CN208707066U - 一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，包括由半导体光放大器SOA、光纤Fabry‑Perot可调谐滤波器FFP‑TF、第一和第二光纤单向器以及光纤耦合器组成的第一环形谐振腔；或者，由半导体光放大器SOA、光纤Fabry‑Perot可调谐滤波器、光纤环形器以及光纤耦合器组成的第二环形谐振腔；在第一或第二环形谐振腔中，半导体光放大器SOA发射的荧光经光纤耦合器耦合、经光纤环形器或第一光纤单向器、第二光纤单向器单向传输经过FFP‑TF滤波，原路返回到半导体光放大器，共振放大形成激光，最后经由光纤耦合器输出。本实用新型用于光学相干断层扫描成像，利用现成的光纤通信元器件，降低成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光光源技术领域，具体涉及一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器。
背景技术
当光纤激光通过分束器时，分成两路，一路作为参考光，另一路通过透镜成像系统聚焦照射有机组织时，有机组织对入射光有散射，当散射光与参考光干涉时，干涉信号的强度取决于有机组织的散射强度，干涉信号的相位取决于散射深度和光源波长，但干涉信号十分微弱。因此，对于某深度处散射光与参考光的干涉，干涉信号的相位只依赖于光的波长，不同深度的散射光干涉有一个附加的相移。
当光的波长做固定频率高速扫描时，所有来自不同深度的干涉信号都随光的波长做同样频率的周期变化，因此可以对该交流信号进行高达数万倍的放大，有效地检测出不同组织对光的散射，从而实现对有机组织的实时无创成像。因此，该成像的关键技术是波长快速扫描的光纤激光光源。具体地，成像深度取决于有机组织对光的散射损耗，深度范围取决于光纤激光的相干长度，深度分辨率取决于波长扫描的范围。所以，波长扫描的光纤激光光源是关键器件，目前仍然价格昂贵，针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
实用新型内容
针对相关技术中的问题，本实用新型提出一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，降低了成本，利用现成的光纤通信元器件实现了波长扫描。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，该基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器包括：
由半导体光放大器SOA、窄线宽快速扫描的光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF、第一光纤单向器、第二光纤单向器以及光纤耦合器组成的第一环形谐振腔；或者，
由所述半导体光放大器SOA、所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF、光纤环形器以及所述光纤耦合器组成的第二环形谐振腔；
在所述第一环形谐振腔或者所述第二环形谐振腔中，所述半导体光放大器SOA发射的荧光经所述光纤耦合器耦合、经所述光纤环形器或所述第一光纤单向器、第二光纤单向器单向传输经过所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF滤波，再原路返回到所述半导体光放大器SOA，共振放大形成激光，最后经由所述光纤耦合器输出。
根据本实用新型的一个实施例，所述半导体光放大器SOA的光纤尾纤为保偏单模光纤或非保偏单模光纤。
根据本实用新型的一个实施例，所述光纤环形器以及构成所述第一环形谐振腔、所述第二环形谐振腔的光纤为保偏单模光纤或非保偏单模光纤。
根据本实用新型的一个实施例，所述第一环形谐振腔和所述第二环形谐振腔中还包括光纤偏振控制器，用于调整控制光的偏振取向。
根据本实用新型的一个实施例，所述第一环形谐振腔中设有第一光纤延迟线，所述第一光纤延迟线用于实现波长锁模，其长度为：
；
其中，f为所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的频率，n为光纤折射率。
根据本实用新型的一个实施例，所述第二环形谐振腔中设有第二光纤延迟线，所述第二光纤延迟线用于实现共振波长与所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的同步，其长度为：
其中，f为所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的频率，n为光纤折射率。
根据本实用新型的一个实施例，所述光纤耦合器耦合出适当的光作为反馈，自动锁定所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的频率到最大输出功率。
根据本实用新型的一个实施例，所述第一环形谐振腔和第二环形谐振腔中均设有色散补偿器件。
根据本实用新型的一个实施例，所述光纤耦合器采用可变耦合器。
根据本实用新型的一个实施例，所述第二环形谐振腔中还包括光纤反射镜，所述光纤反射镜采用法拉第旋转镜。
本实用新型的有益技术效果在于：
本实用新型利用现成的光纤通信元器件，公开了一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，扫描频率范围为DC到50kHz,可用于光纤传感、光谱分析，降低了成本。由于在某个瞬间光纤激光器输出的是一个波长很窄的激光，但随着时间推移，波长做周期性变化或扫描，该激光光源等效于一个宽带光源和一个光谱仪，可用于光学传感和光谱分析。由于扫描频率高达50kHz,该激光光源还可用于光学相干断层扫描成像,如眼底视网膜血管诊断的光学相干断层扫描(OCT)成像。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型中一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器结构示意图；
图2为本实用新型中光纤Fabry-Perot可调谐滤波器20的干涉原理示意图；
图3为本实用新型中光纤Fabry-Perot可调谐滤波器20腔的透射光谱示意图；
图4为本实用新型中光纤Fabry-Perot可调谐滤波器20腔的另一透射光谱示意图；
图5为本实用新型中波长快速扫描的光纤激光器的输出光谱图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
为了解决现有的光谱仪普遍存在体积庞大价格昂贵，以及扫描速度较低的缺陷问题。本实用新型利用现成的光纤通信元器件，公开了一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，扫描频率范围为DC到50kHz,可用于光纤传感、光谱分析，降低了成本。由于在某个瞬间光纤激光器输出是一个波长很窄的激光，但随着时间推移，波长做周期性变化或扫描，该激光光源等效于一个宽带光源和一个光谱仪，可用于光学传感和光谱分析。由于扫描频率高达50kHz,该激光光源还可用于光学相干断层扫描成像，如眼底视网膜血管诊断的光学相干断层扫描(OCT)成像。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做出详细的说明。
