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CN112436367B - 一种应用npr锁模的扫频光源及oct成像系统 - Google Patents

一种应用npr锁模的扫频光源及oct成像系统 Download PDF

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CN112436367B CN202011399480.5A CN202011399480A CN112436367B CN 112436367 B CN112436367 B CN 112436367B CN 202011399480 A CN202011399480 A CN 202011399480A CN 112436367 B CN112436367 B CN 112436367B
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Abstract

本发明实施例适用于现代光通信技术领域，包括NPR锁模脉冲输出单元、光环形器、色散介质以及扫频激光输出端，所述NPR锁模脉冲输出单元用于输出脉冲激光，所述光环形器的第一端与所述NPR锁模脉冲输出单元连接，所述光环形器的第二端与所述色散介质连接，所述光环形器的第三端与所述扫频激光输出端连接，所述脉冲激光从所述光环形器的第一端进入并经所述光环形器的第二端传输至所述色散介质中，所述脉冲激光在所述色散介质中进行色散傅里叶变换后形成长脉冲，所述长脉冲经过所述光环形器的第二端以及所述光环形器的第三端并从所述扫频激光输出端输出。本发明旨在解决相关技术的扫频光源扫频速度不够快的问题。

Description

一种应用NPR锁模的扫频光源及OCT成像系统
技术领域
本发明属于现代光通信技术领域，尤其涉及一种应用NPR锁模的扫频光源及OCT成像系统。
背景技术
光学相干层析成像技术(Optical coherence tomography，OCT)是一种非侵入、非接触的光学层析成像技术，具有极高的分辨率。扫频OCT技术属于第三代的OCT技术，其灵敏度和信噪比明显优于传统的OCT技术；并且扫频OCT技术的深度信息获取过程不需要轴向机械扫描，因而能够显著提高OCT系统的成像速度，增强系统的稳定性。扫频OCT系统通过扫频激光器的快速波长扫描，并使用点探测器对波长的干涉信号进行强度探测，最后通过对干涉光谱信号的傅里叶变换获取物体的微观结构信息，得到待测样品的层析图像。系统的轴向扫描速度取决于扫频激光器的波长扫描速度，因此能够极大的提高系统的成像速度。
相关技术的扫频OCT系统多采用多面镜调谐式扫频光源、傅里叶域扫频光源或Mems扫频光源，多面镜调谐式扫频光源采用传统的机械结构进行波长调谐，调谐速度最低，约为101kHz；傅里叶域扫频光源采用压电陶瓷作为法布里-珀罗谐振腔，通过加载周期性变化的电信号来调节腔长进行波长调谐，调谐速度取决于压电陶瓷对电信号的响应速度，一般为102kHz，在加入腔内缓存结构后，扫频速度可以达到103kHz；Mems扫频光源通过微型电机改变垂直布置的法布里-珀罗谐振腔长度，来获得扫频输出，扫频速度受限于电机对腔长的调节速度，为102～103kHz，无论是多面镜调谐式扫频光源、傅里叶域扫频光源还是Mems扫频光源，均存在扫频速度不够快的缺陷。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种应用NPR锁模的扫频光源，旨在解决相关技术的扫频光源扫频速度不够快的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种应用NPR锁模的扫频光源，包括NPR锁模脉冲输出单元、光环形器、色散介质以及扫频激光输出端，所述NPR锁模脉冲输出单元用于输出脉冲激光，所述光环形器的第一端与所述NPR锁模脉冲输出单元连接，所述光环形器的第二端与所述色散介质连接，所述光环形器的第三端与所述扫频激光输出端连接，所述脉冲激光从所述光环形器的第一端进入并经所述光环形器的第二端传输至所述色散介质中，所述脉冲激光在所述色散介质中进行色散傅里叶变换后形成长脉冲，所述长脉冲经过所述光环形器的第二端以及所述光环形器的第三端并从所述扫频激光输出端输出。
