基于NaturaLase QS 激光器的醫(yī)用通體發(fā)光光纖再加工方式研究

范賢成，蘇 磊，孔 莉，曾嘉雋，何進(jìn)杰，王 爍，董曉曦，陳洪麗，3*

（1.天津工業(yè)大學(xué)，天津300387；2.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津300192；3.天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

0 引言

20 世紀(jì)90年代興起了通體發(fā)光光纖，此類光纖不同于常規(guī)光纖，具有優(yōu)良的光纖特性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。其制備目的是降低光纖固有損耗來(lái)增加非固有損耗，從而增大光纖的散射損耗以實(shí)現(xiàn)側(cè)面發(fā)光。目前，通體發(fā)光在醫(yī)學(xué)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域是穴位照射，有助于清除微循環(huán)障礙、治療炎癥和舒張心血管等，這些應(yīng)用對(duì)光功率密度都有很高的要求。不同功率密度的弱激光產(chǎn)生不同的治療效果，采用最佳強(qiáng)度的弱激光進(jìn)行患部照射，有助于促進(jìn)修復(fù)損傷部位、減緩創(chuàng)口疼痛以及減輕患部炎癥等，但是通體發(fā)光光纖側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度隨其長(zhǎng)度的增加而呈指數(shù)下降（光衰減）。當(dāng)光纖彎曲程度達(dá)到一定閾值后會(huì)導(dǎo)致光大量從彎曲處散射出來(lái)，使光纖側(cè)面發(fā)光不均勻，從而造成量化困難，無(wú)法推廣利用。例如在使用局部激光治療口腔牙齒和耳鼻喉部位時(shí)，由于應(yīng)用部位狹窄，光纖進(jìn)行彎折的弧度大，一般單模光纖在彎曲半徑較?。?5 mm）時(shí)在彎曲處表現(xiàn)出的光強(qiáng)逸散值較高，變化較劇烈，且伴隨著共振耦合，彎曲度過(guò)高會(huì)在該處折射過(guò)多光能，導(dǎo)致后端發(fā)光強(qiáng)度很弱甚至?xí)l(fā)生折斷的現(xiàn)象，因此對(duì)現(xiàn)有光纖的柔軟度提出了更高的要求；對(duì)通體發(fā)光光纖編織成織物，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)織物表面均勻發(fā)光進(jìn)行治療時(shí)，光衰減問(wèn)題導(dǎo)致表面整體發(fā)光不均勻，光纖末端發(fā)光強(qiáng)度不足，為保證應(yīng)用中整個(gè)表面發(fā)光均勻，就要解決光纖的長(zhǎng)度對(duì)均勻發(fā)光的限制問(wèn)題。

為保證通體發(fā)光光纖側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度的均勻性，現(xiàn)有的解決方案通常是限制通體發(fā)光光纖的使用長(zhǎng)度和彎曲程度。也有學(xué)者提出在通體發(fā)光光纖的兩端皆設(shè)置相同功率的光源，或者一端設(shè)置全反射鏡來(lái)達(dá)到通體發(fā)光光纖整體發(fā)光強(qiáng)度一致的目的，但由于長(zhǎng)度受限和設(shè)備體積大等缺陷導(dǎo)致其應(yīng)用受限[1]。為此，本文基于改變光纖的皮層結(jié)構(gòu)，使光纖從破壞處出光量增大的原理，采用調(diào)Q 激光器激光破壞光纖皮層加工的方法，通過(guò)設(shè)置調(diào)Q 激光器的不同參數(shù)，定量地對(duì)通體發(fā)光光纖進(jìn)行再加工，破壞光纖未彎曲處（或光纖后端）的皮層結(jié)構(gòu)，增加光散射強(qiáng)度，使其與光纖彎曲處（光纖前端）的發(fā)光光強(qiáng)基本相同，達(dá)到光纖彎曲狀態(tài)下（增加光纖長(zhǎng)度）仍能均勻發(fā)光的目的。由于調(diào)Q 激光器參數(shù)可調(diào)，還可適用于不同應(yīng)用環(huán)境對(duì)光纖發(fā)光強(qiáng)度一致性的具體要求當(dāng)中。本文以再加工通體發(fā)光光纖的實(shí)驗(yàn)為例，檢測(cè)加工前后發(fā)光強(qiáng)度的差異，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，驗(yàn)證此方法的可行性。

