專利名稱：一種基于超精細(xì)調(diào)諧濾波器的掃頻激光光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及掃頻光學(xué)相干層析成像技術(shù)，尤其是涉及一種基于超精細(xì)調(diào)諧濾 波器的掃頻激光光源。
背景技術(shù)：
光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography，簡稱OCT)能非侵入地、無損 傷地對活體組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及生理功能進(jìn)行高分辨率的三維成像，在生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像 中得到廣泛應(yīng)用。光學(xué)頻率域成像(掃頻OCT)是新一代OCT技術(shù)，至今為止才發(fā)展十幾年 的時間，它是利用寬帶快速調(diào)諧的掃頻激光光源和點(diǎn)探測器探測干涉信號。掃頻OCT具有 可層析、高分辨、多信息的特征，有望成為臨床醫(yī)學(xué)上的“光學(xué)顯微活檢技術(shù)”實(shí)施高危人群 的篩查和輔助早期診斷、過程監(jiān)視和手術(shù)介導(dǎo)等臨床功能。分辨率高是OCT相比于超聲等其他成像技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)，但其穿透深度比較低大 大限制了 OCT成像方法的應(yīng)用。掃頻OCT的成像深度是由掃頻激光光源的瞬時線寬決定的。 所以，獲得長相干長度的掃頻激光光源，得到樣品的深的穿透深度是各國學(xué)者奮斗的目標(biāo)。 掃頻激光光源主要有兩種選頻方法，一是光纖法布里珀羅調(diào)諧濾波器(fiber Fabry-Perot tunable filter,FFP-TF) ；二是光柵與旋轉(zhuǎn)多面鏡的調(diào)諧濾波器。美國MIT的Fujimoto小 組和加州大學(xué)的Chen小組等采用的壓電陶瓷激勵的FFP-TF高速調(diào)諧是正弦、雙向的非線 性掃描。哈佛大學(xué)的Bouma小組，發(fā)展了基于光柵與旋轉(zhuǎn)多面鏡的調(diào)諧濾波器的掃頻激光 光源，光先到光柵后經(jīng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)改變光斑和會聚角的大小來匹配多面鏡的面寬度和掃描角 度的范圍，實(shí)現(xiàn)單向、波長線性掃描。加州理工學(xué)院的Nezam提出了光柵利特羅結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn) 多面鏡的調(diào)諧濾波器，光先到旋轉(zhuǎn)多面鏡再直接反射到自準(zhǔn)直光柵選頻，這個方法沒有了 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊。基于光柵利特羅結(jié)構(gòu)的調(diào)諧濾波器有兩種不同的形式第 一種是準(zhǔn)直光經(jīng)多面鏡反射到自準(zhǔn)直光柵選頻后按原路返回；第二種是準(zhǔn)直光經(jīng)多面鏡反 射到自準(zhǔn)直光柵后衍射到多面鏡的另外一個面上再反射到自準(zhǔn)直光柵后選頻后按原路返 回。第二種形式光線先后照射到光柵三次，提高了瞬時線寬，但對入射角度高度敏感性，很 難匹配高的衍射效率。加拿大的Leimg等人提出了光柵的利特曼結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)多面鏡的調(diào)諧 濾波器，他們加了一塊平面反射鏡。擴(kuò)束光柵_反射鏡組合系統(tǒng)相對于利特羅光柵結(jié)構(gòu)而 言，解決了對入射角度的高度嚴(yán)格限制，但瞬時線寬還是不夠窄，并且無法完全避免光束遮 擋現(xiàn)象。日本的Changho Chong等人用棱鏡組合來進(jìn)行光擴(kuò)束再照射到自準(zhǔn)直光柵，提高 了光柵的上有效照射尺度，但棱鏡組合調(diào)整麻煩，系統(tǒng)復(fù)雜。為了提高成像速度，F(xiàn)ujimoto 研究小組，發(fā)展了基于傅里葉域鎖模技術(shù)的長腔掃頻激光光源替代了短腔掃頻激光光源， 利用幾千米的長光纖作為色散控制延遲線。