CN102780153B - 一种基于声光偏转器的声光扫频激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：它包括激光谐振腔和声光滤波器，声光滤波器包括声光偏转器、光束偏折装置、分光元件、偏振控制器、光隔离器、准直器、光纤和声波信号控制系统；激光谐振腔出射的激光发射到声光偏转器，由于声光效应，将激光偏转某一角度后出射经光束偏折装置偏折，入射到分光元件例如光栅或棱镜进行分光，某特定波长的光经准直器后耦合到光纤，并经偏振控制器和光隔离器后出射，出射的激光经另一准直器发射到另一分光元件再次进行分光，并经光束偏折装置回到声光偏转器进入激光谐振腔，完成激光的选频；声波信号控制系统发射电磁波到声光偏转器中驱动晶体发生声光效应控制光在声光偏转器的偏转角度。本发明可以广泛应用于光学相干CT成像、其它扫描成像或雷达等系统中。

Description

一种基于声光偏转器的声光扫频激光器

技术领域

本发明涉及一种扫频激光器，特别是关于一种适用于光学相干CT成像、其它扫描成像或雷达等系统的基于声光偏转器的声光扫频激光器。

背景技术

近十几年来光学相干CT（Optical Coherence Tomography，简称OCT）技术发展迅速，该技术可以对生物组织或人体组织进行断层成像，分辨率远高于X射线成像和超声波成像。特别是扫频光学相干CT（SS-OCT）技术，是目前最为先进和流行的OCT技术，它不仅具有高分辨断层成像能力，而且具有频域并行读取能力，能够一次读取沿样品某一深度方向的一线光信号，探测范围深，同时SS-OCT技术具有高灵敏度的优点，因此实现高速成像潜力巨大。但是想要获取高性能的SS-OCT图像，扫频激光器需要具备以下条件：激光输出功率高、扫描速度快、激光输出线宽窄、频率扫描范围宽，且激光频率随时间线性扫描。

现有的扫频激光器存在以下问题：1、激光扫频速度受制于滤波器的速度，滤波器通常采用机械调制，比如FFP-TP标准具，由于扫描器件存在运动惯性，因此无法进一步提高扫描速度，且压电陶瓷的迟滞现象，会影响压电陶瓷的磁致伸缩，使得对扫描位置的控制变得比较困难。2、现有激光器实现扫频，多数是波长随扫描时间线性变化，而不是波数或频率的线性扫描输出(即使有也要经过很复杂的方法实现)。由于SS-OCT技术的图像重建是通过对采集的干涉光谱进行离散快速傅立叶变换(FFT)而实现，因此客观上需要采集的数据是等频率间隔的，但是目前扫频激光器还没有波数或频率线性扫描输出的实用的解决方案。为了得到波数或频率线性扫描输出，现有方法是在采集数据后，通过数学插值的方法得到波数或频率的线性扫描输出，再进行离散快速傅立叶变换，此种方法不仅耗费大量的计算时间，而且实时成像图像数据量极大，严重影响成像速度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高速扫频，且能够实现激光频率随时间线性调谐的基于声光偏转器的声光扫频激光器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：它包括一激光谐振腔和一声光滤波器；所述声光滤波器包括一声光偏转器、一光束偏折装置、两分光元件、一偏振控制器、一光隔离器、两准直器、一光纤和一声波信号控制系统；所述激光谐振腔出射的激光发射到所述声光偏转器中，所述声光偏转器将接收的激光偏转某一角度后出射，出射的激光经所述光束偏折装置入射到一所述分光元件进行分光，并将某一波长的衍射光经一所述准直器后耦合到依次连接有所述偏振控制器和光隔离器的光纤内传播并出射，出射的激光经另一所述准直器发射到另一所述分光元件再次进行分光，并将单一频率的衍射光经所述光束偏折装置入射回到所述声光偏转器，并发射到所述激光谐振腔中完成激光的选频；其中，所述声波信号控制系统发射电磁波到所述声光偏转器中驱动晶体发生声光效应控制光在所述声光偏转器的偏转角度。

所述声光偏转器、分光元件、准直器和光束偏折装置以所述声光偏转器的中轴线呈对称结构。

所述声波信号控制系统包括一射频信号发生器、一信号发生器和一计算机，所述计算机连接所述信号发生器控制信号发生器发送信号到所述射频信号发生器，所述射频信号发生器向声光偏转器发送射频信号驱动所述声光偏转器中的换能器，将射频信号转化为超声波信号驱动晶体产生声光效应，控制激光在所述声光偏转器的偏转角度。

