导读

多芯光纤（MCF）因其具备高分辨率、柔性操作和非侵入性特点，被广泛应用于微创医学影像、生命科学研究以及工业无损检测。然而，在传统设计中，为了避免光纤芯之间的光信号耦合，光纤芯需要保持较大的间距，这一设计限制了光纤的有效成像区域，导致光收集效率和信噪比下降。尤其在生物成像过程中，低光收集效率会限制成像质量，同时增加光毒性的风险，对敏感生物样本造成潜在伤害。

为了解决这些问题，需要提高成像性能，同时保持光纤的机械稳定性和灵活性，来提升光纤光学性能。近日，德国德累斯顿工业大学的Kinga Zolnacz等人与汉诺威莱布尼茨大学的研究团队联合推出了一项创新性技术，旨在通过热膨胀方法改善多芯光纤的光学性能。相关研究成果以Multicore fiber with thermally expanded cores for increased collection efficiency in endoscopic imaging为题发表在Light: Advanced Manufacturing上。这一技术的核心突破在于显著提高光纤的光收集效率和成像质量，为微创生物医学成像提供了前所未有的技术支持，也为未来光纤技术的多领域应用开辟了新道路。

热膨胀技术

在这项研究中，研究团队提出了一种基于热膨胀技术的解决方案。通过对多芯光纤端面进行加热处理，利用材料的扩散特性，光纤的芯径得以扩展。值得注意的是，该方法仅改变了光纤端面的光学结构，而未对光纤的外径及整体机械性能产生影响，确保了光纤的实用性和耐用性。

在图1中，我们可以清晰地看到传统多芯光纤与热膨胀处理后光纤端面的对比图。原始光纤的芯径较小，芯与芯之间的间距较大，限制了光的收集效率。而经过热膨胀处理后，光纤芯径扩大了2.8倍，芯间光学耦合效应被进一步降低，光的传输强度增加了2.3倍，而信噪比提升了4.6倍，同时保持了整体光纤结构的完整性。

图1：多芯光纤芯径扩展前后的示意图

光纤性能评估

通过实验测量得到的光收集效率与工作距离的关系曲线显示，热膨胀光纤在所有工作距离下均表现出更高的效率。特别是在较大工作距离（如3毫米）时，改进后的光纤优势更加显著。

图2：光收集效率曲线图

成像性能对比实验

研究团队采用无透镜单次成像技术对该方法进行了验证。在实验中，他们使用了测试图样和微珠簇反射的非相干光作为成像目标。在0.5毫米的工作距离下，这一技术的优势已非常显著；随着工作距离增加，其效果更加突出。

图3：成像性能对比实验结果

实验中采用的标准测试图样成像结果如图4所示。未处理的光纤在成像中表现为低对比度、信噪比不足。而热膨胀光纤则展现出高分辨率、高对比度的清晰图像。特别是在低光强环境下，信噪比提升尤为显著。

图4展示了利用热膨胀光纤对微珠簇进行成像的实际结果。图片中可以观察到微珠的清晰结构和边缘细节，证明了这一技术在现实成像场景中的应用潜力。

图4：微珠样本成像示例

总结与展望

该研究的意义在于为微创诊断和生物医学成像提供了一种新的技术手段，能够在不增加复杂性的情况下显著提升成像性能。这种改进对于活体组织观察、细胞动态监测以及敏感样本分析等具有重要价值。

随着光纤技术的不断发展，创新的热膨胀方法不仅解决了多芯光纤在成像中面临的核心问题，也为未来光纤技术的发展提供了新的方向。未来，这一技术还可进一步推广到光纤激光器、光纤通信和工业检测等其他领域。例如，在光纤通信中，这种方法可能优化光纤的信号传输效率，从而支持更大容量的通信需求；在工业检测中，这一技术能够提升复杂表面成像的分辨率和精确度。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2024.049