專利名稱：利用光的傳播模式測(cè)量物質(zhì)中的光學(xué)不均勻性和其他屬性的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及多種物質(zhì)的非侵入、光學(xué)探測(cè)，包括但不限于人類和動(dòng)物的皮膚、身體組織和器官。
背景技術(shù)：
通過(guò)非侵入光學(xué)手段來(lái)勘測(cè)物質(zhì)是許多研究的目標(biāo)，因?yàn)槲镔|(zhì)中的光-物質(zhì)相互作用的不均勻性可以揭示其結(jié)構(gòu)、組成、生理和生物信息。多種基于光學(xué)相干區(qū)域反射法(OCDR)的技術(shù)可以用于多種物質(zhì)的光學(xué)探測(cè)，包括但不限于人類和動(dòng)物的皮膚、身體組織和器官，以提供這些物質(zhì)的層析成像測(cè)量。在許多OCDR系統(tǒng)中，將來(lái)自光源的光分為采樣光束和基準(zhǔn)光束，分別沿兩個(gè)分離的光路傳播。光源可以是部分相干光源。采樣光束沿著其自身的光路傳播，照射在待研究的物質(zhì)(或樣品)上，而基準(zhǔn)光束沿分離的路徑朝向基準(zhǔn)表面?zhèn)鞑?。然后，使樣品反射的光束與基準(zhǔn)表面反射的光束彼此疊加，以進(jìn)行光學(xué)干涉。因?yàn)榛诓ㄩL(zhǎng)的相位延遲的緣故，干涉不會(huì)導(dǎo)致可觀察的條紋，除非采樣和基準(zhǔn)光束的兩個(gè)光路長(zhǎng)度非常近似。這提供了測(cè)距的物理機(jī)制。分束器可以用于分路來(lái)自光源的光，并組合反射米樣光束和反射基準(zhǔn)光束，以便在光檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。使用相同的器件來(lái)分路和重組輻射主要是根據(jù)公知的邁克爾遜(Michelson)干涉儀。在 Born 和 Wolf 的“光學(xué)原理(Principles of Optics) ”, PergamonPress (1980)中總結(jié)了針對(duì)部分相干光的干涉的發(fā)現(xiàn)和理論。
自由空間Michelson干涉儀中的低相干光用于測(cè)量目的。基于光纖元件的光學(xué)干涉儀用在以低相干光作為表現(xiàn)物質(zhì)的特性的手段的多種儀器中。光纖OCDR的多種實(shí)施例可以在以下文件中所公開(kāi)的器件中找到Sorin等,美國(guó)專利5，202, 745 ;Marcus等,美國(guó)專利 5，659，392 ；Mandella 等，美國(guó)專利 6，252，666 ；以及 Tearney 等，美國(guó)專利 6，421，164。將O⑶R以特定光學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)診斷中已經(jīng)公知為“光學(xué)相干層析成像”(OCT)。圖I示出了用在如美國(guó)專利6，421，164和其他公開(kāi)中所公開(kāi)的多種光纖O⑶R系統(tǒng)中的典型光學(xué)布局。光纖分束器與兩根光纖哨合，這兩根光纖分別用于傳導(dǎo)Michel son結(jié)構(gòu)中的采樣和基準(zhǔn)光束。對(duì)于這些和其他實(shí)施方式中的大多數(shù)共同的是，首先，將來(lái)自低相干光源的光福射分為兩個(gè)分離的光束，其中米樣光束在樣品波導(dǎo)中傳播，與樣品相互作用，而基準(zhǔn)光束在基準(zhǔn)波導(dǎo)中傳播。然后，光纖分束器 組合來(lái)自樣品的反射輻射和來(lái)自基準(zhǔn)波導(dǎo)的基準(zhǔn)光，以引起干涉。

發(fā)明內(nèi)容
在本申請(qǐng)中描述的、用于非侵入光學(xué)探測(cè)的設(shè)計(jì)、技術(shù)和典型實(shí)施方式利用了沿一個(gè)或多個(gè)公共光波導(dǎo)內(nèi)部實(shí)質(zhì)上相同的光路傳播的不同光波和模式的疊加和相互作用。當(dāng)光波或模式之一與待研究物質(zhì)相互作用時(shí)，其與另一光波或模式的疊加可以用于獲取與物質(zhì)的光學(xué)屬性有關(guān)的信息的目的。在本申請(qǐng)中描述的方法和設(shè)備至少部分基于對(duì)多種技術(shù)問(wèn)題的重視和在商用和用戶友好設(shè)備中實(shí)現(xiàn)OCDR的實(shí)際考慮，以及由上述參考專利和其他公開(kāi)所公開(kāi)的OCDR系統(tǒng)中的各種技術(shù)限制。作為示例，與圖I所示或前述專利中所描述的OCDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)缺點(diǎn)是將基準(zhǔn)光束與采樣光束分離。由于光路的分離，兩個(gè)光束之間的相對(duì)光學(xué)相位或差分延遲可能會(huì)經(jīng)歷不受控制的波動(dòng)和變化，如不同的物理長(zhǎng)度、振動(dòng)、溫度、波導(dǎo)彎曲等。