用于光谱分析系统的光纤技术方案

本发明专利技术提供一种光纤，用于连接对感兴趣体积进行光谱分析的光谱分析系统（３００）的探头与基站。该光纤包括用于将激励辐射从基站传输到感兴趣体积的芯线，和将来自感兴趣体积的返回辐射多模传输到基站的光谱分析部件的第一包层。最好，第一包层被第二包层包围，从而其本身形成多模波导。适当设计芯线的尺寸，使第一包层和第二包层产生最佳的光纤收集和耦合效率。用多层光学滤波器涂覆光纤的远端端面，能够有效地分离弹性与非弹性散射辐射，这对于光谱分析是有利的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光谱学领域。
技术介绍
光谱技术用于分析目的的用途本身是现有技术公知的。WO02/057758A1和WO 02/057759A1给出了对流过患者毛细血管的血液成分进行体内非侵入式分析的光谱分析设备。通过成像系统确定毛细血管的位置，从而识别用于光谱分析的激励光束所指向的感兴趣区域。对于许多应用而言，将光谱系统分成基站和小型、紧凑而柔性的探头是有利的。通常，基站具有尺寸相对较大的激光源和光谱分析仪。因此，可利用有限数量的部件设计探针，使探头的几何结构紧凑并且耐用。探头具有将激励光束聚焦到感兴趣的体积(volume ofinterest)中、并收集来自感兴趣体积的返回辐射的物镜。由于其尺寸的限制，探头不能对返回辐射进行光谱分析。因此，实际使用时是利用光纤连接探头与基站，提供光信号的双向传输。一方面，例如，必须将近红外激光器的激励光束从基站传输到探头。另一方面，从感兴趣体积返回的散射辐射光谱表示感兴趣体积的分子成分。为了进行光谱分析，其必须通过探头来收集，并从探头传输到基站的光谱分析仪。美国专利申请2003/0191398A1披露了对生物组织进行光谱分析的系统和方法。该系统具体包括具有近端和远端的光纤探针。输送光纤(或多个光纤)包含在近端与光源耦合的探针中。该系统包括处于探针中的收集光纤(或多个光纤)，用于收集来自组织的喇曼散射辐射，所述收集光纤在近端与探测器相连。此处，探针包括围绕输送光纤在第一半径处同心设置的多个第一收集光纤，和围绕输送光纤在大于第一半径的第二半径处同心设置的多个第二收集光纤。因此，US2003/0191398A1的光纤探针利用围绕输送光纤在某一半径处同心设置的多个收集光纤，不能使用光纤探针的整个横截面来传输所收集的辐射。由于收集光纤和激励光纤的特征在于具有圆形横截面，多个收集光纤的任何设置都不可避免地具有收集光纤之间的裂缝或间隙不能引导光信号这一特征。由于这些裂缝或间隙，US2003/0191398A1的光纤探针的特征在于对于必须从探头传输到基站的辐射来说耦合效率或收集效率有限。因此，本专利技术的目的在于提供一种用于在光谱分析系统的探头与基站之间传输激励辐射和返回辐射的改进型光纤。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于连接光谱分析系统的探头与基站的光纤，其中光谱分析系统用于分析感兴趣的体积。所述光纤包括用于将激励辐射传送到感兴趣体积的芯线，和对来自感兴趣体积的返回辐射进行多模传输的第一包层。通常将芯线设计成棒形，并且位于围绕芯线的第一包层的中心处。最好，芯线的直径远小于第一包层的直径。对于利用探头的物镜从感兴趣体积收集的返回辐射来说，第一包层本身起多模波导的作用。此外，第一包层被第二包层所围绕，以保证第一包层的波导效果。根据本专利技术另一优选实施例，芯线的折射率大于第一包层的折射率。此外，第二包层的折射率小于第一包层的折射率。由此，芯线和第一包层作为激励辐射的波导结构，第一包层与第二包层一起作为返回辐射的多模波导结构。与现有技术不同的是，本专利技术的光纤基于最大数量为三个的不同基本部件，即第一芯线、第一包层和第二包层，用于提供激励辐射和返回辐射的双向传输。并非利用现有技术所披露的必须按照不同图案设置的多个收集光纤，本专利技术有效地利用具有更大直径并且本身形成多模波导的第一包层。此外，可使用本专利技术光纤的整个横截面来传输光信号。这样可提供光纤的最大耦合和收集效率，因为在这种结构中不存在多个不同光纤之间的裂缝或间隙。因此，本专利技术光纤具有高光收集效率，并且其横截面具有紧凑且并不复杂的设计。根据本专利技术另一优选实施例，光纤的芯线对激励辐射而言为单模波导。