基于聲光調(diào)諧的掃頻光源

陳明惠，范云平，張 浩，陶建峰，田 甜，鄭 剛

(上海理工大學(xué) 教育部微創(chuàng)醫(yī)療器械工程中心，上海 200093)

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基于聲光調(diào)諧的掃頻光源

陳明惠，范云平，張 浩，陶建峰，田 甜，鄭 剛*

(上海理工大學(xué) 教育部微創(chuàng)醫(yī)療器械工程中心，上海 200093)

提出了一種利用聲光調(diào)諧方法進(jìn)行濾波的掃頻光源來提高它的輸出穩(wěn)定性。闡述了實現(xiàn)光源穩(wěn)定輸出的原理和方法，研究和分析了光源的相關(guān)參數(shù)。該系統(tǒng)采用聲光調(diào)諧的方法代替機(jī)械濾波的方式。在一個環(huán)形腔內(nèi)，使用半導(dǎo)體光放大器(SOA)作為增益介質(zhì)，聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)作為波長選擇元件，利用聲光調(diào)諧的原理對腔內(nèi)的光進(jìn)行選頻濾波。在280 mA的注入電流下，得到了1 294～1 368 nm的掃頻光源，其中心波長為1 328 nm，半高全寬為51 nm，掃頻速度為3 731 Hz，環(huán)形腔內(nèi)直接輸出的光功率為1.14 mW。由于AOTF是電控制元件，波長的調(diào)諧不需要機(jī)械移動部件，故提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸出光譜的重復(fù)性也很好。實驗顯示：通過這種方法獲得的掃頻光源輸出穩(wěn)定，基本滿足掃頻相干層析成像系統(tǒng)對掃頻光源工藝參數(shù)的要求。

掃頻光源；聲光可調(diào)諧濾波器；半導(dǎo)體光放大器；無機(jī)械移動；穩(wěn)定輸出

1 引 言

新型激光技術(shù)的廣泛運(yùn)用促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展[1]。其中，光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)技術(shù)以其高分辨率、非接觸式、無損傷、多信息等特點(diǎn)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4]。目前，全球有超過50家公司生產(chǎn)OCT系統(tǒng)，超過一百個研究中心和實驗室參與這項技術(shù)的研發(fā)，超過一千個關(guān)于OCT系統(tǒng)的工程解決方案已經(jīng)獲得專利，還有超過一萬篇的科學(xué)報告[5]。經(jīng)過20多年的發(fā)展，OCT技術(shù)已成功應(yīng)用于眼科[6-7]、腫瘤[8]、心臟[9]、內(nèi)窺[10]、皮膚[11]等領(lǐng)域，同時也在藝術(shù)品[12]、吸收光譜[13]、血糖[14]的檢測等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越多的作用。

傳統(tǒng)的OCT技術(shù)分為時域OCT和傅里葉域OCT，通常使用低相干光源作為系統(tǒng)的成像光源。近十年來，用于掃頻OCT的掃頻光源技術(shù)得到了快速發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的OCT系統(tǒng)，基于掃頻光源的OCT系統(tǒng)在分辨率和成像速度上有了很大的提升，從而能夠獲得更好的分辨率和更快的成像速度。一個完整的掃頻光源系統(tǒng)主要包括一個用于提供背景光增益放大的增益介質(zhì)和一個用于頻率調(diào)諧的濾波裝置。目前，常見的掃頻光源采用半導(dǎo)體光放大器配合一個光柵/旋轉(zhuǎn)鏡或者光纖型法布里-珀羅調(diào)諧濾波器構(gòu)成一個環(huán)形腔來進(jìn)行選頻濾波，通過耦合器產(chǎn)生輸出光源，得到的掃頻光源的光譜范圍通常在幾十到一百多納米，光源的掃頻速度從幾千赫茲到幾兆赫茲，輸出光功率從幾毫瓦到幾十毫瓦[6]。但是此類分光元件在濾波過程中濾波元件的內(nèi)部部件會發(fā)生機(jī)械移動，從而造成輸出光源不穩(wěn)定、重復(fù)性差等缺點(diǎn)。

