CN110448271A - θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统及OCT成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统及OCT成像系统。所述θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统包括：主要由至少一增益介质、至少一第一耦合器、至少一调谐滤波器、至少一第二耦合器、至少一延迟线、至少一第三耦合器串联形成的谐振腔，其中，所述增益介质的两端分别与所述第一耦合器和第三耦合器连接，所述第二耦合器还与一第一半导体放大器连接，进入第二耦合器的部分光束能够经由所述第一半导体放大器输出，以及，所述第一耦合器还与所述第三耦合器连接形成一反馈光路，进而形成θ腔型的谐振腔。本发明提供的θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统输出的激光具有输出光谱范围小、功率稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种傅里叶锁膜扫频光源系统，特别涉及一种θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统及 OCT成像系统，属于光电子仪器设备技术领域。
背景技术
随着科学的进步，当今医学成像技术已经在医学诊断中起着重要的作用，各种探测方法和显示手段趋于更精确、更直观、更完善从而有助于人们观察生物组织，了解材料结构。目前，各种医学成像技术不断发展，用于生物医学领域的研究，不同的成像原理可以用于观察不同的器官组织，不但给出组织的形态，还对组织特征进行识别和检测。各种成像技术中，OCT (Optical Coherence Tomography，光学相干断层成像)是一种新兴的非接触三维成像技术，近年在眼科、心血管内窥等领域被广泛接受和应用。OCT利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织三维结构图像。
第一代OCT技术是时域光学相干层析成像术(Time Domain TD OCT)。TD OCT的轴向线扫描速度(A-line)一般被限制在2-4kHz，极大的限制了其成像速度。之后出现了第二代OCT技术：光谱域光学相干层析成像术(Spectral Domain SD OCT)。此技术不需要参考臂的机械扫描， A-line速度达到几十kHz，是目前临床眼科应用的主流技术。最新的一代OCT技术是扫频光源相干层析成像技术(Swept Source OCT)的成像速度主要决定于光源的扫频频率，得益于高速扫频光源技术的发展。综上所述，扫频光源OCT为最新的OCT技术，其光源性能也比起前几代表现优越：最高可以实现数MHz的纵向线扫描速度，具有良好的发展前景。
扫频光源OCT中核心是扫频光源技术，目前的OCT扫频光源技术主要分为以下几类：非绝热短腔扫频激光器，绝热短腔扫频激光器和傅里叶锁模扫频激光器。
其中，傅里叶锁模(FDML)扫频激光器是一种新型的扫频激光器，在该激光器中可以确保各色光在谐振腔内同时谐振，缓解了瞬时线宽与调谐速度之间矛盾，而且相较于其它类型的扫频光源可以实现更高速的速度，目前已报道的扫频速度最高可以超过10MHz。但是，在傅里叶锁膜扫频光源中其输出激光的波长范围随着滤波器的驱动信号扫描幅度的增大而不断扩大，大范围的输出激光不易于OCT系统的成像。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统及OCT成像系统，进而克服现有技术中扫频光源在不同波长环境下光谱带宽大且波动大等缺点。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统，其包括：主要由至少一增益介质、至少一第一耦合器、至少一调谐滤波器、至少一第二耦合器、至少一延迟线、至少一第三耦合器串联形成的谐振腔，其中，所述增益介质的两端分别与所述第一耦合器和第三耦合器连接，所述第二耦合器还与一第一半导体放大器连接，进入第二耦合器的部分光束能够经由所述第一半导体放大器输出，以及，所述第一耦合器还与所述第三耦合器连接形成一反馈光路，进而形成θ腔型的谐振腔。
在一些较为具体的实施方案中，所述第一耦合器经一S形光纤与所述第三耦合器连接。
在一些较为具体的实施方案中，在所述第一半导体放大器的两端还分别连接有第一光隔离器和第二光隔离器，所述第二耦合器经所述第一光隔离器与所述第一半导体放大器连接。
在一些较为具体的实施方案中，所述第一半导体放大器为增强型半导体放大器。
在一些较为具体的实施方案中，所述第二耦合器还与一光学终结器连接。
在一些较为具体的实施方案中，所述调谐滤波器还与一波形驱动器连接。
在一些较为具体的实施方案中，所述增益介质包括至少一第二半导体放大器和至少一第三半导体放大器，所述第二半导体放大器与所述第三半导体放大器串联，所述第二半导体放大器还与所述第一耦合器连接，所述第三半导体放大器还与所述第三耦合器连接。
本发明实施例还提供了一种OCT成像系统，包括光源单元、成像单元、校准单元、放大单元和图像处理单元，所述的光源单元包括所述的θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供的θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统的扫频光源光谱的半峰全宽(FWHM)随着泵浦功率变化波动较小；