激光通過環(huán)形振蕩長腔的所需時間剛好與調(diào)諧 濾波器的調(diào)諧周期匹配，各色光同時在諧振腔內(nèi)振蕩。這種技術(shù)掃頻速度最后制約因素是 調(diào)諧濾波器的掃頻速度，而短腔掃頻激光光源的掃頻速度則不僅受限于濾波器的調(diào)諧速度 還受限于腔內(nèi)激光建立時間?？v上所述，如何獲得超精細(xì)調(diào)諧濾波器，得到更窄的瞬時線寬的掃頻激光光源，以便在深度要求高的樣品成像中應(yīng)用是一大技術(shù)難點(diǎn)。 發(fā)明內(nèi)容為了克服背景技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于超精細(xì)調(diào)諧濾波 器的掃頻激光光源。在基于傅里葉域鎖模技術(shù)的激光振蕩腔采用利特曼_利特羅結(jié)構(gòu)的擴(kuò) 束光柵_自準(zhǔn)直光柵的雙光柵組合色散系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)多面鏡構(gòu)成的超精細(xì)的調(diào)諧濾波器。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下由半導(dǎo)體光放大器、第一偏振控制器、色散控制延遲線、循環(huán)器、調(diào)諧濾波器、光纖 耦合器和第二偏振控制器組成環(huán)形激光振蕩腔；從半導(dǎo)體光放大器發(fā)出的放大自發(fā)輻射 光，經(jīng)第一偏振控制器、色散控制延遲線接到循環(huán)器的輸入端，循環(huán)器的中間端口接調(diào)諧濾 波器，循環(huán)器的輸出端接光纖耦合器后分成兩路，一路經(jīng)環(huán)形激光振蕩腔的第二偏振控制 器接半導(dǎo)體光放大器，另一路輸出掃頻激光；其特征在于所述的調(diào)諧濾波器為超精細(xì)調(diào) 諧濾波器，包括光纖準(zhǔn)直鏡、多面鏡、電機(jī)控制器、擴(kuò)束光柵、自準(zhǔn)直光柵；從光纖準(zhǔn)直鏡出 來的準(zhǔn)直光，經(jīng)電機(jī)控制器驅(qū)動的多面鏡反射到擴(kuò)束光柵后衍射到自準(zhǔn)直光柵選通不同色 光按原路反射回來進(jìn)入環(huán)形激光振蕩腔形成激光振蕩；超精細(xì)調(diào)諧濾波器主要由基于利特 曼-利特羅結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束光柵-自準(zhǔn)直光柵的雙光柵組合色散系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)多面鏡組成，利用 擴(kuò)束光柵的色散與擴(kuò)束能力，提高自準(zhǔn)直光柵入射光的口徑，同時形成不同色光對自準(zhǔn)直 光柵自準(zhǔn)直條件的不同偏離，提高雙光柵組合色散系統(tǒng)的角色散能力。與背景技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有的有益效果是1、基于利特曼-利特羅結(jié)構(gòu)的雙光柵色散系統(tǒng)，利用擴(kuò)束光柵的色散與擴(kuò)束能 力，有效提高自準(zhǔn)直光柵入射光的口徑，同時形成不同色光對自準(zhǔn)直光柵自準(zhǔn)直條件的不 同偏離，顯著提高雙光柵組合的角色散能力。較常規(guī)的單光柵色散系統(tǒng)來說，其角色散可以 提高兩個數(shù)量級，確保了調(diào)諧濾波器的超精細(xì)調(diào)諧能力，實(shí)現(xiàn)超窄瞬時線寬的調(diào)諧激光輸 出，從而有效提高光學(xué)頻域成像的成像深度。2、雙光柵色散系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)光柵參數(shù)、入射角度和衍射效率的合理匹配，方便在 高衍射效率下的角度動態(tài)調(diào)整，突破現(xiàn)有單光柵布局中的嚴(yán)格角度限制。3、雙光柵色散系統(tǒng)中，基于擴(kuò)束光柵的擴(kuò)束能力，來提高自準(zhǔn)直光柵入射光的口 徑，降低了多面鏡上入射光束的口徑要求，從而確保了超精細(xì)快速調(diào)諧濾波器，在整個調(diào)諧 范圍內(nèi)無光束遮擋現(xiàn)象發(fā)生。

