CN1950737A

CN1950737A - 用于光谱分析系统的光纤

Info

Publication number: CN1950737A
Application number: CNA2005800135385A
Authority: CN
Inventors: W·H·J·伦森
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2007-04-18
Also published as: EP1743198A1; US20090153852A1; WO2005103778A1; JP2007534994A

Abstract

本发明提供一种光纤，用于连接对感兴趣体积进行光谱分析的光谱分析系统(300)的探头与基站。该光纤包括用于将激励辐射从基站传输到感兴趣体积的芯线，和将来自感兴趣体积的返回辐射多模传输到基站的光谱分析部件的第一包层。最好，第一包层被第二包层包围，从而其本身形成多模波导。适当设计芯线的尺寸，使第一包层和第二包层产生最佳的光纤收集和耦合效率。用多层光学滤波器涂覆光纤的远端端面，能够有效地分离弹性与非弹性散射辐射，这对于光谱分析是有利的。

Description

用于光谱分析系统的光纤

技术领域

本发明涉及光谱学领域。

背景技术

光谱技术用于分析目的的用途本身是现有技术公知的。WO02/057758A1和WO 02/057759A1给出了对流过患者毛细血管的血液成分进行体内非侵入式分析的光谱分析设备。通过成像系统确定毛细血管的位置，从而识别用于光谱分析的激励光束所指向的感兴趣区域。

对于许多应用而言，将光谱系统分成基站和小型、紧凑而柔性的探头是有利的。通常，基站具有尺寸相对较大的激光源和光谱分析仪。因此，可利用有限数量的部件设计探针，使探头的几何结构紧凑并且耐用。探头具有将激励光束聚焦到感兴趣的体积(volume ofinterest)中、并收集来自感兴趣体积的返回辐射的物镜。

由于其尺寸的限制，探头不能对返回辐射进行光谱分析。因此，实际使用时是利用光纤连接探头与基站，提供光信号的双向传输。一方面，例如，必须将近红外激光器的激励光束从基站传输到探头。另一方面，从感兴趣体积返回的散射辐射光谱表示感兴趣体积的分子成分。为了进行光谱分析，其必须通过探头来收集，并从探头传输到基站的光谱分析仪。

美国专利申请2003/0191398A1披露了对生物组织进行光谱分析的系统和方法。该系统具体包括具有近端和远端的光纤探针。输送光纤(或多个光纤)包含在近端与光源耦合的探针中。该系统包括处于探针中的收集光纤(或多个光纤)，用于收集来自组织的喇曼散射辐射，所述收集光纤在近端与探测器相连。此处，探针包括围绕输送光纤在第一半径处同心设置的多个第一收集光纤，和围绕输送光纤在大于第一半径的第二半径处同心设置的多个第二收集光纤。

因此，US2003/0191398A1的光纤探针利用围绕输送光纤在某一半径处同心设置的多个收集光纤，不能使用光纤探针的整个横截面来传输所收集的辐射。由于收集光纤和激励光纤的特征在于具有圆形横截面，多个收集光纤的任何设置都不可避免地具有收集光纤之间的裂缝或间隙不能引导光信号这一特征。

由于这些裂缝或间隙，US2003/0191398A1的光纤探针的特征在于对于必须从探头传输到基站的辐射来说耦合效率或收集效率有限。

因此，本发明的目的在于提供一种用于在光谱分析系统的探头与基站之间传输激励辐射和返回辐射的改进型光纤。

发明内容

本发明提供一种用于连接光谱分析系统的探头与基站的光纤，其中光谱分析系统用于分析感兴趣的体积。所述光纤包括用于将激励辐射传送到感兴趣体积的芯线，和对来自感兴趣体积的返回辐射进行多模传输的第一包层。通常将芯线设计成棒形，并且位于围绕芯线的第一包层的中心处。最好，芯线的直径远小于第一包层的直径。对于利用探头的物镜从感兴趣体积收集的返回辐射来说，第一包层本身起多模波导的作用。

