白皮书

平顶光束技术改进了医用光束传输光纤

出色的可见光和紫外光可靠性

具有均匀强度分布的激光束,有时称为“平顶”或“高顶礼帽”分布,通常可比传统的高斯强度分布提供更高的效率和更出色的手术效果。 但是,大多数激光器会自然地产生高斯强度输出,并且出于成本和性能原因,将其转换为平顶分布在医疗激光系统中通常不切实际。 为了应对这一需求,Coherent 开发了新一代光束传输光纤,其内部结构可将输入高斯光束转换为平顶光束。 这样就提供了一种简单方法,可以在光纤光束传输系统中获得平顶输出,而不会显著增加系统成本或复杂性。

出于多种原因,激光广泛用于医学和牙科中的各种外科手术和治疗应用。 这些包括进行高度选择性的组织切除或治疗的能力,在某些情况下切割、烧蚀和凝固同一来源组织的能力,以及它们与内窥镜给药的兼容性。 激光治疗的好处包括手术效果更好、术后疼痛和水肿更少,以及恢复更快。

这些好处源自激光的特定特性。 例如,激光可以聚焦到非常小的光斑尺寸,这使得它们具有空间选择性, 从而可以减少对周围组织的损伤。 此外,还可以选择激光波长,以在特定组织上产生特定的输出(有时与光增敏剂结合使用),从而再次避免损伤周围组织或结构。 而且,激光在使用过程中不会产生振动或压力,可进一步减少手术创伤。

 

更大限度地增强激光效果

大多数激光手术在光热模式下进行。 也就是说,激光被组织或光敏剂吸收,产生热量,从而导致组织被破坏或去除。 为了实际实现这一点,激光通常聚焦到一个相对较小的点。 这会使激光集中并增加其强度,使其超过产生预期结果(例如烧蚀和/或凝固)所需的阈值。 它还会限制发热区域,从而实现激光的空间选择性。

大多数用于手术的固态激光器(包括 Er:YAG、Nd:YAG、Ho:YAG)会产生具有高斯强度分布的光束。 用于在内窥镜中传输这些光束的光纤在很大程度上保持了这种强度分布。

遗憾的是,这种高斯强度分布对于大多数医疗用途都是不利的。 更重要的是,这种强度分布会浪费能量,如图所示,该图将光束的强度作为位置的函数绘制出来。

Figure 1

图 1: 平顶强度分布更有效地利用激光能量 - 即执行所需的手术过程。 高斯光束有很大的区域,其中的强度要么太低,只会加热组织而不会改变组织,要么强度太高而导致能量浪费。

由于高斯分布的斜率相对平缓,中心区域之外的大部分光束强度不足以达到组织的烧蚀阈值。 这意味着此能量会加热组织,但不会将其切除,也不会产生任何其他期望的效果。 在手术区域施加过多热量、辐射或其他因素可能会导致对周围健康组织造成意外损伤。 此外,由于高斯光束以轻柔的方式逐渐消失,受影响的区域不会有清晰或明确的边缘。 这降低了该过程的空间选择性。

相反,在光束的大部分中心区域,光强度显著高于烧蚀阈值。 这意味着它提供的能量多于产生期望效果所需的能量。 因此,许多激光功率被浪费了。

平顶光束轮廓可以避免所有这些问题,只需将激光功率设置为使最大强度刚好高于烧蚀阈值即可。 这样,大部分激光能量将用于执行期望的过程,很少浪费或会完全用于加热组织。 另外,光束强度低于烧蚀阈值的区域非常小。 这提高了手术的准确性,并使激光治疗区域的边缘轮廓更加清晰。

 

用于转换光束强度的传统组件

平顶激光束非常适合医学以外的许多应用,因此多年来已经开发了许多将高斯光束转换为该形式的不同方法。 这些通常是光学元件或组件配件,用于在激光器本身之外转换其输出强度分布。 

这些组件可以大致分为使用传统折射或反射光学器件的组件,以及使用衍射器件的组件。 折射方法可能涉及传统的球面透镜、非球面透镜,甚至是自由曲面光学器件。 最终,所有这些方法都选择性地将光束中心的一些光重定向到边缘,使强度分布变得均匀。 

这种方法可以实现非常高水平的光束均匀度。 然而,这些系统通常使用多个元件,这就使得它们体积更大并且通常更昂贵。 它们通常也对输入光束直径的变化相对敏感。 

衍射方法包括传统的表面浮雕光栅和全息组件。 这些可能采用小透镜阵列的形式,它将输入光束分解成许多不同的单独光束,然后组合起来在远场中产生平顶轮廓。 类似地,全息光栅可以将输入光束衍射成几个重叠的细光束,这些细光束在焦平面中产生平顶轮廓。 

