一种窄线宽高速扫频激光光源

1.本发明涉及光学相干层析成像技术领域，具体地说，是一种窄线宽高速扫频激光光源。


背景技术：

2.光纤相干层析成像(oct)是20世纪90年代初所研发的一种新型医学成像技术。利用近红外弱光相干光照射待测组织，依据光的相干性产生干涉，用于组织表层成像，具有无辐射、非侵入、高分辨率等特点。oct可分为时域和频域两大类，而其中频域oct分为光谱域光学相干层析成像(sd-oct)与扫频源光学相干层析成像(ss-oct)。ss-oct对干涉信号的功率谱密度进行逆傅里叶变换处理，避免了深度扫描过程，极大地提高了成像速度与灵敏度，成为目前主要研究和应用的oct技术。
3.大多数口腔、眼科以及皮肤科的研究都涉及到1300nm区域附近的宽带光源，1300nm窗口具有很高的生物组织穿透特性，特别适合于这些解剖区域的成像。可靠的扫频光源是ss-oct发展的关键部分，扫频光源的输出线宽决定了ss-oct的轴向分辨率以及成像深度，扫频光源的扫频速度决定了ss-oct的成像速度。而目前大多数1310nm波段的扫频光源扫描速度不够快、调谐范围不够宽、输出线宽不够窄，因此如何获得宽波长、窄线宽的线性扫频激光输出的问题亟待解决。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明披露了一种窄线宽高速扫频激光光源，该扫频光源可有效稳定地获得窄线宽的激光，并且可实现波长连续的可调谐激光输出，具体技术方案如下：
5.一种窄线宽高速扫频激光光源，包括恒流驱动器、第1半导体光放大器、第1光隔离器、光纤f-p滤波器、波形发生器、光纤耦合器、第2半导体光放大器、环形器、保偏光纤、光纤反射镜、第2光隔离器。恒流驱动器连接第1半导体光放大器，产生电流信号对第1半导体光放大器进行驱动。第1半导体光放大器一端以单模光纤连接第1光隔离器另一端以单模光纤连接第2光隔离器，自发辐射产生激光，同时为腔内激光提供增益，第1光隔离器另一端以单模光纤连接光纤f-p滤波器，保证激光沿同一方向传输。光纤f-p滤波器由波形发生器进行驱动，对腔内激光进行选频输出。波形发生器以导线连接光纤f-p滤波器，产生正弦波信号对光纤f-p滤波器进行驱动。光纤f-p滤波器另一端以单模光纤连接光纤耦合器。光纤耦合器另一端有两个输出端：一个输出端连接第2半导体光放大器，用于对扫频激光的功率放大，实现高功率扫频激光输出，另一个输出端以单模光纤连接环形器。环形器有两个输出端：一端连接保偏光纤，另一端连接第2光隔离器。保偏光纤另一端连接光纤反射镜，对扫频激光的线宽进行压缩。光纤反射镜连接保偏光纤，起震荡激光的作用。第2光隔离器一端连接环形器，另一端连接第1半导体光放大器，保证激光沿同一方向传输。第1半导体光放大器、第1光隔离器、光纤f-p滤波器、光纤耦合器、环形器、第2光隔离器构成短环形腔。
6.本发明的进一步改进，恒流驱动器是能够保证第1半导体光放大器的ase背景可以在恒温下连续、稳定地保持激光输出。因此所述的恒流驱动器伴随有温控电路，能够输出电流0-600ma，并且平均温度漂移范围在
±
0.03℃内。
7.本发明的进一步改进，第1半导体光放大器中心波长为1310nm，其增益范围为1205-1415nm，饱和输出功率大于25dbm，噪声系数为5db，工作电流为0-500ma。
8.本发明的进一步改进，第1光隔离器与第2光隔离器的光隔离度大于45db，插入损耗小于0.3db。
