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。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，同時具備譜域OCT的快速成像能力和時域OCT 的點(diǎn)探測優(yōu)勢。掃頻OCT具有無損傷、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(瞬時線寬)是互相制約的。掃頻速度受到了腔內(nèi)激光建立時間和旋 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，無法滿足便攜 式掃頻激光光源的要求。美國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FFP-TF的調(diào)諧 周期匹配。FFP-TF濾出的各色光同時在諧振腔內(nèi)振蕩，不需要像短腔那樣，某 一個波長的光建立起激光振蕩后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(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)動電壓也要求比較高，所以只能采用 正弦驅(qū)動波形來驅(qū)動FFP-TF，從而導(dǎo)致非線性掃頻。而且，高頻高壓驅(qū)動器本 身也是一個技術(shù)難點(diǎn)，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無運(yùn)動件，穩(wěn)定性好，掃頻速度快。AOTF的射頻驅(qū)動頻率 與透過(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，無法獲得高分辨的瞬時光譜輸出。
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 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)包括提升級半導(dǎo)體光放大器和另外兩個光隔離器。 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(很窄的瞬時線 寬)，兩者級聯(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)動電壓比較低，可采用線性波 形來驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)線性調(diào)諧。AOTF的射頻驅(qū)動頻率與透過(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 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)動信 號間的同步時序。
圖中l(wèi).射頻發(fā)生器，2.波形驅(qū)動器，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)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明
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 遲線是幾千米的長光纖，組合型調(diào)諧濾波器是由射頻驅(qū)動的AOTF和電壓驅(qū)動 的FFP-TF級聯(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。激光通過環(huán)形激光振蕩腔的 所需時間剛好與組合型調(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)長腔傳播到組合型調(diào)諧濾波器13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 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光的瞬時線寬。
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)動的自由光譜范圍寬、光譜分辨率低 的AOTF和波形驅(qū)動器驅(qū)動的自由光譜范圍窄、光譜分辨率高的FFP-TF級聯(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(瞬時線寬)的互相制約關(guān)系，同時實(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中心波長保持同時 掃描，確保了高透過率，減少光功率損耗。AOTF采用射頻驅(qū)動的快速調(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)動下，所 需的驅(qū)動電壓比較低，從而可以用高頻的線性鋸齒波來驅(qū)動；AOTF的射頻驅(qū)動 頻率與透過(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)動和 FFP-TF低電壓線性驅(qū)動的組合，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中包括提升級半導(dǎo)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(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 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 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)包括提升級半導(dǎo)體光放大器(11) 和另外兩個光隔離器(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。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H01S5/00GK101626141SQ20091010097
公開日2010年1月13日 申請日期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 申請人:浙江大學(xué)