基于NaturaLase QS 激光器的医用通体发光光纤再加工方式研究

范贤成，苏 磊，孔 莉，曾嘉隽，何进杰，王 烁，董晓曦，陈洪丽，3*

（1.天津工业大学，天津300387；2.中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津300192；3.天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津300387）

0 引言

20 世纪90年代兴起了通体发光光纤，此类光纤不同于常规光纤，具有优良的光纤特性，在医学领域有很大的应用前景。其制备目的是降低光纤固有损耗来增加非固有损耗，从而增大光纤的散射损耗以实现侧面发光。目前，通体发光在医学中的主要应用领域是穴位照射，有助于清除微循环障碍、治疗炎症和舒张心血管等，这些应用对光功率密度都有很高的要求。不同功率密度的弱激光产生不同的治疗效果，采用最佳强度的弱激光进行患部照射，有助于促进修复损伤部位、减缓创口疼痛以及减轻患部炎症等，但是通体发光光纤侧面发光强度随其长度的增加而呈指数下降（光衰减）。当光纤弯曲程度达到一定阈值后会导致光大量从弯曲处散射出来，使光纤侧面发光不均匀，从而造成量化困难，无法推广利用。例如在使用局部激光治疗口腔牙齿和耳鼻喉部位时，由于应用部位狭窄，光纤进行弯折的弧度大，一般单模光纤在弯曲半径较小（<5 mm）时在弯曲处表现出的光强逸散值较高，变化较剧烈，且伴随着共振耦合，弯曲度过高会在该处折射过多光能，导致后端发光强度很弱甚至会发生折断的现象，因此对现有光纤的柔软度提出了更高的要求；对通体发光光纤编织成织物，实现在整个织物表面均匀发光进行治疗时，光衰减问题导致表面整体发光不均匀，光纤末端发光强度不足，为保证应用中整个表面发光均匀，就要解决光纤的长度对均匀发光的限制问题。

为保证通体发光光纤侧面发光强度的均匀性，现有的解决方案通常是限制通体发光光纤的使用长度和弯曲程度。也有学者提出在通体发光光纤的两端皆设置相同功率的光源，或者一端设置全反射镜来达到通体发光光纤整体发光强度一致的目的，但由于长度受限和设备体积大等缺陷导致其应用受限[1]。为此，本文基于改变光纤的皮层结构，使光纤从破坏处出光量增大的原理，采用调Q 激光器激光破坏光纤皮层加工的方法，通过设置调Q 激光器的不同参数，定量地对通体发光光纤进行再加工，破坏光纤未弯曲处（或光纤后端）的皮层结构，增加光散射强度，使其与光纤弯曲处（光纤前端）的发光光强基本相同，达到光纤弯曲状态下（增加光纤长度）仍能均匀发光的目的。由于调Q 激光器参数可调，还可适用于不同应用环境对光纤发光强度一致性的具体要求当中。本文以再加工通体发光光纤的实验为例，检测加工前后发光强度的差异，建立数学模型进行分析，验证此方法的可行性。

1 光纤再加工

1.1 基本原理

固态芯的医用通体发光光纤芯层材料包括石英、复合成分玻璃和聚合物[2]。医用通体发光光纤的发光原理是光纤的纤芯折射率n1>Teflon 包层的折射率n2，即n1＞n2，激光在纤芯与包层的界面发生全反射，激光在光纤的内部呈现一定指数的衰减传播。

通体发光光纤的发光强度在允许范围内，光强随着长度的增加而呈现指数型下降，出现损耗。弱激光在光纤传播过程中有自生材料的吸收损耗I1、散射损耗I2，这2种损耗均为光纤的固有损耗。

假设光纤的质地材料均匀，单位长度内的固有损耗大致一样，在相同且适当的破坏工艺条件下发光光强I（x）与距离x基本呈线性关系。

末端处光量与散射光量大小都是与散射系数k、医用通体发光光纤输入光的强度I0和距离x有关的幂指数呈现衰减的趋势。由于临床需要的光功率不同，且k值一般较小，不再定量研究。侧面发光是通体发光光纤的最明显且重要的一个特点。但是由江源等[3]的推理计算，通体发光光纤的侧面发光强度是随着光纤尺寸的增长而按照指数形式减小的。

侧面发光光纤在其光纤尺寸位置x处的发光光强I（x）可表示为如下公式：

其中，k为侧面发光系数，单位为dB/m；常数A可用如下公式表示：

其中，I0为医用通体发光光纤输入光的强度。

由以上公式可以得到弱激光在医用通体发光光纤输入光的强度I0与光纤尺寸位置x处的发光光强I（x）的关系。本文基于通体发光光纤的传输衰减特性原理，采用改变光纤的皮层结构并使光从破坏处逸散出来的基本方法，提出通过控制光纤长度和逸散程度来保证侧面均匀发光的解决方案。

