В настоящее время разработано много различных типов волоконных световодов (ВС), предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Наиболее широкое применение, в том числе и в биотехнологии, имеют диэлектрические ВС, схематически представленные на рис. 4-1. Свет по ВС распространяется за счёт явления полного внутреннего отражения на границе двух диэлектриков: сердцевины ВС, имеющей диаметр 2а и показатель преломления nc, и оболочки, имеющей диаметр 2b и показатель преломления no (nc gt; no).
Рис. 4-1. Схема оптического диэлектрического волокна.
Свет в ВС распространяется в виде меридиональных (пересекающих ось световода) и косых лучей. Косые лучи наиболее часто присутствуют в многомодовых ВС со ступенчатым и параболическим распределениями показателя преломления по сечению сердцевины. По ВС распространяются лишь те меридиональные лучи, угол падения которых на торец не превышает некоторого критического угла Q. То есть все лучи, которые попадают в конус, образующая которого составляет угол Q с осью ВС, возбуждают световод. Угол Q называют угловой апертурой или приемным углом ВС. Обычно для характеристики ВС используют параметр, называемый числовой апертурой NA:
NA = nesin(Q) = ylnC - п20 , (4-1)
где: ne - показатель преломления вещества, в котором находится торец световода.
В отличие от меридиональных косые лучи идут по ломанным винтовым линиям. Имея больший критический угол, косые лучи несколько увеличивают коэффициент пропускания ВС и его числовую апертуру. Путём повторяющихся многократных отражений свет по ВС может распространяться на большие расстояния, поскольку при полном внутреннем отражении потери чрезвычайно малы. Однако на определённых длинах ВС свет всё-таки затухает как за счёт очень большого числа отражений, так и поглощения и рассеяния света в материале сердцевины. Существуют световоды, где показатель
преломления сердцевины nc не постоянен и изменяется по радиусу
волокна - это градиентные световоды. В градиентном световоде параболический профиль показателя преломления способствует фокусировке отдельных лучей при их распространении по ВС. Траектории лучей представляют собой синусоиды (меридиональные лучи) или винтовые линии (косые лучи). Период фокусировки градиентных ВС соответствует нескольким диаметрам сердцевины. Для типичного ВС
период фокусировки близок к около 10 А. Для двухслойного ступенчатого диэлектрического волновода цилиндрического сечения число возбуждаемых в ВС мод (лучей) M при фиксированной длине волны X можно оценить как:
числовая апертура ВС, находящегося в воздухе
, не должна
быть больше 0,2 (обычно она составляет 0,1 lt;0,2), что соответствует угловым апертурам
.
Для широкоапертурных медицинских ВС Q может быть
существенно выше
При 2а =50 мкм, NA =0,2 и X =632,8 нм
число одновременно возбуждаемых мод M =1250. В зависимости от условий ввода излучения и качества самого ВС не всегда удаётся возбудить все моды. Существует так называемая стационарная длина волоконного световода Ls, на которой происходит эффективное возбуждение всех мод ВС. Для световодов с дефектами Ls оказывается
всего несколько сантиметров, а для ВС высокого качества она достигает нескольких километров. Во многих случаях для эффективного возбуждения большого количества мод на малой длине и обеспечения независимости распределения интенсивности на выходе ВС от условий ввода излучения используют разнообразные смесители мод (создают изгибы, микроизгибы, скрутки и пр.). Стационарная длина Ls зависит от
профиля световода. Так, при возбуждении ВС от диффузного (ламбертова) источника света для ВС со ступенчатым профилем
для ВС с параболическим профилем
(4-4)В случае многомодового с ВС V =30
получаем Ls =300 м. При V lt;10 область неустановившегося режима занимает всего лишь несколько сантиметров. Режим одной моды при NA =0,1 и Я=632,8нм имеет место при 2аlt;4,8 мкм. В одномодовых световодах, несмотря на малый диаметр сердцевины, оболочка имеет примерно такой же диаметр, что и у многомодовых ВС, что даёт сравнительно высокую их механическую прочность и малые потери.
