CN112842270B - 一种基于高阶模式能量调控的焦深拓展探头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于高阶模式能量调控的焦深拓展探头，该探头包括单模光纤SMF，无芯光纤NCF，一号梯度折射率光纤GIF1，阶跃折射率多模光纤SIMMF，二号梯度折射率光纤GIF2；上述光纤段依次熔接；所述的单模光纤SMF用于导光；SMF的输出光束经NCF放大后被GIF1聚焦至更小的尺寸，并在SIMMF中对模式能量进行调控，将能量耦合至高阶模式中；所述GIF2用于将SIMMF的干涉模场聚焦至待测样本。本发明通过对高阶模式能量进行调控，使其在焦深拓展及旁瓣抑制上相较于传统方案有了进一步的提升。本发明不需要机械扫描并使用同一条管路实现照明和探测，有利于小型化设计；本发明结构简单，有利于降低制造成本。

Description

一种基于高阶模式能量调控的焦深拓展探头
技术领域
本发明属于光学相干层析成像(OCT，Optical coherence tomography)领域，具体涉及一种基于高阶模式能量调控的焦深拓展探头。
背景技术
OCT能借助细小的探头获得活体生物器官内部的高分辨率的结构和功能信息，因此是种很有吸引力的成像手段。使用最先进的宽带光源，OCT的分辨率的轴向分辨率能达到几个微米。但是，在避免严重牺牲有效成像范围的前提下把OCT的横向分辨率提高到同等的量级仍是不小的挑战。
为了解决焦深与横向分辨率的矛盾，各种焦深拓展手段被提出来并成功地应用于台式OCT系统中，使焦深提高了一个数量级。比如数字聚焦、动态聚焦或焦点跟踪、准光学针聚焦。但是，这些技术手段有的要求系统相位稳定，有的需要机械扫描或者独立于照明光路的收集光路，以致于它们难以在空间紧凑的内窥探头中实现。为了开发适用于探头的焦深拓展技术，人们研究各种微加工技术，包括利用化学腐蚀法制作微型轴锥镜、利用软光刻法制作微型二元相位板。但与常规尺寸的轴锥镜或相位板相比，这些微型光学元件的焦深拓展倍数十分有限。因此，有研究团队提出与其简单模仿和缩小传统的焦深拓展器件，不如在原有探头的基础增加一段短的自聚焦光纤(GIF)，直接实现双焦点和焦深拓展。由于这种全光纤探头除了将各段光纤依次熔接外无需其它制作工序，与前述方案相比具有易于制造的优点。但这种基于双焦点的方案对GIF的长度有严格的公差要求，因此难以保证所制造的探头的成品率。已有相关报道通过调制多模干涉场用于扩展光纤探头的焦深，丁志华团队在传统探头的基础上，报道了使用GIF调控大纤芯光纤中的激发模式实现焦深的扩展，但该方案仅使用了LP01模和LP02，扩展的焦深倍数有限，仅为高斯光束的2倍左右；Tearney团队使用共轴聚焦多模(CAFM)光束方案实现了5倍的焦深扩展(相较于高斯光束)，但由于该方案的聚焦光束存在焦点分离的现象，其轴上光强的均匀性不好。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种具有优化的焦深、抑制旁瓣的探头。该探头通过将能量转移到高阶模式实现焦深扩展、旁瓣抑制。
本发明采用以下技术方案实现：
一种基于高阶模式能量调控的焦深拓展探头，包括单模光纤SMF，无芯光纤NCF，一号梯度折射率光纤GIF1，阶跃折射率多模光纤SIMMF，二号梯度折射率光纤GIF2；上述光纤段依次熔接；
所述的单模光纤SMF用于导光；SMF的输出光束经NCF放大后被GIF1聚焦至更小的尺寸，并在SIMMF中对模式能量进行调控，将能量耦合至高阶模式中；所述GIF2用于将SIMMF的干涉模场聚焦至待测样本。
上述技术方案中，进一步地，所述的NCF的最大长度为SMF的光束被放大至刚好充满GIF1的芯层大小时的长度。
进一步地，所述的GIF1的长度为光束刚好被聚焦至GIF1的末端时的长度。
进一步地，所述的SIMMF的最大长度为SIMMF中主要激发模式(能量大于峰值模式能量的50％)的最大模间色散等于OCT系统的轴向分辨单元时的长度；SIMMF允许三个或以上的模式传输。
进一步地，所述的GIF2的长度为刚好满足OCT系统的横向分辨率要求时的长度。
与背景技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明使用同一条光路照明和探测，有利于探头的小型化设计；
2.本发明在制作上仅需要对光纤进行熔接，无需其他工艺，结构可靠，应用场景灵活；
3.相较于传统多模探头，本发明在结构上增加了无芯光纤NCF，无芯光纤NCF和一号梯度折射率光纤GIF1相结合可以在SIMMF中激发更高阶的模式，进一步拓展焦深，并抑制了旁瓣效应；
4.相较于CAFM光束方案，本发明的出射光束具有更好的轴向光强均匀性。
附图说明
图1(a)是一种传统多模探头的结构示意图。SMF，单模光纤；GIF/GIF2，梯度折射率光纤；SIMMF，阶跃折射率多模光纤。
图1(b)是本发明提出的探头的结构示意图。SMF，单模光纤；NCF，无芯光纤；GIF1，一号梯度折射率光纤；SIMMF，阶跃折射率多模光纤；GIF2，二号梯度折射率光纤。
