基于聲光調諧的掃頻光源

2016-12-19 02:29:50陳明惠范云平陶建峰

光學精密工程 2016年11期

陳明惠，范云平，張浩，陶建峰，田甜，鄭剛

(上海理工大學教育部微創醫療器械工程中心，上海 200093)

基于聲光調諧的掃頻光源

陳明惠，范云平，張浩，陶建峰，田甜，鄭剛*

(上海理工大學教育部微創醫療器械工程中心，上海 200093)

提出了一種利用聲光調諧方法進行濾波的掃頻光源來提高它的輸出穩定性。闡述了實現光源穩定輸出的原理和方法，研究和分析了光源的相關參數。該系統采用聲光調諧的方法代替機械濾波的方式。在一個環形腔內，使用半導體光放大器(SOA)作為增益介質，聲光可調諧濾波器(AOTF)作為波長選擇元件，利用聲光調諧的原理對腔內的光進行選頻濾波。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，環形腔內直接輸出的光功率為1.14 mW。由于AOTF是電控制元件，波長的調諧不需要機械移動部件，故提高了系統的穩定性，輸出光譜的重復性也很好。實驗顯示：通過這種方法獲得的掃頻光源輸出穩定，基本滿足掃頻相干層析成像系統對掃頻光源工藝參數的要求。

掃頻光源；聲光可調諧濾波器；半導體光放大器；無機械移動；穩定輸出

1 引言

新型激光技術的廣泛運用促進了生物醫學光學成像技術的發展[1]。其中，光學相干層析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)技術以其高分辨率、非接觸式、無損傷、多信息等特點引起了國內外學者的廣泛關注[2-4]。目前，全球有超過50家公司生產OCT系統，超過一百個研究中心和實驗室參與這項技術的研發，超過一千個關于OCT系統的工程解決方案已經獲得專利，還有超過一萬篇的科學報告[5]。經過20多年的發展，OCT技術已成功應用于眼科[6-7]、腫瘤[8]、心臟[9]、內窺[10]、皮膚[11]等領域，同時也在藝術品[12]、吸收光譜[13]、血糖[14]的檢測等領域發揮著越來越多的作用。

傳統的OCT技術分為時域OCT和傅里葉域OCT，通常使用低相干光源作為系統的成像光源。近十年來，用于掃頻OCT的掃頻光源技術得到了快速發展。相比于傳統的OCT系統，基于掃頻光源的OCT系統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主要包括一個用于提供背景光增益放大的增益介質和一個用于頻率調諧的濾波裝置。目前，常見的掃頻光源采用半導體光放大器配合一個光柵/旋轉鏡或者光纖型法布里-珀羅調諧濾波器構成一個環形腔來進行選頻濾波，通過耦合器產生輸出光源，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部部件會發生機械移動，從而造成輸出光源不穩定、重復性差等缺點。

一種解決的方法就是使用非機械式的濾波元件，濾波時部件不會發生機械移動，從而保證整個光源系統的輸出穩定。聲光調諧濾波器(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)是一種基于聲光效應的濾波元件，濾波過程中內部元件不需要進行機械移動而是通過聲波調制來改變輸出光的波長，從而實現不同光波長的穩定連續輸出。AOTF結構固定，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、可進行寬范圍內的靈活快速調諧等優點，目前主要應用在光譜成像[15]等領域。AOTF的調節范圍比較寬，頻率的切換速度快，頻率的調諧過程不需要部件的機械運動，相位穩定性高，發射波長由射頻(Radio Frequency，RF)信號的頻率決定，并且兩者具有嚴格的線性關系，工作時能夠根據需要任意、快速、準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醫學OCT的要求。不過在相敏OCT[16]、線性域OCT[17]等的應用上，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動會引起偽影，從而損壞圖像質量，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的多普勒動態范圍主要受限于裝置的穩定性，而AOTF系統結構穩定，所以得到了很好的應用。本文提出了一種基于AOTF的寬帶寬掃頻光源，寬的調諧范圍確保了高的軸向分辨率，無機械移動的調諧方式確保了光源的穩定輸出，幾千赫茲的掃頻速度能夠很好地滿足部分醫學OCT的應用需求。

2 實驗原理與方法

為了實現光源輸出穩定、重復性好的特點，這里采用聲光調諧的方式對諧振腔內的光進行選頻濾波。整個系統如圖1所示，其中半導體光學放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)(型號：IPSAD1304-5110)產生的放大自發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，經過隔離器控制光運行的方向。從隔離器出來的光經過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。濾波后的光經過一個光纖耦合器產生耦合輸出光，另一部分光繼續在環腔里放大，通過SOA補償損失的能量，最終形成穩定的輸出。偏正控制器主要用于控制光的偏振態使得輸出的光功率最大。