圖1是本實(shí)用新型的掃頻激光光源結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的超精細(xì)調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.半導(dǎo)體光放大器，2.偏振控制器，3.色散控制延遲線，4.循環(huán)器，5.超精 細(xì)調(diào)諧濾波器，6.光纖耦合器，7.偏振控制器，8.光纖準(zhǔn)直鏡，9.多面鏡，10.電機(jī)控制器， 11.擴(kuò)束光柵，12.自準(zhǔn)直光柵。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明[0016]圖1所示為基于超精細(xì)調(diào)諧濾波器的掃頻激光光源的結(jié)構(gòu)示意圖。由半 導(dǎo)體光放大器 1 (InPhenix, Inc.，IPSAD1301-L213)、偏振控制器 2 (Thorlabs, Inc.， PCL-35-13-SS-2-1)、色散控制延遲線 3 (Corning, Inc.，SMF28e)、循環(huán)器 4 (Thor labs, Inc.，CIR-1310-50-APC)、超精細(xì)調(diào)諧濾波器 5、光纖耦合器 6(Lightcomm Technology Co.，Ltd.，DWC-A-l*2-1315-20/80-l-0-FC/APC)和偏振控制器 7 (Thorlabs, Inc.， PCL-35-13-SS-2-1)組成環(huán)形激光振蕩腔；從半導(dǎo)體光放大器1發(fā)出的放大自發(fā)輻射光，經(jīng) 第一偏振控制器2、色散控制延遲線3接到循環(huán)器4的輸入端，循環(huán)器4的中間端口接超精 細(xì)調(diào)諧濾波器5選頻反射后到循環(huán)器4的輸出端，經(jīng)光纖耦合器6后分成兩路，一路經(jīng)環(huán)形 激光振蕩腔的第二偏振控制器7接半導(dǎo)體光放大器1，另一路輸出掃頻激光。環(huán)形激光振蕩腔的增益介質(zhì)是半導(dǎo)體光放大器，色散控制延遲線是幾千米的長光 纖，超精細(xì)調(diào)諧濾波器主要由基于利特曼-利特羅結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束光柵-自準(zhǔn)直光柵的雙光柵 組合色散系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)多面鏡組成。從半導(dǎo)體光放大器1發(fā)出的放大自發(fā)輻射光，經(jīng)第一偏 振控制器2、色散控制延遲線3入射到超精細(xì)調(diào)諧濾波器5濾波調(diào)諧，再由分光比為3 7 光纖耦合器6耦合30%的光通過第二偏振控制器7到環(huán)形激光振蕩腔增益放大，建立激光 振蕩后由光纖耦合器6耦合70%的光出來。激光通過環(huán)形激光振蕩腔的所需時間剛好與超 精細(xì)調(diào)諧濾波器的調(diào)諧周期匹配，如公式(1)所示。 式中，Icavity是環(huán)形激光振蕩腔的長度；c是光速；m是整數(shù)；Tfiltw是超精細(xì)調(diào)諧 濾波器的調(diào)諧周期。這種基于幾千米的長光纖的色散控制延遲線的傅里葉鎖模技術(shù)，某一 個波長的光經(jīng)長腔傳播到超精細(xì)調(diào)諧濾波器5時，濾波器剛好調(diào)諧到使該波長的光通過的 窗口，使各色光同時在環(huán)形激光振蕩腔中振蕩，從而得到了準(zhǔn)連續(xù)模式輸出。因此，掃頻速 度不再受各色光在腔的激光建立振蕩的時間限制，而只受限于組合型調(diào)諧濾波器的掃描速 度。長腔內(nèi)激光振蕩的模式競爭同時也提高了掃頻激光的瞬時線寬。圖2所示為超精細(xì)調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。超精細(xì)調(diào)諧濾波器5包括光纖準(zhǔn)直 鏡8 (0Z Optics, Inc.，HPUC0-23A-1300/1500-S-10AC)、多面鏡9 (LincolnLaser Co. ,Ltd.， SA34/DT-72-250)、電機(jī)控制器 10 (Lincoln Laser Co.，Ltd.，MC-5)、光柵 11 (Newport， Inc.，53-*-540R)和自準(zhǔn)直光柵12 (Newport, Inc.