超小GRIN光纖探頭高精度一體化制作裝置

周曉君++韓啟++于洋

摘要：研制一種高精度集成化的光纖熔接與光纖切割一體機(jī)，用于超小GRIN光纖探頭的制作。通過(guò)對(duì)光纖熔接機(jī)和光纖切割機(jī)的有機(jī)集成，并設(shè)計(jì)合理的超短光纖的高精度切割與熔接方案，實(shí)現(xiàn)由“單模光纖+無(wú)芯光纖+多模光纖”構(gòu)成的超小GRIN光纖探頭的制作。結(jié)果表明，制作的探頭組件尺寸在1mm量級(jí)以下，研究的制作裝置和方法可制作超小型GRIN光纖探針，適于小型化光學(xué)探頭及OCT系統(tǒng)的進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：GRIN光纖探針；單模光纖；無(wú)芯光纖

中圖分類(lèi)號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.25.094

1引言

光學(xué)相干層析技術(shù)（Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱(chēng)OCT）是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的、利用低相干特性來(lái)實(shí)現(xiàn)層析成像的新興技術(shù)，通過(guò)探測(cè)干涉信號(hào)來(lái)獲得樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息。是繼X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影（XCT）和核磁共振成像（MRI）之后的又一斷層成像技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)因高分辨率、成像速度快、無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)和外科手術(shù)中得以廣泛研究。但是由于大多數(shù)生物組織是光學(xué)非透明的，OCT技術(shù)的探測(cè)深度很有限，一般在1-3mm，在這一背景下，內(nèi)窺式微小光學(xué)探頭和小型化OCT系統(tǒng)的研制就成為OCT技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

由“單模光纖+無(wú)芯光纖+自聚焦光纖”構(gòu)成的超小自聚焦光纖探頭是一種全光纖型光學(xué)探頭，在空間狹窄、接收光照很小的深層組織或器官（如心血管）的內(nèi)窺檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)得以研究和發(fā)展。2002年，Swanson等人發(fā)明了基于GRIN光纖鏡頭的超小探針的美國(guó)專(zhuān)利；然后Reed等人研制了基于該專(zhuān)利的OCT在線成像系統(tǒng)；自從2007年Mao博士等人研究了GRIN光纖探針的研制及檢測(cè)方法；近年來(lái)，西澳大學(xué)D.D.Sampson團(tuán)隊(duì)研究了基于該探頭的OCT系統(tǒng)在乳腺癌等方面的應(yīng)用方案及初步光學(xué)圖像檢測(cè)結(jié)果；此外，R.Schmitt研究了基于該探頭的內(nèi)窺檢測(cè)系統(tǒng)在微深孔等方面的檢測(cè)方案。

超小自聚焦光纖探頭在內(nèi)窺檢測(cè)方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，但超小的結(jié)構(gòu)尺寸使其制作非常困難。作者課題組近年來(lái)研究了該探頭的設(shè)計(jì)方法和光學(xué)聚焦性能檢測(cè)技術(shù)，初步研究了基于光纖切割與光纖熔接的探頭制作方案，本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種高精度光纖切割與熔接的一體化制作模型，實(shí)現(xiàn)該一體機(jī)裝置的加工與制作，并利用高放大倍率的顯微鏡檢驗(yàn)該裝置制作超小自聚焦光纖探頭的加工精度。

