吳中超,申向偉,王大貴,夏 茜,王曉新,張澤紅,何曉亮
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)
光學(xué)相干層析(OCT)技術(shù)是在1991年提出的一種醫(yī)學(xué)成像技術(shù)[1],與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)相比,其具有無(wú)損傷、非介入、無(wú)害、圖像分辨率高且操作簡(jiǎn)單、便攜等優(yōu)點(diǎn),在生物組織活體檢測(cè)和成像方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。根據(jù)成像原理,OCT可分為時(shí)域光學(xué)相干層析成像(TDOCT)和頻域相干層析成像(FDOCT)[5-6]。TDOCT通過(guò)機(jī)械控制來(lái)改變樣品光和參考光的光程差,利用外差法得到測(cè)試樣品的軸向信息,具有分辨率高和成像深度深的優(yōu)點(diǎn),但成像速度較慢。FDOCT直接探測(cè)樣品光和參考光的干涉信號(hào),并對(duì)其光譜進(jìn)行傅里葉逆變換得到樣品的軸向信息。與TDOCT相比,F(xiàn)DOCT具有響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。FDOCT技術(shù)包括掃頻光學(xué)相干層析(SSOCT)和譜域OCT(SDOCT)。SDOCT使用固定頻率的低相干光光源,通過(guò)光柵分光,采用陣列CCD相機(jī)檢測(cè)干涉光譜來(lái)獲得信息。SSOCT利用頻率可變的掃頻光源替代SDOCT使用的低相干光源,采用單點(diǎn)探測(cè)器檢測(cè)不同波長(zhǎng)的干涉信號(hào)。與SDOCT相比,掃頻OCT在精度、安全和應(yīng)用范圍方面優(yōu)勢(shì)明顯。掃頻光源的重復(fù)頻率、光譜可調(diào)范圍、單光譜3 dB帶寬、輸出功率是限制SSOCT的成像速度、分辨率、穿透深度和信噪比的關(guān)鍵參數(shù)。美國(guó)Axsun公司生產(chǎn)的SSOCT1060和SSOCT1310快速掃頻激光光源,可調(diào)范圍約110 nm,光源相干長(zhǎng)度11 μm,單脈沖3 dB相干長(zhǎng)度12 mm。本文研制的掃頻光源光譜可調(diào)范圍約120 nm,光源相干長(zhǎng)度20 μm,單脈沖3 dB相干長(zhǎng)度24.9 mm,掃頻速率達(dá)100 kHz,具有成本低、掃頻范圍廣、相干長(zhǎng)度長(zhǎng)及掃頻速度快等特點(diǎn),該掃頻光源主要用于SSOCT,可提高系統(tǒng)的成像能力。
掃頻光源[7-8]一般由激光耦合輸出部分和諧振腔組成。諧振腔由光放大和光學(xué)調(diào)諧濾波器組成。當(dāng)光放大產(chǎn)生的增益大于諧振腔的損耗時(shí),信號(hào)在諧振腔內(nèi)得到放大,形成穩(wěn)態(tài)振蕩,輸出掃頻激光。其示意圖如圖1所示,其中諧振腔的結(jié)構(gòu)、濾波器的性能和鎖模方式是決定掃頻光源輸出光譜性能的關(guān)鍵因素。
圖1 掃頻光源原理示意圖
諧振腔有線性諧振腔、環(huán)形諧振腔等。環(huán)形諧振腔可在較短光纖的情況下,經(jīng)多次循環(huán),實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)腔長(zhǎng)的效果,得到線寬窄、頻率高、穩(wěn)定的激光輸出。
掃頻光源的鎖模方式有被動(dòng)鎖模和主動(dòng)鎖模[9-10]。被動(dòng)鎖模是利用光纖或者其他光學(xué)元件的非線性效應(yīng)與輸入脈沖強(qiáng)度相關(guān)性來(lái)實(shí)現(xiàn)各縱模相位鎖定。其優(yōu)點(diǎn)在于不需要有源調(diào)制器參與鎖模,結(jié)構(gòu)相比主動(dòng)鎖模更簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是輸出脈沖的重復(fù)頻率由腔長(zhǎng)決定,難以得到高速率的鎖模脈沖輸出。主動(dòng)鎖模是通過(guò)采用外部周期性地調(diào)制諧振腔參量來(lái)實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)縱模相位鎖定。其具有重復(fù)頻率高、脈沖波形對(duì)稱(chēng)和中心波長(zhǎng)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),而缺點(diǎn)是輸出脈沖的脈寬和峰值功率受外界環(huán)境影響因素較多。
