梯度折射率(Gradient-index,GRIN)光纤探头是一种全光纤型超小光学镜头, 在心血管等狭小空间组织内窥影像检测中具有广阔的应用前景。但其发展一直缺少系统的理论体系。本文讨论探头设计、制作和性能测试等方面的关键问题。基于GRIN光纤探头聚焦性能的特征参数, 对解析设计方法与数值仿真设计方法进行比较分析。针对超小GRIN光纤探头的制作难题, 研究一种光纤熔接和切割的高精度一体化集成装置, 描述GRIN光纤探头的制作方法。此外, 分析了超小GRIN光纤探头聚焦性能检测的方法及装置。本文为超小GRIN光纤探头的设计、制作及性能测试提供了一个方法体系。

提出了基于曲线拟合的光纤透镜聚焦常数的测试方法，用于超小自聚焦光纤探头研制过程中聚焦常数的直接测试。基于自聚焦光纤透镜模型及其折射率分布特征，研究了测量自聚焦光纤透镜聚焦常数的二次多项式拟合和线性化拟合算法。论述了聚焦常数对超小自聚焦光纤探针传光性能的影响。利用光纤端面折射率测试仪测试自聚焦光纤的折射率分布轮廓曲线，根据二次多项式拟合和线性化拟合算法分别求得聚焦常数和中心折射率。实验结果显示，利用二次多项式拟合算法和线性拟合算法求出的聚焦常数分别为5.587 mm-1和5.513 mm-1，与厂家的标称值5.5 mm-1基本吻合，表明曲线拟合算法适用于对自聚焦光纤透镜聚焦常数的测量与分析。

解析梯度折射率(GRIN)光纤探针的光学特征参数，用于光学相干层析技术(OCT)探头超小型化的研究。在概述由单模光纤、无芯光纤和GRIN光纤镜头构成的GRIN光纤探针模型的基础上，定义GRIN光纤探针的工作距离和聚焦光斑尺寸等光学特征参数，并用高斯光束复参数矩阵变换的方法推导探针光学特征参数的数学表达式，提出了探针光学特征参数的验证方法。结果显示，当无芯光纤和GRIN光纤镜头长度分别为0.48 mm和0.17 mm时，理论计算的工作距离和聚焦光斑尺寸分别为1.05 mm和28.2 μm；实验测得的工作距离和聚焦光斑尺寸分别为1.0 mm和28 μm。理论计算与实测结果吻合，验证了GRIN光纤探针光学特征参数及其解析方法的有效性。