一种用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤制造技术

本发明专利技术公开了一种用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤，属于激光碎石设备制备技术领域。本发明专利技术的空芯反谐振光纤包括纤芯区域、内包层区域和外包层区域。内包层区域是由一圈石英薄环构成的反谐振层，纤芯区域中填充空气形成空气纤芯，通过调节纤芯直径、反谐振石英薄环数量、反谐振石英薄环内径和反谐振石英薄环壁厚，实现用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤。本发明专利技术所提供的用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤具有结构简单、光纤直径小、功率阈值高的特点，可以低损耗传输高功率钬激光并进行激光碎石。

A hollow core antiresonance fiber for Holmium laser lithotripsy

【技术实现步骤摘要】
一种用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤
本专利技术属于激光碎石设备制备
，具体涉及一种用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤(Hollow-coreAnti-resonantFiber)。
技术介绍
在医学领域中，泌尿系结石影响着人的身体健康，无法通过药物自然从人体排出的结石需要通过医学碎石的方式进行治疗。目前，主要的碎石方法是钬激光碎石术。钬激光器是一种波长为2.1μm的脉冲固体激光器，脉冲时间为200μs～600μs，平均功率为10W～60W。钬激光器产生的激光通过光纤传输至结石部位，碎石原理是光纤末端对准结石出射激光，部分激光被结石周围的水吸收形成汽化通道，穿过通道的剩余激光被结石吸收，结石粉碎最后被水冲出人体。在目前的钬激光碎石手术中使用的光纤主要为传统石英光纤，光纤直径至少为300μm，直径300μm的传统石英光纤传输功率最高30W，因此该光纤存在直径大、功率阈值低的问题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出了一种用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤，具有光纤直径小、功率阈值高的特点。本专利技术所提供的一种用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤，基本结构包括纤芯区域、内包层区域以及外包层区域，所述纤芯区域为空气，所述内包层区域为一层相互之间无接触的石英薄环。所述纤芯区域折射率低于所述内包层区域折射率。所述内包层石英薄环的壁厚满足光波长为2100nm的激光不泄漏的要求。所述纤芯区域的直径为40μm。所述反谐振石英薄环数量为7。所述反谐振石英薄环内径为所述纤芯直径的0.6倍。所述空芯反谐振光纤功率阈值大于50W。所述外包层区域直径小于150μm。本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术所提供的用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤是以空气传输激光，避免了石英芯本征吸收等影响，并突破了材料光损伤阈值对传输功率的限制，从而降低了损耗低并提高了功率损伤阈值。同时空芯反谐振光纤以单一熔融石英为材料，不需要任何额外添加，材料简单，结构简单，从而制作简单。对本专利技术提供的空芯反谐振光纤进行建模分析，满足外包层区域的直径OD小于150μm、功率阈值大于50W的要求，可以用来传输钬激光，因此所提供的空芯反谐振光纤非常适合用来传输高功率钬激光。附图说明图1是本专利技术的用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤的截面图；图2是本专利技术的用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤限制损耗随石英薄环壁厚t的变化曲线示意图；图3是本专利技术的用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤在石英薄环数量N为5时，限制损耗随纤芯直径D以及石英薄环内径d与纤芯直径D的比值的变化曲线示意图；图4是本专利技术的用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤在石英薄环数量N为6时，限制损耗随纤芯直径D以及石英薄环内径d与纤芯直径D的比值的变化曲线示意图；图5是本专利技术的用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤在石英薄环数量N为7时，限制损耗随纤芯直径D以及石英薄环内径d与纤芯直径D的比值的变化曲线示意图；图6是本专利技术的用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤在石英薄环数量N为8时，限制损耗随纤芯直径D以及石英薄环内径d与纤芯直径D的比值的变化曲线示意图；图7是本专利技术的用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤在纤芯直径D为40μm时，限制损耗随石英薄环数量N以及石英薄环内径d与纤芯直径D的比值的变化曲线示意图。