基於組合型調諧濾波器的全光纖快速掃頻雷射光源的製作方法
2023-05-06 04:31:56
專利名稱：基於組合型調諧濾波器的全光纖快速掃頻雷射光源的製作方法
技術領域：
本發明涉及掃頻光學相干層析成像技術，尤其是涉及一種基於組合型調諧 濾波器的全光纖快速掃頻雷射光源。
背景技術：
光學相干層析成像(Optical Coherence Tomography,簡稱OCT)是一種新 興的生物醫學光學成像技術，能非侵入地、無損傷地對活體組織的內部結構以 及生理功能進行高解析度的三維成像。光學頻率域成像(掃頻OCT)是最新一 代的OCT技術，才發展10年左右的時間，它是利用寬帶快速調諧的掃頻雷射 光源和點探測器探測幹涉信號，同時具備譜域OCT的快速成像能力和時域OCT 的點探測優勢。掃頻OCT具有無損傷、可層析、高分辨、多信息的特徵，有望 成為臨床醫學上的"光學顯微活檢技術"實施高危人群的篩查和輔助早期診斷、 過程監視和手術介導等臨床功能。
理想的掃頻雷射光源需滿足光波波數(k)空間線性輸出，快速頻率掃描、 寬的光譜範圍、高光譜解析度(窄的瞬時線寬)和高的輸出光功率。掃頻速度 決定成像速度，光譜範圍決定系統軸向解析度，瞬時線寬決定成像深度，光功 率與系統成像靈敏度密切相關。哈佛大學的Bouma小組，發展了基於光柵與旋 轉多面鏡的調諧濾波器的掃頻雷射光源。這種調諧濾波器的自由光譜範圍和光 譜解析度(瞬時線寬)是互相制約的。掃頻速度受到了腔內雷射建立時間和旋 轉多面鏡的調諧速度的限制。多面鏡的旋轉造成了掃頻雷射輸出的相位不穩定 性。此外，自由空間結構的調諧濾波器，易於受到外界的影響，無法滿足便攜 式掃頻雷射光源的要求。美國MIT的Fujimoto小組和加州大學的Chen小組等， 採用光纖法布裡珀羅調諧濾波器(fiber Fabry-Perot tunable filter, FFP-TF)發展 了短腔掃頻雷射光源。這種技術的掃頻雷射光源的掃頻速度受限於濾波器的調 諧速度和腔內雷射建立時間。為了提高掃頻速度，Fujimoto研究小組，又發展了 基於傅立葉域鎖模技術的長腔掃頻雷射光源，利用幾千米的長光纖作為色散控 制延遲線。雷射通過環形振蕩長腔的所需時間剛好與調諧濾波器FFP-TF的調諧 周期匹配。FFP-TF濾出的各色光同時在諧振腔內振蕩，不需要像短腔那樣，某 一個波長的光建立起雷射振蕩後才到下一個波長的光通過，所以雖然諧振腔的 腔長比短腔長得多，但掃頻速度反而提高了。這種技術掃頻速度最後制約因素是調諧濾波器的掃頻速度。由於要獲得寬的掃描光譜範圍，FFP-TF必須工作在 它固有的諧振頻率條件下，並且所需的驅動電壓也要求比較高，所以只能採用 正弦驅動波形來驅動FFP-TF，從而導致非線性掃頻。而且，高頻高壓驅動器本 身也是一個技術難點，且價格昂貴，造成成本的增加。印度和韓國的研究小組 的掃頻雷射光源採用聲光可調濾波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)作為濾 波調諧元件。AOTF無運動件，穩定性好，掃頻速度快。AOTF的射頻驅動頻率 與透過(衍射)光波數呈線性關係，可實現線性掃頻。AOTF自由光譜範圍寬， 但其光譜解析度比較低。因此，無法獲得高分辨的瞬時光譜輸出。
綜上所述，如何獲得寬光譜範圍、高光譜解析度、k空間線性輸出的可便攜 高速掃頻雷射光源是一大技術難點。
發明內容
為了克服背景技術的不足，本發明的目的在於提供一種組合型調諧濾波器 的全光纖快速掃頻雷射光源。在基於傅立葉域鎖模技術的雷射振蕩腔採用光譜 解析度低、自由光譜範圍寬的AOTF和自由光譜範圍窄、光譜解析度高的FFP-TF
級聯而成的組合型調諧濾波器。 本發明採用的技術方案如下
