传输紫外激光用空芯光纤结构设计

　　紫外激光的应用十分广泛[1~3],在医学上可用于眼科和心脏的组织切除等。在心脏和心血管成型术中的应用是采用激光汽化动脉粥样硬化斑块,使血流通畅,可以取代心脏旁通术和汽球血管成型术。早期采用Ar+、YAG和CO2激光的效果均不够理想,因为它们会引起周围组织较大的热损伤,对正常组织造成伤害,而且对已钙化斑块无效。紫外线的波长较短,照射到物体表面时更容易被物质所吸收,变成物质的内能,所以紫外线的穿透能力很弱,它只作用在很薄的表面层内,如短紫外线(100~280nm)透入皮肤的深度一般只有1.5~2μm[4]。因此采用脉冲紫外激光,如能正确选择波长、脉冲能量和宽度就可精确汽化各种组织的斑块,紫外激光切割皮肤组织产生规则整齐的切口而没有热损伤。

　　为了把这种激光传输到要求达到的狭小空间,其传输材料的研制十分重要。空芯光纤由于具有较大内径、能量损伤阈值高等优点,可以用来传输高能量紫外激光。目前国外对传输紫外激光的空芯光纤已有报导,国内在这方面还没有投入研究。因此研制传输高功率紫外激光的空芯光纤不论是填补国内空白,还是对激光医疗以及在生物、材料加工、激光防伪等方面的应用都显得尤为重要。本文就传输紫外激光用空芯光纤的结构设计进行了理论研究,表明选择合适的基管材料和具有高反射率的膜层结构可以制备出传输效率较高的空芯光纤。

　　1　基管材料选择

　　与传输红外激光用泄漏型空芯光纤相似,传输紫外激光用空芯光纤也可设计为在选定毛细管内镀制金属高反射膜以达到高传输效率的目的。在基管材料选择方面,与塑料、金属管和蓝宝石管相比,石英毛细管有理想的光滑内表面和较高的截面均匀性[5~7]。所以本研究选用石英毛细管作为空芯光纤基管,在毛细管内表面镀覆反射涂层和二次涂层,以保证空芯光纤良好的机械性能、弯曲性能和较小的弯曲损耗。

　　2　薄膜材料的选择

　　2.1　金属薄膜的选择

　　一般用于可见光的反射材料不一定适用于紫外光,因为反射材料对不同波长光波的反射效率相差很大,如氧化锌对可见光的反射系数为88%,而对

254nm的紫外光反射系数仅为2.5%。因此,在选择紫外光的反射材料时应以具有高的反射系数为原则,如图1所示[8],在紫外波段(0.2~0.4μm)Al膜的反射效率最高,虽然银膜的反射率在350~400nm之间也很高,但在波长小于350nm后反射率迅速降低,至316nm时已降至40%。且银膜的机械强度和稳定性都比较差,在大气中银膜表面会逐渐形成硫化银和氧化银,因而使反射率明显降低,所以在紫外波段铝膜是较为合适的反射材料。