CN113725713A - 一种耗散孤子扫频光源及oct成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例适用于现代光通信技术领域，包括种子光源、掺铒光纤放大器以及色散时延结构，所述种子光源用于输出耗散孤子脉冲激光，所述掺铒光纤放大器的第一端与所述种子光源连接，所述掺铒光纤放大器的第二端与所述色散时延结构连接，所述掺铒光纤放大器用于放大所述耗散孤子脉冲激光的能量以及微调光谱形状，所述色散时延结构包括色散补偿光纤，所述耗散孤子脉冲激光在所述色散补偿光纤中进行色散傅里叶变换从而得到波长随着时间线性排列的扫频激光。本发明旨在解决相关技术的扫频光源扫频范围不够宽并且扫频不稳定的问题。

Description

一种耗散孤子扫频光源及OCT成像系统
技术领域
本发明属于现代光通信技术领域，尤其涉及一种耗散孤子扫频光源及OCT成像系统。
背景技术
光学相干层析成像技术(Optical coherence tomography，OCT)是一种非侵入、非接触的光学层析成像技术，具有极高的分辨率。扫频OCT技术属于第三代的OCT技术，其灵敏度和信噪比明显优于传统的OCT技术；并且扫频OCT技术的深度信息获取过程不需要轴向机械扫描，因而能够显著提高OCT系统的成像速度，增强系统的稳定性。扫频OCT系统通过扫频激光器的快速波长扫描，并使用点探测器对波长的干涉信号进行强度探测，最后通过对干涉光谱信号的傅里叶变换获取物体的微观结构信息，得到待测样品的层析图像。系统的轴向扫描速度取决于扫频激光器的波长扫描速度，因此能够极大的提高系统的成像速度。
相关技术的扫频OCT系统多采用傅里叶域扫频光源、扫描振镜调谐滤波器扫频光源或多面镜调谐式扫频光源，傅里叶域扫频光源采用压电陶瓷作为法布里－珀罗谐振腔，通过加载周期性变化的电信号来调节腔长进行波长调谐，调谐速度取决于压电陶瓷对电信号的响应速度，一般为102kHz，在加入腔内缓存结构后，扫频速度可以达到103kHz，但是扫频范围不够宽，稳定性不高；多面镜调谐式扫频光源采用传统的机械结构进行波长调谐，扫频可调谐范围约为53nm，但是不够平坦；Mems扫频光源通过微型电机改变垂直布置的法布里－珀罗谐振腔长度，来获得扫频输出，扫频速度受限于电机对腔长的调节速度，为102～103kHz，扫频范围不够宽并且扫频不稳定。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种耗散孤子扫频光源，旨在解决相关技术的扫频光源扫频范围不够宽并且扫频不稳定的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种耗散孤子扫频光源，包括种子光源、掺铒光纤放大器以及色散时延结构，所述种子光源用于输出耗散孤子脉冲激光，所述掺铒光纤放大器的第一端与所述种子光源连接，所述掺铒光纤放大器的第二端与所述色散时延结构连接，所述掺铒光纤放大器用于放大所述耗散孤子脉冲激光的能量以及微调光谱形状，所述色散时延结构包括色散补偿光纤，所述耗散孤子脉冲激光在所述色散补偿光纤中进行色散傅里叶变换从而得到波长随着时间线性排列的扫频激光；
所述种子光源包括第一光源、第一波分复用器、L波段掺铒光纤、第一C波段掺铒光纤、偏振分数器、法拉第旋转镜、光隔离器以及第一光耦合器，所述第一光源用于产生受激辐射背景光，所述第一光源的输出端与所述第一波分复用器的第一输入端连接，所述第一波分复用器的输出端与所述L波段掺铒光纤的一端连接，所述L波段掺铒光纤的另一端连接所述第一C波段掺铒光纤一端，所述第一C波段掺铒光纤另一端与所述偏振分数器的第一端连接，所述偏振分数器的第二端与所述法拉第旋转镜连接，所述偏振分数器的第三端与所述光隔离器一端连接，所述光隔离器的另一端与所述第一光耦合器的输入端连接，所述第一光耦合器的第一输出端与所述第一波分复用器的第二输入端连接，所述第一光耦合器的第二输出端输出所述耗散孤子脉冲激光。