一種解決的方法就是使用非機(jī)械式的濾波元件，濾波時部件不會發(fā)生機(jī)械移動，從而保證整個光源系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定。聲光調(diào)諧濾波器(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)是一種基于聲光效應(yīng)的濾波元件，濾波過程中內(nèi)部元件不需要進(jìn)行機(jī)械移動而是通過聲波調(diào)制來改變輸出光的波長，從而實現(xiàn)不同光波長的穩(wěn)定連續(xù)輸出。AOTF結(jié)構(gòu)固定，無活動部件，作為濾波元件具有體積小、重量輕、通光孔徑和入射光孔徑大、衍射效率高、可進(jìn)行寬范圍內(nèi)的靈活快速調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用在光譜成像[15]等領(lǐng)域。AOTF的調(diào)節(jié)范圍比較寬，頻率的切換速度快，頻率的調(diào)諧過程不需要部件的機(jī)械運(yùn)動，相位穩(wěn)定性高，發(fā)射波長由射頻(Radio Frequency，RF)信號的頻率決定，并且兩者具有嚴(yán)格的線性關(guān)系，工作時能夠根據(jù)需要任意、快速、準(zhǔn)確地切換到特定的波長，但是AOTF掃頻光源的掃頻速度在kHz量級[6]，因此不能滿足大多數(shù)醫(yī)學(xué)OCT的要求。不過在相敏OCT[16]、線性域OCT[17]等的應(yīng)用上，AOTF被證明是最理想的濾波元件，其原因是線性域OCT的成像過程中部件運(yùn)動會引起偽影，從而損壞圖像質(zhì)量，同時線性域OCT不需要非常快的掃頻速度就能夠獲得較高分辨率的實時圖像。相敏OCT的多普勒動態(tài)范圍主要受限于裝置的穩(wěn)定性，而AOTF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以得到了很好的應(yīng)用。本文提出了一種基于AOTF的寬帶寬掃頻光源，寬的調(diào)諧范圍確保了高的軸向分辨率，無機(jī)械移動的調(diào)諧方式確保了光源的穩(wěn)定輸出，幾千赫茲的掃頻速度能夠很好地滿足部分醫(yī)學(xué)OCT的應(yīng)用需求。

2 實驗原理與方法

為了實現(xiàn)光源輸出穩(wěn)定、重復(fù)性好的特點(diǎn)，這里采用聲光調(diào)諧的方式對諧振腔內(nèi)的光進(jìn)行選頻濾波。整個系統(tǒng)如圖1所示，其中半導(dǎo)體光學(xué)放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)(型號：IPSAD1304-5110)產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射光作為整個光源的背景光并提供激光放大所需要的增益介質(zhì)，經(jīng)過隔離器控制光運(yùn)行的方向。從隔離器出來的光經(jīng)過AOTF(型號：1301-SY-12062)選頻濾波，通過改變作用于聲光晶體上的超聲波的頻率和振幅來改變衍射光的帶寬和功率。濾波后的光經(jīng)過一個光纖耦合器產(chǎn)生耦合輸出光，另一部分光繼續(xù)在環(huán)腔里放大，通過SOA補(bǔ)償損失的能量，最終形成穩(wěn)定的輸出。偏正控制器主要用于控制光的偏振態(tài)使得輸出的光功率最大。

圖1 聲光調(diào)諧掃頻光源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

SOA通過外界泵浦電流提供泵浦源，不同泵浦電流下SOA的自發(fā)輻射光的光譜如圖2所示，可見SOA的泵浦電流越大，自發(fā)輻射光的光譜范圍和強(qiáng)度越大。這是由于隨著SOA注入電流的增加，SOA的增益帶寬會增加，但是當(dāng)SOA的注入電流大于280 mA時，芯片溫度過高會造成激光輸出中斷的現(xiàn)象。因此為了獲得較寬的激光調(diào)諧范圍，同時又能夠獲得長時間的穩(wěn)定輸出，本文選擇在注入電流為280 mA時SOA的自發(fā)輻射光作為光源的背景光。

圖2 不同注入電流下SOA的自發(fā)輻射光譜范圍

Fig.2 Injection current versus wavelength of amplified spontaneous emission

這里所采用的AOTF的可調(diào)范圍大于SOA的自發(fā)輻射光的范圍。為了讓AOTF保持最大的工作效率，AOTF的工作范圍需要與SOA的調(diào)諧范圍相匹配。RF信號的頻率決定了AOTF的衍射波長，兩者的關(guān)系如圖3所示，其中方點(diǎn)是實驗得到的數(shù)據(jù)，實線是擬合結(jié)果。AOTF與SOA相匹配的工作頻率為98～105 MHz，在這個調(diào)諧頻率之外由于不存在SOA的放大自發(fā)輻射背景光或者衍射光強(qiáng)非常小，沒有實際有效的衍射光輸出。

圖3 AOTF的衍射光中心波長與RF信號頻率的關(guān)系

從自發(fā)輻射光到掃頻光源的輸出大致要經(jīng)過4個過程。首先由SOA產(chǎn)生自發(fā)輻射光并通過濾波器進(jìn)行選頻濾波，濾波器每次只能允許一種波長的光輸出；然后此類波長的光返回SOA增益介質(zhì)中進(jìn)行增益放大，這一過程不改變此類光波的中心波長；接著此類光波繼續(xù)經(jīng)過濾波器并返回到增益介質(zhì)中進(jìn)行增益放大，此過程中濾波器的透射窗口保持不變；最后，當(dāng)該波長的光經(jīng)過若干次增益放大到達(dá)激光輸出的閾值條件時，由耦合器輸出。這種濾波方式下，只有當(dāng)一束窄帶寬的光在腔內(nèi)多次往返到達(dá)激光輸出閾值時，濾波器的透射窗口才會切換到下個波長，因此光源的最大掃頻速度主要受到由自發(fā)輻射光到激光輸出這段時間的限制，該時間主要取決于激光增益、飽和功率、泵浦電流以及光在腔內(nèi)往返的時間[18]。