图中：1-纤芯区域；2-内包层石英薄环；3-外包层区域。具体实施方法下面结合附图和实施例对本专利技术提出的一种用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤作进一步的说明。有文献(参考文献【1】丁伟,汪滢莹,高寿飞,洪奕峰,王璞.高性能反谐振空芯光纤导光机理与实验制作研究进展[J].物理学报,2018,67(12):50-67.)表明空芯反谐振光纤可以以较小直径来传输高功率红外激光，因此可以设计用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤，从而突破传统石英光纤存在的光纤直径大、功率阈值低等问题。本专利技术的一种用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤，如图1所示，由内到外依次包括纤芯1、内包层石英薄环2和外包层3。在内包层排列的一圈相互间无接触的石英薄环2构成反谐振层，纤芯1中填充空气形成空气纤芯，通过调节纤芯直径D、石英薄环数量N、石英薄环内径d和石英薄环壁厚t，满足高功率钬激光传输需求并使光纤限制损耗最小，实现用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤。本专利技术实施例中实现的空芯反谐振光纤，其中，所述纤芯1的直径D为40μm。所述内包层石英薄环2的壁厚满足如下要求：限制光波长为2100nm的激光泄漏。所述石英薄环数量N为7。所述石英薄环内径d为所述纤芯直径D的0.6倍。对于本专利技术所提供的用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤，具体结构设计优化如下：石英薄环2的壁厚t是抑制特定波长光泄露的关键，本专利技术首先探究针对光波长为2100nm的激光，石英薄环2的壁厚t对光纤限制损耗特性的影响。由于反谐振传输光原理，当石英薄环2的壁厚t与激光的光波长λ满足如式(1)的关系时，激光与石英薄环2发生共振，泄漏到空气纤芯1外侧，导致限制损耗增大，因此，设计石英薄环2的壁厚t时要避开公式(1)中计算得出的壁厚t。式中，L为任意正整数，λ是激光的光波长，t是石英薄环2的壁厚，n1是石英薄环2的材料折射率，n0是空气纤芯1中用于传输光的介质折射率。当石英薄环2的壁厚t与激光的光波长λ满足如式(2)的关系时，激光与石英薄环2会达到最大反共振。设定波长为2100nm，仿真不同石英薄环2壁厚t光纤产生的限制损耗。通过图2可知，当石英薄环2的壁厚t为1μm左右时，光纤限制损耗很大，而当纤石英薄环2的壁厚t为0.5μm、1.5μm时，光纤限制损耗较小，仿真结果符合公式(1)和公式(2)。厚度t越小光纤传输带宽越大，因此优选地所述石英薄壁2的厚度t为0.5μm。基于设计目标外包层区域3的直径OD小于150μm，由于当石英薄环2的数量N偏小时光纤限制损耗较大，而石英薄环2的数量N偏大时石英薄环2的内径d较小又会带来高泄露损耗，因此折中选取石英薄环2的数量N的范围为5～8。纤芯1的直径D较小，小于20μm时，光纤的功率阈值会比较低，同时为了满足外包层区域3的直径OD小于150μm的要求，纤芯1的直径D也不能过大，因此选定D的大小范围为30～40μm。图3、图4、图5、图6分别表示石英薄环2的数量N为5、6、7、8时的限制损耗情况，每幅图均是在石英薄壁2的厚度t为0.5μm的前提下，通过改变纤芯1的直径D以及石英薄环2内径d与纤芯1直径D的比值，计算得到的限制损耗特性。4幅图均可以看出纤芯1直径D越大，光纤的限制损耗越小，因此本专利技术选定所述纤芯1的直径D为40μm。图7是在石英薄壁2的厚度t为0.5μm，纤芯1的直径D为40μm时，探究石英薄环2的数量N以及石英薄环2的内径d与纤芯1直径D的比值d/D对光纤限制损耗特性的影响。从图中可以看出，整体趋势为石英薄环2的数量N越大，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤，包括纤芯区域、内包层区域以及外包层区域，所述纤芯区域为空气；其特征在于：所述内包层区域为一层相互之间无接触的石英薄环；所述纤芯区域折射率低于所述内包层区域折射率；所述内包层石英薄环的壁厚满足光波长为2100nm的激光不泄漏的要求；所述纤芯区域的直径为40μm；所述内包层的石英薄环数量为7；所述石英薄环的内径为所述纤芯区域直径的0.6倍；所述空芯反谐振光纤功率阈值大于50W，所述外包层区域直径小于150μm。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于钬激光碎石术的空芯反谐振光纤，包括纤芯区域、内包层区域以及外包层区域，所述纤芯区域为空气；其特征在于：所述内包层区域为一层相互之间无接触的石英薄环；所述纤芯区域折射率低于所述内包层区域折射率；所述内包层石英薄环的壁厚满足光波长为2100nm的激光不泄漏的要求；所述纤芯区域的直径为40μm；所述内包层的石英薄环数量为7；所述石英薄环的内径为所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐小斌，曹欣玥，朱云浩，高福宇，何程，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11