本發明包括半導體光放大器，色散控制延遲線，組合型調諧濾波器，兩個 光隔離器和光纖耦合器組成環形雷射振蕩腔，以及光功率增強系統。從半導體 光放大器發出的受激輻射光，經環形雷射振蕩腔內的第一光隔離器、色散控制 延遲線接到組合型調諧濾波器中的聲光可調濾波器濾波輸入端，聲光可調濾波 器濾波輸出端經組合型調諧濾波器中的法布裡珀羅調諧濾波器、環形雷射振蕩 腔內的光纖耦合器後分成兩路， 一路經第二光隔離器接半導體光放大器，另一 路接光功率增強系統輸出掃頻雷射。
所述組合型調諧濾波器包括射頻發生器、波形驅動器、聲光可調濾波器 和法布裡珀羅調諧濾波器；射頻發生器接聲光可調濾波器，波形驅動器接法布
裡珀羅調諧濾波器，聲光可調濾波器的輸出端接法布裡珀羅調諧濾波器的輸入
j;山
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所述光功率增強系統包括提升級半導體光放大器和另外兩個光隔離器。 光功率增強系統中的第一光隔離器的輸入端與環形雷射振蕩腔內的光纖耦合器 連接，光功率增強系統中的第一光隔離器的輸出端經提升級半導體光放大器和 光功率增強系統中的第二光隔離器輸出掃頻雷射。
與背景技術相比，本發明具有的有益效果是1、 AOTF自由光譜範圍很寬，而FFP-TF光譜解析度很高(很窄的瞬時線 寬)，兩者級聯而成的組合型濾波器，可以突破一般濾波器的光譜範圍和光譜分 辨率間的制約關係，同時實現寬光譜範圍和高光譜解析度的調諧。
2、 窄自由光譜範圍要求的FFP-TF不受諧振頻率的限制，可在高得多的頻 率下工作，實現高速掃頻。AOTF採用射頻驅動的快速調製頻率，也可以實現高 速掃頻。因此，基於組合型調諧濾波器的掃頻雷射光源，可達到速度很高的掃 頻速度。
3、 窄自由光譜範圍要求的FFP-TF，所需驅動電壓比較低，可採用線性波 形來驅動，實現線性調諧。AOTF的射頻驅動頻率與透過(衍射)光波數呈線性 關係，也能確保線性調諧。因此，基於組合型調諧濾波器的掃頻雷射光源，可 以實現k空間的線性輸出。
4、 本發明的掃頻雷射是全光纖光源，可以克服自由空間結構的掃頻光源對 外界幹擾的敏感性，具有結構緊湊、抗幹擾能力強、易於維護和便攜的特點。
圖l是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明組合型調諧濾波器的AOTF和FFP-TF透射光譜圖及其驅動信 號間的同步時序。
圖中l.射頻發生器，2.波形驅動器，3.聲光可調濾波器，4.法布裡珀羅調 諧濾波器，5.色散控制延遲線，6.光隔離器，7.半導體光放大器，8.光隔離器9. 光纖耦合器，IO.光隔離器，ll.提升級半導體光放大器，12.光隔離器，13.組合 型調諧濾波器，14.環形雷射振蕩腔，15.光功率增強系統。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明
圖1所示為基於組合型調諧濾波器的全光纖快速掃頻雷射光源的結構示意
圖。由半導體光放大器7 (InPhenix,Inc.，IPSAD1301-L213)，色散控制延遲線5 (Coming, Inc., SMF28e)，組合型調諧濾波器13，兩個光隔離器6、 8 (Thorlabs， Inc., IO-H-1310APC-1)和光纖耦合器9 (Lightcomm Technology Co.， Ltd., DWC-A-l*2-1315-20/80-l-0-FC/APC)組成環形雷射振蕩腔14，以及光功率增強 系統15;從半導體光放大器7發出的受激輻射光，經環形雷射振蕩腔14內的第 一光隔離器6、色散控制延遲線5接到組合型調諧濾波器13中的聲光可調濾波 器濾波3輸入端，聲光可調濾波器濾波3輸出端經組合型調諧濾波器13中的法布裡珀羅調諧濾波器4、光纖耦合器9後分成兩路， 一路經環形雷射振蕩腔14 內的第二光隔離器8接半導體光放大器7，另一路接光功率增強系統15輸出掃 頻雷射。
