CN105514785A - 一种高速线性扫频激光光源 - Google Patents

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    • H01S3/067—Fibre lasers

Abstract

本发明公开了一种高速线性扫频激光光源，包括：可调谐激光器、第一光开关、偏振控制器以及移频环，其中，移频环由光纤耦合器的第一输入端口与第一输出端口闭合形成，环内依次通过光纤顺序串联光隔离器、移频器、光放大器、第二光开关、带通滤波器和偏振控制器，之后脉冲光进入光纤耦合器，在光纤耦合器实现分光，部分光信号直接通过光纤耦合器的第二输出端口作为输出，另一部分光信号通过光纤耦合器的第一输出端口在移频环内实现再次移频，移频后的光信号再次经过光纤耦合器进行分光，上述过程循环反复，每次循环实现光的频移，并在不同时间输出，从而实现高速、单向、K空间线性、分立波长且波长间隔可调谐、瞬时线宽很窄的扫频激光输出。

Description

一种高速线性扫频激光光源
技术领域
本发明涉及扫频激光光源设计领域，特别涉及一种基于移频环的高速线性扫频激光光源。
背景技术
光学相干层析成像(OCT)技术自从1991年被提出以后，由于其具有现有其他医学成像技术不可比拟的优势，迅速的被运用到眼科、皮肤、心血管等医学领域。与传统的OCT技术相比，采用扫频激光光源的扫频OCT(SS-OCT)系统成像速度不受探测系统的限制，可以实现更快速的扫描。SS-OCT系统中，扫频激光光源的性能决定了整个系统的性能水平。
扫频激光器大致可分为传统扫频激光器、傅里叶域锁模激光器和基于色散调谐的主动锁模激光器。在传统扫频激光器中，滤波器的机械调谐速度和激光振荡建立所需的时间限制了扫频速度。2006年R.Huber等人提出采用长环形腔的傅里叶锁模激光器，突破了激光建立时间的限制，将扫频速度从10KHz提高到将近300KHz。但是，傅里叶域锁模激光器的扫频输出有三大缺点：K空间非线性、双向扫描、瞬时线宽较宽。2013年ShinjiYamashita等人提出了基于色散调谐的主动锁模激光器，消除了滤波器的机械扫描限制，可实现250KHz的扫频速度。但是，随着扫频速度的提高，扫频激光的瞬时线宽不断展宽，从而导致成像深度降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有扫频激光光源的缺点与不足，提供一种基于移频环的高速线性扫频激光光源的实现方法。
与现有的扫频激光光源技术比较，基于移频环的扫频激光光源具有以下优点：1、高速扫频，可实现兆赫兹(MHz)量级的扫频速度；2、单向性，可以实现只有后向(长波到短波)或前向扫描(短波到长波)的扫频输出；3、K空间线性，可简化OCT后期成像的数据处理；4、分立波长输出，且分立间隔可调；5、扫频输出激光的瞬时线宽很窄，可有效提高OCT成像深度。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高速线性扫频激光光源，所述激光光源包括：可调谐激光器、第一光开关、偏振控制器以及移频环，
其中，所述可调谐激光器，作为初始光源输出稳定单频的连续光到所述第一光开光；
所述第一光开光，通过调节开关电压使输入的单频连续光转化为具有一定脉宽和重复频率的脉冲光，脉冲光随后进入到所述偏振控制器；
所述偏振控制器，通过调节脉冲光的偏振态使脉冲光进入对偏振态敏感的移频环；
所述移频环包括光纤耦合器、光隔离器、移频器、光放大器、第二光开关、带通滤波器和偏振控制器，所述移频环由所述光纤耦合器的第一输入端口与第一输出端口闭合形成，环内依次通过光纤顺序串联所述光隔离器、所述移频器、所述光放大器、所述第二光开关、所述带通滤波器和所述偏振控制器，所述偏振控制器输出的脉冲光进入到所述光纤耦合器的第二输入端口，在所述光纤耦合器实现分光，部分光信号直接通过所述光纤耦合器的第二输出端口作为输出，另一部分光信号通过所述光纤耦合器的第一输出端口在所述移频环实现再次移频，移频后的光信号再次经过所述光纤耦合器进行分光，上述过程循环反复，每次循环实现光的频移，并在不同时间输出，从而实现扫频激光输出。
进一步地，所述光隔离器用于保证进入所述移频环的信号光单向传输。
进一步地，所述移频器，通过调节移频器的驱动射频信号，对输入所述移频环的光信号进行移频，移频量由外部输入所述移频器的射频信号决定。
进一步地，所述光放大器，对进入所述移频环的光信号进行放大，补偿光信号在所述移频环内的传输及输出损耗。
进一步地，所述第二光开关，用于选择截止光信号的波长以及抑制噪声累积。
进一步地，所述带通滤波器，用于抑制光信号在所述移频环内循环多圈所累积的噪声和带外噪声，所述带通滤波器为中心波长和通带带宽均可调谐的光滤波器。
进一步地，所述偏振控制器，用于调节所述移频环内的偏振态。