此外，第一包层被第二包层所围绕，以保证第一包层的波导效果。

根据本发明另一优选实施例，芯线的折射率大于第一包层的折射率。此外，第二包层的折射率小于第一包层的折射率。由此，芯线和第一包层作为激励辐射的波导结构，第一包层与第二包层一起作为返回辐射的多模波导结构。

与现有技术不同的是，本发明的光纤基于最大数量为三个的不同基本部件，即第一芯线、第一包层和第二包层，用于提供激励辐射和返回辐射的双向传输。并非利用现有技术所披露的必须按照不同图案设置的多个收集光纤，本发明有效地利用具有更大直径并且本身形成多模波导的第一包层。

此外，可使用本发明光纤的整个横截面来传输光信号。这样可提供光纤的最大耦合和收集效率，因为在这种结构中不存在多个不同光纤之间的裂缝或间隙。

因此，本发明光纤具有高光收集效率，并且其横截面具有紧凑且并不复杂的设计。

根据本发明另一优选实施例，光纤的芯线对激励辐射而言为单模波导。当例如激励辐射处于用于进行喇曼光谱分析的近红外辐射(NIR)范围内时，芯线的直径应当不超过几微米。最好，芯线的直径介于2到5微米范围内。这种小直径芯线结合超过100微米的相当大直径的第一包层，导致对返回辐射具有高收集和耦合效率。因此，本发明光纤的大部分横截面用于将返回辐射从探头多模传输到基站。这一特征特别有益，因为可增强相关光谱数据的检测效率。

在将芯线设计成对激励辐射为单模波导时，具有另一个优点。由于在单模光纤中传播，导致通过芯线传播的激励光束的光束分布为高斯或类高斯型。当利用探头的物镜将激励光束聚焦成感兴趣的体积中时，这种高斯光束分布有利于实现高聚焦质量。此外，激光源并非必须提供理想的高斯光束分布。因此，提供激励辐射的激光源或光源有关横向光束分布的技术规格并不要求很高标准。因此，原则上即使提供低质量横向光束分布的低成本激光源也能使用。

根据本发明另一优选实施例，芯线的近端与产生激励辐射的辐射源耦合。例如，近红外激光器的高强度激光束被耦合到本发明光纤的芯线中。因此，光纤的近端位于容纳激光源的光谱分析系统的基站的内部。

根据本发明另一优选实施例，第一包层的近端也与光谱分析仪或类似检测元件耦合。

根据本发明另一优选实施例，光纤在第一包层的远端处具有第一滤波器元件。最好，第一滤波器为对激励辐射具有高反射率、并且对返回辐射的频率或波长偏移部分具有高透射率的介电材料多层光纤。

通过将激励光束聚焦到兴趣的体积中，可发生多种不同的散射作用。返回辐射的主要部分源于瑞利散射或弹性散射，激励辐射的频率保持不变。通常，返回辐射的主要部分源于激励辐射的非弹性散射，使散射辐射发生频移。这种频移表示在感兴趣的体积内分子具有多种能级。因此，返回辐射的这种喇曼偏移部分表示感兴趣体积的分子成分。

因此，第一滤波器元件用于将返回辐射的频移部分有选择地滤波。由此，第一滤波器元件作为二向色镜，用于将由弹性散射与非弹性散射过程引起的辐射分离。

根据本发明另一优选实施例，光纤在芯线的远端处具有第二滤波器元件。而且，最好将该第二滤波器元件设计为多层涂层，以便在单模芯线的端面产生窄带带通滤波器，从而阻挡激励辐射在光纤中产生的荧光。根据几何结构，特别是根据光纤长度、所用材料、单模芯线的数值孔径以及入射激励光束的强度，在光纤芯线内部传播的激励光束产生会显著破坏测量结果的不可忽略的背景荧光和喇曼信号。通过利用仅对激励辐射具有高透射率的第二滤波器元件，可有效地防止激励光束在纤芯中传播过程中所产生的有害的背景信号进入感兴趣的体积中。