进一步地，所述NPR锁模脉冲输出单元包括光源、波分复用器、C波段掺铒光纤、L波段掺铒光纤、偏振控制器、偏振相关光隔离器、第一单模光纤以及光耦合器，所述光源的输出端与所述波分复用器的第一输入端连接，所述波分复用器的输出端与所述C波段掺铒光纤的一端连接，所述C波段掺铒光纤的另一端连接所述L波段掺铒光纤一端，所述L波段掺铒光纤另一端与所述偏振控制器的输入端连接，所述偏振控制器的输出端与所述偏振相关光隔离器的输入端连接，所述偏振相关光隔离器的输出端与所述第一单模光纤的一端连接，所述第一单模光纤的另一端与所述光耦合器的第一输入端连接，所述光耦合器的第一输出端与所述波分复用器的第二输入端连接，所述光耦合器的第二输出端输出所述脉冲激光。
进一步地，所述L波段掺铒光纤环绕在所述偏振控制器内部。
进一步地，所述光耦合器的第二输出端与所述光环形器的第一端之间还连接有用于放大脉冲激光的能量以及微调光谱形状的第一掺铒光纤放大器。
进一步地，所述色散介质为线性啁啾布拉格光栅，自所述线性啁啾布拉格光栅的入口到末端光栅栅格间距逐渐增大，色散值也相应逐渐增大。
进一步地，所述光环形器的第三端与所述扫频激光输出端之间还设置有重复频率加倍结构。
进一步地，所述重复频率加倍结构包括第一耦合器、第二单模光纤、第二耦合器、第三单模光纤以及第三耦合器，所述第一耦合器的输入端与所述光环形器的第三端连接，所述第一耦合器的第一输出端与所述第二单模光纤一端连接，所述第二单模光纤另一端与所述第二耦合器的第一输入端连接，所述第一耦合器的第二输出端与所述第二耦合器的第二输入端连接，所述第二耦合器的第一输出端与所述第三单模光纤一端连接，所述第三单模光纤另一端与所述第三耦合器的第一输入端连接，所述第二耦合器的第二输出端与所述第三耦合器的第二输入端连接，所述第三耦合器的输出端与所述扫频激光输出端连接。
进一步地，所述第三耦合器的输出端与所述扫频激光输出端之间还连接有第二掺铒光纤放大器，所述第二掺铒光纤放大器为助推级掺铒光纤放大器。
进一步地，所述第一耦合器为分光比为50∶50的1x2耦合器，所述第二单模光纤为1/2腔长的单模光纤，所述第二耦合器为分光比为50∶50的2x2耦合器，所述第三单模光纤为1/4腔长的单模光纤，所述第三耦合器为2x1耦合器。
进一步地，提供一种OCT成像系统，所述OCT成像系统包括如上所述的应用NPR锁模的扫频光源。
本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明的NPR锁模脉冲输出单元输出的脉冲激光输入色散介质中进行色散傅里叶变换，即通过时间拉伸的方式，将频域的光谱信息映射到频率依次排列的时间域长脉冲上，使得光源脉冲的重复频率等同于光学相干层析成像系统的线扫描频率，可达到101～102MHz，从而解决了相关技术的扫频光源扫频速度不够快的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的应用NPR锁模的扫频光源的整体结构示意图；
图2是本发明利用NPR锁模产生的耗散孤子锁模光谱图；
图3是本发明实施例时间拉伸后获得的长脉冲图；
图4是时频映射前后光谱形状和脉冲的变化示意图。
在附图中，各附图标记表示：
11、光源；12、波分复用器；13、C波段掺铒光纤；14、L波段掺铒光纤；15、偏振控制器；16、偏振相关光隔离器；17、第一单模光纤；18、光耦合器；2、光环形器；3、色散介质；41、第一耦合器；42、第二单模光纤；43、第二耦合器；44、第三单模光纤；45、第三耦合器；5、第一掺铒光纤放大器；6、第二掺铒光纤放大器；7、扫频激光输出端。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明实施例提供的一种应用NPR锁模的扫频光源，包括NPR锁模脉冲输出单元、光环形器2、色散介质3以及扫频激光输出端7，NPR锁模脉冲输出单元用于输出脉冲激光，光环形器2的第一端与NPR锁模脉冲输出单元连接，光环形器2的第二端与色散介质3连接，光环形器2的第三端与扫频激光输出端7连接，脉冲激光从光环形器2的第一端进入并经光环形器2的第二端传输至色散介质3中，脉冲激光在色散介质3中进行色散傅里叶变换后形成长脉冲，长脉冲经过光环形器2的第二端以及光环形器2的第三端并从扫频激光输出端7输出。
