Способ изготовления волоконно-оптических рассеивателей излучения Российский патент 2023 года по МПК G02B6/00 A61N5/67 

Изобретение относится к медицинской технике, а более конкретно - к устройствам лазерного облучения и способам их создания. Также устройство может быть использовано в фотодинамической терапии для воздействия на воспаления и новообразования, а также для лазерного облучения полых органов и сосудов.

Использование оптического волокна в качестве среды доставки лазерного излучения к удаленному приемнику уже давно применяется во многих сферах. Ряд медицинских применений, таких как фотодинамическая терапия, интерстициальная лазерная фотокоагуляция или интерстициальная лазерная гипертермия для разрушения опухоли, нуждается в рассеивателях (диффузорах), которые выводят излучение в радиальном направлении от оптического волокна.

Равномерный цилиндрический профиль рассеивания достигается путем создания квазипериодической структуры микропустот различных размеров в сердцевине оптического волокна. Размеры микропустот в рассеивающей структуре меняются по экспоненциальной зависимости. Рассеивающая структура формируется за один акт в сердцевине волокна. Для формирования рассеивающей структуры используется способ, при котором микропустоты формируются лазер-индуцированной плазмой проходящей по сердцевине волокна. Инициация плазмы и ее прохождение по волокну формируется и контролируется лазерными импульсами экспоненциально-затухающей формы. Представленный способ обходится без необходимости снимать оболочку, а затем повторно покрывать волокно защитно-упрочняющим покрытием.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к волоконно-оптическим рассеивателям излучения и способам изготовления таких рассеивателей с центрами рассеяния в сердцевине волокна.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны способы изготовления рассеивателей на оптических волокнах, в которых используются релеевские рассеиватели или микрошарики, распределенные вдоль конца волокна. Например, патенты US 5196005, опубл. 02.11.1999 г., и US 5330465, опубл. 19.07.1994 г. В данных патентах авторы описывают наконечник рассеивателя, состоящий из силиконового удлинителя, в который встроены центры рассеивания. Центры рассеивания распределены не равномерно, а таким образом, что их плотность плавно увеличивается к концу рассеивателя.

Недостатком такого изобретения является то, что рассеивающий наконечник представляет собой отдельную деталь и может быть оторван или поврежден лазерным излучением.

Известны способы изготовления рассеивателей излучения, в которых рассеивающая часть сформирована механическим повреждением дистального конца оптического волокна, которая затем повторно покрывается защитным полимерным чулком или жестким стеклянным капилляром. Например, US 5536265, опубл. 16.07.1996 г., RU2571322, опубл. 20.12.2015 г. В данных патентах рассеивающая часть создается за счет удаления световедущей оболочки волокна и придания шероховатости ее сердцевины, после чего сердцевина покрывается эластичным материалом и заключается во внешнюю трубку.

Недостатком такого способа изготовления является снижение прочностных характеристик оптического рассеивателя излучения т.к. механическое повреждение, которое вносится в рассеивающую часть волокна может привести к растрескиванию или даже отламыванию рассеивателя.

Известны способы изготовления рассеивателей, в которых центры рассеивания встраиваются в сердцевину волокна. Например, US 4733929, опубл. 29.03.1988 г., US 4466697, опубл. 21.08.1984. В данных патентах центры рассеивания представляют собой микропустоты в форме микросфер из воздуха или вкраплений микросфер из другого подходящего материала. Центры рассеивания вводятся в волокно в процессе его вытяжки или при нанесении покрытия. Также указывается возможность формирования дефектов лазерным или ионизирующим излучением в пластиковых или мягких стеклянных волокнах, но она не подходит для формирования дефектов в кварцевых волокнах. Рассеиватели, изготовленные данным способом, нельзя использовать для высоких плотностей лазерной мощности из-за риска повреждения.

Наиболее близкими устройствами того же назначения к заявленному являются фронтальные светорассеивающие устройства и способы их изготовления (WO 1999023041, опубл. 14.05.1999 г., US20180113246A1, опубл. 26.04.2018 г.). Рассеивающая часть диффузора представляет собой микроповреждения, созданные в сердцевине волокна с помощью сфокусированного лазерного импульса с боковой поверхности оптического волокна. Таким способом изготавливают диффузоры с различными профилями излучения и разной длины, а также непосредственно в оптическом волокне без снятия защитно-упрочняющего покрытия. Недостатком данных способов записи рассеивающих структур является необходимость использования импульсных лазеров высокой мощности и систем фокусировки, что приводит к усложнению устройств изготовления рассеивателей.

Представленные способы представляют собой способы поточечной записи дефектов в волокне и для изготовления одного рассеивателя требуется много временных ресурсов, и присутствие точных позиционеров. Кроме того, диффузоры имеют низкие прочностные и термостойкие свойства, т.к. имеют большое количество дефектов в сердцевине оптического волокна. В представленных патентах равномерный профиль рассеивания лазерного излучения в радиальном направлении обеспечивается различными способами модификации волокна, такими как: формирование конуса из дефектов внутри волокна, распределение плотности дефектов по экспоненциальной зависимости, использование волокна с некруглой сердцевиной для гомогенизации пучка или увеличение геометрических размеров дефектов волокна.