衍射方法通常只需要一个组件,因此与折射系统相比,它们成本更低且体积更小。 然而,就强度均匀性而言,它们通常无法产生相同质量的结果。 此外,与折射方法相比,衍射组件通常对于对准和波长更敏感。 

 

平顶光束传输光纤

依赖分立光学元件的方法均无法真正提供医疗应用所需的光学、机械和成本特性的组合。 由于许多外科手术和治疗激光程序已经涉及光纤传输,因此使用光纤本身来改变强度分布是一种理想的解决方案。 它不会使系统变得更大或更复杂,并且对总系统成本的影响相对较小。 

用于光束和强度分布整形的专用光纤也已经存在了一段时间。 这些光纤利用各种不同的技术,包括塑形纤芯、长周期光栅和多模干涉方法。 所有这些方法都提供了与光纤技术相关的优势,包括低插入、小尺寸和高可靠性。 但是,出于各种原因,它们要么实施起来不切实际,要么无法提供必要的性能。 因此,仍然需要一种高性能、可扩展的全光纤方法来转换光束轮廓。 

Coherent 专门开发了新的光纤技术来满足这一需求。 它依赖于这样一个事实,即大多数光纤至少可以潜在地支持数百或数千种不同的横模(如图 2 所示)。 更常见的是,光纤和光纤耦合光学器件专门设计用于更大限度地减少与这些高阶模式的耦合,因为这样做会增加聚焦光斑尺寸并降低光束中心的强度。 

Figure 2

图 2: 典型多模、阶跃折射率、圆芯光纤的一些横模的强度分布图。

然而,在这种情况下,耦合到高阶模式很有用。 但是,它必须以完全确定和可靠的方式完成,以便产生具有期望尺寸和发散角的平顶强度分布。 

实现这一点的关键是选择一些特定的模式,当它们以适当的比率叠加时,将精确地提供所需的输出分布。 Coherent 现在通过将“模式混合”的元件结合到纤芯中,制造出可靠并能重复做到这一点的光纤。 这些模式混合元件使用折射率和对准变化的组合。 它们将期望的光量分配到选定的高阶模式中。 

该图显示了 Coherent 平顶光纤的示例横模分布和由此产生的平顶输出强度分布,称为 NuBEAM 平顶。 具体来说,它绘制了当单模激光束射入平顶光纤时前 400 个横模的相对能量分布。 显示相同操作条件下标准多模光纤的模式组成以供比较。

Figure 3

图 3:平顶光纤和标准多模光束传输光纤的前 400 个横模的相对功率。 同时还显示了生成的平顶光束轮廓。

生成的平顶输出非常均匀,衰减与纯硅纤芯的标准阶跃折射率光纤没有显著差异。 同样重要的是,这种特殊的平顶光纤的设计规格与标准光束传输光纤相同(见表)。 因此,NuBEAM 平顶提供了所需的输出特性,同时还保持了标准光纤的所有其他物理和光学属性。 因而只需进行小范围改动即可轻松集成到现有系统中。 

参数 标准 BD 电缆 NuBEAM 平顶光纤

纤芯直径 (µm)

100

100

内包层直径 (µm)

120

120

外包层直径 (µm)

360

360

纤芯数值孔径

0.22

0.22

模式数

~1700

~1700

长度 (m)

5 至 > 30

5 至 > 30

模式混合元件 

表 1: NuBEAM 平顶光纤具有与其他常见光束传输光纤相同的特性,无需进行重大系统重新设计即可轻松使用。

NuBEAM 平顶技术的另一个重要方面是它易于扩展。 具体来说,可以改变这种类型光纤的光束参数乘积 (BPP),同时仍然维持均匀的平顶光束轮廓。 这是通过调整模式混合元件的设计以改变所支持模式的精确组合以及耦合到每个模式的能量来实现的。 因此,光纤输出可以专门匹配应用的需要。

 

Conclusion

Flat-top beam profiles offer better outcomes in a variety of surgical and therapeutic applications. But, the cost and practical difficulties of converting the Gaussian intensity profile output from most lasers into this format have prevented widespread use of flat-top beams in medical systems. The NuBEAM Flat-Top technology provides an easy way to obtain the flat-top beam profile from a delivery fiber which is in other all respects substantially the same as those already in use. This makes the technology easy to adopt, without risk or technical difficulty, and without impact time-to-market.

 

如您有任何需求,请联系我们。