所述激光谐振腔采用开放式激光谐振腔和光纤化环形激光谐振腔中的一种。

当所述激光谐振腔采用所述光纤化环形激光谐振腔时，激光在所述光纤化环形激光谐振腔和声光滤波器的运行方式保持一致，采用顺时针和逆时针中的一种。

所述声光偏转器采用基于声光相互作用具有快速、大角度偏转范围特性的声光器件。

所述光束偏折装置为对称结构，采用三角形分束镜或两个对称设置的平面镜组合装置。

两个所述分光元件完全相同，采用光栅和棱镜中的一种；所述光栅采用闪耀光栅。

本发明所采取的技术方案，其具有以下优点：1、本发明包括激光谐振腔和声光滤波器，声光滤波器中的声光偏转器将接收的激光偏转某一角度后依次射入光束偏折装置和分光元件，并将某一波长的衍射光经准直器耦合到依次连接有偏振控制器和光隔离器的光纤内传播并射出，出射的激光经准直器发射到另一分光元件对激光再次进行分光，并将单一频率的衍射光经光束偏折装置发射回到声光偏转器完成激光的选频；在激光选频的过程中，由于声光偏转器的声波频率信号是通过声波信号控制系统进行控制，即声波频率F_s可以随时间线性变化的，当光束偏折装置和分光元件与声光偏转器之间的角度调到恰当的数值时，声波频率F_s与激光频率f成线性变化，因此实现了经声光滤波器选择的激光频率f随时间线性调谐。2、本发明的声光滤波器由于采用完全对称的结构即声光偏转器、光束偏折装置、分光元件和准直器关于声光偏转器的中轴线完全对称，因此完全消除了多普勒频移，有利于进一步提高激光器的动态相干长度。3、本发明的声光滤波器采用完全对称的结构完成了两次选频，实现了激光输出频率随时间线性输出的滤波，且两个分光元件完全相同，虽然第二次进行分光的分光元件作用很小，但是可以消除光第一次分光后传播到第二次分光之间的光路中色散造成的展宽，进而得到单一频率的衍射光。4、本发明的声光滤波器采用声光偏转器实现了激光频率f随时间线性调谐，由于声光偏转器具有高速偏转特性，因此实现激光器的高速扫描，不仅可以广泛应用于扫频激光器中，还可以应用在其它可调谐激光器中。本发明可以广泛应用于光学相干CT成像、其它扫描成像或雷达等系统中。

附图说明

图1是本发明的声光扫频激光器结构示意图；

图2是本发明的声光滤波器的选频原理示意图；

图3是本发明的开放式激光谐振腔的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的声光扫频激光器包括一激光谐振腔1和一声光滤波器2。声光滤波器2包括一声光偏转器(AOD)20，一光束偏折装置21，两分光元件22、23，一偏振控制器24，一光隔离器25，两准直器26、27、一光纤28和一声波信号控制系统4；其中，声光偏转器20、分光元件22、准直器26和光束偏折装置21与声光偏转器20、分光元件23、准直器27和光束偏折装置21关于声光偏转器20的中轴线完全对称。

激光谐振腔1出射的激光发射到声光偏转器20中，声光偏转器20将接收的激光偏转某一角度后出射，出射的激光经光束偏折装置21反射到分光元件22，分光元件22对激光进行分光，并将某一波长的衍射光经准直器26后耦合到依次连接有偏振控制器24和光隔离器25的光纤28内传播，激光在光纤28内通过偏振控制器24调节激光的偏振态，并经光隔离器25沿着光纤28传播并出射，出射的激光经准直器27发射到另一分光元件23上，分光元件23对激光再次进行分光，并将单一频率的衍射光经光束偏折装置21反射回到声光偏转器20，并经一准直镜3发射到激光谐振腔1中完成激光的选频，其中，声波信号控制系统4发射电磁波到声光偏转器中驱动晶体发生声光效应控制光在声光偏转器的偏转角度。

