RU2705178C1 - Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии - Google Patents
Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии Download PDFInfo
- Publication number
- RU2705178C1 RU2705178C1 RU2018146791A RU2018146791A RU2705178C1 RU 2705178 C1 RU2705178 C1 RU 2705178C1 RU 2018146791 A RU2018146791 A RU 2018146791A RU 2018146791 A RU2018146791 A RU 2018146791A RU 2705178 C1 RU2705178 C1 RU 2705178C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polarization
- fiber
- optical
- input
- spectrometer
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к оптической интерферометрии и может быть использовано для создания оптического спектрометра, нечувствительного к состоянию поляризации регистрируемого излучения. Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии содержит последовательно расположенные входное волокно с деполяризующим элементом, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент, фотоприемник линейного типа. При этом деполяризующий элемент выполнен в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. Технический результат заключается в улучшении характеристик выходного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к оптической интерферометрии, в частности к спектральной рефлектометрии и оптической когерентной томографии, и может быть использовано для создания оптического спектрометра, нечувствительного к состоянию поляризации регистрируемого излучения.
Оптическая интерферометрия, предполагающая регистрацию оптических спектров интерферирующих волн в широком спектральном диапазоне (десятки процентов центральной длины волны), предназначена для построения пространственно-разрешенных изображений внутренней структуры рассеивающих сред, в первую очередь, биологических. Регистрация оптических спектров осуществляется с использованием спектрометра, содержащего дисперсионный элемент, коэффициент пропускания которого, в общем случае, зависит от состояния поляризации регистрируемого излучения (поляризационная зависимость пропускания). Перемещение ОКТ зонда с оптическим трактом из одномодового волокна меняет состояние поляризации проходящего по нему оптического излучения. Соответственно меняется и состояние поляризации регистрируемого спектрометром излучения. Это приводит к изменению величины регистрируемого спектрометром сигнала из-за поляризационной зависимости коэффициента пропускания. Поскольку величина регистрируемого сигнала содержит диагностическую информацию, то ее изменение, обусловленное причинами, отличными от изменения свойств зондируемой среды, может пагубно влиять на диагностическую ценность такой информации.
По патенту US 7817274 «Compact spectrometer» публ. от 19.10.2010 г., МПК G01J 3/28 известен оптический спектрометр с волоконным входом, содержащий входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент в виде дифракционной решетки, фокусирующий элемент и детектор. Дифракционная решетка имеет зависимость эффективности дифракции от поляризации падающего на нее излучения. Таким образом, изменение поляризации излучения на входе приводит к изменению величины выходного сигнала. Недостатком устройства - аналога является чувствительность к поляризации входного излучения.
Ближайшим аналогом разработанного спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии является устройство, известное по публикации Tong Wu, Shuaishuai Sun, Xuhui Wang, Haiyan Zhang, Chongjun He, Jiming Wang, Xiaorong Gu, Youwen Liu, Optimization of linear-wavenumber spectrometer for high-resolution spectral domain optical coherence tomography // Optics Communications, Volume 405, pp. 171-176, 2017. Описанный в устройстве - прототипе оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии содержит входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент и фотоприемник линейного типа.
Опорное и анализируемое излучения по входному оптическому волокну поступают на коллиматор, который формирует параксиальный оптический пучок. Затем этот пучок излучения подается на дисперсионный элемент, который представляет собой последовательно расположенные дифракционную решетку и призму. На выходе дисперсионного элемента спектральные компоненты имеют угол распространения, определяемый оптической частотой излучения. Разделенные таким образом по углу распространения спектральные компоненты, проходя через фокусирующий элемент, фокусируются в плоскости фотоприемника линейного типа.
Дисперсионный оптический элемент имеет различные коэффициенты пропускания для поляризационных компонент излучения, вектор колебания напряженности электрического поля которых перпендикулярен плоскости падения параксиального оптического пучка на дисперсионный элемент и для компонент излучения, вектор колебания напряженности электрического поля которых лежит в плоскости падения параксиального оптического пучка на дисперсионный элемент. При прохождении через дисперсионный оптический элемент одна из поляризационных компонент имеет большие потери (поляризационно-зависимые), чем другая. Это приводит к тому, что при изменении состояния поляризации регистрируемого излучения, обусловленного изгибными деформациями одномодового волокна оптического тракта зонда, происходит изменение уровня сигнала, прошедшего через дисперсионный оптический элемент и регистрируемого затем фотоприемником линейного типа, не связанное с изменением свойств исследуемого объекта. Как следствие, это приводит к искажению получаемых изображений, что совершенно недопустимо при получении изображений биологических объектов в диагностических целях.
