1　引言

光学相干层析成像(OCT)是一种通过低相干光源获取生物组织等散射介质二维或三维图像的高分辨率成像技术。与超声成像类似，OCT通过测量样本的反射或后向散射回波获得样本不同深度处的反射率，并结合一维或二维横向扫描获得样本的断层图像或三维图像。内窥OCT能通过细小的探头获得人体血管壁的10 μm分辨率图像，是心血管内窥领域用于评估冠状动脉结构形态的重要成像手段^[1]。但是，很多与冠状动脉硬化发病机制相关的特征只能在细胞水平下观测，因此发展微米级分辨率的下一代OCT技术对于研究冠状动脉硬化的发病机制、提高硬化斑块的早期诊断率、评估再生血管化的术后恢复过程等具有重要意义^[2-3]。此外，OCT探头在振动检测^[4]等工业领域亦有所应用。

OCT的轴向分辨率主要取决于光源的光谱带宽。使用最先进的宽带光源能实现1～5 μm的轴向分辨率^[5]，但如果使用高数值孔径的物镜将横向分辨率提高到相同水平，则OCT的轴向视场将受限于光束极短的焦深，同时，其工作距也将迅速缩短。为了解决横向分辨率和焦深的矛盾，研究人员提出了多种方案，并实现了一个数量级的焦深拓展，这些方案包括准贝塞尔光照明^[6-7]、数字聚焦^[8-9]、动态聚焦^[10-11]等。但是这些方法或需要相位稳定，或需要机械扫描，或需要使用两条光路分别实现照明和探测，难以应用于小型探头。

使用研磨抛光制作的微型轴锥镜^[12]、基于软光刻工艺的微型二元相位板^[9]、基于电子刻蚀和光刻工艺的超透镜^[13]以及基于微纳3D打印的自由曲面微型镜片^[14]已被用于探头焦深的扩展，但与台式系统相比，这些微型光学元件不仅制作成本高，而且探头的焦深拓展倍数有限。此外，一种仅需按一定顺序进行光纤熔接的纯光纤技术被提出来，并显示出了对图像质量的增强潜力，西澳大学的Lorenser等^[15]在报道一种由过填充渐变折射率光纤组成的相位掩模板中首次阐述了此概念。最新的研究进展表明，将基于阶跃折射率的多模光纤作为同轴聚焦多模光束发生器^[16-17]或作为高传输效率光纤型空间滤波器^[18]，在制造加工和拓展焦深方面更具优势。然而，这种基于大纤芯光纤(LCF)或多模光纤的探头的全面优化并不容易，其困难不仅来自多模干涉场的复杂性，还来自光纤之间排列组合的灵活性。本课题组亦围绕LCF探头进行了研究，研究内容包括设计输出光束可控的无透镜探头^[19]、基于高传输效率光纤型空间滤波器的焦深拓展技术^[18，20]、基于特征模展开的LCF探头快速仿真和优化方法^[21]，但没有对此类探头的设计和优化进行过系统报道。

本文针对LCF探头的优化设计进行了细致梳理，具体涉及探头结构的优化和出射光束的优化，并讨论了模式激发装置的设计、无透镜和空间滤波两种工作模式、模式干涉场的两种放大方式以及模式数量的选择。希望本研究能对超小OCT光纤探头的优化设计提供些许技术启示。

2　原理和方法

2.1　出射光束参数的表征

提高物镜的数值孔径能有效提高OCT系统的横向分辨率，但随着聚焦光斑的缩小，轴向视场和工作距将迅速减小。如图1所示，通常情况下OCT系统的横向分辨率由出射光束的最小光束直径(MBD)表征，而轴向视场则由出射光束的焦深(DOF)表征。如果定义光束直径等于横向光强分布的半峰全宽(FWHM)，定义DOF为光束直径小于或等于两倍MBD的区域长度，那么高斯光束满足 zDOF＝3πnsln(2)λ·xMBD2，(1)式中：z_DOF表示DOF；n_s表示介质折射率；λ表示波长；x_MBD表示MBD。式(1)不仅体现了OCT系统的轴向视场与横向分辨率平方的正比关系，还说明了OCT系统在中心波长较短、样本折射率较高时相对更容易获得较高的横向分辨率和较大的轴向视场。

图 1. OCT系统的横向分辨率、轴向视场和工作距。(a)低数值孔径聚焦和高数值孔径聚焦下的高斯光束；(b)存在空间滤波器时光束的聚焦情况

Fig. 1. Lateral resolution, axial field of view, and working distance of optical coherence tomography (OCT) system. (a) Gaussian beams under low NA focusing and high NA focusing; (b) light focusing with spatial pupil filter

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使用准贝塞尔光束是在更大轴向范围内保持高横向分辨率的一种实用方法。图1(b)使用低数值孔径物镜聚焦，并结合一种基于中心遮挡的振幅型空间滤波器实现了高横向分辨率、较大的DOF和工作距。如果定义这种非高斯光束的DOF增益为其DOF与相同MBD下高斯光束DOF的比值，那么DOF增益的计算公式为 RDOF＝ln(2)λ3πns·zDOF，nGxMBD，nG2，(2)式中：z_DOF，nG和x_MBD，nG分别表示非高斯光束的DOF和MBD。在相同的横向分辨率下，如果R_DOF<1，则探头的轴向视场将小于高斯光束照明下的轴向视场；如果R_DOF>1，则探头的轴向视场将大于高斯光束照明下的轴向视场，并表现出增强的成像质量。虽然在台式OCT系统中基于中心遮挡的振幅型空间滤波器通常能实现大于10的DOF增益，但在光纤探头中所实现的DOF增益和工作距均随着空间限制而迅速减小。因此，研究适用于高分辨率光纤探头的DOF和工作距拓展技术具有重要意义。

