激光生物医学光纤

激光与光纤的耦合
光纤接头类型
Configuration
54
光纤输入端的功率密度
功率密度 Ps Po
S
功率密度低，切割汽化效果差，功率密度太高，超过 105W/cm2，小芯径的石英光纤输出端会出现熔球甚 至光纤端点本身汽化
例：芯经为250um，耦合输出功率为10w ，求输出端面功率密度
导光臂传输
对于波长为10.6μm的CO2激光，国内外虽 已有产品，但其成本高，尚不能普及，所 以目前国内外在CO2激光治疗机中的导光 系统大多采用装有反射镜的转动式导光关 节臂。
它是由反射镜基座、连接管、轴承、反射 镜和激光刀头等组成。
卧式CO2激光手术刀及导光关节臂结构示意图 1 激光管固定圈 2 激光管支架 3 电源箱 4 导光关节支架 5 关节臂 6 刀头
1、光纤的诞生
种种全反射现象
光导现象的早年应用
光纤光学的诞生
光纤的主要应用领域
互联网业务
光纤通信
FTTH 海底通信
1.光纤的特点
光纤的特点：传输速度快、距离远、内 容多，并且不受电磁干扰、不怕雷电击 ，很难在外部窃听，不导电，在设备之 间没有接地的麻烦等。
二.光纤的结构与分类
5～ 50m 125 m 250 m
几十倍，光纤内的光线就绝大部分不会逸出。 纤芯直径小和数值孔径大的光纤在相同
的弯曲程度下，具有较高的传输效率，其 弯曲性能较好。
4）光纤强度
机械强度 动态疲劳和静态疲劳
第二节 激光与光导纤维的耦合
耦合
直接耦合系统 间接耦合系统
光纤直接耦合 光纤微透镜直接耦合 单透镜耦合系统 透镜组耦合系统
激光刀头
关节臂末端的操作手柄 刀头内部都装有聚焦透镜，在透镜的焦点处，可对病
变组织点的距离逐渐增大时，激光束的光斑也随之加 大，从而功进行切割，离焦率密度随之降低，治疗作 用就从切割过渡到汽化，再到凝固。
当离焦点的距离再增大时，光斑面积更大，以致使功 率密度小于组织的损伤阈值，此时对组织无急性损伤 ，可用其温热效应进行激光理疗，或把聚焦透镜换成 扩束透镜进行激光理疗。对于不同的治疗，激光的刀 头套的长短和形状也有所不同。
纤芯 包层
防护层
光纤结构一般是双层或多层的同心圆柱体。中心部分 是纤芯，纤芯以外的部分称为包层。纤芯的作用是传 导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。
光纤的几何尺寸很小， 纤芯直径一般在5～50 μm 之间， 包层的外径为125 μm， 包括防护层， 整 个光纤的外径也只有250 μm左右
1.光纤传输原理
临 界光 锥 c
非 全反 射 光
全 反射 光
纤 芯n(＞n ) 12 包 层n(2)
数值孔径NA的范围通常为NA=0.15~0.24之间。 小的数值孔径导致光纤耦合效率的降低。
例 n1＝1.48、n2＝1.46的阶跃光纤的数值孔径是多少？最大接收角是多少 ？要求掌握数值孔径的概念和物理意义 解：
判断光纤质量的优劣，通常由以下几个参 数决定
1）.光纤的传输性能 2）.数值孔径 3）.弯曲性能 4）.强度
1）光纤的传输性能
光纤的光学传输由OH含量和包层材料所决 定。
光纤的传输损耗总结
(1)光纤材料的吸收损耗 纤芯及包层中含有的金属离子和OH–离子，会在很宽
的光谱范围内吸收光能。 (2)光纤材料的散射损耗 光纤中物质密度的不均匀会引起瑞利散射，此种散射
sini (n12 n22 )1/2
显然，θi越大，即纤芯与包层的折射率之 差越大，光纤捕捉光线的能力越强，而参 数直接反映了这种能力，我们称为光纤的 数值孔径NA(Numerical Aperture)
NA sini (n12 n22 )1/2
临界光锥与数值孔径示意图
n2 [ 1 - 2Δ ]1/2 a < r ≤ b
Δ—相对折射率差， Δ ＝（ n1 - n2 ) / n1
a 双包层
b 三角芯
c 椭圆芯
典型特种单模光纤
3.光纤分类
3.按光纤内的导模数分 多模光纤(MM—Multi Mode fiber) 可传输多种模式，或允许多种场结构存在 单模光纤(SM—Single Mode fiber) 只传输一种模式
