用于医疗和光谱应用的改进型深紫外光光纤

　　1 深UV应用光纤的曝晒风险

　　用于梯度折射率光纤的纯硅芯材料易于受到UV引发衰减的影响。UV辐射引起玻璃结构中局部缺陷中心的增加，使得衰减增加，这个情况称为曝晒 (solarization)。大多数衰减发生在小于275 nm的波长范围，以及214nm和265 nm的吸收频带。损坏程度随光纤类型而有很大的变化，例如，在常见的梯度折射率光纤中，用作内核材料的合成石英玻璃是极纯的材料，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工艺，请参照表I的缺陷类型总结。

　　对于190nm至300 nm光谱范围，业界最关注的主要缺陷是E1’和非桥接氧空孔中心(NBOHC)，而这两种缺陷分别是引发214nm和 265 nm频带衰减的原因，要提升最佳光纤的性能，主要就是减少这两种缺陷的分布。

　　2 跟踪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低于400 nm的波长。然而，暴露在高UV照射水平下有可能发生传输性能降低，这种降低称作曝晒，是紫外光辐射引发的光纤纯硅氧芯中的缺陷浓度，会导致紫外光光纤中的光吸收。

　　多年来，业界开发了许多最大限度地减小了曝晒影响的光纤，通过优化光纤的各方面性能来提升耐晒能力，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公司生产具有代表性的光纤产品：

　　● 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，没有针对耐晒性能而优化，因此对于曝晒非常敏感。

　　● 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，在拉伸工艺之后，在高温和高压下加载溶解氢，生成几乎对曝晒不敏感的光纤产品。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光纤的耐晒性能。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范围是小直径 (100 μm内芯)光纤的数周、以至较大直径 (600 μm内芯)光纤的一年左右。高于环境的温度将会加快扩散的速率，缩短这款光纤的有效使用寿命。

　　● FDP – FDP光纤已有大约十年历史，这是UVM光纤的改进型款，根据行业标准，FDP光纤部分替代了UVM光纤。Polymicro开发这款光纤是为了将耐晒敏感性减少至低于UVM光纤，并通过材料和设计工艺的改变提升了FDP光纤性能。由于光纤不包含溶解氢，所以不存在UVMI光纤之向外扩散效应带来的性能随时间下降的问题。在FDP光纤中，紫外光缺陷浓度显着减小了，因此耐曝晒降解性能得以优化。

　　3 提升FDP光纤耐晒性能的技术突破

　　在过去一年中，技术突破带来了Polymicro深紫外光优化光纤的耐晒性能的显着改进，称作FDP光纤。改进的FDP光纤提升了性能标准，代表着成功减小了紫外光引发缺陷中心，并比现有的FDP和UVM光纤改进了耐晒性。

　　虽然评测深UV光纤没有正式的行业标准，然而改进FDP光纤的广泛测试可以提供光纤性能方面的最佳数据。结果显示这款光纤在214 和 265 nm吸引频带出现很大的减小，而这通常与熔融石英的曝晒效应相关。性能改进适用于68至600 μm的光纤内芯直径，通过附加的UV曝光衰减来展示耐晒性能，在所有内芯尺寸范围中，每两米测试低于1dB。

　　4 曝晒测量

　　耐晒性能是根据 “四小时UV曝光测试”来评测的，如图1所示。这项测试使用一个2m长光纤，通过聚焦透镜将来自高密度氘灯的光线发射进入光纤中，最大限度地提高密度，可以对准焦点以使得214nm (通常这是对UV曝晒最敏感的波长)的密度最大化。使用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。

　　在测试过程中跟踪六个重要的波长(214、229、245、255、266和330 nm)，并测量整个光谱，以及在测试开始和结束时进行比较。每种波长的降解速率随着测试的进行而减小，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标志着UV光纤的良好品质。在饱和点的降解水平大多与光强度无关，提高密度往往只能改变达到饱和的速度。

　　5 曝晒结果的并排比较

　　如上所述，硅石光纤易于受到UV辐射造成的损坏引起的衰减所影响。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，损坏的程度随光纤类型而显着变化。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传输性能变化。

　　为了获得现有的FDP光纤和新型优化FDP光纤之间的性能改进的清晰画面，我们进行了四小时测试并且比较内芯直径从600 μm 至100 μm之光纤的性能。测量测试期间每根光纤的辐射引发的相对光谱衰减。以下两个图表说明了两种光纤的光谱曝晒性能的差异，特别显示了从FDP光纤至增强型FDP光纤的光谱曝晒性能改进，涵盖一系列光纤尺寸范围。完整的数据结果可以向 Polymicro公司索取。

　　改进FDP光纤在四小时紫外光曝晒之后的光谱紫外光损坏

　　6 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，改进尤为突出。在较宽的输入功率范围中，与所有其它测试光纤相比，经优化的FDP光纤传输在UV辐射下仍然保持稳定。许多应用都有可能受益于这项性能改进，涵盖工业光谱至需要UV传输的生物医疗应用。

　　经优化的FDP光纤对于小于或等于100 μm直径的较小直径光纤特别有好处，尤其适用于体内(in-vivo)医疗应用，在这种应用中，小尺寸和高灵活性可帮助实现改进较小创伤，以及伸展至身体中的较深入部份。高敏感性Polymicro FDP光纤可以用于需要光激化的光动力医学疗法，此外，还有一系列皮肤病治疗、导管和其它医用激光的应用和诊断测试。Polymicro是达到FDA 21 CFR 820 QSR标准之医疗设备的注册制造商。FDA注册确保了光纤材料的生物兼容性，以及用于安全的医疗设备，包括光纤、连接器和次级组件，用于生物医疗感测、内窥镜成像、实时诊断成像，和使用RF辐射的热消融治疗等设备的制造和交付之消毒协议的相符性。