根据本发明另一优选实施例，第一滤波器元件处于芯线的远端和第一包层的远端。换言之，对激励辐射具有高反射率或吸收率、对频移返回辐射具有高透射率的第一滤波器元件覆盖本发明光纤远端的整个横截面。尽管第一滤波器元件能有效地阻挡激励辐射发射，不过本实施例在光纤制造过程，特别是在用适当的多层涂层涂覆光纤端面方面是有利的。

具体而言，当第一滤波器元件的特征在于对激励辐射具有高吸收系数时，通过将高功率激光耦合到单模芯线到达光纤的近端，由于高能量沉积量，将会局部地破坏芯线附近的第一滤波器元件。因此，第一滤波器元件的剩余部分作为仅覆盖光纤包层的陷波滤波器。

根据本发明另一优选实施例，芯线的近端伸出第一包层的近端。由于芯线用于将激励辐射提供给探头，第一包层用于将返回辐射提供给基站、从而提供给第一包层的近端，必须通过某种装置将耦合辐射到光纤中与检测光纤发射出的辐射相分离。芯线的近端相比第一包层的近端伸出，使得能够分别接触本发明光纤的芯线和第一包层。

根据本发明另一优选实施例，芯线的近端还与将激励辐射耦合到芯线中的偏转元件耦合。当例如伸出的芯线与能够将辐射偏转例如90°的微棱镜耦合时，产生所需激励辐射的激光源可以与光谱分析系统基站内部的光谱分析部件空间分离。利用90度偏转棱镜，例如，能够实现这样一种光学结构：使激光的入射角基本垂直于所收集的通过第一包层引导的返回辐射的传播方向。

根据本发明另一优选实施例，将伸出第一包层近端的芯线近端相对第一包层的纵向弯曲一定角度。由此，在光谱分析系统的基站内，光纤所传输的不同光信号能够被有效地分离。

根据本发明另一优选实施例，芯线的折射率和第一包层的折射率对于距离芯线中心的径向距离是不变的。因此，芯线和第一包层的特征在于具有恒定折射率。因此，由芯线和第一包层所形成的波导结构表现出一种阶梯折射率波导。

根据本发明另一优选实施例，芯线的折射率和第一包层的折射率对于距离芯线中心的径向距离形成一种非均匀的渐变折射率分布。因此，由芯线和第一包层形成的波导结构为一种渐变折射率波导，整个光纤为一种渐变折射率光纤。

根据另一方面，本发明提供一种对感兴趣的体积进行光谱分析的光谱分析系统。光谱分析系统具有通过光纤相连的基站和探头。光纤包括用于将激励辐射传输到感兴趣体积的芯线，即将激励辐射从基站传输到探头。光纤还包括将来自感兴趣体积、即从探头收集到的返回辐射多模传输到基站的第一包层。

另一方面，本发明提供对感兴趣的体积进行光谱分析的光谱分析系统的探头。所述探头通过光纤与光谱分析系统的基站相连接。所述光纤包括用于将激励辐射传输到感兴趣体积的芯线，和对来自感兴趣体积的返回辐射进行多模传输的第一包层。

另一方面，本发明提供对感兴趣的体积进行光谱分析的光谱分析系统的基站。所述基站通过光纤与光谱分析系统的探头相连接。所述光纤包括用于将激励辐射传输到感兴趣体积的芯线，和对来自感兴趣体积的返回辐射进行多模传输的第一包层。

应当注意，本发明不限于特定光谱分析技术，例如喇曼光谱学，还可以使用其他光谱分析技术。包括(i)基于喇曼散射的其他方法，包括受激喇曼光谱分析法和相干反斯托克斯喇曼光谱分析法(CARS)，(ii)红外光谱分析法，具体为红外吸收光谱分析法，傅立叶变换红外(FTIR)光谱分析法和近红外(NIR)漫反射光谱分析法，(iii)其他散射光谱分析技术，具体为荧光光谱分析法，多光子荧光光谱分析法和反射光谱分析法，以及(iv)其他光谱分析技术，诸如光声光谱分析法，偏振测定法和泵浦探针光谱分析法。用于本发明的优选光谱分析技术为喇曼光谱分析法和荧光光谱分析法。