3)本发明实施例提供的θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统的扫频光源光谱图的带宽较小；
3)本发明实施例提供的θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统的半峰全宽值(FWHM)随着波长的变化几乎保持不变。
附图说明
图1是对比例1中一种环形谐振腔傅里叶锁膜扫频光源的结构示意图；
图2是本发明实施例1中一种θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统的结构示意图；
图3是本发明实施例1中一种OCT成像系统的结构示意图；
图4是对比例1中的环形谐振腔傅里叶锁膜扫频光源和实施例1中的θ腔谐振腔的傅里叶锁膜扫频光源的半峰值宽和泵浦光功率的相关性关系图；
图5是对比例1中的环形谐振腔傅里叶锁膜扫频光源和实施例1中的环形谐振腔和θ腔谐振腔的傅里叶锁膜扫频光源的光谱图对比图；
图6是对比例1中的环形谐振腔傅里叶锁膜扫频光源和实施例1中的环形谐振腔和θ腔谐振腔的傅里叶锁膜扫频光源的半峰值和波长的相关性对比图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
对比例1
请参阅图1，一种环形谐振腔傅里叶锁膜扫频光源，其中的增益介质201两端通过光纤分别连接偏振腔控制器202和偏振腔控制器208。其中208另一端通过光纤连接在光环路器203 上的第一端口，调谐滤波器204连接在环路器203的第二端口，延迟线管理系统205一端与环路器203第三端口连接，另一端连接在光纤耦合器206的第一端口；最后，光纤耦合器206输出端一端连接在了具有隔离装置的增强型半导体放大器207中，然后输出扫频激光，另一端口与偏振控制器208连接，从而使反射回腔内的光线继续在腔内传播。
实施例1
请参阅图2，一种θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统，其包括至少一增益介质、耦合器3、6、 12、至少一调谐滤波器4、至少一波形驱动器5、至少一光路终结器11、光路隔离器8、10、至少一延长线7、至少一增强型半导体放大器9和一个S型反馈光路；其中增益介质、耦合器3(即前述第一耦合器)、调谐滤波器4、耦合器6(即前述第二耦合器)、延迟线7、耦合器12 (即前述第三耦合器)依次经光纤连接形成谐振腔，耦合器3与耦合器12经一S形光纤连接形成所述的S型反馈光路，进而形成θ腔型的谐振腔。
具体的，调谐滤波器4一共有三个端口，调谐滤波器4的三个端口分别连接至耦合器3、耦合器6和波形驱动器5；调谐滤波器4与(同步)波形驱动器5相连，目的是为了在固定的时刻将扫频过程符合频率的激光通过，其他频率的锁存在腔内，这样便于激光锁膜技术的实现。
具体的，耦合器6一共有四个端口，耦合器6的其中一端口连接至光学终结器11，其他三个端口分别连接至调谐滤波器4、增强型半导体放大器9和(长)延迟线7。
更为具体的，在谐振腔外，增强型半导体放大器9的两端分别接入了光路隔离器8和光路隔离器10，增强型半导体放大器9与光路隔离器8、光路隔离器10组成了双隔离的输出单元；耦合器6经由光路隔离器8与增强型半导体放大器9连接，这样可以避免提升级半导体放大器 9的自发辐射光对腔内扫频激光的影响，同时也可以避免激光反方向在腔内传播。耦合器6与光学终结器11连接的作用是为了防止多余的光线渗出，同时也有助于多余的光线反馈回腔内继续传播，从而进行下一次输出；所述的增益介质包括半导体放大器1和半导体放大器2，半导体放大器1和半导体放大器2收尾串联形成双放大的增益介质，半导体放大器1的输入端还与耦合器12的输出端连接，半导体放大器2的输出端还与耦合器3的输入端连接，其中，双放大的增益介质可以补偿长延迟线带来的光线损耗；耦合器12还通过光纤将(长)延迟线7接入其一端口。
请参阅图3，一种OCT成像系统主要由光源单元、成像单元、校准单元、放大单元和图像处理单元组成；其中的光源单元包括如图2中所示的θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统，其结构在此不再赘述。
具体的，成像单元中的主要构成部分有参考臂23、样品臂、2*2光耦合器15、光电二极管 16和光环路器14，光源单元发出的激光通过一个耦合器13与光环路器14的第一端口相连，光环路器14还分别与两个光电传感器16连接，耦合器15的第一端口、第二端口还分别连接光环路器14的第一端口和一光电传感器16的输入端，这两路信号最终接入差分式放大器17的输入端，该系统的参考臂23通过光纤接入耦合器15的第四端口。样品臂则主要由聚焦镜25、扫描振镜24和样品26构成，聚焦镜25的一端连接耦合器15的第三端口，另一端连接扫描振镜 24。校准单元主要包括马赫曾德尔干涉仪18、校准二极管19和低通滤波器20，马赫曾德尔干涉仪18的输入端连接在耦合器13第三端口，输出端与两个校准二极管19连接，同时两个校准二极管19通过导线还与电子低通滤波器20连接。在图像处理单元中，A/D转换卡21的输入端连接在电子低通滤波器20的输出端和差分式放大器17的输出端上，PC机22的输入端则连接在A/D转换卡21的输出端上。
