光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性和色散特性，此外还有光纤的非线性效应。图9.8所示为石英光纤的损耗谱曲线。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。由于光纤通信中使用的光源不是单色光，具有一定的光谱宽度，这样不同波长的光波传输速度不同，从而产生时延差，引起脉冲展宽。......
2023-06-26
低损耗、大功率的激光传输光纤已成功研制
【摘要】：激光器所发出的激光是直线传播的。现在，这种低损耗、大功率的激光传输光纤在我国已研制成功并将逐渐代替CO2激光的关节传递方式。这将使CO2激光在今后的激光治疗中发挥更加重要的作用。但导光纤维受到激光波长的限制，对于波长是10．6μm的CO2激光，导光系统大多仍采用装有反射镜的转动式导光关节臂。
激光器所发出的激光是直线传播的。导光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。因此，导光系统的设计要合理，加工要精密，调试要精确。
可以从以下几方面来评价激光器的导光系统的优劣程度，如果能同时满足以下四点则导光系统的质量是优良的：①激光束通过导光系统后能保持激光的原有特性，如激光的平行性、相干性等；②导光系统能够承受足够大的激光功率，且传输损耗又较小；③导光系统操作灵巧，自由度大而无死角，体积小，重量轻，调试方便和维修保养简便；④导光系统处于任何位置时，其输出功率恒定、光斑模式一致。
导光系统主要有光学纤维和导光关节臂。
（一）光学纤维（optical fiber）
医用激光器包括紫外、红外、可见光激光器，激光输出端的光纤形状包括点状、柱状、球状等；光纤在医学的应用包括光纤照明和激光传输。现今石英光纤、多组份玻璃光纤、聚合物光纤以及红外晶体光纤、氟化物玻璃光纤、红外空芯波导等在医学治疗中有许多应用。其中，石英光纤已在医学美容、手术治疗和光动力疗法等方面获得广泛应用；多组份玻璃光纤可应用于光炙仪、光热治疗仪、牙科光固化机、牙齿美白仪、光纤内镜等医疗仪器中；聚合物光纤POF可应用于光纤黄疸治疗仪、激光血管内外照射治疗中，光纤在今后的激光医学治疗中将发挥更加重要的作用。
红外光纤特别是传输CO2激光的空芯光纤（如AgCl／AgBr晶体光纤、多晶态二氧化锗空芯光纤）原来在国内是个空白，而国际上AgCl／AgBr晶体光纤的报价为2000～3000美元／米，很大程度上限制了CO2激光手术刀的应用。现在，这种低损耗、大功率的激光传输光纤在我国已研制成功并将逐渐代替CO2激光的关节传递方式。这将使CO2激光在今后的激光治疗中发挥更加重要的作用。
光学纤维从功能上可分为导光纤维和导像纤维两种，光学纤维根据结构又可分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤，如图1－13所示。
阶跃折射率光纤（图1－13a）：芯体的折射率为常数的光纤。沿芯体轴线传播的光线所经过的光程短，到达出光端面的距离也短；而由芯体和包层界面反射的光线，经过多次反射后才达到光端面，所走的光程长，时间也长。所以在同一时间入射的光束不能同时到达光纤的出光端面，故单根阶跃光纤只能传递一个个光点，而不能传输图像，所以阶跃光纤又称导光纤维。
图1－13 光纤折射率的分布
梯度折射率光纤（图1－13b）：芯体的折射率自中心向界面方向呈抛物线规律逐渐减小，到芯体与包层的界面处，两者的折射率相等。光束在梯度光纤中传播时，在轴线附近的光线虽然经过的几何路程短但折射率高，而远离轴线的光线经过的几何路程长但折射率低。这样，它们的光程相等，由某点入射的光线，经过一段路径之后又聚焦于另一点处，所以梯度光纤又称自聚焦光纤，所以梯度光纤既能导光又能导像。
医学上常用的光纤内镜（简称纤镜）就是将数万根导像纤维捆缚成束而制成的。其原理是：从光源发出的强光经光纤束导入器官内照明欲观察的部位，被照明的病变经由棱镜、物镜组成的内镜头部，再经光导纤维束（或称导像纤维）传至目镜进行观察。
（二）导光关节臂(www.chuimin.cn)
目前生产的各种激光器大部分使用光导纤维进行导光。但导光纤维受到激光波长的限制，对于波长是10．6μm的CO2激光，导光系统大多仍采用装有反射镜的转动式导光关节臂。关节臂由反射镜基座、连接管、轴承、反射镜和激光刀头等组成，其结构如图1－14所示。
图1－14 导光关节臂结构示意图
反射镜基座由硬质铝合金材料制成，加工精度要求较高，基座与连接管的二孔直线要互相垂直，其交点应正好交于反射镜面中央，与镜面交角均为45°。
导光关节臂中的反射镜有平面反射镜和棱镜两类，其反射面均镀金，对于波长是10μm的CO2激光的反射率＞97%。对于传输功率＞100W的激光，一般采用黄铜做基板，＜100W的激光则一般都用石英玻璃或硬质玻璃作基板。对反射镜的要求一般是反射率高、膨胀系数小、导热性好和刚性好。
关节臂末端的操作手柄，习惯上被称为激光刀头，刀头内装有聚焦透镜，一般用硒化锌（ZnSe）或锗（Ge）透镜。对于聚焦系统的要求是焦斑要小、工作距离要长、聚焦镜的直径要小、焦深范围大、像差小。
（三）光的耦合系统
激光截面的线度在毫米数量级，而常用的光纤芯体的直径为200～600μm，因此，无法将全部激光束直接注入光纤中，常用一聚集透镜将光束聚焦后进入光纤，如图1－15所示。
将光输送到光纤中的装置称之为光耦合器。它利用一凸透镜将激光束聚集，在焦点处放置光纤，激光便可从光纤中顺利输出。有时在输出端也装有一可以旋转的耦合装置，在该装置上分别装上凸透镜、凹透镜，可分别获得原光束、扩散光束、光导纤维光束三种。目前，国外采用了国际标准的SMA接口，利用高精度的机械加工，保证光耦合的准确性，且使用十分方便。
图1－15 激光注入光纤原理
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