本发明的NPR锁模脉冲输出单元输出的脉冲激光输入色散介质3中进行色散傅里叶变换，即通过时间拉伸的方式，将频域的光谱信息映射到频率依次排列的时间域长脉冲上，使得光源脉冲的重复频率等同于光学相干层析成像系统的线扫描频率，可达到101～102MHz，从而解决了相关技术的扫频光源扫频速度不够快的问题。
本实施例中，NPR锁模脉冲输出单元包括光源11、波分复用器12、C波段掺铒光纤13、L波段掺铒光纤14、偏振控制器15、偏振相关光隔离器16、第一单模光纤17以及光耦合器18，光源11的输出端与波分复用器12的第一输入端连接，波分复用器12的输出端与C波段掺铒光纤13的一端连接，C波段掺铒光纤13的另一端连接L波段掺铒光纤14一端，L波段掺铒光纤14另一端与偏振控制器15的输入端连接，偏振控制器15的输出端与偏振相关光隔离器16的输入端连接，偏振相关光隔离器16的输出端与第一单模光纤17的一端连接，第一单模光纤17的另一端与光耦合器18的第一输入端连接，光耦合器18的第一输出端与波分复用器12的第二输入端连接，光耦合器18的第二输出端输出脉冲激光，利用NPR锁模，可以在整腔微小正色散条件下产生平坦度较高的耗散孤子光谱以及飞秒脉冲，来提高时间拉伸后长脉冲内部各波长能量的均衡度。在成像质量方面，光谱平坦的锁模种子能提升时间拉伸型扫频光源11各波长的能量均衡度，从而降低OCT成像的相对强度噪声，提高成像质量。
波分复用器12、C波段掺铒光纤13、L波段掺铒光纤14、偏振控制器15、偏振相关光隔离器16、第一单模光纤17以及光耦合器18构成了一个闭合的环形谐振腔。具体的，光源11为半导体激光二极管，半导体激光二极管发出980nm的受激辐射背景光，经过波分复用器12向前对C波段掺铒光纤13进行泵浦，激发出1530-1565nm的受激辐射，进而被L波段掺铒光纤14部分吸收，同时激发出1565-1625nm的受激辐射，这时C波段和L波段的受激辐射在频域连接成一个比单一波段带宽更大的受激辐射光谱，偏振控制器15对来自C波段掺铒光纤13和L波段掺铒光纤14的受激辐射背景光的偏振态进行调整，使之成为契合偏振相关光隔离器16预设角度的线偏振光；而单模光纤可通过改变其长度，调整并得到整腔微小正色散的条件，为得到耗散孤子光谱提供可能性。光耦合器18是耦合比为90∶10的光耦合器18，能够承接来自第一单模光纤17的光，并将90％的光回到波分复用器12完成腔内循环，同时10％的脉冲激光输出腔外。
C波段掺铒光纤13的色散值约为15.5ps2/nm，它受到980nm背景光激发，会产生C波段受激辐射，L波段掺铒光纤14则可吸收部分来自C波段掺铒光纤13的C波段辐射，并产生L波段受激辐射，通过C波段掺铒光纤13与L波段掺铒光纤14的长度配合可以产生带宽较大，且光谱平坦的受激辐射背景光，为后续实现平坦的锁模光谱(3dB带宽71nm)提供了可能性。优选的，本实施例的L波段掺铒光纤14环绕在偏振控制器15内部，即L波段掺铒光纤14绕在偏振控制器15两个桨内，作为扭转光纤介质可以缩短环形谐振腔的腔长，从而提高重复频率，同时有利于孤子状态得到增益。
需要说明的是，第一单模光纤17的色散值约为-22ps2/nm，第一单模光纤17主要用于整腔色散值调配，若无法得知L波段掺铒光纤14的准确色散值，可以从表征整腔微小负色散的传统孤子锁模，通过剪短负色散第一单模光纤17，向整腔微小正色散逼近，直到出现表征整腔正色散的耗散孤子光谱出现为止。
可选的，偏振控制器15可以使用灵敏度更高的挤压式偏振控制器15，其在线式的偏振态调整方法不会引入额外长度的腔长，有利于高重复频率的实现。另外，偏振相关光隔离器16可以选择为一级偏振隔离器件，或者双级偏振隔离器件、三级双级偏振隔离器件，更高的偏振隔离级数意味着，更窄的脉冲宽度以及更均衡的脉冲能量。