更为具体的，扫描振镜24由电信号驱动，可以实现x、y轴方向上的调整，从而可以扫描到样品的各个方向，反射回耦合器中的光线通过耦合器15后，一路进入光电二极管16，转化为相应的电信号，另一路进入光路环形器14的第二端口，并从第三端口出来，再次进行相应的光电转换；在放大单元中，两路电信号构成了一正一负不同形式的电信号，输入到差分式放大器17中进行A/D转换和图像还原处理；光源单元中发射的光线一部分用于成像，另一部用于信号的校准；在校准单元中，其工作过程为：扫频光源发出的激光通过马赫曾德尔干涉仪处理后分为两路，之后分别进入校准光电二极管转换为电信号，然后进入滤波器进行信号处理，处理后的校准信号可以作为图像处理单元的校准信号。
更为具体的，图像处理单元构成则比较简单，主要难度在于软件和算法的实现；校准单元和放大单元产生的电信号进入A/D转换卡后，在内部处理进行图像的复原，之后通过上位机显示，从而可以将OCT成像系统采集的样品图像变成一副肉眼可视的图像。本发明提出的新型成像系统和传统的OCT成像系统主要区别在于，对扫频光源部分进行了结构的改进，采取了S形反馈的新型谐振腔，不同波长扫频激光的光谱图带宽也比起环形腔而有所减小；同时，光源单元也首次使用了傅里叶锁膜技术，可以使得各色光谱同时在腔内振荡，提高了激光的输出性能。
分别对对比例1和实施例1中的傅里叶锁膜扫频光源进行测试，测试结果如图4-图6中所示：
图3反映了不同泵浦光功率下激光FWHM的变化的趋势，从图中可以看出随着泵浦光功率从0W到3.3W增大的过程中，在环形腔和θ腔内的激光光谱的FWHM均有变化，但是比起环形腔而言，θ腔的变化更为平稳，整个过程中扫频激光的FWHM波动都不足0.2nm；因此在θ腔型的扫频激光器中，随着泵浦光功率的增大，其光谱的半峰全宽可以几乎保持不变；
图4是以波长为1000nm激光为中心标准的光谱图；图中实线为θ腔的傅里叶锁膜扫频光源，虚线为环形腔的傅里叶锁膜扫频光源，在整个坐标系对比中明显发现θ腔的傅里叶锁膜扫频光源的光谱带宽明显较小，意味着其半峰全宽值也小于环形腔；
图5是不同激光波长下其光谱的半峰全宽值的分布图，同样图中可以看出激光波长从 980nm到1100nm变化过程中，同样是θ腔的傅里叶锁膜扫频光源的半峰全宽值(FWHM)变化较为平稳。
本发明提出的θ腔傅里叶锁膜扫频光源中具有反馈光路，由于该反馈光路的存在，本发明输出的扫频激光具有输出功率平稳，光谱带宽减小和半波全宽值波动稳定等优良特性。
需要说明的是，本发明所使用的软件和算法等均可以采用现有软件和算法或者采用自行设计和编写的算法，可以通过市购获得，本发明中所采用的各组件的性能参数可以根据实际应用设定，所使用的各光学零件均可以i通过市购获得。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统，其特征在于包括：主要由至少一增益介质、至少一第一耦合器、至少一调谐滤波器、至少一第二耦合器、至少一延迟线、至少一第三耦合器串联形成的谐振腔，其中，所述增益介质的两端分别与所述第一耦合器和第三耦合器连接，所述第二耦合器还与一第一半导体放大器连接，进入第二耦合器的部分光束能够经由所述第一半导体放大器输出，以及，所述第一耦合器还与所述第三耦合器连接形成一反馈光路，进而形成θ腔型的谐振腔。
2.根据权利要求1所述θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统，其特征在于：所述第一耦合器经一S形光纤与所述第三耦合器连接。
3.根据权利要求1所述θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统，其特征在于：在所述第一半导体放大器的两端还分别连接有第一光隔离器和第二光隔离器，所述第二耦合器经所述第一光隔离器与所述第一半导体放大器连接。
4.根据权利要求2或3所述θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统，其特征在于：所述第一半导体放大器为增强型半导体放大器。
5.根据权利要求1所述θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统，其特征在于：所述第二耦合器还与一光学终结器连接。
6.根据权利要求1所述θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统，其特征在于：所述调谐滤波器还与一波形驱动器连接。
7.根据权利要求1所述θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统，其特征在于：所述增益介质包括至少一第二半导体放大器和至少一第三半导体放大器，所述第二半导体放大器与所述第三半导体放大器串联，所述第二半导体放大器还与所述第一耦合器连接，所述第三半导体放大器还与所述第三耦合器连接。
8.一种OCT成像系统，包括光源单元、成像单元、校准单元、放大单元和图像处理单元，其特征在于：所述的光源单元包括权利要求1-7中任一项所述的θ腔傅里叶锁膜扫频光源系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191115 |