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用于医疗和光谱应用的改进型深紫外光光纤
 

【作者: John Shannon】2015年03月02日 星期一

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生物医学应用光纤不仅必需具有安全及无菌特性和足以用于高压灭菌的稳健性,而且还得具有高稳定性和高可靠性,以确保精确的诊断,最重要是确保病患的安全。深紫外光(UV)光纤的独特性能将有助于实现先进的生物医疗诊断设备,包括病患诊断和微创外科手术,以及直接连接到身体上进行监察的传感器。


大多数光谱应用光纤均用于在低至190 nm的中等UV范围进行材料和光学感测,而许多生物医疗感测应用的光纤均要求能够在UV区域传送光。生物医疗产业对于激光器具和其它使用深UV应用光纤之生物医疗设备的需求愈来愈强劲。深UV光纤适用于眼睛外科、整形手术、泌尿和其它要求结合UV和较小内核直径光纤手术的雷射传输。


深UV应用光纤的曝光风险

用于阶变折射率光纤(step index optical fiber)的纯硅芯材料容易受到UV引发的衰减所影响。UV辐射会引起玻璃结构中的局部缺陷中心增加,使得衰减增加,这种情况称为曝光 (solarization)。大多数的衰减发生在小于275 nm的波长范围,以及214 和265 nm的吸收频带。损坏程度随光纤类型而有很大差异,例如常见的阶变折射率光纤以合成石英玻璃作为核心材料,这种材料的纯度极高,却存在着数种浓度不同的内在杂质缺陷,而且入射的UV辐射会引起某些硅氧结构的缺陷。每种缺陷的浓度均取决于数个因素,包括预制备过程中的污染物、预制备技术和光纤拉伸制程,表I归纳了各种缺陷的类型。



表一 :  UV区域中高氢氧基光纤的缺陷
表一 : UV区域中高氢氧基光纤的缺陷

对于190至300 nm光谱范围,业界最关心的主要缺陷是E1’和非桥接氧空孔中心(NBOHC),而这两种缺陷分别是引发214 和 265 nm频带衰减的原因。要为优化的光纤提高性能,主要方法就是减少这两种缺陷的分布。


追踪UV光纤的发展

深UV传输的稳定性是光学系统设计的一个重要参数,尤其是在高性能光谱应用中。以往具有高氢氧基成分的光纤一直用于400 nm以内的波长。然而,传输性能可能会因为暴露在高UV照射水平下而降低,这种情形称为曝光,原因是紫外光辐射在光纤纯硅氧芯中引发缺陷浓度,导致紫外光中的光吸收。


多年来业界开发了许多光纤,务求将曝光的影响降到最低。为改善耐曝光(solarization resistance)能力,业界将光纤各方面的性能优化,包括预成形设计和拉伸光纤的后处理。市场上有数款针对UV应用而开发的光纤,以下是由 Polymicro公司所生产的具代表性光纤产品:


‧ FVP – 标准UV/可见光纤。 这款光纤使用高氢氧基纯硅芯预成形材料制成,没有针对耐曝旋光性能而优化,因此对于曝光非常敏感。


‧ UVM – 这款光纤使用经优化而减少缺陷内容的高氢氧基硅芯材料制成


‧ UVMI – 这款光纤使用与以上UVM光纤相同的预成形材料拉伸制成,在拉伸制程之后,于高温和高压下加载溶解氢,产生几乎对曝光完全不敏感的光纤产品。问题在于氢将会随时间从光纤中扩散出来,即使在室温下亦然。一旦氢向外扩散,光纤就回到了UVM光纤的耐曝旋光性能。根据光纤体积的不同,光纤在氢向外扩散之前的有效使用寿命也有不同,小直径 (100 μm内芯)光纤只有数周,较大直径 (600 μm内芯)光纤却有一年左右。高于环境的温度将会加快扩散的速率,缩短光纤的有效使用寿命。


‧ FDP – FDP光纤已有大约十年历史,这是UVM光纤改善后的款式,部分替代了UVM光纤成为产业标准。Polymicro开发这款光纤是为了将耐曝光敏感性减少至低于UVM光纤,并改变材料和设计制程来提升FDP光纤的性能。由于这款光纤不包含溶解氢,所以像UVMI光纤一样会因为向外扩散效应而使得性能随时间下降。在FDP光纤的紫外光缺陷浓度大幅降低,因此改善优化了耐曝光降解(degradation)性能。