3 實驗結(jié)果

實驗輸出光源的特征主要通過光譜儀和示波器觀察。將AOTF作為掃頻光源的濾波器，光在諧振腔內(nèi)往返一次的時間約為60 ns。為了保證光在腔內(nèi)多次增益達(dá)到激光輸出的閾值，并且保證輸出光源具有較快的掃頻速度，將掃頻光源的時間間隔設(shè)置在500 ns。圖4(a)為示波器的顯示結(jié)果，其中大數(shù)值為前向掃描的部分，小數(shù)值為后向掃描的部分。造成這種差異的原因是RF信號的頻移現(xiàn)象使得后向掃描期間濾波窗口和腔內(nèi)多次振蕩的衍射光的中心波長不完全匹配，從而減弱了后向掃描過程中的光功率[19]。如圖4(b)所示，掃頻光源的中心波長為1 330 nm，光譜波段約為1 294～1 368 nm，半高全寬為51 nm，光源的瞬時線寬約為7 nm，掃描線速度約為279 850 nm/s(3 731 Hz)，光功率約為1.14 mW。

(a)時序圖

(b)光譜圖

為了研究AOTF作為調(diào)諧濾波器的工作特性，通過實驗得到了AOTF在不同調(diào)諧狀態(tài)下掃頻光源的光譜峰值功率和掃頻速度，如圖5所示。由圖5可知，在一定的范圍內(nèi)，掃頻光源的掃頻速度與輸出光功率成反比。理論上，作用于AOTF的射頻信號的頻率間隔越大，兩次掃描的時間間隔越短，掃頻速度越快，光功率越低。這是由于射頻信號的頻率間隔越大，在整個掃頻范圍內(nèi)掃描的點(diǎn)越少，從濾波器透射的窄帶寬的激光束越少，對于同一個濾波器，它的掃頻速度就會增大，光功率則會越低；同樣，射頻信號的頻率間隔越小，能夠獲得的掃描點(diǎn)越多，兩次掃描時間間隔越短。在相同的時間內(nèi)，濾波器透射窗口變化的次數(shù)就會越多，透射出的窄帶寬的波長數(shù)就會越多，因而輸出光源的掃頻速度就會越快，但是由于窗口的透射時間較短，窄帶寬的激光束在腔內(nèi)往返的次數(shù)較少，因此耦合輸出的光功率較低。然而當(dāng)兩次掃描的時間間隔小到一定值時，沒有有效的激光輸出，這是因為腔內(nèi)的光束沒有足夠的時間建立振蕩，能量較低，達(dá)不到激光輸出的閾值。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同的要求權(quán)衡輸出光譜的峰值功率和光源掃頻速度之間的關(guān)系。

圖5 不同掃頻速度下輸出光源的光譜圖

用平面鏡做樣品，對所搭建的掃頻光源系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖6所示。點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的半高全寬代表了系統(tǒng)的軸向分辨率，從點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可以得出系統(tǒng)的軸向分辨率約為16.5 μm(在空氣中)，其理論計算值為15 μm，理論值與實驗值接近。

圖6 掃頻光源系統(tǒng)的干涉圖像

4 討 論

相對于其它濾波器的掃頻光源，基于AOTF的掃頻光源在掃頻速度上沒有優(yōu)勢。與其它短腔掃頻光源一樣，光源的掃頻速度主要受限于激光輸出的建立時間。另外，基于AOTF的掃頻光源中用于傳播聲波的光子的非彈性散射會造成環(huán)形中腔射頻信號的頻率偏移，由于濾波器的透射窗口由RF信號的頻率決定，因此會使透射窗口與腔內(nèi)窄帶寬的激光束不完全對稱，從而造成透射光功率的下降，同時這一不對稱會隨著激光在腔內(nèi)往返次數(shù)的增加而疊加。綜上可知，相比于其它類型的環(huán)形腔，基于AOTF的環(huán)形腔需要激光在腔內(nèi)往返更多的圈數(shù)，大大降低了掃頻光源的掃頻速度。根據(jù)短腔掃頻光源速度的制約因素，一種改進(jìn)方法是通過技術(shù)手段縮短腔長，從而減少激光在腔內(nèi)往返的時間來獲得更快的掃頻速度；另一種方法就是通過一定的手段減少腔內(nèi)的損耗，或者換用信號增益系數(shù)更高的光放大器。這兩種方法的目的都是盡量較少激光達(dá)到飽和需要在腔內(nèi)往返的次數(shù)，從而提高掃頻激光的速度。結(jié)合本文輸出光源占空比較小(約為30%)的特點(diǎn)，一種可行的間接方法是在腔外通過環(huán)形器將一部分光分入光纖延時，使其剛好延遲輸出光一個時間周期，陸續(xù)再分出一部分光延遲兩個周期，從而使掃頻速度提高至原來的3倍。

