CN110927114A - 一种基于fp腔干涉仪的光域扫频装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于FP腔干涉仪的光域扫频装置及方法，时钟信号源产生的正弦触发电压信号输入到射频放大器；射频放大器将正弦触发电压信号放大转换为电流驱动信号并输入到直调激光器；直调激光器经过电流驱动信号的调制后，产生宽光谱的种子脉冲激光，并经输入到光环形器的第一端口，再由光环形器的第二端口经输入FP腔干涉仪；FP腔干涉仪将种子脉冲激光展宽，使种子脉冲激光的不同频谱产生线性的延迟，形成扫频激光，扫频激光经光环形器的第二端口再由光环形器的第三端口输出，然后输入光放大器；光放大器对扫频激光进行放大形成一定功率的扫频激光输出。本发明的无需传统扫频激光器的机械结构，可靠性优于比传统扫频激光源，并易于实现。

Description

一种基于FP腔干涉仪的光域扫频装置及方法
技术领域
本发明涉及扫频光源技术领域，具体涉及一种基于FP(法布里-伯罗)腔干涉仪的光域扫频装置及方法。
背景技术
光学相干断层扫描技术(光学相干层析技术，Optical Coherence tomography，OCT)是近十年迅速发展起来的一种成像技术，它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，可得到生物组织的二维或三维结构图像。除了在医学领域的应用，光学相干断层扫描技术正在向其他领域推进，特别是工业测量领域，如位移传感器、薄底片的厚度测量以及其他可以转换成位移的被测物的测量。
随着技术的进一步发展，人们对光域断层扫描的分辨率的要求日益增加。目前光学相干断层扫描的扫频装置由宽谱激光光源、可调滤波器(如光纤光栅)和函数发生器组成。宽谱激光光源输出的宽谱激光送入可调滤波器，可调滤波器在函数发生器的控制下对宽谱激光光源进行控制，以输出扫频激光。由于现有扫频装置的宽谱激光光源所有波长成分都是同时输出的，所有必须要经过可调滤波器在不同时刻滤出不同的波长，来实现激光频率的扫描，即激光扫频线性度需要取决于可调滤波器的调谐线性度，然而，可调滤波器的调谐线性度受到外界环境影响较大，所以在实际应用中，现有扫频装置的激光扫频线性度的可靠性不佳，从而影响OCT的测试精度。
发明内容
本发明所要解决的是现有光学相干断层扫描的扫频装置的扫频线性度受环境影响而可靠度不佳，从而影响OCT的测试精度的问题，提供一种基于FP腔干涉仪的光域扫频装置及方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于FP腔干涉仪的光域扫频装置，包括时钟信号源、射频放大器、直调激光器、光环行器、FP腔干涉仪和光放大器；时钟信号源产生的正弦触发电压信号输入到射频放大器；射频放大器将正弦触发电压信号放大转换为电流驱动信号并输入到直调激光器；直调激光器经过电流驱动信号的调制后，产生宽光谱的种子脉冲激光，并经输入到光环形器的第一端口，再由光环形器的第二端口经输入FP腔干涉仪；FP腔干涉仪将种子脉冲激光展宽，使种子脉冲激光的不同频谱产生线性的延迟，形成扫频激光，扫频激光经光环形器的第二端口再由光环形器的第三端口输出，然后输入光放大器；光放大器对扫频激光进行放大形成一定功率的扫频激光输出。
作为改进，所述基于FP腔干涉仪的光域扫频装置，还进一步包括温度控制器和/或功率控制器；温度控制器经温度控制线缆与直调激光器相连，用于控制直调激光器的温度，实现扫频激光波长的稳定输出；功率控制器经功率控制线缆与直调激光器相连，用于控制直调激光器的功率，实现扫频激光功率的稳定输出。