下面，将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例。

附图说明

图1表示本发明光纤的横截面示意图，

图2表示本发明光纤的纵剖面，

图3表示具有滤波器元件的光纤的纵剖面，

图4表示具有陷波滤波器元件的光纤的纵剖面，

图5表示具有两个不同滤波器元件的光纤的纵剖面，

图6表示具有伸出芯线的光纤的纵剖面，

图7表示具有与芯线耦合的偏转元件的光纤的纵剖面，

图8表示光谱分析系统的方框图。

具体实施方式

图1表示本发明光纤100的剖面图。光纤100具有芯线102，第一包层104和第二包层106。芯线102具体被设计成作为从光谱系统的基站传输到光谱系统的探头的激励辐射的单模波导。因此，芯线102的直径必须足够小。在使用近红外辐射时，芯线直径为大约2到5微米。为了提供有效的波导，用其特征为与芯线折射率相比具有更低折射率的第一包层104包围芯线102。

第一包层104本身起多模波导结构的作用。可由围绕第一包层104的第二包层106来有效地实现第一包层104的波导作用。因此，第一包层104的特征在于与第二包层106相比具有更大折射率。由此，光纤100作为激励辐射的单模波导和所收集的返回辐射的多模波导，从而在理想情况下可用作光谱分析系统的基站与探头之间的柔性光学传输装置。

激励辐射必须从基站传输到探头，所收集的返回辐射必须从探头传输到基站。因此，通过光纤沿相反传输路径传输激励辐射和返回辐射。此外，由于芯线和第一包层保持彼此相对固定，在感兴趣的体积内，光纤在激励体积和检测体积之间产生足够大的重叠。激励体积的位置由光纤的芯线控制，检测体积由光纤的第一包层控制。由于芯线与包层彼此保持固定，可有力地保证检测体积与激励体积也充分重叠。因此，无需手动调节激励体积的位置或检测体积的位置。

第一包层104的直径显著大于芯线102的直径。通常，第一包层104的直径为大约或者可以甚至超过100微米。由此，单模芯线102的横截面面积仅为第一包层104的横截面面积的一小部分。因此，将返回辐射耦合到第一包层104中的收集效率或耦合效率，远大于通过围绕激励光纤同心设置的多种不同光纤传输返回辐射的各种已知现有技术解决方案。与现有技术中公知的这些分离的收集光纤相比，本发明起收集光纤作用的多模第一包层104对返回辐射具有更高的收集效率。

通过将光纤100的芯线102设计成作为激励辐射的单模波导，激励光束的横向分布为高斯或类高斯型。当发射激光束通过探头的物镜聚焦时，从光纤远端发射出的这种高斯激励光束具有高聚焦质量。由此，可充分保证激励光束的焦斑尺寸处于所要求的范围之内。

图2表示光纤100的纵剖面。芯线102位于光纤100的中心，并且在每一侧被第一包层104所包围。而第一包层104被第二包层106所包围。激励辐射200从左侧进入芯线，并且从右侧从芯线发射出。返回辐射202沿相反传播路径通过光纤100传输。返回辐射202从右侧进入第一包层104，并从左侧从第一包层104发射出。

光纤100的左端与光谱分析系统的基站相连接，其中，光谱分析系统具有用于产生激励辐射200的激光源，并且还具有对返回辐射202进行光谱分析的光谱仪。光纤100的左端也称作近端。光纤100的远端指光纤100的右端。远端与光谱分析系统的探头相连接。所述探头还利用物镜，将激励光束200聚焦到感兴趣的体积中。利用同一物镜，测量头还收集从感兴趣的体积射出的返回辐射。

