波长扫描光源的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2018年11月1日提交的美国临时申请62/754,082的权益，并通过引用将其在此并入。

本发明涉及一种波长扫描光源，并且更具体地涉及一种能够以相对快的扫描速率在宽的光谱范围上提供波长扫描输出的光源，该扫描速率对于成像、感测和光谱学应用是有用的(例如，扫描速率超过2mhz)。

背景技术：

除了将光学系统用于通信应用之外，在成像、感测和光谱学应用中使用基于激光的装置已经被证明是用于捕获和分析数据的有价值的技术。在各种这些系统中，具有有时被称为“宽带”光源并且被更恰当地被表征为“波长扫描”光源的光源是有用的，其中处于限定波长集合处的一系列光束被用于照射给定对象。由于对象的响应通常是照射光的波长的函数，所以跨对象“扫描”一组不同波长的动作提供了特征波长相关响应，该响应能够例如感测有毒气体的存在、识别桥跨度中的轻微变形的存在或者甚至帮助表征人体中发现的肿瘤。

为了提供一致的和可重复的结果，重要的是用于产生扫描波长输出的激光源呈现尽可能高的相干水平。实际上，一些应用可能需要至少1mm的相干长度(“相干长度”是在传播光波的起点和终点之间存在明确定义的相位关系的跨度)。用于提供具有这种相干水平的扫描波长输出的激光源的普遍选择是“傅立叶域锁模”(fdml)激光器。在fmdl激光器中，通过调谐设置在激光腔内的可变带通滤波器来改变输出波长。调谐通常涉及某种类型的致动以调整滤波器的中心波长(通常是机械的，或者有时是热的)，因此不仅限制扫描速度(即，从一端到另一端跨越波长范围的扫描所需的时间)，而且还限制源的“占空比”，因为在开始下一次扫描之前，可调谐滤波器需要被重置为初始波长值。

因此，对于任何类型的外部致动器/滤波器机构来控制波长扫描光源的需要固有地限制了可以实现的扫描速率和/或带宽，尤其是因为改进其性能的大多数尝试会增加最终产品的复杂性、尺寸和费用。

技术实现要素：

本发明涉及一种波长扫描光源，并且更具体地涉及一种基于光纤的光源，其能够以远超过现有技术装置的扫描速率在宽的光谱范围上提供波长扫描输出，而不需要执行任何基于致动的输出波长的调谐。

根据本发明的原理，波长扫描光源由相干脉冲激光源、基于光纤的光放大器和色散光学介质(在大多数情况下，实施为一段色散光纤)的组合形成。这些元件的参数被协调，使得来自色散光学介质的输出由一系列“经时间拉伸”的脉冲组成，其中在给定经拉伸的脉冲内的选定波长成分在可测量地不同(即，“相异”)的时间点离开光源。通过经由色散傅立叶变换(dft)技术将一组波长成分映射到特定到达时间，设置在波长扫描光源的输出处的仪器将能够将时间序列与离开波长扫描光源的每个经时间拉伸的脉冲内的限定波长成分相关联。

有利地，使用“经时间拉伸”的脉冲来产生波长扫描光输出消除了使用可调谐带通滤波器来产生波长扫描的需要，从而允许扫描速率相对于现有技术配置的显著增加。而且，由于不需要在循环之间手动“重置”可调谐滤波器，所以本发明的波长扫描光源能够利用比现有技术更高重复率的输入脉冲源。实际上，在本发明的示例性基于光纤的波长扫描光源的测试中使用了4.7mhz的重复率。

本发明的波长扫描光源的各种元件的工作参数被协调以跨感兴趣的带宽范围提供可接受水平的输出功率均匀性。例如，本发明的实施例能够通过适当选择掺杂光纤放大器元件的工作参数，在相对宽的频谱范围上实现小于10db的功率谱密度(psd)变化。