1 光纖再加工

1.1 基本原理

固態(tài)芯的醫(yī)用通體發(fā)光光纖芯層材料包括石英、復(fù)合成分玻璃和聚合物[2]。醫(yī)用通體發(fā)光光纖的發(fā)光原理是光纖的纖芯折射率n1>Teflon 包層的折射率n2，即n1＞n2，激光在纖芯與包層的界面發(fā)生全反射，激光在光纖的內(nèi)部呈現(xiàn)一定指數(shù)的衰減傳播。

通體發(fā)光光纖的發(fā)光強(qiáng)度在允許范圍內(nèi)，光強(qiáng)隨著長(zhǎng)度的增加而呈現(xiàn)指數(shù)型下降，出現(xiàn)損耗。弱激光在光纖傳播過(guò)程中有自生材料的吸收損耗I1、散射損耗I2，這2種損耗均為光纖的固有損耗。

假設(shè)光纖的質(zhì)地材料均勻，單位長(zhǎng)度內(nèi)的固有損耗大致一樣，在相同且適當(dāng)?shù)钠茐墓に嚄l件下發(fā)光光強(qiáng)I（x）與距離x基本呈線性關(guān)系。

末端處光量與散射光量大小都是與散射系數(shù)k、醫(yī)用通體發(fā)光光纖輸入光的強(qiáng)度I0和距離x有關(guān)的冪指數(shù)呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)。由于臨床需要的光功率不同，且k值一般較小，不再定量研究。側(cè)面發(fā)光是通體發(fā)光光纖的最明顯且重要的一個(gè)特點(diǎn)。但是由江源等[3]的推理計(jì)算，通體發(fā)光光纖的側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度是隨著光纖尺寸的增長(zhǎng)而按照指數(shù)形式減小的。

側(cè)面發(fā)光光纖在其光纖尺寸位置x處的發(fā)光光強(qiáng)I（x）可表示為如下公式：

其中，k為側(cè)面發(fā)光系數(shù)，單位為dB/m；常數(shù)A可用如下公式表示：

其中，I0為醫(yī)用通體發(fā)光光纖輸入光的強(qiáng)度。

由以上公式可以得到弱激光在醫(yī)用通體發(fā)光光纖輸入光的強(qiáng)度I0與光纖尺寸位置x處的發(fā)光光強(qiáng)I（x）的關(guān)系。本文基于通體發(fā)光光纖的傳輸衰減特性原理，采用改變光纖的皮層結(jié)構(gòu)并使光從破壞處逸散出來(lái)的基本方法，提出通過(guò)控制光纖長(zhǎng)度和逸散程度來(lái)保證側(cè)面均勻發(fā)光的解決方案。

1.2 實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料與器械

本實(shí)驗(yàn)以加工光纖后端為例展開(kāi)，實(shí)驗(yàn)器具主要包括調(diào)Q 激光器（NaturaLase QS），主機(jī)型號(hào)為NaturaLaseQSLT100-A，其基頻激光能量（每個(gè)脈沖能量）達(dá)到2 J，選取1 064 nm 作為波長(zhǎng)。采用SMA905 接頭，自制光纖，固態(tài)芯通體發(fā)光光纖的聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）保護(hù)層直徑1.65 mm，Teflon 包層直徑14 mm，纖芯直徑1.5 mm。實(shí)驗(yàn)中利用Japan-MN-405-KEIBAMH07F 馬頭偏口鉗對(duì)通體發(fā)光光纖進(jìn)行裁剪，使用光功率計(jì)調(diào)試調(diào)Q 激光器得到最佳輸出能量密度為6.0 J/cm2，光斑大小為4 mm2。