1.2 实验

1.2.1 实验材料与器械

本实验以加工光纤后端为例展开，实验器具主要包括调Q 激光器（NaturaLase QS），主机型号为NaturaLaseQSLT100-A，其基频激光能量（每个脉冲能量）达到2 J，选取1 064 nm 作为波长。采用SMA905 接头，自制光纤，固态芯通体发光光纤的聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）保护层直径1.65 mm，Teflon 包层直径14 mm，纤芯直径1.5 mm。实验中利用Japan-MN-405-KEIBAMH07F 马头偏口钳对通体发光光纤进行裁剪，使用光功率计调试调Q 激光器得到最佳输出能量密度为6.0 J/cm2，光斑大小为4 mm2。

1.2.2 侧面发光光纤的传光特性实验方法

首先将光纤进行耦合，从光纤末端开始加工，每间隔5 cm 利用上述已调参数的激光器对光纤加工一次，设置合适的功率输入量，使输出能量密度达到6.0 J/cm2，并测量出激光通过耦合镜后的功率I'0，将光纤拉直再次测量输出光强I（x）。此方法可以排除无关变量的影响，还可记录加工且排除无关因素后光纤末端输出功率密度，分析对比加工前后光纤末端的发光功率，可以获取再加工位置光的逸散功率。

1.2.3 探究多因素对光逸散特性影响的实验方法

在实验过程中分别按照一定长度加工5 根光纤。选取5 根型号一样的光纤设置4 个组别并标号，以区间长度为10 cm 分别对4 根光纤加工，剩余1 根光纤每间隔5 cm 从始端对其用同样方法加工，并用光功率计读取加工位置光的逸散功率。然后对数据进行MATLAB 拟合分析处理，可获取脉冲能量、加工次数与光逸散功率的关系。

2 结果

2.1 侧面发光光纤的传光特性

本实验的核心在于再加工医用通体发光光纤，因此首先验证实验所使用的光纤是否符合医用通体发光光纤的特征。为验证此光纤的传光特性，将医用通体发光光纤依次等分切除，并且在每次切除后输入相同的入射光强度，在光纤出口利用光功率计记录光功率，详见表1。

表1 光纤末端发光功率与光纤长度的关系mW

将多次所得结果以加工位置与耦合后光纤头的距离和发光功率分别为自变量和因变量，在MATLAB软件中进行拟合仿真，拟合得出I（x）=A×e-kx（A=46.22，k=-0.011 25）。所得结果如图1 所示。由此可得此实验所使用的光纤符合医用通体发光光纤的特性，可进行下一步探究。

图1 发光功率和加工位置与耦合后光纤的距离关系图

2.2 光纤加工后输出光功率衰减特性

本研究采取控制变量法来确保入射光量、环境温度、加工时间等因素不会影响对加工位置的研究。在此选取加工位置与光纤逸散功率的关系为例进行说明。在实验过程中，将光源与医用通体发光光纤放置于同一水平面，并使其在一条直线上，以光源为起点、以10 cm 为间隔进行同种光纤不同位置的加工，再测量光纤末端的光能量密度。部分实验数据见表2。结果显示加工位置越靠近光源，加工位置的光功率逸散越大，与文献[4]所得结论一致。

表2 不同加工位置加工前后光纤末端光能量密度

之后进行验证实验，以距离光纤尾端5 cm 处为起点、5 cm 为间隔进行同种光纤不同位置的加工，部分实验数据见表3。结果显示加工位置越靠近光纤末端，加工位置的光功率逸散越小，再次验证了上述结论。

3 讨论

医用通体发光光纤在医学中的应用主要有穴位照射、修复损伤部位、减缓创口疼痛、减轻患部炎症等，在可穿戴光疗设备方面也很有前景。对于现有医用通体发光光纤在医学应用上的难题，即增加光纤使用长度或者需弯曲使用光纤导致发光强度的均匀性不足，需要对其进行再加工。

现有的加工方式多种多样，大多是利用改变光纤的皮层结构引起光纤芯材中传输的光无法正常进行全反射，使得光在破坏处散射增加的基本原理，来改变光纤某处的发光强度。例如李涛等[5]为了改善通体发光光纤侧面发光不均匀的问题，采用了飞秒激光微加工的方法对其进行加工因素探究，研究了激光功率、脉冲速度和扫描速度对切割端面的影响，从而提高了通体发光光纤的侧面发光强度；严璐等[6]利用轮式侧边抛磨法制作侧边抛磨光纤，研究了抛磨深度、抛膜长度与波长相关损耗的关系，从而改善侧面发光光强；漆宇等[7]利用激光打标法，设置不同功率组使得侧面发光光纤逸散高度均匀。有的加工方式通过采取改变纤芯直径的方式控制散射光量，例如，目前国际上有学者设计了一种变芯径法，通过改变纤芯的直径以达到光偏离纤芯中轴线方向而侧面逸散[8]。也有通过选择皮层材料利用其参数（例如结晶率）的不同来达到想要的效果，例如岛田胜彦等[9]在管理光纤侧面逸散的能量损耗方面，控制光纤皮层材料的结晶率以达到理想的侧面发光的能量效果。还有通过加工光纤柱面来提高光纤侧面发光光强的方式，例如江沛凡等[10]利用光纤侧面拉锥技术对光纤的柱面进行加工，从而对光纤进行定性研究，这种光纤器件在通信设备、传感器设备、激光器等领域有着广泛的应用。但由于现存的加工方式无法精准、可靠地实现适用于人体患部的加工要求，且加工后的光纤发光均匀程度达不到医用要求，因此现有的加工光纤技术未能很好地运用到医学治疗中。