在一个或多个实施例中，相干脉冲激光源可以包括锁模光纤激光器(例如，8字形光纤激光器)，以提供超短(1ps以下)的“种子”脉冲作为放大器元件的输入。

色散光学介质可以包括光纤、波导、体光学器件或任何其它适于支持光信号传播的介质。在优选实施例中，色散光学介质优选地被配置为呈现提供接近一的占空比的总色散。为了本发明的目的，这里使用的术语“占空比”被定义为执行完整的波长扫描所需的时间(tsweep)与完整的循环时间间隔(tcycle)的比率。

本发明的示例性实施例可以采用波长扫描光源的形式，该波长扫描光源包括光脉冲(优选超短脉冲)的激光源、掺杂光纤光放大器和位于掺杂光纤光放大器的输出处的色散光学介质。掺杂光纤放大器响应于光脉冲和(选定波长和功率的)泵浦光束二者来产生经光谱展宽的输出脉冲，该输出脉冲在光谱展宽带宽内的预定的带宽上具有功率谱密度的最小变化。色散光学介质被配置为具有平均每单位长度色散davg和预定的长度ldf(定义为davg*ldf的总色散dtot)，足以“时间拉伸”来自掺杂光纤光放大器的放大脉冲，使得脉冲内的不同波长成分在不同时间点离开色散光学介质。

本发明的另一实施例涉及一种从光源产生波长扫描光输出的方法，该方法包括以下步骤：以预定的重复率提供一系列光脉冲，将光脉冲作为输入施加到基于光纤的光放大器，放大光脉冲并展宽每个脉冲以跨越预定的光谱带宽，然后使每个脉冲通过具有预定的平均色散davg和预定的长度ldf(产生如上定义的总色散dtot)的色散光学介质，以便时间拉伸在色散介质处接收的每个经光谱展宽的、放大的脉冲。经变换的输入光脉冲因此作为经时间拉伸的脉冲离开色散光学介质，其中每个脉冲的不同波长成分在不同的时间点离开色散光学介质，从而形成波长扫描光输出。

另外，本发明的一个或多个实施例可以采用一种系统的形式，该系统包括具有预定值的种子平均功率和预定值的重复率的短脉冲种子输入、产生泵浦信号的泵浦激光二极管、组合种子输入和泵浦信号的波分复用器(“wdm”)以及具有长度ldf的色散介质，其中经放大的光源的光谱宽度和短脉冲种子输入的重复率与色散介质提供的色散量匹配，使得经拉伸的脉冲的波长成分不与后续脉冲重叠。

在以下讨论过程中，通过参考相关附图，本发明的其它和进一步的方面和实施例将变得显而易见。

附图说明

现在参考附图，其中在几个视图中相似的数字表示相似的部件：

图1是形成本发明的波长扫描光源的各种元件的简化框图；

图2包含经时间拉伸的光脉冲的曲线图，示出了与经拉伸的光脉冲内的不同波长成分的到达相关联的“扫描时间”和与用作波长扫描光源的输入的相干脉冲的重复率相关联的“循环时间”之间的关系；

图3是由本发明的波长扫描光源产生的示例性光谱的曲线图，示出了作为波长(底部刻度)的函数的功率谱密度(psd)，其中沿着顶部刻度示出了光在光电检测器处的到达时间(定义“扫描时间”)；

图4示出了根据本发明的原理形成的基于光纤的波长扫描光源的示例性实施例；以及

图5示出了根据本发明的原理形成的基于光纤的波长扫描光源的替代实施例，在这种情况下，包括设置在掺杂光纤放大器和色散光纤输出元件之间的传输光纤。

具体实施方式

用于诸如光学相干断层扫描(oct)的应用的波长扫描光源通常包括可调谐激光器。已知这些激光器呈现高的光谱亮度，并且仅需要相对简单的光学设计来产生跨可用波长范围的所需调谐。如上所述，传统的装置采用一种涉及一些机械致动(例如，可移动带通滤波元件的机械致动)的波长调谐类型，因此不仅限制了最大扫描速度，而且限制了设备的占空比。

