超小自聚焦光纤探头在光学相干层析系统中的应用研究

毕书博 李泽夫 陆叶斌 张秋坤 汪毅

摘  要： 建立了基于超小自聚焦（GRIN）光纤探头的扫频光学相干层析（SS-OCT）系统，经玻片厚度测试实验，分析了其在光学相干层析成像系统中的应用效果，并与裸单模光纤结构探头的检测结果对比分析，结果表明超小自聚焦光纤探头具备更强的聚焦性和信号收集能力.

关键词： 超小光纤探头; 扫频光学相干层析（SS-OCT）系统; 光学检测

中图分类号： TN25    文献标志码： A    文章编号： 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

光学相干层析技术（OCT）是20世纪90年代初发展起来的一种新型生物医学成像技术，因其分辨率高和成像速度快等特点，在生物医学成像领域具有非常重要的应用价值[1].超小光学探头可作为OCT系统的探测端，能克服传统OCT系统成像深度（1～3 mm）的局限性，实现对生物组织或器官的内窥成像.超小光学探头的主要功能是将光源光束聚焦到待测样品内部，同时收集携带样品信息的反射或散射光，并将收集的信息光传输到信息处理单元.

超小光学探头的结构尺寸以及性能直接影响OCT系统的应用范围与成像质量.自21世纪开始，基于全光纤结构的超小型光学探头凭借其优越的材料特性逐渐成为该领域的研究热点[2].2000年，LI等[3]研制出首个裸单模光纤探头，并基于该探头的OCT系统实现了对仓鼠腿部肌肉神经束的成像;2002年，REED等[4]提出了“单模光纤+自聚焦（GRIN）光纤”结构的全光纤型超小探头，用于低相干干涉仪的研究;同年，SWANSON等[5]就有关超小型光学探头的设计和制作及其使用方法申请并获得了美国专利授权;2007年，毛幼馨等[6]提出了“单模光纤+无芯光纤+GRIN光纤”结构的超小GRIN光纤探头光学模型，并验证了无芯光纤具有提高探头工作距离的作用;自2011年起，王驰等[7-10]对超小GRIN光纤探头的模型及光学特征参数进行了更深入的理论解析，并研究了该探头的耦合效率[11];2017年，丁志华等[12]提出一种基于拉锥结构的超小光纤探头，通过在单模光纤与大纤芯多模光纤之间引入过渡拉锥段以减少插入损耗，提高了探头的光传输效率.到目前为止，包括单模光纤、无芯光纤、GRIN光纤、大纤芯多模光纤、大模场面积光子晶体光纤、球形光纤结构、曲面光纤结构等多种超小光纤探头已被提出[2].

本文作者搭建了基于“单模光纤+无芯光纤+GRIN光纤”结构超小GRIN光纤探头的扫频光学相干层析系统（SS-OCT），并对该结构探头在OCT系统中的应用效果进行分析对比，为其在医学成像领域的应用提供一定的理论基础和方法借鉴.

1  超小GRIN光纤探头的光学模型解析

1.1 光学模型

超小GRIN光纤探头结构模型如图1所示，其中单模光纤与测量系统探测臂相连，检测样品时，单模光纤将光源光束传输到无芯光纤中，经无芯光纤扩束和GRIN光纤聚焦后，探测光束会从探头中射出并聚焦到待测样品上，随后携带有样品信息的反射或散射光又被超小GRIN光纤探头收集，并传输回信息处理单元，用于样品结构图像等信息的重建与研究.

1.2 光学特征参数

超小GRIN光纤探头特征参数解析模型[7]如图2所示，设入射高斯光束的波长为λ，束腰半径为ω0，无芯光纤的长度为L0，折射率为n0，GRIN光纤的长度为L，中心折射率为n1，聚焦常数为g，外界传输介质（样品所处环境）折射率为n2.超小GRIN光纤探头的聚焦特性可由工作距离、聚焦光斑尺寸和景深3个特征参数表征[7]，定义如下：1） 工作距离zω，表示高斯光束通过超小GRIN光纤探头后的聚焦光斑位置距探头输出端面之间的距离;2） 聚焦光斑尺寸2ωf，表示高斯光束通过超小GRIN光纤探头后的聚焦光斑束腰直径;3） 景深（DOF）2Zf，表示高斯光束通过超小GRIN光纤探头聚焦后的2倍瑞利长度.

根据光束的传播规律可知：从GIRN光纤出射的光束会在离出射端面zω的位置处形成束腰直径为2ωf的聚焦光斑，并具有2Zf景深范围.1～6分别表示输入面、无芯光纤与GRIN光纤的2个交界面、GRIN光纤与外界传输介质的2个交界面（或输出面），以及聚焦平面.

超小GRIN光纤探头的工作距离zω和聚焦光斑尺寸2ωf可用以表征探头的聚焦特性，架起了超小GRIN光纤探头聚焦性能与检测系统成像性能之間的桥梁，在很大程度上影响系统的探测深度和横向分辨率.

2  超小GRIN光纤探头的制作方法及制作系统

超小GRIN光纤探头的制作过程包括光纤的切割与不同光纤之间的熔接.如图3所示为超小GRIN光纤探头的制作方法：1） 在单模光纤上熔接无芯光纤;2） 以单模光纤与无芯光纤的熔接点为原点，切割所需长度L0的无芯光纤;3） 在无芯光纤另一端熔接GRIN光纤;4） 以无芯光纤与GRIN光纤之间的熔接点为原点，切割所需长度为L的GRIN光纤;5） 超小GRIN光纤探头制作完成.