1.2.2 側(cè)面發(fā)光光纖的傳光特性實(shí)驗(yàn)方法

首先將光纖進(jìn)行耦合，從光纖末端開(kāi)始加工，每間隔5 cm 利用上述已調(diào)參數(shù)的激光器對(duì)光纖加工一次，設(shè)置合適的功率輸入量，使輸出能量密度達(dá)到6.0 J/cm2，并測(cè)量出激光通過(guò)耦合鏡后的功率I'0，將光纖拉直再次測(cè)量輸出光強(qiáng)I（x）。此方法可以排除無(wú)關(guān)變量的影響，還可記錄加工且排除無(wú)關(guān)因素后光纖末端輸出功率密度，分析對(duì)比加工前后光纖末端的發(fā)光功率，可以獲取再加工位置光的逸散功率。

1.2.3 探究多因素對(duì)光逸散特性影響的實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別按照一定長(zhǎng)度加工5 根光纖。選取5 根型號(hào)一樣的光纖設(shè)置4 個(gè)組別并標(biāo)號(hào)，以區(qū)間長(zhǎng)度為10 cm 分別對(duì)4 根光纖加工，剩余1 根光纖每間隔5 cm 從始端對(duì)其用同樣方法加工，并用光功率計(jì)讀取加工位置光的逸散功率。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB 擬合分析處理，可獲取脈沖能量、加工次數(shù)與光逸散功率的關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 側(cè)面發(fā)光光纖的傳光特性

本實(shí)驗(yàn)的核心在于再加工醫(yī)用通體發(fā)光光纖，因此首先驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所使用的光纖是否符合醫(yī)用通體發(fā)光光纖的特征。為驗(yàn)證此光纖的傳光特性，將醫(yī)用通體發(fā)光光纖依次等分切除，并且在每次切除后輸入相同的入射光強(qiáng)度，在光纖出口利用光功率計(jì)記錄光功率，詳見(jiàn)表1。

表1 光纖末端發(fā)光功率與光纖長(zhǎng)度的關(guān)系mW

將多次所得結(jié)果以加工位置與耦合后光纖頭的距離和發(fā)光功率分別為自變量和因變量，在MATLAB軟件中進(jìn)行擬合仿真，擬合得出I（x）=A×e-kx（A=46.22，k=-0.011 25）。所得結(jié)果如圖1 所示。由此可得此實(shí)驗(yàn)所使用的光纖符合醫(yī)用通體發(fā)光光纖的特性，可進(jìn)行下一步探究。

圖1 發(fā)光功率和加工位置與耦合后光纖的距離關(guān)系圖

2.2 光纖加工后輸出光功率衰減特性

本研究采取控制變量法來(lái)確保入射光量、環(huán)境溫度、加工時(shí)間等因素不會(huì)影響對(duì)加工位置的研究。在此選取加工位置與光纖逸散功率的關(guān)系為例進(jìn)行說(shuō)明。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將光源與醫(yī)用通體發(fā)光光纖放置于同一水平面，并使其在一條直線上，以光源為起點(diǎn)、以10 cm 為間隔進(jìn)行同種光纖不同位置的加工，再測(cè)量光纖末端的光能量密度。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。結(jié)果顯示加工位置越靠近光源，加工位置的光功率逸散越大，與文獻(xiàn)[4]所得結(jié)論一致。

表2 不同加工位置加工前后光纖末端光能量密度

之后進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以距離光纖尾端5 cm 處為起點(diǎn)、5 cm 為間隔進(jìn)行同種光纖不同位置的加工，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。結(jié)果顯示加工位置越靠近光纖末端，加工位置的光功率逸散越小，再次驗(yàn)證了上述結(jié)論。

3 討論

醫(yī)用通體發(fā)光光纖在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要有穴位照射、修復(fù)損傷部位、減緩創(chuàng)口疼痛、減輕患部炎癥等，在可穿戴光療設(shè)備方面也很有前景。對(duì)于現(xiàn)有醫(yī)用通體發(fā)光光纖在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上的難題，即增加光纖使用長(zhǎng)度或者需彎曲使用光纖導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度的均勻性不足，需要對(duì)其進(jìn)行再加工。

