CN105263415B - 可调谐激光器阵列系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于扫频源光学相干层析成像的系统，系统包括在全波长范围发射多路复用的波长扫描辐射的光源，光源包括发射具有N个波长轨迹的N个可调谐VCL输出的N个波长扫描垂直腔激光器(VCL)，用于汇合N个可调谐VCL光输出进共用的光路以创建多路复用的波长扫描辐射的整合器，用于分离多路复用的波长扫描辐射至样品和参考路径的分离器，用于探测由在来自样品的反射和穿过参考路径的光之间的光干涉器产生的干涉信号的光探测器，以及使用干涉信号构造样品图像的信号处理系统，其中关于至少一个参数，N个波长轨迹中的至少一个不同于N个波长轨迹中的另一个。

Description

可调谐激光器阵列系统
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求于2013年3月15日提交的当前未决的美国临时专利申请号61/793,604的优先权。美国临时专利申请61/793,604的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般涉及可调谐激光器和可调谐激光器应用、材料或样品表征、材料或样品改性、光学相干层析成像、光谱学、传感器、测量、通信以及垂直腔激光器。
背景技术
波长可调谐激光器和宽可调谐激光器是用于对材料、物体或样品进行表征或改性的一系列仪器、设备及工具的必要组件。波长可调谐激光器和宽可调谐激光器也用在传感器中以及用于数据传输和通信。在许多应用中，连续地调谐波长(如波长随时间扫描)且可能是根据期望的调谐配置文件来进行。在其它应用中，将激光调谐至特定的波长并且以该波长为主停留或保持固定在该波长一段时间。需要存在高度灵活和可配置的可调谐或者扫频激光器光源，以适用于多种应用的特定需求。这里描述了由一系列激光器光源组成的激光器阵列，该激光器光源选择具有特定性质的使得激光器阵列能被用于具有改进的性能或附加的功能的一系列应用上。激光器阵列的应用包括但不局限于：介入医学、基础研究、生物研究、激光光谱学、医学成像、生物成像、工业成像、材料表征、样品的形态表征、样品改性、样品刺激、光学传感器、环境传感器、健康传感器、光学传感、光学信号的产生、数据传输、数据通信和干涉测量。这些激光器阵列的中心波长覆盖了从深紫外到远红外的整个光谱，调谐范围覆盖部分中心波长至基本超过全音阶的调谐范围。这些例子是大量激光器以及更具体地可调谐激光器有益的应用的子集，且应当理解本发明更一般地应用于超出所述特定应用之外的情况。
虽然本发明的某些实施例可以用在众多的应用中，但是在特定应用的背景下考虑这些实施例是有帮助的。光学相干层析成像(OCT)是一种可以使用波长可调谐激光器实现的成像技术。光学相干层析成像(OCT)是可以提供高分辨率深度剖析或在样品下面或表面的形态特征的一种非侵入性的成像技术。OCT也可以通过多普勒OCT提供发生在样品里面的动态过程信息，通过光谱OCT提供样品的光谱信息，通过偏振敏感OCT提供样品的偏振和双折射信息以及通过强度和相位敏感OCT提供偏移或运动的精确测量。OCT将用于提供对由在本文中描述的激光器阵列所带来的益处的深入了解。为了更加清楚，将介绍基于使用VCL设备的例子，应当理解任何可调谐激光器可以替换VCL。最近几年，相对于时域和频域OCT系统，使用波长扫描激光器的扫频光学相干层析成像(SSOCT)已表现出卓越的成像质量、卓越的成像范围以及卓越的成像速度。微机电系统(MEMS)-可调谐垂直腔激光器(MEMS-VCL)由于其能够实现长相干长度的真正单模无跳模操作和其能够实现MHz波长扫描速率的短腔和低MEMS反射镜质量，预计将成为新兴的SSOCT系统中关键的扫频源。这些优点在(V.Jayaraman,J.Jiang,B.Potsaid,G.Cole,J Fujimoto,and A.Cable“Design andperformance of broadly tunable,narrow linewidth,high repetition rate 1310nmVCSELs for swept source optical coherence tomography,”SPIE volume 8276paper82760D,2012.)中描述。采用一个VCL作为扫频源的现有OCT系统能够实现MHZ速率及>100nm的波长扫描范围。然而成像速率和扫描轨迹仍受限于单个MEMS驱动器的机械共振和动态性质，并且波长扫描范围仍受限于单个半导体增益介质的增益带宽。现有的OCT系统也已使用具有平坦频率响应的MEMS-VCSEL，通过增加基本驱动频率谐函数(harmonics)，能够在单个的VCL中实现可变的波长扫描速率以及扫描轨迹的线性化。然而，在一些应用中，在装置的MEMS机械共振中运行(利用真空环境下的低电压运行)是有利的，如在(G.D.Cole,J.E.Bowers,K.L.Turner,and N.C.McDonald,“Dynamic Characterization of MEMs-Tunable Vertical-Cavity SOAs,”IEEE/LEOS International Conference on OpticalMEMS and Their Applications(MOEMS2005),Oulu,Finland,1-4Aug.2005.)所述。
