超小自聚焦光纖探頭在光學相干層析系統中的應用研究

畢書博 李澤夫 陸葉斌 張秋坤 汪毅

摘 ?要： 建立了基于超小自聚焦（GRIN）光纖探頭的掃頻光學相干層析（SS-OCT）系統，經玻片厚度測試實驗，分析了其在光學相干層析成像系統中的應用效果，并與裸單模光纖結構探頭的檢測結果對比分析，結果表明超小自聚焦光纖探頭具備更強的聚焦性和信號收集能力.

關鍵詞： 超小光纖探頭; 掃頻光學相干層析（SS-OCT）系統; 光學檢測

中圖分類號： TN25 ? ?文獻標志碼： A ? ?文章編號： 1000-5137（2020）04-0387-07

Abstract： A swept source optical coherence tomography（SS-OCT） system based on the ultra-small gradient-index （GRIN） fiber probe wasset up to measure the thickness of a thin glass.The application effecton this system was analyzed.The comparison analysis of the experimental results with the same thin glass measured by a bare single-mode optical fiber probe proves that the ultra-small GRIN fiber probe has superior focusing performance and signal collection ability.

Key words： ultra-small fiber probe; swept source optical coherence tomography system（SS-OCT）; optical detection

0 ?引 ?言

光學相干層析技術（OCT）是20世紀90年代初發展起來的一種新型生物醫學成像技術，因其分辨率高和成像速度快等特點，在生物醫學成像領域具有非常重要的應用價值[1].超小光學探頭可作為OCT系統的探測端，能克服傳統OCT系統成像深度（1～3 mm）的局限性，實現對生物組織或器官的內窺成像.超小光學探頭的主要功能是將光源光束聚焦到待測樣品內部，同時收集攜帶樣品信息的反射或散射光，并將收集的信息光傳輸到信息處理單元.

超小光學探頭的結構尺寸以及性能直接影響OCT系統的應用范圍與成像質量.自21世紀開始，基于全光纖結構的超小型光學探頭憑借其優越的材料特性逐漸成為該領域的研究熱點[2].2000年，LI等[3]研制出首個裸單模光纖探頭，并基于該探頭的OCT系統實現了對倉鼠腿部肌肉神經束的成像;2002年，REED等[4]提出了“單模光纖+自聚焦（GRIN）光纖”結構的全光纖型超小探頭，用于低相干干涉儀的研究;同年，SWANSON等[5]就有關超小型光學探頭的設計和制作及其使用方法申請并獲得了美國專利授權;2007年，毛幼馨等[6]提出了“單模光纖+無芯光纖+GRIN光纖”結構的超小GRIN光纖探頭光學模型，并驗證了無芯光纖具有提高探頭工作距離的作用;自2011年起，王馳等[7-10]對超小GRIN光纖探頭的模型及光學特征參數進行了更深入的理論解析，并研究了該探頭的耦合效率[11];2017年，丁志華等[12]提出一種基于拉錐結構的超小光纖探頭，通過在單模光纖與大纖芯多模光纖之間引入過渡拉錐段以減少插入損耗，提高了探頭的光傳輸效率.到目前為止，包括單模光纖、無芯光纖、GRIN光纖、大纖芯多模光纖、大模場面積光子晶體光纖、球形光纖結構、曲面光纖結構等多種超小光纖探頭已被提出[2].

本文作者搭建了基于“單模光纖+無芯光纖+GRIN光纖”結構超小GRIN光纖探頭的掃頻光學相干層析系統（SS-OCT），并對該結構探頭在OCT系統中的應用效果進行分析對比，為其在醫學成像領域的應用提供一定的理論基礎和方法借鑒.

1 ?超小GRIN光纖探頭的光學模型解析

1.1 光學模型

超小GRIN光纖探頭結構模型如圖1所示，其中單模光纖與測量系統探測臂相連，檢測樣品時，單模光纖將光源光束傳輸到無芯光纖中，經無芯光纖擴束和GRIN光纖聚焦后，探測光束會從探頭中射出并聚焦到待測樣品上，隨后攜帶有樣品信息的反射或散射光又被超小GRIN光纖探頭收集，并傳輸回信息處理單元，用于樣品結構圖像等信息的重建與研究.