Одномодовые ВС на самом деле являются двухмодовыми, поскольку поле возбуждаемой в ВС низшей поперечной моды имеет два компонента с ортогональными поляризациями. Даже для световода с круглым сечением сердцевины разность показателей преломления для волн ортогональных поляризаций равна 10-9 (для прямого ВС) и 5-10"9 (для изогнутого ВС, r =30 см). Двулучепреломление характеризуется обычно так называемой длиной поляризационных биений Lp, на которой сдвиг фаз световых волн с
ортогональными поляризациями меняется на 2п. Для круглого ВС
Прошедший ВС монохроматический свет может иметь любую поляризацию (линейную, круговую, эллиптическую) в зависимости от состояния исходной поляризации, длины ВС, степени его изогнутости или скрученности. Распространение немонохроматического света по ВС приводит к его деполяризации. Заметного двулучепреломления можно добиться изменением формы сердцевины, скруткой световода, созданием механических напряжений. Существует много типов изготовляемых промышленностью ВС с сохранением поляризации. Одним из наиболее распространенных является ВС типа РАКОА. Характерной его особенностью является наличие круглых вставок из боросиликатного стекла внутри оболочки, которые создают механические напряжения, приводящие к двулучепреломлению. Для ВС с сохранением поляризации длина поляризационных биений небольшая
что
способствует нарушению синхронизма при взаимном рассеянии волн ортогональных поляризаций на неоднородностях и, следовательно, сохранению определенной поляризации.
Волокна, сохраняющие поляризацию, должны иметь Для ВС хорошего качества степень перекачки мощности из волны одной поляризации в другую составляет около 1% на отрезке длиной в 1 км.
Многомодовые ВС, в отличие от одномодовых, деполяризуют излучение, т.е. в целом излучение на выходном торце ВС не поляризовано. Однако в пределах отдельного спекла, образованного за счёт интерференции отдельных волноводных мод, выходное излучение оказывается поляризованным. Характер поляризации от спекла к спеклу меняется случайным образом, и в целом излучение получается неполяризованным.
Кроме рассмотренных выше, на практике используют безоболочечные ВС и волоконные жгуты.
Безоболочечные ВС обычно изготавливают из материалов, прозрачных в средней ИК области, для которых нет подходящего материала для изготовления оболочки. Любые загрязнения или шероховатости на поверхности таких ВС приводят к дополнительному затуханию света в них.
Волоконные жгуты достаточно часто используются в биотехнологии, в частности, для интроскопии, эндоскопии и лапароскопии. Жгуты изготавливаются с регулярной (для передачи изображения) и нерегулярной укладкой волокон. Материалом для волокон служат многокомпонентные стекла. Между волокнами имеются прослойки с более низким показателем преломления (1,43^1,52). Разработаны пучки волокон с диаметром световедущих жил 2 мкм и менее. Современные гибкие жгуты с регулярной укладкой имеют общий диаметр 0,3^3 мм (число волокон достигает 150000), значительную числовую апертуру (0,5^1) и используются в основном для передачи изображений из труднодоступных мест. Пропускание жгутов не очень велико и обычно составляет (30^70%) на один метр длины, разрешающая способность жгутов составляет 10^50 линий на 1 мм.
За исключением некоторых специальных случаев (при передаче среднего ИК излучения, использовании в датчиках) все типы ВС надёжно защищаются разнообразными покрытиями из полимерных материалов (полиамид, фторопласт и др.). Покрытия обеспечивают высокую прочность ВС на разрыв и изгиб, устойчивость к воздействию агрессивных сред и высоких температур. Защитно-упрочняющие покрытия наносятся в процессе изготовления световода.
