CN111227797B - 一种非线性效应增强的扫频光源 - Google Patents

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Abstract

一种非线性效应增强的扫频光源，半导体光放大器发出光至调谐滤波器，调谐滤波器返回窄光谱光并经过半导体光放大器后进入环形器；环形器输出的光进入耦合器后被分为两路光，耦合器将被分为两路光的其中一路输出，另一路经过环形器后返回半导体光放大器中进行放大并输出至调谐滤波器；从半导体光放大器发出到调谐滤波器方向上的光和从调谐滤波器返回到半导体光放大器方向上的光在非线性介质内发生四波混频效应，非线性介质包括半导体光放大器以及连接半导体光放大器和调谐滤波器、半导体光放大器和环形器的光纤。本发明提出的扫频光源不需要增加额外的配件或者提高仪器性能就能够提高所得激光的光谱范围和光功率。

Description

一种非线性效应增强的扫频光源
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种非线性效应增强的扫频光源。
背景技术
光学相干层析(optical coherence tomography，OCT)技术诞生于上世纪90年代。它利用从参考臂和样品臂返回的低相干光得到干涉信号，经过数据采集以及数据处理之后重构出组织的二维断层图像，该图像可以反映出生物组织的结构信息。
OCT用宽带低相干光作为光源，整个结构本质上就是一个基于迈克尔逊干涉仪的低相干系统。从低相干光源发出的光经过分束器之后分别进入参考臂与样品臂，参考臂中的光经过反射镜的反射作用而原路返回，样品臂中的光经过样品散射作用之后返回，如果参考臂与样品臂的光程差在低相干光源的相干长度内，那么这两路光为相干光，两路光束重新相遇会发生干涉，干涉信号被探测器探测之后将干涉光强信号变为电信号，然后被数据采集卡采集，数据采集卡通过PCI总线将采集得到的数据输入电脑内存，对数据进行处理与图像重建之后得到被测样品的生物组织图像。
在过去的十年中作为第二代OCT技术的傅里叶域光学相干层析(FD-OCT)技术得到了很大的发展，其可分为谱域OCT(TD-OCT)和扫频源OCT(SS-OCT)。对于扫频源OCT(SS-OCT)来说，他同时具备了频域OCT(SD-OCT)的快速成像能力和谱域OCT(TD-OCT)的点探测优势，他的技术核心就是扫频光源。理想的扫频光源需满足高速扫描、宽扫频范围、窄瞬时线宽、高输出功率和线性输出。因为扫频速度决定OCT的成像速度(轴向扫描速度)，光谱范围决定OCT系统轴向分辨率，瞬时线宽决定OCT成像深度，光功率与灵敏度密切相关。扫频源激光器的发展与OCT密切相关。原则上来讲OCT的扫描源就是可调谐激光器，但是在OCT的应用之中，一些性能参数的要求更高。在2000年初，随着OCT领域对扫频源OCT(SS-OCT)越来越感兴趣，人们研发出了可以达到100nm波长扫描范围，100kHz重复频率和100pm瞬时线宽性能参数的可调谐激光器。
扫频激光光源一般由增益介质、光学调谐滤波器组成光学谐振腔以及耦合输出激光部分。增益介质的放大自发辐射光或荧光背景通过调谐滤波器在激光谐振腔内振荡多次，当受激辐射所提供的增益超过损耗，在腔内得到放大，建立并达到稳态振荡，从而依次输出扫频激光。调谐滤波器调谐到新波长的位置，前一个波长的光振荡被阻断，新的波长的光建立激光振荡。腔内激光建立的时间常数决定了所能达到的最大速度。
