可横向局域限制光场，使得光场分布在沿波导传输的过程中保持稳定。本发明可用于内窥镜成像系统的图像传输通道，尤其适用于动脉血管等细小组织器官内部病变的成像诊断与治疗。

Description

一种具有环绕光波通道的安德森局域光纤及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种具有环绕光波通道的安德森局域光纤及其制备方法，属于光纤技术领域。

(二)背景技术

生物活体内的细胞形态和生物组织结构的实时成像技术在生物医学基础研究和临床应用中起着至关重要的作用。对于传统的显微成像技术来说，深入活体器官或者组织内部获取图像信息极其困难。虽然人们已经利用光纤成像系统易于小型化和可任意弯曲的特性初步解决了此类成像技术难题，但是传统的光纤成像系统仍然面临诸多瓶颈。这些问题主要集中在以下几点：1.对宽带光源的兼容性差；2.成像单元体积巨大、结构复杂；3.成像质量低、成像速度慢；4.鲁棒性差。

例如广泛应用的多芯光纤和多模光纤都存在很强的模式耦合和较低的模式密度。任何外界的机械扰动或者温度变化都会改变模式的耦合从而严重降低成像质量。而现有的图像处理技术通常需要昂贵复杂的实验装置。这些实验装置通常对环境噪声敏感，难以兼容宽带光源，并且成像质量低、成像速度慢。

安德森局域光纤是指光纤横向无序折射率结构能够对光波产生强的横向散射，导致光波被横向局域约束，并沿着纵向自由传播。因此，这些光纤不仅表现出大芯径光纤的多模传输特性，并且绝大多数模式具有高度局域化的特点。这一特性使它们成为图像传输应用的理想选择。

文献报道，JianZhao等人采用玻璃——空气孔结构的安德森局域光纤构建了一套柔性的，无透镜的成像系统(Zhao J,SunY,ZhuZ,et al.Deep Learning Imaging throughFully-Flexible Glass-Air Disordered Fiber[J].ACS Photonics,2018.)。该系统利用了安德森局域光纤对光波的横向限制特性，并结合深度学习算法，实现了离光纤端几毫米远的物体的高质量成像，展示了安德森局域光纤在柔性光纤内窥镜上的巨大应用前景。

对于内窥镜系统来说，照明光源是重要的组成部分。上述文献中提出了安德森光纤可用于成像，却并不能实现同根光纤内传输照明光的功能。这就意味着这种光纤在构建内窥镜类似系统的时候，需要结合照明光源传输光纤，这无疑增加了介入人体的光纤数量，导致较大直径的器件。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤，并且涉及这种光纤的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤。它包括一个安德森局域光波导通道，围绕安德森局域光波导通道环形分布的纤芯光波导通道以及包层。

所述组成中的安德森局域光波导通道由石英和随机分布的空气孔组成，能够稳定传输安德森局域模式。

所述组成中的环形分布的光波导通道与安德森局域光波导通道同轴分布，可以是单个的环形纤芯，也可以是均匀圆周离散分布的多个纤芯。

所述的组成安德森局域光波导通道随机分布的空气孔的总面积占整个通道的面积比例为25％～50％，空气孔的直径在0.1λ～10λ随机分布，λ为传输光波长。

一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤的制备方法：

步骤1：取一薄壁的多模光纤预制棒，在预制棒的纤芯内部打孔，制得含有环形纤芯的带孔预制棒；

步骤2：取一薄壁石英管，往薄壁石英管内堆放具有不同孔径的空心细径石英管，于高温炉中控压拉细成一批不同的外径的、具有大小随机分布孔的多孔预制棒；

步骤3：取一薄壁石英管，将步骤2中的一批多孔预制棒组合后插入薄壁石英管，再次在高温下控压拉细，制得安德森局域光波导预制棒；

步骤4：将步骤3制备的安德森局域光波导预制棒插进步骤1中制备的预制棒，组合成新的预制棒并在高温炉中控压拉丝，制备得到具有环绕光波通道的安德森局域光纤。

本发明具备以下几点显著优点：

(1)具有安德森局域光波导通道，可以作为图像传输光纤使用，相比较于传统的成像光纤束来说要小巧许多。

(2)具有环形分布的光波导结构，能够作为照明光束传输通道，使得光纤照明和图像收集传输集成在一根光纤内部，尤其适用于活体在体的疾病诊断与治疗。

(四)附图说明

图1是一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤1，纤芯1-1为环绕光波导通道，1-2为安德森局域光波导通道。

图2是一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤2，环绕光波导为多个圆形纤芯2-1均匀分布，2-2为安德森局域光波导通道。

图3是本发明提出的光纤用于血管内血栓清除治疗的实施例。

图4～图7分别是一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤的制备方法中的四个步骤。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