例如，當(dāng)樣品臂是與基準(zhǔn)臂分離的基于光纖的導(dǎo)管的形式時(shí)，對(duì)光纖的操作可能會(huì)引起采樣和基準(zhǔn)光束之間的差分相位的顯著波動(dòng)和漂移。這種波動(dòng)和漂移可能會(huì)對(duì)測(cè)量造成不利的影響。例如，兩個(gè)光束之間的差分相位的波動(dòng)和漂移可能會(huì)引起相位敏感測(cè)量中的技術(shù)難題，如絕對(duì)折射率和雙折射測(cè)量。在本申請(qǐng)中描述的多種示例中，并未物理地分隔光輻射，使其沿不同的光路傳播。代替地，沿通過(guò)一個(gè)或多個(gè)公共光波導(dǎo)的實(shí)質(zhì)上相同的光路，傳導(dǎo)所有傳播波和模式。這種具有公共光路的設(shè)計(jì)可以有利地用于在系統(tǒng)中出現(xiàn)環(huán)境波動(dòng)時(shí)、穩(wěn)定不同輻射波和模式之間的相對(duì)相位，如溫度變化、系統(tǒng)尤其是波導(dǎo)的物理移動(dòng)、對(duì)波導(dǎo)和系統(tǒng)的振動(dòng)和聲學(xué)沖擊。在這個(gè)和其他方案中，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以廢除多種基于干涉儀的系統(tǒng)中的雙光束路徑結(jié)構(gòu)(其中樣品光和基準(zhǔn)光在部分不同的光路中傳播)，以極大地減小差分相位延遲的上述波動(dòng)和漂移。因此，本系統(tǒng)借助于其光學(xué)設(shè)計(jì)具有差分光學(xué)路徑的“內(nèi)在”穩(wěn)定性，并且對(duì)于一些相位敏感測(cè)量是有益的，如確定絕對(duì)反射相位和雙折射等。此外，本申請(qǐng)中所描述的技術(shù)和器件通過(guò)使用公共光路來(lái)傳導(dǎo)光，簡(jiǎn)化了用于光學(xué)探測(cè)的器件的結(jié)構(gòu)和光學(xué)配置。在多種應(yīng)用中，獲得樣品內(nèi)部、隔離體內(nèi)的材料的吸收特性可能是有益的。在其他情況下，可能希望通過(guò)其特征譜吸收率，標(biāo)識(shí)出一些物質(zhì)的分布。在一些OCDR系統(tǒng)中，如前述專利中的系統(tǒng)，困難的是，針對(duì)這些和其他譜特性，直接進(jìn)行光學(xué)不均勻性的測(cè)量?？梢耘渲帽旧暾?qǐng)中所描述的系統(tǒng)和技術(shù)，允許樣品的這些和其他譜特性的直接測(cè)量。
下面，描述典型實(shí)施方式，以示出本系統(tǒng)和技術(shù)的多種特征和優(yōu)點(diǎn)。這種特征之一是通過(guò)利用低相干輻射的非侵入手段獲取與物質(zhì)中的光學(xué)不均勻性有關(guān)的信息的方法和設(shè)備。另一特征是通過(guò)消除將光輻射分為樣品路徑和基準(zhǔn)路徑的必要，實(shí)現(xiàn)高信號(hào)穩(wěn)定性和高信噪比。例如，額外的特征包括可以進(jìn)行如雙折射和絕對(duì)折射率等相位解析測(cè)量的平臺(tái)、獲得與譜吸收率有關(guān)的光學(xué)不均勻性的能力、解決各種基于干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)中由于偏振變化而引起的信號(hào)漂移和衰落的問(wèn)題、以及以簡(jiǎn)單的光學(xué)排列有效地使用源輻射。這里所描述的系統(tǒng)和技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)尤其包括提高性能和設(shè)備可靠性、簡(jiǎn)化操作和維護(hù)、簡(jiǎn)化光學(xué)布局、降低設(shè)備復(fù)雜性、降低制造復(fù)雜性和成本。將描述用于光學(xué)傳感樣品的多種典型方法和技術(shù)。在一些實(shí)施方式中，兩個(gè)不同光學(xué)傳播模式(例如，第一和第二模式)的輸入光通過(guò)公共輸入光路通往光學(xué)探頭，所述光學(xué)探頭將第二模式的部分輸入光發(fā)送到樣品上。探頭將第一模式的光和來(lái)自樣品的、第二模式的返回光通過(guò)公共光路送往檢測(cè)模塊。例如，這里所描述的一種方法包括以下步驟。通過(guò)光波導(dǎo)，向樣品傳導(dǎo)第一傳播模 式和第二、不同傳播模式的光輻射。使第一傳播模式的輻射遠(yuǎn)離樣品，不到達(dá)樣品。傳導(dǎo)第二傳播模式的輻射，與樣品相互作用，以根據(jù)相互作用，產(chǎn)生返回輻射。將第二傳播模式的返回輻射和第一傳播模式的輻射耦合到遠(yuǎn)離樣品的光波導(dǎo)中。接下來(lái)，使用來(lái)自光波導(dǎo)的第二傳播模式的返回輻射和第一傳播模式的輻射，以提取出樣品的信息。作為另一示例，描述了一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的器件，包括波導(dǎo)、探頭和檢測(cè)模塊。波導(dǎo)支持第一傳播模式和第二、不同傳播模式，并用于接收和傳導(dǎo)第一和第二傳播模式的輸入光束。