上述方案中，FP腔干涉仪由两块相互平行的反射镜构成，其中前反射镜反射率r1小于1，后反射镜反射率为1；FP腔干涉仪的色散相关系数在0.1×10-26ps2至10×10-26ps2之间。
一种基于FP腔干涉仪的光域扫频方法，具体包括步骤如下：
步骤1、时钟信号源产生正弦触发的电压信号，并将其发送给射频放大器；
步骤2、射频放大器将时钟信号源产生的电压信号转换为电流驱动信号，去调制直调激光器；
步骤3、直调激光器在电流驱动信号的调制下，产生增益开关效应，并输出种子脉冲激光；
步骤4、直调激光器将输出的种子脉冲激光经过光环形器送至FP腔干涉仪中；
步骤5、FP腔干涉仪利用FP腔干涉仪的色散特性将直调激光器输出的种子脉冲激光展宽，使种子脉冲激光的不同频谱产生线性的延迟，形成扫频激光；
步骤6、FP腔干涉仪将扫频激光经光环形器送到光放大器，光放大器对扫频激光进行放大，补偿FP腔干涉仪展宽过程中脉冲能量的损耗，并输出到后续光学相干断层扫描仪中进行干涉成像。
上述步骤2中，射频放大器产生的电流驱动信号的幅度值范围为2倍到5倍直调激光器电流阈值。
上述步骤3还进一步包括：温度控制器和/或功率控制器对直调激光器的温度和功率进行控制，以使直调激光器的波长稳定在预设范围内。
上述步骤5中，通过设计FP腔折射率n、厚度d和前反射镜反射率r1，使得FP腔干涉仪的色散相关系数在0.1×10-26ps2至10×10-26ps2之间。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、基于直调激光器产生宽谱种子脉冲激光，重复频率高于传统的机械扫频激光源；
2、通过FP腔干涉仪的色散效应对种子脉冲激光展宽，使种子脉冲激光的不同频谱产生线性的延迟，无需传统扫频激光器的机械结构，可靠性优于比传统扫频激光源；
3、采用现有成熟的光学器件，易于实现。
附图说明
图1为一种基于FP腔干涉仪的光域扫频装置的结构框图；图中实线连接线表示光纤连接，虚线连接线表示表示电信号连接。
图2为直调激光器输出的种子脉冲激光的波长成分示意图。
图3为FP腔干涉仪输出的扫频激光的波长成分示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
一种基于FP腔干涉仪的光域扫频装置，如图1所示，由时钟信号源、射频放大器、直调激光器、光环行器、FP腔干涉仪、光放大器、温度控制器和功率控制器组成。
所述时钟信号源，用于产生正弦触发电压信号，其电流幅值大于射频放大器的增益灵敏度。
所述射频放大器，用于将所述时钟信号源产生的电压信号转换为电流驱动信号，调制直调激光器。
所述直调激光器，用于产生种子脉冲激光。当电流驱动信号低于所述直调激光器发光阈值时，增益关闭，不发射激光；当电流驱动信号高于所述直调激光器发光阈值时，增益打开，直调激光器会产生弛豫振荡，其第一个尖峰通常脉宽很窄，在时域上可产生数十ps，频域上数十GHz的种子脉冲激光。
所述光环形器，用于对种子脉冲激光和扫频激光的分离，将输入端口1的种子脉冲激光传输到端口2输出，将输入端口2的扫频激光传输到端口3。
所述FP腔干涉仪，用于将种子脉冲激光展宽，其反射率为1，使种子脉冲激光的不同频谱产生线性的延迟，形成扫频激光，实现光域的扫频。
所述光放大器，用于将扫频激光功率放大输出。
所述温度控制器，用于控制直调激光器的温度，实现扫频激光波长的稳定输出。
所述功率控制器，用于控制直调激光器的功率，实现扫频激光功率的稳定输出。
