CN116807466A - 一种基于多包层光纤的双向功能器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于多包层光纤的双向功能器件，其特征是：所述双向功能器件由多包层光纤、微透镜、分光棱镜、二向色镜、单光子探测器、不同波长的两个光源组成；两个不同波长的光源通过二向色镜合束，经过分光棱镜的反射，由微透镜耦合进多包层光纤的中间纤芯输出；多包层光纤的内包层纤芯用于收集漫反射光信号并反向传输，透过微透镜和分光棱镜后被单光子探测器接收探测。本发明能够同时实现照明光源或者激发光源的发射，漫射信号光或者荧光的收集、反向传输和探测，多包层光纤可以作为光学探针，用于远程和介入式光学探测。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种基于多包层光纤的双向功能器件，属于光纤器件技术领域。
背景技术
基于近红外吸收光谱原理的无创血氧监测近年来开始应用于临床。其基本原理为：血氧传感器探头上装有两个不同波段的可见光及近红外二极管，以及可以接受此波段的光探测器。可见光及红外二极管发出的两个波长的光信号，穿组织，被组织内各种细胞散射，漫反射信号被光电探测器接收。血红蛋白及氧合血红蛋白，吸收峰对应发射的两个波长的光信号。根据Lambert-Beer定律，两个波长的光信号吸收强度与血红蛋白及氧合血红蛋白浓度呈正相关。而氧合血红蛋白与血红蛋白的比例，即反应了组织内氧饱和度。
基于这种血氧饱和度的测量应用，光纤是一种很好的传光和收光介质，其在介入式测量方面有很大的用处。例如在监测一些体内重要局部器官或组织的血氧饱和度时，最好的方式就是采用细长的光纤作为传光介质，实现微创的介入式健康监测。举例来说，医用肺动脉导管内就集成了这样的光纤探针，用于监测微创手术时的血氧饱和度监测。一方面，传统的血氧饱和度的测量光纤探针通常采用光束发射光纤和收集光纤分离的多光纤结构，例如专利CN202011114382.2提到的脑组织血氧饱和度探测装置就是采用双光纤结构。另一方面，发射和接收传输通道的分离会导致光发射和接收模块的分离，不利于器件和设备的集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多包层光纤的双向功能器件，能够同时实现照明光源或者激发光源的发射，漫射信号光或者荧光的收集、反向传输和探测，多包层光纤可以作为光学探针，用于远程和介入式等光学探测。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于多包层光纤的双向功能器件，如图2所示，所述双向功能器件由多包层光纤1、微透镜2、分光棱镜3、二向色镜4、单光子探测器5、至少两个不同波长的光源6-1、6-2组成；不同波长的光束7通过二向色镜4合束，经过分光棱镜3的反射，由微透镜2耦合进多包层光纤1的中间纤芯输出；多包层光纤1的内包层纤芯用于收集漫反射光信号8并反向传输，透过微透镜2和分光棱镜3后被单光子探测器5接收探测。
所述的多包层光纤具有中间纤芯和内包层纤芯和外包层三层波导结构，中间纤芯用于正向传输不同波长的照明光束或者激发光束，内包层纤芯具有较大的数值孔径和有效光信号接收面积，用于接收漫反射光信号并反向传输。
所述的多包层光纤的内包层纤芯和外包层之间有一层低折射率隔离层，用于增加内包层纤芯的数值孔径，有利于提高漫反射光的收光效率。
所述光源是具有准直出射光束透镜的LED管或者LD管。
所述的单光子探测器用于探测内包层纤芯收集并反向传输的发射波长漫散射光信号，并转换为电信号。
所述的单光子探测器前装有滤光片，用于滤除激发光，硅基单光子探测器用于探测内包层纤芯收集并反向传输的非激发光波长信号，例如荧光信号。
所述的双向功能器件经过金属封装壳体将所有微型光学器件组件封装在同一个模块中。
本发明具有以下显著优势：
一方面，通过多包层光纤的同轴光发射和接收通道的空间拓扑嵌套，单根光纤就完成了发射和接收功能，实现了零间距的光发射源-光探测器的组合，器件的集成度高。
另一方面内包层纤芯具有较大的数值孔径和收光面积，能够有效收集漫反射光信号，提高光信号的收集效率。
附图说明
图1是实施例1中双包层光纤的结构和折射率剖面图。
图2是基于双包层光纤的双向功能器件的结构图。
图3是多包层光纤内包层纤芯用于收光的效率计算原理图。
图4是双包层光纤内包层纤芯收光面积S11随数值孔径NA的变化关系。
图5是双包层光纤内包层纤芯收光面积S11随内包层半径r0的变化关系。
图6是优化的三包层光纤的结构和折射率剖面图。
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：多包层光纤双向功能器件用于血氧饱和度的测量。