优选的，光耦合器18的第二输出端与光环形器2的第一端之间还连接有用于放大脉冲激光的能量以及微调光谱形状的第一掺铒光纤放大器5。
本实施例的色散介质3为线性啁啾布拉格光栅，自线性啁啾布拉格光栅的入口到末端光栅栅格间距逐渐增大，色散值也相应逐渐增大。根据公式1-1，不同的布拉格波长会在光栅的不同深度位置被反射，并且短波先被反射，波长与反射时间的线性关系可以通过线性变化的光栅周期来实现。
λB＝2neffΛ (1-1)
其中λB是布拉格波长，neff是光栅的有效折射率，Λ是光栅周期；
同时，线性啁啾布拉格光栅具有很大的二阶色散值，作用于窄脉冲相当于进行了近似傅里叶变换(色散傅里叶变换)，可以把光谱上的波长排序从频域映射到时间域长脉冲内，完成通俗意义的扫频输出。如图4所示，时频映射前后光谱形状不变，但时域窄脉冲展宽为近似于光谱形状的长脉冲。可选的，在其他可能的实施方式中，色散介质3也可以为色散系数接近线性的色散补偿光纤,本实施例对色散介质3的种类不做限制。
本实施例中，光环形器2的第三端与扫频激光输出端7之间还设置有重复频率加倍结构，重复频率加倍结构能够对扫频激光进行重复频率加倍以及能量放大，形成适合于OCT成像系统使用的扫频激光光源。具体地，重复频率加倍结构包括第一耦合器41、第二单模光纤42、第二耦合器43、第三单模光纤44以及第三耦合器45，第一耦合器41的输入端与光环形器2的第三端连接，第一耦合器41的第一输出端与第二单模光纤42一端连接，第二单模光纤42另一端与第二耦合器43的第一输入端连接，第一耦合器41的第二输出端与第二耦合器43的第二输入端连接，第二耦合器43的第一输出端与第三单模光纤44一端连接，第三单模光纤44另一端与第三耦合器45的第一输入端连接，第二耦合器43的第二输出端与第三耦合器45的第二输入端连接，第三耦合器45的输出端与扫频激光输出端7连接。
进一步地，第一耦合器41为分光比为50∶50的1x2耦合器，第一耦合器41把50％的光分拨到第二单模光纤42，其余50％向前传输，第二单模光纤42为1/2腔长的单模光纤，其作用在于充当延迟线，使得延迟后的光脉冲序列比未经过延迟的脉冲序列慢半个腔内循环周期。第二耦合器43为分光比为50：50的2x2耦合器，其作用在于将经过延迟和未经延迟的两个脉冲序列进行合并，使脉冲重复频率提升为原来的2倍。第三单模光纤44为1/4腔长的单模光纤，第三耦合器45为2x1耦合器，第三单模光纤44是与第二单模光纤42同理的延迟线，一列脉冲经过延迟和另一列脉冲在第三耦合器45合束后，扫频光源的重复频率提升为起始的4倍。需要说明的是，可以根据光源11脉冲占空比的大小决定是否增加重复频率加倍结构，虽然理论上占空比可以达到100％，但实际操作中，为了避免相邻长脉冲发生混叠，不能使用100％的占空比。
优选地，第三耦合器45的输出端与扫频激光输出端7之间还连接有第二掺铒光纤放大器6，第二掺铒光纤放大器6为助推级掺铒光纤放大器，第二掺铒光纤放大器6可以对前方经过时间拉伸和重频加倍的脉冲进行增益，以达到最适合后续干涉成像要求的光谱能量，同时还可适当地微调光谱形状。
如图2和图3所示，图2为本发明利用NPR锁模产生的耗散孤子锁模光谱图，图3为时间拉伸后获得的长脉冲图。可以看出，本发明利用NPR锁模产生的耗散孤子锁模光谱，3dB带宽达到71nm，时间拉伸后的长脉冲脉宽为12.4ns，占空比为39％，图2中各波长在每个长脉冲内线性排列。
本发明另一实施例还提供一种OCT成像系统，OCT成像系统包括上述技术方案的应用NPR锁模的扫频光源。