基于光学的“时间拉伸”是一种不需要任何类型的机械调谐控制的全光学技术。相反，光学元件(体设备、波导、光纤等)用于将输入脉冲作为时间的函数展开。即，光学元件的色散特性用于控制光脉冲内的各种波长成分的到达时间。这种所谓的时间拉伸技术(以下有时也称为“色散型傅立叶变换”(dft)技术)导致能够提供波长-时间映射，从而产生波长随时间的有效扫描。根据本发明的原理，dft技术可以结合来自本发明的波长扫描光源的输出来使用，以提供跨相对大的光谱范围(超过100nm)的波长扫描，具有跨各个波长成分的相对均匀的功率分布(例如，偏差小于10db)，而不会经历与“移动部件”现有技术装置相关联的扫描速率的限制。

图1是示出根据本发明原理的用于形成波长扫描光源10的各种元件的框图。虽然元件在该图中被示出为离散的、分离的部件，但是应当理解，每个元件优选地由光纤的区段形成，所述光纤的区段被配置为呈现被选择以生成适合于特定应用的期望光谱带宽和扫描速率的波长扫描输出的特性。

如图1所示，波长扫描光源10包括激光脉冲源12，其用于以限定的重复率提供相干光脉冲序列(优选地，具有1ps以下的脉冲持续时间的“超短”脉冲)。脉冲持续时间和重复率都是可以被具体确定和设计以提供满足特定应用的要求的波长扫描输出的参数。这些脉冲的功率水平以及它们的相干性是在产生波长扫描输出中重要的其它因素。在各种时间，这些脉冲将被称为“种子”脉冲，这是本领域中公知的用于定义用于触发创建期望输出的一系列事件的系统输入的术语。

优选使用“高度相干”激光器作为脉冲源12，因为存在相干长度应当尽可能长的波长扫描光源的应用。例如，光学相干断层扫描(oct)成像技术需要至少某一最小值(例如，1mm左右)的相干长度。“相干”意味着在一个或多个连续脉冲之间存在可预测的相位关系。

此后，从源12输出的脉冲串被用作掺杂光纤光放大器14的输入，其用于向每个脉冲注入可控量的增益和光谱展宽，从而创建用于定义由本发明的波长扫描光源提供的波长扫描范围的上限和下限的光谱带宽△ν。另外，一个重要的方面是掺杂光纤放大器14跨光谱带宽△ν提供相对平滑的功率分布。如下面将详细讨论的，虽然目标是提供尽可能宽的带宽，但是这是以将放大器14的泵浦功率增加到这样的点为代价的，在该点不希望的非线性效应降低功率分布的均匀性。下面描述的一个示例性实施例配置增益光纤的泵浦功率和吸收特性两者，以实现约130nm的光谱带宽，跨该带宽的功率谱密度(psd)的变化小于10db。

继续描述图1的部件，来自掺杂光纤放大器14的相对高功率、经光谱展宽的输出脉冲随后耦合到色散光学元件16中。如下面将详细讨论的，该元件的色散(d)是配置能够充分地(在时间上)分离脉冲内的波长成分的元件的关键因素，使得特定波长在充分分离的时间点到达光源10的输出(在此提到的“充分分离的”、“不同的”等用于描述允许相关联的光检测设备准确地测量每个单独的波长成分中的光功率的时间间隔)。各种类型的色散介质可以用来形成元件16，包括体光学非线性部件、基于波导的部件和基于光纤的部件。

本发明的脉冲拉伸和“波长-时间”映射方面在图1中与色散元件16相关联地示出，图1示出了具有相对高功率水平(在其从放大器14离开时)的输入脉冲pin。此后，当脉冲沿色散元件16传播时，该元件的特定色散特性用于改变脉冲内不同波长成分的传播速度，导致在波长扫描光源10(如图1中pout所示)的输出处出现同一脉冲的“时间拉伸”。

