超小GRIN光纤探头高精度一体化制作装置.doc

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超小GRIN光纤探头高精度一体化制作装置

作者：

周晓君韩启于洋

来源：

《现代商贸工业》2016年第25期

        摘要：

研制一种高精度集成化的光纤熔接与光纤切割一体机，用于超小GRIN光纤探头的制作。

通过对光纤熔接机和光纤切割机的有机集成，并设计合理的超短光纤的高精度切割与熔接方案，实现由“单模光纤+无芯光纤+多模光纤”构成的超小GRIN光纤探头的制作。

结果表明，制作的探头组件尺寸在1mm量级以下，研究的制作装置和方法可制作超小型GRIN光纤探针，适于小型化光学探头及OCT系统的进一步研究。

        关键词：

GRIN光纤探针；单模光纤；无芯光纤

        中图分类号：

TB

        文献标识码：

A

        doi：

10.19311/ki.16723198.2016.25.094

        1引言

        光学相干层析技术（OpticalCoherenceTomography，简称OCT）是20世纪90年代发展起来的、利用低相干特性来实现层析成像的新兴技术，通过探测干涉信号来获得样品内部的结构信息。

是继X射线计算机断层摄影（XCT）和核磁共振成像（MRI）之后的又一断层成像技术，这项技术因高分辨率、成像速度快、无损伤等优点，在生物医学和外科手术中得以广泛研究。

但是由于大多数生物组织是光学非透明的，OCT技术的探测深度很有限，一般在1-3mm，在这一背景下，内窥式微小光学探头和小型化OCT系统的研制就成为OCT技术发展的一个重要方向。

        由“单模光纤+无芯光纤+自聚焦光纤”构成的超小自聚焦光纤探头是一种全光纤型光学探头，在空间狭窄、接收光照很小的深层组织或器官（如心血管）的内窥检测方面具有广阔的应用前景，近年来得以研究和发展。

2002年，Swanson等人发明了基于GRIN光纤镜头的超小探针的美国专利；然后Reed等人研制了基于该专利的OCT在线成像系统；自从2007年Mao博士等人研究了GRIN光纤探针的研制及检测方法；近年来，西澳大学D.D.Sampson团队研究了基于该探头的OCT系统在乳腺癌等方面的应用方案及初步光学图像检测结果；此外，R.Schmitt研究了基于该探头的内窥检测系统在微深孔等方面的检测方案。

        超小自聚焦光纤探头在内窥检测方面具有诸多优势，但超小的结构尺寸使其制作非常困难。

作者课题组近年来研究了该探头的设计方法和光学聚焦性能检测技术，初步研究了基于光纤切割与光纤熔接的探头制作方案，本文在已有研究成果基础上，设计一种高精度光纤切割与熔接的一体化制作模型，实现该一体机装置的加工与制作，并利用高放大倍率的显微镜检验该装置制作超小自聚焦光纤探头的加工精度。

        2超小自聚焦光纤探头模型

        如图1是一个典型的超小GRIN光纤探头模型，由单模光纤、无芯光纤和GRIN光纤构成，单模光纤、无芯光纤和GRIN光纤通过熔接与切割顺次连接到一起。

其中，单模光纤与OCT系统的探测臂相连，把光源光束传输到无芯光纤。

无芯光纤是一种折射率均匀的特种光纤，可通过扩束而克服单模光纤模场直径小的问题，从而改善探针的聚焦性能。

无芯光纤的长度应适中，过长可能会因扩束严重而使部分光束能量从其侧壁溢出而降低耦合效率，过短则可能会导致扩束失败而起不到改善探针性能的目的。

GRIN光纤镜头因折射率的连续变化而具有自聚焦性能。

当GRIN光纤镜头的长度接近1/4节距（或其整数倍）时具有强烈的聚焦性能，焦距会很短；当接近1/2节距（或其整数倍）时，有较长的焦距，但光斑尺寸较大。

在OCT系统成像研究中，一般希望探头的焦距越大越好，以获得较大的探测深度；另一方面，希望聚焦光斑的尺寸越小越好，以获得较高的横向分辨率。

因此，GRIN光纤镜头的长度选择是一个折中，借助于无芯光纤通过扩束作用对聚焦性能的改善，可以获得较理想的探针设计方案。

根据文献的研究，无芯光纤隔片和GRIN光纤镜头的长度均在亚毫米量级，因此，如何进行短光纤的高精度切割与熔接是个挑战性难题。

        3一体化制作系统装置

        图2是本文研究的超小GRIN光纤探头的一体化制作系统模型及装置，主要包括光纤熔接单元和光纤切割单元两部分。

该套封装机构的特点在于实现超小GRIN光纤探头制作装置一体化，在超小GRIN光纤探头制作时，将光纤切割过程与熔接过程在同一设备上完成，将原本复杂的熔接切割过程进一步简化，简化了制作流程，提高了超小光纤探头的制作效率。

其中，箱体一侧开有窗口，以备设备供电的需求；箱体侧面和箱盖上均设有凹槽，以便设备的携带与搬运；箱盖与箱体之间采用任意悬停支撑杆连接，保持箱盖悬停，方便探头制作操作。