一個理想的掃頻光源不僅要具有較快的掃頻速度，同時還要具有一個較強(qiáng)的輸出光功率，即窄的瞬時線寬。光源的瞬時線寬主要由濾波器的分辨率決定，同時也受到光纖色散等因素的影響。本文所選用的濾波器的分辨率沒有優(yōu)勢，一種改進(jìn)方法是采用瞬時線寬更窄的濾波器；另外也可以將一個具有窄瞬時線寬的濾波器與本文所采用的寬調(diào)諧光譜的濾波器進(jìn)行組合，從而實現(xiàn)窄瞬時線寬和寬調(diào)諧范圍的光譜輸出。輸出光源的光功率主要受到泵浦電流、SOA的小信號放大系數(shù)以及腔內(nèi)損耗的影響，目前常用的解決方法是在腔外再接一個SOA，從而進(jìn)一步放大光功率。

最后通過比較同一時間段多次測量得到的實驗數(shù)據(jù)的差異性，發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的差值較小，光譜波形基本一致。另外還比較了不同時間段所測得的數(shù)據(jù)的差異性，發(fā)現(xiàn)不同時間段的數(shù)據(jù)差值也比較小，光譜的重合性也比較好。由此可知，聲光調(diào)諧掃頻光源的穩(wěn)定性較好。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)聲光調(diào)諧原理以及掃頻光源的研制方法，提出了一套具有穩(wěn)定輸出的掃頻光源。在280 mA的注入電流下，掃頻光源的中心波長為1 330 nm，掃頻波段為1 294～1 368 nm，半高全寬為51 nm，掃頻速度為279 850 nm/s，環(huán)形腔內(nèi)直接輸出的光功率為1.14 mW，掃頻光源空氣中的軸向分辨率約為15 μm。最后，通過分析光源的整體性能提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。結(jié)果表明：基于AOTF的掃頻光源系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定，對研發(fā)新型的OCT系統(tǒng)具有重要意義。

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鄭 剛(1962-)，男，浙江余姚人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，1982年于南京理工大學(xué)(原華東工程學(xué)院)獲得學(xué)士學(xué)位，1985年于天津大學(xué)獲得碩士學(xué)位，1993年于華東工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)工程相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。E-mall：gangzheng@usst.edu.cn

(版權(quán)所有 未經(jīng)許可 不得轉(zhuǎn)載)

Swept source laser based on acousto-optic tuning

CHEN Ming-hui， FAN Yun-ping， ZHANG Hao， TAO Jian-feng， TIAN Tian， ZHENG Gang*

(Shanghai Institute for Minimally Invasive Therapy，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China)

A swept-source laser by using an Acousto-optic Tunable Filter(AOTF) was researched to improve the stability of the source output. The principles and method to implement output stability of the source were described， and corresponding parameters of the source were analyzed. An acousto-optic tuning was selected to replace the mechanical filtering to improve its output stability. A Semiconductor Optical Amplifier(SOA) was used as a gain medium and the AOTF was used as a wavelength-selected element in an internal fiber ring cavity. The acousto-optic interaction was used in the filtering of light in the cavity. With the SOA injection current of 280 mA， the continuous wavelength tuning range of the source is from 1 294 to 1 368 nm centered at a wavelength of 1 330 nm， and its sweep rate is 3 731 Hz， the full width at half maximum is 51 nm and the output power from the ring cavity is 1.14 mW. By using the electric control element AOTF， the system implements the electronic tuning without mechanical movement elements， so it shows good output stability and excellent spectral repetition. It concludes that the swept-source laser obtained by this method has a stable output and satisfies the requirements of the other parameters of the swept source optical coherence tomography.

swept-source； Acousto-optic Tunable Filter(AOTF)； Semiconductor Optical Amplifier(SOA)； non-mechanical movement； stable output

2016-07-11；

2016-08-01.

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.61308115)；上海市自然科學(xué)基金資助項目(No.13ZR1457900)

1004-924X(2016)11-2658-07

TN245；TN65

A

10.3788/OPE.20162411.2658

陳明惠(1981-)，女，福建南靖人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，2012年于浙江大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)方面的研究。E-mail：cmhui.43@163.com

*Correspondingauthor，E-mail：gangzheng@usst.edu.cn