超高分辨率石英光纤传像束

许彦涛，郭海涛，侯超奇，崔晓霞，高 菘，张 岩，折胜飞

(中国科学院西安光学精密机械研究所光子功能材料与器件研究室，西安 710119)

0 引 言

光纤传像束是大量光学纤维集束在一起且两端光纤呈规则排列的一种可实现图像传递的无源光学器件，具有柔软易弯曲、抗电磁干扰等特点，在国防、医疗等领域获得了广泛应用[1-3]。国内长春理工大学[4]、北京玻璃研究院[5]、华东理工大学[6]等诸多高校和科研机构于20世纪90年代先后开展了基于酸溶法制备玻璃光纤传像束的研究，成功研制出单丝直径约8 μm、分辨率≥50 lp/mm、断丝率≤0.3%的光纤传像束。近年来，随着对传像束分辨率要求的进一步提高，光纤单丝直径需要降至5 μm以内，传统玻璃光纤传像束受机械强度的制约，无法满足要求，石英光纤传像束应运而生。相对于玻璃光纤，石英光纤具有机械性能好、损耗低、耐高温等优点，是制备超细(传像束直径<1 mm)、高分辨(分辨率>100 lp/mm)光纤传像束的理想材料。国际上，日本、英国等发达国家率先开展了相关研究，研制的传像束单丝直径低至3.25 μm,分辨率高达154 lp/mm[7-8]，在高端医疗领域处于垄断地位。国内开展石英光纤传像束研究的机构较少，目前尚未有商用产品问世。

本文深入开展了超细高分辨石英光纤传像束的研究，创造性地利用溶胶-凝胶法在像元单丝间隙中引入了含有过渡金属离子的SiO2溶胶吸收层，解决了石英传像束光串扰问题，采用一次复丝工艺，成功制备出15 000像元石英传像束。通过优化过渡金属离子种类和含量，获得了过渡金属离子掺杂SiO2吸收溶液在可见光波段的吸收光谱曲线。超细高分辨石英光纤传像束的成功研制对推动我国高端医疗器件的发展具有重要意义。

1 实 验

1.1 样品制备

传像束的制备采用一次复丝工艺，先拉制250～500 μm的光纤单丝，然后在模具中将单丝有序排制组束，得到复丝棒；之后将复丝棒浸泡在含有过渡金属离子的SiO2溶胶溶液中，经烘干、真空烧结后，吸收剂以固态的形式填充在复丝棒单丝的间隙中；最后将复丝棒再次拉丝，得到石英光纤传像束。相比二次复丝工艺，一次复丝工艺可以避免产生复丝边界处的网格线[9]，有利于提高成像质量。

过渡金属离子掺杂SiO2吸收溶液采用溶胶-凝胶法制备，吸收离子为Fe3+、Co2+、Ni2+，制得的SiO2溶液的吸收光谱见图1。可以看出，该吸收液在可见光波段具有平坦的吸收，保障了传输图像色彩的还原度。吸收剂填充到复丝棒单丝间隙中，一方面可起到吸收串扰光的作用，另一方面可以降低拉丝时光纤单丝的畸变，有利于维持光纤阵列的规整度。

图1 含过渡金属离子的SiO2溶液吸收光谱

1.2 测试与表征

使用电子探针(EPMA，日本电子公司，JXA-8230，加速电压为20 kV，电子束直径为5 μm)观察光纤束端面和测试端面的元素分布；采用截断法，利用光纤综合参数测试仪(美国光动公司，型号2500，测试范围为600～1 600 nm，测试步长为10 nm)对传像束的损耗进行测试;采用自行搭建的测试系统对传像束成像性能进行测试，目标物经自聚焦透镜(飞秒光电科技(西安)有限公司)成像于传像束入射端面，图像经传像束传输后，成像至探测器(型号CC501)。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

图2(a)为制备的直径为600 μm、像元为15 000的传像束端面SEM照片。传像束有效直径为535 μm，像元单丝直径约为4.4 μm，分辨率约为113 lp/mm。通过图2(a)可以看出，传像束像元均匀一致，无宏观缺丝、畸变、缺陷产生。图2(b)为传像束端面的Ge元素分布图，可以看出Ge元素集中在纤芯，未出现扩散溢出，表明单丝的芯包结构保持良好，保障了传像束良好的光学性能。

图2 光纤传像束端面SEM照片和Ge元素分布图

2.2 传输性能分析

取45 m长的光纤传像束，用激光笔照射一端，在另一端可以观测到明显的激光输出(见图3内插图)，表明传像束的传光性能良好。截断前后光纤的长度分别为45 m和5 m，在可见光范围内的损耗约为0.1 dB/m(见图3)。

图3 石英光纤传像束的损耗光谱

2.3 成像性能分析

图4为传像束成像测试系统和纤维细丝成像图。利用图4(a)所示的光纤窥镜系统，对传像束的成像性能进行了测试。目标物经自聚焦透镜成像于传像束前端，图像经传像束输出，再由成像系统输入至探测器，获得目标物图像。图4(b)为该系统对纤维细丝的成像图，可以看出图像中的纤维无暗丝、断丝,成像清晰，像质良好，无畸变，传像束达到了实际使用要求。

图4 传像束成像测试系统和纤维细丝成像图

3 结 论

采用一次复丝法，成功制备出15 000像元的石英光纤传像束。采用溶胶-凝胶法在石英光纤传像束单丝间隙中引入了吸收剂，解决了单丝串扰问题。制备的传像束在可见光范围内的损耗约为0.1 dB/m，光学性能良好，成像清晰。石英光纤传像束的成功研制，解决了高端医疗内窥镜关键器件长期依赖进口的“卡脖子”问题，对推动我国高端医疗器件的发展具有积极意义。