一种光纤探针及基于模场面积可调的可变焦光纤OCT装置的制作方法

一种光纤探针及基于模场面积可调的可变焦光纤oct装置
技术领域
[0001]
本发明涉及光纤器件技术领域，更具体地说，涉及一种光纤探针及基于模场面积可调的可变焦光纤oct(optical coherent tomography,oct)装置。


背景技术：

[0002]
由于独特的非侵入特性，光学相干层析技术作为一种极具潜力的成像手段被广泛应用于生物医学成像领域。辨率作为oct系统的重要参数之一，是影响成像质量的决定性因素。oct装置的纵向分辨率受低相干光源中心波长和带宽的影响，而横向分辨率则取决于光束聚焦在待测样品上的光斑尺寸，两者互相独立。然而，oct装置横向分辨率和聚焦深度是一对相互制约的参数，横向分辨率会随着待测组织远离焦点而迅速下降这一缺陷，限制了oct技术对景深范围以外组织的高质量成像。为了获得对大范围组织的高分辨成像，许多新颖的成像技术被开发出来，例如基于贝塞尔光束制成的探头，多光束扫描机制以及基于自适应光学的自聚焦技术等，但是基于贝塞尔光束原理制成的探头焦点处能量过弱，用于成像时对光源能量要求较高；多光束扫描机制和自聚焦技术受系统构成和体积限制难以用于组织内部的内窥成像。采用工作距离可调的oct探头也可以作为克服这种缺陷的有效手段之一，通过改变光斑聚焦位置实现对组织深度信息上的扫描，可以实现在工作距离调节范围内的高分辨率成像。目前已研究的可用于oct装置的焦点可调技术包括基于电光，热光，电控机械以及声控机械等原理的技术手段。
[0003]
将光纤与oct技术相结合，制成基于光纤的oct内窥探头，能够简化系统样品臂结构，拓展oct的使用范围，目前已有基于光纤探头的oct技术用于体内腔体器官成像的研究。早期的光纤oct探针是将光纤与渐变折射率透镜粘合在一起，光纤的出射光经过渐变折射率透镜或球透镜后会产生聚焦效果，并借助微型反射镜或透镜出光端加工出的全反面对光束进行反射，以便于内窥使用时的侧向出光。随着光纤制备工艺的发展，无芯光纤和渐变折射率光纤被应用在光纤oct探针的制备中。由于光纤的尺寸小巧且熔接便利，全光纤oct探头在封装尺寸和插入损耗等方面较之前有了较大进步。但是，对于焦点可调的光纤oct装置还处于研究的初始阶段。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种光纤探针及基于模场面积可调的可变焦光纤oct装置，该可变焦光纤oct装置采用全光纤探针结构作为样品臂，其小巧、易于封装，并具有焦点可调的特点；同时，可变焦光纤oct装置可解决由于结构构成和结构参数固定而导致横向分辨率与景深相互制约的缺陷，从而使得可变焦光纤oct装置可用于内窥，并实现超出景深范围的高分辨率成像。
[0005]
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种光纤探针，其特征在于：该光纤探针由单模光纤、有源光纤、填充有热敏介质的微结构光纤、无芯光纤一、渐变折射率光纤和无芯光纤二依次熔接组成；所述无芯光纤二的端部设置有倾斜切割面；所述光
纤探针固定在医用注射器内实现封装。
[0006]
所述医用注射器的侧面具有开口，光纤探针通过紫外凝胶固定在医用注射器内实现封装。
[0007]
所述无芯光纤二的倾斜切割面设置有用于针对泵浦光的增透膜。
[0008]
一种采用光纤探针的基于模场面积可调的可变焦光纤oct装置，其特征在于：包括宽带光源、激光光源、耦合器一、参考臂光路结构、样品臂光路结构以及光谱分析部件；所述宽带光源用于发出源光束，源光束被耦合器一分成第一光束和第二光束；所述激光光源用于发出泵浦光；所述样品臂光路结构采用光纤探针作为样品臂；所述第一光束入射参考臂光路结构，所述第二光束与激光光源发出的泵浦光耦合并入射样品臂光路结构的光纤探针，实现光纤oct装置焦点可调；所述光谱分析部件用于接收并分析从参考臂光路结构反射回的第一光束以及从样品臂光路结构反射回的第二光束。
[0009]
所述参考臂光路结构包括环形器一、偏振控制器一、光束准直器、一维步进电机和作为参考臂的反射镜；所述第一光束通过环形器一后耦合进光束准直器，并照射在反射镜上；所述反射镜固定在一维步进电机上，以调节参考臂光路结构的光程。
[0010]
所述样品臂光路结构还包括环形器二、波分复用器、偏振控制器二和三维步进电机；所述第二光束经过环形器二后再通过波分复用器与激光光源发出的泵浦光耦合，并入射光纤探针；所述光纤探针固定在三维步进电机上，以调节样品臂光路结构的光程。
[0011]