Существуют различные способы изготовления ВС. При получении ВС со сверхнизкими потерями на основе кварцевых стекол используют технологию непрерывного вытягивания ВС из предварительно сделанной заготовки из сверхчистых материалов. Наиболее часто такую заготовку получают методом химического осаждения кварца с легирующими добавками из газовой фазы. Для кристаллических ВС, работающих в среднем ИК диапазоне длин волн, освоены методы вытягивания из расплава нитевидных монокристаллов, методы пластической деформации (экструзии), прокатки и волочения поликристаллических световодов. Разработана технология получения широкоапертурных ВС типа кварц-полимер, когда при вытяжке сердцевины из кварца на неё непрерывно наносится сначала полимерное отражающее покрытие, а затем защитное. Выпускается также дешёвые и прочные пластмассовые полимерные широкоапертурные ВС, например, на основе полистерола (сердцевина) и плексигласа (оболочка).
Типичным материалом сердцевины световода является кварц. Типичные размеры сердцевины для кварцевых одномодовых ВС составляют 3^10 мкм, для многомодовых 50^1000 мкм.
При доставке излучения к биообъекту и обратно важной характеристикой ВС является пропускание в заданном диапазоне длин волн, которое зависит от ряда причин. Во-первых, от возможности эффективного ввода лазерного излучения в ВС (для данной длины волны зависит от числовой апертуры ВС, диаметра его сердцевины, расходимости и степени пространственной когерентности источника излучения). Во-вторых, от прозрачности самого ВС, которая определяется собственным поглощением материала световода (электронным и колебательным, поглощением примесей, для кварцевых световодов - ионы металлов переходной группы и гидроксильные группы), рассеянием на различных неоднородностях, технологическими разбросами параметров ВС, потерями на изгибах, скрутках, потерями за счёт проникающей радиации, деградации ВС в процессе эксплуатации (микротрещины, скрытые разрывы, разрушение и загрязнение торцов), различными нелинейными явлениями. В современных биотехнологиях благодаря использованию сравнительно коротких отрезков ВС их прозрачность в ближней УФ, видимой и ближней ИК областях спектра оказывается вполне достаточной, и на первый план выдвигаются потери эксплуатационные, возникающие за счёт неэффективности ввода излучения, наличия изгибов, скрытых микротрещин и разрывов.
Для количественной оценки потерь обычно используется принятое в технике связи так называемое удельное затухание а (или коэффициент затухания; размерность [дБ/км] или [дБ/м], рассчитываемое по следующей формуле:
10 P
а = (4-5)
L Рвх.
где Реых - мощность на выходе ВС, Рвх - мощность на входе в ВС, L - длина ВС.
Предельные характеристики пропускания в ближней ИК области спектра получены для кварцевых одномодовых ВС при X=1,3 мкм и 1,55 мкм, на которых потери равны соответственно 0,291 и 0,154 дБ/км. В кварцевых волокнах пики затухания расположены на X =0,95 мкм, 1,27 мкм и 1,37 мкм и обусловлены обертонными линиями поглощения гидроксильных групп. Рост поглощения в области коротких длин волн обусловлен электронным поглощением и рассеянием, а поглощение в ИК области при Xgt;1,6 мкм - колебательным поглощением решётки и "крылом" основного пика поглощения гидроксильных групп.
Минимальные потери полимерных ВС в видимой области находятся на уровне 0,1^0,2 дБ/м.
Как уже отмечалось, важным источником потерь в ВС являются изгибы, возникающие как за счёт локальных механических воздействий на
ВС, так и за счёт поворота световода на большие углы (90^180°). С другой стороны, измерение потерь (обусловленных свойствами окружающей изогнутый световод среды) является основой для датчиков давления, температуры, показателя преломления, широко используемых в современных биотехнологиях.
В волоконных световодах в зависимости от радиуса изгиба свет может частично покидать сердцевину при невыполнении условий полного внутреннего отражения, а в тех случаях, когда разница показателя преломления оболочки и окружающей среды невелика, а изгиб достаточно высок, покидать световод полностью. Обычно вводят два характерных радиуса изгиба r1C и r2C. Первый соответствует полному выходу излучения из сердцевины в оболочку, а второй - отсутствию такого выхода, т.е., изменяя радиус изгиба ВС от r2C до r1C, можно плавно регулировать
интенсивность света в сердцевине. Для ступенчатого ВС значения критических радиусов изгиба можно оценить как
где 8 - расстояние, на котором значение n изменяется от nc до п0.