时钟信号源产生的正弦触发电压信号经射频传输线输入到射频放大器，射频放大器将正弦触发电压信号放大转换为电流驱动信号并经射频传输线输入到直调激光器，直调激光器经过电流驱动信号的调制后，产生宽光谱的种子脉冲激光经光纤输入到光环形器的第一端口①，再由光环形器的第二端口②经光纤连接FP腔干涉仪，FP腔干涉仪将种子脉冲激光展宽，使种子脉冲激光的不同频谱产生线性的延迟，形成扫频激光，扫频激光经光环形器的第二端口②再由光环形器的第三端口③输出，然后经光纤传输到光放大器放大，形成一定功率的扫频激光经光纤输出。温度控制器经温度控制线缆与直调激光器相连，用于控制直调激光器的温度，实现扫频激光波长的稳定输出。功率控制器经功率控制线缆与直调激光器相连，用于控制直调激光器的功率，实现扫频激光功率的稳定输出。
上述光域扫频装置所实现的一种基于FP腔干涉仪的光域扫频方法，其具体包括如下步骤：
步骤1、时钟信号源产生正弦触发的电压信号，并将其发送给射频放大器。
时钟信号源产生周期性的正弦电压信号，其频率范围为1MHz～155MHz、电流幅值大于射频放大器的增益灵敏度，并将该周期性正弦电压信号输入至射频放大器。
步骤2、射频放大器将时钟信号源产生的电压信号转换为电流驱动信号，去调制直调激光器。
射频放大器产生的电流驱动信号的幅度值范围为2倍到5倍直调激光器电流阈值，使直调激光器产生增益开关效应，产生带有宽光谱光脉冲信号。
步骤3、直调激光器在电流驱动信号的驱动下，输出种子脉冲激光。
直调激光器在大于其2倍电流阈值小于其5倍电流阈值的驱动信号的调制下，产生增益开关效应而输出光谱为E(ω)的光脉冲，此时光脉冲的光谱可由下式表示：
E(ω)＝FFT{exp(-at2)exp[i(ω0t+bt2)]} (1)
其中a表示脉冲时域宽度参数，t表示时间，i表示虚数单位
Figure BDA0002284856240000041
ω0表示脉冲光谱的中心频率，b表示脉冲啁啾参数，FFT{·}表示傅里叶变换。
步骤4、在直调激光器输出脉冲光谱的过程中，温度控制器和/或功率控制器对直调激光器的温度和功率进行控制，以实现扫频激光功率的稳定输出。
在增益开关过程中，温度控制器控制直调激光器的温度在25℃±0.01℃范围内，功率控制器控制直调激光器的输出功率稳定度在±0.01dBm范围内，使激光器的波长稳定度在±1pm范围内。
步骤5、直调激光器将输出的种子脉冲激光经过光环形器送至FP腔干涉仪中。
步骤6、FP腔干涉仪利用FP腔干涉仪的色散特性将种子脉冲激光展宽，使种子脉冲激光的不同频谱产生线性的延迟，形成扫频激光。
FP腔干涉仪由两块相互平行的反射镜构成，前反射镜反射率r1小于1，后反射镜反射率为1。
FP腔干涉仪输出的光脉冲光谱EFP(ω)可表示为：
EFP(ω)＝E(ω)·H(ω) (2)
其中H(ω)为FP腔干涉仪频域响应函数，可表示为：
Figure BDA0002284856240000042
其中ω表示光源频率，A表示FP腔的衰减系数，n表示FP腔折射率，d表示FP腔厚度，f(nd,r1)表示FP腔干涉仪的色散相关系数，其数值与FP腔折射率、厚度和前反射镜反射率有关。
通过设计FP腔折射率n、厚度d和前反射镜反射率r1，使得FP腔干涉仪的色散相关系数f(nd,r1)在0.1×10-26ps2至10×10-26ps2之间，使光环形器第二端口②输入到FP腔干涉仪的光脉冲的不同脉冲成分得到线性延时，形成扫频激光。
图2为直调激光器输出的种子脉冲激光的波长成分示意图，图3为FP腔干涉仪输出的扫频激光的波长成分示意图。图内纵坐标为脉冲的光波长，单位nm，横坐标脉冲时间坐标，单位为ps，以明确表示脉冲的扫频情况。其中a＝5×10-3ps-2，b＝2.5×10-4ps-2，ω0＝1.21488×1015Hz，f(nd,r1)＝1×10-26ps2，从图中可以得到：通过FP腔干涉仪的作用，可以将直调激光器输出49nm宽度的激光压缩到35nm，扫描时间由165ps展宽到1500ns，光源的扫频斜率约为0.023nm/ps，从而实现长周期的扫频输出。