我们可将扫频光源的谐振腔分为短腔和长腔两大类。传统短腔谐振的扫频激光光源，在调谐滤波器的滤波窗口期间内，被滤波器滤出的色光在短腔内多次谐振并得到增益放大后形成激光，激光建立时间被限制在与滤波器分辨率相对应的滤波器开启时间以内。因此，增益介质的有限增益限制了激光调谐速度。2006年，MIT大学的Fujimoto小组提出了傅里叶域锁模(FDML)技术。不同于传统的短腔扫频激光光源，FDML扫频光源采用了光子渡越周期与调谐周期相匹配的长腔谐振技术。各色光在腔内的渡越时间与滤波器的调谐周期一致，各色光同时在谐振腔内形成谐振并存储于长腔之中，扫频激光依次通过调谐滤波器并由耦合器输出。不再像传统短腔扫频激光光源那样，扫频速度同时受限于滤波器的调谐速度和腔内激光的建立时间，FDML扫频光源的扫频速度只受限于滤波器的调谐速度，可以达到几百khz，甚至几MKhz。
扫频光源的关键参数包括扫频速度、光谱范围、瞬时线宽和输出光功率。扫频速度决定成像速度(轴向扫描速度)，光谱范围决定系统轴向分辨率，瞬时线宽决定成像深度，光功率与灵敏度密切相关。为了提高光源的关键参数，近年来提出了许多办法，包括提高调谐滤波器的速度来提高扫频速度，或者采用FDML的方法来提高扫频速度。提高半导体光放大器(半导体光放大器)的增益系数来提高光功率等。但是这些方法大多需要更换额外的配件，或者提高仪器性能。
发明内容
针对上述传统扫频光源存在的光谱范围小和输出光功率低的不足之处，本发明提出了一种非线性效应增强的扫频光源，不需要增加额外的配件就可以提高光源的光谱范围和光功率。
本发明为了实现上述目的，具体采用以下技术方案：
一种非线性效应增强的扫频光源，包括半导体光放大器、调谐滤波器、环形器和耦合器，
所述半导体光放大器发出光至所述调谐滤波器，所述调谐滤波器返回窄光谱光并经过所述半导体光放大器后进入所述环形器；
所述环形器输出的光进入所述耦合器后被分为两路光，所述耦合器将被分为两路光的其中一路输出，另一路经过所述环形器后返回所述半导体光放大器中进行放大并输出至所述调谐滤波器；
从所述半导体光放大器发出到所述调谐滤波器方向上的光和从所述调谐滤波器返回到所述半导体光放大器方向上的光在非线性介质内发生四波混频效应，所述非线性介质包括所述半导体光放大器以及连接所述半导体光放大器和调谐滤波器、半导体光放大器和环形器的光纤。
具体的，所述调谐滤波器是法布里珀罗可调谐滤波器、光栅型可调谐滤波器或MEMS可调谐滤波器。
具体的，所述半导体光放大器和调谐滤波器之间还设置了第一偏振控制器，所述耦合器输出的两路光中，其中一路经过第二偏振控制器后再通过所述环形器返回所述半导体光放大器中。
具体的，如果扫频光源是傅里叶域锁模类型的扫频光源，所述环形器和所述半导体光放大器之间还设置了一条光延迟线。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种非线性效应增强的扫频光源，通过改变半导体光放大器的位置从而改变了光路的整体结构，使得光在非线性介质(包括半导体光放大器以及环形器和调谐滤波器之间的光纤)内半导体光放大器和中对向两次传播从而发生四波混频效应，提高了所得激光的光谱范围和光功率；使得本系统不需要增加额外的配件或者提高仪器性能就可以提高光源的光谱范围和光功率。
附图说明
图1是本发明提出的一种非线性效应增强的扫频光源在实施例中所使用的光路结构图。
图2是本发明提出的一种非线性效应增强的扫频光源中调谐滤波器的一种内部结构实现图。
图3是本发明提出的一种非线性效应增强的扫频光源在实施例中采集到的1346nm的宽带光源的光谱图。