在大多数情况下，光学元件的色散使得较长波长的光比较短波长的光传播得更快(不同地称为“正常”或“负”色散，该值是按照ps/nm-km来测量的)。然而，也可以设计色散光学介质以呈现正色散(有时也称为“反常色散”)，其中较短波长的光比较长波长的光传播得更快。尽管通常可以在本发明的波长扫描光源中使用任一类型的色散元件，但是正常/负色散元件的使用通常是优选的并且可以被形成以跨整个光谱带宽△ν呈现可接受的均匀色散。参考美国专利申请15/970,990，其被转让给本申请的受让人，因此通过引用被结合于此，其描述了与适合用作色散光学元件16的高“品质因数”(fom)光纤相关的细节。

在描述本发明的具体实施例之前，考虑由脉冲源12产生的种子脉冲的重复率的倒数(也称为“循环时间”)与“波长扫描持续时间”之间的关系是有用的。为了本发明的目的，这两个时间间隔的比率被定义为波长扫描光源10的“占空比”。图2的图示出了本发明的这个方面。

图2的曲线a是作为离开色散光元件16的示例性经时间拉伸的输出脉冲pout的曲线。脉冲(为了说明的目的，以理想化的形式示出)被绘制以示出作为时间的函数的它们的功率谱密度(psd)。为了简化下面的讨论，假定仅使用一组三个不同的波长成分来形成“扫描”(即，从色散光学元件16输出的光被定义为包括一组三个间隔开的波长成分，这里表示为λl、λm和λs)。如上所述，dft技术可以用于执行将这些基于时间的测量映射到实际波长值的功能。然后，该映射可以与波长扫描光源10结合使用，以允许波长扫描光源的操作者将来自波长扫描光源10的经时间拉伸的输出脉冲序列的持续到达时间校准为一组已知波长值。在曲线图a中将一组三个经时间拉伸的输出脉冲示为pout1、pout2和pout3。

波长扫描持续时间在曲线a中显示为时间间隔tsweep(即，经过的时间2△t)。间隔tsweep是由色散光元件16引入脉冲的色散的函数；也就是说，现在在波长成分λl在时间＝t0的到达与波长成分λs在时间＝(t0+2△t)的到达之间引入时间拉伸。“循环时间”tcycle在曲线图a中示出为pout1的上升时间和pout2的上升时间之间的经过的时间段。循环时间也可以由其倒数，种子脉冲的“重复率”(frep)来定义。在以下描述的实施例中，本发明的实施例能够以4.7mhz的重复率(大约200ns的循环时间)工作，同时在至少130nm的光谱带宽△ν上保持相对平滑的psd分布。

与曲线a中所示的示例性输出时间拉伸脉冲串相关联的工作循环具有约二分之一量级的值，因为tsweep被示出为延伸跨越总循环时间的大约一半。尽管是可接受的，但是因为本发明的基于光纤的光源不需要被“重置”到初始状态以开始每个随后的扫描，所以显然可以使用更长的扫描时间，从而允许在扫描中使用附加的波长成分，或者允许提供各个波长成分的更高分辨率的输出功率测量，或者允许这两者。

然而，如上所述，需要将本发明的波长扫描光源的占空比保持为小于一的值。图2的曲线b示出了要被避免的情况，其中占空比已经增加到大于一的值(即，tsweep大于tcycle)。如图所示，这可能导致波长成分无序地到达波长扫描光源10的输出端，使得一个脉冲的后沿与随后脉冲的上升沿重叠。这种经拉伸的脉冲之间的重叠可归因于过快的种子脉冲的重复率，或过大的色散光元件16的总色散。

实际上，本发明的优选实施例被配置成提供接近一的高占空比(即tsweep≈tcycle)。这是可能的，因为在开始新的扫描之前不需要重置机械滤波器组件，所以一旦第一脉冲的最短波长已经离开源10，它就准备好传输下一个脉冲的最长波长成分。因此，根据本发明的原理，提供了一种波长扫描光源，其可以利用与原始种子脉冲的重复率基本上相同(但不超过)的扫描率。