9.本发明的进一步改进，光纤f-p滤波器是基于多数光干涉的原理，在滤波器内使用一对有高反射率的光纤端面形成的插芯，构成一个f-p腔。这对插芯连接着压电陶瓷，基于压电陶瓷的逆压电效应，在其一定方向上施加电场，就能引起压电陶瓷产生形变，最终导致f-p腔的腔长改变，从而使滤波器输出一定波长的激光。
10.光在f-p腔内多次反射和透射相干叠加，最终使透射光谱结构明显区别于入射光谱，将入射光的连续宽光谱改变为透射光的准分立谱，通过多光束干涉来选择所输出的波长。f-p腔发生谐振的条件为：
11.2nl cosθ＝mλ m＝1,2,3
……
12.式中n为介质的折射率，l为腔长，θ为人射角，λ为中心波长，m为干涉级数。当两个介质镜面的反射率都为r时，通过调整两镜面间距l，只有满足谐振条件的某一波长的光能通过，其他波长成分被阻隔，其传输特性可表示为：
[0013][0014]
显然，传输特性t
fp
是与r密切相关的一个周期函数，该周期称为自由光谱区fsr，在频域和波长域分别表示为：
[0015][0016][0017]
将自由谱区fsrv与f-p腔共振谱线的半幅全宽fwhm之比定义为精细度f，它是度量光纤f-p滤波器性能的重要指标，即：
[0018][0019]
可见，光纤f-p滤波器透射谱线的精细度f与镜面的反射率有关，在f-p腔内使用高反射率镜面时，就可获得窄线宽的激光输出。所述的光纤f-p滤波器的中心波长为1310nm，其自由谱区为200nm，精细度为5000，承受的功率为50mw，最高峰值插入损耗为1db，在1310nm处透射峰3db带宽为0.04nm。
[0020]
本发明的进一步改进，波形发生器能够稳定地输出0-80v驱动光纤f-p滤波器的正弦波信号，其静态输出纹波小于100mv。
[0021]
本发明的进一步改进，光纤耦合器的分光比为10：90，10％的一端接入第2半导体光放大器的输入端，90％的一端接入环形器的输入端，插入损耗为0.5db：7.27db。
[0022]
本发明的进一步改进，第2半导体光放大器能够将腔内输出的激光功率再次放大，提高扫频激光的平均输出功率，并且还能有效地对扫频范围进行展宽。第2半导体光放大器中心波长为1310nm，增益范围在1205-1415nm，饱和输出功率大于25dbm，噪声系数小于8db，工作电流范围在0-300ma。
[0023]
本发明的进一步改进，保偏光纤偏振类型为熊猫型，掺杂稀土元素镨离子，掺杂浓度为5
×
10
25
m3，光纤长度范围为0.5m，在1310nm的吸收率为10db/m，模场直径为4.5μm，截止波长小于950nm，包层直径为124.5μm，保护层直径为243μm，数值孔径为0.25。
[0024]
当腔内的激光经环形器(8)输入保偏掺镨光纤时，会被末端的光纤反射镜反射，保偏掺镨光纤中的入射光与反射光相向传输形成驻波，此时这段光纤的光强和折射率会发生周期性的变化，形成动态自追踪窄带光栅，最终可以获得稳定的单纵模激光输出。保偏光纤能够保持线偏振光的偏振方向不变，提高相干信噪比，可以有效消除由偏振态随机变化引起的动态自追踪窄带光栅不稳定的问题，从而有效提高扫频光源运行的稳定性。
[0025]
由于保偏光纤的非线性效应，对光强较强的光信号吸收率低，对光强较弱的光信号吸收率高。具有一定线宽的激光通过保偏掺镨光纤后，偏离中心频率处的光信号将被更多的吸收，对线宽进行压缩，保偏掺镨光纤的吸收系数可以表示为：
[0026][0027]