如图1中（a）所示，本实用新型实施例提供了一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，包括由半导体光放大器SOA、窄线宽快速扫描的光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF（优化了激光输出的线宽或相干长度）、第一光纤单向器、第二光纤单向器以及光纤耦合器组成的第一环形谐振腔。
如图1中（b）所示，本实用新型实施例还提供了一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，包括由半导体光放大器SOA、光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF、光纤环形器以及光纤耦合器组成的第二环形谐振腔。
在第一环形谐振腔或者第二环形谐振腔中，半导体光放大器SOA发射的荧光经光纤耦合器耦合、经光纤环形器或第一光纤单向器、第二光纤单向器单向传输经过光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF滤波，再原路返回到半导体光放大器SOA，共振放大形成激光，最后经由光纤耦合器输出。由于某一个瞬间只有一个很窄的波长通过光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF，因此只有该波长能共振放大形成激光，并经由光纤耦合器输出。
根据本实用新型的一个实施例，第二环形谐振腔中还包括光纤反射镜，光纤反射镜可以是普通光纤反射镜，也可以采用法拉第旋转镜反射并选择光的偏振方向，实现偏振色散自动补偿。
根据本实用新型的一个实施例，半导体光放大器SOA的光纤尾纤为保偏单模光纤或非保偏单模光纤。
根据本实用新型的一个实施例，光纤环形器以及构成第一环形谐振腔、第二环形谐振腔的光纤为保偏单模光纤或非保偏单模光纤，在构成第一环形谐振腔、第二环形谐振腔的光纤为非保偏单模光纤的情况下，通过增加光纤偏振控制器，用于调整控制光的偏振取向。
根据本实用新型的一个实施例，第一环形谐振腔中设有第一光纤延迟线，第一光纤延迟线实现了波长锁模，其长度为：
；
其中，f为光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的频率，n为光纤折射率。
根据本实用新型的一个实施例，为了共振波长与光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF进一步同步，第二环形谐振腔中设有第二光纤延迟线，使得通过光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF波长的光在下一个周期同一个时刻再次通过光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF，实现所有波长同步，延迟线的时间延迟正好是光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的扫描周期。第二光纤延迟线实现了共振波长与光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的同步，为了实现波长锁模，第二光纤延迟线的长度为：
其中，f为光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的频率，n为光纤折射率。对于非锁模的环形腔，腔长度应尽可能地短，以便在光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的波长改变之前该波长有足够的循环次数共振放大。当第二环形谐振腔总长度尽可能的短时，光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的波长改变之前该波长有足够的循环次数共振放大输出激光，或者第二环形谐振腔总长度足够长，使得第二个周期同一个波长正好通过光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF从而共振形成激光。
根据本实用新型的一个实施例，通过调整光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的扫描频率，优化激光功率，实现延迟和扫描锁定。
根据本实用新型的一个实施例，光纤激光器的输出端光纤耦合器耦合出适当的光作为反馈，自动锁定光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的频率到最大输出功率，自动优化偏振控制进一步优化激光输出功率。
根据本实用新型的一个实施例，为了使得一个宽带的波长都能同步地多次通过设有第一光纤延迟线的第一环形谐振腔或者设有第二光纤延迟线的第二环形谐振腔，第一环形谐振腔和第二环形谐振腔中均设有适当的色散补偿器件。
根据本实用新型的一个实施例，光纤耦合器采用可变耦合器，耦合率可变，可以优化激光输出光的线宽和功率。
根据本实用新型的一个实施例，设定半导体光放大器SOA驱动电流限度，确保半导体光放大器SOA的驱动电流的调整不会超过半导体光放大器SOA正常工作范围。
如图2所示，为第二环形谐振腔中的光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的干涉原理示意图，光在两个光纤反射镜之间多次反射，对于某一个距离有一个波长的光共振透射，如果两个光纤反射镜的反射率为R, 透射光强可表示为：
其中，λ为光的波长；d为两块光纤反射镜之间的距离。当d=N∙λ，N=1,2,3,…, 时，该波长全部透射，所有其它波长则沿原路反射回去。如果d是在一个范围内做周期扫描，光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF腔相应的透射波长在一个范围内扫描。
如图3和图4所示，为本实用新型实施例的光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF腔的透射光谱示意图，图3为R=90%, d=8.4um的透射光谱，光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF腔透射波长的线宽取决于反射率，高反射率导致窄的线宽。图4中，光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF腔两个相邻透射峰之间的波长即自由光谱区，波长最大的扫描范围。
当腔长为d时，相邻两个透射峰波长间隔 可表示为：
因此，
当 ， ,即最大波长扫描范围，或称为自由光谱区。为了让某个波长的光在谐振腔内振荡足够次数而获得放大，第一环形谐振腔和第二环形谐振腔的长度必须尽可能地短，光循环一周的时间要远小于光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF线宽 对应的扫描时间。