当例如激励辐射处于用于进行喇曼光谱分析的近红外辐射(NIR)范围内时，芯线的直径应当不超过几微米。最好，芯线的直径介于2到5微米范围内。这种小直径芯线结合超过100微米的相当大直径的第一包层，导致对返回辐射具有高收集和耦合效率。因此，本专利技术光纤的大部分横截面用于将返回辐射从探头多模传输到基站。这一特征特别有益，因为可增强相关光谱数据的检测效率。在将芯线设计成对激励辐射为单模波导时，具有另一个优点。由于在单模光纤中传播，导致通过芯线传播的激励光束的光束分布为高斯或类高斯型。当利用探头的物镜将激励光束聚焦成感兴趣的体积中时，这种高斯光束分布有利于实现高聚焦质量。此外，激光源并非必须提供理想的高斯光束分布。因此，提供激励辐射的激光源或光源有关横向光束分布的技术规格并不要求很高标准。因此，原则上即使提供低质量横向光束分布的低成本激光源也能使用。根据本专利技术另一优选实施例，芯线的近端与产生激励辐射的辐射源耦合。例如，近红外激光器的高强度激光束被耦合到本专利技术光纤的芯线中。因此，光纤的近端位于容纳激光源的光谱分析系统的基站的内部。根据本专利技术另一优选实施例，第一包层的近端也与光谱分析仪或类似检测元件耦合。根据本专利技术另一优选实施例，光纤在第一包层的远端处具有第一滤波器元件。最好，第一滤波器为对激励辐射具有高反射率、并且对返回辐射的频率或波长偏移部分具有高透射率的介电材料多层光纤。通过将激励光束聚焦到兴趣的体积中，可发生多种不同的散射作用。返回辐射的主要部分源于瑞利散射或弹性散射，激励辐射的频率保持不变。通常，返回辐射的主要部分源于激励辐射的非弹性散射，使散射辐射发生频移。这种频移表示在感兴趣的体积内分子具有多种能级。因此，返回辐射的这种喇曼偏移部分表示感兴趣体积的分子成分。因此，第一滤波器元件用于将返回辐射的频移部分有选择地滤波。由此，第一滤波器元件作为二向色镜，用于将由弹性散射与非弹性散射过程引起的辐射分离。根据本专利技术另一优选实施例，光纤在芯线的远端处具有第二滤波器元件。而且，最好将该第二滤波器元件设计为多层涂层，以便在单模芯线的端面产生窄带带通滤波器，从而阻挡激励辐射在光纤中产生的荧光。根据几何结构，特别是根据光纤长度、所用材料、单模芯线的数值孔径以及入射激励光束的强度，在光纤芯线内部传播的激励光束产生会显著破坏测量结果的不可忽略的背景荧光和喇曼信号。通过利用仅对激励辐射具有高透射率的第二滤波器元件，可有效地防止激励光束在纤芯中传播过程中所产生的有害的背景信号进入感兴趣的体积中。根据本专利技术另一优选实施例，第一滤波器元件处于芯线的远端和第一包层的远端。换言之，对激励辐射具有高反射率或吸收率、对频移返回辐射具有高透射率的第一滤波器元件覆盖本专利技术光纤远端的整个横截面。尽管第一滤波器元件能有效地阻挡激励辐射发射，不过本实施例在光纤制造过程，特别是在用适当的多层涂层涂覆光纤端面方面是有利的。具体而言，当第一滤波器元件的特征在于对激励辐射具有高吸收系数时，通过将高功率激光耦合到单模芯线到达光纤的近端，由于高能量沉积量，将会局部地破坏芯线附近的第一滤波器元件。因此，第一滤波器元件的剩余部分作为仅覆盖光纤包层的陷波滤波器。根据本专利技术另一优选实施例，芯线的近端伸出第一包层的近端。由于芯线用于将激励辐射提供给探头，第一包层用于将返回辐射提供给基站、从而提供给第一包层的近端，必须通过某种装置将耦合辐射到光纤中与检测光纤发射出的辐射相分离。芯线的近端相比第一包层的近端伸出，使得能够分别接触本专利技术光纤的芯线和第一包层。根据本专利技术另一优选实施例，芯线的近端还与将激励辐射耦合到芯线中的偏转元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤（１００；３０４），用于连接对感兴趣体积（３０８）进行分析的光谱分析系统（３００）的探头（３０６）与基站（３０２），包括：－芯线（１０２），用于将激励辐射传输到感兴趣体积，－第一包层（１０４），对来自感兴趣体积的返回 辐射（２０２）进行多模传输。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：WHJ伦森，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]