空芯光纤制备的基本工艺Word文档格式.docx

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不锈钢基管空芯光纤具有激光功率耐受力强，安全等良好的特性。

可以预见，这种材料将成为未来医用空芯光纤的主导材料。

另一方面，利用空芯光纤束的内窥镜可以完成对人体内部的治疗进程以及病变情况监控。

由于空芯光纤束可以在红外光谱得到良好的损耗谱曲线。

将人体内部器官组织发出的红外光传输到外部再经由红外热像仪即可观察到人体内部的具体情况。

本课题将从这两方面进行努力，一方面提高不锈钢基管空芯光纤的传输效率；

另一方面，提出影响空芯光纤束成像质量的孔间耦合的模拟计算。

集大功率激光传输与红外图像传输于一体的新型内窥镜将在医疗领域有着广泛的应用价值。

2.课题研究状况（国内外主要发展现状与趋势，并列出相应的参考文献）

空芯光纤是一种有发展应用前景的红外激光传输光纤，有红外传输损耗小、结构简单、易于制造、柔韧性好等显著的优点。

在1984年4月发表的关于介质\金属膜空芯光纤的设计理论[1]中，作者对空芯波导的理论进行了全面的计算分析，为空芯光纤的设计和研究开发提供了理论依据。

在此基础上，国内外研究者致力于提高空芯光纤的传输特性，并努力开发空芯光纤的应用领域。

目前比较常见的空心光纤主要结构为“基管\金属层\介质层”，如图所示。

目前光纤基管通常采用玻璃，这是因为玻璃内面较为光滑，而且具有良好的柔韧性。

但是由于它十分易碎，因此，在医疗等敏感场合的应用将带来十分的不便。

而金属层最常用的材料为Ag，这不仅仅因为其在可见光及红外波段的良好折射率，还与其成膜工艺较为成熟有关。

而介质膜的常用材料有AgI，COP，SiO2，Arton等。

其中AgI比较特殊，采用液相化学法[2]。

而其他的材料通常采用液相流动镀膜法。

COP介质膜已经在前面的研究中获得了良好的传输特性曲线，可以同时在可见光及红外范围内获得相应的传输窗口[3]。

近年来有越来越多的研究者开始关注这种新型光波波导。

空芯光纤在工业，医疗及军事等领域都有着广阔的应用前景。

主要有气敏传感[4]，红外热像探测[5]，内窥镜激光传导[6]，激光高压气体点火等。

但是在医疗等敏感领域，已经得到充分发展的玻璃基管空芯波导，不能适应这种安全要求。

研究者又开始关注玻璃基管的替代品，并作出了一些尝试。

在用于红外图像传输的空心光纤束[5]一文中，作者采用了聚碳酸酯管材，获得了良好的传输特性，但是这种材料易弯折，弯折产生的附加损耗较大，并且由于管壁厚度的问题，严重影响其分辨率。

