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      基于組合型調(diào)諧濾波器的全光纖快速掃頻激光光源的制作方法

      文檔序號(hào):6931783閱讀:288來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:基于組合型調(diào)諧濾波器的全光纖快速掃頻激光光源的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及掃頻光學(xué)相干層析成像技術(shù),尤其是涉及一種基于組合型調(diào)諧 濾波器的全光纖快速掃頻激光光源。
      背景技術(shù)
      光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography,簡(jiǎn)稱OCT)是一種新 興的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù),能非侵入地、無(wú)損傷地對(duì)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。光學(xué)頻率域成像(掃頻OCT)是最新一 代的OCT技術(shù),才發(fā)展10年左右的時(shí)間,它是利用寬帶快速調(diào)諧的掃頻激光 光源和點(diǎn)探測(cè)器探測(cè)干涉信號(hào),同時(shí)具備譜域OCT的快速成像能力和時(shí)域OCT 的點(diǎn)探測(cè)優(yōu)勢(shì)。掃頻OCT具有無(wú)損傷、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(guò)程監(jiān)視和手術(shù)介導(dǎo)等臨床功能。
      理想的掃頻激光光源需滿足光波波數(shù)(k)空間線性輸出,快速頻率掃描、 寬的光譜范圍、高光譜分辨率(窄的瞬時(shí)線寬)和高的輸出光功率。掃頻速度 決定成像速度,光譜范圍決定系統(tǒng)軸向分辨率,瞬時(shí)線寬決定成像深度,光功 率與系統(tǒng)成像靈敏度密切相關(guān)。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。這種調(diào)諧濾波器的自由光譜范圍和光 譜分辨率(瞬時(shí)線寬)是互相制約的。掃頻速度受到了腔內(nèi)激光建立時(shí)間和旋 轉(zhuǎn)多面鏡的調(diào)諧速度的限制。多面鏡的旋轉(zhuǎn)造成了掃頻激光輸出的相位不穩(wěn)定 性。此外,自由空間結(jié)構(gòu)的調(diào)諧濾波器,易于受到外界的影響,無(wú)法滿足便攜 式掃頻激光光源的要求。美國(guó)MIT的Fujimoto小組和加州大學(xué)的Chen小組等, 采用光纖法布里珀羅調(diào)諧濾波器(fiber Fabry-Perot tunable filter, FFP-TF)發(fā)展 了短腔掃頻激光光源。這種技術(shù)的掃頻激光光源的掃頻速度受限于濾波器的調(diào) 諧速度和腔內(nèi)激光建立時(shí)間。為了提高掃頻速度,F(xiàn)ujimoto研究小組,又發(fā)展了 基于傅里葉域鎖模技術(shù)的長(zhǎng)腔掃頻激光光源,利用幾千米的長(zhǎng)光纖作為色散控 制延遲線。激光通過(guò)環(huán)形振蕩長(zhǎng)腔的所需時(shí)間剛好與調(diào)諧濾波器FFP-TF的調(diào)諧 周期匹配。FFP-TF濾出的各色光同時(shí)在諧振腔內(nèi)振蕩,不需要像短腔那樣,某 一個(gè)波長(zhǎng)的光建立起激光振蕩后才到下一個(gè)波長(zhǎng)的光通過(guò),所以雖然諧振腔的 腔長(zhǎng)比短腔長(zhǎng)得多,但掃頻速度反而提高了。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。由于要獲得寬的掃描光譜范圍,F(xiàn)FP-TF必須工作在 它固有的諧振頻率條件下,并且所需的驅(qū)動(dòng)電壓也要求比較高,所以只能采用 正弦驅(qū)動(dòng)波形來(lái)驅(qū)動(dòng)FFP-TF,從而導(dǎo)致非線性掃頻。而且,高頻高壓驅(qū)動(dòng)器本 身也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),且價(jià)格昂貴,造成成本的增加。印度和韓國(guó)的研究小組 的掃頻激光光源采用聲光可調(diào)濾波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)作為濾 波調(diào)諧元件。AOTF無(wú)運(yùn)動(dòng)件,穩(wěn)定性好,掃頻速度快。AOTF的射頻驅(qū)動(dòng)頻率 與透過(guò)(衍射)光波數(shù)呈線性關(guān)系,可實(shí)現(xiàn)線性掃頻。AOTF自由光譜范圍寬, 但其光譜分辨率比較低。因此,無(wú)法獲得高分辨的瞬時(shí)光譜輸出。