表3 加工距离与光纤末端光能量密度的关系

本实验使用的是调Q 激光器，激光器激光源为Nd：YAG，以激光加工的方式处理通体发光光纤，根据最佳输出能量密度和光斑大小对其进行加工，从实验结果来看，在加工处侧面发光强度增加且加工位置距光纤末端越远，加工后光纤侧面光功率逸散越明显。因此可根据光纤衰减程度以及实际需求确定再加工的加工位置等参数以解决因长度导致的通体发光光纤侧面发光不均匀问题。经过与已有通体发光光纤特性对比以及多次重复实验得出，实验所产生的主要误差是光功率计测量误差、激光光源与打点处距离测量的误差以及出光口色散损失。光纤的折射率对最后的测试结果也会产生较大影响，因此在后续的实验测试中还需要精确控制光纤折射率的一致性。

调Q 激光器激光加工方式与设置全反射镜等方式相比，不占用最后成品光纤的体积。与文献[7]中加工方法相比，本文的方法包层破坏程度小，可提高加工后光纤的延展性，但因未考虑光纤折射率问题，导致实验结果不明显。岛田胜彦等[9]所提出的皮层结晶法对光纤包层损伤大，导致光纤柔韧度差，而本文方法在控制光纤侧面逸散的能量损耗方面性能更优异，并且基本不损坏光纤的延展性。Parthasarathy[8]采用变芯径法提出了一种全新的芯皮界面分布结构，其内部锥形纤芯结构加工难度较大，且该方法制备的光纤长度受限于纤芯内径和纤芯材料折射率与包层材料折射率的比值等因素。而本文方法基于现有的光纤芯皮界面分布结构，且长度不受限制，自定义程度较高，可满足不同使用场景。相较Serbin 等[11]提出的传统的光纤制作工艺——边弧形槽基块抛磨法，本文方法操作相对简单快捷，且能保持光纤的完整性。除此之外，调Q 激光器还可以根据医疗设备不同的照射需求来确定输出能量密度、波长以及光斑大小等参数，灵活度较强，能够定性、定量地测量各个因素产生的效果，比传统加工方法数据的可信度更高，克服了现有医疗照射光纤长度受限于芯材与芯径比值的问题，方便具有特殊需求的定制处理。本文加工方法可以更加方便地运用到临床各类疾病的治疗，特别是在缓解术后组织疼痛、缓解组织炎症带来的疼痛和研发多功能医用激光治疗机等方面有更显著的效果。调Q 激光器激光加工方式有望在加工专属病灶光纤领域蓬勃发展。

4 结论

本文针对通体发光光纤在医学领域应用中存在的侧面发光不均匀的问题，提出了利用调Q 激光器激光加工的方法，可以对输出能量密度、波长以及光斑大小等进行量化控制，对通体光纤进行再加工。通过实验证明，再加工后的光纤后端发光强度增加，并且通过改变调Q 激光器参数可以定量地改变逸散光强，使光纤整体保持均匀侧面发光，此方法不占用光纤成品体积并且加工过程灵活性较强，可根据不同的应用环境进行光纤细节定制，一定程度上解决了通体发光光纤的光衰减以及柔软度低而导致侧面发光不均匀的问题，具有可行性；通过设置调Q 激光器的不同参数，定量地对通体发光光纤进行再加工，破坏光纤后端的皮层结构，增加光散射强度，使其与光纤前端的发光光强基本相同，达到光纤弯曲状态下仍能均匀发光的目的。但实验存在没有对不同材质光纤的再加工后散射系数进行测量的不足，下一步可通过大量实验测量不同材料光纤，使其在不同长度或弯曲度保持侧面发光强度一致的条件下，仍得到相对应的输出能量密度和光斑大小，并提供调Q 激光器参数参考值，为以后的研究提供理论依据和实验参数，从而使通体发光光纤具备特定区域发光特性可定制的优点，有望在牙科、耳鼻喉科和皮肤创面愈合等医疗领域应用和发展。