多包层光纤为双包层光纤1，其结构如图1所示，它是由中间纤芯1-1和内包层1-2和外包层1-3三个部分组成，其横断面结构如图1给出，该光纤可视为具有两个波导的特种光纤，中间纤芯波导和内包层纤芯波导，中间纤芯折射率为1.463，内包层折射率低于中间芯为1.460，而外包层折射率最低为1.457。
借助于这种特殊的双包层光纤，设计出满足特殊功能需求的双向功能器件：一方面通过中间纤芯实现不同波长光源的光发射；另一方面，通过内包层纤芯波导及其较大的探测接收面积，实现有光源产生的前向或后向漫射光信号。这种双向功能的器件可通过微型光学器件的组合封装来实现，其工作原理如图2所示。双包层光纤1的中间纤芯作为波长分别为735nm和905nm的两个光源6-1、6-2的注入通道，由中间芯传输至待测区域，发射光与组织相互作用后，后向漫射光信号被探测面积较大的内包层纤芯波导所接收，传送到单光子探测器5。于是，通过双包层光纤的同轴光发射和接收通道的空间拓扑嵌套，就实现了零间距的源-探测器的实现。
实施例2：收光效率优化提升的三包层光纤双向功能器件。
大芯径光纤的探测接收光的效率与光纤光场的光锥相关，只有光锥覆盖范围内的散射信号光才能被大芯径光纤收集。作为漫射光接收器时，中间纤芯的差异可以忽略，因而考虑内包层1-2总的收光效率。如图所示3，光纤内包层半径为r0，内包层和外包层的折射率分别为n1和n0，环境折射率为ne，那么对于z＝z1的固定平面的收光面积S1大小可表示该光纤结构的收光效率大小。以子午光线为例，那么有：
因此，对于距离光纤端面固定位置处，收光面积S1与光纤内包层半径r0和数值孔径NA两个参量相关。以z1＝5mm为例，若内包层的半径是确定的，设r＝30um，那么S1随NA的增大而增加，其关系曲线如图4所示；若光纤的NA是确定的，设NA＝0.12，那么S1随内包层半径r0的增加而增加，其关系曲线如图5所示。
因此，想要增加收光效率，就要尽可能增加光纤内包层对应的数值孔径NA和半径r0。为此，综合考虑上述因素后，采用优化设计的新型大芯径的三包层光纤9如图6所示，左边给出的是其横截面几何结构，包括中间芯9-1，内包层9-2，低折射率隔离层9-3，外包层9-4，右边给出了对应的折射率剖面分布情况
比较优化前后的两种多包层光纤：光纤的直径由之前的125μm增加到优化后的200μm；内包层半径从30μm增加到85μm；接收光的数值孔径NA由0.12增加到0.22；对于距离纤端z1＝5mm处的收光面积分别为：7.33×105μm2和2.68×106μm2，因而优化后的三包层光纤收光效率是双包层光纤的3.65倍。
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 (7)
1.一种基于多包层光纤的双向功能器件，其特征是：所述双向功能器件由多包层光纤、微透镜、分光棱镜、二向色镜、单光子探测器、至少两个不同波长的光源组成；不同波长的光束通过二向色镜合束，再经过分光棱镜的反射，由微透镜耦合进多包层光纤的中间纤芯输出；多包层光纤的内包层纤芯用于收集漫反射光信号并反向传输，透过微透镜和分光棱镜后被单光子探测器接收探测。
2.根据权利要求1所述的一种基于多包层光纤的双向功能器件，其特征是：所述的多包层光纤具有中间纤芯和内包层纤芯和外包层三层波导结构，中间纤芯用于正向传输不同波长的照明光束或者激发光束，内包层纤芯具有较大的数值孔径和有效光信号接收面积，用于接收漫反射光信号并反向传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于多包层光纤的双向功能器件，其特征是：所述的多包层光纤的内包层纤芯和外包层之间有一层低折射率隔离层，用于增加内包层纤芯的数值孔径。
4.根据权利要求1所述的一种基于多包层光纤的双向功能器件，其特征是：所述光源是具有准直出射光束透镜的LED管或者LD管。
5.根据权利要求1所述的一种基于多包层光纤的双向功能器件，其特征是：所述的单光子探测器用于探测内包层纤芯收集并反向传输的发射波长漫散射光信号，并转换为电信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于多包层光纤的双向功能器件，其特征是：所述的单光子探测器前装有滤光片，用于滤除激发光，硅基单光子探测器用于探测内包层纤芯收集并反向传输的非激发光波长信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于多包层光纤的双向功能器件，其特征是：所述的双向功能器件经过金属封装壳体将所有微型光学器件组件封装在同一个模块中。
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