经过聚焦的激励辐射200在感兴趣的体积中产生多种散射过程，即弹性散射过程，类瑞利散射和非弹性散射过程(如造成散射辐射频移的斯托克斯或反斯托克斯过程)。非弹性散射光的光谱揭示出与检测体积中分子的振动能级有关的信息。可有效地利用该信息，识别并量化例如患者组织或血液中的多种物质(被分析物)。

图3表示远端处具有第一滤波器110的光纤的纵剖图。滤波器110的特征在于对激励辐射具有高吸收率，但是对喇曼偏移返回辐射具有高透射率。滤波器110可以为光纤100的整个端面，包括芯线102、第一包层104和第二包层106的横截面上的多层涂层。该滤波器用于对频移光谱信号进行滤波，防止弹性散射辐射进入包层104。与激励辐射具有相同波长的弹性散射辐射被滤波器110有效吸收。

当高强度激光被耦合到芯线102的近端中时，辐射将被滤波器110吸收，在滤波器中产生局部能量沉积，从而滤波器110被局部破坏，发射出激励辐射。由此，可有效地产生图4中所示的陷波滤波器112。陷波滤波器112基本上是局部去除掉覆盖光纤100的芯线102的区域之后滤波器110的剩余部分。陷波滤波器112具有环状横截面形状，并且至少覆盖第一包层104的整个横截面，甚至覆盖第二包层106的整个横截面。陷波滤波器112的特征在于对喇曼偏移返回辐射具有高透射率，而对于弹性散射辐射、即与激励光束具有相同频率的辐射具有高反射率或高吸收率。

图5表示光纤100的纵剖面。与图4相比，图5实施例具有覆盖芯线102的横截面的附加滤波器114。最好，滤波器114对激励辐射起窄带带通滤波器的作用。其有效地阻挡通过光纤100的芯线102传播的激励辐射的散射过程所产生的荧光。由于通过光谱仪对返回辐射进行光谱分析，重要的是激励光束具有可通过滤波器114有效实现的高单色性。

图6表示光纤100的纵剖面，其中，芯线102的近端伸出超越第一包层104的近端和第二包层106的近端。此外，在芯线102的近端处，向侧面弯曲大约90度，能够使反向传播的激励辐射200和返回辐射202空间分离。利用聚焦透镜120可将激励辐射200有效地聚焦到芯线102的近弯曲端中。因此，激励光束200基本上垂直于从光纤100的包层104发射出的返回辐射202传播。当例如第一包层104和第二包层106具有适当的槽口、使芯线弯曲到第一和第二包层所形成的管道的外部时，甚至可任意延长芯线102或包层104，106的近端。因而，根据任何任意的灵活结构，两个包层104，106可以与光谱仪耦合，芯线102可以与激光源耦合。

图7表示芯线102伸出超越光纤100的第一和第二包层104，106，但没有向侧面弯曲的实施例。此处，芯线102的近端与偏转元件122耦合，偏转元件102改变激励光束200的方向，将激励光束200耦合到光纤的芯线102中。可将偏转元件122设计为通过例如光学粘结剂固定到单模芯线102的微棱镜。与图6中所示类似，此处激励光束200也沿垂直路径被耦合到光纤100的芯线102中。最好，连芯线的近端都能倾斜，使得芯线本身起偏转元件的作用。因此，通常不需要单独的偏转元件，可省去将偏转元件固定到芯线近端的相当精细的工作。

图8表示光谱分析系统300的方框图。基本上可将光谱分析系统300分成基站302，光纤304和探头306。基站具有光谱仪318，激光源316以及耦合装置314。探头306具有耦合装置312和物镜310。基站302中的激光器316所产生的激励光束，通过耦合装置314被耦合到光纤304中。光纤304与上述附图中所示的光纤100具有相同特征。因此，激励光束被耦合到光纤304的芯线中。高强度激励光束被传输到探头306，并通过物镜310被聚焦到感兴趣的体积308中。耦合装置312提供滤波器110，112和114。