2超小自聚焦光纖探頭模型

如圖1是一個(gè)典型的超小GRIN光纖探頭模型，由單模光纖、無(wú)芯光纖和GRIN光纖構(gòu)成，單模光纖、無(wú)芯光纖和GRIN光纖通過(guò)熔接與切割順次連接到一起。其中，單模光纖與OCT系統(tǒng)的探測(cè)臂相連，把光源光束傳輸?shù)綗o(wú)芯光纖。無(wú)芯光纖是一種折射率均勻的特種光纖，可通過(guò)擴(kuò)束而克服單模光纖模場(chǎng)直徑小的問(wèn)題，從而改善探針的聚焦性能。無(wú)芯光纖的長(zhǎng)度應(yīng)適中，過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)因擴(kuò)束嚴(yán)重而使部分光束能量從其側(cè)壁溢出而降低耦合效率，過(guò)短則可能會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)束失敗而起不到改善探針性能的目的。GRIN光纖鏡頭因折射率的連續(xù)變化而具有自聚焦性能。當(dāng)GRIN光纖鏡頭的長(zhǎng)度接近1/4節(jié)距（或其整數(shù)倍）時(shí)具有強(qiáng)烈的聚焦性能，焦距會(huì)很短；當(dāng)接近1/2節(jié)距（或其整數(shù)倍）時(shí)，有較長(zhǎng)的焦距，但光斑尺寸較大。在OCT系統(tǒng)成像研究中，一般希望探頭的焦距越大越好，以獲得較大的探測(cè)深度；另一方面，希望聚焦光斑的尺寸越小越好，以獲得較高的橫向分辨率。因此，GRIN光纖鏡頭的長(zhǎng)度選擇是一個(gè)折中，借助于無(wú)芯光纖通過(guò)擴(kuò)束作用對(duì)聚焦性能的改善，可以獲得較理想的探針設(shè)計(jì)方案。根據(jù)文獻(xiàn)的研究，無(wú)芯光纖隔片和GRIN光纖鏡頭的長(zhǎng)度均在亞毫米量級(jí)，因此，如何進(jìn)行短光纖的高精度切割與熔接是個(gè)挑戰(zhàn)性難題。

3一體化制作系統(tǒng)裝置

圖2是本文研究的超小GRIN光纖探頭的一體化制作系統(tǒng)模型及裝置，主要包括光纖熔接單元和光纖切割單元兩部分。該套封裝機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)超小GRIN光纖探頭制作裝置一體化，在超小GRIN光纖探頭制作時(shí)，將光纖切割過(guò)程與熔接過(guò)程在同一設(shè)備上完成，將原本復(fù)雜的熔接切割過(guò)程進(jìn)一步簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化了制作流程，提高了超小光纖探頭的制作效率。其中，箱體一側(cè)開(kāi)有窗口，以備設(shè)備供電的需求；箱體側(cè)面和箱蓋上均設(shè)有凹槽，以便設(shè)備的攜帶與搬運(yùn)；箱蓋與箱體之間采用任意懸停支撐桿連接，保持箱蓋懸停，方便探頭制作操作。下面本文重點(diǎn)分析光纖熔接單元和光纖切割單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理。

圖3光纖熔接單元工作原理示意圖，通過(guò)兩電極的電弧放電產(chǎn)生高溫，完成左右兩光纖的熔接。熔接單元的主要組成結(jié)構(gòu)包括防風(fēng)罩、步進(jìn)電機(jī)、光纖熔接固定臺(tái)、顯微放大鏡頭和cmos傳感器、電極、光纖熔接顯示屏等。防風(fēng)罩主要起保護(hù)作用，光纖熔接時(shí)扣合防風(fēng)罩保護(hù)熔接過(guò)程不受外界環(huán)境影響，不用時(shí)扣合防風(fēng)罩使內(nèi)部精密元件與外界分離，防止精密原件的老化；步進(jìn)電機(jī)與光纖熔接固定臺(tái)相連，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖熔接固定臺(tái)的移動(dòng)；光纖熔接固定臺(tái)的作用是固定光纖，通過(guò)控制光纖熔接固定臺(tái)的位置來(lái)改變光纖的位置；cmos傳感器和顯微放大鏡頭的作用是采集光纖探針圖像信息并放大處理最終完成在顯示屏上的成像；電極的作用是通過(guò)電弧放電產(chǎn)生高溫將兩光纖熔接到一起。

圖4是光纖切割單元工作示意圖。光纖切割單元的工作原理：通過(guò)顯微放大鏡頭和cmos傳感器完成光纖圖像信息的采集與放大，然后根據(jù)我們需要的光纖長(zhǎng)度扳動(dòng)光纖切割刀片完成切割。光纖切割單元的結(jié)構(gòu)組成：光纖切割刀片、步進(jìn)電機(jī)、光纖切割固定臺(tái)、顯微放大鏡頭和cmos傳感器、光纖切割顯示屏等。光纖切割固定臺(tái)的作用是固定加緊光纖，通過(guò)控制光纖切割固定臺(tái)的位置來(lái)改變光纖的位置；步進(jìn)電機(jī)與光纖切割固定臺(tái)相連，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖切割固定臺(tái)的移動(dòng)；cmos傳感器和顯微放大鏡頭的作用是采集光纖探針圖像信息并放大處理最終完成在顯示屏上的成像。