探頭與波導(dǎo)相耦合，以接收輸入光束，并將第一傳播模式的第一部分輸入光束以第一傳播模式反射回波導(dǎo)，并將第二傳播模式的第二部分輸入光束送往樣品。探頭收集來(lái)自樣品的、對(duì)第二部分的反射，并將反射輸出到波導(dǎo)，作為第二傳播模式的反射第二部分。檢測(cè)模塊用于接收波導(dǎo)中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分?jǐn)y帶的樣品的信息。本申請(qǐng)還描述了使用一個(gè)輸入波導(dǎo)向光學(xué)探頭傳導(dǎo)輸入光以及使用另一輸出波導(dǎo)傳導(dǎo)來(lái)自光學(xué)探頭的輸出的器件。例如，一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的器件可以包括輸入波導(dǎo)，支持第一傳播模式和第二、不同傳播模式，接收并傳導(dǎo)第一和第二傳播模式的輸入光束。所述器件還可以包括輸出波導(dǎo)，支持第一和第二傳播模式。在此器件中，探頭可以與輸入波導(dǎo)相I禹合以接收輸入光束，并與輸出波導(dǎo)相I禹合，探頭可用于將第一傳播模式的第一部分輸入光束以第一傳播模式傳導(dǎo)到輸出波導(dǎo)中，并將第二傳播模式的第二部分輸入光束傳導(dǎo)到樣品上。探頭收集來(lái)自樣品的、對(duì)第二波分的反射，并將發(fā)射輸出到輸出波導(dǎo)，作為第二傳播模式的反射第二部分。此外，此器件中可以包括檢測(cè)模塊，用于接收輸出波導(dǎo)中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分?jǐn)y帶的樣品的信息。在一些其他實(shí)施方式中，將單一光傳播模式(例如，第一預(yù)定模式)的光送往待測(cè)樣品附近的光學(xué)探頭。光學(xué)探頭使輸入光的第一部分以第一模式遠(yuǎn)離樣品，將輸入光的第二部分送往樣品。然后，光學(xué)探頭以第二、不同模式傳導(dǎo)來(lái)自樣品的返回光，在公共光路中與第一模式的第一部分共同傳播。例如，一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的方法包括以下步驟。將第一傳播模式的傳導(dǎo)光束送往樣品。在第一傳播模式的第一部分傳導(dǎo)光到達(dá)樣品之前，在樣品附近的位置處，使第一部分遠(yuǎn)離樣品。傳導(dǎo)第一傳播模式的第二部分到達(dá)樣品?？刂苼?lái)自樣品的、對(duì)第二部分的反射，使其處于不同于第一傳播模式的第二傳播模式，以產(chǎn)生反射第二部分。然后，通過(guò)公共波導(dǎo)，將第一傳播模式的反射第一部分和第二傳播模式的反射第二部分傳導(dǎo)到檢測(cè)模塊中，以從反射第二部分中提取出與樣品有關(guān)的信息。還描述了另一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的方法。在此方法中，將第一傳播模式的光送往待測(cè)樣品附近。然后，在樣品附近，不到達(dá)樣品，使第一傳播模式的第一部分光遠(yuǎn)離樣品傳播。將第一傳播模式的第二部分光送往樣品，引起在樣品處的反射。控制來(lái)自樣品的反射光，使其處于與第一傳播模式獨(dú)立的第二傳播模式，以便沿公共光路與第一部分共同傳播。利用第一傳播模式的第一部分和第二傳播模式的反射光來(lái)獲得樣品的信息。本申請(qǐng)還描述了用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的器件和系統(tǒng)的典型實(shí)施方式，其中光探頭接收一個(gè)模式的輸入光并輸出兩個(gè)模式的光。這種器件的一個(gè)示例包括波導(dǎo)，用于接收和傳導(dǎo)第一傳播模式的輸入光束；和探頭，與波導(dǎo)相稱合以接收輸入光束，并將輸入光束的第一部分以第一傳播模式反射回波導(dǎo)，以及將輸入光束的第二部分送往樣品。此探頭收集來(lái)自樣品的、對(duì)第二部分的反射，并將反射以不同于第一傳播模式的第二傳播模式輸出到波導(dǎo)，作為反射第二部分。此器件還包括檢測(cè)模塊，用于接收波導(dǎo)中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分?jǐn)y帶的樣品的信息。在另一示例中，公開(kāi)了一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的設(shè)備，包括光源；波導(dǎo)，至少支持第一和第二獨(dú)立傳播模式，并將來(lái)自光源的、第一傳播模式的光輻射傳導(dǎo)到待測(cè)樣品的附近；探頭，在樣品的附近，端接波導(dǎo)，并反轉(zhuǎn)波導(dǎo)中、一部分第一傳播模式的傳播方向，同時(shí)將剩余的光輻射傳向樣品，所述探頭可用于將來(lái)自樣品的反射光轉(zhuǎn)換為第二傳播模式；以及差分延遲調(diào)制器，傳輸來(lái)自探頭和波導(dǎo)的、第一和第二傳播模式的光，并改變第一和第二傳播模式之間的相對(duì)光路長(zhǎng)度。