光纤激光加工与发射策略，赋能下一代生物医学应用

光纤凭借其能量传输、传感与照明功能，在生物医学领域获得广泛应用。数百微米的纤细尺寸使其能轻松植入组织与血流，仅造成微小周边损伤，并可精准抵达人体靶向区域。行业内部已建立起完善的外围配套体系，包括成熟的光源与检测设备。

 

尽管应用场景多样，传统熔融石英光纤主要集中于能量传输与传感两大功能。照明应用通常采用硼硅酸盐光纤及光纤束，但不属于本文讨论范畴。

 

尽管尺寸微小，光纤却能通过纤芯传输数十至数百瓦光功率，这使其特别适用于能量输送与传感检测。此外，从纤芯向外传播的倏逝波，为生物医学领域的下一代诊断与监测技术创造了条件。

 

传统光纤器件的制造方法多数脱胎于通信等成熟行业，在应对生物医学应用需求时往往力有未逮。

 

 

光纤结构概述
一般而言，光纤由化学掺杂的熔融石英构成同心层结构，外层覆有聚合物保护层，以提升操作便利性、弯曲性能并保护玻璃结构。

 

 

根据应用场景不同，光（或称光子）在中央纤芯中传输时，因纤芯折射率略高于包层而形成全反射。折射率的差异将大部分光线约束在纤芯内。出射光保持的接收角主要受以下因素制约：掺杂剂化学特性、纤芯尺寸、工作波长以及端面几何形态。发射光的关键光学参数包括数值孔径（空气中表现为接收角）和模场直径（即光传播区域，略大于纤芯尺寸）。

 

光纤加工技术已发展五十余载。尽管许多工艺在其他行业得到验证，但面对生物医学应用时，其在精度、可靠性、体内相容性及性能表现等方面仍存在不足。

 

 

激光剥覆技术
优质的光纤制备、封装与运用需以去除涂层为前提。传统剥覆方法包括机械剥离（如刀片刮除）、化学溶解（热硫酸处理）及热剥离（高温处理后刀片清除）。这些方法虽应用广泛，但在生物医学领域存在可靠性、精度及安全性隐患。

 

 

针对丙烯酸酯（双层PMMA）与聚酰亚胺涂层，激光剥覆技术提供了非接触式的稳健制造方案。该技术综合热效应与烧蚀特性，相较于传统方法具有快速高效、无人为干扰、精度卓越、清洁彻底等优势，特别适用于超高可靠性应用场景。

 

 

端面制备工艺
当前多种技术被用于光纤端面处理，各技术在特定应用中皆存在优劣之处。多数工艺属于接触式技术，依赖刀片切割和/或抛光处理来获得目标端面形态，但往往会对熔融石英材料造成损伤。

 

发射特性的实现极大程度取决于端面几何形态。传统的划断抛光工艺仅能加工有限角度（平面或8°斜面），这严重制约了光从端面出射的方式。机械划断技术还易导致纤芯开裂与包层毛刺，在大芯径光纤中尤为明显。

 

 

光纤激光加工作为一项成熟技术，能在多种光纤类型上实现高精度几何成形，并同步监测角度、曲率、光束发射模式、损耗等关键参数。该技术由OpTek Systems于十余年前获得专利，使曾经无法量产的光学器件设计得以实现产业化。高速加工特性消除了后续抛光工序，低损耗生产显著提升成本竞争力。

 

 

光纤端面激光加工常应用于光纤透镜制造与切割领域。光纤透镜涵盖圆锥形、圆柱形、楔形、双锥形及球透镜等多种构型。切割工艺用于制作单斜面端面（0°-60°平面或斜面）。这些工艺还可结合应用于高功率端帽封装场景，此类技术尤其契合生物医疗设备需求。

 

 

通过激光加工配合原位光学测量反馈，可精准调控数值孔径、模场直径、光束方向、光斑尺寸、工作距离及远场特性等发射参数，并确保优异的重现性。这项最初为提升光纤与有源器件（二极管、探测器、波导等）耦合效率而研发的激光加工技术，尤其适用于各类体内应用场景。

 

 

倏逝波传感技术
当光子在光纤纤芯中通过全反射传输时，部分电磁场会以倏逝波形式“渗入”包层。这在通信领域因导致光损耗而极为不利，但倏逝效应却可转化为理想传感工具，广泛应用于温度、化学品、病原体、污染物及其他危害性物质的灵敏检测与监测。

 

 

倏逝波作为概率函数，其强度自纤芯起呈径向指数衰减。此外，增加倏逝波的轴向暴露范围可有效提升生物传感器的检测灵敏度。典型生物传感器通过采用波长特异性试剂或染料，借助荧光/光谱学原理与倏逝波相互作用来实现传感功能。

 

通过激光剥离缓冲层，再结合高精度激光烧蚀包层，可在径向与轴向平面同步实现倏逝波暴露。该激光加工过程始终伴随原位光学与共聚焦监测。