現(xiàn)有的加工方式多種多樣，大多是利用改變光纖的皮層結(jié)構(gòu)引起光纖芯材中傳輸?shù)墓鉄o(wú)法正常進(jìn)行全反射，使得光在破壞處散射增加的基本原理，來(lái)改變光纖某處的發(fā)光強(qiáng)度。例如李濤等[5]為了改善通體發(fā)光光纖側(cè)面發(fā)光不均勻的問(wèn)題，采用了飛秒激光微加工的方法對(duì)其進(jìn)行加工因素探究，研究了激光功率、脈沖速度和掃描速度對(duì)切割端面的影響，從而提高了通體發(fā)光光纖的側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度；嚴(yán)璐等[6]利用輪式側(cè)邊拋磨法制作側(cè)邊拋磨光纖，研究了拋磨深度、拋膜長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相關(guān)損耗的關(guān)系，從而改善側(cè)面發(fā)光光強(qiáng)；漆宇等[7]利用激光打標(biāo)法，設(shè)置不同功率組使得側(cè)面發(fā)光光纖逸散高度均勻。有的加工方式通過(guò)采取改變纖芯直徑的方式控制散射光量，例如，目前國(guó)際上有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種變芯徑法，通過(guò)改變纖芯的直徑以達(dá)到光偏離纖芯中軸線方向而側(cè)面逸散[8]。也有通過(guò)選擇皮層材料利用其參數(shù)（例如結(jié)晶率）的不同來(lái)達(dá)到想要的效果，例如島田勝?gòu)┑萚9]在管理光纖側(cè)面逸散的能量損耗方面，控制光纖皮層材料的結(jié)晶率以達(dá)到理想的側(cè)面發(fā)光的能量效果。還有通過(guò)加工光纖柱面來(lái)提高光纖側(cè)面發(fā)光光強(qiáng)的方式，例如江沛凡等[10]利用光纖側(cè)面拉錐技術(shù)對(duì)光纖的柱面進(jìn)行加工，從而對(duì)光纖進(jìn)行定性研究，這種光纖器件在通信設(shè)備、傳感器設(shè)備、激光器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但由于現(xiàn)存的加工方式無(wú)法精準(zhǔn)、可靠地實(shí)現(xiàn)適用于人體患部的加工要求，且加工后的光纖發(fā)光均勻程度達(dá)不到醫(yī)用要求，因此現(xiàn)有的加工光纖技術(shù)未能很好地運(yùn)用到醫(yī)學(xué)治療中。

表3 加工距離與光纖末端光能量密度的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)使用的是調(diào)Q 激光器，激光器激光源為Nd：YAG，以激光加工的方式處理通體發(fā)光光纖，根據(jù)最佳輸出能量密度和光斑大小對(duì)其進(jìn)行加工，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在加工處側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度增加且加工位置距光纖末端越遠(yuǎn)，加工后光纖側(cè)面光功率逸散越明顯。因此可根據(jù)光纖衰減程度以及實(shí)際需求確定再加工的加工位置等參數(shù)以解決因長(zhǎng)度導(dǎo)致的通體發(fā)光光纖側(cè)面發(fā)光不均勻問(wèn)題。經(jīng)過(guò)與已有通體發(fā)光光纖特性對(duì)比以及多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得出，實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的主要誤差是光功率計(jì)測(cè)量誤差、激光光源與打點(diǎn)處距離測(cè)量的誤差以及出光口色散損失。光纖的折射率對(duì)最后的測(cè)試結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中還需要精確控制光纖折射率的一致性。