上述实施例中，光束偏折装置21用于对光束进行偏折，光束偏折装置21为对称结构，可以采用三角形分束镜21或两个对称设置的平面镜组合装置。

上述各实施例中，分光元件是用于选取某一频率的光，使用时分光元件22、23完全相同，可以采用各种光栅和棱镜，光栅可以采用闪耀光栅。

上述各实施例中，声光偏转器20可以采用基于声光相互作用的具有快速、大角度偏转范围特性的声光器件。

如图1所示，上述各实施例中，声波信号控制系统4包括一射频信号发生器41、一信号发生器42和一计算机43，计算机43通过数据线连接信号发生器42控制信号发生器通过电缆发送信号到射频信号发生器42中，射频信号发生器42通过电缆向声光偏转器20发送射频信号，射频信号驱动声光偏转器中的换能器，换能器将射频信号转化为超声波信号驱动晶体产生声光效应，控制激光在声光偏转器20中的偏转角度。

如图2所示，下面的具体实施例采用三角形分束镜21和闪耀光栅22、23并结合光学原理进一步解释和说明激光输出频率如何随时间线性调谐。其中，Δ₁为声光偏转器20出射面的垂直方向与闪耀光栅22的法线夹角；Δ₂为三角形分束器21的顶角，利用光栅方程（公式1）、声光偏转器中偏转角与超声信号频率的关系（公式2）通过简单的几何光学推导（推导过程为现有技术，故此不再赘述），得到声光滤波器20输出的激光波长λ和输入到声光偏转器的声波频率F_s的关系（公式3）：

$\frac{\mathrm{k\λ}}{d}=\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)+\sin \left({\mathrm{\θ}}_b\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{\mathrm{\λF}}{v_s}---\left(2\right)$

$F_s=\frac{v_s}{\mathrm{\λ}}\left[{\sin }^{-1}(-\sin \left({\mathrm{\θ}}_b\right)+\frac{\mathrm{k\λ}}{d})+{\mathrm{\θ}}_b+{\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{\Δ}}_2-\mathrm{\π}\right]---\left(3\right)$

式中，θ_b为闪耀光栅的闪耀角，v_s为声光偏转器中的声速，F为声波调制频率，d为闪耀光栅的条纹线数，k为闪耀光栅的衍射级次，θ₁为从声光偏转器出射的光偏离0级方向的夹角，θ₂为衍射光线与闪耀光栅法线之间的夹角。

将公式（3）对

进行泰勒级数展开，当Δ₁和Δ₂调整到恰当的数值时，在对

进行泰勒级数展开的公式中可以忽略的高次项，将公式（3）简化为：

$F_s=\frac{a}{\mathrm{\λ}}$ （a为常数）        （4）

由于声波频率信号是可以通过声波信号控制系统4进行控制，即声波频率F_s随时间线性变化的，由于f为激光频率，c为光速，λ为激光波长，f与λ成线性变化，因此结合公式（4）可以得出声波频率F_s与激光频率f成线性变化，从而得出经声光滤波器选择的激光频率f随时间线性变化。

如图1所示，激光谐振腔1可以采用光纤化环形激光谐振腔1，光纤化环形激光谐振腔1包括一环形器10、两光纤隔离器11、12、一偏振控制器13、两半导体光放大器14、15、一光纤耦合器16和一段长单模光纤17；其中，沿着顺时针方向，光纤耦合器16、环形器10、光纤隔离器11、偏振控制器13和半导体光放大器14依次通过光纤连接形成一闭合的环形谐振腔，且光纤耦合器16与OCT系统之间依次通过光纤连接有半导体光放大器15和光纤隔离器12。经声光滤波器2出射光经准直器3发射到环形器10中，并依次顺时针通过环形谐振腔中的各光学元件后回到光纤耦合器16中，其中一部分激光经半导体光放大器15和光纤隔离器12由光纤耦合器16出射到OCT系统中用于光学相干CT成像，另外的激光经环形器10出射到声光滤波器2再次进行选频，其中光纤隔离器12的作用是防止光学相干CT的返回光对激光器的影响。

上述实施例中，长单模光纤17是用于整个声光扫频激光器实现傅立叶锁模（FDML）技术，即激光在谐振腔内的运行时间和滤波器的扫描时间相匹配，使得在提高扫频速度的前提下保证输出激光的功率和动态相干长度，环形器10还可以替换为光隔离器和耦合器的组合。光纤耦合器16可以采用1×2的光纤耦合器也可以采用2×2光纤耦合器。