2.2　LCF的光场调控原理

利用LCF的模式干涉是实现光场调制、DOF拓展和工作距拓展的有效途径^[16，18-21]。如图2所示，弱导近似(n_co，LCF≈n_cl，LCF，n_co，LCF和n_cl，LCF分别表示芯层折射率和包层折射率)下，LCF的传输光可以看成是独立的、数量有限且传播常数不同的线性偏振模 LP_mn。若给定模式有效折射率n_eff，ml，则传播常数可以表示为β_ml＝2πn_eff，ml/λ。LCF允许传输的模式数量取决于归一化波数V，V＝2πrco，LCFnco，LCF2－ncl，LCF2/λ，其中r_co，LCF表示LCF的芯层半径。截止频率小于其V值的低阶模式能在LCF中稳定传输，而截止频率大于其V值的更高阶模式将在LCF中迅速衰减。这些独立传输的模式具有固定的横向电场分布，其中LP₀₁和LP₀₂模的横向光强分布见图2右侧的小图。但由于传播常数不同，它们将在LCF的不同位置形成不同的干涉图样。因此，通过调节LCF的长度能在LCF末端获得可控的模式干涉场。考虑到探头结构的对称性，仅LCF中角动量为0(m＝0)的模式在输入端激发，因此，LCF末端的模式干涉场可以近似为 ELCF(r，LLCF)≈∑n＝1Nan，LCFJ0(2πrλnco，LCF2－neff，0n2)·exp[j2πλ(b0n－b01)ΔLCFLLCF]，0≤r≤rco，LCF，(3)式中：r表示LCF后端面的径向坐标；a_n，LCF和b_0n分别是LP_0n 模的幅值和归一化有效折射率^[22]；L_LCF和Δ_LCF＝n_co，LCF－n_cl，LCF分别是LCF的长度和折射率对比度；N是LCF中允许传输的角动量为0的模式数量；J₀为零阶第一类Bessel函数。对于V＝6的典型情况，LCF仅允许两个角动量为0的模式传输，且 b₀₂－b₀₁≈0.5^[22]。

图 2. 基于LCF的空间滤波器(下方三维图仅示意了从SMF某一环带出发的斜射光线；SMF：单模光纤；NCF：无芯光纤)

Fig. 2. Spatial filter based on large-core-fiber (LCF) ( only skew rays from a single annular area from SMF are depicted in the below panel demonstrating three-dimensional light rays; SMF: single mode fiber; NCF: no core fiber)

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基于LCF的光场调制与基于相位板的光场调制^{[9, 15]}在原理上有明显区别。相位板能直接调节空间域中各环带的相位，而LCF通过调节由正交Bessel函数构成的模式域中各模式的相位来间接调节各环带的幅值和相位。虽然相位板和LCF都通过调节长度来调控相位，但由于LCF具有远小于相位板的折射率对比度，因此LCF的相位变化对光纤长度相对不敏感。后者构成了LCF探头在制造方面的优势。

LCF的相位调节范围与其长度调节范围有关，而后者取决于LCF的节距L_p^[23]。LCF的归一化有效折射率b_0n不是均匀分布的，L_p一般较大，且LCF的长度在qL_p～(q＋1)L_p范围内(q为自然数)变化时能实现各模式相位差的独立调节。但为了防止模间色散^[22]影响OCT系统的轴向分辨率，LCF的长度存在一个上限值。一般要求模间光程差Δl小于OCT系统的轴向分辨率Δz_OCT，因此LCF的长度调节范围为 qLp<LLCF≤min{(q＋1)Lp，ΔzOCT(nco，LCF－ncl，LCF)max{γ0j－γ0i}}，(4)式中：L_NCF是NCF的长度；γ_0j＝d(Vb_0j)/dV。通常情况下，更多的模式数量意味着更复杂的模式干涉场以及更大的DOF增益；但随着模式数量增加，ΔlL_p迅速增加并轻易超出OCT的轴向分辨率，反而导致模式相位差的调节范围受限。因此，在可接受的模间色散下，基于LCF的探头存在一个DOF增益上限，而计算此上限对于评估LCF探头的应用潜力具有重要意义。

LCF的模式幅值取决于激发条件。对于图2中单模光纤(SMF)与LCF直接连接的情形，设SMF末端的电场E_SMF与LCF中LP_0n的耦合系数^[22]为c_n，LCF，那么LCF中LP_0n模的幅值可以表示为 an，LCF＝cn，LCFPinNn，LCF，(5)式中：P_in为SMF的输入光功率；N_n，LCF为LP_0n模的传输功率。设n_p为LCF中最大幅值的模式阶数，模场直径(MFD)或光束发散角越大，n_p越大。一般来说，n_p越大，LCF中的主要模式因为更接近Bessel光束而具有更大的DOF增益，同时出射光束的旁瓣强度也越大，而且若光束发散角接近或大于LCF的接收角，光损将增加。因此，如何在激发高阶模的同时保持较高的传输效率和较小的旁瓣是设计模式激发装置的中心问题之一。

2.3　LCF探头的出射光束

基于LCF的探头有两种工作模式。在无透镜模式下，LCF直接调控探头的出射光束，如图3(a)所示，此时出射光束是LCF末端电场在均匀介质中的衍射场。若n_p≫1，则更高阶模式更接近Bessel无衍光束，出射光束的电场近似为^[24]Eout(r，z)≈∑n＝0Nan，LCFexp[j2πλ(neff，0n－neff，01)LLCF]·J0(2πrλnco，LCF2－neff,0n2)·exp(j2πλns2－nco，LCF2＋neff,0n2z)。(6)在空间滤波模式下，LCF通过调控渐变折射率光纤(GIF)入瞳处的光场来间接实现出射光束的调控。GIF的典型长度为1/4节距，此时GIF的前端面是前焦面，后端面是后焦面。在近轴近似下，GIF后焦面的电场是LCF后端面电场的傅里叶变换^[8，25]，出射光束的电场表示为 Eout(ρ，z)＝2∑n＝1Nan，LCFexp[jk(neff，0n－neff，01)LLCF]·∫r＝0rco，LCFrJ0(krnco，LCF2－neff,0n2)J0(knsgrρ)exp(－jkg2zr22)dr＋2∑n＝1Nan，LCFbnexp[jk(neff，0n－neff，01)LLCF]·∫r＝rco，LCFrcl，LCFrK0(krneff,0n2－ncl，LCF2)J0(knsgrρ)exp(－jkg2zr22)dr，(7)式中：k＝2π/λ；g满足L_p，GIF＝2π/g，其中L_p，GIF是GIF的节距；r和ρ分别表示LCF后端面和成像空间的径向坐标；z是成像空间的轴向坐标；b_n是保持LP_0n模电场分布函数在芯层与包层界面处连续的常系数；K₀为零阶第二类修正Bessel函数。对比式(6)的第一项和式(7)，可以观察到两种工作模式下出射光束显著不同：无透镜模式下出射光束的电场近似为一系列J₀函数的线性组合，而空间滤波模式下出射光束的电场近似为J₀函数乘以二次相位因子再经傅里叶变换后的线性组合。选择合适的工作方式以提高DOF拓展倍数是优化LCF探头需要考虑的主要因素之一。