下面本文重点分析光纤熔接单元和光纤切割单元的结构设计及工作原理。

        图3光纤熔接单元工作原理示意图，通过两电极的电弧放电产生高温，完成左右两光纤的熔接。

熔接单元的主要组成结构包括防风罩、步进电机、光纤熔接固定台、显微放大镜头和cmos传感器、电极、光纤熔接显示屏等。

防风罩主要起保护作用，光纤熔接时扣合防风罩保护熔接过程不受外界环境影响，不用时扣合防风罩使内部精密元件与外界分离，防止精密原件的老化；步进电机与光纤熔接固定台相连，通过步进电机的转动来实现光纤熔接固定台的移动；光纤熔接固定台的作用是固定光纤，通过控制光纤熔接固定台的位置来改变光纤的位置；cmos传感器和显微放大镜头的作用是采集光纤探针图像信息并放大处理最终完成在显示屏上的成像；电极的作用是通过电弧放电产生高温将两光纤熔接到一起。

        图4是光纤切割单元工作示意图。

光纤切割单元的工作原理：

通过显微放大镜头和cmos传感器完成光纤图像信息的采集与放大，然后根据我们需要的光纤长度扳动光纤切割刀片完成切割。

光纤切割单元的结构组成：

光纤切割刀片、步进电机、光纤切割固定台、显微放大镜头和cmos传感器、光纤切割显示屏等。

光纤切割固定台的作用是固定加紧光纤，通过控制光纤切割固定台的位置来改变光纤的位置；步进电机与光纤切割固定台相连，通过步进电机的转动来实现光纤切割固定台的移动；cmos传感器和显微放大镜头的作用是采集光纤探针图像信息并放大处理最终完成在显示屏上的成像。

        4制作方法

        4.1制作前的准备工作

        取出一段单模光纤，用工具钳先去除单模光纤的保护套，再去除涂覆层，再刨开包层，漏出纤芯，用蘸有99%浓度的酒精擦拭光纤芯，放在光纤熔接单元的右端固定台；用工具钳剪一小段无芯光纤，用蘸有99%浓度的酒精擦拭后，放在光纤熔接单元的左端固定台，注意不要让光纤碰到灰尘。

        4.2制作过程

        单模光纤与无芯光纤的熔接切割：

无芯光纤与单模光纤分别置于光纤熔接固定台左右两端夹紧，打开光纤熔接单元，根据光纤熔接显示屏成像。

通过调节光纤熔接控制器按钮调节步进电机进行调芯，在光纤调芯完毕后，运行光纤熔接单元，通过两电极之间的放电完成两种光纤的高温熔接。

        熔接完成以后，将熔接到一体的光纤取出，置于光纤切割移动台，根据光纤切割显示屏成像，找到光纤熔接之后的焊点，然后以焊点为基准点，调整光纤切割固定台移动位移，根据需要的无芯光纤长度，扳动光纤切割刀片完成对无芯光纤的切割。

        单模光纤、无芯光纤与多模光纤的熔接切割：

在上述步骤已完成单模光纤与无芯光纤熔接切割的基础上，将多模光纤与此光纤置于光纤熔接固定台的左右两端，完成无芯光纤一端与多模光纤的熔接，最后置于光纤切割固定台，根据需要的多模光纤长度调整步进电机与光纤切割固定台，扳动光纤切割刀片完成多模光纤的切割。

        4.3样品尺寸检测

        通过以上方法，制作了六组不同尺寸的光纤探头，在高倍率放大显微镜下进行尺寸检测，比较预设长度与实际长度的差距，判断通过光纤熔接切割一体机制作出的超小光纤探头精度。

以制作其中的一组长度为0.160mm无芯光纤、0.200mm多模光纤的光纤探头为例，第一步完成单模光纤与无芯光纤的熔接与切割；第二步测量无芯光纤实际长度，即焊点到切割端面的距离，测得实际的长度为0.164mm；第三步完成无芯光纤与多模光纤的熔接与切割，切割完成后；第四步测量多模光纤实际长度，即焊点到切割端面的距离，测得的实际长度为0.200mm。

        用上述相同的方法制作多组不同长度的光纤探头并测量尺寸。

        5结束语

        本文主要研制一种高精度光纤切割熔接一体机，通过模型设计、样机制备等部分完成该一体机装置的研制。

最后，利用该装置制作一系列超小GRIN光纤探头，通过高放大倍率显微镜检测光纤探头的制作长度。

结果表明预设长度与制作长度基本吻合，进一步验证了该装置的制作精度满足探头的制作要求，初步实现了超小GRIN光纤探头制作装置的一体化，可用于小型化光学探头及OCT系统的研究。

        参考文献

        [1]WangChi，MaoYouxin，TangZhi，FangChen，YuYingjie，QiBo.NumericalanalysisofGRINlensbasedminiatureprobesforopticalcoherencetomography[J].OpticsandPrecisionEngineering，2011，19（9）：

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        [2]王驰，毕书博，丁卫等.超小自聚焦光纤探头研究用场追迹数值模拟技术[J].物理学报，2013，62

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        [3]WangChi，MaoYouxin，FangChen，TangZhi，YuYingjie，QiBo.Analyticalmethodfordesigninggradient-indexfiberprobes[J].OpticalEngineering，2011，50（9）：

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        [4]王驰，许婷婷，毕书博等.测量自聚焦光纤透镜聚焦常数的曲线拟合算法[J].光学精密工程，2015，23（12）.