醫(yī)用激光設(shè)備光斑整形勻化研究

曾水林

摘 要：本文基于醫(yī)用半導(dǎo)體激光設(shè)備與多模光纖耦合系統(tǒng)，分析了造成了多模光纖出射光斑的不均勻原因。通過軟件仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)，研究解決了多模光纖出射光斑的不均勻性問題。這主要包括在多模光纖上添加使光纖傳播路徑發(fā)生改變的結(jié)構(gòu)件及對光纖末端進(jìn)行處理。與未添加勻化結(jié)構(gòu)件和未進(jìn)行端面處理的多模光纖光斑進(jìn)行對比，充分證明加入結(jié)構(gòu)件和對光纖端面的處理并不會造成多模光纖激光功率傳輸?shù)奶蟾淖儭?/p>

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光；多模光纖；光斑勻化

0 前言

和其他激光器相比，單芯片半導(dǎo)體激光器最大的缺點(diǎn)就是光束質(zhì)量差。由于單芯片半導(dǎo)體激光器固有結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，大功率單芯片半導(dǎo)體激光器的光束參量積在快慢軸方向相差較大，輸出光能量不集中，遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布不均勻，很難用普通的光學(xué)系統(tǒng)得到高亮度的大功率激光輸出，嚴(yán)重妨礙了大功率單芯片半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用。

市面上普通的單個半導(dǎo)體激光二極管，其輸出的激光功率一般在幾百毫瓦到幾瓦之間，對于一般的應(yīng)用領(lǐng)域如，光指示、光催化或光激發(fā)已經(jīng)足夠，然而，在實(shí)際應(yīng)用中，未經(jīng)勻化的半導(dǎo)體激光照射裝置其輸出的光斑中心或邊緣有暗區(qū)，光斑不均勻，容易造成被照射組織的光敏激發(fā)不均勻，影響療效。

1 光斑整形

1.1 光斑壓縮

光纖是一種能夠傳輸光頻電磁波的介質(zhì)波導(dǎo)，其由纖芯、包層和涂覆層組成。當(dāng)光束滿足一定入射條件時，光波就能沿著纖芯向前傳播。由于纖芯和包層存在著折射率差，符合入射角度的光束會在纖芯和包層之間發(fā)生全反射，經(jīng)過多次的全反射傳播路徑后，光束到達(dá)指定的照射位置。在激光照射醫(yī)療領(lǐng)域使用最多的是多模大芯徑石英光纖，其衰減量相較于長距離傳輸?shù)耐ㄐ殴饫w來說會大很多，但用于醫(yī)療的光纖長度在幾米之內(nèi)，其對衰減量不太敏感。

半導(dǎo)體激光由于其發(fā)光面的特殊性，在未經(jīng)光束整形前，其出射的光斑為一條直線（如圖1所示）。

垂直于PN結(jié)的方向稱為快軸，快軸的發(fā)散角可達(dá)到30～40度左右，而平行于PN結(jié)的方向稱為慢軸，慢軸的發(fā)散角一般是4～8度之間。當(dāng)要將半導(dǎo)體激光束耦合進(jìn)光纖中時，由于光纖的纖芯直徑遠(yuǎn)小于未經(jīng)整形的半導(dǎo)體激光光斑尺寸，這就需要在半導(dǎo)體激光二極管發(fā)光面前端放置柱透鏡壓縮快軸方向的光束，使快軸或慢軸方向上的光束聚合成一個較小的且能進(jìn)入光纖端面的光斑。在距離半導(dǎo)體激光二極管發(fā)光面兩米遠(yuǎn)處的光斑形狀，如圖2所示。

1.2 光斑整圓

激光光束的整圓可利用橢圓微透鏡或二元光學(xué)元件進(jìn)行，使用光纖對激光光束進(jìn)行整圓的結(jié)構(gòu)簡單、耦合效率高，適合制作小體積、大功率的照明光源。用于光束整圓的光纖為階躍折射率多模光纖。光纖對激光光束的整圓，可以用纖維光學(xué)的射線理論來介紹。

經(jīng)過與多模光纖耦合后，半導(dǎo)體激光光束在多模光纖末端出射的光斑形狀會發(fā)生改變。利用ZEMAX軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，得到的光斑如圖3（a）和圖3（b）所示，圖中很明顯可以看到光能量的分布不均勻，中間光強(qiáng)大于邊緣光強(qiáng)。

2 光斑勻化研究

2.1 現(xiàn)有的勻化技術(shù)