激励辐射在感兴趣体积308内的非弹性散射过程所引起的返回辐射，被物镜310收集，并通过耦合装置312耦合到光纤304的第一包层中。然后，返回辐射通过光纤304传输到基站302的耦合装置314。耦合装置314还用于将光纤304的芯线与光纤304的包层空间分离。对返回辐射而言作为多模波导的包层，最好与基站302的光谱仪318耦合，光谱仪针对感兴趣体积308中发生的非弹性散射过程引起的频移辐射进行光谱分析。

附图标记：

100：光纤

102：芯线

104：第一包层

106：第二包层

110：滤波器

112：滤波器

114：滤波器

120：耦合透镜

122：偏转元件

200：激励辐射

202：返回辐射

300：光谱分析系统

302：基站

304：光纤

306：探头

308：感兴趣的体积

310：物镜

312：耦合装置

314：耦合装置

316：激光器

318：光谱仪

Claims

1、一种光纤(100；304)，用于连接对感兴趣体积(308)进行分析的光谱分析系统(300)的探头(306)与基站(302)，包括：

-芯线(102)，用于将激励辐射传输到感兴趣体积，

-第一包层(104)，对来自感兴趣体积的返回辐射(202)进行多模传输。

2、根据权利要求1所述的光纤(100；304)，其中，所述芯线(102)的折射率大于第一包层(104)的折射率。

3、根据权利要求1或2所述的光纤(100；304)，其中所述芯线(102)适于为激励辐射(200)提供单模波导。

4、根据权利要求1到3其中任何一个所述的光纤(100；304)，其中所述芯线(102)的近端适于与产生激励辐射(200)的辐射源耦合。

5、根据权利要求1到4其中任何一个所述的光纤(100；304)，其中第一包层(104)的近端适于与探测器元件耦合。

6、根据权利要求1到5其中任何一个所述的光纤(100；304)，在第一包层(104)的远端处具有第一滤波器(110；112)元件。

7、根据权利要求1到6其中任何一个所述的光纤(100；304)，在所述芯线(102)的远端处具有第二滤波器元件(114)。

8、根据权利要求1到6其中任何一个所述的光纤(100；304)，在所述芯线(102)的远端处和第一包层(104)的远端处具有第一滤波器元件(110)。

9、根据权利要求1到8其中任何一个所述的光纤(100；304)，其中所述芯线(102)的近端伸出超越第一包层(104)的近端。

10、根据权利要求1到9其中任何一个所述的光纤(100；304)，其中所述芯线(102)的近端耦合到偏转元件(122)用于将激励辐射(200)耦合到芯线中。

11、根据权利要求1到10其中任何一个所述的光纤(100；304)，其中所述芯线(102)的折射率、以及第一包层(104)的折射率相对于距离芯线中心的径向距离是恒定的。

12、根据权利要求1到11其中任何一个所述的光纤(100；304)，其中所述芯线(102)的折射率和第一包层(104)的折射率形成相对于距离芯线中心的径向距离是非均匀的渐变折射率分布。

13、一种对感兴趣体积(308)进行光谱分析的光谱系统(300)，具有基站(302)和探头(306)，所述探头与基站通过光纤(100；304)连接，所述光纤包括：

-芯线(102)，用于将激励辐射(200)传输到感兴趣体积(308)，

14、一种对感兴趣体积(308)进行光谱分析的光谱系统(300)的探头(306)，所述探头适于通过光纤(100；304)与基站(302)相连接，所述光纤包括：

-芯线(102)，用于将激励辐射(200)传输到感兴趣体积(308)，

15、一种对感兴趣体积(308)进行光谱分析的光谱系统(300)的基站(302)，所述基站适于通过光纤(100；304)与探头(306)相连接，所述光纤包括：

-芯线(102)，用于将激励辐射(200)传输到感兴趣体积(308)，