综上所述，本发明的NPR锁模脉冲输出单元输出的脉冲激光输入色散介质3中进行色散傅里叶变换，即通过时间拉伸的方式，将频域的光谱信息映射到频率依次排列的时间域长脉冲上，使得光源脉冲的重复频率等同于光学相干层析成像系统的线扫描频率，可达到101～102MHz，从而解决了相关技术的扫频光源扫频速度不够快的问题。在成像质量方面，光谱平坦的锁模种子能提升时间拉伸型扫频光源各波长的能量均衡度，从而降低OCT成像的相对强度噪声，提高成像质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用NPR锁模的扫频光源，其特征在于，包括NPR锁模脉冲输出单元、光环形器(2)、色散介质(3)以及扫频激光输出端(7)，所述NPR锁模脉冲输出单元用于输出脉冲激光，所述光环形器(2)的第一端与所述NPR锁模脉冲输出单元连接，所述光环形器(2)的第二端与所述色散介质(3)连接，所述光环形器(2)的第三端与所述扫频激光输出端(7)连接，所述脉冲激光从所述光环形器(2)的第一端进入并经所述光环形器(2)的第二端传输至所述色散介质(3)中，所述脉冲激光在所述色散介质(3)中进行色散傅里叶变换后形成长脉冲，所述长脉冲经过所述光环形器(2)的第二端以及所述光环形器(2)的第三端并从所述扫频激光输出端(7)输出；
所述NPR锁模脉冲输出单元包括光源(11)、波分复用器(12)、C波段掺铒光纤(13)、L波段掺铒光纤(14)、偏振控制器(15)、偏振相关光隔离器(16)、第一单模光纤(17)以及光耦合器(18)，所述光源(11)的输出端与所述波分复用器(12)的第一输入端连接，所述波分复用器(12)的输出端与所述C波段掺铒光纤(13)的一端连接，所述C波段掺铒光纤(13)的另一端连接所述L波段掺铒光纤(14)一端，所述L波段掺铒光纤(14)另一端与所述偏振控制器(15)的输入端连接，所述偏振控制器(15)的输出端与所述偏振相关光隔离器(16)的输入端连接，所述偏振相关光隔离器(16)的输出端与所述第一单模光纤(17)的一端连接，所述第一单模光纤(17)的另一端与所述光耦合器(18)的第一输入端连接，所述光耦合器(18)的第一输出端与所述波分复用器(12)的第二输入端连接，所述光耦合器(18)的第二输出端输出所述脉冲激光；
所述L波段掺铒光纤(14)环绕在所述偏振控制器(15)内部；
所述光环形器(2)的第三端与所述扫频激光输出端(7)之间还设置有重复频率加倍结构；
所述重复频率加倍结构包括第一耦合器(41)、第二单模光纤(42)、第二耦合器(43)、第三单模光纤(44)以及第三耦合器(45)，所述第一耦合器(41)的输入端与所述光环形器(2)的第三端连接，所述第一耦合器(41)的第一输出端与所述第二单模光纤(42)一端连接，所述第二单模光纤(42)另一端与所述第二耦合器(43)的第一输入端连接，所述第一耦合器(41)的第二输出端与所述第二耦合器(43)的第二输入端连接，所述第二耦合器(43)的第一输出端与所述第三单模光纤(44)一端连接，所述第三单模光纤(44)另一端与所述第三耦合器(45)的第一输入端连接，所述第二耦合器(43)的第二输出端与所述第三耦合器(45)的第二输入端连接，所述第三耦合器(45)的输出端与所述扫频激光输出端(7)连接。
2.如权利要求1所述的应用NPR锁模的扫频光源，其特征在于，所述光耦合器(18)的第二输出端与所述光环形器(2)的第一端之间还连接有用于放大脉冲激光的能量以及微调光谱形状的第一掺铒光纤放大器(5)。
3.如权利要求1所述的应用NPR锁模的扫频光源，其特征在于，所述色散介质(3)为线性啁啾布拉格光栅，自所述线性啁啾布拉格光栅的入口到末端光栅栅格间距逐渐增大，色散值也相应逐渐增大。
4.如权利要求1所述的应用NPR锁模的扫频光源，其特征在于，所述第三耦合器(45)的输出端与所述扫频激光输出端(7)之间还连接有第二掺铒光纤放大器(6)，所述第二掺铒光纤放大器(6)为助推级掺铒光纤放大器。
5.如权利要求4所述的应用NPR锁模的扫频光源，其特征在于，所述第一耦合器(41)为分光比为50：50的1x2耦合器，所述第二单模光纤(42)为1/2腔长的单模光纤，所述第二耦合器(43)为分光比为50：50的2x2耦合器，所述第三单模光纤(44)为1/4腔长的单模光纤，所述第三耦合器(45)为2x1耦合器。
6.一种OCT成像系统，其特征在于，所述OCT成像系统包括如权利要求1至5中任一项所述的应用NPR锁模的扫频光源。
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