进一步地，所述偏振分数器用于对经所述L波段掺铒光纤和所述第一C波段掺铒光纤的受激辐射光进行正交分束而形成第一光束和第二光束，所述第一光束的线偏振角度与所述光隔离器的通光角度一致，所述第二光束垂直进入所述法拉第旋转镜，经所述法拉第旋转镜旋转偏振态并反射回所述偏振分数器，所述第一光束和所述第二光束合为一束并进入所述光隔离器。
进一步地，所述掺铒光纤放大器包括第二光源、第二波分复用器、第二C波段掺铒光纤、单模光纤、第二光耦合器，所述第二光源用于产生背景光，所述第二光源的输出端与所述第二波分复用器的第一输入端连接，所述第二波分复用器的第二输入端用于接收所述种子光源输出的所述耗散孤子脉冲激光，所述第二波分复用器的输出端与所述第二C波段掺铒光纤一端连接，所述第二C波段掺铒光纤另一端连接所述单模光纤一端，所述单模光纤另一端连接所述第二光耦合器，所述第二光耦合器的第一输出端与所述色散时延结构连接。
进一步地，所述第二光耦合器的第二输出端还连接有第一光谱仪和第一示波器。
进一步地，所述色散时延结构还包括偏振相关隔离器、第三波分复用器以及第三光耦合器，所述色散补偿光纤的第一端与所述掺铒光纤放大器连接，所述色散补偿光纤的第二端与所述偏振相关隔离器的第一端连接，所述偏振相关隔离器的第二端与所述第三波分复用器的输入端连接，所述第三波分复用器的输出端与所述第三光耦合器连接。
进一步地，所述第三光耦合器还连接有第二光谱仪和第二示波器，所述第二光谱仪用于观察色散时延之后的脉冲光谱形状，所述第二示波器用于观察色散时延之后的脉冲形状。
进一步地，所述第二波分复用器的第二输入端和所述种子光源之间还连接有第四光耦合器和偏振无关隔离器，所述第四光耦合器的输入端连接所述种子光源，所述第四光耦合器的第一输出端连接所述偏振无关隔离器的第一端，所述偏振无关隔离器的第二端连接所述第二波分复用器的第二输入端。
进一步地，所述第四光耦合器的第二输出端连接有第五光耦合器，所述第五光耦合器连接有第三光谱仪和第三示波器，所述第三光谱仪用于观测种所述子光源的光谱形态，所述第三示波器用于检测所述种子光源的锁模形态。
进一步地，提供一种OCT成像系统，所述OCT成像系统包括如上所述的耗散孤子扫频光源。
本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明通过色散时延的方式，将种子光源产生的耗散孤子矩形光谱进行色散拉伸放大，使得时延后的脉冲光谱可以覆盖更宽的范围，即扫频光源的扫频范围更广，从而解决了相关技术中扫频光源扫频带宽不够宽且不够稳定的问题；并且本发明采用偏振分数器和法拉第旋转镜的组合，代替传统的基于偏振控制器和偏振相关光隔离器的非线性偏振旋转NPR(Nonlinearly PolarizationRotation)锁模技术，在整个谐振腔微小的正色散条件下进行，产生了光谱平坦度较高的耗散孤子矩形光谱，来提高后续放大光源的脉冲的稳定度，并且光谱平坦的耗散孤子锁模能平衡后续的色散时延扫频光源各波长的能量，可以降低OCT成像的相对强度噪声，提高成像质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的耗散孤子扫频光源的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的耗散孤子锁模矩形光谱图；