与此同时，另一些研究者注意到了不锈钢管材，它在管材坚硬度上无疑有非常大的优势[7]。

但是不锈钢管材内面的粗糙度严重影响了其传输特性，并且，当光纤发生弯折的时候，会有更加严重的损耗[8]。

为了克服这一问题，有研究者在镀银之前，先在不锈钢内面加镀一层较厚的介质膜，将其表面抚平。

这时再镀银膜时表面会更加的平整[9]。

但是这种方法具有一个严重的问题，即介质膜与银膜的贴合。

这方面虽已有一些努力，例如用浓SnCl2在镀银之前对光纤进行处理，但是结果与玻璃基管光纤相差较远。

另一方面，有研究者注意到空芯光纤束在红外图像传输中的应用。

在2004年，就已经有研究者利用玻璃基管空心光纤阵列验证了空心光纤束用于红外图像传输的可行性[10]。

而后在2008年，改用聚碳酸酯作为基管的空芯光纤束既提高了安全性，又减小了管壁，从而使得系统分辨率有了显著的提高。

但是如果采用更细内径的光纤，并减小内外径差，有望在分辨率上获得更好的效果。

不过在光纤束的内部，过细的纤径将会产生各光纤的孔间耦合，这将严重影响系统传输质量[11]。

3.课题主要内容与基本思路，分析难点和创新点

本课题旨在开发多功能的医用内窥镜系统终端。

主要内容涉及两个方面的研究：

Ag/AgI不锈钢空心光纤传输效率的提高；

分析光纤束内柔性光纤过细的内径所产生的孔间耦合。

难点：

不锈钢基管空芯光纤虽然具有更加坚固等优点，但是由于其内表面较为粗糙，因此在内表面所镀的银膜与碘化银介质膜很难保证其光滑性，因而将严重影响其传输效率。

如果在镀银之前，对不锈钢基管先镀一层介质膜，这将使表面更加平整，这样银膜表面更加光滑，也就降低了传输损耗。

但是介质膜与银膜之间的契合将是一个十分棘手的问题。

对于聚碳酸酯光纤束部分，适当增加光纤的数量并尽量减小光纤内径及光纤内外径差可以提高内窥镜的分辨率及图像清晰度。

但是增加减小内径将严重影响光纤机械强度，如果将不锈钢基管空芯光纤插入其中，预计会对机械强度有帮助。

但是减小光纤内径引入的损耗却是不得不考虑的困难。

聚碳酸酯空心光纤束当中穿插的不锈钢空心光纤将造成红外图像的盲点，为控制盲点的影响，必将对其他光纤数量以及内外径尺寸提出相应的要求。

这都是研究过程中需要考虑的问题。

创新点：

1）利用不锈钢基管空芯光纤替代传统玻璃空芯光纤，将提高设备安全性以及机械强度。

2）将聚碳酸酯空心光纤束与不锈钢空芯光纤想结合，构造新型多功能内窥镜

3）探索在预先镀有介质膜的不锈钢内壁镀银，并提高银膜与介质膜结合程度的方法。

4.课题预期成果

预期能够开发出一种新型的多功能内窥系统终端，利用不锈钢基管的空芯光纤向目标患处发射高功率激光，聚碳酸酯空心光纤束捕获患处红外光，由红外热像仪还原患处图像，同时监视红外治疗进程及其效果。

5.课题前期准备

2008年10月至今，通过在实验室里的摸索与实践，学习了基本的科学研究方法与精神，逐渐明确了研究方向，并且形成了初步的研究计划。

08.10~09.1初步了解实验室的研究方向，以及基本的实验方法和态度。

这段时间的主要任务是通过阅读相关领域的科技文献，大致掌握实验室研究方向，并在此基础上讨论并计划自己细化的研究方向。

09.1~09.2寒假期间，熟悉玻璃基管的Ag/AgI空芯光纤制备的基本工艺技巧。

1）玻璃基管内面镀银的技术空心光纤镀银采用液相化学法，具体制备装置如图所示。

硝酸银溶液和葡萄糖溶液分别用作反应液和还原液。

由真空泵吸引，还原液和反应液在混合器中充分混合后通过聚碳酸酯毛细管束。

被还原的银逐渐沉积在毛细管内壁，形成光滑的银膜。

右侧并联的光纤可以采用4根或8根或者更多，主要作用是增大流量，为银镜反应提供足够的反应液。

通过调整镀银时间可以得到光纤内面不同厚度的银膜。

而反应液所需剂量应随系统流速以及反应时间不同而不同。

以下是玻璃基管空心光纤（10cm）在红外光谱的损耗曲线。

可以看到曲线在红外光谱有平坦的损耗曲线。

10um处的波动为测量仪器的干扰。

在2.7um和6um处可以看到水的吸收峰，在4.2um处可以看到CO2吸收峰。

另外波长较短处光纤损耗稍大，这是因为短波长的光对银膜不平整度有更强的敏感性。

2）在镀有银膜的空心光纤内壁碘化为碘化银

用蠕动泵引入碘的环己烷溶液。

通过改变溶液浓度，温度，液体流速以及反应时间，调整碘化速度以及碘化银介质膜厚度。

研究表明[4]，对于给定的目标传输波长，金属/介质结构的空芯光纤,存在最佳的介质层膜厚使光纤传输过程中HE11模的损耗最小。

对于AgI介质层，最佳膜厚公式如下：

若取目标波长于4um处，AgI折射率为2.1，可以得到介质层的最佳膜厚为532nm。

碘化过程中产生的AgI薄膜的厚度和碘化时间应满足下式[13]：

其中d是碘化银膜的厚度（单位纳米），t是碘化时间（单位秒），A、m分别是常数。

m为0.38，对于2g/L的碘化溶液浓度，常数A为52.72。

[2]因此对于目标膜厚为532nm的空心光纤，应选取碘化时间为438s

下图为采用2g/L碘溶液，10℃室温，1.3ml/min流速时，7min时间碘化后所得的光纤损耗谱曲线。

6.课题研究进展计划

09.4-09.6完成不锈钢基管空芯光纤的优化。

尝试不锈钢内面又其它介质膜作光滑处理等其它可能的方式，试验银膜与介质膜见耦合材料的价值。

09.7-09.8测试不锈钢空心光纤在弯折的情况下的损耗，并优化弯曲不锈钢光纤的制备，同时着手尝试聚碳酸酯空芯光纤束的分辨率的提高。

09.9-10尝试将聚碳酸酯空芯光纤束与不锈钢空心光纤结合，测试它们之间的影响以及整体系统效果。

09.11-12对光纤束芯径过细所引入的孔间耦合进行仿真计算，确定较为合适的光纤孔径。