1.2 光學特征參數

超小GRIN光纖探頭特征參數解析模型[7]如圖2所示，設入射高斯光束的波長為λ，束腰半徑為ω0，無芯光纖的長度為L0，折射率為n0，GRIN光纖的長度為L，中心折射率為n1，聚焦常數為g，外界傳輸介質（樣品所處環境）折射率為n2.超小GRIN光纖探頭的聚焦特性可由工作距離、聚焦光斑尺寸和景深3個特征參數表征[7]，定義如下：1） 工作距離zω，表示高斯光束通過超小GRIN光纖探頭后的聚焦光斑位置距探頭輸出端面之間的距離;2） 聚焦光斑尺寸2ωf，表示高斯光束通過超小GRIN光纖探頭后的聚焦光斑束腰直徑;3） 景深（DOF）2Zf，表示高斯光束通過超小GRIN光纖探頭聚焦后的2倍瑞利長度.

根據光束的傳播規律可知：從GIRN光纖出射的光束會在離出射端面zω的位置處形成束腰直徑為2ωf的聚焦光斑，并具有2Zf景深范圍.1～6分別表示輸入面、無芯光纖與GRIN光纖的2個交界面、GRIN光纖與外界傳輸介質的2個交界面（或輸出面），以及聚焦平面.

超小GRIN光纖探頭的工作距離zω和聚焦光斑尺寸2ωf可用以表征探頭的聚焦特性，架起了超小GRIN光纖探頭聚焦性能與檢測系統成像性能之間的橋梁，在很大程度上影響系統的探測深度和橫向分辨率.

2 ?超小GRIN光纖探頭的制作方法及制作系統

超小GRIN光纖探頭的制作過程包括光纖的切割與不同光纖之間的熔接.如圖3所示為超小GRIN光纖探頭的制作方法：1） 在單模光纖上熔接無芯光纖;2） 以單模光纖與無芯光纖的熔接點為原點，切割所需長度L0的無芯光纖;3） 在無芯光纖另一端熔接GRIN光纖;4） 以無芯光纖與GRIN光纖之間的熔接點為原點，切割所需長度為L的GRIN光纖;5） 超小GRIN光纖探頭制作完成.

依據上述方法制作高質量的超小GRIN光纖探頭時，需要配備高精度的光纖切割機和光纖熔接機.其中，光纖熔接機應可以使兩光纖中心實現精準自動對齊，同時形成高質量（低損耗、低反射、高強度）的熔接點;光纖切割機應可以實現熔接點的精確定位和光纖長度的精確控制.

圖4所示為制作超小GRIN光纖探頭時用到的主要工具和材料，包括高精度光纖切割機（聯合研發）、光纖熔接機（型號X-86，上海相和光纖通信有限公司）、光纖切割刀（型號X-52，上海相和光纖通信有限公司）、光纖剝線鉗、單模光纖尾纖、無芯光纖（裸光纖，中國臺灣卓越）、GRIN光纖（裸光纖，中國臺灣卓越）等.圖5為在蔡司Primotech型號顯微鏡下放大200倍后的超小GRIN光纖探頭樣品，由于單模光纖與無芯光纖的熔接質量高，在顯微鏡下無法識別出它們之間的熔接點，只能觀測到無芯光纖與GRIN光纖之間的熔接點.

3 ?基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT系統

利用超小GRIN光纖探頭替代傳統SS-OCT樣品臂中的光學元件，建立如圖6所示系統模型.通過采用一個輸出波數隨時間高速掃描的掃頻光源，寬帶光分時輸出，經由干涉儀產生干涉，并利用光電探測器檢測不同波長光的干涉信號，實現信號分析.