综上，显然对于可以在其中扫描速率不受限于MEMS反射镜机械共振、波长调谐范围不受限于单个半导体增益介质的增益带宽以及利用低电压和可能地共振运行的采用MEMS-VCL或者其它激光器技术的SS-OCT系统中使用光源是有显著效果的。
发明内容
波长可调谐激光器是一种可以调谐输出发射波长或光频率的激光器(图1)，调谐可以在所定义范围内是连续的，也可以通过阶梯的方式实现，或者两者的任意组合。波长调谐可以通过使用并入各激光器中的可调谐滤波器元件来实现，或通过使用依赖于外部因素如温度、驱动电流或大气压强的固有波长来实现调谐。宽可调谐激光器是一种在宽波段范围内可调谐的激光器。激光器的可调谐性对于可以表征样品、永久改性样品或影响样品的大量应用如光谱学、原子或分子的激发、光学相干层析(OCT)成像、烧蚀、热刺激、加热、移动、热冲击、荧光激发或损耗中是有用的(图2)。可调谐激光器用于光探测和测距(LIDAR)系统中。作为使用一个自由空间或光纤设计的光学传感器的输入，激光器的波长可调谐性也是有用的(图2)。激光器的波长可调谐性也可以用作数据或通信链路的一部分(图2)。
本发明的一个实施例使用至少两个激光器的阵列，其中阵列中的激光器输出被多路复用进光学系统(图3)。虽然可以理解在一般的发明中各光源或光为激光，但是对于使用VCL设计用于构造激光器阵列是有利的。虽然可以理解本发明包括使用非VCL光源的实施例，在一个实施例中，本发明使用至少两个可调谐垂直腔激光器(VCL)的阵列，其中阵列中的VCL输出被多路复用进光学系统(图4)。本发明的一个实施例使用至少两个可调谐垂直腔激光器(VCL)的阵列，其中阵列中的VCL输出被复用进共用的光纤，创建具有比单独使用单个VCL更优异性能的多路复用的波长扫描辐射。多个VCL的输出也可以被复用进自由空间光学系统或可以利用自由空间和光纤的一些组合的系统。本发明的一个优选实施例采用通过单个驱动波形的相位转换复制驱动的多个VCL的阵列，使得能够实现其扫描速率超过使用一个VCL可能实现的扫描速率的多倍，以及较好的占空比。同样，通过对各个VCL引入专用的驱动程序，使用自定义波形驱动各个VCL也可能获得高于使用一个VCL可能获得的扫描速率，但具有改进的扫描轨迹特性。另一实施例采用在不同波长范围下操作的VCL以实现当VCL被一起多路复用时更宽的有效扫描范围。在其它实施例中，阵列中的不同VCL具有不同的机械共振或在不同的带宽下驱动，以实现连同可变的扫描速率用于单个设备中的长距离和短距离成像的共振操作。所述VCL也可以偏共振运行。更一般地，通过为多个VCL中的一个或多个塑造各种电学或光学驱动波形以实现进一步的灵活性。在使用之前或使用过程中合并对用于各自VCL中的一个或多个的调谐曲线形状的控制与对波长范围、以每单位时间的波长为单位的扫描速度、以及重复频率的控制允许在运行过程中为改变样品或样品周围的环境条件而优化VCL系统。对于多个电泵浦VCL(图4)，可以通过控制VCL的电输入来控制输出发射功率和波长调谐轨迹。对于多个光泵浦VCL(图5)，可以通过控制VCL中的泵浦功率和输入驱动器的电信号来相应地控制输出发射功率和波长调谐轨迹。可以使用光放大器来放大VCL阵列中的功率输出(图6)。使用光放大器增加VCL的输出或控制VCL的功率对于许多波长可调谐激光器应用来说是很重要的。例如，波长扫描激光器的其中一个应用为OCT成像，其中大的输出功率对于高仪器灵敏度是可取的且更可选的是控制输出功率作为波长的函数。光放大器可以用于电泵浦(图6)和光泵浦(图7)实施例。可以控制进入光放大器的电或光输入来动态影响作为时间的函数的激光器阵列的输出功率。在一些应用中当为高输出功率时使用没有光学放大的多VCL阵列输出也是可能的且不需要控制输出功率。