2an„
r2C = '
В области r gt; r1C для ступенчатого ВС интенсивность света в сердцевине I определяется следующим выражением:
I г*
(4-8)
где I 0 - интенсивность света на входе в ВС.
Например, для nc=1,466, n0 =1,458, 2a =50 мкм и 8=5 мкм получаем r1C ~0,9 мм, r2C ~9,1 мм.
Критический радиус r1C изменяется от единиц миллиметров для многомодовых ВС до нескольких сантиметров для одномодовых. Следует отметить, что эти значения обычно лежат ниже критических радиусов изгибов, приводящих к повреждениям ВС, поэтому крутые изгибы делают по специальной технологии, например, путём лазерного локального нагрева ВС с предварительно снятым покрытием. Для изогнутых ВС числовая апертура уменьшается в соответствии с
NA = J- nc2(1 + r)2. (4-9)
Распространение светового импульса (или модулированного излучения) по световоду приводит к уширению и деформации импульса (или сужению полосы частот модуляции прошедшего света), что ухудшает информационно-пропускную способность ВС, которая определяется дисперсионными свойствами световода (дисперсией материала,
волноводной и межмодовой дисперсией). В ряде случаев нелинейные
явления уменьшают пропускание ВС, что связано с расходованием части энергии на поддержание нелинейных процессов. С другой стороны, нелинейные эффекты лежат в основе работы волоконных лазеров и компрессоров импульсов. Показатель преломления сердцевины может быть представлен в виде двух компонентов - линейного ncL и нелинейного
ncN ¦
Пс = ncL + ncN = ncL + 1 ¦ NcN ,
где I - интенсивность света.
Для кварца NcN =5х10-16 см2/Вт, что является незначительной величиной, но благодаря малому диаметру сердцевины одномодовых ВС и значительной их прозрачности можно на достаточно больших длинах иметь высокую плотность мощности (до 10 Вт/см ) и "накопить нелинейность" в процессе распространения лазерного излучения. В волоконных световодах наблюдаются разнообразные нелинейные явления, в том числе явление вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), которое имеет место при мощности лазера в несколько сотен милливатт и лежит в основе так называемых волоконных ВКР-лазеров, работающих в ближней ИК области спектра. Для достаточно узкополосных лазеров (Аи~1 МГц) доминирующим нелинейным процессом оказывается
вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), оно и определяет предельные значения выходной мощности при распространении света по длинным ВС (до нескольких километров).
В медицине используется лазерное излучение различных длин волн, от глубокого УФ до далёкого ИК. К волоконным световодам используемым в биотехнологиях предъявляют ряд требований, а именно: нетоксичность, возможность стерилизации дистального конца, достаточная гибкость, высокой прозрачность на сравнительно коротких (1^10 м) длинах, малая степень лучевой деградации.
Кварцевые ВС имеют высокую прозрачность в ближней ИК области спектра и являются идеальными световодами для передачи излучения YAG: Nd лазера. Затухание излучения с X=1,064 мкм для ВС из кварцевого стекла КУ-1 оказывается меньше 6 дБ/км, что позволяет в течение нескольких часов пропускать через ВС диаметром 400 мкм излучение средней мощностью до 40 Вт без каких-либо ухудшений его оптических свойств.
В настоящее время достаточно активно разрабатываются волоконные световоды, прозрачные в средней ИК области спектра до 22 мкм, способные передавать мощное излучение СО и СО2 лазеров, а также получать ИК изображения и контролировать температуру труднодоступных органов, осуществлять ИК спектроскопию веществ внутри тела человека. ИК световоды изготавливают из галогенидных кристаллов, халькогенидных стёкол и стёкол на основе фторидов тяжелых металлов.