，53_*_540R)；光纖準(zhǔn)直鏡8出來的準(zhǔn)直 光經(jīng)電機(jī)控制器10驅(qū)動的多面鏡9反射到擴(kuò)束光柵11衍射到自準(zhǔn)直光柵12后選頻按原 路返回進(jìn)入環(huán)形激光諧振腔形成激光振蕩。電機(jī)控制器10驅(qū)動的多面鏡9旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)從X1 到λη的調(diào)諧，對應(yīng)的角度范圍Δ θ。超精細(xì)調(diào)諧濾波器主要是由基于利特曼-利特羅結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束光柵-自準(zhǔn)直光柵的 雙光柵組合色散系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)多面鏡構(gòu)成的。雙光柵組合系統(tǒng)可獲得極大的角色散，從而實(shí) 現(xiàn)超窄的瞬時線寬。利特羅結(jié)構(gòu)的光柵工作在自準(zhǔn)直狀態(tài)，這時衍射角等于入射角…光柵方程為 式中，d為光柵常數(shù)淨(jìng)為入射角也為衍射角；m為光柵衍射級；λ為光波長。當(dāng)光 柵常數(shù)d和衍射級m確定時，被調(diào)諧激光波長λ將是角識的函數(shù)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)多面鏡時，光入射角和衍射角發(fā)生連續(xù)改變，這時滿足利特羅條件的波長，即實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。式子(2)對波長λ 求導(dǎo)，得到光柵的角色散公式為
(3)利特曼結(jié)構(gòu)的光柵和平面反射鏡組成的擴(kuò)束光柵_反射鏡組合系統(tǒng)情況下，光以 大角度掠入射到光柵上。大角入射，小角出射工作的光柵是擴(kuò)束光柵。這時只有從反射鏡 反饋后，沿原光路返回的對應(yīng)波長，才能進(jìn)入激光振蕩腔形成激光振蕩。反饋的返程光，對 變束光柵則以小角入射、大角出射，這時光柵成了縮束光柵。光往返一次、兩次照射變束光 柵產(chǎn)生的單程角色散為 式中，α是光柵的入射角。這比同樣光柵在自準(zhǔn)直狀態(tài)下要高一倍。利特曼-利特羅結(jié)構(gòu)的雙光柵組成的擴(kuò)束光柵_自準(zhǔn)直光柵組合色散系統(tǒng)，只有 從自準(zhǔn)直光柵反饋后，沿原光路返回的對應(yīng)波長，才能進(jìn)入激光諧振腔形成激光振蕩。光往 返一次，兩次照射變束光柵，一次照射自準(zhǔn)直光柵。擴(kuò)束光柵-自準(zhǔn)直光柵雙光柵組合色散 系統(tǒng)總角色散為
(5)式中，M是擴(kuò)束光柵的擴(kuò)束率，是光柵衍射光束束寬和入射光束束寬之比值。該式 與式子(3)和(4)比較，等號右邊第一項(xiàng)即為變束光柵自身色散，第二項(xiàng)是自準(zhǔn)直光柵色散 乘以光擴(kuò)束率Μ。公式表明，變束光柵不僅有光變束作用，對自準(zhǔn)直調(diào)諧光柵色散有放大作 用，大大提高了角色散。雙光柵色散系統(tǒng)不是兩個光柵的角色散的幾何相加，擴(kuò)束光柵對自 準(zhǔn)直光柵有放大作用，從而能得到超精細(xì)色散。雙光柵色散系統(tǒng)相比于現(xiàn)有的利特羅結(jié)構(gòu) 的單光柵系統(tǒng)，容易實(shí)現(xiàn)光柵參數(shù)、入射角度和衍射效率的合理匹配，方便在高衍射效率下 的角度動態(tài)調(diào)整。雙光柵色散系統(tǒng)中，基于擴(kuò)束光柵的擴(kuò)束能力，來提高自準(zhǔn)直光柵入射光 的口徑，降低了多面鏡上入射光束的口徑要求，從而確保了超精細(xì)調(diào)諧下，在整個調(diào)諧范圍 入工到λη (對應(yīng)的角度范圍△ θ )無光束遮擋現(xiàn)象發(fā)生，并且多面鏡的面寬度可以有較 低要求，從而可以提高多面鏡的小反射鏡的面數(shù)N，由此提高掃頻速度。本實(shí)施例是基于1300nm波段，但是本實(shí)用新型也可應(yīng)用在1060nm波段等其他波 段。