式中，hv为一个光子能量；τ为时间；为基态吸收截面；n0为掺镨光纤总的离子浓度；和为辐射跃迁速率；i(z)为沿掺镨光纤长度的信号光的光强。由该式可知，掺杂离子浓度越大，吸收系数越大，输出激光线宽越窄。
[0028]
本发明的进一步改进，光纤反射镜的反射率大于99％，工作波长为1310nm，带宽为200nm。
[0029]
本发明的进一步改进，短环形腔由第1半导体光放大器、第1光隔离器、光纤f-p滤波器、光纤耦合器、环形器、保偏光纤、光纤反射镜和第2光隔离器组成，其长度为50cm。
[0030]
短环形腔中能产生激光的重要前提是激光能够多次经过滤波器和半导体光放大器，从而获得足够的增益输出。以滤波器透射谱移动一个带宽为参考，对腔长进行估算。首先，光在环形腔中走一圈的时间约为：
[0031][0032]
n为折射率，l为环形腔的长度，c为光速。滤波器在瞬时最快扫描速度下,透射谱扫过一个光谱带宽,则光子在环形腔内走过的圈数为：
[0033][0034]
b为透射谱扫过一个光谱带宽，v
max
为滤波器瞬时最快扫描速度。当n》1时，激光经过放大后可以再次通过滤波器，这是短环形腔产生激光的前提。可以把最高扫描速率f
max
表示为：
[0035][0036][0037]rs
为滤波器的扫描范围，由公式可以得到，环形腔的腔长越短，扫频激光光源的扫描速率越大。
[0038]
本发明的进一步改进，扫频光源的扫频速度为500khz，扫频范围为200nm，扫频激光的平均输出功率为20mw，扫频光源的线宽为30mhz。
[0039]
本发明的有益效果：本发明提供了一种窄线宽高速扫频激光光源，该扫频光源由恒流驱动器控制半导体光放大器受激辐射产生激光，激光在谐振腔内经过增益介质不断产生振荡，当激光辐射提供的增益超过损耗时，达到阈值状态并稳定振荡。随后波形发生器产生正弦波信号，对光纤f-p滤波器进行驱动，以达到选频目的。当激光由环形器经可饱和吸收体与光纤反射镜后，扫频激光的线宽得到进一步压缩，最终由光纤耦合器的一端连接二级半导体光放大器，进行功率提升与调谐范围展宽后输出。与现有技术相比，该扫频光源能够通过调节波形发生器产生的正弦波信号，从而实现有效稳定地宽波长、窄线宽，并且可连续调谐的激光输出。
附图说明
[0040]
图1为本发明的结构示意图。
[0041]
图中：1-恒流驱动器，2-第1半导体光放大器，3-光隔离器，4-光纤f-p滤波器，5-波形发生器，6-光纤耦合器，7-第2半导体光放大器，8-环形器，9-保偏光纤，10-光纤反射镜，11-光纤耦合器。
具体实施方式
[0042]
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
[0043]
实施例：如图1所示，一种窄线宽高速扫频激光光源，包括恒流驱动器(1)、第1半导体光放大器(2)、第1光隔离器(3)、光纤f-p滤波器(4)、波形发生器(5)、光纤耦合器(6)、第2半导体光放大器(7)、环形器(8)、保偏光纤(9)、光纤反射镜(10)、第2光隔离器(11)；所述恒流驱动器(1)连接第1半导体光放大器(2)，产生电流信号对第1半导体光放大器(2)进行驱动。所述第1半导体光放大器(2)一端以单模光纤连接第1光隔离器(3)，另一端以单模光纤连接第2光隔离器(11)，自发辐射产生激光，同时为腔内激光提供增益。所述第1光隔离器(3)另一端以单模光纤连接光纤f-p滤波器(4)，保证激光沿同一方向传输。所述光纤f-p滤波器(4)由波形发生器(5)进行驱动，对腔内激光进行选频输出。所述波形发生器(5)以导线连接光纤f-p滤波器(4)，产生正弦波信号对光纤f-p滤波器(4)进行驱动。所述光纤f-p滤波器(4)另一端以单模光纤连接光纤耦合器(6)。所述光纤耦合器(6)另一端有两个输出端，一个输出端连接第2半导体光放大器(7)，用于对扫频激光的功率放大，实现高功率扫频激光输出；另一个输出端以单模光纤连接环形器(8)。所述环形器(8)有两个输出端，一端连接保