Волоконные световоды на основе халькогенидных стекол (ХВС), прозрачные вплоть до 12^20 мкм, имеют потери менее 1 дБ/м в диапазоне длин волн 2^6,5 мкм. Изготавливаются как безоболочечные халькогенидные ВС, так и с полимерным покрытием. В первом случае лучше спектральные характеристики ("окна прозрачности" в диапазонах 7^10 мкм и 10^12 мкм), а во втором - эксплуатационные.
Диаметр сердцевины ХВС составляет обычно 300^ 1000 мкм. Поскольку числовая апертура для ХВС очень большая (близкая к единице), то возбуждение ВС удобнее характеризовать длиной установления стационарного распределения мод Ls и эффективной числовой апертурой
NAeff (по уровню 50% распространяющейся мощности). Для ХВС с фторопластовым покрытием Ls gt;10 м, а NAeff составляет 0,276, что
соответствует углу Q в воздухе, близком к 16°.
Непокрытый ХВС диаметром 1 мм (из стекла системы As-S) в периодическом и импульсном режимах способен передавать излучение СО лазера мощностью до 60 Вт. Разработан кабель с сердцевиной из GeAs-Se, диаметром около 0,6 мм, с покрытием из фторопласта, имеющий потери в диапазоне длин волн 4^6 мкм на уровне 0,5^0,8 дБ/м. С точки зрения медицинских применений главными недостатками ХВС являются токсичность и растворимость в воде. Они перспективны для дистанционного контроля температуры и передачи ИК изображений.
Волоконные световоды на основе фторидов тяжёлых металлов (ФВС) прозрачны лишь на длинах волн до 8 мкм, поэтому не могут быть использованы в хирургии с применением СО2 лазера. Представляют определённые трудности при работе с такими ВС их
неудовлетворительные механические свойства и гигроскопичность, но чрезвычайно высокая прозрачность ФВС на более коротких длинах волн делает их всё-таки перспективными для биотехнологических применений, в том числе и с использованием YAG: Er лазера на Я =2,94 мкм.
Обычно для ФВС применяют фторцирконатные, фторгафнатные и бариево-ториевые стёкла. Разработаны ФВС длиной 7^30 м с оптическими потерями от 0,7 до 0,9 дБ/км на Я =2,5 мкм.
Перспективны ФВС также для спектроскопии веществ в труднодоступных местах организма человека и для создания волоконных лазеров среднего ИК диапазона.
Монокристаллические ВС из сапфира (А12О3) нетоксичны и негигроскопичны, имеют высокую температуру плавления. Методом вытягивания из расплава могут быть изготовлены ВС длиной 7^8 м. Сапфировые ВС, полученные путём вытягивания из нагретой заготовки, имеют потери около 0,9 дБ/м на Я =2,94 мкм. Порог разрушения сапфировых ВС на длине волны YAG: Er лазера превышает 1,2 кДж/см2 при длительности лазерного импульса порядка 100 мкс.
Главным недостатком сапфировых ВС является их жёсткость.
В настоящее время лучшими поликристаллическими световодами, прозрачными в широкой области спектра (2,5-20,0 мкм), являются ВС на основе галогенидов серебра и таллия. Для ВС, изготовленных методом экструзии, получены минимальные потери на Л=Ю,6 мкм на уровне 0,12-0,35 дБ/м.
ВС длиной несколько метров при диаметре 1 мм способен передать непрерывное излучение мощностью 50-100 Вт.
ВС на основе галогенидов таллия токсичны и не очень удобны в эксплуатации (растворимы, хрупки), поэтому вряд ли найдут широкое применение в биотехнологии. С другой стороны, ВС на основе галогенидов серебра (ВСГС) при хороших оптических свойствах не токсичны, не растворяются в воде, достаточно гибки, что делает их весьма перспективными.