本實(shí)用新型公開的一種超精細(xì)調(diào)諧濾波器的掃頻激光光源，在傅里葉域鎖模技術(shù) 的環(huán)形激光振蕩腔采用基于利特曼-利特羅結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束光柵-自準(zhǔn)直光柵的雙光柵組合色 散系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)多面鏡構(gòu)成的超精細(xì)調(diào)諧濾波器進(jìn)行濾波調(diào)諧。超精細(xì)調(diào)諧濾波器顯著提高 雙光柵組合的角色散能力；并且方便在高衍射效率下的角度動態(tài)調(diào)整；確保了超精細(xì)快速 調(diào)諧范圍內(nèi)無光束遮擋現(xiàn)象發(fā)生等特征。基于超精細(xì)調(diào)諧濾波器的掃頻激光光源在成像深 度要求高的光學(xué)頻域成像技術(shù)具有重要意義。
權(quán)利要求一種基于超精細(xì)調(diào)諧濾波器的掃頻激光光源，由半導(dǎo)體光放大器(1)、第一偏振控制器(2)、色散控制延遲線(3)、循環(huán)器(4)、調(diào)諧濾波器、光纖耦合器(6)和第二偏振控制器(7)組成環(huán)形激光振蕩腔；從半導(dǎo)體光放大器(1)發(fā)出的放大自發(fā)輻射光，經(jīng)第一偏振控制器(2)、色散控制延遲線(3)接到循環(huán)器(4)的輸入端，循環(huán)器(4)的中間端口接調(diào)諧濾波器，循環(huán)器(4)的輸出端接光纖耦合器(6)后分成兩路，一路經(jīng)環(huán)形激光振蕩腔的第二偏振控制器(7)接半導(dǎo)體光放大器(1)，另一路輸出掃頻激光；其特征在于所述的調(diào)諧濾波器為超精細(xì)調(diào)諧濾波器(5)，包括光纖準(zhǔn)直鏡(8)、多面鏡(9)、電機(jī)控制器(10)、擴(kuò)束光柵(11)、自準(zhǔn)直光柵(12)；從光纖準(zhǔn)直鏡(8)出來的準(zhǔn)直光，經(jīng)電機(jī)控制器(10)驅(qū)動的多面鏡(9)反射到擴(kuò)束光柵(11)后衍射到自準(zhǔn)直光柵(12)選通不同色光按原路反射回來進(jìn)入環(huán)形激光振蕩腔形成激光振蕩；超精細(xì)調(diào)諧濾波器主要由基于利特曼-利特羅結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束光柵-自準(zhǔn)直光柵的雙光柵組合色散系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)多面鏡組成，利用擴(kuò)束光柵(11)的色散與擴(kuò)束能力，提高自準(zhǔn)直光柵(12)入射光的口徑，同時形成不同色光對自準(zhǔn)直光柵(12)自準(zhǔn)直條件的不同偏離，提高雙光柵組合色散系統(tǒng)的角色散能力。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于超精細(xì)調(diào)諧濾波器的掃頻激光光源，由半導(dǎo)體光放大器、兩個偏振控制器、色散控制延遲線、循環(huán)器、超精細(xì)調(diào)諧濾波器和光纖耦合器組成環(huán)形激光振蕩腔。超精細(xì)調(diào)諧濾波器主要由基于利特曼-利特羅結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束光柵-自準(zhǔn)直光柵的雙光柵組合色散系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)多面鏡組成?；诶芈?利特羅結(jié)構(gòu)的雙光柵布局利用擴(kuò)束光柵的色散與擴(kuò)束能力，提高自準(zhǔn)直光柵入射光的口徑，同時形成不同色光對自準(zhǔn)直光柵自準(zhǔn)直條件的不同偏離，提高雙光柵組合色散系統(tǒng)的角色散能力；容易實(shí)現(xiàn)光柵參數(shù)、入射角度和衍射效率的合理匹配。基于雙光柵和旋轉(zhuǎn)多面鏡的調(diào)諧濾波器，可以同時確保調(diào)諧的超精細(xì)和整個調(diào)諧范圍的高透過率。
文檔編號A61B5/00GK201623363SQ20102011107
公開日2010年11月3日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者丁志華, 吳彤, 沈龍飛, 王川, 王玲, 陳明惠, 陶淵浩 申請人:浙江大學(xué)