依据上述方法制作高质量的超小GRIN光纤探头时，需要配备高精度的光纤切割机和光纤熔接机.其中，光纤熔接机应可以使两光纤中心实现精准自动对齐，同时形成高质量（低损耗、低反射、高强度）的熔接点;光纤切割机应可以实现熔接点的精确定位和光纤长度的精确控制.

图4所示为制作超小GRIN光纖探头时用到的主要工具和材料，包括高精度光纤切割机（联合研发）、光纤熔接机（型号X-86，上海相和光纤通信有限公司）、光纤切割刀（型号X-52，上海相和光纤通信有限公司）、光纤剥线钳、单模光纤尾纤、无芯光纤（裸光纤，中国台湾卓越）、GRIN光纤（裸光纤，中国台湾卓越）等.图5为在蔡司Primotech型号显微镜下放大200倍后的超小GRIN光纤探头样品，由于单模光纤与无芯光纤的熔接质量高，在显微镜下无法识别出它们之间的熔接点，只能观测到无芯光纤与GRIN光纤之间的熔接点.

3  基于超小GRIN光纤探头的SS-OCT系统

利用超小GRIN光纤探头替代传统SS-OCT样品臂中的光学元件，建立如图6所示系统模型.通过采用一个输出波数随时间高速扫描的扫频光源，宽带光分时输出，经由干涉仪产生干涉，并利用光电探测器检测不同波长光的干涉信号，实现信号分析.

图7为搭建的基于超小GRIN光纤探头的SS-OCT实验系统.其中，光源选择的是基于衍射光栅和微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）驱动的共振振镜组合型扫频光源（HSL-20-50-B，日本Santec公司），其工作中心波长1 314.5 nm，波长范围（10 dB带宽）113.6 nm，瞬时相干长度21.6 mm（计算得到瞬时线宽0.035 nm），扫频速度50 kHz，最大输出功率56.2 mW，占空比45%;具有低噪声和带宽大等特点的光电探测器（PDB470C-AC，美国Thorlabs公司），以及高采样频率双通道数字采集卡（ATS9870，加拿大AlazarTech公司）.超小GRIN光纤探头的无芯光纤长度为0.30 mm，GRIN光纤长度为0.11 mm，经性能检测得到该探头样品的实际工作距离约为0.57 mm，聚焦光斑尺寸约为36 μm，配备该超小GRIN光纤探头的SS-OCT系统的纵向分辨率约为19 μm，横向分辨率约为21.2 μm.

4  实验检测结果及分析

搭建好图7所示基于超小GRIN光纤探头的SS-OCT系统，利用该系统对薄玻片（单层薄玻璃片）厚度进行检测.如图8所示为测量时的系统样品臂，超小GRIN光纤探头固定于光纤夹具中，光纤夹具则通过磁吸的方式固定在样品臂的调整台上，待测薄玻片紧贴在反射镜前，利用MATLAB软件对采集的数据进行傅里叶变换得到信号，如图9所示.

由傅里叶变换原理可知：当测量的波长范围为λ1～λ2时，系统成像图的频谱分辨率

Δd=（λ_2 λ_1）/（λ_2-λ_1 ）. （3）

当考虑待测样品折射率n和探测光束来回的影响，实际成像图的频谱分辨率

Δd_n=1/2n  （λ_2 λ_1）/（λ_2-λ_1 ）， （4）

其中，实验所用薄玻片为BK7光学玻璃;厚度为170 μm;在中心波长1 310 nm处折射率n≈1.5.结合光源波长参数，计算可得该系统频谱分辨率Δdn≈5 μm.由图9单层薄玻片的测试信号图可知：镜面（1 128）和玻片前表面（1 094）具有34个频率间隔（Δf），根据式（4）计算得出所测薄玻片厚度d=Δf×Δdn=34×5=170 μm，与玻片实际厚度一致.

同理，用单模光纤探头替换超小GRIN光纤探头对同一薄玻片厚度进行检测，得到信号如图10所示.由于单模光纤没有聚焦光束的作用，从其端面出射的光束呈发散状态，所以单模光纤测得的信号非常微弱，为能够更清晰地观测检测信号，对其进行局部信号放大，如图11所示，测得的玻片厚度为34个频率间隔，即170 μm.也可知单模光纤出射端面距薄玻片的距离非常近，仅15个频率间隔，为114 μm.

综合以上实验结果可知：测得的薄玻片厚度结果（170 μm）与其实际厚度一致，验证了超小GRIN光纤探头的应用可行性.分析比较可知利用超小GRIN光纤探头和裸单模光纤探头测得的结果一致，但是前者的测试信号强度约是后者的10倍，表明了超小GRIN光纤探头较之单模光纤探头具有更好的聚焦效果和信号收集能力.本实验仅针对超小GRIN光纤探头进行了一维测试，在后续的研究中，可在该探头前端再熔接一段端面研磨45°的无芯光纤，制作成侧向式光纤探头，通过环状或线状扫描实现对生物组织器官的二维或三维成像.

5  结  论

本文作者介绍了超小GRIN光纤探头的光学模型和制作方法，搭建了基于超小GRIN光纤探头的SS-OCT系统，利用该系统对薄玻片厚度进行了检测实验，测得的薄玻片厚度结果与其实际厚度一致，验证了超小GRIN光纤探头的应用可行性.并通过与裸单模光纤探头所检测薄玻片的实验结果进行对比分析，得出前者测得信号强度约是后者的10倍，证明了超小GRIN光纤探头具有更好的聚焦性和信号收集能力，为超小GRIN光纤探头在OCT系统内窥检测领域的研究提供了一定的理论依据.

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（责任编辑：顾浩然）