P=10/（3.14*125^2）= 2.38*104w/cm2
激光功率10w，光纤直径200um，照射距 离H=1mm，求照射面功率密度？求照射1s 的能量密度
c
光纤的数值孔径NA 称θi为最大接收角， θr为临界传播角。
NA sini (n12 n22 )1/2
θi H
光纤
油膏 一次涂覆层 松套管
(a)紧套光纤
(b)松套光纤
多模光纤
定义：具有大的芯径(50或62.5μ m) ，能够采用不同的传输路径 （多个模式）来传输的光纤。
优点：容易与光源以及其他光纤进行耦合，光源（发射机）成本 低，并且具有简单的连接与熔接特性。
缺点：具有相对较高的衰减、低带宽，使得光在多模光纤内的传 输被限制于短距离。
一、光纤的诞生
在光纤出现之前，人们一直在追寻一种性能稳 定的，廉价的，方便使用的介质来传输光信号 。例如介质透镜、反射镜波导、气体透镜波导 等，使光束限制在一定范围内并沿确定路线传 播。
能不能象电信号依靠铜缆传输一样，找到一种 光波导来实现光信号廉价、低损耗的稳定传输 呢？
传输方式
导光臂传输 光导纤维传输 光学系统传输
NA (n12 n2 2 )1/ 2 (1.48 2 1.46 2 )1/ 2 0.242
0 arcsin(NA) 14 0
3）弯曲性能
当光纤发生弯曲时，在光纤的弯曲部位，某些原先发生全反 射的光线会因不再满足全反射条件而外逸，从而降低了光纤的传输效 率。
如果弯曲的曲率半径比纤芯的直径大几倍到
光纤头的结构
为了适应不同解剖位置的治疗需要，要将 光纤输出端制成球状、柱状、尘柱状或联 结金属热帽或宝石接触刀头、金属帽与蓝 宝石混和刀头、陶瓷头等多种。
应用：主要应用在长途骨干网、城 域网、接入网等场合。
单模光纤
9μ m
125μ m
单模光按照包层材料不同分；
3.光纤的分类
2）.按照光纤横截面上折射率分布特 征分：
阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用 SI表示—Step Index fibber） 纤芯与包层的折射率均为一常数，其 界面处呈阶跃式变化。
与波长的四次方成反比。 (3)光波导散射损耗 纤维粗细不均匀，直径沿轴线分布有起伏，将会引起
光波导散射，造成损耗。 (4)端面的反射损耗 光入射到光纤入射端面和从出射端面射出时,在光纤端
面产生的反射损耗。
光纤的传输损耗总结
总的趋势是， 在400~800nm可见光波长范围内，石英光
纤具有低的传输损耗,传输效率大于 99.5%/m； 对800~2400nm近中红外线和315~400nm 近紫外线传输效率稍低；
3. 组织间激光照射:对大块的病变组织，用穿刺针将光纤插入组织 进行照射。
4. 流质中的激光手术：通过光纤传输避免了激光在液体中的衰减 ，使激光作用于淹没在液体中的组织。如激光关节镜膝盖手术。
医用光纤的应用
5. 在医用内窥镜中起导 光和导像作用。 光源发出的光传入 导光束, 在导光束的端 部装有凹透镜，导光束 传入的光通过凹透镜, 照射于脏器内腔的粘膜 面上, 反射光经过成像 物镜、纤维导像束和目 镜，便能在目镜上观察 到被检查脏器内腔的图 像。
n2 n1
光波在光纤中是以全反射的形式传播的。光波在光纤中实 现全反射的条件是：
光纤纤芯的折射率一定要大于光纤包层的折射率。 进入光纤的光线向纤芯-包层界面入射时，入射角应大 于临界角。
2光纤的结构
纤芯直径的直径 单模光纤：9μm 多模光纤：50μm/62.5 μm 包层直径： 125μm
光纤 一次涂覆层 缓冲层 二次涂覆层
应用：主要应用在接入网和局域网
等短距离场合。
多模光纤
50μ m
125μ m
多模光纤示意图
单模光纤
定义：芯径较小（9um)，只能采用一种传输路径（单个模式） 来传输的光纤。
优点：消除了模式色散，衰减小，传输距离远,大带宽，能在 超长距离上承载10Gbit/s与40Gbit/s信号。
缺点：不能与光源以及其他光纤进行耦合，光源（发射机） 成本高。
第六章 医用光导纤维技术
引言
激光器所发出的激光是直线传播的。 传输系统就是能把这直线传播的激光束有