图3是由光电检测器测量的并且通过dft技术与特定波长值相关的示例性波长扫描光谱的功率谱密度图。与常规的图示一致，光谱从“短”到“长”波长值绘制，显示了作为波长(以nm测量)的函数的功率谱密度(psd)。在图的顶部示出了时间刻度，其中各个波长成分的“到达时间”从右到左读取(即，较高波长成分在较短波长成分之前到达)。这里，在约130nm的光谱带宽△ν上，在psd中保持小于10db的变化，这对于在基本相同的功率水平下提供大量的单独的波长成分是绰绰有余的。检测器18处理该带宽所经过的时间显示为约100ns。

图4稍微更详细地示出了示例性波长扫描光源10a，其基于以上结合图1-图3讨论的原理并限定了可被配置为获得给定应用所需的限定光谱宽度和扫描速率的波长扫描输出的多个参数。特别地，所有三个部件(即，脉冲源12、掺杂光纤放大器14和色散光元件16)都有可以根据需要特别地选择、设计或调整以满足不同应用的要求的参数。

关于脉冲源12的具体属性，该实施例中所示的配置包括基于光纤的激光器，其能够生成具有300μw量级的平均功率、大约250fs的脉冲持续时间和4.7mhz的重复率(其转换为200ns量级的循环时间)的相干超快种子脉冲。诸如在美国专利申请16/200,810号中描述的并且转让给本申请的受让人的锁模“8字形”激光器被认为是适合于该目的的低噪声相干激光源的示例。

在图4所示的特定实施例中，掺杂光纤放大器14被示为包括一段掺铒增益光纤40和泵浦源42，以提供放大波长约980nm的光。波分复用器(wdm)44被包括并且被用于将来自脉冲激光源12的种子脉冲和来自泵浦源42的泵浦光引导到掺铒增益光纤40中。

根据本发明的原理，掺杂光纤放大器14被配置成提供种子脉冲的光谱展宽，同时在所创建的光谱带宽△ν上提供基本上均匀的增益分布。在这个实施例中，通过控制泵浦源42的输出功率，结合增益光纤40的泵浦功率吸收参数，可以实现这些特性。特别地，已知在某些情况下，光谱展宽可能与泵浦功率水平有关，其中随着泵浦功率增加，沿着增益光纤的增加的光学相互作用趋向于增加输出的波长范围(即，“光谱展宽”)。虽然较宽的光谱范围意味着较大数量的单独波长成分可以被识别和用在来自源10a的波长扫描输出中，但是实现这一点所必需的泵浦功率的增加也可以导致放大包含在传播波内的或在放大过程本身中产生的不想要的噪声成分。

因此，本发明的一个重要方面涉及确定对给定应用有用的、特定光谱带宽△ν上的可接受量的增益，而不放大该范围之外的噪声成分。实际上，应当由掺杂光纤放大器14提供的增益量存在上限，其中已经发现过多的增益会引起有害的非线性效应，例如自相位调制(spm)、交叉相位调制(xpm)、拉曼散射等(通常称为“噪声”)。因此，“可接受量”的增益与确保掺杂光纤放大器14在“低噪声”状态下操作相关联。下面结合图5的实施例讨论可接受值的具体范围。

继续描述如图4所示的光源10a，由放大器元件14产生的经放大、经光谱展宽的脉冲随后被耦合到色散光学元件16中，在这种情况下，该色散光学元件包括示出为具有限定长度ldf的一段色散光纤160，。如上所述，通过色散光纤160的每个脉冲在时间上被“拉伸”，使得脉冲内的不同波长成分在可测量地不同的时间点到达光源10a的输出。

在本发明的一些实施例中，由于上面结合图2讨论的原因，色散光纤160的长度ldf可以被优化以提供接近一的占空比。实际上，已经发现接近一的占空比为给定的探测带宽(该带宽通常定义为光电探测器响应时间和数字化器带宽的组合)提供改进的光谱分辨率。色散光纤160的经优化的长度的近似值(ldf,opt)可以从以下公式获得：