環形雷射振蕩腔的增益介質是偏振不敏感的半導體光放大器，色散控制延 遲線是幾千米的長光纖，組合型調諧濾波器是由射頻驅動的AOTF和電壓驅動 的FFP-TF級聯而成。從半導體光放大器7發出的受激輻射光，經光隔離器6、 色散控制延遲線5入射到組合型調諧濾波器13濾波調諧，再由分光比為2: 8 光纖耦合器9耦合20%的光通過光隔離器8到環形雷射振蕩腔14增益放大，建 立雷射振蕩後由光纖耦合器9耦合80%的光出來。雷射通過環形雷射振蕩腔的 所需時間剛好與組合型調諧濾波器的調諧周期匹配，如公式(1)所示。
式中/，辦是環形雷射振蕩腔的長度；c是光速；m是整數；7>^是組合型調諧濾 波器的調諧周期。這種基於幾千米的長光纖的色散控制延遲線的傅立葉鎖模技 術，某一個波長的光經長腔傳播到組合型調諧濾波器13時，濾波器剛好調諧到 使該波長的光通過的窗口，使各色光同時在環形雷射振蕩腔14中振蕩，從而得 到了準連續模式輸出。因此，掃頻速度不再受各色光在腔的雷射建立振蕩的時 間限制，而只受限於組合型調諧濾波器的掃描速度。長腔內雷射振蕩的模式競 爭同時也提高了掃頻光的瞬時線寬。
組合型調諧濾波器13包括射頻發生器1 ( Brimrose Corp., VFI-125-50-SPF-Bl誦C3)、波形驅動器2 (Agilent Technologies Co., Ltd., 33220A)、 聲光可調濾波器3 (Brimrose Corp., TEAF3-0.95-1.4-OH-H)和法布裡珀羅調諧 濾波器4 (Micron Optics, Inc., FFP-TF1310-336G0104-3.0);射頻發生器1接聲光 可調濾波器3，波形驅動器2接法布裡珀羅調諧濾波器4，聲光可調濾波器3的 輸出端接法布裡珀羅調諧濾波器4的輸入端。
組合型調諧濾波器是由射頻發生器驅動的自由光譜範圍寬、光譜解析度低 的AOTF和波形驅動器驅動的自由光譜範圍窄、光譜解析度高的FFP-TF級聯而 成的，其原理如圖2所示。AOTF和FFP-TF的透射光譜如圖2所示，AOTF的 自由光譜範圍寬，但是光譜解析度低；而FFP-TF的自由光譜範圍窄，光譜分辨 率很高。兩者級聯而成的組合型調諧濾波器突破一般濾波器的自由光譜掃描範 圍和光譜解析度(瞬時線寬)的互相制約關係，同時實現了掃頻雷射光源的寬光譜範圍、高光譜解析度濾波調諧。組合型調諧濾波器對FFP-TF的自由光譜範 圍要求很低，FFP-TF突破傳統的工作在諧振頻率下的限制，可以工作在更高頻 率的驅動下，提高了掃頻速度。FFP-TF工作在更高頻率的非諧振頻率驅動下， 自由光譜範圍變得很窄，AOTF的自由光譜範圍是FFP-TF的n倍，FFP-TF的 調諧速度就是AOTF的n倍，如圖2所示。FFP-TF和AOTF中心波長保持同時 掃描，確保了高透過率，減少光功率損耗。AOTF採用射頻驅動的快速調製頻率 和FFP-TF的高頻率調製二者的倍頻組合，所以基於組合型調諧濾波器的掃頻激 光光源可達到速度很高的掃頻速度。FFP-TF在更高頻的非諧振頻率驅動下，所 需的驅動電壓比較低，從而可以用高頻的線性鋸齒波來驅動；AOTF的射頻驅動 頻率與透過(衍射)光波數也呈線性關係。基於AOTF線性調製的射頻驅動和 FFP-TF低電壓線性驅動的組合，得到掃頻雷射光源的k空間線性輸出。
光功率增強系統15中包括提升級半導體光放大器11 (InPhenix, Inc.， IPSAD1301-B213)和另外兩個光隔離器10、 12(Thorlabs， Inc., IO-H-1310APC-1); 光功率增強系統15中的第一光隔離器12的輸入端與環形雷射振蕩腔14內的光 纖耦合器9連接，光功率增強系統15中的第一光隔離器12的輸出端經提升級 半導體光放大器11和光功率增強系統15中的第二光隔離器IO輸出掃頻雷射。 光功率增強系統不僅大大提高了光功率，而且對光譜整形優化，使其在掃頻OCT 系統中能得到更好的圖像質量。