图 3. 基于LCF探头的两种工作模式以及光束的中继。(a)无透镜模式，LCF直接调控出射光束；(b)空间滤波模式，LCF作为空间滤波器，通过调控物镜(GIF)入瞳处的光场间接实现出射光束的调控；(c)(d)使用透镜　(GIF2)将LCF或GIF的出射光束中继到探头外侧

Fig. 3. Two working modes of LCF-based probes and relay of light beam. (a) Lens-free mode, where the output beam is regulated directly by LCF; (b) spatial filtering mode, where the output beam is regulated indirectly by LCF through controlling light field on the entrance pupil of the objective (GIF); (c)(d) output beams from LCF or GIF are relayed to the outside of probe by the lens (GIF2)

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使用透镜将LCF或GIF的出射光束中继到探头外侧有望获得更大的工作距和DOF，如图3(c)、(d)所示。典型情况下，L_LCF满足的显微条件为 exp[j2πλ(neff，0n－neff，01)LLCF]∈{－1，1},n∈1，2，…，N，(8)那么无论是无透镜模式下的出射光场[如式(6)所示]还是空间滤波模式下的出射光场[如式(7)所示]，都有以下对称关系成立： Iout(ρ，z)＝|Eout(ρ，z)|2＝Iout(ρ，－z)。(9)若没有中继透镜，光强分布I_out(ρ，z)中仅z>0的一半在探头外侧；若使用中继透镜，则可以同时将z<0的另一半中继到探头外侧，从而进一步获得两倍的DOF增益。但GIF的长度一般不等于1/4节距，而且LCF的长度一般也不满足式(8)所示的相位条件，从而会在式(7)中引入附加相位项，导致式(9)不成立。由于出射光束轴向不对称，中继透镜的DOF增益效果将小于两倍。因此，对LCF和GIF的长度连同中继透镜进行全局优化是很有必要的。

2.4　LCF探头的参数优化

设计LCF探头的挑战之一是它的优化需要预先给定一组探头参数，然后基于此进行光传播仿真，才能确认出射光束的性能。因此，这种正向优化过程需要尝试所有可能的参数组合才能获得探头的最优参数。为了评估探头性能的优劣，在进行穷举优化前需要定义优化函数和束缚条件。

探头的优化目标是同时获得高横向分辨率、较长的DOF和工作距、均匀的轴向光强分布。为了同时保证较长的DOF和均匀的轴向光强分布，这里将最长连续焦深z_c，DOF定义为光束直径小于或等于两倍MBD的连续区域的最大长度。若出射光束是轴向均匀的光束，则z_c，DOF＝z_DOF；若出射光束不是轴向均匀的光束，则z_c，DOF<z_DOF。根据式(2)，定义优化函数为 fm＝ln(2)λ3πns·zc，DOFxMBD2。(10)对于高斯光束，显然有f_m＝1。为了实现f_m最大化，探头的出射光束必须同时满足较长的DOF、均匀的轴向光强分布和高横向分辨率。在满足f_m最大化的基础上，进一步选出的具有最大工作距的参数组合即为最优参数。为了方便比较，这里统一将目标平均横向分辨率设为5 μm左右，上述束缚条件表示为 4μm<xav，MBD<6μm，(11)其中平均横向分辨率x_av，BD定义为最长连续DOF范围内光束直径的平均值。此外，为了排除一些旁瓣明显的情况，这里还要求光束的旁瓣峰值光强I_p，sidelobe小于其主瓣峰值光强I_p，mainlobe的一半，即 Ip，sidelobe<12Ip，mainlobe。(12)

探头的优化变量是除了SMF外各段光纤的长度。其中：LCF的长度范围须满足式(4)，以防止过大的模间色散；无芯光纤的长度上限根据光束在无芯光纤中衍射后刚好充满GIF2的入瞳确定，如图3所示；渐变折射率光纤(包括GIF、GIF2等)的长度选取范围为0～L_p，GIF。

选择合适的仿真方法是实现探头参数优化的关键。一方面，该仿真方法需要具有较高的仿真精度。由于具有高横向分辨率的探头的聚焦光束一般会形成在靠近探头末端的区域，常用于设计空间滤波器的Fresnel近似[如式(7)所示]，可能会造成较大的计算误差。另外，由于LCF的LP_0n模仅在芯层区域符合Bessel光束，使用Bessel光束近似其出射光束[如式(6)所示]会引入较大的计算误差。另一方面，该仿真方法需要具有较快的速度。对于图3(a)、(b)所示的较简单的探头结构，由于独立变量较少，可使用光束传播法进行光束仿真^[26]。对于具有256×256×260的三维网格，光束传播法能在8～16 s内完成波导结构的光束仿真，并获得相当精确的与实验结果一致的仿真结果；但随着探头结构变得复杂[如图3(c)、(d)所示，这意味着独立变量增多]以及LCF的模式数量增加(这意味着LCF的长度调控范围增加)，基于光束传播法的探头穷举优化过程将变得过于耗时而难以获得最优参数组合。

基于特征模展开的光束仿真方法由于利用预先计算好的模场分布以及计算衍射光束在不同光纤之间模式的耦合效率，能实现对探头出射光束的快速仿真，非常适合基于LCF的探头设计。与光束传播法不同，当探头中的光纤长度发生改变时，基于特征模展开的光束仿真方法无需从头开始仿真，仅需重新计算各模式的幅值a_n和相位φ_n，因此有效提高了仿真速度。基于特征模展开的光束仿真方法的原理如图4所示。这里以图3(c)中包含中继透镜的空间滤波模式为例进行介绍。所提光纤探头包含了SMF、LCF、GIF、GIF2共4段波导结构以及NCF和探头外侧空气两段均匀介质，其中：SMF只有LP₀₁模，其横向电场表达式见2.2节，这里记其模场为Ψ_1，SMF；LCF允许传输LP₀₁和LP₀₂两个模式；GIF和GIF2允许多个模式传输，但这里分别只选取了前5个和前6个主要LP_0n模式。由于渐变折射率光纤的横向电场没有较精确的解析式，因此一般使用数值仿真方法获得。这里记GIF和GIF2的模场分别为Ψ_n，GIF和Ψ_n，GIF2。图4中光纤下方的正方形小图展示了横向模场强度分布|Ψ_n|²，正方形小图之间的蓝黑色连接线代表模式之间的耦合，耦合矩阵记为C。由于GIF的模场先在无芯光纤中衍射再与GIF2的模场耦合，因此它们的耦合矩阵C_GG中各元素的表达式为 cij，GG＝∬SGIF2Ψi，GIF2(x，y)∬SGIFΨj，GIF(ξ，η)exp(jkgr01)r011(1r01－jkg)dξdηdxdy∬SGIF2|Ψi，GIF2(x，y)|2dxdy∬SGIF|Ψj，GIF(ξ，η)|2dξdη，(13)式中：积分区域S_GIF2∈{(x，y)|x²＋y²<R_GIF2²}，r_co，GIF2<R_GIF2<r_cl，GIF2，r_co，GIF2和r_cl，GIF2分别表示GIF2的芯层半径和包层半径；积分区域S_GIF∈{(ξ，η)|ξ²＋η²<R_GIF²}，r_co，GIF<R_GIF<r_cl，GIF，r_co，GIF和r_cl，GIF分别表示GIF的芯层半径和包层半径；ξ-η平面代表GIF的后端面，x-y平面代表GIF2的前端面；k_g＝2πn_g/λ是出射光束的波数，其中n_g是无芯光纤的折射率，λ为波长；r01＝(x－ξ)2＋(y－η)2＋LNCF2，代表GIF后端面上的点与GIF前端面上的点之间的几何距离。