图4是本发明提出的一种非线性效应增强的扫频光源在实施例中采集到的1346nm的宽带光源的时间光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明提出一种基于非线性效应的扫频光源，通过改变半导体光放大器SOA的位置从而改变了光路的整体结构，使得光在非线性介质(SOA或光纤)内对向两次传播发生四波混频效应，如图1所示，本发明提出的扫频光源包括半导体光放大器1、调谐滤波器3、环形器4和耦合器5，一些实施例中还设置了第一偏振控制器2和第二偏振控制器6来改变光的偏振态，使光纤中光的偏振态与半导体光放大器1放大的偏振态匹配，从而进一步提升扫频光源输出的光信号的光功率和光谱范围。
如图1所示，以在扫频光源中增加了偏振控制器为例，半导体光放大器(SOA)1发出的光经过第一偏振控制器2到达调谐滤波器3，通过调谐滤波器3的特定波长的窄光谱光再通过第一偏振控制器2后返回半导体光放大器1并通过半导体光放大器1后进入环形器4。因此在环形器4到调谐滤波器3之间存在对向传播的光，两个方向传播的光存在频率差，由于非线性效应，导致其中一些光的频率得到加强，同时产生了一些新的光频率，所以光功率和扫频范围得到提升，两次经过半导体光放大器1和环形器4到调谐滤波器3之间的光纤使得光功率也得到了提升。
四波混频是一种基于三阶光学非线性的非线性效应，当有至少两个不同频率分量的光一同在非线性介质(如光纤、半导体光放大器SOA中)中传播时就能够发生四波混频效应。假设输入光中有两个频率分量v1和v2(v2>v1)，由于差频的折射率调制的存在，会产生两个新的频率分量：v3＝v1-(v2-v1)＝2v1-v2和v4＝v2+(v2-v1)＝2v2-v1。此时如果原先就存在v3或v4分量，则表现为v3或v4被放大，即这个两个频率分量经历了参量放大。这就导致激光的光能更集中在几个分量之上。如果不存在v3或v4分量则使得激光具有了新的频率，使得光谱展宽得到增大。因此本发明提出的扫频光源由环形器4引出来的一路光纤上有半导体光放大器1和调谐滤波器3，这使得光两次经过半导体光放大器1和环形器4到调谐滤波器3之间的光纤，使得光在半导体光放大器1和环形器4到调谐滤波器3之间的光纤中对向传播，在环形器4到调谐滤波器3之间的光纤和半导体光放大器1中产生了四波混频效应。
从半导体光放大器1进入到环形器4的光再进入耦合器5，耦合器5将一束光分为两路，一路光通过耦合器5输出，另一路光通过第二偏振控制器6再进入环形器4并再次进入半导体光放大器1，在激光腔内振动产生激光，如此循环。本发明将耦合器5发出的一路光作为扫频光源的输出，另一路返回半导体光放大器1重复利用，由于利用了四波混频效应，本系统不需要增加额外的配件或者提高仪器性能就可以提高光源的光谱范围和光功率。
半导体光放大器1用于产生光信号输出给调谐滤波器3和放大由耦合器5返回来的光信号。本实例中的半导体光放大器1采用的是中心波长为1340nm的O波段助推光学放大器(Thorlabs.US.BOA1036s)，其理想工作温度为25摄氏度。本实例中耦合器5为85:15的耦合器。
调谐滤波器3用于选出特定波长的光，将半导体光放大器1发出的宽光谱的光变成了窄光谱的光返回，从而控制扫频光信号的频率。调谐滤波器3可以是法布里珀罗可调谐滤波器、光栅型可调谐滤波器、MEMS可调谐滤波器以及其它类型可调谐滤波器。如图2所示给出了调谐滤波器3的一种实现形式，包括准直镜7、多面转镜8和光栅9。
衍射光栅9工作在自准直状态。宽带光通过光纤准直镜7准直后照射到旋转多面转镜8，并经多面转镜8的某一反射面反射到光栅9平面，在光栅9处发生宽带光的色散，其中满足利特罗条件(衍射角等于入射角)的衍射光谱成分将按原光路返回到准直镜7。当多面转镜8旋转时，经多面转镜8同一反射面反射到光栅9的入射角发生连续改变从аl到аn，满足利特罗条件的时间序列的不同波长从λ1到λn，回到准直镜，完成一个周期的连续调谐。