如上所述，通过为多个VCL中的一个或多个塑造各种电或光驱动波形以实现进一步的灵活性，可以理解的是有多个与基本激光器阵列不相关的设备也可以被采用来动态修改包括激光器阵列的各个激光器的光输出。例如，选自众多光学科学中公知的调制器中的电光调制器可以被方便用来控制波长、偏振、强度、相干或通常使用这样的设备控制的任何其它属性。本发明基本不同于其它使用大量激光器的系统，例如一排光电DFB或可调谐半导体后备激光器，因为本发明使对系统中每个激光器的具体性能特性的控制保持一致以创建具有超越个别激光器性能的扩展性能的多激光器系统。被控制的特性是以受控方式可影响的阵列内激光器的任何指标。这种控制允许本文中的激光器阵列用于以优于单个激光器执行的方式执行复杂的任务。不像排队准备替代发生故障的激光器的大量后备激光器。与包含对阵列内激光器的系统性控制以扩展激光器阵列的性能的本发明相比之下，这样的例子为多提供扩展的调谐范围的激光器组合。更一般地，这种激光器阵列可以用于执行如本文所述的复杂功能。本发明提供先前存在的激光器系统不可能提供的性能水平，通过组合性能指标互补的一系列激光器，与允许所述互补特征被结合在一起或者以某些方式组合的电气、电子和处理器控制一起使得可能在光学系统中使用这种激光器阵列从而获得迄今为止得不到的结果。
本发明的一个实施例为一种扫频光学相干层析成像系统。所述系统包括在全波长范围发射多路复用的波长扫描辐射的光源。所述光源包括发射具有N个波长轨迹的N个可调谐VCL输出的N个波长扫描垂直腔激光器(VCL)，其中N大于1，用于汇合所述N个可调谐VCL光输出进共用的光路以创建多路复用的波长扫描辐射的整合器，用于分离所述多路复用的波长扫描辐射至样品和参考路径的分离器，用于探测由所述样品的反射和穿过所述参考路径的光之间的光学干涉所产生的干涉信号的光辐射探测器，以及使用所述干涉信号构造所述样品的图像的信号处理系统，其中，关于由波长重复频率、波长扫描速度、相位转换以及波长调谐范围组成的组中的至少一个参数，所述N个波长轨迹中的至少一条本质上不同于所述N个波长轨迹中的另一条。
在本发明更具体的实施例中，所述N个VCL是电泵浦的。在本发明另一具体的实施例中，所述N个VCL是光泵浦的。在本发明另一更具体的实施例中，所述N个VCL具有集成的VCL光泵。在本发明的一个实施例中，使用单个光泵以泵浦所有N个VCL。
在本发明的一个实施例中，使用单个光放大器放大波长扫描辐射。在本发明的一个实施例中，每个VCL与光放大器单片集成在一起。
在本发明的一个实施例中，所述N个垂直腔激光器单片集成于同一衬底上。
在本发明的一个实施例中，所述N个垂直腔激光器中的至少一个为通过电压源调谐的MEMS-可调谐VCL。在本发明更具体的实施例中，所述N个垂直腔激光器中的每一个为通过电压源调谐的MEMS-可调谐VCL。
在本发明的一个实施例中，其中在任何一个时间点上，所述N个VCL可调谐输出中只有一个被开启。在本发明更具体的实施例中，所述N个垂直腔激光器中的每一个使用电泵浦，所述N个VCL输出中的每一个通过控制电泵浦驱动电流被开启和关闭。
在本发明的一个实施例中，所述N个垂直腔激光器中的每一个以不同的波长重复频率重复扫描。在本发明的一个实施例中。所述N个垂直腔激光器中的每一个以不同的波长带宽扫描。在本发明的一个实施例中，以更小的波长带宽扫描的VCL用于更长距离成像，以更大的波长带宽扫描的VCL用于更短距离成像。在本发明的一个实施例中，以更慢的重复频率扫描的VCL用于更长距离成像，以更快的重复频率扫描的VCL用于更短距离成像。
在本发明的一个实施例中，所述N个垂直腔激光器中的每一个通过具有第一波长重复频率的单调谐波形驱动，所述单调谐波形中的每一个为另一所述单调谐波形的相位转换复制，所述多路复用的波长扫描辐射具有N倍于所述第一波长重复频率的第二波长重复频率。
在本发明的一个实施例中，所述N个垂直腔激光器包括在第一VCL波长范围内发射第一VCL输出的第一VCL和在第二VCL波长范围发射第二VCL输出的第二VCL，其中所述全波长范围为所述第一和第二VCL波长范围的组合。
在本发明的一个实施例中，所述N个垂直腔激光器中的至少一个以MEMS结构的机械共振方式驱动。在本发明的一个实施例中，所述N个垂直腔激光器中的至少一个在真空环境中驱动。在本发明的一个实施例中，所述N个垂直腔激光器中的每一个以MEMS结构的机械共振方式驱动。在本发明的一个实施例中，所述系统还包括具有第一机械共振频率的第一MEMS-VCL和具有基本不同于所述第一机械共振频率的第二机械共振频率的第二MEMS-VCL。在本发明的一个实施例中，所述N个垂直腔激光器中的每一个在真空环境中驱动。在本发明更具体的实施例中，所述真空环境由真空的蝶式封装提供。在本发明另一更具体的实施例中，所述真空环境由真空的晶体管封装提供。
在本发明的一个实施例中，所述电压源的最大驱动电压低于10V。
在本发明的一个实施例中，所述全波长范围包含在约750nm-900nm范围内。在本发明的另一实施例中，所述全波长范围包含在约950nm-1150nm范围内。还是在本发明的一个实施例中，所述全波长范围包含在约1200-1650nm范围内。在本发明的另一实施例中，所述全波长范围包含在约1700-2300nm范围内。
在本发明的一个实施例中，所述样品为人眼。在本发明的一个实施例中，所述图像包括所述人眼的一部分前眼和一部分视网膜。在本发明的一个实施例中，所述样品包括人体组织。在本发明的另一实施例中，所述样品包括动物组织。
可通过参考余下部分的说明书和附图以获得对本发明的性质和优点的进一步理解。
附图说明
图1是表示可调谐激光器或宽可调谐激光器波长调谐的曲线图。
图2是表示可调谐激光器示例性应用的一系列框图。
图3是表示激光器阵列的示意图。
图4是表示电泵浦的多个MEMS-VCL的阵列的示意图。
图5是表示光泵浦的多个MEMS-VCL的阵列的示意图。
图6是表示在OCT成像系统中使用的电泵浦的多个MEMS-VCL的阵列的示意图。
图7是表示在OCT成像系统中使用的光泵浦的多个MEMS-VCL的阵列的示意图。
图8是表示多个VCL交叉操作以获得高重复频率和占空比的一组曲线图。
图9是表示多个VCL交叉操作以获得多路复用的输出波长的一组曲线图。
图10是表示多个VCL交叉操作以获得不同的扫描重复频率的一组曲线图。
图11是表示多个VCL交叉操作以获得选择不同的扫描范围的一组曲线图。
图12是表示多个扫描交叉操作的线图，以获得长距离感兴趣区域(ROI)搜索能力以使用扫描追踪物体实现采用OCT成像系统的更快速和更短距离成像。
图13是表示使用激光器阵列的平行点成像的示意图。
具体实施方式
根据本发明原理的说明性实施例描述旨在结合附图阅读，所有附图被当作整个书面说明的一部分。在本文公开的发明实施例的描述中，任何涉及到方向或取向仅仅是为了方便描述而并不旨在以任何方式限制本发明的范围。相对术语如“下方的”、“上方的”、“水平的”、“垂直的”、“在上面”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其派生词(如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应当解释为指如随后所述或如所讨论的附图中所述的取向。这些相对的术语仅是为了方便描述，除非明确指明是这样，否则并不要求装置以特定的取向构造或操作。除非另有明确说明，术语如“附接”、“贴”、“连接”、“联接”、“互连”和类似术语是指其中结构被直接地或通过中间结构间接地固定或连接至另一结构，以及结构两者都是可移动或刚性的连接或关系。此外，本发明的特征和益处是通过参考具有代表性的实施例来说明。因此特别地，本发明不应当局限于说明可单独或以其它组合方式存在的特征的某些可能的非限制组合的示例性实施例；本发明的范围由所附权利要求限定。
本发明描述了如目前所预期的实施本发明的一个或多个最佳模式。本描述并不旨在以限制性的意义来理解，而是根据参考附图提供仅为了说明性目的提出的本发明的实例以建议本领域普通技术人员本发明的优点和结构。在附图的各个视图中，相同的参考符号表示相同的或相似的部件。
图6表示在扫频源OCT成像系统背景下的本发明的一个优选实施例的原理图。N个电泵浦可调谐VCSEL的阵列100由N个电源105驱动。该VCL系列发射N个被汇合入单条光纤110中的输出115。光纤110中的汇合输出115通过单个光放大器120放大，该光放大器优选为半导体光放大器，但也可以是如光纤放大器的任何光放大器。理论上，多个VCL为晶元规模制作且单片集成于同一衬底上，如在GaAs衬底上的多个1050nm VCL或在GaAs衬底上晶元键合的多个1310nm VCL，正如在(V.Jayaraman,G.D.Cole,M.Robertson,A.Uddin,andA.Cable,“High Sweep Rate 1310nm MEMS-VCSEL with a 150nm continuous tuningrange,”Electronics Letters,May 5,2012.)以及(V.Jayaraman,G.D.Cole,M.Robertson,C.Burgner,D.John,A.Uddin,and A.Cable,“Rapidly-swept Ultra-widely tunable1060nm MEMS-VCSELs,”Electronics Letters,September 6,2012.)中所描述。多个VCL可以是全部基本相同的设备，或取自大设计空间的不同设备的集合，该大设计空间包括但不限于基本不同波长、输出功率、相干长度、调谐范围、强度噪声、波长抖动、偏振状态或是其它与激光器设备普通相关的特性的多种参数。多个VCL也可以是由分开的晶元中切割出来并安装在单个的子载波上或者是可以单独封装的多个VCL。一系列VCL的组合产生高度可适应的VCL系统，其发现如光谱学、介入医学以及非侵入性成像的许多应用。虽然存在远超过这三个例子的众多的应用，但是将使用非侵入性成像作为一个示例性应用。
对于OCT成像应用，放大后的输出130被分流至参考路径140和样品150。来自样品的反射光和穿过参考路径的光被汇合进单一的光路160并且打到光探测器170上。探测器170产生干涉信号180，其通过信号处理系统190处理以产生样品150的深度轮廓。尽管如图6所示的参考路径涉及到镜子表面的背向反射，但是该参考路径也可以作为简单的光延迟实现。图6中的系统可以包括许多其它元素，如x-y扫描以创建样品150的2维和3维图像。在优选的实施例中，阵列100中的每一个VCL为通过电压驱动的MEMS-可调谐VCL，但在可替代的实施例中，VCL可以通过压电或通过类似液晶，更一般地，任何光学、电光或电光学机械设备的腔内折射率调谐元件来调谐。此外，对于一些应用，一个或多个VCSEL与一个或多个非VCSEL光源的组合将是有利的；外腔半导体扫频激光器光源、可调谐光纤激光器以及VCL和非VCL的固定波长光源。图6中的优选实施例可以由可替代的实施例所替代，可替代的实施例为一个或多个VCL输出具有独立的光放大器或光纤由自由空间的光路替代。此外，一些应用可受益于保持在一条或多条光纤上以便允许VCL集合的一些任意子集与剩余VCL稍微分开定向使用的一个或多个VCL。
图7表示了在OCT背景下采用使用单个主光泵200的多个光泵浦VCL的可替代的实施例。其它的实施例可以对每个VCL使用单独的光泵浦，如在(V.Jayaraman,T.J.Goodnough,T.L.Beam,F.M.Ahedo,and R.A.Maurice,“Continuous wave operationof single transverse mode 1310nm VCSEL up to 115C,”IEEE Photonics TechnologyLetters vol.12,no.12,December,2000.)中描述的集成的VCL光泵。
可以以各种方式使用图6和7中的VCL阵列以在共用的光纤110中创建能够实现更高的速度、更高的分辨率或更多的多路复用SS-OCT的多路复用的波长扫描辐射。例如，每个VCL可以过驱动，只使用成像所需的部分波长轨迹。使用在具有明显大于用来扫描横跨VCL带宽所需的自由光谱范围的扫频VCL内的可调谐滤波器，有可能获得可以从百分之几变化到100％的负载比(扫描激光器调谐周期与系统的整个周期的比)。使用一系列这样如图6中所配置的VCL，那么可以把一系列独立的VCL扫描一起拼接在较大的整个周期内。这样的系统将提供从使用一个到多于一个的或者图6中所有的一系列VCL。
这在真空中特别有利，其中使用低电压能够获得围绕VCL腔的不止一个自由波谱范围的非常大的偏转，如在(G.D.Cole,J.E.Bowers,K.L.Turner,and N.C.McDonald,“Dynamic Characterization of MEMs-Tunable Vertical-Cavity SOAs,”IEEE/LEOSInternational Conference on Optical MEMS and Their Applications(MOEMS 2005),Oulu,Finland,1-4Aug.2005.)中所描述。在这样的操作下，VCL只在有用的部分波长扫描期间开启和在不需要的部分波长扫描期间关闭。在优选的实施例中，所述VCL为通过驱动电流105控制开启和关闭的电泵浦VCL。图8中表示了对于两个电泵浦VCL阵列情况的典型驱动波形的典型实例。用实线表示用于第一VCL 1的波形，用虚线表示那些与第二VCL 2相关的波形。如图8B所示，每个VCL通过基本相同但相位转换的波形过驱动。图8C中所示的共用的光纤110中的多路复用输出包括都来自两个VCL的两倍于单个VCL的波长扫描重复周期的波长扫描。单独的VCL 1和VCL 2通过图8A中所示的驱动电流波形在合适的时间段开启和关闭。应当理解的是有多种方法用于基本实现图8C中所示的结果，例如，如果VCL调谐部分的FSR基本大于VCL的调谐范围，则不需要图8A中所示的调谐开启和关闭。因此我们的目的是描述VCL阵列的大体操作以强调其有用性，同时理解对于VCL阵列有许多操作模式。
图8中的实例说明了VCL输出115中的每一个在基本相同的波长范围内扫描的情况。图9说明了用于采用在第一波长范围内300发射的第一电泵浦VCL以及在第二波长范围内310发射的第二电泵浦VCL的另一优选实施例的波形，如图9C所示。如图所示，每个VCL通过图9B中的调谐波形被在其波长范围内双向调谐。如图所示，通过图9A中驱动电流波形开启和关闭每个VCSEL。如图9C所示，最终结果为光纤110中的多路复用输出中的波长范围，该波长范围为VCL 1的第一波长范围和VCL 2的第二波长范围的组合。如同本文中的所有实例，激光器阵列可以是电泵浦VCL、光泵浦VCL或非VCL扫频或固定激光器光源的任何组合。光器阵列的输出或者是独立保持在自由空间中、或在光纤中、或与用于随后使用在更大的系统或应用上的阵列中的多个其它激光器中的一个进行组合。
图10说明了另一优选的实施例，其中第一和第二VCL在相同的波长范围内但以两波长重复频率驱动以相应地实现短距离高速成像和长距离低速成像。只有VCL 1打开一段时间以获得第一图像，而只有VCL 2打开一定时间段以获得第二图像。或者，两个VCL可以同时打开，且如果由两VCL产生的干涉信号落在非重叠频带范围内，两信号在电子器件中反褶积。在理想的实施例中，VCL 1和VCL 2都具有不同的机械共振且每一个在由真空密封的封装如蝶形封装所提供的真空环境中驱动。或者，VCL 1和VCL 2可以同时打开但具有充分分开的非重叠波长扫描范围，以允许光学元件如二向色或者波长选择性分束器对于给定应用在适当的点分离信号。另一备选的方案为使用在时间和波长调谐范围都重叠但为不同的偏振以允许使用偏振分束器来分离两个VCL光源的两个VCL。技术人员现在毫无疑问能够理解，作为可以用在大量应用中的高适应性激光器系统的VCL阵列具有超过传统激光器系统的实质性益处。
图11说明了另一优选的实施例，其中第一VCL在宽调谐范围内驱动，第二VCL在窄调谐范围内驱动，以能够实现短距离高分辨率成像或较长距离较低分辨率成像。图10和11中的方法可以合并以使每个VCL不仅在不同的波长带宽范围且以不同的波长重复频率操作。在特定的时间只有一个VCSEL打开以实现每次一种成像模式。
图12说明了另一优选的实施例，其中系统配置为捕捉移动样品的3D图像。VCL 1在具有支持长成像距离的采样间隔的调谐范围内驱动。该VCL 1用来定位感兴趣区域(ROI)和提供随着样品移动的周期性的更新。对于一些应用，使用单个A-扫描来获取位置数据。然后使用VCL 2来获取来自样品的成像数据。来自VCL 1的位置扫描数量与来自VCL 2的成像扫描数量的比值可以根据应用视情况调整。对于缓慢移动的样品，VCL 1可以用来定位中间由成像激光器VCL 2产生的大量扫描的样品。图12高度简化为成像扫描与位置扫描的比值通常为明显大于所示的数值。此外，在更一般的情况下，可以有M个定位激光器和N个成像激光器以便获得对样品运动的更全面的了解。较大的成像系统将具有用于补偿由M个定位激光器报告的样品运动的设备。假设样品缓慢移动，那么成像时间可以远大于定位时间，因此一个定位激光器绕着样品的路线以便提供一维以上的移动数据。系统的精确结构需高度依赖于应用，本发明的益处是其能够用于许多不同的情况和成像场景。在用于OCT成像的一个实施例中，可以基于来自ROI发现、长距离成像扫描OCT信息的测量来调整参考臂长度。
图13说明了用于多空间位置同时成像的多光束光学相干层析成像的本发明另一优选的实施例。这里，每个光学输出指向样品上不同的物理位置。在对眼睛成像的情况下，如果每个VCL在约980-1120nm的范围内运行且发射约15mW的光纤耦合输出光功率，则优选地不对每个VCL都进行光放大。然而，可以使用单独的光放大器。优选的实施例也使用多个电泵浦VCL。在可替代的实施例中，每个VCL被光放大和/或光泵浦。可以通过与每个VCL单个集成的集成光放大器提供放大，如在(M.Nakahama,T.Shimada,and F.Koyama,“LateralIntegration of MEMS-VCSEL and slow light amplifier boosting single modepower,”IEICE Electronics Express,vol.9,no.6,pp.544-551,2012.)中所描述。对于接近1310nm的操作和对于成像高散射组织，可能需要每个VCL的光放大。也可以通过集成的光泵浦完成，如先前在(V.Jayaraman,T.J.Goodnough,T.L.Beam,F.M.Ahedo,andR.A.Maurice,“Continuous wave operation of single transverse mode 1310nm VCSELup to 115C,”IEEE Photonics Technology Letters vol.12,no.12,December,2000.)中所完成的。
图8-12中所示的实例表示两个VCL，但这仅仅是为了用于说明性目的，所示概念可以扩展到N个VCL或N个非VCL，或者是VCL和非VCL设备的任意组合。此外，通过本说明书和下面的权利要求书，术语VCL输出被用于指放大后的或非放大后的输出，这取决于上下文。例如，具有集成放大器的VCL的VCL输出指的是放大后的VCL输出。虽然图8-12中所示的示例是在OCT成像的背景下解释，基本的交叉扫描概念对于其它的可调谐激光器应用和相应地应用是有利的。例如，在光谱学应用中，长但是粗采样的扫描可以和快速的短扫描交叉使用，以都对较长时间区间的长范围波长的总光谱响应和特定的感兴趣波长的快速更新且短时间区间的光谱响应进行监控。通过交叉使用具有不同扫描波长的两个或多个激光器也能获得用于光谱学的扩展的波长扫描。
在一些应用中，在激光器阵列中组合扫频和非扫频激光器光源是可取的。例如，可以使用固定的波长探测光束用于准备通过扫频激光器光源随后询问的样品。
为表征样品的双折射性质，使用具有不同偏振状态的光探测样品是有利的。激光器阵列中的多个激光器能够输出不同的偏振状态到光纤或自由空间光系统中。不同激光器输出之间的切换改变发射的偏振状态。例如，具有输出不同偏振状态的能力对于偏振OCT来说是有益处的。光传感器、存储器、存储设备、全息器件、液晶装置以及表征/检查设备，如用于质量控制的设备，可使用偏振光且受益于由激光器阵列实现的快速偏振切换。对于使用扫频或可调波长光源的加密或提高吞吐量的通信，数据传输也可以使用偏振状态编码或压缩。在呼吸分析中，一个或多个激光器将被用来监控在呼吸周期中取自激光器阵列中的其它激光器的其他数据的位置。很像本文所描述的移动追踪应用，使用追踪激光器记录长期呼吸周期，与此同时并行使用多光谱测量减少当前测量系统中固有的取样误差。
虽然本发明的内容已经参考其优选和替代实施例以具体示出和描述，但是本领域的技术人员应该理解，其中在形式和细节上可以有各种改变而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。另外，虽然本发明已经被相当详细地描述并具有与几个所描述的实施例相关的一定的特殊性，这并不意味着它应该被限制到任何这样的细节或实施例或任何特定实施例中，但是它是应当参考所附的权利要求解释以在考虑到现有技术的情况下提供对这些权利要求最广泛的可能的解释，从而有效地涵盖本发明的预期范围。另外，前面就发明人可预见的实施例对本发明进行了描述，因为可实施的描述是有效的，尽管本发明的非实质性的修改，不是目前所预见的，仍然可以代表其等同物。

Claims (30)

1.一种用于扫频源光学相干层析成像的系统,包括在全波长范围发射多路复用的波长扫描辐射的光源，所述光源包括：发射具有N个波长轨迹的N个可调谐垂直腔激光器光输出（115）的N个波长扫描垂直腔激光器（100），其中N大于1；用于汇合所述N个可调谐垂直腔激光器光输出到共用的光路中以创建多路复用的波长扫描辐射的整合器（110）；用于分离所述多路复用的波长扫描辐射至样品（150）和参考路径（140）的分离器；用于探测由所述样品的反射和穿过所述参考路径的光之间的光学干涉所产生的干涉信号的光探测器（170）；以及使用所述干涉信号构造所述样品的图像的信号处理系统（190），其中，由波长重复频率、波长扫描速度、相位转换以及波长调谐范围组成的组中的至少一个参数使得所述N个波长轨迹中的至少一个不同于所述N个波长轨迹中的另一个，其中所述N个波长扫描垂直腔激光器中的每一个为通过电压源调谐的MEMS-VCL，并且所述用于扫频源光学相干层析成像的系统还包括具有第一机械共振频率的第一MEMS-VCL和具有不同于所述第一机械共振频率的第二机械共振频率的第二MEMS-VCL，不同的波长扫描垂直腔激光器具有不同机械共振以实现连同可变的扫描速率用于所述用于扫频源光学相干层析成像的系统中两种不同成像距离的低电压以及共振操作。
2.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，所述N个波长扫描垂直腔激光器中的每一个是电泵浦的。
3.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，所述N个波长扫描垂直腔激光器中的每一个是光泵浦的。
4.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述N个波长扫描垂直腔激光器中的每一个具有集成的垂直腔激光器光泵。
5.根据权利要求3所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中使用单个光泵以泵浦全部所述N个波长扫描垂直腔激光器。
6.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中使用单个光放大器放大波长扫描辐射。
7.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，每个波长扫描垂直腔激光器与光放大器单片集成。
8.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中全部所述N个波长扫描垂直腔激光器单片集成于同一衬底上。
9.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中在任何一个时间点上，所述N个可调谐垂直腔激光器光输出中只有一个被开启。