进一步地，所述光纤耦合器的耦合比为50:50。
进一步地，所述移频器为单边带调制器，通过调节所述单边带调制器的偏置电压，使其工作在载波抑制的单边带调制状态，从而实现移频，频移量由加载在所述单边带调制器上的射频信号决定。
进一步地，所述第一光开关和所述第二光开关的时延和同步调节一致。
与现有的扫频激光光源技术比较，基于移频环的扫频激光光源具有以下优点及有益效果：
1.高速扫频
现有扫频激光光源的扫频速度大部分是千赫兹(kHz)量级的，这主要受限于滤波器的机械调谐速度和激光振荡所需的时间。本发明为了避免这两方面的限制，不使用滤波器，而是通过在光纤环内引入移频器，对输入的种子光频进行循环不断的移频，从而实现扫频输出。扫频速度主要由光在光纤环内循环一周的时间和循环次数所决定。当光在光纤环内的循环次数一定时，尽量缩短光纤环的长度，可实现兆赫兹(MHz)量级的扫频输出。
2.单向性
对于现有的扫频激光光源，只要腔内加入了滤波器的，一般都是双向扫描输出，且能实现单向扫描输出的都需在激光输出后进行一些后处理。而本发明通过引入移频环，对输入移频环内的光进行不断的上变频或下变频，使得输出的扫频激光是单向扫描的。
3.K空间线性
扫频激光光源主要应用于OCT成像，而扫频激光光源的K空间线性与否决定了后期成像处理的难易。现阶段很少有能实现K空间线性的扫频激光光源，而本发明在光纤环内引入的移频器使保证了输出的扫频激光在K空间是线性的。
4.分立波长
现阶段的扫频激光光源大部分都是连续波长扫描的，要实现分立波长输出则需要引入梳状滤波器，这样就会导致光源的功率降低，性能下降。而本发明通过引入移频环，使得输出的光频并不是连续的，而是分立的，且波长间隔可通过改变移频器的移频量即输入移频器的射频信号(RF)进行调节。
5.扫频输出激光的瞬时线宽很窄
在SS-OCT成像系统中，扫频激光光源的瞬时线宽决定了系统的成像深度，瞬时线宽越窄，成像深度越深。而本发明相比其他连续波长扫描的扫频激光光源具有较窄的瞬时线宽，可实现更深的成像深度。
附图说明
图1是本发明公开的高速线性扫频激光光源的组成框图；
图2是高速示波器上观察到的本发明公开的扫频激光光源输出时域图；
其中，101-可调谐激光器，102-第一光开关，103-偏振控制器，104-光纤耦合器，105-光隔离器、106-移频器、107-光放大器、108-第二光开关、109-带通滤波器和110-偏振控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。
实施例
本实施例设计一种基于移频环的高速线性扫频激光光源，通过引入移频环而非传统激光器中使用可调谐滤波器来实现波长扫描，从而有效消除了可调谐滤波器的机械扫描限制，可实现高速的扫频输出。包括可调谐激光器、第一光开关、偏振控制器、移频器、光放大器、光隔离器、带通滤波器、光纤耦合器等装置。
利用可调谐激光器输出单频的连续光，通过第一光开关后形成具有一定脉宽和重复频率的脉冲光，将这一脉冲光输入光纤耦合器的一输入端；将光纤耦合器的另一输入端口和一输出端口闭合形成一个移频环，环内串联光隔离器、移频器、光放大器、第二光开关、带通滤波器和偏振控制器；光纤耦合器另一个输出端作为激光光源扫频信号输出端；脉冲光信号在构成移频环的光纤耦合器处实现分光，部分光信号直接通过移频环作为输出，另一部分光通过移频环后实现移频，移频后的光信号再次经过光纤耦合器进行分光，上述过程循环反复，每次循环实现光的频移，并在不同时间输出，从而实现扫频激光输出。移频环内光隔离器保证光单向传输，移频器对每次循环的光进行频移，光放大器对光进行放大以补偿光传输及输出损耗，光开关与环外光开关同步以有效抑制噪声，带通滤波器用以有效抑制带外噪声，偏振控制器用于提高信号质量。
如图1所示，基于移频环的高速线性扫频激光光源的组成框图：
可调谐激光器101，输出单频连续光进入第一光开关102。
第一光开关102，通过调节开关电压，将单频连续光转化为具有一定脉宽和重复频率的脉冲光，脉冲光随后进入到偏振控制器103。
偏振控制器103，通过调节脉冲光的偏振态使脉冲光进入对偏振敏感的移频环。
移频环，移频环包括由光纤、耦合比为50:50的光纤耦合器104构成的移频环，移频环内串联光隔离器105、移频器106、光放大器107、第二光开关108、带通滤波器109和偏振控制器110。光信号在移频环处实现分光，部分光信号直接通过移频环作为激光输出，另一部分光通过移频环后实现移频，并重新回到移频环输入端，移频后的光信号再次分光，上述过程循环反复，每次循环实现光的频移，并在不同时间输出，从而实现扫频激光输出；其中，光源扫频速度主要由光在光纤环内循环一周的时间和循环次数所决定；分立波长间隔与移频器引入的移频量相对应；相邻波长对应的输出时间差等于光在光纤环内循环一周的时间；光在移频环内可循环的圈数与移频环内的损耗和增益直接相关。所述光纤耦合器原则上可为任何耦合比，但50:50的光纤耦合器为最佳选择。