图3是本发明实施例中锁模后种子光源输出的脉冲序列图；
图4是本发明实施例色散时延后输出的超连续光谱图；
图5是本发明实施例色散时延后输出的脉冲序列图。
在附图中，各附图标记表示：
11、第一光源；12、第一波分复用器；13、L波段掺铒光纤；14、第一C波段掺铒光纤；15、偏振分数器；16、法拉第旋转镜；17、光隔离器；18、第一光耦合器；21、第二光源；22、第二波分复用器；23、第二C波段掺铒光纤；24、单模光纤；25、第二光耦合器；26、第六光耦合器；27、第一光谱仪；28、第一示波器；31、色散补偿光纤；32、偏振相关隔离器；33、第三波分复用器；34、第三光耦合器；35、第二光谱仪；36、第二示波器；40、第四光耦合器；50、偏振无关隔离器；60、第五光耦合器；71、第三光谱仪；72、第三示波器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明实施例提供的一种耗散孤子扫频光源，包括种子光源、掺铒光纤放大器以及色散时延结构，种子光源用于输出耗散孤子脉冲激光，掺铒光纤放大器的第一端与种子光源连接，掺铒光纤放大器的第二端与色散时延结构连接，掺铒光纤放大器用于放大耗散孤子脉冲激光的能量以及微调光谱形状，色散时延结构包括色散补偿光纤31，耗散孤子脉冲激光在色散补偿光纤31中进行色散傅里叶变换从而得到波长随着时间线性排列的扫频激光。
本实施例中，种子光源包括第一光源11、第一波分复用器12、L波段掺铒光纤13、第一C波段掺铒光纤14、偏振分数器15、法拉第旋转镜16、光隔离器17以及第一光耦合器18，第一光源11用于产生受激辐射背景光，第一光源11的输出端与第一波分复用器12的第一输入端连接，第一波分复用器12的输出端与L波段掺铒光纤13的一端连接，L波段掺铒光纤13的另一端连接第一C波段掺铒光纤14一端。优选的，第一光源11为半导体激光二极管，半导体激光二极管发出980nm的受激辐射背景光，经过第一波分复用器12向前对L波段掺铒光纤13进行泵浦，激发出1565～1625nm的受激辐射光，L波段的受激辐射光继续泵浦第一C波段掺铒光纤14，激发出1525～1565nm的受激辐射光，该受激辐射光具有带宽较大的耗散孤子(矩形光谱边缘陡峭且中间平坦)，为后续实现平坦的锁模光谱(3dB带宽35nm)提供了可能性。本实施例将L波段掺铒光纤13和第一C波段掺铒光纤14的C波段和L波段进行组合，组合后的色散值约为0.059ps2/nm。
进一步地，第一C波段掺铒光纤14另一端与偏振分数器15的第一端连接，偏振分数器15的第二端与法拉第旋转镜16连接，偏振分数器15的第三端与光隔离器17一端连接，光隔离器17的另一端与第一光耦合器18的输入端连接，第一光耦合器18的第一输出端与第一波分复用器12的第二输入端连接，第一光耦合器18的第二输出端输出耗散孤子脉冲激光。偏振分数器15用于对经L波段掺铒光纤13和第一C波段掺铒光纤14的受激辐射光进行正交分束而形成第一光束和第二光束，第一光束的线偏振角度与光隔离器17的通光角度一致，第二光束垂直进入法拉第旋转镜16，经法拉第旋转镜16旋转偏振态并反射回偏振分数器15，第一光束和第二光束合为一束并进入光隔离器17。具体的，经过法拉第旋转镜16后的偏振光的方向旋转90度角，和输入偏振光正交垂直，偏振方向相反。法拉第旋转镜16内部采用微光学结构，适合于本发明实施例的光纤，而且输入输出的光纤可以有不同选择。