提升FDP光纤耐曝旋光性能的技术突破

在过去一年中,技术上的突破让Polymicro深紫外光最佳化光纤大幅改善耐曝光性能,这款新产品一般称作FDP光纤。经过改进的FDP光纤提升了性能标准,成功减小了紫外光所引发的缺陷中心,耐曝光性能也比现有的FDP和UVM光纤更好。


虽然现时没有评估深UV光纤的正式产业标准,然而我们对经过改进的FDP光纤进行广泛测试,仍然可以获得有关光纤性能方面的最详尽数据。结果显示这款光纤在214 和 265 nm吸收频带显著减少了与合成石英玻璃相关的曝光效应。性能改进适用于68至600 μm的光纤内芯直径,通过附加的UV曝光衰减来展示耐曝旋光性能,在所有内芯尺寸范围中,每两米测试低于1dB。


曝光测量

耐曝旋光性能是根据 “四小时UV曝光测试”来评估的,如图1所示。这项测试使用2m长的光纤,通过聚焦透镜将来自高密度氘灯的光线射进光纤中,将密度最大限度地提高,可以对准焦点以使得214nm (通常这是对UV曝光最敏感的波长)的密度最大化。另外,还可利用Ocean Optics 的UV分光仪来监测测试样品的输出,收集四个小时的数据。


在测试过程中会追踪六个重要的波长(214、229、245、255、266和330 nm),并测量整个光谱,并在测试开始和结束时进行比较。每种波长的降解速率会随着时间过去而减小,在理想情况下,在四个小时测试结束之前即达到饱和点。快速饱和以及最小降解,代表UV光纤拥有良好质量。在饱和点的降解程度大多与光强度无关,提高密度往往只能改变达到饱和的速度。



图一 : 四小时的UV曝光测试设置
图一 : 四小时的UV曝光测试设置

曝光结果的并排比较

如上所述,因UV辐射所造成的损坏会引起衰减,而硅光纤很容易受到这种衰减所影响。大多数衰减发生在低于275 nm的波长范围,而峰值损坏发生在214 nm和265 nm,损坏程度随光纤类型而显著分别。以下表格比较了先前讨论的四种UV光纤在四小时UV曝光期间的214 nm传输性能之变化。



图二 :  衰减增加与214nm曝光(氘灯曝光)
图二 : 衰减增加与214nm曝光(氘灯曝光)

为清晰了解现有FDP光纤和新型优化FDP光纤之间的性能改进情况,我们进行了四小时测试以比较内芯直径从600 μm 至100 μm的光纤之性能差别,测量了测试期间每根光纤的辐射所引发之相对光谱衰减。以下两个图表说明了两种光纤的光谱曝旋光性能之差异,特别显示出增强型FDP光纤比较FDP光纤的光谱曝旋光性能改进,涵盖一系列光纤尺寸范围。完整的数据可以从 Polymicro公司获取。



图三 :  改良FDP光纤在四小时紫外光曝光之后的光谱紫外光损坏
图三 : 改良FDP光纤在四小时紫外光曝光之后的光谱紫外光损坏

图四 :  原始FDP光纤在四小时紫外光曝光之后的光谱紫外光损坏
图四 : 原始FDP光纤在四小时紫外光曝光之后的光谱紫外光损坏

优化的光纤扩展至生物医学应用

优化的FDP光纤对于辐射之下的缺陷中心的形成具有很强的抵抗性,在通常用于需要UV传输的微创生物医疗应用的较小内芯直径光纤中,其改进尤为突出。与所有其它测试光纤相比,在较宽的输入功率范围中,优化的FDP光纤在UV辐射情况下的传输仍然可以保持稳定。包括工业光谱至需要UV传输的生物医疗的许多应用,都有可能受益于这项性能的改善。


经优化的FDP光纤对直径100 μm以内的较小直径光纤特别有效益,尤其适用于体内(in-vivo)医疗应用,在这种应用中,小尺寸和高灵活性有助于以更佳及较小创伤的方式伸展至身体中较深入的部位。高敏感性Polymicro FDP光纤可以应用在需要光激化(light activation)的光动力(photodynamic)医学疗法中,以及一系列皮肤病治疗、导管和其它医用激光的应用和诊断测试。


Polymicro是一家符合FDA 21 CFR 820 QSR标准之医疗设备注册制造商。FDA注册可确保光纤材料的生物兼容性,以及符合安全医疗设备在制造和运送过程中对消毒协议的要求,这些设备包括光纤、用于生物医疗感测的连接器和次级组件、内视镜成像、实时诊断成像,和使用RF辐射的热消融治疗(thermal ablative treatment)等。


(本文作者为Molex子公司Polymicro Technologies工程经理)


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