В отличие от представленных патентов предлагается способ формирования рассеивающей структуры в сердцевине оптического волокна с помощью лазерного излучения, при котором происходит формирование цепочки светорассеивающих дефектов за один акт. Лазерное излучение при этом направляется с торцевой поверхности волокна и вызывает процесс плавления волокна под действием высокой температуры. Защитное полимерное покрытие при этом не повреждается, прочность волокна на разрыв соответственно снижается на величину не более 30% от исходной. Формирование равномерного профиля рассеивания волокна обеспечивается благодаря экспоненциально-затухающей форме лазерного импульса.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технический результат заключается в создании способа изготовления диффузора, который позволит записывать рассеивающую структуру за один акт, без снятия полимерного защитно-упрочняющего покрытия с оптического волокна. И позволит сформировать конструкцию рассеивателя, обладающего равномерным профилем рассеивания в радиальном направлении, а также высокими прочностными и термостойкими свойствами.

Технология записи светорассеивающей структуры с сенсорными свойствами основана на эффекте плавления волокна (И. А. Буфетов, Е. М. Дианов, “Оптический разряд в волоконных световодах”, УФН, 175:1 (2005), 100-103; Phys. Usp., 48:1 (2005), 91-94). Эффект плавления волокна представляет собой явление разрушения сердцевины волоконного световода под действием оптического излучения с инетсивностью более 1 МВт/см2. При условиях инициирования оптического пробоя (загрязнение торца волокна или нагрев) происходит возникновение плазменной вспышки, которая начинает распространяться навстречу источнику лазерного излучения. После прохождения плазменной вспышки в сердцевине формируются микрополости различной формы, которые могут образовывать периодическую структуру или сливаться в один длинный микрокапилляр.

Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления волоконно-оптического рассеивателя излучения позволяет за один акт произвести, формирование вдоль оси сердцевины оптического волокна рассеивающую структуру из нескольких замкнутых полостей с экспоненциально уменьшающимся продольным размером микрополостей от одного конца к другому, и соответственно периодом.

Было обнаружено, что расположение нескольких замкнутых полостей с экспоненциально меняющимся периодом в сердцевине оптического волокна диффузора вдоль оси обеспечивает равномерное лазерное излучение диффузора в радиальном направлении.

Кроме того, рассеивающую структуру изготавливают выплавлением сердцевины оптического волокна на заданную длину, а длина рассеивающей части диффузора может составлять от 0,5 до 30 см в зависимости от используемого волокна и режима формирования структуры.

Сущность изобретения иллюстрируется на Фиг. 1-4.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 является чертежом рассеивающей структуры волоконно-оптического диффузора с меняющейся периодичностью. Использованы следующие обозначения:

1 - рассеивающая структура,

2 - сердцевина волокна,

3 - кварцевая оболочка волокна,

4 - полимерная оболочка волокна.

Фиг. 2 показывает пример схемы лазерной установки с обратной связью для записи рассеивающей структуры волоконно-оптического диффузора с меняющейся периодичностью.

Использованы следующие обозначения:

5 - генератор сигналов,

6 - волоконный лазер,

7 - волоконно-оптический объединитель,

8 - волоконно-оптический диффузор, на котором происходит запись рассеивающей структуры,

9 - система управления процессом записи и обратной связи,

10 - осциллограф,

11 - фотоприемное устройство,

12 - предохранитель.

Фиг. 3 является формой экспоненциально-затухающего лазерного импульса.

Фиг. 4 является формой прямоугольно-затухающего лазерного импульса.

Фиг. 5 показывает пример различных типов замкнутых полостей, возникающих при различных плотностях мощности.

Фиг. 6 показывает пример изготовленного волоконно-оптического рассеивателя излучения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Способ изготовления волоконно-оптических рассеивателей излучения позволяет создавать рассеивающую структуру 1 (Фиг. 1) в сердцевине 2 оптического волокна. При этом нет необходимости в снятии защитного полимерной оболочки волокна 4 с кварцевой оболочки волокна 3. Рассеивающая структура в сердцевине оптического волокна формирует гомогенный цилиндрический профиль рассеивания. Такой профиль обеспечивается расположением по меньшей мере нескольких замкнутых полостей с экспоненциально меняющимся периодом. Пример рассеивающей структуры 1 (Фиг. 1) имеет несколько зон: зона датчика, состоящая из микросфер с диаметром меньше 2 мкм; зона микрокапилляра, имеющая один микрокапилляр с определенной длиной; зона эллипсоидов, состоящая из микропустот эллипсоидов; и зона микропузырей, состоящая из периодической структуры микропузырей со сферической или пулеобразной формой. Разделение рассеивающей структуры на зоны обусловлено требованием к равномерности рассеивания излучения волоконно-оптическим диффузора. Так как основной вклад в рассеивание излучения вносит граница микропузыря направленная к распространяющемуся световому пучку в сердцевине волокна. Поэтому чем реже встречаются дефекты, тем меньше вклад в рассеивание; чем чаще встречаются дефекты, тем сильнее вклад в рассеивание. Для этого формируется рассеивающая структура с экспоненциально уменьшающимся продольным размером микрополостей.