第一光束和第二光束合并后经过光隔离器17会形成单一偏振态的锁模脉冲激光，并且由于第一波分复用器12能够导通来自第一光耦合器18的脉冲激光，形成一个闭合的环形谐振腔，第一光耦合器18为耦合比为90：10的光耦合器，第一光耦合器18把来自光隔离器17的90％的脉冲激光留在环形谐振腔内继续循环叠加，把剩余的10％的脉冲激光输出腔外以便进行后续的监测和放大。在其他可能的实施方式中，L波段掺铒光纤13和第一C波段掺铒光纤14可以用保偏的掺铒增益光纤代替，这样可以更好地控制环形谐振腔内光的偏振态，有利于更稳定地实现锁模。光隔离器17可以采用更高的偏振隔离级从而获得更窄的脉冲宽度以及平均脉冲的能量。
本发明通过色散时延的方式，将种子光源产生的耗散孤子矩形光谱进行色散拉伸放大，使得时延后的脉冲光谱可以覆盖更宽的范围，即扫频光源的扫频范围更广，从而解决了相关技术中扫频光源扫频带宽不够宽且不够稳定的问题；并且本发明采用偏振分数器15和法拉第旋转镜16的组合，代替传统的基于偏振控制器和偏振相关光隔离器的非线性偏振旋转NPR锁模技术，在整个谐振腔微小的正色散条件下进行，产生了光谱平坦度较高的耗散孤子矩形光谱，来提高后续放大光源的脉冲的稳定度，并且光谱平坦的耗散孤子锁模能平衡后续的色散时延扫频光源各波长的能量，可以降低OCT成像的相对强度噪声，提高成像质量。
本实施例中，掺铒光纤放大器包括第二光源21、第二波分复用器22、第二C波段掺铒光纤23、单模光纤24、第二光耦合器25，第二光源21用于产生背景光，第二光源21的输出端与第二波分复用器22的第一输入端连接，第二波分复用器22的第二输入端用于接收种子光源输出的耗散孤子脉冲激光，第二波分复用器22的输出端与第二C波段掺铒光纤23一端连接，第二C波段掺铒光纤23另一端连接单模光纤24一端，单模光纤24另一端连接第二光耦合器25，第二光耦合器25的第一输出端与色散时延结构连接。第二光源21为980nm的半导体激光二极管，第二C波段掺铒光纤23则作为C波段的掺铒光纤放大器的增益介质，980nm的半导体激光二极管发出的背景光与来自种子光源的1550nm的信号光同时对长为17.5m的第二C波段掺铒光纤23进行泵浦，单模光纤24长为70m，单模光纤24连接在第二C波段掺铒光纤23后面用于调节第二C波段掺铒光纤23的非线性效应进而调整放大后的光谱的形状，对光谱进行平坦展宽为后续产生超连续谱做准备。单模光纤24价格便宜，可减少成本，且单模光纤24的非线性效应比较低，可以通过改变单模光纤24的长度调节掺铒光纤放大器中的非线性效应强度的大小。
第二光耦合器25是耦合比为90：10的光耦合器，放大后的光经过第二光耦合器25输出，其中90％的光注入色散时延结构中进行色散时延。第二光耦合器25的第二输出端还连接有第一光谱仪27和第一示波器28，具体的，第二光耦合器25和第一光谱仪27以及第一示波器28之间还连接有第六光耦合器26，第六光耦合器26把来自第二光耦合器25的90％的光给到第一光谱仪27用于观察一级放大之后的脉冲光谱形状，把剩余的10％的光给到第一示波器28。由于放大之后，激光器的输出功率会提升很多，所以，大功率的输出给到第一光谱仪27(实验室光谱仪能承受的最大的输出功率为50mW)，小功率的输出给到第一示波器28，有助于保护实验仪器设备。
进一步地，色散时延结构还包括偏振相关隔离器32、第三波分复用器33以及第三光耦合器34，色散补偿光纤31的第一端与掺铒光纤放大器连接，色散补偿光纤31的第二端与偏振相关隔离器32的第一端连接，偏振相关隔离器32的第二端与第三波分复用器33的输入端连接，第三波分复用器33的输出端与第三光耦合器34连接。具体的，色散补偿光纤31长度为500m，将放大后的较窄的脉冲激光进行色散补偿傅里叶变换，把光谱上的波长排序从频域映射到时间域长脉冲上，完成扫频输出。第三波分复用器33具有滤波效果，本实施例采用一个具有反射的波分复用器，从而实现滤波效果，经过色散时延的光经过偏振相关隔离器32后再进入第三波分复用器33进行滤波后，最后经过第三光耦合器34输出。