10.根据权利要求9所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述N个波长扫描垂直腔激光器中的每一个是电泵浦的，通过电泵浦驱动电流控制所述N个可调谐垂直腔激光器光输出中的每一个的开启和关闭。
11.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述N个波长扫描垂直腔激光器中的每一个以不同的波长重复频率重复扫描。
12.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述N个波长扫描垂直腔激光器中的每一个以不同的波长带宽扫描。
13.根据权利要求12所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中以更小的波长带宽扫描的波长扫描垂直腔激光器用于更长距离成像，以更大的波长带宽扫描的波长扫描垂直腔激光器用于更短距离成像。
14.根据权利要求11所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中以更慢的波长重复频率扫描的波长扫描垂直腔激光器用于更长距离成像，以更快的波长重复频率扫描的波长扫描垂直腔激光器用于更短距离成像。
15.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，所述N个波长扫描垂直腔激光器中的每一个通过具有第一波长重复频率的单调谐波形驱动，所述单调谐波形中的每一个是另一单调谐波形的相位转换复制，所述多路复用的波长扫描辐射具有N倍于所述第一波长重复频率的第二波长重复频率。
16.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述N个波长扫描垂直腔激光器包括在第一垂直腔激光器波长调谐范围发射第一垂直腔激光器输出的第一垂直腔激光器和在第二垂直腔激光器波长调谐范围发射第二垂直腔激光器输出的第二垂直腔激光器，其中所述全波长范围为所述第一垂直腔激光器和第二垂直腔激光器波长调谐范围的组合。
17.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述N个波长扫描垂直腔激光器中的至少一个在真空环境中驱动。
18.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述N个波长扫描垂直腔激光器中的每一个以MEMS结构的机械共振方式驱动。
19.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述N个波长扫描垂直腔激光器中的每一个在真空环境中驱动。
20.根据权利要求17所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述真空环境由真空的蝶形封装提供。
21.根据权利要求17所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述真空环境由真空的晶体管封装提供。
22.根据权利要求17所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述电压源的最大驱动电压低于10V。
23.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述全波长范围包含在750nm-900nm范围内。
24.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述全波长范围包含在950nm-1150nm范围内。
25.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述全波长范围包含在1200-1650nm范围内。
26.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述全波长范围包含在1700-2300nm范围内。
27.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述样品为人眼。
28.根据权利要求27所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述图像包括所述人眼的一部分前眼和一部分视网膜。
29.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述样品包括人体组织。
30.根据权利要求1所述的用于扫频源光学相干层析成像的系统，其中所述样品包括动物组织。
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