      綜上所述,如何獲得寬光譜范圍、高光譜分辨率、k空間線性輸出的可便攜 高速掃頻激光光源是一大技術(shù)難點(diǎn)。

      發(fā)明內(nèi)容
      為了克服背景技術(shù)的不足,本發(fā)明的目的在于提供一種組合型調(diào)諧濾波器 的全光纖快速掃頻激光光源。在基于傅里葉域鎖模技術(shù)的激光振蕩腔采用光譜 分辨率低、自由光譜范圍寬的AOTF和自由光譜范圍窄、光譜分辨率高的FFP-TF
      級(jí)聯(lián)而成的組合型調(diào)諧濾波器。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
      本發(fā)明包括半導(dǎo)體光放大器,色散控制延遲線,組合型調(diào)諧濾波器,兩個(gè) 光隔離器和光纖耦合器組成環(huán)形激光振蕩腔,以及光功率增強(qiáng)系統(tǒng)。從半導(dǎo)體 光放大器發(fā)出的受激輻射光,經(jīng)環(huán)形激光振蕩腔內(nèi)的第一光隔離器、色散控制 延遲線接到組合型調(diào)諧濾波器中的聲光可調(diào)濾波器濾波輸入端,聲光可調(diào)濾波 器濾波輸出端經(jīng)組合型調(diào)諧濾波器中的法布里珀羅調(diào)諧濾波器、環(huán)形激光振蕩 腔內(nèi)的光纖耦合器后分成兩路, 一路經(jīng)第二光隔離器接半導(dǎo)體光放大器,另一 路接光功率增強(qiáng)系統(tǒng)輸出掃頻激光。
      所述組合型調(diào)諧濾波器包括射頻發(fā)生器、波形驅(qū)動(dòng)器、聲光可調(diào)濾波器 和法布里珀羅調(diào)諧濾波器;射頻發(fā)生器接聲光可調(diào)濾波器,波形驅(qū)動(dòng)器接法布
      里珀羅調(diào)諧濾波器,聲光可調(diào)濾波器的輸出端接法布里珀羅調(diào)諧濾波器的輸入
      j;山
      順o
      所述光功率增強(qiáng)系統(tǒng)包括提升級(jí)半導(dǎo)體光放大器和另外兩個(gè)光隔離器。 光功率增強(qiáng)系統(tǒng)中的第一光隔離器的輸入端與環(huán)形激光振蕩腔內(nèi)的光纖耦合器 連接,光功率增強(qiáng)系統(tǒng)中的第一光隔離器的輸出端經(jīng)提升級(jí)半導(dǎo)體光放大器和 光功率增強(qiáng)系統(tǒng)中的第二光隔離器輸出掃頻激光。
      與背景技術(shù)相比,本發(fā)明具有的有益效果是1、 AOTF自由光譜范圍很寬,而FFP-TF光譜分辨率很高(很窄的瞬時(shí)線 寬),兩者級(jí)聯(lián)而成的組合型濾波器,可以突破一般濾波器的光譜范圍和光譜分 辨率間的制約關(guān)系,同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍和高光譜分辨率的調(diào)諧。
      2、 窄自由光譜范圍要求的FFP-TF不受諧振頻率的限制,可在高得多的頻 率下工作,實(shí)現(xiàn)高速掃頻。AOTF采用射頻驅(qū)動(dòng)的快速調(diào)制頻率,也可以實(shí)現(xiàn)高 速掃頻。因此,基于組合型調(diào)諧濾波器的掃頻激光光源,可達(dá)到速度很高的掃 頻速度。
      3、 窄自由光譜范圍要求的FFP-TF,所需驅(qū)動(dòng)電壓比較低,可采用線性波 形來(lái)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)線性調(diào)諧。AOTF的射頻驅(qū)動(dòng)頻率與透過(guò)(衍射)光波數(shù)呈線性 關(guān)系,也能確保線性調(diào)諧。因此,基于組合型調(diào)諧濾波器的掃頻激光光源,可 以實(shí)現(xiàn)k空間的線性輸出。