偏光纤(9)，另一端连接第2光隔离器(11)。所述保偏光纤(9)另一端连接光纤反射镜(10)，对扫频激光的线宽进行压缩。所述光纤反射镜(10)连接保偏光纤(9)，起震荡激光的作用。所述第2光隔离器(11)一端连接环形器(8)，另一端连接第1半导体光放大器(2)，保证激光沿同一方向传输。所述第1半导体光放大器(2)、第1光隔离器(3)、光纤f-p滤波器(4)、光纤耦合器(6)、环形器(8)、第2光隔离器(11)构成短环形腔。
[0044]
在本实施例的一种具体实施方式中，恒流驱动器(1)是能够保证第1半导体光放大器(2)的ase背景可以在恒温下连续、稳定地保持激光输出。所述的恒流驱动器(1)输出电流为300ma，平均温度漂移范围在
±
0.02℃内，使第1半导体光放大器(2)保持最大的光功率输出。
[0045]
在本实施例的一种具体实施方式中，第1半导体光放大器(2)作为环腔中的增益介质，通过恒流驱动器，使soa能够连续稳定的通过受激辐射产生ase背景，激光在谐振腔内经过增益介质不断产生振荡。当激光辐射提供的增益超过损耗时，达到阈值状态并稳定振荡。第1半导体光放大器(2)的中心波长为1310nm，其增益范围为1205-1415nm，饱和输出功率(1310nm@-3db)为25dbm，噪声系数为5db，工作电流为300ma。
[0046]
在本实施例的一种具体实施方式中，第1光隔离器(3)与第2光隔离器(11)的光隔离度为65db，插入损耗为0.2db，环腔内配置的光隔离器用于阻挡腔内剩余的反射光，使腔内的光能够沿着一个方向进行传输，减少腔内竞争。
[0047]
在本实施例的一种具体实施方式中，光纤f-p滤波器(4)是基于多数光干涉的原理，在滤波器内使用一对有高反射率的光纤端面形成的插芯，构成一个f-p腔。这对插芯连接着压电陶瓷，基于压电陶瓷的逆压电效应，在其一定方向上施加电场，就能引起压电陶瓷产生形变，最终导致f-p腔的腔长改变，从而使滤波器输出一定波长的激光。这种可以选频的滤波器常被称为可调谐滤波器，能够直接接入光纤系统而不招致高的耦合损耗，而且能根据驱动的连续调节可以达到频率扫描的目的。
[0048]
光在f-p腔内多次反射和透射相干叠加，最终使透射光谱结构明显区别于入射光谱，将入射光的连续宽光谱改变为透射光的准分立谱，通过多光束干涉来选择所输出的波长。f-p腔发生谐振的条件为：
[0049]
2nl cosθ＝mλ m＝1,2,3
……
[0050]
式中n为介质的折射率，l为腔长，θ为人射角,λ为中心波长,m为干涉级数。当两个介质镜面的反射率都为r时，通过调整两镜面间距l，只有满足谐振条件的某一波长的光能通过，其他波长成分被阻隔，其传输特性可表示为：
[0051][0052]
显然，传输特性t
fp
是与r密切相关的一个周期函数，该周期称为自由光谱区fsr，在频域和波长域分别表示为：
[0053][0054]
[0055]
将自由谱区fsrv与f-p腔共振谱线的半幅全宽fwhm之比定义为精细度f，它是度量光纤f-p滤波器性能的重要指标，即：