所述光谱分析部件包括耦合器二、平衡光电探测器、光谱分析仪和控制器；所述平衡光电探测器、光谱分析仪和控制器依次连接；从参考臂光路结构反射回的第一光束以及从样品臂光路结构反射回的第二光束通过耦合器二耦合并发生干涉信号，干涉信号通过平衡光电探测器和光谱分析仪记录后保存于控制器内。
[0012]
可变焦光纤oct装置的焦距z
w
和横向分辨率d的表达式为：
[0013][0014][0015]
其中λ和w0分别为微结构光纤端面出射光的波长以及模场半径，n0和l0分别为起扩束作用的无芯光纤一的材料折射率和几何长度，n
g
和l
g
分别为渐变折射率光纤的纤芯有效折射率和集合长度，g为渐变折射率光纤的折射率梯度系数，n
s
为出射光所在空间的折射率系数。
[0016]
所述耦合器一为分光是为8：2的1
×
2光纤耦合器。
[0017]
所述耦合器二为分光是为5：5的2
×
2光纤耦合器。
[0018]
本发明可变焦光纤oct装置是这样实现焦点可调的：微结构光纤的出射光经过无
芯光纤一扩束后进入渐变折射率光纤，适当长度的渐变折射率光纤能够起到光束会聚作用，并再次经过一段倾斜切割的无芯光纤二改变出射光方向，最终焦点位于起封装作用的医用注射器外部。泵浦光的加入使得有源光纤可以吸收泵浦光并将部分光能转换热能，热量传递至与其相连的微结构光纤的空气孔中，造成空气孔内热敏介质折射率变化，改变微结构光纤模场直径，从而调节光纤探针的工作距离；同时，通过在无芯光纤二的倾斜切割面设置有增透膜的方式，衰减反射光中未被吸收的泵浦光，防止泵浦光对生物组织造成损伤。
[0019]
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
[0020]
1、本发明可变焦光纤oct装置具有焦点位置可调节功能，能够通过改变oct光斑聚焦位置对生物组织进行深度方向上的扫描，结合图像重组技术，可以实现超出景深范围的高分辨率成像。
[0021]
2、利用泵浦光和热敏介质热效应作为oct装置焦点调节的手段，能够实现“光控制”与“光传输”的合二为一，避免了电压、电流等调控方式在生物医学成像中的限制。
[0022]
3、本发明的光纤探针作为该发明装置的样品臂，使用以填充有热敏介质的微结构光纤作为导光光纤。利用微结构光纤模场直径与孔内填充介质折射率相关的特性，通过外界泵浦光产生光热效应，直接或间接作用于填充介质改变其有效折射率，进一步改变微结构光纤的模场直径，从而实现oct装置焦点可调。整个光纤探针封装于医用注射器中，可用于内窥成像。此外，这种通过改变oct装置结构参数从而实现焦点调节的方式，能够实现景深扩展的高范围高清成像，调控成本低，优化难度小。
[0023]
4、焦点位置可调的光纤探针中包含倾斜切割的无芯光纤二，起到光束偏转的作用，同时可以通过在无芯光纤二的倾斜切割面设置有增透膜的方式，衰减反射光中未被吸收的泵浦光，防止泵浦光对生物组织造成损伤。
附图说明
[0024]
图1是本发明可变焦光纤oct装置的示意图；
[0025]
图2是本发明光纤探针的示意图；
[0026]
其中，1为宽带光源、2为激光光源、3为耦合器一、4为耦合器二、5.1为环形器一、5.2为环形器二、6.1为偏振控制器一、6.2为偏振控制器二、7为光束准直器、8为一维步进电机、9为三维步进电机、10为光纤探针、10.1为单模光纤、10.2为有源光纤、10.3为微结构光纤、10.4为渐变折射率光纤、10.5为无芯光纤一、10.6为无芯光纤二、11为反射镜、12为平衡光电探测器、13为光谱分析仪、14为控制器、15为医用注射器。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
[0028]
实施例
[0029]
如图1和图2所示，本发明基于模场面积可调的可变焦光纤oct装置包括宽带光源1、980nm激光光源2、耦合器一3、参考臂光路结构、样品臂光路结构以及光谱分析部件。宽带光源1用于发出源光束，源光束被耦合器一3分成第一光束和第二光束。而激光光源2用于发出泵浦光，样品臂光路结构采用光纤探针10作为样品臂，第一光束入射参考臂光路结构，第二光束与激光光源2发出的泵浦光耦合并入射样品臂光路结构的光纤探针10，实现光纤oct
装置焦点可调，而光谱分析部件用于接收并分析从参考臂光路结构反射回的第一光束以及从样品臂光路结构反射回的第二光束。
[0030]
具体地说，耦合器一3为分光是为8：2的1
×
2光纤耦合器，源光束被耦合器一3分成能量占光源能量20％的第一光束和能量占光源能量80％的第二光束。参考臂光路结构包括环形器一5.1、偏振控制器一6.1、光束准直器7、一维步进电机8和作为参考臂的反射镜11，能量占光源能量20％的第一光束通过环形器一5.1后耦合进光束准直器7，并照射在反射镜11上，反射镜11固定在一维步进电机8上，以调节参考臂光路结构的光程。