本實施例是基於1300 nm波段，但是本發明也可應用在1060 nm波段和1500 nm波段。
本發明公開的一種全光纖寬光譜範圍、高光譜解析度的快速線性掃頻雷射 光源，在傅立葉域鎖模技術的環形雷射振蕩腔採用自由光譜範圍寬、光譜分辨 率低的AOTF和自由光譜範圍窄、光譜解析度高的FFP-TF級聯而成的組合型調 諧濾波器進行濾波調諧。組合型調諧濾波器對FFP-TF的自由光譜範圍要求很 低，突破了FFP-TF的諧振頻率限制，確保了組合型調諧濾波器的高速與線性掃 頻特徵。這種全光纖掃頻雷射光源結構緊湊，抗幹擾能力強，易於便攜。基於 組合型調諧濾波器的全光纖快速掃頻雷射光源在快速高解析度的掃頻OCT系統 成像技術具有重要意義。
權利要求
1、一種基於組合型調諧濾波器的全光纖快速掃頻雷射光源，其特徵在於包括半導體光放大器(7)，色散控制延遲線(5)，組合型調諧濾波器(13)，兩個光隔離器(6、8)和光纖耦合器(9)組成環形雷射振蕩腔(14)，以及光功率增強系統(15)；從半導體光放大器(7)發出的受激輻射光，經環形雷射振蕩腔(14)內的第一光隔離器(6)、色散控制延遲線(5)接到組合型調諧濾波器(13)中的聲光可調濾波器濾波(3)輸入端，聲光可調濾波器濾波(3)輸出端經組合型調諧濾波器(13)中的法布裡珀羅調諧濾波器(4)、環形雷射振蕩腔(14)內的光纖耦合器(9)後分成兩路，一路經第二光隔離器(8)接半導體光放大器(7)，另一路接光功率增強系統(15)輸出掃頻雷射。
2、 根據權利要求1所述的一種基於組合型調諧濾波器的全光纖快速掃頻激 光光源，其特徵在於所述組合型調諧濾波器(13)包括射頻發生器(1)、波形驅動 器(2)、聲光可調濾波器(3)和法布裡珀羅調諧濾波器(4);射頻發生器(l)接聲光可 調濾波器(3)，波形驅動器(2)接法布裡珀羅調諧濾波器(4)，聲光可調濾波器(3) 的輸出端接法布裡珀羅調諧濾波器(4)的輸入端。
3、 根據權利要求1所述的一種基於組合型調諧濾波器的全光纖快速掃頻激 光光源，其特徵在於所述光功率增強系統(15)包括提升級半導體光放大器(11) 和另外兩個光隔離器(IO、 12);光功率增強系統(15)中的第一光隔離器(12)的輸 入端與環形雷射振蕩腔(14)內的光纖耦合器(9)連接，光功率增強系統(15)中的第 一光隔離器(12)的輸出端經提升級半導體光放大器(11)和光功率增強系統(15)中 的第二光隔離器(10)輸出掃頻雷射。
全文摘要
本發明公開了一種基於組合型調諧濾波器的全光纖快速掃頻雷射光源。掃頻雷射光源基於傅立葉域鎖模技術，包括增益介質、組合型調諧濾波器和色散控制延遲線的全光纖環形振蕩腔以及光功率增強系統。組合型調諧濾波器由自由光譜範圍寬、光譜解析度低的聲光可調濾波器和自由光譜範圍窄、光譜解析度高的法布裡珀羅調諧濾波器級聯而成，兼備聲光可調濾波器的寬的自由光譜範圍和法布裡珀羅調諧濾波器的高光譜解析度雙重優勢。全光纖掃頻雷射光源結構緊湊，抗幹擾能力強，易於便攜。基於組合型調諧濾波器的全光纖快速掃頻光源，能實現寬帶、高光譜分辨的線性掃頻雷射輸出，在快速高解析度的掃頻光學相干層析成像技術具有重要意義。
文檔編號H01S5/00GK101626141SQ20091010097
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月6日 優先權日2009年8月6日
發明者丁志華, 彤 吳, 磊 徐, 凱 王, 川 王, 玲 王, 陳明惠 申請人:浙江大學