Одним из лучших материалов для ВСГС является КРС-13 (25% АgQ и 75% АgВr). Так, прочность на разрыв экструдированных поликристаллических ВС из КРС-13 достигает 150 МПа, а световод диаметром 0,5 мм допускает многократные изгибы радиусом до 7 см. Пропускание же ВС диаметром 0,8 мм не изменяется при изгибах вплоть до радиуса 5 см.
По сравнению с поликристаллическими ВС полые металлические световоды обладают высокой прочностью и лучевой стойкостью, поэтому находят широкое применение в ИК лазерной хирургии. Изготовленные по специальной технологии полые световоды имеют достаточную гибкость и сравнительно малые потери (0,3-2,0 дБ/м). Пропускаемая ими мощность излучения уменьшается не более чем в два раза при изгибе радиусом 5 см и скрутке на 180°.
Отражающими поверхностями таких полых световодов являются две зеркально отполированные полоски алюминиевой или медной фольги, которые вставляются в пазы прокладок специальной конфигурации. Далее вся конструкция помещается в термоусаживаемую трубку и равномерно сжимается ею. Величина пропускания полым световодом излучения СО2 лазера мощностью 30 Вт достигает 70% при его длине 1 м и внутреннем сечении 0,5x8,0 мм. Максимальная плотность мощности на выходе скальпеля, построенного на базе такого полого световода, равна 10 кВт/см2.
Разработаны также пластиковые полые световоды для передачи излучения СО2 лазера. Основой для них служат трубки из тефлона - материала, который обычно используется в медицине. Внутренняя поверхность трубки покрывается тонким (несколько микрометров) слоем металла и поверх него тонким защитным слоем диэлектрика. Световоды имеют гибкость тефлона, хорошо стерилизуются и могут быть многократно использованы для лазерной хирургии и терапии внутренних органов.
Особый интерес для медицины представляет УФ (Лlt;300 нм) диапазон, где работают импульсные эксимерные лазеры. Для передачи мощного импульсно-периодического УФ излучения эксимерных лазеров используют ВС на основе кварцевого стекла, которое с успехом может быть использовано и для передачи ближнего ИК излучения. В УФ диапазоне существенным фактором, ограничивающим применение световодов, является их лучевая стойкость.
Наиболее характерными видами деградации ВС являются: разрушения входного и выходного торцов, а также разрушение боковой поверхности вблизи входного торца или на промежуточных участках.
Выходной торец (или дистальный конец) ВС разрушается в основном из-за загрязнений, поглощающих излучение. При этом происходит скол загрязнённого участка.
Разрушение боковой поверхности вблизи входного торца обусловлено главным образом неоптимальностью ввода излучения, а повреждения на промежуточных участках - оптическими неоднородностями за счёт дефектов при изготовлении или микроизгибов.
Снижение лучевой стойкости ВС к УФ излучению часто связывают с нелинейными процессами. Вид разрушений здесь существенно отличается от вида разрушений при более длинноволновом излучении: наблюдаются узкие трещины длиной несколько миллиметров в боковой поверхности вблизи входного торца.
Кроме рассмотрённых выше причин снижения предельной энергии на выходе ВС существует еще одна - зависимость порога лучевой стойкости от длительности лазерного импульса. При фиксированной длительности импульсов с ростом длины волны лучевая стойкость переднего торца кварцевого ВС довольно значительно увеличивается, однако отношение порога лучевой стойкости материала световода к величине порога абляции биоткани падает.
Линейное пропускание кварцевых световодов в УФ области спектра можно повысить при использовании технологии их вытяжки, дающей значительное содержание гидроксильных групп ОН (ВС на основе так называемого "мокрого" или "сверхмокрого" кварцевого стекла).
Разработанные в настоящее время ВС, предназначенные для передачи высокоинтенсивного УФ и ИК излучения, имеют диаметр сердцевины, равный 300^600 мкм, числовую апертуру - 0,19^0,38, оптические потери на Л=308 нм - 0,17^2,8 дБ/м и на Л=1,06 мкм - 1,7^5,7 дБ/км.