圖1 聲光調諧掃頻光源系統的結構圖

SOA通過外界泵浦電流提供泵浦源，不同泵浦電流下SOA的自發輻射光的光譜如圖2所示，可見SOA的泵浦電流越大，自發輻射光的光譜范圍和強度越大。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象。因此為了獲得較寬的激光調諧范圍，同時又能夠獲得長時間的穩定輸出，本文選擇在注入電流為280 mA時SOA的自發輻射光作為光源的背景光。

圖2 不同注入電流下SOA的自發輻射光譜范圍

Fig.2 Injection current versus wavelength of amplified spontaneous emission

這里所采用的AOTF的可調范圍大于SOA的自發輻射光的范圍。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，兩者的關系如圖3所示，其中方點是實驗得到的數據，實線是擬合結果。AOTF與SOA相匹配的工作頻率為98～105 MHz，在這個調諧頻率之外由于不存在SOA的放大自發輻射背景光或者衍射光強非常小，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信號頻率的關系

從自發輻射光到掃頻光源的輸出大致要經過4個過程。首先由SOA產生自發輻射光并通過濾波器進行選頻濾波，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增益介質中進行增益放大，這一過程不改變此類光波的中心波長；接著此類光波繼續經過濾波器并返回到增益介質中進行增益放大，此過程中濾波器的透射窗口保持不變；最后，當該波長的光經過若干次增益放大到達激光輸出的閾值條件時，由耦合器輸出。這種濾波方式下，只有當一束窄帶寬的光在腔內多次往返到達激光輸出閾值時，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往返的時間[18]。

3 實驗結果

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，光在諧振腔內往返一次的時間約為60 ns。為了保證光在腔內多次增益達到激光輸出的閾值，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置在500 ns。圖4(a)為示波器的顯示結果，其中大數值為前向掃描的部分，小數值為后向掃描的部分。造成這種差異的原因是RF信號的頻移現象使得后向掃描期間濾波窗口和腔內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作為調諧濾波器的工作特性，通過實驗得到了AOTF在不同調諧狀態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，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，在整個掃頻范圍內掃描的點越少，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，能夠獲得的掃描點越多，兩次掃描時間間隔越短。在相同的時間內，濾波器透射窗口變化的次數就會越多，透射出的窄帶寬的波長數就會越多，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往返的次數較少，因此耦合輸出的光功率較低。然而當兩次掃描的時間間隔小到一定值時，沒有有效的激光輸出，這是因為腔內的光束沒有足夠的時間建立振蕩，能量較低，達不到激光輸出的閾值。在實際應用中，需要根據不同的要求權衡輸出光譜的峰值功率和光源掃頻速度之間的關系。

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的點擴散函數進行了測量，結果如圖6所示。點擴散函數的半高全寬代表了系統的軸向分辨率，從點擴散函數可以得出系統的軸向分辨率約為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往返次數的增加而疊加。綜上可知，相比于其它類型的環形腔，基于AOTF的環形腔需要激光在腔內往返更多的圈數，大大降低了掃頻光源的掃頻速度。根據短腔掃頻光源速度的制約因素，一種改進方法是通過技術手段縮短腔長，從而減少激光在腔內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的損耗，或者換用信號增益系數更高的光放大器。這兩種方法的目的都是盡量較少激光達到飽和需要在腔內往返的次數，從而提高掃頻激光的速度。結合本文輸出光源占空比較小(約為30%)的特點，一種可行的間接方法是在腔外通過環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勢，一種改進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諧光譜的濾波器進行組合，從而實現窄瞬時線寬和寬調諧范圍的光譜輸出。輸出光源的光功率主要受到泵浦電流、SOA的小信號放大系數以及腔內損耗的影響，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據的差異性，發現實驗數據的差值較小，光譜波形基本一致。另外還比較了不同時間段所測得的數據的差異性，發現不同時間段的數據差值也比較小，光譜的重合性也比較好。由此可知，聲光調諧掃頻光源的穩定性較好。

5 結論

本文根據聲光調諧原理以及掃頻光源的研制方法，提出了一套具有穩定輸出的掃頻光源。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，環形腔內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的改進方法。結果表明：基于AOTF的掃頻光源系統的輸出穩定，對研發新型的OCT系統具有重要意義。

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鄭剛(1962-)，男，浙江余姚人，博士，研究員，博士生導師，1982年于南京理工大學(原華東工程學院)獲得學士學位，1985年于天津大學獲得碩士學位，1993年于華東工業大學獲得博士學位，主要從事光學工程相關領域的教學和科研工作。E-mall：gangzheng@usst.edu.cn

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.

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

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

TN245；TN65

10.3788/OPE.20162411.2658