Недостатком устройства - прототипа является чувствительность спектрометра к состоянию поляризации регистрируемого излучения.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка оптического спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии, с улучшенными характеристиками регистрации сигнала, а именно повышением достоверности регистрируемого сигнала, связанным с нечувствительностью спектрометра к упругим изгибным деформациям во входном волокне, вызывающим изменение состояния поляризации регистрируемого излучения.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанный оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии так же, как и ближайший аналог, содержит последовательно расположенные входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент, фотоприемник линейного типа.
Новым в разработанном устройстве является то, что входное волокно содержит деполяризующий элемент, выполненный в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка.
В частном случае в разработанном оптическом спектрометре с волоконным входом для оптической когерентной томографии длины отрезков поляризационно-удерживающего волокна относятся друг к другу как 1:2.
На фиг. 1 представлена схема реализации разработанного оптического спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии.
На фиг. 2 представлена схема деполяризующего элемента, поясняющая принцип его действия.
Оптический спектрометр с волоконным входом по фиг. 1 содержит входное волокно 1, деполяризующий элемент 2, коллиматор 3, дисперсионный оптический элемент 4, фокусирующий элемент 5 и фотоприемник линейного типа 6.
Регистрируемое излучение проходит по входному волокну 1 и поступает на деполяризующий элемент 2. Деполяризующий элемент 2 взаимодействует с отдельными поляризационными компонентами излучения, формируя на выходе излучение, имеющее одинаковые проекции на собственные оси дисперсионного оптического элемента 4. Сформированное деполяризованное излучение поступает на коллиматор 3, где преобразуется в параксиальный оптический пучок. Параксиальный оптический пучок поступает на дисперсионный оптический элемент 4, где отдельные спектральные компоненты изменяют направление распространения в зависимости от длины волны А, на угол, определяемый свойствами дисперсионного оптического элемента 4. Далее, проходя через фокусирующий элемент 5, оптическая ось которого совпадает с направлением распространения центральной компоненты излучения, излучение фокусируется на фотоприемник линейного типа 6.
Деполяризующий элемент 2 выполнен из двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна разной длины, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. К тому же длины и разность длин этих отрезков поляризационно-удерживающего волокна больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод.
При распространении излучения по поляризационно-удерживающему волокну (РМ optical fiber) вследствие поляризационной модовой дисперсии две поляризационные компоненты (по медленной и быстрой осям - AS и aF соответственно) распространяются с различными скоростями, определяемыми, соответственно, эффективными показателями преломления для этих мод nS и nF.
При этом каждая из поляризационных мод при прохождении первого отрезка поляризационно-удерживающего волокна проходит оптический путь, равный произведению длины L1 отрезка поляризационно-удерживающего волокна на показатель преломления для конкретной поляризационной моды (nS и nF соответственно)
Взаимная оптическая разность хода возникающая между быстрой и медленной модами в первом отрезке поляризационно-удерживающего волокна, определяется выражением
При длине отрезка волокна L1, определяемой выражением
оптическая разность хода возникающая между быстрой и медленной модами, становится больше длины когерентности, и когерентность между поляризационными модами AS и aF теряется.
В случае если мощности поляризационных мод равны (AS=aF) на входе деполяризующего элемента 2, в собственных поляризационных модах поляризационно-удерживающего волокна после прохождения первого отрезка волокна длиной L1 излучение становится деполяризованным. В силу отсутствия интерференции между проекциями поляризационных мод на собственные оси дисперсионного оптического элемента 4 суммарная мощность регистрируемого излучения определяется суммой мощностей отдельных поляризационных компонент и сохраняется неизменной вне зависимости от взаимной ориентации собственных осей поляризационно-удерживающего волокна и дисперсионного оптического элемента 4.
В случае разной исходной мощности поляризационных мод AS и aF выходное излучение на выходе первого отрезка поляризационно-удерживающего волокна сохраняет поляризационную неоднородность. Для устранения этой неоднородности применяется второй отрезок аналогичного волокна другой длины, поляризационные моды которого повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. В этом случае каждая из собственных мод первого отрезка поляризационно-удерживающего волокна формирует излучение равной мощности в собственных поляризационных модах второго отрезка поляризационно-удерживающего волокна: мода AS формирует моды ASS и ASF, а мода aF - aFS и aFF.
Для выполнения условия формирования деполяризованного излучения необходимо обеспечить отсутствие интерференции между проекциями всех мод на собственные оси дисперсионного оптического элемента 4. То есть необходимо, чтобы задержка между любыми двумя из четырех поляризационных компонент ASS, ASF, aFS, aFF была больше длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты. Это условие может быть формализовано в виде соотношения
В частном случае реализации разработанного спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии деполяризующий элемент 2 выполнен из двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины при этом эти длины относятся как 1:2, то есть L2=2L1, кроме того длины и разность длин упомянутых двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. В этом случае общая длина поляризационно-удерживающего волокна, входящего в состав деполяризующего элемента 2, имеет наименьшее значение.