上述各实施例中，激光在光纤化环形激光谐振腔1和声光滤波器2的运行方向可以逆时针也可以顺时针，但要保证腔内只有一个特定的方向运行以获得良好的激光模式。

如图3所示，激光谐振腔还可以采用开放式激光谐振腔5，开放式激光谐振腔5包括有增益芯片50、准直器51、偏振控制器52、反射镜53、反射系统54、反射镜55、聚焦透镜56、半透半反镜57、反射镜58、空间隔离器59和偏振控制器510；经声光滤波器2出射的光经准直器3聚焦到增益芯片50进行放大，并经另一准直器51准直为平行光，平行光入射到偏振控制器52调整光的偏振态，并经过反射镜53入射到反射系统54中，经反射系统54出射的光经反射镜55射入聚焦透镜56，经聚焦透镜56出射的光入射到半透半反镜57，一部分光反射回到开放式激光谐振腔形成谐振，另一部分光透射到另一反射镜58反射进入空间隔离器59并出射到另一偏振控制器510，经偏振控制器510入射到OCT系统中用于光学相干CT成像。

本实施例中，反射系统54是由若干反射镜541组成，作用相当于光纤化环形激光谐振腔中的长单模光纤，目的是构成足够长的空间光程，用于整个声光扫频激光器实现傅立叶锁模（FDML）技术，即激光在开放式激光谐振腔内的运行时间和声光滤波器的扫描时间相匹配，使得在提高扫频速度的前提下保证输出激光的功率和动态相干长度。

本实施例中，偏振控制器52、510还可以采用偏振片。

上述各实施例中，本发明的所有光学元件在使用过程中均可以采用相应的外部支架进行定位，本发明对每一光学元件的具体位置不作限定，可以根据具体实验要求进行调整。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各光学元件的位置等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：它包括一激光谐振腔和一声光滤波器；所述声光滤波器包括一声光偏转器、一光束偏折装置、两分光元件、一偏振控制器、一光隔离器、两准直器、一光纤和一声波信号控制系统；所述激光谐振腔出射的激光发射到所述声光偏转器中，所述声光偏转器将接收的激光偏转某一角度后出射，出射的激光经所述光束偏折装置入射到一所述分光元件进行分光，并将某一波长的衍射光经一所述准直器后耦合到依次连接有所述偏振控制器和光隔离器的光纤内传播并出射，出射的激光经另一所述准直器发射到另一所述分光元件再次进行分光，并将单一频率的衍射光经所述光束偏折装置入射回到所述声光偏转器，并发射到所述激光谐振腔中完成激光的选频；其中，所述声波信号控制系统发射电磁波到所述声光偏转器中驱动晶体发生声光效应控制光在所述声光偏转器的偏转角度。

2.如权利要求1所述的一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：所述声光偏转器、分光元件、准直器和光束偏折装置以所述声光偏转器的中轴线呈对称结构。

3.如权利要求1所述的一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：所述声波信号控制系统包括一射频信号发生器、一信号发生器和一计算机，所述计算机连接所述信号发生器控制信号发生器发送信号到所述射频信号发生器，所述射频信号发生器向声光偏转器发送射频信号驱动所述声光偏转器中的换能器，将射频信号转化为超声波信号驱动晶体产生声光效应，控制激光在所述声光偏转器的偏转角度。

4.如权利要求2所述的一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：所述声波信号控制系统包括一射频信号发生器、一信号发生器和一计算机，所述计算机连接所述信号发生器控制信号发生器发送信号到所述射频信号发生器，所述射频信号发生器向声光偏转器发送射频信号驱动所述声光偏转器中的换能器，将射频信号转化为超声波信号驱动晶体产生声光效应，控制激光在所述声光偏转器的偏转角度。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：所述激光谐振腔采用开放式激光谐振腔和光纤化环形激光谐振腔中的一种。

6.如权利要求5所述的一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：当所述激光谐振腔采用所述光纤化环形激光谐振腔时，激光在所述光纤化环形激光谐振腔和声光滤波器的运行方式保持一致，采用顺时针和逆时针中的一种。

7.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：所述声光偏转器采用基于声光相互作用具有快速、大角度偏转范围特性的声光器件。

8.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：所述光束偏折装置为对称结构，采用三角形分束镜或两个对称设置的平面镜组合装置。

9.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于声光偏转器的声光扫频激光器，其特征在于：两个所述分光元件完全相同，采用光栅和棱镜中的一种；所述光栅采用闪耀光栅。

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