[0031]
样品臂光路结构包括环形器二5.2、波分复用器15、偏振控制器二6.2、光纤探针10和三维步进电机9，能量占光源能量80％的第二光束经过环形器二5.2后再通过波分复用器15与激光光源2发出的泵浦光耦合，并入射光纤探针10，该光纤探针10固定在三维步进电机9上，以调节样品臂光路结构的光程。
[0032]
本发明的光谱分析部件包括耦合器二4、平衡光电探测器12、光谱分析仪13和控制器14，其中，平衡光电探测器12、光谱分析仪13和控制器14依次连接；从参考臂光路结构反射回的第一光束以及从样品臂光路结构反射回的第二光束通过耦合器二4耦合并发生干涉信号，干涉信号通过平衡光电探测器12和光谱分析仪13记录后保存于控制器14内。本发明可通过一维步进电机8调节参考臂光路结构的光程，通过三维步进电机9调节样品臂光路结构的光程，则可实现经过调整使得样品臂光路结构和参考臂光路结构的光程基本相同，消除样品臂和参考臂由于光纤长度不相同引入的色散。另外，样品臂光路结构和参考臂光路结构分别设置有偏振控制器二6.2和偏振控制器一6.1，可通过调节偏振控制器一6.1和偏振控制器二6.2改善干涉信号的信噪比。一维步进电机8和三维步进电机9通过电路连线与控制器14相连，实现一维步进电机8和三维步进电机9的移动和数据采集。
[0033]
本发明的光纤探针10由单模光纤10.1、有源光纤10.2、填充有乙醇的微结构光纤10.3、无芯光纤一10.5、渐变折射率光纤10.4和无芯光纤二10.6依次熔接组成，而无芯光纤二10.6的端部设置有倾斜切割面，医用注射器15的侧面具有开口，整个光纤探针10通过紫外凝胶固定在医用注射器15内实现封装。
[0034]
本发明可变焦光纤oct装置是这样实现焦点可调的：微结构光纤10.3的出射光经过无芯光纤一10.5扩束后进入渐变折射率光纤10.4，适当长度的渐变折射率光纤10.4能够起到光束会聚作用，并再次经过一段倾斜切割的无芯光纤二10.6改变出射光方向，最终焦点位于起封装作用的医用注射器外部。泵浦光的加入使得有源光纤10.2可以吸收泵浦光并将部分光能转换热能，热量传递至与其相连的微结构光纤10.3的空气孔中，造成空气孔内乙醇折射率变化，改变微结构光纤10.3模场直径，从而调节光纤探针10的工作距离；同时，通过在无芯光纤二的倾斜切割面设置有增透膜的方式，衰减反射光中未被吸收的泵浦光，防止泵浦光对生物组织造成损伤。
[0035]
对于光纤oct装置来说，其焦距zw和横向分辨率d可以表达为：
[0036]
[0037][0038]
其中(其中λ和w0分别为微结构光纤10.3端面出射光的波长以及模场半径)，n0和l0分别为起扩束作用的无芯光纤一10.5的材料折射率和几何长度，n
g
和l
g
分别为渐变折射率光纤10.4的纤芯有效折射率和集合长度，g为渐变折射率光纤10.4的折射率梯度系数，n
s
为出射光所在空间的折射率系数。由公式可以看出，当泵浦光功率发生变化时，会改变有源光纤10.2的热转换量，从而引起微结构光纤10.3中光敏介质(乙醇)的折射率发生变化，进一步改变微结构光纤10.3出射光模场半径w0的变化，最终实现光纤oct装置特征参数焦距zw和横向分辨率d的调节，实现焦点可调。
[0039]
本实施例中所使用的微结构光纤10.3型号为sm-7.0-1100-28的光子晶体光纤，无芯光纤一10.5和无芯光纤二10.6型号为fg125la，渐变折射率光纤10.4是型号为gif625的多模渐变折射率光纤。利用comsol软件模拟不同温度下微结构光纤空气孔内热敏介质(乙醇)折射率，计算其出射光的模场半径，并进一步计算光纤oct装置的焦距zw和横向分辨率d，其结果如表一所示。
[0040]
表一不同温度下微结构光纤的模场面积、oct装置的焦距zw和横向分辨率d
[0041][0042][0043]
从表中数据可以看出，当空气孔内温度由20℃变化为75℃的过程中，光纤oct装置
的焦距由62.7300μm变化至64.4541μm，对应的横向分辨率由8.7319μm变化至9.0188μm。说明本发明所述的基于模场面积可调的可变焦光纤oct装置能够通过模场面积变化实现焦点位置调节。
[0044]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，例如改变所使用的光纤类型，同样可以实现基于模场面积可调的可变焦光纤oct装置。
[0045]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。