图 4. 基于特征模展开的光束仿真方法

Fig. 4. Beam simulation method by eigen mode expansion

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探头的出射光场实际上可视为GIF2各模式的衍射场的线性组合，即 Eout(x,y,z)=∑n=16an,GIF2exp(iφ^n,GIF2)ψn,GIF2,diff(x,y,z),(14)式中：a_n，GIF2表示GIF2中LP_0n模的幅值；φ^n,GIF2表示GIF2末端LP_0n模的相位；Ψ_{n，GIF2，diff}(x，y，z)表示GIF2的LP_0n模在探头外侧的衍射场。这些衍射场的强度分布|Ψ_{n，GIF2，diff}|²如图4中探头出射光束下方的长方形小图所示。由于它们只需预先计算一次，因此这里使用严格的Rayleigh–Sommerfeld衍射积分公式进行计算获得。若定义系数向量为 aGIF2=[a1,GIF2N1,GIF2exp(iφ^1,GIF2)a2,GIF2N2,GIF2exp(iφ^2,GIF2)⋮a6,GIF2N6,GIF2exp(iφ^6,GIF2)]，(15)则可以得到 aGIF2＝PinPGIF2(LGIF2)CGG(LNCF)·PGIF(LGIF)CLGPLCF(LLCF)CSL,(16)式中：N_n，GIF2为Ψ_n，GIF2的传输功率；P为光纤的传输矩阵^[21，27]。矩阵乘法的方向为从右向左。

2.5　LCF探头的成像效果评估

为了评估LCF探头的实际成像效果，将本团队制作的探头接入扫频OCT系统，对样本进行OCT成像。如图5所示，扫频光源的中心波长为1.3 μm，波长扫描范围约为100 nm。探头在成像过程中保持固定，样本置于二维电动平移台上，移动平移台实现探头对样本的扫描。平衡探测器输出的干涉光谱信号经数据采集卡等波数采样后进行色散补偿和快速傅里叶变换，得到相应的OCT图像。当样本为1951 USAF分辨率测试靶时，可利用样本的OCT图像标定探头的分辨率、工作距和DOF等参数。由于本文聚焦于LCF探头的优化研究，因此这里仅对样本进行体外成像。如要实现内窥成像，则需要配套合适的微型扫描装置^[1]。

图 5. 探头-OCT系统原理图

Fig. 5. Schematic of probe-OCT system

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3　结果和分析

3.1　出射光束可调控的无透镜探头

基于LCF的探头的最简单结构是将LCF拉锥后直接与SMF熔接，其结构如图6(a)所示。其中，SMF用于OCT主系统与探头远端之间的光传导，拉锥段用于调控LCF中激发的模式功率，LCF用于产生多模以及调控模式相位。在满足绝热条件的前提下，选取尽可能大的拉锥角有利于同时获得较高的传输效率和较短的硬端长度。由于光线在拉锥段中的每次反射都会导致其倾角减小，因此，选好拉锥角后增加拉锥段的长度不仅能增加光线在拉锥段的反射次数，减小光束的发散角，还能使更多的能量耦合到LCF的低阶模式中。若选择LMA-GDF-30/250作为LCF，由于其芯层直径为30 μm，数值孔径为0.067，1.3 μm波长下的归一化波数V＝4.86，因此仅LP₀₁模和LP₀₂模能在LCF中传输。图6(b)给出了当拉锥角(拉锥光纤边缘与轴线的夹角)为0.0029 rad时，两模式的耦合效率随拉锥段长度L_T的变化。若没有拉锥段，LP₀₂模的耦合效率几乎与LP₀₁模的耦合效率相同，但插入损耗较大。随着L_T在0～3.4 mm范围内增加，LP₀₁模的耦合效率增大，而LP₀₂模的耦合效率减小；当L_T在2.1 mm～3.4 mm之间增加时，LP₀₁模耦合效率增大的速率大于LP₀₂模耦合效率减小的速率，这意味着光传输效率的提升；当L_T大于3.4 mm时，由于拉锥细端的芯层直径小于SMF的芯层直径，LP₀₁模的耦合效率和光传输效率随着L_T的增加而减小。

图 6. 无透镜模式下的可控输出光束^[19]。(a)基于拉锥LCF的探头；(b)拉锥段长度对LCF模式能量的调控；(c)不同探头参数下出射光束的光强分布

Fig. 6. Controllable output beam under lens-free mode^[19]. (a) Tapered-LCF-based probe; (b) mode power regulated by the length of tapering length; (c) intensity distributions of output beams under different probe parameters