      4、 本發(fā)明的掃頻激光是全光纖光源,可以克服自由空間結(jié)構(gòu)的掃頻光源對(duì) 外界干擾的敏感性,具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)、易于維護(hù)和便攜的特點(diǎn)。


      圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
      圖2是本發(fā)明組合型調(diào)諧濾波器的AOTF和FFP-TF透射光譜圖及其驅(qū)動(dòng)信 號(hào)間的同步時(shí)序。
      圖中l(wèi).射頻發(fā)生器,2.波形驅(qū)動(dòng)器,3.聲光可調(diào)濾波器,4.法布里珀羅調(diào) 諧濾波器,5.色散控制延遲線,6.光隔離器,7.半導(dǎo)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(jí)半導(dǎo)體光放大器,12.光隔離器,13.組合 型調(diào)諧濾波器,14.環(huán)形激光振蕩腔,15.光功率增強(qiáng)系統(tǒng)。
      具體實(shí)施例方式
      下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明
      圖1所示為基于組合型調(diào)諧濾波器的全光纖快速掃頻激光光源的結(jié)構(gòu)示意
      圖。由半導(dǎo)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(diào)諧濾波器13,兩個(gè)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(huán)形激光振蕩腔14,以及光功率增強(qiáng) 系統(tǒng)15;從半導(dǎo)體光放大器7發(fā)出的受激輻射光,經(jīng)環(huán)形激光振蕩腔14內(nèi)的第 一光隔離器6、色散控制延遲線5接到組合型調(diào)諧濾波器13中的聲光可調(diào)濾波 器濾波3輸入端,聲光可調(diào)濾波器濾波3輸出端經(jīng)組合型調(diào)諧濾波器13中的法布里珀羅調(diào)諧濾波器4、光纖耦合器9后分成兩路, 一路經(jīng)環(huán)形激光振蕩腔14 內(nèi)的第二光隔離器8接半導(dǎo)體光放大器7,另一路接光功率增強(qiáng)系統(tǒng)15輸出掃 頻激光。
      環(huán)形激光振蕩腔的增益介質(zhì)是偏振不敏感的半導(dǎo)體光放大器,色散控制延 遲線是幾千米的長(zhǎng)光纖,組合型調(diào)諧濾波器是由射頻驅(qū)動(dòng)的AOTF和電壓驅(qū)動(dòng) 的FFP-TF級(jí)聯(lián)而成。從半導(dǎo)體光放大器7發(fā)出的受激輻射光,經(jīng)光隔離器6、 色散控制延遲線5入射到組合型調(diào)諧濾波器13濾波調(diào)諧,再由分光比為2: 8 光纖耦合器9耦合20%的光通過(guò)光隔離器8到環(huán)形激光振蕩腔14增益放大,建 立激光振蕩后由光纖耦合器9耦合80%的光出來(lái)。激光通過(guò)環(huán)形激光振蕩腔的 所需時(shí)間剛好與組合型調(diào)諧濾波器的調(diào)諧周期匹配,如公式(1)所示。
      式中/,辦是環(huán)形激光振蕩腔的長(zhǎng)度;c是光速;m是整數(shù);7>^是組合型調(diào)諧濾 波器的調(diào)諧周期。這種基于幾千米的長(zhǎng)光纖的色散控制延遲線的傅里葉鎖模技 術(shù),某一個(gè)波長(zhǎng)的光經(jīng)長(zhǎng)腔傳播到組合型調(diào)諧濾波器13時(shí),濾波器剛好調(diào)諧到 使該波長(zhǎng)的光通過(guò)的窗口,使各色光同時(shí)在環(huán)形激光振蕩腔14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(shí) 間限制,而只受限于組合型調(diào)諧濾波器的掃描速度。長(zhǎng)腔內(nèi)激光振蕩的模式競(jìng) 爭(zhēng)同時(shí)也提高了掃頻光的瞬時(shí)線寬。