在此設(shè)備中，包括模式組合器，用于接收來(lái)自差分延遲調(diào)制器的光，并用于通過(guò)將每個(gè)模式的一部分轉(zhuǎn)換為一對(duì)新模式，疊加第一和第二傳播模式。在此設(shè)備中，使用至少一個(gè)光電檢測(cè)器，用于接收兩個(gè)新模式中的至少一個(gè)的光。此外，使用電子控制器與光電檢測(cè)器進(jìn)行通信，并用于從光電檢測(cè)器的輸出中提取出樣品的信息。在另一示例中，描述了一種器件，包括光波導(dǎo)、光學(xué)探頭和光學(xué)檢測(cè)模塊。光波導(dǎo)用于傳導(dǎo)第一光學(xué)模式的光輻射。光學(xué)探頭與光波導(dǎo)相耦合，用于接收光輻射。所述光學(xué)探頭可用于(I)將光輻射的一部分重定向回光波導(dǎo)，同時(shí)向樣品傳播剩余的輻射；(2)接收來(lái)自樣品的反射或后向散射輻射，并將其送入波導(dǎo)；以及(3)控制來(lái)自樣品的反射或后向散射光，使其處于不同于第一光學(xué)模式的第二光學(xué)模式。光學(xué)檢測(cè)模塊用于通過(guò)波導(dǎo)接收由探頭重定向的輻射，并將第一和第二光學(xué)模式的光輻射，至少一部分，轉(zhuǎn)換為公共光學(xué)模式。用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的器件的另一示例包括輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)和探頭。輸入波導(dǎo)支持第一和第二不同傳播模式，并用于接收和傳導(dǎo)第一傳播模式的輸入光束。輸出波導(dǎo)支持第一和第二不同傳播模式。探頭與輸入波導(dǎo)相I禹合以接收輸入光束，并與輸出波導(dǎo)相I禹合以輸出光。探頭可用于將第一傳播模式的第一部分輸入光束送入輸出波導(dǎo)，以及將第二部分輸入光束送往樣品。此外，探頭收集來(lái)自樣品的、對(duì)第二部分的反射，并以第二傳播模式將反射輸出到輸出波導(dǎo)，作為反射第二部分。此外，此器件包括檢測(cè)模塊，用于接收輸出波導(dǎo)中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分?jǐn)y帶的樣品的信
肩、O本申請(qǐng)還描述了一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的設(shè)備的示例。在此示例中，使用能夠保持至少一個(gè)傳播模式的第一波導(dǎo)。發(fā)射輻射的光源用于激勵(lì)第一波導(dǎo)中的傳播模式。光檢測(cè)器用于以其第一端口端接第一波導(dǎo)，使進(jìn)入第一端口的光模式，至少一部分，通過(guò)第二端口，并使進(jìn)入第二端口的光模式，至少一部分，通過(guò)第三端口。所述設(shè)備還包括第二波導(dǎo)，支持至少兩個(gè)獨(dú)立傳播模式，并具有與第二端口耦合的第一端、和第二端。具體地，探頭與第二波導(dǎo)的第二端相耦合，并用于將部分光的傳播方向反轉(zhuǎn)回第二波導(dǎo)，并將剩余的光傳向樣品。此探頭可用于將來(lái)自樣品反射的收集光變換為由第二波導(dǎo)支持的正交模式，并將正交模式的光送入第二波導(dǎo)。還包括支持至少兩個(gè)獨(dú)立傳播模式的第三波導(dǎo)，與光檢測(cè)器的第三端口相連，用于從中接收光。利用差分延遲調(diào)制器與第三波導(dǎo)相連，以接收來(lái)自第二波導(dǎo)的光，并參照一個(gè)模式，向另一模式施加可變相位延遲和可變路徑長(zhǎng)度。支持至少兩個(gè)獨(dú)立模式的第四波導(dǎo)與差分延遲調(diào)制器相耦合，用于從中接收光。定位檢測(cè)子系統(tǒng)以接收來(lái)自第四波導(dǎo)的光，并疊加來(lái)自第四波導(dǎo)的兩個(gè)傳播模式以形成兩個(gè)相互正交的新 模式。此檢測(cè)子系統(tǒng)包括兩個(gè)光電檢測(cè)器，分別接收新模式的光。此外，本申請(qǐng)描述了光學(xué)傳感器件和系統(tǒng)，將單一傳播模式的輸入光送往光學(xué)探頭，并使用光學(xué)探頭以相同的模式、沿可以由一個(gè)或多個(gè)連接波導(dǎo)形成的公共傳播路徑、向檢測(cè)模塊傳導(dǎo)未到達(dá)樣品的光和從樣品返回的光。例如，基于此方案的器件可以包括至少支持光的輸入傳播模式的波導(dǎo)、與波導(dǎo)耦合的探頭、和檢測(cè)模塊。波導(dǎo)用于接收和傳導(dǎo)輸入傳播模式的輸入光束。探頭用于接收輸入光束，并將第一部分輸入光束以輸入傳播模式反射回波導(dǎo)，以及將輸入傳播模式的第二部分輸入光束送往樣品。探頭收集來(lái)自樣品的、對(duì)第二部分的反射，并以輸入傳播模式向波導(dǎo)輸出該反射，作為反射第二部分。檢測(cè)模塊用于接收來(lái)自波導(dǎo)的、輸入傳播模式的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分?jǐn)y帶的樣品的信息。在附圖、文字描述和權(quán)利要求書中，詳細(xì)描述了這些和其他特征、系統(tǒng)配置、相關(guān)優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施方式的變體。