圖7為搭建的基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT實驗系統.其中，光源選擇的是基于衍射光柵和微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）驅動的共振振鏡組合型掃頻光源（HSL-20-50-B，日本Santec公司），其工作中心波長1 314.5 nm，波長范圍（10 dB帶寬）113.6 nm，瞬時相干長度21.6 mm（計算得到瞬時線寬0.035 nm），掃頻速度50 kHz，最大輸出功率56.2 mW，占空比45%;具有低噪聲和帶寬大等特點的光電探測器（PDB470C-AC，美國Thorlabs公司），以及高采樣頻率雙通道數字采集卡（ATS9870，加拿大AlazarTech公司）.超小GRIN光纖探頭的無芯光纖長度為0.30 mm，GRIN光纖長度為0.11 mm，經性能檢測得到該探頭樣品的實際工作距離約為0.57 mm，聚焦光斑尺寸約為36 μm，配備該超小GRIN光纖探頭的SS-OCT系統的縱向分辨率約為19 μm，橫向分辨率約為21.2 μm.

4 ?實驗檢測結果及分析

搭建好圖7所示基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT系統，利用該系統對薄玻片（單層薄玻璃片）厚度進行檢測.如圖8所示為測量時的系統樣品臂，超小GRIN光纖探頭固定于光纖夾具中，光纖夾具則通過磁吸的方式固定在樣品臂的調整臺上，待測薄玻片緊貼在反射鏡前，利用MATLAB軟件對采集的數據進行傅里葉變換得到信號，如圖9所示.

由傅里葉變換原理可知：當測量的波長范圍為λ1～λ2時，系統成像圖的頻譜分辨率

Δd=（λ_2 λ_1）/（λ_2-λ_1 ）. （3）

當考慮待測樣品折射率n和探測光束來回的影響，實際成像圖的頻譜分辨率

Δd_n=1/2n ?（λ_2 λ_1）/（λ_2-λ_1 ）， （4）

其中，實驗所用薄玻片為BK7光學玻璃;厚度為170 μm;在中心波長1 310 nm處折射率n≈1.5.結合光源波長參數，計算可得該系統頻譜分辨率Δdn≈5 μm.由圖9單層薄玻片的測試信號圖可知：鏡面（1 128）和玻片前表面（1 094）具有34個頻率間隔（Δf），根據式（4）計算得出所測薄玻片厚度d=Δf×Δdn=34×5=170 μm，與玻片實際厚度一致.

同理，用單模光纖探頭替換超小GRIN光纖探頭對同一薄玻片厚度進行檢測，得到信號如圖10所示.由于單模光纖沒有聚焦光束的作用，從其端面出射的光束呈發散狀態，所以單模光纖測得的信號非常微弱，為能夠更清晰地觀測檢測信號，對其進行局部信號放大，如圖11所示，測得的玻片厚度為34個頻率間隔，即170 μm.也可知單模光纖出射端面距薄玻片的距離非常近，僅15個頻率間隔，為114 μm.

綜合以上實驗結果可知：測得的薄玻片厚度結果（170 μm）與其實際厚度一致，驗證了超小GRIN光纖探頭的應用可行性.分析比較可知利用超小GRIN光纖探頭和裸單模光纖探頭測得的結果一致，但是前者的測試信號強度約是后者的10倍，表明了超小GRIN光纖探頭較之單模光纖探頭具有更好的聚焦效果和信號收集能力.本實驗僅針對超小GRIN光纖探頭進行了一維測試，在后續的研究中，可在該探頭前端再熔接一段端面研磨45°的無芯光纖，制作成側向式光纖探頭，通過環狀或線狀掃描實現對生物組織器官的二維或三維成像.

5 ?結 ?論

本文作者介紹了超小GRIN光纖探頭的光學模型和制作方法，搭建了基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT系統，利用該系統對薄玻片厚度進行了檢測實驗，測得的薄玻片厚度結果與其實際厚度一致，驗證了超小GRIN光纖探頭的應用可行性.并通過與裸單模光纖探頭所檢測薄玻片的實驗結果進行對比分析，得出前者測得信號強度約是后者的10倍，證明了超小GRIN光纖探頭具有更好的聚焦性和信號收集能力，為超小GRIN光纖探頭在OCT系統內窺檢測領域的研究提供了一定的理論依據.

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（責任編輯：顧浩然）