超高分辨率石英光纖傳像束

許彥濤，郭海濤，侯超奇，崔曉霞，高 菘，張 巖，折勝飛

(中國科學院西安光學精密機械研究所光子功能材料與器件研究室，西安 710119)

0 引 言

光纖傳像束是大量光學纖維集束在一起且兩端光纖呈規則排列的一種可實現圖像傳遞的無源光學器件，具有柔軟易彎曲、抗電磁干擾等特點，在國防、醫療等領域獲得了廣泛應用[1-3]。國內長春理工大學[4]、北京玻璃研究院[5]、華東理工大學[6]等諸多高校和科研機構于20世紀90年代先后開展了基于酸溶法制備玻璃光纖傳像束的研究，成功研制出單絲直徑約8 μm、分辨率≥50 lp/mm、斷絲率≤0.3%的光纖傳像束。近年來，隨著對傳像束分辨率要求的進一步提高，光纖單絲直徑需要降至5 μm以內，傳統玻璃光纖傳像束受機械強度的制約，無法滿足要求，石英光纖傳像束應運而生。相對于玻璃光纖，石英光纖具有機械性能好、損耗低、耐高溫等優點，是制備超細(傳像束直徑<1 mm)、高分辨(分辨率>100 lp/mm)光纖傳像束的理想材料。國際上，日本、英國等發達國家率先開展了相關研究，研制的傳像束單絲直徑低至3.25 μm,分辨率高達154 lp/mm[7-8]，在高端醫療領域處于壟斷地位。國內開展石英光纖傳像束研究的機構較少，目前尚未有商用產品問世。

本文深入開展了超細高分辨石英光纖傳像束的研究，創造性地利用溶膠-凝膠法在像元單絲間隙中引入了含有過渡金屬離子的SiO2溶膠吸收層，解決了石英傳像束光串擾問題，采用一次復絲工藝，成功制備出15 000像元石英傳像束。通過優化過渡金屬離子種類和含量，獲得了過渡金屬離子摻雜SiO2吸收溶液在可見光波段的吸收光譜曲線。超細高分辨石英光纖傳像束的成功研制對推動我國高端醫療器件的發展具有重要意義。

1 實 驗

1.1 樣品制備

傳像束的制備采用一次復絲工藝，先拉制250～500 μm的光纖單絲，然后在模具中將單絲有序排制組束，得到復絲棒；之后將復絲棒浸泡在含有過渡金屬離子的SiO2溶膠溶液中，經烘干、真空燒結后，吸收劑以固態的形式填充在復絲棒單絲的間隙中；最后將復絲棒再次拉絲，得到石英光纖傳像束。相比二次復絲工藝，一次復絲工藝可以避免產生復絲邊界處的網格線[9]，有利于提高成像質量。

過渡金屬離子摻雜SiO2吸收溶液采用溶膠-凝膠法制備，吸收離子為Fe3+、Co2+、Ni2+，制得的SiO2溶液的吸收光譜見圖1。可以看出，該吸收液在可見光波段具有平坦的吸收，保障了傳輸圖像色彩的還原度。吸收劑填充到復絲棒單絲間隙中，一方面可起到吸收串擾光的作用，另一方面可以降低拉絲時光纖單絲的畸變，有利于維持光纖陣列的規整度。

圖1 含過渡金屬離子的SiO2溶液吸收光譜

1.2 測試與表征

使用電子探針(EPMA，日本電子公司，JXA-8230，加速電壓為20 kV，電子束直徑為5 μm)觀察光纖束端面和測試端面的元素分布；采用截斷法，利用光纖綜合參數測試儀(美國光動公司，型號2500，測試范圍為600～1 600 nm，測試步長為10 nm)對傳像束的損耗進行測試;采用自行搭建的測試系統對傳像束成像性能進行測試，目標物經自聚焦透鏡(飛秒光電科技(西安)有限公司)成像于傳像束入射端面，圖像經傳像束傳輸后，成像至探測器(型號CC501)。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖2(a)為制備的直徑為600 μm、像元為15 000的傳像束端面SEM照片。傳像束有效直徑為535 μm，像元單絲直徑約為4.4 μm，分辨率約為113 lp/mm。通過圖2(a)可以看出，傳像束像元均勻一致，無宏觀缺絲、畸變、缺陷產生。圖2(b)為傳像束端面的Ge元素分布圖，可以看出Ge元素集中在纖芯，未出現擴散溢出，表明單絲的芯包結構保持良好，保障了傳像束良好的光學性能。

圖2 光纖傳像束端面SEM照片和Ge元素分布圖

2.2 傳輸性能分析

取45 m長的光纖傳像束，用激光筆照射一端，在另一端可以觀測到明顯的激光輸出(見圖3內插圖)，表明傳像束的傳光性能良好。截斷前后光纖的長度分別為45 m和5 m，在可見光范圍內的損耗約為0.1 dB/m(見圖3)。

圖3 石英光纖傳像束的損耗光譜

2.3 成像性能分析

圖4為傳像束成像測試系統和纖維細絲成像圖。利用圖4(a)所示的光纖窺鏡系統，對傳像束的成像性能進行了測試。目標物經自聚焦透鏡成像于傳像束前端，圖像經傳像束輸出，再由成像系統輸入至探測器，獲得目標物圖像。圖4(b)為該系統對纖維細絲的成像圖，可以看出圖像中的纖維無暗絲、斷絲,成像清晰，像質良好，無畸變，傳像束達到了實際使用要求。

圖4 傳像束成像測試系統和纖維細絲成像圖

3 結 論

采用一次復絲法，成功制備出15 000像元的石英光纖傳像束。采用溶膠-凝膠法在石英光纖傳像束單絲間隙中引入了吸收劑，解決了單絲串擾問題。制備的傳像束在可見光范圍內的損耗約為0.1 dB/m，光學性能良好，成像清晰。石英光纖傳像束的成功研制，解決了高端醫療內窺鏡關鍵器件長期依賴進口的“卡脖子”問題，對推動我國高端醫療器件的發展具有積極意義。