光学相干层析(optical coherence tomography,OCT)是一种无损伤、能获得活体组织和器官的三维结构和/或功能信息的成像手段。与内窥技术结合,OCT能获得人体内部组织和器官的高分辨率断层图像,对生物医学研究有重要意义。OCT探头是内窥OCT系统的核心,但探头的主要光学性能如:横向分辨率、焦深、工作距互相矛盾,在微型探头中尤其突出。本文研究和利用光波在阶跃折射率光纤中的模式干涉,研制适用于OCT的光束优化的光纤探头。本文尝试研究可用于临床应用的小型化、易弯曲、传输效率高、成像质量好的光纤探头,并初步探索其成像应用。此外,本文还研究超声-OCT联合探头,通过探索两种成像模式结合以突破光学成像系统的穿透深度的限制。主要研究内容和创新成果如下:1.研制高传输效率的无透镜光纤探头。在现有的“基于拉锥结构的全光纤OCT探头”的基础上,首次利用大纤芯光纤的基模和高阶模实现无透镜探头的光束调控。推导拉锥段的临界拉锥角,以获得较短的硬端长度同时保持高传输效率。研究拉锥角一定时,拉锥段的长度对大纤芯光纤中模式的调控能力。研究存在两个光纤模式时,拉锥段和大纤芯光纤的长度对输出光束的调控。验证多模光纤探头在OCT成像应用中的可行性:(1)研究存在明显高阶模式时,多模传输对OCT成像的影响;(2)研究宽带光照明下,多模光纤探头的收集效率对波长的依赖性。制造侧向无透镜光纤探头,研究探头对活体生物样本和管状样本的OCT成像应用。所制作的探头的外径为0.34mm,在0.6mm的成像范围内实现了优于30 μm的横向分辨率,显示出与台式系统相媲美的成像质量。2.研制基于光纤型光瞳滤波器的焦深拓展的光纤探头。提出利用大纤芯光纤的双模干涉,在光纤透镜的入瞳处形成环形照明的焦深拓展方法。研究几种典型参数下,光纤型光瞳滤波器的焦深拓展效果。调查不同滤波器下,探头的收集效率和旁瓣水平。研究滤波器参数对探头内部端面的反射的调控。针对具有最大焦深拓展的参数组合,研究探头中各光纤的长度切割误差对光学性能的影响,确定探头的制作允差,验证该焦深拓展技术在易于制造方面的优势。研制光纤的精确切割装置,制造光纤探头并且实验验证探头的横向分辨率和焦深拓展倍数。仿真结果显示探头的最小光束直径为4.6 μm,工作距为130μm,焦深为195 μm,旁瓣水平低于3%,实现了 2.6倍的焦深拓展和约90%的光传输效率。探头中光纤的长度允差为-28/+20 μm。所制作的探头的外径为0.125 mm,实现了优于4.9 μm的最优横向分辨率和不小于186μm的焦深。3.研制具有优化的焦深、工作距和轴向光强均匀性的探头。在“光纤探头的焦深拓展技术”的基础上,进一步研究和比较多模干涉场的两种放大方式:衍射放大和成像放大,从而获得更长的工作距。针对现有多模光纤探头技术中存在的轴向光强不均匀的问题,提出调控模间相位差是关键。提出基于特征模展开的、适用于多模光纤探头的快速仿真方法,并对探头参数进行穷举优化。选择最优的探头设计进行制作,研究探头对活体生物组织的三维成像应用。所制作的探头的外径为0.125 mm,实现了优于4.4 μm的最优横向分辨率、211μm的焦深和174 μm的工作距。与具有相同横向分辨率的传统光纤探头相比,所提出的探头实现了 2倍的焦深拓展、1.7倍的工作距延长以及仅1.4dB的峰值灵敏度下降。所提出的快速仿真方法的单次仿真时间约0.6秒,与光束传播法相比实现了 1～2个数量级的速度提升同时具有满意的计算精度。4.研制超声-OCT联合成像系统的OCT部分,以及联合探头。在实验室现有的研究基础上,进行光纤扫频OCT系统的紧凑化,制作适合超声-OCT联合探头的近端扫描驱动装置。制作超声-OCT联合探头,并对人造样本进行验证性成像。联合探头的外径为3.5 mm,硬端长度约19mm。其中光学组件的外径约1 mm,实现了10μm的最优横向分辨率以及在1mm深度范围内实现了优于30 μm的横向分辨率。所设计的近端扫描驱动装置的最高转速为25 rps。