其中davg是色散光纤160在所讨论的带宽上的平均色散值，并且关系中的其它项如上所定义。

图5示出了本发明的另一个实施例，称为波长扫描光源10b。在该特定实施例中，一段附加的光纤被包括在波长扫描光源内。特别地，这一段光纤50被示出为设置在放大器14的输出和色散光纤16的输入之间。光纤50有时也被称为“传输”光纤，可以被包括在掺杂光纤放大器14不能相对紧邻色散元件16定位的应用中，或者被包括在如果在将脉冲引入色散介质之前需要附加的光谱展宽的应用中。此外，可以设想，在增益光纤40和色散光纤160之间包括一段附加的标准单模光纤，这允许使用一对熔接连接(如图5中的x所示)，以便在掺铒增益光纤40和色散光纤160的纤芯区域之间保持功率损失小的有效耦合。在示例性实施例中，光纤50可以包括一段单模光纤，其熔合到掺铒增益光纤40和色散光纤160两者的末端。

对于图5所示的特定实施例，激光脉冲源12被具体示为8字形的基于光纤的激光器(例如在以上引用的美国专利申请16/200,810中公开的)，其包括单向光纤环60和双向环形“镜”62，其中光耦合器64在两个环之间提供信号耦合。输出耦合器66用于引导一部分信号沿输出路径围绕单向光纤环60循环(包括锁模光脉冲)，并进入掺杂光纤放大器元件14。

这里，掺杂光纤放大器元件14被示为使用一段er掺杂光纤40，其具有约27db/m量级的(传播泵浦波的)标称吸收。泵浦源42被示出为提供波长为976nm的泵浦光束，并且被设置为在这种情况下以250mw的泵浦功率工作。对于放大器参数的这种特定组合，当考虑使用具有约60pj(即，在4.7mhz重复率下300μw的功率)的输入脉冲能量的种子脉冲时，已经发现使用长度ler为约2.5m量级的掺铒增益光纤40在所关注的频谱带上提供了相对均匀的功率谱密度(psd)。特别地，对于这组参数，已经发现来自掺杂光纤放大器14的输出脉冲呈现出约2-4nj的脉冲能量(对应于在4.7mhz重复率下约10-20mw范围内的输出功率)，在大于130nm的频谱范围内psd小于10db。

应当理解，上述对于脉冲源12和掺杂光纤放大器14的设计描述的具体值仅仅是示例性的值，这些值以在结合色散光纤160的示例性配置产生波长扫描输出中有用的方式协调，如现在将继续参考图5讨论的。

如上所述，一段(单模)传输光纤50被包括在如图5所示的基于光纤的波长扫描光源10b中，其中来自掺杂光纤放大器14的这些高功率输出脉冲被耦合到传输光纤50中，以便穿过并随后被耦合到色散光纤160中。在图5所示的特定实施例中，色散光纤160被形成为具有约-75ps/nm/km量级的平均色散值(davg)。利用这种特性，已发现长度ldf为7km的色散光纤提供了图3所示形式的波长扫描输出，其具有大约130nm的光谱带宽△ν和在该带宽上小于10db的psd变化。如上所述，配置色散光纤16的一个重要因素是跨整个光谱带宽提供受控量的色散。一种被称为“高品质因数”光纤的适用于这一目的示例性色散光纤呈现出相对线性的色散特性。转让给本申请的受让人的题为“opticalfiberwithspecializedfigure-of-meritandapplicationstherefore”的美国专利申请15/970,990包括对特定类型的色散光纤的描述，这种类型的色散光纤可以被接受用在根据本发明的原理形成的基于光纤的波长扫描光源中。

因此，可以通过将脉冲激光源与用于时间拉伸的适当的色散量组合来构造波长扫描光源。色散优选地与输入光源的带宽和重复率良好匹配，使得被经拉伸的脉冲的波长成分不与后续脉冲重叠。通常希望具有尽可能多的输出功率和尽可能宽的波长范围，同时在可用的光谱范围上保持功率的平滑分布以及从一个脉冲到下一个脉冲的低水平的功率波动。

本发明的上述描述是为了说明和描述的目的而提出的，并且不是旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。实施例被选择和描述以最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的技术人员能够在各种实施例中最好地使用本发明，并且具有适合于所考虑的特定用途的各种修改。