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为了演示参数L_T和L_LCF对探头出射光束的调控效果，这里考虑了LCF中主要含有LP₀₁模而几乎没有模式干涉以及同时含有LP₀₁和LP₀₂模且有明显模式干涉的两种情况。当L_T≈3.4 mm时，探头具有最高的传输效率且几乎只包含LP₀₁模。当L_T＝1.2 mm时，从SMF基模到LCF的LP₀₁模的耦合效率几乎是LP₀₂模的2倍，此时a_1，LCFΨ_1，LCF(0)＝a_2，LCFΨ_2，LCF(0)，因而具有最明显的模式干涉。根据LCF末端LP₀₂与LP₀₁的模间相位差是2mπ还是(2m＋1)π，L_LCF也有两种不同的选取方式。LCF的长度选取范围由式(4)确定，由于所选的LCF模式数量少、模间色散较小，因此，为了获得较长的L_LCF，这里取q＝2，以尽可能地衰减LCF中的瞬态模式，同时也便于夹持。以上两种L_T和L_LCF的选取情况对应了4种探头参数组合L_T，L_LCF：探头Ⅰ(3.34 mm，3.03 mm)，探头Ⅱ(3.34 mm，3.62 mm)，探头Ⅲ(3.34 mm，3.62 mm)，探头Ⅳ(1.2 mm，3.37 mm)。由于拉锥段会引入初始模间相位差，虽然探头Ⅰ和探头Ⅱ在LCF末端的模间相位差都等于2mπ，但它们的L_LCF有所不同。探头Ⅱ与探头Ⅳ同理。探头Ⅰ～Ⅳ的出射光束的光强分布如图6(d)所示，其中仿真所使用的光波长为1.3 μm。对于主要含有LP₀₁模而几乎没有模式干涉的探头Ⅰ、Ⅱ来说，L_LCF对其出射光束几乎无影响，而对于同时含有LP₀₁和LP₀₂模且有明显模式干涉的探头Ⅲ和Ⅳ来说，L_LCF能有效调控其出射光束。

由于具有更短的硬端长度和相对更长的工作距，探头Ⅰ和Ⅲ被进一步研究，它们的出射光束参数见表1。可见，探头的横向分辨率能在6.5～11.5 μm范围内调节，但随着分辨率增加，DOF迅速减小至0.16 mm。由于DOF增益小于1，在相同的横向分辨率下，探头的轴向视场小于高斯光束的轴向视场。本课题组认为这是由于探头的工作距短，几乎有一半聚焦光束在LCF的后端面之前，导致约一半的DOF损失。但对于探头Ⅰ，其DOF达到了0.47 mm，在横向分辨率要求不高的情况具有一定的应用潜力。由于出射光束不受L_LCF的影响，因此探头Ⅰ经端面45°研磨抛光后非常适合用于制作低成本、中等分辨率的侧向OCT探头。

3.2　基于LCF的空间滤波器

上述出射光束可调控的无透镜探头有两个主要缺点：1)探头外径不均匀，尤其是SMF与LCF拉锥段细端的外径不同，容易断裂；2)有部分聚焦光束位于探头内部，因此探头的轴向视场相对有限。为了提高探头的机械稳定性，这里使用一段渐变折射率光纤GIF1(GIF50C)代替拉锥光纤，如图7(a)所示，同时将LCF更换成与SMF-28e通信光纤具有相同包层直径的FG025LJA。由于LCF的芯层直径为25 μm，数值孔径为0.10，1.3 μm波长下的归一化波数V＝6.04，因此，仅有LP₀₁和LP₀₂两个模式在LCF中传输。为了将LCF内部的聚焦光束及其出射光束中继到探头外侧，一段NCF(FG125LA)和一段GIF2(GIF625)被依次熔接到LCF末端。其中：NCF用于提高探头的工作距；GIF2作为中继透镜，同时它还起到了调控探头横向分辨率的作用。由于LCF通过改变GIF2前端面(GIF2前焦面亦在此附近)的电场分布来间接地对探头的出射光束进行调控，因此LCF的这种工作模式也被称为空间滤波模式。调控模式相位的LCF与调控模式振幅的GIF1一起被称为光纤型空间滤波器。

图 7. 基于光纤型空间滤波器的DOF拓展探头^[18]，其中黄色和白色框代表各段光纤的芯层。(a)探头原理图；(b)含空间滤波器探头的光强分布；(c)不含滤波器的传统探头的光强分布

Fig. 7. Probe with a fiber spatial filter and extended DOF^[18], where the boxes with yellow and white colors represent fiber cores. (a) Schematic of probe; (b) light intensity distribution of probe with spatial filter; (c) light intensity distribution of traditional probe without filter

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当模式幅值相等、相位相差π的奇数倍时，LCF末端的模式干涉场表现出一种中间暗、边缘亮的环形照明特征，如图7(a)上方靠左的小图所示。这种环形照明类似环形切趾^[28]，具有保持横向分辨率同时提高DOF的作用。但与环形切趾不同，上述光纤型空间滤波器由于没有中心遮挡而具有更高的光传输效率。使用优化后的探头参数(L_GIF1＝68 μm，L_LCF＝1100 μm，L_NCF＝150 μm，L_GIF2＝170 μm)进行仿真得到了探头内和出射光束的光强分布，如图7(b)所示。为了便于比较，这里还对具有相同横向分辨率但不含滤波器的传统探头进行了仿真(使用的探头参数为：L_GIF1＝0，L_LCF＝0，L_NCF＝150 μm，L_GIF2＝260 μm)，仿真得到的探头内外的光强分布如图7(c)所示。图7(b)显示出了LCF内部明显的模式干涉，并且LCF末端光强分布表现为中间暗、边缘亮的特征。但由于该模式干涉场束缚在25 μm直径的光纤芯层内，其在NCF中的衍射导致GIF2前端面的光强分布不再是环形，如图7(a)上方靠右的小图以及图7(b)所示。但是，这里的NCF较短，图7(a)所示的探头实际上更接近图3(b)中的空间滤波器模式而不是图3(c)中光束的中继。如果继续增加NCF的长度，这种由衍射导致的光场变化可能会降低滤波器的DOF增益。相比之下，不含滤波器的传统探头的出射光束为高斯光束[如图7(c)所示]，该探头与含有滤波器的探头具有相同的横向分辨率，但其DOF更短。表2列出了含有滤波器与不含滤波器探头的出射光束参数。与3.1节中无透镜探头Ⅲ相比，空间滤波下的探头将横向分辨率提高到4.6 μm，将轴向视场提高到0.23 mm，将DOF增益提高到1.8。与不含滤波器的传统探头相比，含有滤波器的探头具有更优异的工作距、横向分辨率和轴向视场指标。