光栅以自准直状态工作时，只有衍射角等于入射角的光可以沿原路返回准直镜然后输出，对于衍射角等于入射角的光，光栅方程可写成
2d sinα＝mλ (1)
式中为d光栅常数，α是入射角和衍射角，n是光栅衍射级，λ为波长。该光栅方程即为利特罗装置光栅的调谐方程。
本实例中调谐滤波器3中的光栅9为1200线对的反射型光栅，其在利特罗条件下的中心波长为1310nm：一些实例中还可以为透射型光栅。准直器7的聚焦长度为40mm。
本实例中采用的多面转镜为有90个面的多面转镜(Lincoln Laser.US.BMC-71-1-3236-900-00)。
最终得到的光源光谱图如图3所示，时间光谱图如图4所示。
本发明提出的扫频光源在短腔扫频激光器和傅里叶域锁模扫频激光器都可以使用，当应用于短腔扫频激光器时，由于普通的短腔扫频激光器直接使用的尾纤不需要光延迟线。当应用于傅里叶域锁模扫频激光器，可以在扫频光源的环形器4和半导体光放大器1之间增加一条光延迟线，使该装置变成FDML(傅里叶域锁模)扫频激光器。由于光延时线也是一种非线性光学介质，因此此时在光延时线中、环形器4到调谐滤波器3之间的光纤中以及半导体光放大器1中都会发生四波混频效应。
综上所述，本发明提出的扫频光源能够提升光源性能，传输时因为对向传输的光在光纤和半导体光放大器1中发生四波混频效应，光路中的光功率和扫频范围得到提升。基于非线性效应，与传统的提高扫频光源性能的方法相比，本发明由于是改变了光路结构得到的光源性能的提高方法，所以不需要性能更好的增益器件，极大的节省了成本，还降低了对高性能器件的依赖。在使用相同器件的条件下，本光源得到了更高的光源光功率和更大的光谱展宽，提高了光源质量。本发明提出的扫频光源结构，短腔扫频光源和傅里叶域(FDML)扫频光源均可以使用，当所属激光器为频域锁模(Fourier Domain Mode Locking,FDML)扫频光源时还包括一段延迟线。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种非线性效应增强的扫频光源，其特征在于，包括半导体光放大器、调谐滤波器、环形器和耦合器，
所述半导体光放大器发出光至所述调谐滤波器，所述调谐滤波器返回窄光谱光并经过所述半导体光放大器后进入所述环形器；
所述环形器输出的光进入所述耦合器后被分为两路光，所述耦合器将被分为两路光的其中一路输出，另一路经过所述环形器后返回所述半导体光放大器中进行放大并输出至所述调谐滤波器；
从所述半导体光放大器发出到所述调谐滤波器方向上的光和从所述调谐滤波器返回到所述半导体光放大器方向上的光在非线性介质内发生四波混频效应，所述非线性介质包括所述半导体光放大器和连接所述半导体光放大器和调谐滤波器以及连接半导体光放大器和环形器的光纤。
2.根据权利要求1所述的非线性效应增强的扫频光源，其特征在于，所述调谐滤波器是法布里珀罗可调谐滤波器、光栅型可调谐滤波器或MEMS可调谐滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的非线性效应增强的扫频光源，其特征在于，所述半导体光放大器和调谐滤波器之间还设置了第一偏振控制器，所述耦合器输出的两路光中，其中一路输出，另一路经过第二偏振控制器后再通过所述环形器返回所述半导体光放大器中。
4.根据权利要求3所述的非线性效应增强的扫频光源，其特征在于，当所述扫频光源是傅里叶域锁模类型的扫频光源时，所述环形器和所述半导体光放大器之间还设置了一条光延迟线。
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