本文掃頻光源采用由保偏半導(dǎo)體光放大器(PMBOA)、隔離器(ISO)、光纖聲光可調(diào)濾光器(FAOTF)和光纖耦合器組成的環(huán)形腔結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 掃頻光源結(jié)構(gòu)圖
PMBOA在直流電流驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生一個(gè)寬帶的自發(fā)輻射譜,通過(guò)ISO和FAOTF進(jìn)行選頻和濾波。選頻后,經(jīng)過(guò)光纖耦合器分為兩路光,一路光重新進(jìn)入PMBOA,另一路光作為輸出光。PMBOA作為一個(gè)放大元件,對(duì)FAOTF選頻后的光信號(hào)進(jìn)行放大。當(dāng)PMBOA對(duì)光信號(hào)的放大增益與環(huán)形腔內(nèi)的損耗平衡時(shí),可以產(chǎn)生穩(wěn)定的激光振蕩。通過(guò)調(diào)整FAOTF的驅(qū)動(dòng)頻率,可以改變AOTF濾出的光頻率,即可實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)的掃頻激光輸出。
本實(shí)驗(yàn)采用自制的FAOTF,其功能是通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)頻率,可從復(fù)雜光譜中濾出所需的波長(zhǎng)。外形如圖3所示,其工作波長(zhǎng)900~1 700 nm。工作波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)頻率,衍射效率關(guān)系如圖4所示。
圖3 FAOTF外形圖
本實(shí)驗(yàn)采用的PMBOA在電流600 mA,溫度控制在25 ℃的條件下,峰值波長(zhǎng)為1 550 nm,在輸入信號(hào)波長(zhǎng)1 550 nm,-20 dBm時(shí),增益可達(dá)27 dB,整個(gè)自發(fā)輻射噪聲譜17.5 dB帶寬為200 nm(1 450~1 650 nm)。由圖4可見(jiàn),F(xiàn)AOTF在1 450~1 650 nm的衍射效率高于75%。光纖AOTF在此波段的3 dB帶寬約6 nm,如圖5所示。
分別選取分光比為50∶50,40∶60,30∶70,20∶80,10∶90,1∶99的光纖耦合器進(jìn)行試驗(yàn),要求整個(gè)光譜范圍內(nèi)輸出光脈沖功率>10 mW,故最終選取分光比為20∶80的光纖耦合器,PMBOA在電流330 mA,實(shí)現(xiàn)了寬光譜、窄線寬穩(wěn)定脈沖激光輸出。輸出光譜結(jié)果如圖6所示。
圖6 掃頻光源輸出光譜圖
由圖6(a)、(b)可以看出,在PMBOA電流為330 mA,光纖耦合器分光比為20∶80時(shí),輸出光譜范圍為1 500.146 2~1 619.477 0 nm,可調(diào)光譜范圍119 nm。由圖6(c)可見(jiàn),在1 596 nm處單脈沖3 dB帶寬為0.096 6 nm。由此可以看出,F(xiàn)AOTF濾出的光譜經(jīng)過(guò)該環(huán)形腔壓縮后,光譜3 dB帶寬明顯減小,單脈沖光譜的相干長(zhǎng)度得到加強(qiáng)。
本文采用環(huán)形腔壓縮自制寬帶FAOTF輸出單脈沖線寬的方式,研制出了一種光譜可調(diào)范圍119 nm,光源相干長(zhǎng)度20 μm,單脈沖3 dB相干長(zhǎng)度24.9 mm,掃頻速率達(dá)100 kHz的快速掃頻光源。該光源具有成本低,掃頻范圍廣,相干長(zhǎng)度長(zhǎng)和掃頻速度快等特點(diǎn),對(duì)SSOCT成像性能的提高有一定推動(dòng)作用。