探头对制造的要求是一个重要的评估指标。由于探头采用全光纤结构，元件之间的光学对准在普通的光纤熔接机上可以自动实现；但控制各段光纤的长度在其公差范围内仍然是制造过程中的挑战。借助精密电动平移台，光纤的切割误差能达到－5～＋5 μm以内；但如果探头中光纤的长度误差远大于这个范围，无论是制作优良率还是探头的性能都会有所提升。为了确定探头中光纤的长度误差，本文用探头的工作距(WD)、DOF增益(DOFG)和横向分辨率(用MBD表征横向分辨率)来评估光纤长度误差的影响。图8展示了探头中4段光纤的长度误差对探头三个主要性能指标的影响。当GIF、LCF、NCF和GIF2的长度误差分别在－40～＋40 μm、－80～＋80 μm、－40～40 μm和－28～＋40 μm范围内时，它们对DOF增益的影响将控制在20%以内。此外，为了防止工作距过短，GIF2的长度误差应进一步限制在－28～＋20 μm之内。因此，含有滤波器探头的制造误差为－28～＋20 μm。现有的光纤熔接和光纤切割设备能轻松满足此要求。

图 8. 含有滤波器探头中各段光纤长度误差对探头性能的影响^[18]。(a)GIF；(b)LCF；(c)NCF；(d)GIF2(图中纵坐标表示探头指标与零长度误差情况下的比值，其中DOFG、MBD和WD分别代表DOF增益、最小光束直径以及工作距的相对值)

Fig. 8. Influence of fiber length error of each fiber in the probe with filter on probe performance^[18]. (a) GIF; (b) LCF; (c) NCF; (d) GIF2 (where Y-axis represents specifications ratio between the probe with fabrication errors and the probe without fabrication error, and DOFG, MBD, and WD represent relative values of DOF gain, minimal beam diameter, and working distance, respectively)

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3.3　模式干涉场的两种放大方式

工作距是OCT内窥探头的关键指标之一。OCT在生物组织中的穿透深度约为1 mm，因此将探头的工作距提高到0.5 mm或以上最为理想。上述基于光纤型空间滤波器的探头在空气中的工作距为0.13 mm，但这一工作距仍存在一定的提升空间，而进一步提高其工作距有望拓宽其应用范围。

对于尺寸越小的光学系统来说，为保持其横向分辨率，其工作距一般也越短。因此，对于直径为125 μm的全光纤探头，为了实现优于4.4 μm的横向分辨率，要求其在空气中的工作距仅约为100 μm。在传统的全光纤探头中，无芯光纤通过衍射效应来扩大光束，以增加探头的工作距。但由于光纤透镜通光孔径的限制，单纯通过增加无芯光纤的长度来增加工作距的效果有限，而且过长的无芯光纤将导致光的传输效率降低。在3.2节基于光纤型空间滤波器的探头中，模式干涉场(MIF)被用于调控光纤透镜入瞳处的光场。通过在光纤透镜的入瞳处形成非高斯光束的光场分布，基于光纤型空间滤波器的探头有望缓解传统全光纤探头横向分辨率与工作距的矛盾。但对于图7(a)所示的探头结构来说，单纯增加无芯光纤的长度虽然可以有效增加工作距，但却会减小DOF增益。本课题组认为DOF增益减小的原因是经无芯光纤衍射放大的MIF与原本的MIF不同，如图7(a)上方的小图所示。因此，在图9中，GIF2被插在LCF与NCF之间，与无芯光纤共同实现对MIF成像的放大。图9中的P1和P2是关于自聚焦透镜GIF2的物像共轭面，GIF2 将LCF末端的 MIF 成像放大至 GIF3 的入瞳处，无芯光纤的长度使成像放大后的 MIF 刚好充满 GIF3 的入瞳(80%的GIF3芯层区域覆盖80%的MIF功率)。MIF经GIF2成像放大到GIF3的前端面处(GIF3的前焦面也在此附近)，放大后的MIF作为最终的空间滤波器可以实现工作距和DOF增益的进一步提升。

图 9. 基于模式干涉场成像放大的探头的原理图^[20]

Fig. 9. Schematic of probe with a mode interference field expanded by imaging^[20]

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为了说明对MIF进行成像放大的必要性，这里提出6种典型的局部优化设计，其中探头Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对MIF进行成像放大(L_GIF2＝390 μm)，而探头Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ对MIF进行衍射放大(L_GIF2＝0)。为了使MIF被充分放大以充满GIF3的入瞳，L_NCF被统一设置成300 μm。由于L_NCF较长，探头Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的工作原理实际上更接近图3(c)中光束的中继而非图3(b)中的空间滤波器模式；探头Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的工作原理是图3(d)中光束中继下的空间滤波模式。为了获得约5 μm的横向分辨率，L_GIF3被统一设置成160 μm。为了比较模式的幅值对探头性能的影响，探头Ⅰ和Ⅳ的L_GIF1＝285 μm(即L_p，GIF1/4)，以代表主要含有LP₀₁模而几乎没有模式干涉的情形；探头Ⅱ、Ⅴ和Ⅲ、Ⅵ的L_GIF1分别设置为0[此时a_2，LCFΨ_2，LCF(0)≈2a_1，LCFΨ_1，LCF(0)]和485 μm[此时a_2，LCFΨ_2，LCF(0)≈a_1，LCFΨ_1，LCF(0)]，以代表同时含有LP₀₁和LP₀₂模且有明显模式干涉的情形。探头Ⅲ、Ⅵ的L_LCF针对DOF增益和轴向光强均匀性进行了全局优化，优化结果分别为1250 μm和1115 μm。探头Ⅱ、Ⅴ的L_LCF初值设定为使其LCF末端的模间相位差分别与探头Ⅲ、Ⅵ LCF末端的模间相位差相差π的奇数倍，并在此基础上针对DOF增益进行了局部优化，优化结果分别为890 μm和1310 μm。由于探头Ⅰ、Ⅳ的L_LCF对出射光束的影响不大，这里姑且将其L_LCF初值设定为使其LCF末端的模间相位差分别与探头Ⅲ、Ⅵ LCF末端的模间相位差相差π的偶数倍，并在此基础上针对DOF增益进行了局部优化，优化结果分别为820 μm和1315 μm。上述探头的出射光束的二维光强分布见图10，其中具有最大DOF增益的探头Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ的出射光束参数见表3。

图 10. 两种模式干涉场放大方式下探头出射光束的光强分布^[20]

Fig. 10. Light intensity distributions of output beams from probes with mode interference fields expanded by two different ways^[20]