Распространение импульсного УФ излучения по кварцевым световодам имеет одну интересную особенность, которую необходимо учитывать на практике. Например, излучение азотного лазера с Л =337 нм, длительностью 6 нс и мощностью импульса около 15 кВт вызывает люминесценцию центров окраски в материале сердцевины (кварцевое стекло КУВИ) в широкой области видимого спектра. Материальная дисперсия ВС определяет опережающее распространение импульса люминесценции по сравнению с импульсом накачки. Время опережения
переднего фронта импульса люминесценции tv = L An^ определяется
c
длиной световода L, скоростью света c в вакууме и разностью показателей преломления сердцевины An'c на длинах волн основного излучения и
излучения люминесценции. Для X =337 нм и X =500 нм AnC=5x10"2, тогда при L=100 м получаем, что tv=15 нс.
При пропускании УФ излучения ХеС1 лазера с X=308 нм (10 нс, v=100 Гц) через ВС типа кварц-полимер наблюдается красное свечение (670 нм), обусловленное фотоиндуцированными центрами окраски с центром полосы возбуждения на X=260 нм.
В лазерных биотехнологиях (для диагностики, хирургии и терапии) требуются различные формы световых пучков на выходе волоконно-оптического облучателя и скальпеля. Торцы приёмных отрезков ВС также должны быть определённым образом сформированы, чтобы эффективно передавать информационное излучение от объекта в диагностических системах.
Для целей лазерной диагностики и химиотерапии тканей внутренних органов (пищевод, брюшина, желудок, мочевой пузырь, бронхи и пр.) разрабатываются разнообразные волоконно-оптические осветители. В случае использования ВС с полированным или сколотым выходным торцом в биоткани вблизи торца формируется очень сильный вторичный источник света, где значительная часть мощности теряется за счёт бесполезного нагрева ткани. Для того чтобы уменьшить эти потери и получить равномерное распределение энергии в пространстве, используют химическое травление выходного отрезка ВС, дающее диффузно рассеивающую поверхность сердцевины ВС. Травление конца ВС длиной 15 мм с предварительно снятой оболочкой и диаметром сердцевины 400 мкм осуществляется в растворе фторида аммония в плавиковой кислоте в течение нескольких минут. В результате химического процесса на поверхности сердцевины ВС формируется неоднородная структура с пространственным периодом от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров.
Созданы и внедряются в медицинскую практику разнообразные волоконно-оптические облучатели биотканей, имеющие различные индикатрисы излучения и направления лазерного пучка. Подобные облучатели имеют широкий спектр применений в лазерной терапии внутренних органов. Так, шаровой облучатель хорошо зарекомендовал себя в фотодинамической терапии тканей.
При использовании световодов с микролинзами на торце возможно увеличение плотности в зоне разреза ткани, защита торца ВС от контактов с тканью и снижение вероятности разрушения тканей в связи с быстрой расходимостью излучения после фокуса. Высокая расходимость излучения в дальней зоне способствует облучению обширных участков ткани в хирургических или терапевтических целях.
Наряду с линзами используют специальные контактные наконечники из прозрачной в ближней ИК области спектра керамики (например, на основе А12О3). Керамика существенно превосходит кварцевое стекло по температуре плавления, твёрдости и механической прочности.
Разработаны насадки исключительно для коагуляции, испарения, рассечения, гипертермии биотканей.
Для защиты входного и выходного торцов ВС от разрушения мощным лазерным излучением делают специальные оптические расширители на концах ВС, которые плавно меняют диаметр сердцевины, например, от 1 мм на входном торце до 0,4 мм на выходном. Такой расширитель приваривают к стандартным световодам, они действуют по принципу фокона и имеют длину порядка 1 см.
Изготавливают также световоды, у которых диаметр сердцевины плавно, на протяжении нескольких метров, уменьшается от входного до дистального конца. Преимущество таких ВС состоит в высокой концентрации энергии на дистальном конце и отсутствии соединений, на которых частично теряется мощность лазерного излучения.