为了让每个波长的光都能通过光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF在第二环形谐振腔实现共振放大，可在光路中插入一段光纤作为第二光纤延迟线，让刚刚通过光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的波长在下一个周期相同的时刻再次通过该滤波器，这样扫描光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF与光在第二环形谐振腔共振同步，即波长是锁定的，或称波长锁模的光纤激光器。为了实现波长锁模，在第二环形谐振腔由于一次循环中光通过该第二光纤延迟线两次，因此，第二环形谐振腔中设置的第二光纤延迟线的长度必须满足：
其中，f为光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的频率，n为光纤折射率；当f=50kHz时，n=1.47，L=2.04公里，光纤激光器输出的波长线宽为 ，远小于光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的线宽，且取决于第二环形谐振腔的共振损耗，激光的相干长度可表示为：
如图5所示，为波长快速扫描的光纤激光器的输出光谱图，在每一个瞬间，波长扫描的光纤激光器输出的是一个线宽很窄的激光光源。由于波长是扫描的，时间平均上该激光光源等效于宽带光源，根据激光共振的特性，功率和光谱带宽远宽于同类的宽带光源。
例如1310纳米波段的半导体激光超荧光光源的光谱宽度大约70nm，该波段的扫描光源就可以获得150 纳米。对于典型的5毫瓦宽带光源，功率分布在70纳米波长带宽内。然而，扫描光源却很容易获得40-50毫瓦，光功率分布在0.1纳米或更窄的波长范围内。单位光波长的光功率是普通宽带光源的1000-10000倍。因此，波长扫描的光纤激光光源除应用于光学断层扫描（OCT）成像外，还可应用于光传感，信噪比大幅提高。
当光功率的测量与波长扫描同步时，功率与时间的变化曲线即光谱，光源等同于一台光谱仪。光谱的分辨率可以远优于体积庞大价格昂贵的光谱仪，扫描速度更可以高达每秒几万次或更高。这是普通光谱仪所无法达到的。
综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，通过本实用新型的一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其可用于光纤传感、光谱分析和眼底视网膜血管诊断的光学相干断层扫描(OCT)成像，降低了成本。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其特征在于，包括：
由半导体光放大器SOA、窄线宽快速扫描的光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF、第一光纤单向器、第二光纤单向器以及光纤耦合器组成的第一环形谐振腔；或者，
由所述半导体光放大器SOA、所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF、光纤环形器以及所述光纤耦合器组成的第二环形谐振腔；
在所述第一环形谐振腔或者所述第二环形谐振腔中，所述半导体光放大器SOA发射的荧光经所述光纤耦合器耦合、经所述光纤环形器或所述第一光纤单向器、第二光纤单向器单向传输经过所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF滤波，再原路返回到所述半导体光放大器SOA，共振放大形成激光，最后经由所述光纤耦合器输出。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其特征在于，所述半导体光放大器SOA的光纤尾纤为保偏单模光纤或非保偏单模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其特征在于，所述光纤环形器以及构成所述第一环形谐振腔、所述第二环形谐振腔的光纤为保偏单模光纤或非保偏单模光纤。
4.根据权利要求3所述的基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其特征在于，所述第一环形谐振腔和所述第二环形谐振腔中还包括光纤偏振控制器，用于调整控制光的偏振取向。
5.根据权利要求4所述的基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其特征在于，所述第一环形谐振腔中设有第一光纤延迟线，所述第一光纤延迟线用于实现波长锁模，其长度为：
；
其中，f为所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的频率，n为光纤折射率。
6.根据权利要求4所述的基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其特征在于，所述第二环形谐振腔中设有第二光纤延迟线，所述第二光纤延迟线用于实现共振波长与所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的同步，其长度为：
其中，f为所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的频率，n为光纤折射率。
7.根据权利要求1所述的基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合器耦合出适当的光作为反馈，自动锁定所述光纤Fabry-Perot可调谐滤波器FFP-TF的频率到最大输出功率。
8.根据权利要求1所述的基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其特征在于，所述第一环形谐振腔和第二环形谐振腔中均设有色散补偿器件。
9.根据权利要求1所述的基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合器采用可变耦合器。
10.根据权利要求1所述的基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器，其特征在于，所述第二环形谐振腔中还包括光纤反射镜，所述光纤反射镜采用法拉第旋转镜。
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|---|---|---|---|---|
| CN108666859A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-10-16 | 执鼎医疗科技（杭州）有限公司 | 一种基于可调谐滤波器的波长扫描的光纤激光器 |
| CN111509545A (zh) * | 2020-04-29 | 2020-08-07 | 重庆贝奥新视野医疗设备有限公司 | 一种超快波长扫描激光器及其实现方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |