CN108872234B - 基于lpfg的单光纤oct系统 - Google Patents

Abstract

一种基于LPG的单光纤OCT系统，包括输入光源、光环行器、OCT干涉检测单元以及信号处理单元；OCT干涉检测单元是一种单光纤麦克尔逊干涉仪，单光纤麦克尔逊干涉仪包括输入双包层光纤及输入LPFG、空芯光纤和纤芯模式反射器、输出双包层光纤及输出LPFG、光纤透镜和反射棱镜，整个OCT干涉检测单元被封装在一个毛细管中；输入LPFG位于输入双包层光纤的纤芯内，输出LPFG位于输出双包层光纤的纤芯内，空芯光纤熔接在输入双包层光纤和输出双包层光纤之间形成一根单光纤，信号臂和参考臂集成到所述一根单光纤中。本发明有效缩小整个系统的尺寸，使整个OCT系统更加紧凑、方便。

Description

基于LPFG的单光纤OCT系统

技术领域

本发明涉及生物医学光学和光纤光学、生物组织检测以及工业无损检测领域，尤其涉及傅里叶域的光学相干层析成像技术(OCT)领域。

背景技术

上个世纪90年代诞生的一种全新的生物成像技术，被称为光学相干层析成像技术(OCT)。与其他的生物成像技术相比较，OCT具有实时成像、无侵入、无损、分辨率高等优势。时至今日，OCT仍无法被其他技术替代，广泛的应用于生物医学、生物组织检测以及工业无损检测等领域。迄今为止，OCT技术的发展经过了两代，即时域OCT与傅里叶域OCT。傅里叶域OCT不需要借助机械结构进行轴向光程扫描，能够一次性采集某一横向位置不同深度的干涉光谱信息，通过对其进行傅里叶变换获取样品深度域结构信息，提高了成像速度。根据光谱探测机制的不同，傅里叶域OCT又可分为谱域OCT和扫频OCT。谱域OCT基于光谱仪，将干涉光谱分散并聚焦到线阵电荷耦合元件进行探测；扫频OCT基于瞬时线宽极窄且输出波长随时间快速扫描变化的扫频光源，利用单点探测器获取干涉光谱。小型化和紧凑化的内窥OCT探针可在低侵入的条件下进入人体内部腔道，这为人体内部组织的高分辨率在体成像提供了可能。OCT技术不仅被广泛的应用在生物医学领域，同时在工业上的无损捡测也可以发挥很重要的作用，例如在某些工业应用中，对工件表面颗粒的颗粒形状、大小以及分布有着很严格的要求，OCT系统可以对这些指标进行有效的测量。

但是，目前的OCT探针仍然存在很多的问题。由于OCT系统需要采集干涉信号，所以不可避免的导致目前的OCT系统需要一个参考臂和一个测量臂；虽然探针是可以小型化的，但是整个干涉检测单元还是比较大的，所以整个OCT系统的结构还是比较复杂的，这就限制了OCT系统在生物医学以及工业无损检测等领域的应用。

发明内容

为了克服现有的光学相干断层扫描技术(OCT)在医疗检查和工业无损检测上存在的结构复杂、灵活性差和成本昂贵的问题，本发明提供了一种利用双包层光纤制成的长周期光纤光栅和空芯光纤做成的单光纤干涉检测器件来改进光学相干断层扫描技术(OCT)，使用双包层光纤和光纤光栅实现单光纤OCT。相比于目前的OCT系统，本发明将OCT的参考臂和测量臂集成到一根光纤中，有效的缩小了整个系统的尺寸，使整个OCT系统更加紧凑、方便。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于LPFG的单光纤OCT系统，包括输入光源、光环行器、OCT干涉检测单元以及信号处理单元；所述OCT干涉检测单元是一种单光纤麦克尔逊干涉仪，所述OCT干涉检测单元包括输入双包层光纤及输入LPFG、空芯光纤和纤芯模式反射器、输出双包层光纤及输出LPFG、光纤透镜和反射棱镜，整个OCT干涉检测单元被封装在一个毛细管中；所述输入LPFG位于输入双包层光纤的纤芯内，所述输出LPFG位于输出双包层光纤的纤芯内，所述空芯光纤熔接在输入双包层光纤和输出双包层光纤之间形成一根单光纤，信号臂和参考臂集成到所述一根单光纤中；在输入双包层光纤与空芯光纤熔接的一端端面设置所述纤芯模式反射器，空芯光纤中心孔的直径和输入双包层光纤、输出双包层光纤的纤芯直径相等，空芯光纤的外层直径和输入双包层光纤、输出双包层光纤包层的外径相等；所述纤芯模式反射器是通过在输入双包层光纤与空芯光纤熔接一端的纤芯端面镀膜，以形成反射镜进而制成的；从输出LPFG出射的光束经过光纤透镜和反射棱镜，聚焦于光纤外部的样品上从而成像。