第三光耦合器34是耦合比为90：10的光耦合器，第三光耦合器34还连接有第二光谱仪35和第二示波器36，第三光耦合器34用于把来自第三波分复用器33的90％的光给到第二光谱仪35用于观察色散时延之后的脉冲光谱形状，把来自第三波分复用器33的10％的光给到第二示波器36用于观察色散时延之后的脉冲形状。
在一个实施例中，第二波分复用器22的第二输入端和种子光源之间还连接有第四光耦合器40和偏振无关隔离器50，第四光耦合器40的输入端连接种子光源，第四光耦合器40的第一输出端连接偏振无关隔离器50的第一端，第四光耦合器40的第二输出端连接有第五光耦合器60，第五光耦合器60连接有第三光谱仪71和第三示波器72，偏振无关隔离器50的第二端连接第二波分复用器22的第二输入端。第四光耦合器40是耦合比为90：10的光耦合器，第四光耦合器40用于把来自第一光耦合器18的10％的脉冲激光继续分为两束，其中10％的脉冲激光给到第五光耦合器60，用于监测种子光源的工作状态，90％的脉冲激光作为后续掺铒光纤放大器的1550nm波段的入射光。第五光耦合器60是耦合比为50：50的光耦合器，第五光耦合器60耦合器的第一端连接第三光谱仪71，第三光谱仪71的测量范围为600nm～1700nm，最高分辨率达到0.02nm，第三光谱仪71用于观测种子光源的光谱形态，第五光耦合器60耦合器的第二端连接第三示波器72，第三示波器72的带宽为1GHz，第三示波器72用于检测种子光源的锁模形态，为后续放大以及色散时延进行监测。另外，偏振无关隔离器50用于防止来自种子光源的光进入掺铒光纤放大器导致系统受到的背向反射噪声或干扰。
如图2至图5所示，图2是本发明实施例的耗散孤子锁模矩形光谱图，可以看出光谱边缘陡峭，中部平坦，3dB带宽达到37.2nm；图3是本发明实施例中锁模后种子光源输出的脉冲序列图，可以看出脉宽为0.7ns，占空比为1.025％；图4是本发明实施例色散时延后输出的超连续光谱图，可以看出20dB带宽达到了455nm，图5是本发明实施例色散时延后输出的脉冲序列图，可以看出脉宽为2.14ns，占空比为3.73％。
本发明另一实施例还提供一种OCT成像系统，OCT成像系统包括上述技术方案的耗散孤子扫频光源。
综上所述，本发明通过色散时延的方式，将种子光源产生的耗散孤子矩形光谱进行色散拉伸放大，使得时延后的脉冲光谱可以覆盖更宽的范围，即扫频光源的扫频范围更广，从而解决了相关技术中扫频光源扫频带宽不够宽且不够稳定的问题；并且本发明采用偏振分数器15和法拉第旋转镜16的组合，代替传统的基于偏振控制器和偏振相关光隔离器的非线性偏振旋转NPR(Nonlinearly Polarization Rotation)锁模技术，在整个谐振腔微小的正色散条件下进行，产生了光谱平坦度较高的耗散孤子矩形光谱，来提高后续放大光源的脉冲的稳定度，并且光谱平坦的耗散孤子锁模能平衡后续的色散时延扫频光源各波长的能量，可以降低OCT成像的相对强度噪声，提高成像质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种耗散孤子扫频光源，其特征在于，包括种子光源、掺铒光纤放大器以及色散时延结构，所述种子光源用于输出耗散孤子脉冲激光，所述掺铒光纤放大器的第一端与所述种子光源连接，所述掺铒光纤放大器的第二端与所述色散时延结构连接，所述掺铒光纤放大器用于放大所述耗散孤子脉冲激光的能量以及微调光谱形状，所述色散时延结构包括色散补偿光纤，所述耗散孤子脉冲激光在所述色散补偿光纤中进行色散傅里叶变换从而得到波长随着时间线性排列的扫频激光；