Таким образом, применение во входном волокне разработанного оптического спектрометра деполяризующего элемента, выполненного в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка, позволяет равномерно распределить мощность регистрируемого излучения по проекциям на собственные оси поляризационной анизотропии дисперсионного оптического элемента. В результате разработанный оптический спектрометр с волоконным входом становится нечувствительным к изменению состояния поляризации регистрируемого излучения, связанному, например, с упругими изгибными деформациями во входном волокне. То есть разработанный оптический спектрометр с волоконным входом обладает улучшенными, по сравнению с прототипом, характеристиками выходного сигнала, поскольку обеспечивает повышение достоверности регистрируемого сигнала.
Claims (2)
1. Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии, содержащий последовательно расположенные входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент, фотоприемник линейного типа, отличающийся тем, что входное волокно содержит деполяризующий элемент, выполненный в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка.
2. Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии по п. 1, отличающийся тем, что длины отрезков поляризационно-удерживающего волокна относятся друг к другу как 1:2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018146791A RU2705178C1 (ru) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018146791A RU2705178C1 (ru) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2705178C1 true RU2705178C1 (ru) | 2019-11-05 |
Family
ID=68501042
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018146791A RU2705178C1 (ru) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2705178C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4922309A (en) * | 1987-11-09 | 1990-05-01 | Otsuka Electronics Co., Ltd. | Spectroscope |
US20080123092A1 (en) * | 2006-11-24 | 2008-05-29 | Fujifilm Corporation | Optical tomograph |
RU84562U1 (ru) * | 2009-03-19 | 2009-07-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Лаборатория Оптико-Электронных Приборов" | Оптоволоконный измеритель распределения размеров и концентраций наночастиц в жидкостях |
-
2018
- 2018-12-27 RU RU2018146791A patent/RU2705178C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4922309A (en) * | 1987-11-09 | 1990-05-01 | Otsuka Electronics Co., Ltd. | Spectroscope |
US20080123092A1 (en) * | 2006-11-24 | 2008-05-29 | Fujifilm Corporation | Optical tomograph |
RU84562U1 (ru) * | 2009-03-19 | 2009-07-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Лаборатория Оптико-Электронных Приборов" | Оптоволоконный измеритель распределения размеров и концентраций наночастиц в жидкостях |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Tong Wu и др. "Optimization of linear-wavenumber spectrometer for high-resolution spectral domain optical coherence tomography", Optics Communications, Volume 405, страницы 171-176, опубл. 2017. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kutas et al. | Terahertz quantum sensing | |
Meissner | Interference spectroscopy. part i | |
US7787127B2 (en) | System and method to determine chromatic dispersion in short lengths of waveguides using a common path interferometer | |
JP5943594B2 (ja) | テラヘルツ波素子、テラヘルツ波検出装置、テラヘルツ時間領域分光システム及びトモグラフィ装置 | |
Choi et al. | Measurement of refractive index and thickness of transparent plate by dual-wavelength interference | |
JP5796254B2 (ja) | 光デバイスおよびファイバブラッググレーティングの使用方法 | |
Schmidt et al. | Wave-optical modeling beyond the thin-element-approximation | |
JP6456078B2 (ja) | テラヘルツ波発生素子、及び、テラヘルツ波検出素子 | |
Zhu et al. | Membrane-free acoustic sensing based on an optical fiber Mach–Zehnder interferometer | |
CN109443554B (zh) | 一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置及方法 | |
Zhu et al. | Self-vernier effect-assisted optical fiber sensor based on microwave photonics and its machine learning analysis | |
RU2705178C1 (ru) | Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии | |
Edrei et al. | Chip-scale atomic wave-meter enabled by machine learning | |
JP2007303954A (ja) | 干渉計センサおよびそれを用いた光学測定装置ならびに光学測定方法 | |
Yoshino | Theoretical analysis of a tilted fiber grating polarizer by the beam tracing approach | |
Kononchuk et al. | Enhanced avionic sensing based on Wigner’s cusp anomalies | |
Fujimoto et al. | Stable wavelength-swept light source designed for industrial applications using KTN beam-scanning technology | |
Lequime et al. | Low coherence interferometric detection of the spectral dependence of the retro-reflection coefficient of an anti-reflective coated interface | |
JP2003202272A (ja) | 高速波長検出装置 | |
Nakadate | Phase detection of equidistant fringes for highly sensitive optical sensing. II. Experiments | |
Anand et al. | Collimation testing with optically active materials | |
JP2014196915A (ja) | 光損傷測定装置 | |
Wei et al. | Two-color absolute length measuring method based on pulse repetition interval lengths | |
RU2798750C1 (ru) | Устройство для измерения скорости ультразвуковых волн с помощью нелинейного оптического эффекта вынужденного рассеяния мандельштама-бриллюэна | |
Liu et al. | System optimization of a field-widened Michelson interferometric spectral filter for high spectral resolution lidar |