圖I示出了具有位于兩個(gè)分離光路中的基準(zhǔn)和樣品光束的、基于公知的Michelson干涉儀的傳統(tǒng)光學(xué)傳感器件的示例。圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的傳感器件的一個(gè)示例。圖3示出了圖2所示的系統(tǒng)的典型實(shí)施方式。圖4示出了用在圖3中的探頭的一個(gè)典型實(shí)施方式和偏振選擇反射器(PSR)的一個(gè)典型實(shí)施方式。圖5A和5B示出了另一典型光學(xué)傳感系統(tǒng)，使用三個(gè)波導(dǎo)和光定向器，在測(cè)量樣品時(shí)，向和從探頭傳導(dǎo)兩個(gè)模式的光。圖6作為相位的函數(shù)示出了在圖5A和5B的系統(tǒng)中的檢測(cè)器處接收到的強(qiáng)度波形，其中檢測(cè)光強(qiáng)度表現(xiàn)出擁有基頻及其諧波的振蕩波形。圖7示出了圖5B所示系統(tǒng)或圖3所示系統(tǒng)用于獲取光學(xué)不均勻性圖像的一個(gè)典型操作。圖8A和SB示出了光學(xué)傳感系統(tǒng)的光學(xué)布局的一個(gè)典型設(shè)計(jì)及其利用電子控制器的系統(tǒng)實(shí)施方式，其中將單一模式用作輸入光。圖9示出了 系統(tǒng)實(shí)施方式的另一示例，其中光學(xué)探頭接收單一輸入模式的光，并將部分光轉(zhuǎn)換為不同的模式。圖IOA和IOB示出了用在傳感系統(tǒng)中的探頭的可能設(shè)計(jì)的兩個(gè)示例，其中輸入光
是單一模式的。圖11示出了光檢測(cè)器的一個(gè)實(shí)施方式，包括保偏光環(huán)行器和兩個(gè)偏振分束器。圖12示出了用在此光學(xué)傳感系統(tǒng)中的光學(xué)差分延遲調(diào)制器的示例，其中施加外部控制信號(hào)，以控制差分延遲元件來(lái)改變和調(diào)制輸出中的相對(duì)延遲。圖12A和12B示出了用于實(shí)現(xiàn)圖12中的光學(xué)差分延遲調(diào)制器的兩個(gè)典型器件。圖13A和13B示出了適合于實(shí)現(xiàn)圖12所示的光學(xué)差分延遲調(diào)制器的機(jī)械可變延遲元件的兩個(gè)示例。圖14A示出了作為整個(gè)差分延遲調(diào)制器的一部分的、圖12B中的延遲器件的典型實(shí)施方式。圖14B示出了基于圖14A所示的設(shè)計(jì)的延遲器件，其中反射鏡和可變光學(xué)延遲線由圖13A所示的機(jī)械延遲器件實(shí)現(xiàn)。圖15示出了可代替如圖5B所示的器件的光學(xué)傳感系統(tǒng)。圖16示出了基于圖2所示的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其中將可調(diào)諧濾波器插入在輸入波導(dǎo)中，對(duì)兩個(gè)不同模式的輸入光進(jìn)行濾波。圖17示出了基于圖8A所示的設(shè)計(jì)的另一典型系統(tǒng)，其中將可調(diào)諧濾波器插入在輸入波導(dǎo)中，對(duì)單一模式的輸入光進(jìn)行濾波。圖18示出了圖16和17所示的器件中的可調(diào)諧帶通濾波器的操作。圖19A示出了人類皮膚組織的示例，其中可利用這里所描述的光學(xué)傳感技術(shù)來(lái)測(cè)量表皮和皮下層之間的真皮層中的葡萄糖濃度。圖19B示出了在I到2. 5微米之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)、血液中的一些主要葡萄糖吸收峰。圖20示出了圖3所示的檢測(cè)子系統(tǒng)的一個(gè)典型實(shí)施方式，其中使用兩個(gè)衍射光柵來(lái)分離來(lái)自偏振分束器的輸出光束中的不同譜分量。圖21和22不出了向光學(xué)探頭傳導(dǎo)單一模式的光并以相同的單一模式傳導(dǎo)來(lái)自探頭的輸出光的光學(xué)傳感器件的示例。圖23示出了針對(duì)圖21和22所示的器件的光學(xué)探頭的設(shè)計(jì)的示例，其中光學(xué)探頭并不改變光的模式。
具體實(shí)施例方式在諸如光波導(dǎo)等光路中傳播的光的能量可以位于不同的傳播模式中。不同的傳播模式可以具有多種形式。光的光學(xué)偏振態(tài)是這種傳播模式的示例。在缺乏耦合機(jī)制時(shí)，兩個(gè)獨(dú)立的傳播模式不會(huì)彼此混合。作為示例，兩個(gè)正交的偏振模式不會(huì)彼此相互作用，即使這兩個(gè)模式沿相同的光路或波導(dǎo)傳播，并且空間上彼此疊加。本申請(qǐng)中所描述的典型技術(shù)和器件利用相同光路或波導(dǎo)中的光中的兩個(gè)獨(dú)立傳播模式，來(lái)測(cè)量樣品的光學(xué)屬性?？梢允褂锰筋^將光送往樣品，可以是兩個(gè)傳播模式的，也可以是單一傳播模式的，并接收來(lái)自樣品的反射或后向散射光。例如，可以將一束第一傳播模式的傳導(dǎo)光送往樣品?？梢园才诺谝粋鞑ツＪ降牡谝徊糠衷诘竭_(dá)樣品之間被反射，而允許第一傳播模式的第二部分到達(dá)樣品?？刂苼?lái)自樣品的、對(duì)第二部分的反射，使其處于不同于第一傳播模式的第二傳播模式，以產(chǎn)生發(fā)射第二部分。通過(guò)公共波導(dǎo)，將第一傳播模式的反射第一部分和第二傳播模式的反射第二部分送入檢測(cè)模塊中，以便從反射第二部分中提取出與樣品有關(guān)的信息。在另一不例中,可以通過(guò)光波導(dǎo)，向樣品傳導(dǎo)第一傳播模式和第二、不同傳播模式的光輻射。傳導(dǎo)第一傳播模式的輻射，使其遠(yuǎn)離樣品，不到達(dá)樣品。傳導(dǎo)第二傳播模式的輻射，使其與樣品相互作用，以產(chǎn)生來(lái)自相互作用的返回輻射。將第二傳播模式的返回輻射和第一傳播模式的輻射耦合到遠(yuǎn)離樣品的光波導(dǎo)中。然后，利用來(lái)自光波導(dǎo)的第二傳播模式的返回輻射和第一傳播模式的輻射，來(lái)提取出樣品的信息。
在基于本申請(qǐng)公開(kāi)的這些和其他實(shí)施方式中，限定兩個(gè)獨(dú)立模式在自由空間中的相同波導(dǎo)或相同光路中進(jìn)行傳播，除了探測(cè)光在探頭和樣品之間傳播了額外的距離。此特征穩(wěn)定了光的兩個(gè)模式之間的相對(duì)相位或差分光路徑，即使是發(fā)生波導(dǎo)的機(jī)械移動(dòng)。這與其中樣品光和基準(zhǔn)光在不同光路中傳播的干涉儀傳感器件相反。這些具有分離光路的干涉儀傳感器件易于受到由于差分光路中的變化而引起的噪聲的影響，通常在光學(xué)結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，難于操作和實(shí)施。下述基于波導(dǎo)的示例部分設(shè)計(jì)用于克服這些和其他限制。圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的傳感器件的一個(gè)示例。此器件沿相同的波導(dǎo)將兩個(gè)傳播模式的光送往樣品205附近的光學(xué)探頭，用于獲取樣品中的光學(xué)不均勻性信息。在一些應(yīng)用中，可以使用樣品夾具來(lái)支撐樣品205。將來(lái)自寬帶光源201的光輻射耦合到第一雙模波導(dǎo)271中，以激勵(lì)兩個(gè)正交傳播模式001和002。光定向器210用于將兩個(gè)模式傳向第二雙模波導(dǎo)272，第二雙模波導(dǎo)272端接探頭220。探頭220可以配置為至少執(zhí)行以下功能。探頭220的第一個(gè)功能是反轉(zhuǎn)波導(dǎo)272中、模式001的部分光的傳播方向；探頭220的第二個(gè)功能是重新整形模式002的剩余部分光，并將其傳遞到樣品205 ；以及探頭220的第三個(gè)功能是將從樣品205反射的光收集到第二雙模波導(dǎo)272中。然后，光定向器210將模式001和002的后向傳播光送往第三波導(dǎo)273，并進(jìn)一步傳向差分延遲調(diào)制器250。差分延遲調(diào)制器250能夠改變兩個(gè)模式001和002之間的相對(duì)光路長(zhǎng)度和光學(xué)相位。檢測(cè)子系統(tǒng)260用于疊加兩個(gè)傳播模式001和002，以形成兩個(gè)彼此正交的新模式，以便由光電檢測(cè)器接收。每個(gè)新模式均為模式001和模式002的混合模式。在檢測(cè)子系統(tǒng)260中、兩個(gè)模式001和002的疊加允許進(jìn)行距離檢測(cè)。以模式002進(jìn)入檢測(cè)子系統(tǒng)260的光被樣品反射，承載有與樣品的光學(xué)不均勻性有關(guān)的信息，而另一模式001在探頭220的內(nèi)部旁路了樣品205。只要這兩個(gè)模式001和002保持獨(dú)立地通過(guò)波導(dǎo)，其在檢測(cè)子系統(tǒng)260中的疊加就可以用于獲得與樣品205有關(guān)的信息，而無(wú)需用在一些傳統(tǒng)Michelson干涉儀系統(tǒng)中的分離光路。為了簡(jiǎn)化分析，通過(guò)在第一波導(dǎo)271中，假設(shè)模式001的振幅是第一線偏振E001，模式002的振幅是第二、正交線偏振E002，考慮源光譜的薄切片。樣品205的特征在于本質(zhì)上較為復(fù)雜的有效反射系數(shù)r ;差分延遲調(diào)制器350的特征在于作用于模式001的純相移r。現(xiàn)在，通過(guò)將其投影到在矢量空間中相對(duì)旋轉(zhuǎn)45度的一對(duì)新模式EA和EB上，疊加兩個(gè)模式OOl和002?？梢匀缦卤硎拘履Ｊ紼a和Eb :
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的設(shè)備，包括 a)光源； b)波導(dǎo)，至少支持第一和第二獨(dú)立傳播模式，并將來(lái)自光源的、第一傳播模式的光輻射傳導(dǎo)到待測(cè)樣品的附近； c)探頭，在樣品的附近端接波導(dǎo)，并反轉(zhuǎn)波導(dǎo)中、一部分第一傳播模式的傳播方向，同時(shí)將剩余的光輻射傳向樣品，所述探頭用于控制來(lái)自樣品的反射光為第二傳播模式，并且在其中反轉(zhuǎn)第一傳播模式的那部分的傳播方向的位置處與第一傳播模式的那部分空間重疊并且共同傳播； d)差分延遲調(diào)制器，傳輸來(lái)自探頭和波導(dǎo)的、第一和第二傳播模式的光，并改變第一和第二傳播模式之間的相對(duì)光路長(zhǎng)度； e)模式組合器，用于接收來(lái)自差分延遲調(diào)制器的光，并用于通過(guò)將每個(gè)模式的一部分轉(zhuǎn)換為一對(duì)新模式，疊加第一和第二傳播模式； f)至少一個(gè)光電檢測(cè)器，用于接收兩個(gè)新模式中的至少一個(gè)的光；以及 g)電子控制器，與光電檢測(cè)器進(jìn)行通信，并用于從光電檢測(cè)器的輸出中提取出樣品的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于電子控制器與差分延遲調(diào)制器進(jìn)行通信，并控制差分延遲調(diào)制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于電子控制器與探頭進(jìn)行通信，并控制探頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于還包括可調(diào)諧光學(xué)帶通濾波器，用于對(duì)去往探頭的光或來(lái)自探頭的光進(jìn)行濾波，以選擇樣品的光譜響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。
5.一種用于對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的設(shè)備，包括 第一波導(dǎo)，能夠保持至少一個(gè)傳播模式； 發(fā)射輻射的光源，用于激勵(lì)第一波導(dǎo)中的傳播模式； 光檢測(cè)器，用于以其第一端口端接第一波導(dǎo)，使進(jìn)入第一端口的光模式，至少一部分，通過(guò)第二端口，并使進(jìn)入第二端口的光模式，至少一部分，通過(guò)第三端口 ； 第二波導(dǎo)，支持至少兩個(gè)獨(dú)立傳播模式，并具有與第二端口耦合的第一端、和第二端； 探頭，與第二波導(dǎo)的第二端相耦合，以將部分光的傳播方向反轉(zhuǎn)回第二波導(dǎo)，并將剩余的光傳向樣品，此探頭將來(lái)自樣品反射的收集光變換為由第二波導(dǎo)支持的正交模式，并將正交模式的光送入第二波導(dǎo)； 第三波導(dǎo)，支持至少兩個(gè)獨(dú)立傳播模式，與光檢測(cè)器的第三端口相連，用于從中接收光; 差分延遲調(diào)制器，與第三波導(dǎo)相連，以接收來(lái)自第二波導(dǎo)的光，并參照一個(gè)模式，向另一模式施加可變相位延遲和可變路徑長(zhǎng)度； 第四波導(dǎo)，支持至少兩個(gè)獨(dú)立模式，與差分延遲調(diào)制器相耦合，用于從中接收光； 檢測(cè)子系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行定位以接收來(lái)自第四波導(dǎo)的光，并疊加來(lái)自第四波導(dǎo)的兩個(gè)傳播模式，以形成兩個(gè)相互正交的新模式，此檢測(cè)子系統(tǒng)包括兩個(gè)光電檢測(cè)器，分別接收新模式的光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于第一、第二、第三和第四波導(dǎo)是支持兩個(gè)正交偏振模式的保偏光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于探頭包括串聯(lián)排列的具有有限折射率的、保偏光纖的無(wú)涂層或有涂層末端、透鏡和四分之一波片或法拉第旋轉(zhuǎn)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于差分延遲調(diào)制器包括至少一段可調(diào)諧雙折射材料和至少一段固定雙折射材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于可調(diào)諧雙折射材料包括液晶材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于可調(diào)諧雙折射材料包括鈮酸鋰晶體。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于固定雙折射材料包括石英或金紅石。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于差分延遲調(diào)制器包括用于按照模式分離 接 收光并通過(guò)固定路徑傳導(dǎo)一個(gè)模式而通過(guò)可變路徑長(zhǎng)度器件傳導(dǎo)另一模式的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于可變路徑長(zhǎng)度器件包括 分束器，用于接收要延遲的光束，以及透射光束的一部分； 透明片，用于接收來(lái)自分束器的透射光，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以改變透射光的路徑長(zhǎng)度；以及 反射鏡，用于將透射過(guò)透明片的光反射回透明片，使其到達(dá)分束器，分束器反射來(lái)自透明片的光，作為延遲輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于所述可變路徑長(zhǎng)度器件包括 光環(huán)行器，用于在第一端口接收要延遲的輸入光束，并將輸入光束送往第二端口 ； 透明片，用于接收來(lái)自光環(huán)行器的第二端口的光，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以改變從中穿過(guò)的光的路徑長(zhǎng)度；以及 反射鏡，用于將透射過(guò)透明片的光反射回透明片，使其到達(dá)光環(huán)行器的第二光學(xué)端口，光環(huán)行器將來(lái)自第二端口的光送往第三端口，作為延遲輸出。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于可變路徑長(zhǎng)度器件包括保偏光纖的壓電延伸器。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于可變路徑長(zhǎng)度器件包括兩個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直器，以如下方式面向機(jī)械可移動(dòng)后向反射器由一個(gè)準(zhǔn)直器通過(guò)與后向反射器之間的折返收集來(lái)自另一準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直光。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于可變路徑長(zhǎng)度器件包括兩個(gè)準(zhǔn)直器，通過(guò)兩次通過(guò)可旋轉(zhuǎn)光學(xué)片并從反射器上反射，進(jìn)行光學(xué)連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于光檢測(cè)器是保偏環(huán)行器，將第一波導(dǎo)支持的模式轉(zhuǎn)換為第二波導(dǎo)支持的模式之一，以及將第二波導(dǎo)支持的獨(dú)立模式轉(zhuǎn)換為第三波導(dǎo)支持的對(duì)應(yīng)獨(dú)立模式。
19.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于光檢測(cè)器包括 a)保偏環(huán)行器，將進(jìn)入第一端口的偏振模式傳遞到第二端口，不改變偏振態(tài)，以及將進(jìn)入第二端口的偏振模式傳遞到第三端口，不改變偏振態(tài)； b)第一偏振分束器，與保偏環(huán)行器的第二端口相連，并按照偏振態(tài)，將光分離到兩個(gè)不同的路徑中；以及 c)第二偏振分束器，與保偏環(huán)行器的第三端口相連，并按照偏振態(tài)，將光分離到兩個(gè)不同的路徑中。
20.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于光檢測(cè)器是偏振敏感分束器。
21.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于檢測(cè)子系統(tǒng)包括按如下方式定向的偏振分束器每個(gè)分割輻射是第四波導(dǎo)中的兩個(gè)獨(dú)立傳播模式的疊加，并由光電檢測(cè)器接收。
22.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于還包括可調(diào)諧帶通濾波器，位于第一、第二、第三和第四波導(dǎo)之一中，用于對(duì)光進(jìn)行濾波。
全文摘要
本申請(qǐng)描述了用于控制可以包括一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)(272)的公共光路中的光的傳播模式以傳感樣品(205)的設(shè)計(jì)、實(shí)施方式和技術(shù)。
文檔編號(hào)G01J3/42GK102866116SQ201210224730
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2004年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月4日
發(fā)明者王飛凌 申請(qǐng)人:突慧公司