所述种子光源包括第一光源、第一波分复用器、L波段掺铒光纤、第一C波段掺铒光纤、偏振分数器、法拉第旋转镜、光隔离器以及第一光耦合器，所述第一光源用于产生受激辐射背景光，所述第一光源的输出端与所述第一波分复用器的第一输入端连接，所述第一波分复用器的输出端与所述L波段掺铒光纤的一端连接，所述L波段掺铒光纤的另一端连接所述第一C波段掺铒光纤一端，所述第一C波段掺铒光纤另一端与所述偏振分数器的第一端连接，所述偏振分数器的第二端与所述法拉第旋转镜连接，所述偏振分数器的第三端与所述光隔离器一端连接，所述光隔离器的另一端与所述第一光耦合器的输入端连接，所述第一光耦合器的第一输出端与所述第一波分复用器的第二输入端连接，所述第一光耦合器的第二输出端输出所述耗散孤子脉冲激光。
2.如权利要求1所述的耗散孤子扫频光源，其特征在于，所述偏振分数器用于对经所述L波段掺铒光纤和所述第一C波段掺铒光纤的受激辐射光进行正交分束而形成第一光束和第二光束，所述第一光束的线偏振角度与所述光隔离器的通光角度一致，所述第二光束垂直进入所述法拉第旋转镜，经所述法拉第旋转镜旋转偏振态并反射回所述偏振分数器，所述第一光束和所述第二光束合为一束并进入所述光隔离器。
3.如权利要求1所述的耗散孤子扫频光源，其特征在于，所述掺铒光纤放大器包括第二光源、第二波分复用器、第二C波段掺铒光纤、单模光纤、第二光耦合器，所述第二光源用于产生背景光，所述第二光源的输出端与所述第二波分复用器的第一输入端连接，所述第二波分复用器的第二输入端用于接收所述种子光源输出的所述耗散孤子脉冲激光，所述第二波分复用器的输出端与所述第二C波段掺铒光纤一端连接，所述第二C波段掺铒光纤另一端连接所述单模光纤一端，所述单模光纤另一端连接所述第二光耦合器，所述第二光耦合器的第一输出端与所述色散时延结构连接。
4.如权利要求3所述的耗散孤子扫频光源，其特征在于，所述第二光耦合器的第二输出端还连接有第一光谱仪和第一示波器。
5.如权利要求1所述的耗散孤子扫频光源，其特征在于，所述色散时延结构还包括偏振相关隔离器、第三波分复用器以及第三光耦合器，所述色散补偿光纤的第一端与所述掺铒光纤放大器连接，所述色散补偿光纤的第二端与所述偏振相关隔离器的第一端连接，所述偏振相关隔离器的第二端与所述第三波分复用器的输入端连接，所述第三波分复用器的输出端与所述第三光耦合器连接。
6.如权利要求5所述的耗散孤子扫频光源，其特征在于，所述第三光耦合器还连接有第二光谱仪和第二示波器，所述第二光谱仪用于观察色散时延之后的脉冲光谱形状，所述第二示波器用于观察色散时延之后的脉冲形状。
7.如权利要求3所述的耗散孤子扫频光源，其特征在于，所述第二波分复用器的第二输入端和所述种子光源之间还连接有第四光耦合器和偏振无关隔离器，所述第四光耦合器的输入端连接所述种子光源，所述第四光耦合器的第一输出端连接所述偏振无关隔离器的第一端，所述偏振无关隔离器的第二端连接所述第二波分复用器的第二输入端。
8.如权利要求7所述的耗散孤子扫频光源，其特征在于，所述第四光耦合器的第二输出端连接有第五光耦合器，所述第五光耦合器连接有第三光谱仪和第三示波器，所述第三光谱仪用于观测种所述子光源的光谱形态，所述第三示波器用于检测所述种子光源的锁模形态。
9.一种OCT成像系统，其特征在于，所述OCT成像系统包括如权利要求1至8中任一项所述的耗散孤子扫频光源。
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