实施例1：本发明应用于血管内血栓清除的实例。

本发明提出的光纤的结构可以有多种，举例来说，可以是如图1所示的是具有环形芯通道1-1和安德森局域波导通道1-2的结构；也可以是如图2所述的具有多个环形分布的圆形纤芯通道2-1和安德森局域波导通道2-2的结构。本实施例将以图1中所示结构的光纤为例，说明本发明在血管内血栓清除治疗方面的实际应用。

整个系统如图3所示。系统包含非相干宽带照明光源2、功率可调的手术激光光源3、光纤波分复用器4、光纤侧抛耦合器5、具有环形波导的安德森局域光纤1以及相机系统9。

光纤侧抛耦合器5是将单模光纤6和具有环形波导的安德森局域光纤1分别侧抛后，贴合侧抛面，让单模光纤6和具有环形波导的安德森局域光纤的环形芯光路耦合。如此，不但单模光纤6内的输入光7可耦合进环形芯中，而且包含图像信息的光波8能通过安德森局域波导通道稳定传输。

其中照明光源2采用中心波长为460nm的LED光源；手术激光光源3选用810nm波长的红外半导体激光器，功率0～3W可调；相机系统9采用CCD探测器，探测器前有红外截止滤光片，以防止手术激光到达探测器，影响成像效果。

如图3所示，将本发明提出的光纤制备的探针通过穿刺针插入动脉血管10，为了寻找准确的血栓区域11，需要获得血管10内的图像信息。打开照明光源2，照明光束为整个血管内部提供照明，血管10内组织的散射光被光纤的安德森局域光波导通道收集并传输，该信号光通过物镜后，在CCD上成像。

调整光纤探针在血管内的位置，直至图像采集系统采集到血栓区域11的图像后，打开手术激光光源3，调节功率大小，对血栓进行消融手术。

通过图像采集系统监控血管内的血栓清除状态，直至血栓完全清除。

实施例2：本发明制备方法实例：

如图4～图7所示的是具有图1中所示结构光纤的制备步骤。具体来说分为四个步骤，其中步骤1是为了制备光纤中的环形芯波导结构的预制棒，步骤2～3是为了制备光纤中间的安德森局域光波导通道的预制棒，步骤4是组合上述两种预制棒，高温拉丝成纤。

步骤1：取一个多模光纤的石英预制棒12，具有大直径的掺锗纤芯和纯石英的包层，在该预制棒的纤芯内部使用超声打孔机打孔，制备出如图4右侧的带孔环形芯预制棒13，该预制棒含有环形纤芯内壁13-1和中间孔13-2。

步骤2：取一个大直径的薄壁石英套管15，多个内径大小不同的石英毛细管14，通过组棒法，将石英毛细管14随机堆满薄壁石英套管15的孔。在高温下将组合的棒体控压拉制成不同直径的多孔石英毛细管16。

步骤3：取一大直径的薄壁石英套管15，将步骤2中拉制的不同直径的多孔石英毛细管16随机堆满一大直径的薄壁石英套管15，再次高温下控压拉成细棒，形成具有随机多孔分布的安德森局域波导通道的预制棒17。

步骤4：将步骤3中制得的安德森局域波导通道的预制棒17插入步骤1制得的带孔环形芯预制棒13，高温下控压拉丝成纤，即可获得如图1所示的具有环形芯的安德森局域光纤1。

在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。

Claims (5)

1.一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤，其特征是：它包括一个安德森局域光波导通道，围绕安德森局域光波导通道环形分布的纤芯光波导通道以及包层。

2.根据权利要求1所述的一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤，其特征是：所述组成中的安德森局域光波导通道由石英和随机分布的空气孔组成，能够稳定传输安德森局域模式。

3.根据权利要求1所述的一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤，其特征是：所述组成中的环形分布的光波导通道与安德森局域光波导通道同轴分布，可以是单个的环形纤芯，也可以是均匀圆周离散分布的多个纤芯。

4.根据权利要求1-2任意一项所述的一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤，其特征是：所述的组成安德森局域光波导通道随机分布的空气孔的总面积占整个通道的面积比例为25％～50％，空气孔的直径在0.1λ～10λ随机分布，λ为传输光波长。

5.一种具有环绕光波导通道的安德森局域光纤的制备方法，其特征是：

步骤1：取一大芯径多模光纤预制棒，在预制棒的纤芯内部打孔，制得含有环形纤芯的带孔预制棒；

步骤2：取一薄壁石英管，往薄壁石英管内堆放具有不同孔径的空心细径石英管，于高温炉中控压拉细成一批不同的外径的、具有大小随机分布孔的多孔预制棒；

步骤3：取一薄壁石英管，将步骤2中的一批多孔预制棒组合后插入薄壁石英管，再次在高温下控压拉细，制得安德森局域光波导预制棒；

步骤4：将步骤3制备的安德森局域光波导预制棒插进步骤1中制备的预制棒，组合成新的预制棒并在高温炉中控压拉丝，制备得到具有环绕光波通道的安德森局域光纤。

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