調(diào)Q 激光器激光加工方式與設(shè)置全反射鏡等方式相比，不占用最后成品光纖的體積。與文獻(xiàn)[7]中加工方法相比，本文的方法包層破壞程度小，可提高加工后光纖的延展性，但因未考慮光纖折射率問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不明顯。島田勝?gòu)┑萚9]所提出的皮層結(jié)晶法對(duì)光纖包層損傷大，導(dǎo)致光纖柔韌度差，而本文方法在控制光纖側(cè)面逸散的能量損耗方面性能更優(yōu)異，并且基本不損壞光纖的延展性。Parthasarathy[8]采用變芯徑法提出了一種全新的芯皮界面分布結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部錐形纖芯結(jié)構(gòu)加工難度較大，且該方法制備的光纖長(zhǎng)度受限于纖芯內(nèi)徑和纖芯材料折射率與包層材料折射率的比值等因素。而本文方法基于現(xiàn)有的光纖芯皮界面分布結(jié)構(gòu)，且長(zhǎng)度不受限制，自定義程度較高，可滿足不同使用場(chǎng)景。相較Serbin 等[11]提出的傳統(tǒng)的光纖制作工藝——邊弧形槽基塊拋磨法，本文方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單快捷，且能保持光纖的完整性。除此之外，調(diào)Q 激光器還可以根據(jù)醫(yī)療設(shè)備不同的照射需求來(lái)確定輸出能量密度、波長(zhǎng)以及光斑大小等參數(shù)，靈活度較強(qiáng)，能夠定性、定量地測(cè)量各個(gè)因素產(chǎn)生的效果，比傳統(tǒng)加工方法數(shù)據(jù)的可信度更高，克服了現(xiàn)有醫(yī)療照射光纖長(zhǎng)度受限于芯材與芯徑比值的問(wèn)題，方便具有特殊需求的定制處理。本文加工方法可以更加方便地運(yùn)用到臨床各類疾病的治療，特別是在緩解術(shù)后組織疼痛、緩解組織炎癥帶來(lái)的疼痛和研發(fā)多功能醫(yī)用激光治療機(jī)等方面有更顯著的效果。調(diào)Q 激光器激光加工方式有望在加工專屬病灶光纖領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。

4 結(jié)論

本文針對(duì)通體發(fā)光光纖在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中存在的側(cè)面發(fā)光不均勻的問(wèn)題，提出了利用調(diào)Q 激光器激光加工的方法，可以對(duì)輸出能量密度、波長(zhǎng)以及光斑大小等進(jìn)行量化控制，對(duì)通體光纖進(jìn)行再加工。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，再加工后的光纖后端發(fā)光強(qiáng)度增加，并且通過(guò)改變調(diào)Q 激光器參數(shù)可以定量地改變逸散光強(qiáng)，使光纖整體保持均勻側(cè)面發(fā)光，此方法不占用光纖成品體積并且加工過(guò)程靈活性較強(qiáng)，可根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行光纖細(xì)節(jié)定制，一定程度上解決了通體發(fā)光光纖的光衰減以及柔軟度低而導(dǎo)致側(cè)面發(fā)光不均勻的問(wèn)題，具有可行性；通過(guò)設(shè)置調(diào)Q 激光器的不同參數(shù)，定量地對(duì)通體發(fā)光光纖進(jìn)行再加工，破壞光纖后端的皮層結(jié)構(gòu)，增加光散射強(qiáng)度，使其與光纖前端的發(fā)光光強(qiáng)基本相同，達(dá)到光纖彎曲狀態(tài)下仍能均勻發(fā)光的目的。但實(shí)驗(yàn)存在沒(méi)有對(duì)不同材質(zhì)光纖的再加工后散射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量的不足，下一步可通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同材料光纖，使其在不同長(zhǎng)度或彎曲度保持側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度一致的條件下，仍得到相對(duì)應(yīng)的輸出能量密度和光斑大小，并提供調(diào)Q 激光器參數(shù)參考值，為以后的研究提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，從而使通體發(fā)光光纖具備特定區(qū)域發(fā)光特性可定制的優(yōu)點(diǎn)，有望在牙科、耳鼻喉科和皮膚創(chuàng)面愈合等醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)展。