步骤7、FP腔干涉仪将扫频激光经光环形器送到光放大器，光放大器对扫频激光进行放大后输出到后续光学相干断层扫描仪中进行干涉成像。
光放大器补偿FP腔干涉仪展宽过程中脉冲能量的损耗，输出在频域上得到一个频率(波长)随时间线性变化的光脉冲，以现光域的扫频。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于FP腔干涉仪的光域扫频装置，其特征是，包括时钟信号源、射频放大器、直调激光器、光环行器、FP腔干涉仪和光放大器；
时钟信号源产生的正弦触发电压信号输入到射频放大器；射频放大器将正弦触发电压信号放大转换为电流驱动信号并输入到直调激光器；直调激光器经过电流驱动信号的调制后，产生宽光谱的种子脉冲激光，并经输入到光环形器的第一端口，再由光环形器的第二端口经输入FP腔干涉仪；FP腔干涉仪将种子脉冲激光展宽，使种子脉冲激光的不同频谱产生线性的延迟，形成扫频激光，扫频激光经光环形器的第二端口再由光环形器的第三端口输出，然后输入光放大器；光放大器对扫频激光进行放大形成一定功率的扫频激光输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于FP腔干涉仪的光域扫频装置，其特征是，还进一步包括温度控制器和/或功率控制器；
温度控制器经温度控制线缆与直调激光器相连，用于控制直调激光器的温度，实现扫频激光波长的稳定输出；
功率控制器经功率控制线缆与直调激光器相连，用于控制直调激光器的功率，实现扫频激光功率的稳定输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于FP腔干涉仪的光域扫频装置，其特征是，FP腔干涉仪由两块相互平行的反射镜构成，其中前反射镜反射率r1小于1，后反射镜反射率为1；FP腔干涉仪的色散相关系数在0.1×10-26ps2至10×10-26ps2之间。
4.权利要求1所述光域扫频装置所实现的一种基于FP腔干涉仪的光域扫频方法，其特征是，具体包括步骤如下：
步骤1、时钟信号源产生正弦触发的电压信号，并将其发送给射频放大器；
步骤2、射频放大器将时钟信号源产生的电压信号转换为电流驱动信号，去调制直调激光器；
步骤3、直调激光器在电流驱动信号的调制下，产生增益开关效应，并输出种子脉冲激光；
步骤4、直调激光器将输出的种子脉冲激光经过光环形器送至FP腔干涉仪中；
步骤5、FP腔干涉仪利用FP腔干涉仪的色散特性将直调激光器输出的种子脉冲激光展宽，使种子脉冲激光的不同频谱产生线性的延迟，形成扫频激光；
步骤6、FP腔干涉仪将扫频激光经光环形器送到光放大器，光放大器对扫频激光进行放大，补偿FP腔干涉仪展宽过程中脉冲能量的损耗，并输出到后续光学相干断层扫描仪中进行干涉成像。
5.根据权利要求4所述的一种基于FP腔干涉仪的光域扫频方法，其特征是，步骤2中，射频放大器产生的电流驱动信号的幅度值范围为2倍到5倍直调激光器电流阈值。
6.根据权利要求4所述的一种基于FP腔干涉仪的光域扫频方法，其特征是，步骤3还进一步包括：温度控制器和/或功率控制器对直调激光器的温度和功率进行控制，以使直调激光器的波长稳定在预设范围内。
7.根据权利要求4所述的一种基于FP腔干涉仪的光域扫频方法，其特征是，步骤5中，通过设计FP腔折射率n、厚度d和前反射镜反射率r1，使得FP腔干涉仪的色散相关系数在0.1×10-26ps2至10×10-26ps2之间。
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