Для формирования рассеивающей структуры используется схема лазерной установки с обратной связью (Фиг. 2) для записи рассеивающей структуры волоконно-оптического диффузора с меняющейся периодичностью. Генератор сигналов 5 формирует одиночный импульс питания экспоненциально-затухающей формы и подает его на волоконный лазер 6, волоконный лазер 6 преобразует импульс питания в лазерный импульс, с мощностью, меняющейся пропорционально импульсу питания. Лазерный импульс проходит через волоконно-оптический объединитель 7 и подается в присоединенный отрезок оптического волокна 8, на торце которого инициируется оптический пробой, который приводит к возникновению плазмы в сердцевине оптического волокна и ее распространению навстречу источнику лазерного импульса 6. Распространяющаяся плазма колеблется с определенной частотой и излучает свет в обратном направлении по волокну. Свечение плазмы проходит через волоконно-оптический объединитель 7 и регистрируется фотоприёмным устройством 11, сигнал с фотоприемного устройства регистрируется осциллографом 10, кроме того осциллограф 10 считывает сигнал с генератора 5. Данные с осциллографа 10 и предохранителя 12 считываются системой управления процессом записи и обратной связи 9. Система управления процессом записи и обратной связи 9 контролирует процесс записи рассеивающей структуры, следит за моментом выключения лазера 6, задает правильную форму импульса для генератора сигналов 5. Предохранитель 12 предназначен для того, чтобы распространяющаяся плазма по волокну не распространялась дальше определенного расстояния и не повреждала волоконный тракт всей системы. Система управления процессом записи и обратной связи 9 следит за свечением плазмы через фотоприёмное устройство 11 чтобы в светорассеивающей структуре было уложено целое число периодов микрополостей.

Для формирования рассеивающей структуры с экспоненциально меняющимся периодом, необходимо подать экспоненциально-затухающий лазерный импульс (Фиг. 3) с плотностью мощности экспоненциально меняющейся от 20 до 4 МВт/см². Длительность импульса при этом варьируется системой управления 9. Для варьирования длины рассеивающей структуры можно увеличивать или уменьшать время импульса. Чтобы сформировать сенсорную структуру на конце рассеивающей структуры добавляется небольшой импульс через 40 мксек после основного с плотностью мощности 1,5 МВт/см².

В других вариантах исполнения формируется затухающий лазерный импульс ступенчатой формы (Фиг. 4).

В результате прохождения лазерного импульса формируется рассеивающая структура с экспоненциально меняющимся периодом. Сформированную структуру можно условно разделить на несколько зон по типу микрополостей, которые в ней формируются: зона датчика, состоящая из микросфер с диаметром меньше 2 мкм; зона микрокапилляра, имеющая один микрокапилляр с длиной до 7 см; зона эллипсоидов, состоящая из микропустот эллипсоидов с длиной до 320 мкм; и зона микропузырей, состоящая из периодической структуры микропузырей со сферической или пулеобразной формой с длиной до 4 мкм (Фиг. 5).

Пример изготовленного волоконно-оптического рассеивателя излучения с длиной до 20 см показан на (Фиг. 6).

Изобретение может быть использовано при создании устройств лазерного облучения. Способ изготовления волоконно-оптических рассеивателей излучения, в котором в сердцевине оптического волокна формируется рассеивающая структура, состоящая из нескольких замкнутых полостей с экспоненциально меняющимся размерами и периодом, с помощью управляемого выплавления сердцевины лазерной плазмой на заданную длину лазерным импульсом экспоненциально-затухающей формы, который задается системой управления процессом записи и обратной связи. Технический результат – возможность создания рассеивателя без снятия полимерного защитно-упрочняющего покрытия с оптического волокна и обеспечение равномерного профиля рассеивания в радиальном направлении, а также высоких прочностных и термостойких свойств. 6 ил.

Способ изготовления волоконно-оптических рассеивателей излучения, позволяющий сформировать рассеивающую структуру за один акт, отличающийся тем, что в сердцевине оптического волокна формируется рассеивающая структура, состоящая из нескольких замкнутых полостей с экспоненциально меняющимися размерами и периодом, с помощью управляемого выплавления сердцевины лазерной плазмой на заданную длину лазерным импульсом экспоненциально-затухающей формы, который задается системой управления процессом записи и обратной связи.