效地传送到人体的病变部位的传输器械， 是医用激光器的重要部件，其质量的好坏 将直接影响到医用激光器的治疗效果。
传输系统质量评价标准
1．激光束通过传输系统后是否保持激光的原有 特性，如激光的平行性、相干性等。
几种不同光纤传光原理
横截面
折射率分布 r
输入脉冲 Ai
光线传播路径
纤芯
包层
(a)
2b
2a
n
t
r
Ai
(b ) 12 5m
50 m r
n t
Ai
输出脉冲 Ao
t Ao
t Ao
(c) 12 5m
～ 1 0 m
n
t
t
(a) 阶跃型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤
4.光纤的参数
直接耦合
光纤直接耦合
光纤微透镜直接耦合
(l)球透镜端面耦合 (2)圆锥形微透镜耦合
(3)截顶抛物面微透镜耦合
间接耦合
用聚焦透镜将光束聚焦后送入光纤。聚焦光斑应位于光纤入射端面的 中心，光斑直径应远小于纤芯的直径。聚焦光束的最大入射角应小于 光纤的接受锥度角，以保证入射光进入光纤后都能满足全反射条件。 光纤的夹具和插头基本采用国际标准接口SMA905。
阶跃折射率多模光纤中的光线理论——子午光线
c
光纤的数值孔径NA 称θi为最大接收角， θr为临界传播角。
NA sini (n12 n22 )1/2
c
由图可知，只有从空气缝隙到光纤端面光的入射角小 于θi，入射到光纤里的光线才能传播。实际上θi是个空 间角，也就是说如果光从一个限制在2θi的锥形区域中 入射到光纤端面上，则光可被光纤捕捉。
第三节 医用光纤的应用
1. 在外科手术中的应用：采用(出射端面)裸露光纤或装有蓝宝石 刀头的光纤，进行非接触式或接触式激光手术。另外，激光经由 光纤传输可通过很小的切口或人体自然开口进入内部组织，实现 微创或无创手术。
2. 激光碎石：用光纤传输的脉冲激光能将结石击碎成小块，然后 由病人自然排出。已用于胆囊和泌尿系统的碎石。
3.光纤分类 4.按套塑的情况分
松套 紧套
光纤
一次涂覆层
缓冲层 二次涂覆层
光纤
油膏 一次涂覆层 松套管
(a)紧套光纤
(b)松套光纤
5.按工作波长分
短波长光纤：0.8～0.9µm 长波长光纤： 1.0～1.7µm 超长波长光纤： > 2µm 短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超 长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧 化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等
对远红外线和短紫外线的传输效率下降明 显。
子午光线
2）数值孔径
在任何一根光纤中，通过光纤中 心轴的任何平面都成为子午面，它 有无穷多个；
位于子午面内的光线称为子午光 线，它在光纤端面上的投影即为光 纤端面上的直径；
讨论子午光线好处
由于子午光线和光纤中心轴处于同一平面内，则子午光线 的数学处理可在一个平面内进行：根据光的反射定律，入射 光线和反射光线始终处于同一平面内，因此，子午光线经多 次全反射后仍在原入射平面内。
渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦 光纤（常用GI表示—Graded Index fibber ）纤芯折射率连续变化，包层 的折射率则为一常数。
W型光纤等
b
b
a
a
n(r)
n(r)
0
0
n1
a
n2 b
n1
a
n2 b
n(r)=
阶跃型光纤
渐变型光纤
n1 r≤ a
n(r)=
n2 a < r ≤ b
n1 [ 1 - 2Δ ( r/a ) g ]1/2 r ≤ a
2．传输系统是否能承受足够大的激光功率，且 传输损耗又较小。
3．传输系统是否操作灵巧，自由度大而无死角 ，是否体积小、重量轻，调试方便和维修保养简 便。
4．传输系统是否处于任何位置时，其输出功率 恒定、光斑模式一致。
第一节.石英光导纤维的结构
一 光纤的发展 1. 光纤的诞生 2. 光纤的构造与分类 3. 光纤的参数