超高分辨率石英光纖傳像束

許彥濤，郭海濤，侯超奇，崔曉霞，高 菘，張 巖，折勝飛

(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所光子功能材料與器件研究室，西安 710119)

0 引 言

光纖傳像束是大量光學(xué)纖維集束在一起且兩端光纖呈規(guī)則排列的一種可實現(xiàn)圖像傳遞的無源光學(xué)器件，具有柔軟易彎曲、抗電磁干擾等特點，在國防、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1-3]。國內(nèi)長春理工大學(xué)[4]、北京玻璃研究院[5]、華東理工大學(xué)[6]等諸多高校和科研機(jī)構(gòu)于20世紀(jì)90年代先后開展了基于酸溶法制備玻璃光纖傳像束的研究，成功研制出單絲直徑約8 μm、分辨率≥50 lp/mm、斷絲率≤0.3%的光纖傳像束。近年來，隨著對傳像束分辨率要求的進(jìn)一步提高，光纖單絲直徑需要降至5 μm以內(nèi)，傳統(tǒng)玻璃光纖傳像束受機(jī)械強(qiáng)度的制約，無法滿足要求，石英光纖傳像束應(yīng)運(yùn)而生。相對于玻璃光纖，石英光纖具有機(jī)械性能好、損耗低、耐高溫等優(yōu)點，是制備超細(xì)(傳像束直徑<1 mm)、高分辨(分辨率>100 lp/mm)光纖傳像束的理想材料。國際上，日本、英國等發(fā)達(dá)國家率先開展了相關(guān)研究，研制的傳像束單絲直徑低至3.25 μm,分辨率高達(dá)154 lp/mm[7-8]，在高端醫(yī)療領(lǐng)域處于壟斷地位。國內(nèi)開展石英光纖傳像束研究的機(jī)構(gòu)較少，目前尚未有商用產(chǎn)品問世。

本文深入開展了超細(xì)高分辨石英光纖傳像束的研究，創(chuàng)造性地利用溶膠-凝膠法在像元單絲間隙中引入了含有過渡金屬離子的SiO2溶膠吸收層，解決了石英傳像束光串?dāng)_問題，采用一次復(fù)絲工藝，成功制備出15 000像元石英傳像束。通過優(yōu)化過渡金屬離子種類和含量，獲得了過渡金屬離子摻雜SiO2吸收溶液在可見光波段的吸收光譜曲線。超細(xì)高分辨石英光纖傳像束的成功研制對推動我國高端醫(yī)療器件的發(fā)展具有重要意義。

1 實 驗

1.1 樣品制備

傳像束的制備采用一次復(fù)絲工藝，先拉制250～500 μm的光纖單絲，然后在模具中將單絲有序排制組束，得到復(fù)絲棒；之后將復(fù)絲棒浸泡在含有過渡金屬離子的SiO2溶膠溶液中，經(jīng)烘干、真空燒結(jié)后，吸收劑以固態(tài)的形式填充在復(fù)絲棒單絲的間隙中；最后將復(fù)絲棒再次拉絲，得到石英光纖傳像束。相比二次復(fù)絲工藝，一次復(fù)絲工藝可以避免產(chǎn)生復(fù)絲邊界處的網(wǎng)格線[9]，有利于提高成像質(zhì)量。

過渡金屬離子摻雜SiO2吸收溶液采用溶膠-凝膠法制備，吸收離子為Fe3+、Co2+、Ni2+，制得的SiO2溶液的吸收光譜見圖1。可以看出，該吸收液在可見光波段具有平坦的吸收，保障了傳輸圖像色彩的還原度。吸收劑填充到復(fù)絲棒單絲間隙中，一方面可起到吸收串?dāng)_光的作用，另一方面可以降低拉絲時光纖單絲的畸變，有利于維持光纖陣列的規(guī)整度。

圖1 含過渡金屬離子的SiO2溶液吸收光譜

1.2 測試與表征

使用電子探針(EPMA，日本電子公司，JXA-8230，加速電壓為20 kV，電子束直徑為5 μm)觀察光纖束端面和測試端面的元素分布；采用截斷法，利用光纖綜合參數(shù)測試儀(美國光動公司，型號2500，測試范圍為600～1 600 nm，測試步長為10 nm)對傳像束的損耗進(jìn)行測試;采用自行搭建的測試系統(tǒng)對傳像束成像性能進(jìn)行測試，目標(biāo)物經(jīng)自聚焦透鏡(飛秒光電科技(西安)有限公司)成像于傳像束入射端面，圖像經(jīng)傳像束傳輸后，成像至探測器(型號CC501)。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖2(a)為制備的直徑為600 μm、像元為15 000的傳像束端面SEM照片。傳像束有效直徑為535 μm，像元單絲直徑約為4.4 μm，分辨率約為113 lp/mm。通過圖2(a)可以看出，傳像束像元均勻一致，無宏觀缺絲、畸變、缺陷產(chǎn)生。圖2(b)為傳像束端面的Ge元素分布圖，可以看出Ge元素集中在纖芯，未出現(xiàn)擴(kuò)散溢出，表明單絲的芯包結(jié)構(gòu)保持良好，保障了傳像束良好的光學(xué)性能。

圖2 光纖傳像束端面SEM照片和Ge元素分布圖

2.2 傳輸性能分析

取45 m長的光纖傳像束，用激光筆照射一端，在另一端可以觀測到明顯的激光輸出(見圖3內(nèi)插圖)，表明傳像束的傳光性能良好。截斷前后光纖的長度分別為45 m和5 m，在可見光范圍內(nèi)的損耗約為0.1 dB/m(見圖3)。

圖3 石英光纖傳像束的損耗光譜

2.3 成像性能分析

圖4為傳像束成像測試系統(tǒng)和纖維細(xì)絲成像圖。利用圖4(a)所示的光纖窺鏡系統(tǒng)，對傳像束的成像性能進(jìn)行了測試。目標(biāo)物經(jīng)自聚焦透鏡成像于傳像束前端，圖像經(jīng)傳像束輸出，再由成像系統(tǒng)輸入至探測器，獲得目標(biāo)物圖像。圖4(b)為該系統(tǒng)對纖維細(xì)絲的成像圖，可以看出圖像中的纖維無暗絲、斷絲,成像清晰，像質(zhì)良好，無畸變，傳像束達(dá)到了實際使用要求。

圖4 傳像束成像測試系統(tǒng)和纖維細(xì)絲成像圖

3 結(jié) 論

采用一次復(fù)絲法，成功制備出15 000像元的石英光纖傳像束。采用溶膠-凝膠法在石英光纖傳像束單絲間隙中引入了吸收劑，解決了單絲串?dāng)_問題。制備的傳像束在可見光范圍內(nèi)的損耗約為0.1 dB/m，光學(xué)性能良好，成像清晰。石英光纖傳像束的成功研制，解決了高端醫(yī)療內(nèi)窺鏡關(guān)鍵器件長期依賴進(jìn)口的“卡脖子”問題，對推動我國高端醫(yī)療器件的發(fā)展具有積極意義。