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与3.2节基于光纤型空间滤波器的探头相比，基于衍射放大的探头Ⅵ将NCF从原来的150 μm增加到300 μm，使其工作距从原来的0.11 mm增加到0.14 mm。然而，单纯增加无芯光纤的长度导致其DOF拓展倍数下降至1.6。考虑到制作误差，探头Ⅵ的实际DOF拓展倍数可能更低，因此，本课题组认为通过牺牲DOF拓展倍数来换取工作距是难以接受的。通过优化GIF1和LCF的长度能在一定程度上增大DOF的拓展倍数。例如，对于同样采取衍射放大的探头Ⅴ来说，其优化后的工作距和DOF拓展倍数分别提升至0.15 mm和1.9。但如图10所示，其出射光束的轴上光强表现出明显的不均匀性。因此，衍射放大方式无法实现工作距、DOF拓展倍数和轴向光强均匀性三方面的全面优化。而本节提出的采取成像放大的探头Ⅲ因同时具有4.2 μm的高横向分辨率、0.20 mm的工作距、2.3的DOF增益以及均匀的轴向光强，解决了上述问题。为了制作探头Ⅲ，将各段光纤切割后熔接至探头的末端。作为对照，本课题组制作了具有同等横向分辨率的传统探头，它们的显微照片分别如图11(a)、(b)所示。由于各段光纤具有与标准SMF一致的外径，因此探头具有机械稳定性高、应用场景灵活的优点。为了对比说明所提出的探头在OCT成像上的优势，将上述两个制作好的探头接入扫频OCT系统(中心波长为1.3 μm，12 dB带宽为100 nm)中，并用它们对新鲜柠檬进行成像。成像结果如图11所示，可以看出，得益于更大的工作距，探头Ⅲ与传统探头相比具有更大的横向视场。若以目测清晰的成像区域作为轴向视场，相比之下，探头Ⅲ具有约两倍的轴向视场增益。由于柠檬果肉具有比空气更大的折射率，样本中探头的实际工作距和DOF相较于空气中的指标(表3)均有所提升。

图 11. 所制作的探头的显微图以及柠檬果肉的OCT成像效果图^[20]，其中黄色箭头表示探头端面，浅蓝色框线表示轴向视场。(a)基于成像放大的含滤波器的探头；(b)不含滤波器的传统探头

Fig. 11. Microscopy images of fabricated probes and OCT imaging of fresh lemon under the probes^[20], where the yellow arrows indicate the end facets of the probes and the light blue dotted boxes represent the axial field of views. (a) Probe with a filter based on imaging expansion; (b) traditional probe without filter

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3.4　双模干涉与多模干涉

通过引入更多的模式以及更高阶的模式有望获得更大的DOF增益；但是模式数量的增加，一方面意味着需要使用纤芯更粗和数值孔径更大的LCF，从而导致模间色散迅速增大，另一方面使MIF及其调控变得更加复杂，从而增大了探头优化的难度。本节主要解决在可接受的模间色散(小于OCT系统轴向分辨率的一半)前提下多模干涉探头的优化设计问题。

典型的双模干涉探头结构如图12(a)所示，其中LCF允许传输两个模式，并且一般设置为LP₀₁的功率约等于LP₀₂的两倍，以获得最明显的模式干涉。为了增加探头的模式数量，容易想得到的方法是使用纤芯更粗和数值孔径更大的LCF[如图12(b)所示]，如FG050LGA。该LCF具有50 μm的芯层直径和0.22的数值孔径，允许超过9个LP_0n模式在其内传输。由于图12(b)中LCF1的芯层直径与GIF3的芯层直径差不多大，因此相比图12(a)去掉了包括GIF2和NCF的光束放大装置。但由于图12(b)中的GIF1只能用于减小光束发散角而无法增大光束发散角，因此调节GIF1的长度仅能改变光功率在n≤3的更低阶LP_0n模式中的分布，而无法获得由更高阶模式产生的MIF。因此在图12(c)中，SMF的输出光束经NCF1放大后被 GIF1聚焦至更小的尺寸，实现将能量耦合至更高阶模式中。其中GIF1的长度被设置为光束刚好聚焦在GIF1和LCF1的界面处，而聚焦光束的发散角随着NCF1长度的增加而增加。

图 12. 具有不同模式数量和模式功率分布的探头设计。(a)双模干涉探头；(b)更低阶多模干涉探头；(c)更高阶多模干涉探头

Fig. 12. Probe designs with different mode numbers and mode power distributions. (a) Probe with dual-mode interference；(b) probe with lower-order-multimode interference; (c) probe with higher-order-multimode interference

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与3.3节仅对双模干涉探头的L_LCF进行全局优化不同，为了确保搜索到最优的探头参数组合，这里分别对更低阶多模干涉探头[如图12(b)所示]中的三个独立参数L_GIF1、L_LCF1和L_GIF3以及更高阶多模干涉探头[如图12(c)所示]中的三个独立参数L_NCF1、L_LCF1和L_GIF3进行全局优化。基于特征模展开的快速方法被用于探头的仿真，而预先设定的束缚条件和优化函数被用于探头参数的排除和筛选，详见2.4节。对于更低阶多模干涉探头，其最优化参数为：L_GIF1＝60 μm，L_LCF1＝780 μm，L_GIF3＝61 μm；对于更高阶多模干涉探头，其最优化参数为：L_NCF1＝215 μm，L_GIF4＝362 μm，L_LCF1＝470 μm，L_GIF3＝498 μm。表4列出了它们的出射光束参数。与更低阶多模干涉探头相比，更高阶多模干涉探头具有更长的工作距、更大的DOF增益及更小的旁瓣强度，但其模间色散更大。图13(a)展示了更高阶多模干涉探头的出射光强分布，相较于具有相同MBD的高斯光束，更高阶多模干涉探头在0～500 μm的轴向范围内具有更均匀的轴向光强分布[如图13(b)所示]，在0～300 μm的轴向范围内保持了优于6.5 μm的横向分辨率[如图13(c)、(d)所示]，并且具有相对较小的旁瓣强度[如图13(e)所示]。

图 13. 更高阶多模干涉探头的出射光束与具有相同MBD的高斯光束的光强分布及参数对比^[21]。(a)更高阶多模干涉探头出射光束的光强分布；(b)轴上光强曲线；(c)(d)轴向位置-横向分辨率曲线及虚线框区域的放大图；(e)工作距位置处的横向光强曲线

Fig. 13. Light intensity distribution and parameters comparisons between output beam from the probe with higher-order-multimode interference and Gaussian beam with a same MBD. (a) Light intensity distribution of output beam from the probe with higher-order-multimode interference; (b) axial light intensity curve; (c)(d) curve between axial positions 　and lateral resolution and zoom in view of the boxed area; (e) lateral intensity curves at the working distance