      組合型調(diào)諧濾波器13包括射頻發(fā)生器1 ( Brimrose Corp., VFI-125-50-SPF-Bl誦C3)、波形驅(qū)動(dòng)器2 (Agilent Technologies Co., Ltd., 33220A)、 聲光可調(diào)濾波器3 (Brimrose Corp., TEAF3-0.95-1.4-OH-H)和法布里珀羅調(diào)諧 濾波器4 (Micron Optics, Inc., FFP-TF1310-336G0104-3.0);射頻發(fā)生器1接聲光 可調(diào)濾波器3,波形驅(qū)動(dòng)器2接法布里珀羅調(diào)諧濾波器4,聲光可調(diào)濾波器3的 輸出端接法布里珀羅調(diào)諧濾波器4的輸入端。
      組合型調(diào)諧濾波器是由射頻發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的自由光譜范圍寬、光譜分辨率低 的AOTF和波形驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的自由光譜范圍窄、光譜分辨率高的FFP-TF級(jí)聯(lián)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 自由光譜范圍寬,但是光譜分辨率低;而FFP-TF的自由光譜范圍窄,光譜分辨 率很高。兩者級(jí)聯(lián)而成的組合型調(diào)諧濾波器突破一般濾波器的自由光譜掃描范 圍和光譜分辨率(瞬時(shí)線寬)的互相制約關(guān)系,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了掃頻激光光源的寬光譜范圍、高光譜分辨率濾波調(diào)諧。組合型調(diào)諧濾波器對(duì)FFP-TF的自由光譜范 圍要求很低,F(xiàn)FP-TF突破傳統(tǒng)的工作在諧振頻率下的限制,可以工作在更高頻 率的驅(qū)動(dòng)下,提高了掃頻速度。FFP-TF工作在更高頻率的非諧振頻率驅(qū)動(dòng)下, 自由光譜范圍變得很窄,AOTF的自由光譜范圍是FFP-TF的n倍,F(xiàn)FP-TF的 調(diào)諧速度就是AOTF的n倍,如圖2所示。FFP-TF和AOTF中心波長(zhǎng)保持同時(shí) 掃描,確保了高透過(guò)率,減少光功率損耗。AOTF采用射頻驅(qū)動(dòng)的快速調(diào)制頻率 和FFP-TF的高頻率調(diào)制二者的倍頻組合,所以基于組合型調(diào)諧濾波器的掃頻激 光光源可達(dá)到速度很高的掃頻速度。FFP-TF在更高頻的非諧振頻率驅(qū)動(dòng)下,所 需的驅(qū)動(dòng)電壓比較低,從而可以用高頻的線性鋸齒波來(lái)驅(qū)動(dòng);AOTF的射頻驅(qū)動(dòng) 頻率與透過(guò)(衍射)光波數(shù)也呈線性關(guān)系?;贏OTF線性調(diào)制的射頻驅(qū)動(dòng)和 FFP-TF低電壓線性驅(qū)動(dòng)的組合,得到掃頻激光光源的k空間線性輸出。
      光功率增強(qiáng)系統(tǒng)15中包括提升級(jí)半導(dǎo)體光放大器11 (InPhenix, Inc., IPSAD1301-B213)和另外兩個(gè)光隔離器10、 12(Thorlabs, Inc., IO-H-1310APC-1); 光功率增強(qiáng)系統(tǒng)15中的第一光隔離器12的輸入端與環(huán)形激光振蕩腔14內(nèi)的光 纖耦合器9連接,光功率增強(qiáng)系統(tǒng)15中的第一光隔離器12的輸出端經(jīng)提升級(jí) 半導(dǎo)體光放大器11和光功率增強(qiáng)系統(tǒng)15中的第二光隔離器IO輸出掃頻激光。 光功率增強(qiáng)系統(tǒng)不僅大大提高了光功率,而且對(duì)光譜整形優(yōu)化,使其在掃頻OCT 系統(tǒng)中能得到更好的圖像質(zhì)量。
      本實(shí)施例是基于1300 nm波段,但是本發(fā)明也可應(yīng)用在1060 nm波段和1500 nm波段。
      本發(fā)明公開的一種全光纖寬光譜范圍、高光譜分辨率的快速線性掃頻激光 光源,在傅里葉域鎖模技術(shù)的環(huán)形激光振蕩腔采用自由光譜范圍寬、光譜分辨 率低的AOTF和自由光譜范圍窄、光譜分辨率高的FFP-TF級(jí)聯(lián)而成的組合型調(diào) 諧濾波器進(jìn)行濾波調(diào)諧。組合型調(diào)諧濾波器對(duì)FFP-TF的自由光譜范圍要求很 低,突破了FFP-TF的諧振頻率限制,確保了組合型調(diào)諧濾波器的高速與線性掃 頻特征。這種全光纖掃頻激光光源結(jié)構(gòu)緊湊,抗干擾能力強(qiáng),易于便攜。基于 組合型調(diào)諧濾波器的全光纖快速掃頻激光光源在快速高分辨率的掃頻OCT系統(tǒng) 成像技術(shù)具有重要意義。