4制作方法

4.1制作前的準(zhǔn)備工作

取出一段單模光纖，用工具鉗先去除單模光纖的保護(hù)套，再去除涂覆層，再刨開(kāi)包層，漏出纖芯，用蘸有99%濃度的酒精擦拭光纖芯，放在光纖熔接單元的右端固定臺(tái)；用工具鉗剪一小段無(wú)芯光纖，用蘸有99%濃度的酒精擦拭后，放在光纖熔接單元的左端固定臺(tái)，注意不要讓光纖碰到灰塵。

4.2制作過(guò)程

單模光纖與無(wú)芯光纖的熔接切割：無(wú)芯光纖與單模光纖分別置于光纖熔接固定臺(tái)左右兩端夾緊，打開(kāi)光纖熔接單元，根據(jù)光纖熔接顯示屏成像。通過(guò)調(diào)節(jié)光纖熔接控制器按鈕調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)芯，在光纖調(diào)芯完畢后，運(yùn)行光纖熔接單元，通過(guò)兩電極之間的放電完成兩種光纖的高溫熔接。

熔接完成以后，將熔接到一體的光纖取出，置于光纖切割移動(dòng)臺(tái)，根據(jù)光纖切割顯示屏成像，找到光纖熔接之后的焊點(diǎn)，然后以焊點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，調(diào)整光纖切割固定臺(tái)移動(dòng)位移，根據(jù)需要的無(wú)芯光纖長(zhǎng)度，扳動(dòng)光纖切割刀片完成對(duì)無(wú)芯光纖的切割。

單模光纖、無(wú)芯光纖與多模光纖的熔接切割：在上述步驟已完成單模光纖與無(wú)芯光纖熔接切割的基礎(chǔ)上，將多模光纖與此光纖置于光纖熔接固定臺(tái)的左右兩端，完成無(wú)芯光纖一端與多模光纖的熔接，最后置于光纖切割固定臺(tái)，根據(jù)需要的多模光纖長(zhǎng)度調(diào)整步進(jìn)電機(jī)與光纖切割固定臺(tái)，扳動(dòng)光纖切割刀片完成多模光纖的切割。

4.3樣品尺寸檢測(cè)

通過(guò)以上方法，制作了六組不同尺寸的光纖探頭，在高倍率放大顯微鏡下進(jìn)行尺寸檢測(cè)，比較預(yù)設(shè)長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度的差距，判斷通過(guò)光纖熔接切割一體機(jī)制作出的超小光纖探頭精度。以制作其中的一組長(zhǎng)度為0.160mm無(wú)芯光纖、0.200mm多模光纖的光纖探頭為例，第一步完成單模光纖與無(wú)芯光纖的熔接與切割；第二步測(cè)量無(wú)芯光纖實(shí)際長(zhǎng)度，即焊點(diǎn)到切割端面的距離，測(cè)得實(shí)際的長(zhǎng)度為0.164mm；第三步完成無(wú)芯光纖與多模光纖的熔接與切割，切割完成后；第四步測(cè)量多模光纖實(shí)際長(zhǎng)度，即焊點(diǎn)到切割端面的距離，測(cè)得的實(shí)際長(zhǎng)度為0.200mm。

用上述相同的方法制作多組不同長(zhǎng)度的光纖探頭并測(cè)量尺寸。

5結(jié)束語(yǔ)

本文主要研制一種高精度光纖切割熔接一體機(jī)，通過(guò)模型設(shè)計(jì)、樣機(jī)制備等部分完成該一體機(jī)裝置的研制。最后，利用該裝置制作一系列超小GRIN光纖探頭，通過(guò)高放大倍率顯微鏡檢測(cè)光纖探頭的制作長(zhǎng)度。結(jié)果表明預(yù)設(shè)長(zhǎng)度與制作長(zhǎng)度基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該裝置的制作精度滿足探頭的制作要求，初步實(shí)現(xiàn)了超小GRIN光纖探頭制作裝置的一體化，可用于小型化光學(xué)探頭及OCT系統(tǒng)的研究。

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