图2传统探头(Probe a)与本发明提出的探头(Probe b)模式能量分布情况，1-9分别表示LP0n(n＝1，2，…9)等不同的模式。
图3为传统探头的典型模拟结果。
图3(a)是传统探头输出光束二维强度分布图。
图3(b)是传统探头的轴上强度分布(与高斯光束情况对比)。
图3(c)是传统探头输出光束直径随传输距离变化的关系(与高斯光束情况对比)。
图3(d)是传统探头工作距离附近垂轴方向归一化强度分布情况(与高斯光束情况对比)。
图4为本发明的典型模拟结果。
图4(a)是本发明提出的探头输出光束二维强度分布图。
图4(b)是本发明提出的探头的轴上强度分布(与高斯光束情况对比)。
图4(c)是本发明提出的探头输出光束直径随传输距离变化的关系(与高斯光束情况对比)。
图4(d)是本发明提出的探头工作距离附近垂轴方向归一化强度分布情况(与高斯光束情况对比)。
具体实施方式
下面结合附图和示例来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。
激发更多的模式有利于获得更大的焦深拓展倍数。一种显而易见的技术方案是采用具有更大纤芯直径的SIMMF，利用高阶模式增加焦深的方案如图1(a)所示，该光纤探头由一段单模光纤(SMF)及一系列光纤段GIF-SIMMF-GIF2组成，其中GIF用于操控SIMMF中的激发模式，GIF2用于调控输出光束。由于更高阶的模场更接近贝塞尔场，为了进一步扩展焦深，需要激发更高阶的LP0n模式，因此，本发明通过将一段NCF1光纤插入到SMF和GIF1之间，如图1(b)所示。来自SMF的光束首先在NCF1中扩展，然后由GIF1聚焦。聚焦光束的发散角随着NCF1长度的增加而增加。通过确定GIF1的长度，使光束仅聚焦在GIF1和SIMMF的交界面上，使得光束在SIMMF内激发更高阶的模式。由图2可知，相较于现有方案，本发明提出的探头将能量耦合进了更高阶模式，模式数目更多。
对上述两种探头结构进行仿真，可得到不同方案下的系统结构参数及输出结果，进而比较两种方案的性能差异。设定输出光束在工作距离内平均光束直径为5μm左右，探头的模间色散小于2.5μm，模拟所用光纤参数如表1所示。
表1探头所使用的光纤参数
Figure BDA0002885984590000031
Figure BDA0002885984590000041
对于上述现有的探头方案，经过仿真计算，可得到该结构的一组优化参数为：GIF的长度为160μm，SIMMF的长度为730μm，GIF2的长度为66.8μm，相较于高斯光束情况，对应焦深增益达到最大值3.4，对应工作距离比为1.4。其输出光束在空气中的强度分布如图3(a)所示，输出光束强度、光斑直径以及工作距离处垂轴方向能量分布如图3(b-d)所示。结果表明，该方案焦深范围为高斯光束的3.4倍，工作距离处旁瓣强度为主瓣强度的40-50％。
由于随着高阶模式阶数的提高，模间最大群速度折射率之差会迅速提高，因此本发明提出的探头将模间色散约束在5-10μm。一组该方案优化的结构参数为：NCF1的长度为215μm，GIF1的长度为362.3μm，SIMMF的长度为470μm，GIF2的长度为497.6μm，相较于高斯光束的情况，对应焦深扩展倍数为3.8，工作距离比为2.1。输出光束强度、直径等信息如图4(a-d)所示。仿真结果表明，本发明提出的方案输出光束轴上光强均匀性较好，光束直径随传输距离的增加变化得更为缓慢，工作距离附近旁瓣强度仅为主瓣强度的30％左右。通过与传统探头的结果对比可知，本发明的探头在焦深优化及旁瓣抑制方面优于上述现有方案的探头。
本发明提出的一种新的光纤探头结构，通过激发更高阶模式的光束实现焦深扩展和旁瓣抑制，适用于OCT。通过仿真与传统多模探头进行对比，可知本发明所提出的探头具有更长的焦深和更弱的旁瓣效应，整体结构简单、易于制造，应用场景灵活，因此在重要领域中具有较大应用潜力。

Claims (1)

1.一种基于高阶模式能量调控的焦深拓展探头，其特征在于：包括单模光纤SMF，无芯光纤NCF，一号梯度折射率光纤GIF1，阶跃折射率多模光纤SIMMF，二号梯度折射率光纤GIF2；上述光纤段依次熔接；
所述的单模光纤SMF用于导光；SMF的输出光束经NCF放大后被 GIF1聚焦至更小的尺寸，并在SIMMF中对模式能量进行调控，将能量耦合至高阶模式中；所述GIF2用于将SIMMF的干涉模场聚焦至待测样本；
所述的NCF的最大长度为SMF的光束被放大至刚好充满GIF1的芯层大小时的长度；
所述的GIF1的长度为光束刚好被聚焦至GIF1的末端时的长度；
所述的SIMMF的最大长度为SIMMF中主要激发模式的最大模间色散等于OCT系统的轴向分辨单元时的长度；SIMMF允许三个或以上的模式传输；所述的主要激发模式为能量大于峰值模式能量的50%的激发模式；
所述的GIF2的长度为刚好满足OCT系统的横向分辨率要求时的长度。
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