半導(dǎo)體激光發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)經(jīng)封裝固定，要實(shí)現(xiàn)光斑勻化，需對光束經(jīng)過的路徑進(jìn)行二次光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從已經(jīng)公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看，多數(shù)的光斑勻化的二次光路結(jié)構(gòu)主要有四類：一類是在光源與光纖之間加一聚光器和勻化鏡片，如微透鏡片、菲涅爾鏡片或復(fù)雜非球面鏡片等結(jié)構(gòu)；第二類是改變光波導(dǎo)的形狀結(jié)構(gòu)，使得激光各模式分布改變，如將傳統(tǒng)的圓柱形光纖改成三角形或多邊形的空心波導(dǎo)，以此改變光束行走的路徑，達(dá)到勻化的目的；第三類是在多模光纖的出光末端加裝勻化鏡片之類的勻化結(jié)構(gòu)，如較為簡單的加裝一塊毛玻璃，使光束發(fā)生強(qiáng)烈的散射，達(dá)到勻化光斑的目的；第四類是包含了前面三類的綜合勻化方式。

2.2 利用軟件對本文所探討的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真

前文所述的各種勻化方法皆會使激光器裝置及應(yīng)用部分的結(jié)構(gòu)變大、變復(fù)雜，這對于在實(shí)際的醫(yī)療照射領(lǐng)域中是不太合適的，越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會帶來更多的風(fēng)險，當(dāng)各種風(fēng)險累積到一起時則有可能會超過受益，醫(yī)用激光設(shè)備的安全性將得不到保障。經(jīng)過模擬和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過彎曲多模光纖的方式能夠使多模光纖末端出射的光斑的光強(qiáng)分布更均勻。使多模光纖發(fā)生固定彎曲的結(jié)構(gòu)件可以采用金屬擾性套管或定型的其他材質(zhì)構(gòu)成的同樣功能的套管。

（1）擾性套管

擾性套管可改變光束在多模光纖中的模式分布。在光纖傳輸體外部加裝擾性套管，擾性套管產(chǎn)生的物理作用力使光纖在較短長度內(nèi)實(shí)現(xiàn)彎曲。擾性套管可通過彎曲金屬空心管得到，也可以基于設(shè)計(jì)得到固定的結(jié)構(gòu)后直接套結(jié)于多模光纖之上。其結(jié)構(gòu)可如圖4所示。

（2）軟件模擬擾性套管對光斑勻化的作用

利用ZEMAX軟件的非序列模式建立半導(dǎo)體激光二極管與多模光纖耦合的模型。加裝擾性套管的半導(dǎo)體激光與多模光纖耦合的結(jié)構(gòu)及光斑圖如下所示：

在圖5中，半導(dǎo)體激光光束經(jīng)柱透鏡的壓縮之后進(jìn)入到平直放置的光纖中，在光纖的某一部位加裝彎曲的擾性管，光束經(jīng)過光纖末端后照射于光屏上，在光屏上顯示的光斑形狀如下：

從圖6中可以清楚地看到，與未加裝擾性套管之前的光斑相比，其光斑的均勻性有明顯的改善。這充分證明加裝擾性套管可以改善多模光纖出射光斑的均勻性，達(dá)到對光斑的勻化作用。不過由于軟件仿真的局限性，光斑勻化的效果并不是十分完美，圖6中的光斑在邊緣處還有一些較弱的散光存在。

2.3 實(shí)驗(yàn)安排

2.1 實(shí)驗(yàn)條件與對象

實(shí)驗(yàn)使用的儀器與工具及環(huán)境條件如表1所示。實(shí)驗(yàn)的對象是一根纖芯直徑為400um的石英光纖。

2.2 光斑勻化

將光纖跳線的SMA905接頭連接于半導(dǎo)體激光光源的輸出端口，同時將擾性套管套在光纖跳線上。保持光纖平直放置。接通激光光源的電源，待激光光源穩(wěn)定后，調(diào)整激光光源輸出功率為1000mW。用激光功率計(jì)測量光纖末端的輸出功率，如表2所示。同時，查看光斑在白色光屏上的形狀。如圖7所示。

用工具將擾性套管折彎，折彎后的形狀如圖8（a）所示，在折彎時應(yīng)關(guān)注折彎光纖后光纖末端輸出的光斑圖的變化情況。當(dāng)光斑在肉眼觀察下已無法明顯發(fā)現(xiàn)其不均勻性即可。如圖8（b）所示。

測量勻化后的光纖末端的激光功率，與未加擾性套管的光纖末端激光功率進(jìn)行對比。如表2所示。

從多模光纖加裝擾性套管前后所測得的輸出功率來看，說明施加外力使光斑勻化的過程或引起一些激光功率的損耗，這是符合前文的軟件模擬結(jié)果的。

3 結(jié)論

本文提出的利用多模光纖和擾性套管對醫(yī)用半導(dǎo)體激光設(shè)備輸出的光斑進(jìn)行整形勻化的概念，較好地解決了半導(dǎo)體激光器與多模光纖耦合后光斑均勻性差的問題，對提高醫(yī)用激光設(shè)備出射光斑的均勻性有重要意義。在多模光纖裸纖上加裝擾性套管，改變了激光束各種模式在光纖內(nèi)部的分布。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳敏，葉中琛，任海萍，金若男. 光纖和醫(yī)用激光設(shè)備整體質(zhì)控的研究[J]，中國醫(yī)療器設(shè)備，2014，29（06），95.