进一步，用于纤芯模式反射器的镀膜包括金属膜和介质膜。

再进一步，所述输入LPFG和输出LPFG通过紫外光(UV)光写入、CO₂脉冲激光写入、电弧写入、飞秒激光脉冲写入以及机械法制作而成。

所述信号处理单元包括光电转换模块和计算机图像处理模块。

所述光电转换模块为光谱仪或双平衡检测器。

所述输入光源为宽光谱光源或扫频激光，所述光环行器为常规光环行器或单向光耦合器。

本发明“基于LPFG的单光纤OCT系统”的工作过程和原理如下：首先，所述输入光源的光，通过所述输入双包层光纤中的输入LPFG将部分输入光从纤芯模式耦合到包层模式中，剩下的光将留在输入双包层光纤的纤芯中，输入双包层光纤末端的纤芯模式反射器将有效反射向前传输的、剩余的纤芯模式光，这一路是麦克尔逊干涉仪的参考臂。而包层模式通过空芯光纤的包层进入输出双包层光纤的包层中，然后通过输出LPFG从包层模式耦合回纤芯模式，然后光束经过所述光纤透镜和反光镜的反射，最终聚焦于光纤外部的样品上，这一路是麦克尔逊干涉仪的信号臂。被样品反射的信号光会重新进入输出双包层光纤的纤芯，然后通过输出LPFG从纤芯模式耦合回包层模式。而包层模式通过空芯光纤的包层进入输入双包层光纤的包层中，然后通过输入LPFG从包层模式耦合回纤芯模式，并最终与纤芯模式反射器反射的纤芯内的参考光发生干涉，这种干涉是一种在单光纤中实现的麦克尔逊干涉。干渉图像信息通过光电转换模块，最终由图像处理部分恢复出被测样品深度方向的全部图像信息。

本发明的技术构思为：1)利用输入双包层光纤及输入LPFG、空芯光纤和纤芯模式反射器、输出双包层光纤及输出LPFG、光纤透镜和反射棱镜，制作出用于OCT的单光纤麦克尔逊干涉检测单元；2)OCT系统所需的信号臂和参考臂都在一根单光纤中；3)输入光源的光通过单光纤干涉检测单元照射到样品上，从而获取干渉信息，然后通过图像处理单元恢复出被测样品的全部图像信息，实现OCT的功能。

本发明的有益效果主要表现在：1)本发明将OCT的信号臂和参考臂集成到一根单光纤中，使整个系统的结构大大地简单化，成本得到降低；2)本发明中的OCT单光纤干涉检测单元在用于生物医学领域时，系统体积更小，使用更加方便，能够极大地减小病人的痛苦；3)本发明中的OCT更加地灵活，可以应用在工业领域比较微小的结构中。

附图说明

图1是OCT干涉检测单元结构示意图。

图2是SD-OCT工作的整体结构示意图。

图3是SS-OCT工作的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1～图3，一种基于LPFG的单光纤OCT系统，包括输入光源、光环行器、OCT干涉检测单元以及信号处理单元；所述OCT干涉检测单元4是一种单光纤麦克尔逊干涉仪，包括输入双包层光纤401及输入LPFG 402、输出双包层光纤405及输出LPFG 406、空芯光纤404和纤芯模式反射器403，以及光纤透镜408和反射棱镜409。输入LPFG 402位于输入双包层光纤401的纤芯内，输出LPFG 406位于输出双包层光纤405的纤芯内，空芯光纤404熔接在输入双包层光纤401和输出双包层光纤405之间形成一根单光纤，信号臂和参考臂集成到所述一根单光纤中；在输入双包层光纤401与空芯光纤404熔接的一端设置纤芯模式反射器403，空芯光纤404中心孔的直径和输入双包层光纤401、输出双包层光纤405的纤芯直径相等，空芯光纤404的外层直径和输入双包层光纤401、输出双包层光纤405包层的外径相等。纤芯模式反射器403，是通过在输入双包层光纤401与空芯光纤404熔接一端的纤芯端面镀膜，以形成反射镜进而制成的。进一步，用于纤芯模式反射器403的镀膜，包括金属膜和介质膜。从输出LPFG 406出射的光束407经过光纤透镜408和反射棱镜409的反射，最终聚焦于光纤外端的样品410上。所有OCT干涉检测单元的器件封装在毛细管411里。