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4　讨论与结论

本文系统研究了LCF探头的优化设计。与二元相位滤波器通过调节各环带相位实现光束调控^[9]相似，LCF能通过独立调节各模式相位实现光束调控。此外，通过设计LCF的模式激发装置，还能实现模式幅值的调控。随着LCF中主要模式阶数的增加，高阶模式由于更接近Bessel光束而更容易获得较大的DOF增益，但同时出射光束的旁瓣强度也越大。而如何同时实现较大的DOF增益、较小的旁瓣强度和较高的光传输效率是设计模式激发装置的中心问题之一。作为一种光纤型滤波器，基于LCF的探头兼容常规光纤处理工艺，因此具有制作成本低、容易批量生产的特点。LCF与光纤相位板^[15，29]相同，都通过调节长度来调控相位，但LCF的折射率对比度远小于光纤相位板的折射率对比度，因此基于LCF的探头对光纤长度相对不敏感。仿真结果显示LCF探头一般具有－28～＋20 μm的制造误差，不仅进一步减小了制作难度，而且探头的制作优良率也会有所提升。与现有多模光纤探头技术^[16]相比，本文所提出的LCF探头尺寸更小(外径仅为0.125 mm，是前者的1/4)，而且其通过精细调控模间相位差，对由干涉相消引起的潜在轴向光强不均匀进行了改善。另外，由于LCF的芯层直径相对较小(25～50 μm)，光束传播的衍射效应明显，因此基于几何光学以及菲涅耳衍射积分公式的仿真和设计方法不能准确计算和优化LCF探头的出射光场。设计LCF探头的另一挑战前文已提及，就是需要预先给定一组探头参数，然后基于此进行光传播仿真，才能确认出射光束的性能。因此，这种正向优化过程需要尝试所有可能的参数组合才能获得探头的最优参数。为此，本课题组提出了基于特征模展开的快速仿真方法，并提出了实用的束缚条件和优化函数，实现了探头参数的全局优化。只要LCF允许的模式数量足够多，理论上可以获得任意复杂的出射光场，并可以实现所需的工作距、横向分辨率和轴向视场。但随着LCF模式数量或者主要模式阶数的增加，其模间色散将随着LCF长度的增加而迅速增加，并轻易超出OCT的轴向分辨率，导致模式相位差的调节范围受限。因此，在可以接受的模间色散下，LCF探头存在一个DOF增益上限。

在LCF的模式激发装置方面，本文首先研究了基于拉锥光纤的光束可控探头。其中LCF通过拉锥工艺以及与SMF熔接得到，并且通过控制拉锥段的长度实现LCF内模式幅值的调控。在后来的光纤型空间滤波器设计中，改用具有与SMF外径相同的折射率渐变光纤实现SMF与LCF之间的光束耦合。由于后者具有均匀的探头外径，其机械强度显著提升。与拉锥光纤类似，渐变折射率光纤对双模干涉探头中LP₀₂模与LP₀₁模幅值比的调控范围为0.2～1.3。对于多模干涉探头，由于渐变折射率光纤只能减小光束的发散角，单纯依靠渐变折射率光纤无法激发LCF的更高阶模式。为了激发LCF的更高阶模式，在渐变折射率光纤之前增加了一段无芯光纤，并且先让SMF的出射光束在无芯光纤中充分放大后再由渐变折射率光纤聚焦成束腰直径更小、发散角更大的光束，最终在LCF中激发出包括LP₀₂～LP₀₅模的主要模式。

表5总结了LCF探头的不同设计所能达到的最优性能，其中表1中的探头Ⅰ和表3中的探头Ⅴ分别由于横向分辨率不高以及出射光束光强轴向分布不均匀而未列出。在LCF的工作模式方面，本文首先研究了出射光束可控的无透镜探头。其中LCF被用于直接控制探头的出射光束。为了进一步提高探头的DOF增益，LCF被用于控制探头物镜入瞳处的光场，从而间接实现了探头出射光束的控制，并将DOF增益从原来的0.64增加到1.8。由于LCF末端在探头物镜的前焦面附近，因此这种工作模式被认为是空间滤波模式。

LCF末端的模式干涉场需要放大，以获得更长的工作距。通过研究两种模式干涉场的放大方式，包括传统的衍射放大和成像放大，本课题组发现基于成像放大的探头具有更长的工作距(增加至0.20 mm)和更大的DOF增益(增加至2.3)。至于衍射放大的探头，由于LCF末端的模式干涉场既不在探头物镜的前焦面附近，又不是关于前焦面的光学成像共轭面，其工作模式更接近上述无透镜探头基础上的光束中继。虽然其工作距从原来的0.11 mm增加到0.14 mm，但其DOF增益却从1.8下降到1.6。因此，与无透镜模式相比，空间滤波模式更有利于获得较大的DOF增益。

由于增加模式数量更有利于获得较大的DOF增益，在最后的探头优化中，本课题组不再局限于双模干涉。仿真结果表明，无论是更低阶多模干涉探头，还是更高阶多模干涉探头，它们都在DOF增益方面相较于双模干涉探头表现出了显著提升(前者的DOF增益为3.4，后者的DOF增益为3.8)，但更高阶多模干涉探头具有更低的旁瓣强度，为主瓣强度的26%。因此，LCF探头的最优设计为更高阶多模干涉探头，其外径为0.125 mm，硬端长度为1.5 mm。在1.3 μm的中心波长下，该探头的横向分辨率为4.0 μm，工作距为0.19 mm，轴向视场为0.38 mm，旁瓣为26%，且具有均匀的轴向光强。

基于LCF的探头技术由于具有光束调控灵活和制造难度较小的优点，在优化微型OCT探头的出射光场和提高成像质量方面具有巨大潜力；但由于LCF与自聚焦光纤、无芯光纤之间存在复杂的排列组合，因此LCF的优化设计存在一定难度。本文系统阐述了LCF探头的优化方法。通过比较不同探头设计的横向分辨率、工作距和DOF增益这三个主要性能指标，本课题组认为空间滤波器的工作模式、对光束进行中继以及更多的模式更有利于提高探头的性能。除了OCT成像外，本文所涉及的优化方法还可以用于激光扫描成像系统、光声成像系统出射光束的优化。本课题组的一些工作对于激光器-光纤耦合器、光镊等非成像领域亦具有潜在的技术启示。