      權(quán)利要求
      1、一種基于組合型調(diào)諧濾波器的全光纖快速掃頻激光光源,其特征在于包括半導(dǎo)體光放大器(7),色散控制延遲線(5),組合型調(diào)諧濾波器(13),兩個(gè)光隔離器(6、8)和光纖耦合器(9)組成環(huán)形激光振蕩腔(14),以及光功率增強(qiáng)系統(tǒng)(15);從半導(dǎo)體光放大器(7)發(fā)出的受激輻射光,經(jīng)環(huán)形激光振蕩腔(14)內(nèi)的第一光隔離器(6)、色散控制延遲線(5)接到組合型調(diào)諧濾波器(13)中的聲光可調(diào)濾波器濾波(3)輸入端,聲光可調(diào)濾波器濾波(3)輸出端經(jīng)組合型調(diào)諧濾波器(13)中的法布里珀羅調(diào)諧濾波器(4)、環(huán)形激光振蕩腔(14)內(nèi)的光纖耦合器(9)后分成兩路,一路經(jīng)第二光隔離器(8)接半導(dǎo)體光放大器(7),另一路接光功率增強(qiáng)系統(tǒng)(15)輸出掃頻激光。
      2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于組合型調(diào)諧濾波器的全光纖快速掃頻激 光光源,其特征在于所述組合型調(diào)諧濾波器(13)包括射頻發(fā)生器(1)、波形驅(qū)動(dòng) 器(2)、聲光可調(diào)濾波器(3)和法布里珀羅調(diào)諧濾波器(4);射頻發(fā)生器(l)接聲光可 調(diào)濾波器(3),波形驅(qū)動(dòng)器(2)接法布里珀羅調(diào)諧濾波器(4),聲光可調(diào)濾波器(3) 的輸出端接法布里珀羅調(diào)諧濾波器(4)的輸入端。
      3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于組合型調(diào)諧濾波器的全光纖快速掃頻激 光光源,其特征在于所述光功率增強(qiáng)系統(tǒng)(15)包括提升級(jí)半導(dǎo)體光放大器(11) 和另外兩個(gè)光隔離器(IO、 12);光功率增強(qiáng)系統(tǒng)(15)中的第一光隔離器(12)的輸 入端與環(huán)形激光振蕩腔(14)內(nèi)的光纖耦合器(9)連接,光功率增強(qiáng)系統(tǒng)(15)中的第 一光隔離器(12)的輸出端經(jīng)提升級(jí)半導(dǎo)體光放大器(11)和光功率增強(qiáng)系統(tǒng)(15)中 的第二光隔離器(10)輸出掃頻激光。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種基于組合型調(diào)諧濾波器的全光纖快速掃頻激光光源。掃頻激光光源基于傅里葉域鎖模技術(shù),包括增益介質(zhì)、組合型調(diào)諧濾波器和色散控制延遲線的全光纖環(huán)形振蕩腔以及光功率增強(qiáng)系統(tǒng)。組合型調(diào)諧濾波器由自由光譜范圍寬、光譜分辨率低的聲光可調(diào)濾波器和自由光譜范圍窄、光譜分辨率高的法布里珀羅調(diào)諧濾波器級(jí)聯(lián)而成,兼?zhèn)渎暪饪烧{(diào)濾波器的寬的自由光譜范圍和法布里珀羅調(diào)諧濾波器的高光譜分辨率雙重優(yōu)勢(shì)。全光纖掃頻激光光源結(jié)構(gòu)緊湊,抗干擾能力強(qiáng),易于便攜?;诮M合型調(diào)諧濾波器的全光纖快速掃頻光源,能實(shí)現(xiàn)寬帶、高光譜分辨的線性掃頻激光輸出,在快速高分辨率的掃頻光學(xué)相干層析成像技術(shù)具有重要意義。
      文檔編號(hào)H01S5/00GK101626141SQ20091010097
      公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
      發(fā)明者丁志華, 彤 吳, 磊 徐, 凱 王, 川 王, 玲 王, 陳明惠 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)
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