参照图1，整个OCT干涉检测单元的工作过程和原理如下：首先，通过输入双包层光纤401中的输入LPFG 402将部分输入光从纤芯模式耦合到包层模式中，剩下的光将留在输入双包层光纤401的纤芯中，输入双包层光纤401末端的纤芯模式反射器403将有效反射向前传输的、剩余的纤芯模式光，这一路是麦克尔逊干涉仪的信号臂。而包层模式通过空芯光纤404的包层进入输出双包层光纤405的包层中，然后通过输出LPFG 406从包层模式耦合回纤芯模式，然后光束407经过光纤透镜408并通过反光镜409的反射，最终聚焦于光纤外端的样品410上，这一路是麦克尔逊干涉仪的参考臂。被样品反射的信号光会重新进入输出双包层光纤405的纤芯，然后通过输出LPFG 406从纤芯模式耦合回包层模式。而包层模式通过空芯光纤404的包层进入输入双包层光纤401的包层中，然后通过输入LPFG 402从包层模式耦合回纤芯模式，并最终与纤芯模式反射器403反射的纤芯内的参考光发生干涉，这种干涉是一种在单光纤中实现的麦克尔逊干涉。。

实施案例1——谱域OCT：如图1和2，首先是选用中心波长为810nm的宽光谱激光器1，发出的光通过单模光纤进入到环行器2中，然后再经过光纤进入到本发明所提出的单光纤OCT干涉检测单元4中。通过微电机3转动可以使整个OCT干涉检测单元4深入到组织或工件中，全方位探测到样品的信息。样品各个深度的背向散射光一同返回，与纤芯模式反射器403反射的光进行麦克尔逊型干涉，干渉光谱图像通过光谱仪模块5收集，通过光谱标定、线性插值、傅里叶变换等处理，由图像处理部分6恢复出被测样品深度方向的全部图像信息。

实施案例2——扫频OCT:如图1和3，首先是选用1310nm的扫频激光器1，发出的光通过单模光纤进入到环行器2中，然后再经过光纤进入到本发明所提出的单光纤OCT干涉检测单元4中。通过微电机3转动可以使整个OCT干涉检测单元4深入到组织或工件中，全方位探测到样品的信息。样品各个深度的背向散射光一同返回，与纤芯模式反射器403反射的光进行麦克尔逊型干涉，干渉光谱图像信号被双平衡探测器5接收，最后由图像处理部分6恢复出被测样品深度方向的全部图像信息。

Claims (6)

1.一种基于LPFG的单光纤OCT系统，其特征在于，包括输入光源、光环行器、OCT干涉检测单元以及信号处理单元；所述OCT干涉检测单元是一种单光纤麦克尔逊干涉仪，所述单光纤麦克尔逊干涉仪包括输入双包层光纤及输入LPFG、空芯光纤和纤芯模式反射器、输出双包层光纤及输出LPFG、光纤透镜和反射棱镜，整个OCT干涉检测单元被封装在一个毛细管中；所述输入LPFG位于输入双包层光纤的纤芯内，所述输出LPFG位于输出双包层光纤的纤芯内，所述空芯光纤熔接在输入双包层光纤和输出双包层光纤之间形成一根单光纤，信号臂和参考臂集成到所述一根单光纤中；在输入双包层光纤与空芯光纤熔接的一端端面设置所述纤芯模式反射器，空芯光纤中心孔的直径和输入双包层光纤、输出双包层光纤的纤芯直径相等，空芯光纤的外层直径和输入双包层光纤、输出双包层光纤包层的外径相等；所述纤芯模式反射器是通过在输入双包层光纤与空芯光纤熔接一端的纤芯端面镀膜，以形成反射镜进而制成的；从输出LPFG出射的光束经过光纤透镜和反射棱镜，聚焦于光纤外部的样品上从而成像。

2.如权利要求1所述的一种基于LPFG的单光纤OCT系统，其特征在于，用于纤芯模式反射器的镀膜包括金属膜和介质膜。

3.如权利要求1或2所述的一种基于LPFG的单光纤OCT系统，其特征在于，所述输入LPFG和输出LPFG通过紫外光UV光写入、CO₂脉冲激光写入、电弧写入、飞秒激光脉冲写入以及机械法制作而成。

4.如权利要求1或2所述的一种基于LPFG的单光纤OCT系统，其特征在于，所述信号处理单元包括光电转换模块和计算机图像处理模块。

5.如权利要求4所述的一种基于LPFG的单光纤OCT系统，其特征在于，所述光电转换模块为光谱仪或双平衡检测器。

6.如权利要求1或2所述的一种基于LPFG的单光纤OCT系统，其特征在于，所述输入光源为宽光谱光源或扫频激光。