其中，所述移频器，是能实现移频的器件，例如可利用单边带调制器实现移频，通过调节调制器的偏置电压，使其工作在载波抑制的单边带调制状态，从而实现移频，频移量由加载在调制器上的射频信号决定。
光隔离器105，保证进入移频环的信号光单向传输。
移频器106，通过调节移频器的驱动射频信号，对输入移频环的信号光进行移频，移频量由外部输入移频器的射频信号(RF)决定。
光放大器107，对进入移频环的光信号进行放大，补偿光信号在移频环内的传输及输出损耗。
第二光开关108，在移频环内引入第二光开关108来选择截止波长，同时第二光开关108的引入也可起到抑制噪声累积的作用，即扫描完成一个周期后，第二光开关108可对移频环内累积的噪声进行清零。移频环内第二光开关108的引入还可以有效的抑制在第一圈脉冲光来到前，光放大器107的输出光在移频环内形成稳态。实验中需要做好第一光开关102和第二光开关108的时延和同步。
带通滤波器109，可抑制第二光开关108闭合后，光信号在移频环内循环多圈所累积的噪声和带外噪声。
偏振控制器110，因为移频器106是对偏振敏感的，在移频环内加入偏振控制器110是为了更好的调节移频环内的偏振态。
图2为高速示波器上观察到的扫频激光输出时域图，可看出实验得到的扫频光源输出脉冲的重复频率为100kHz，即扫频速度为100kHz，每个周期内大概有40个脉冲，即输入光在移频环循环了40圈，产生了40个线性扫描的光频。从图2还可看出产生每个光频的时间间隔为200ns，这是由移频环的长度所决定的。移频环循环的圈数由移频环内的损耗和增益所决定，当循环圈数一定时，尽量缩短移频环的长度将有利于产生MHz量级扫描速度的扫频激光输出。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速线性扫频激光光源，其特征在于，所述激光光源包括：可调谐激光器、第一光开关、偏振控制器以及移频环，
其中，所述可调谐激光器，作为初始光源输出稳定单频的连续光到所述第一光开光；
所述第一光开光，通过调节开关电压使输入的单频连续光转化为具有一定脉宽和重复频率的脉冲光，脉冲光随后进入到所述偏振控制器；
所述偏振控制器，通过调节脉冲光的偏振态使脉冲光进入对偏振态敏感的移频环；
所述移频环包括光纤耦合器、光隔离器、移频器、光放大器、第二光开关、带通滤波器和偏振控制器，所述移频环由所述光纤耦合器的第一输入端口与第一输出端口闭合形成，环内依次通过光纤顺序串联所述光隔离器、所述移频器、所述光放大器、所述第二光开关、所述带通滤波器和所述偏振控制器，所述偏振控制器输出的脉冲光进入到所述光纤耦合器的第二输入端口，在所述光纤耦合器实现分光，部分光信号直接通过所述光纤耦合器的第二输出端口作为输出，另一部分光信号通过所述光纤耦合器的第一输出端口在所述移频环实现再次移频，移频后的光信号再次经过所述光纤耦合器进行分光，上述过程循环反复，每次循环实现光的频移，并在不同时间输出，从而实现扫频激光输出。
2.根据权利要求1所述的一种高速线性扫频激光光源，其特征在于，所述光隔离器用于保证进入所述移频环的信号光单向传输。
3.根据权利要求1所述的一种高速线性扫频激光光源，其特征在于，
所述移频器，通过调节移频器的驱动射频信号，对输入所述移频环的光信号进行移频，移频量由外部输入所述移频器的射频信号决定。
4.根据权利要求1所述的一种高速线性扫频激光光源，其特征在于，
所述光放大器，对进入所述移频环的光信号进行放大，补偿光信号在所述移频环内的传输及输出损耗。
5.根据权利要求1所述的一种高速线性扫频激光光源，其特征在于，
所述第二光开关，用于选择截止光信号的波长以及抑制噪声累积。
6.根据权利要求1所述的一种高速线性扫频激光光源，其特征在于，
所述带通滤波器，用于抑制光信号在所述移频环内循环多圈所累积的噪声和带外噪声，所述带通滤波器为中心波长和通带带宽均可调谐的光滤波器。
7.根据权利要求1所述的一种高速线性扫频激光光源，其特征在于，
所述偏振控制器，用于调节所述移频环内的偏振态。
8.根据权利要求1所述的一种高速线性扫频激光光源，其特征在于，所述光纤耦合器的耦合比为50:50。
9.根据权利要求1或者3所述的一种高速线性扫频激光光源，其特征在于，所述移频器为单边带调制器，通过调节所述单边带调制器的偏置电压，使其工作在载波抑制的单边带调制状态，从而实现移频，频移量由加载在所述单边带调制器上的射频信号决定。
10.根据权利要求1所述的一种高速线性扫频激光光源，其特征在于，所述第一光开关和所述第二光开关的时延和同步调节一致。
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