[0056][0057]
可见，光纤f-p滤波器透射谱线的精细度f与镜面的反射率有关，在f-p腔内使用高反射率镜面时，就可获得窄线宽的激光输出。所述的光纤f-p滤波器的中心波长为1310nm，其自由谱区为200nm，精细度为5000，承受的功率为50mw，最高峰值插入损耗为1db，在1310nm处透射峰3db带宽为0.03nm。
[0058]
在本实施例的一种具体实施方式中，波形发生器(5)产生0-80v驱动光纤f-p滤波器(4)的正弦波信号。通过调节正弦波的频率、峰值电压以及偏置电压，以调制扫频光源的扫频速度、扫频范围和中心波长。
[0059]
在本实施例的一种具体实施方式中，使用分光比为10:90的光纤耦合器(6)，插入损耗为0.5db:7.27db。10％的一端接入第2半导体光放大器(7)进行放大输出，90％的一端接入环形器(8)，使扫频激光继续在谐振腔内稳定振荡。
[0060]
在本实施例的一种具体实施方式中，第2半导体光放大器(7)将腔内输出的激光功率再次放大，提高扫频激光的平均输出功率，并且还能有效地对扫频范围进行展宽。所述的第2半导体光放大器的中心波长为1310nm，增益范围在1205-1415nm，饱和输出功率(1310nm@-3db)为35dbm，噪声系数为7db,工作电流为270ma。
[0061]
在本实施例的一种具体实施方式中，当腔内的激光经环形器(8)输入保偏掺镨光纤时，会被末端的光纤反射镜(10)反射，保偏掺镨光纤中的入射光与反射光相向传输形成驻波，此时这段光纤的光强和折射率会发生周期性的变化，形成动态自追踪窄带光栅，最终可以获得稳定的单纵模激光输出。保偏光纤能够保持线偏振光的偏振方向不变，提高相干信噪比，可以有效消除由偏振态随机变化引起的动态自追踪窄带光栅不稳定的问题，从而有效提高扫频光源运行的稳定性。
[0062]
由于保偏光纤的非线性效应，对光强较强的光信号吸收率低，对光强较弱的光信号吸收率高。具有一定线宽的激光通过保偏掺镨光纤后，偏离中心频率处的光信号将被更多的吸收，对线宽进行压缩，保偏掺镨光纤的吸收系数可以表示为：
[0063][0064]
式中，hv为一个光子能量；τ为时间；为基态吸收截面；n0为掺镨光纤总的离子浓度；和为辐射跃迁速率；i(z)为沿掺镨光纤长度的信号光的光强。由该式可知，掺杂离子浓度越大，吸收系数越大，输出激光线宽越窄。保偏光纤(9)为芯包层结构石英光纤，模场直径为4.5μm，截止波长为950nm，包层直径为124.5μm,保护层直径为243μm,数值孔径为0.25，偏振类型为熊猫型，纤芯掺杂稀土元素镨，掺杂浓度为5
×
10
25
m3，光纤长度为20cm，在1310nm的吸收率为10db/m。
[0065]
在本实施例的一种具体实施方式中，光纤反射镜(10)的反射率大于99％，工作波长为1310nm，带宽为200nm。在光纤激光器环路中加入一段未泵浦的保偏掺镨光纤作为饱和
吸收体，在其末端连接一个高反射率的反射镜可形成饱和吸收模块。
[0066]
在本实施例的一种具体实施方式中，所述的短环形腔由第1半导体光放大器(2)、第1光隔离器(3)、光纤f-p滤波器(4)、光纤耦合器(6)、环形器(8)、保偏光纤(9)、光纤反射镜(10)、和第2光隔离器(11)组成，其长度为50cm。
[0067]
短环形腔中能产生激光的重要前提是激光能够多次经过滤波器和半导体光放大器,从而获得足够的增益输出。以滤波器透射谱移动一个带宽为参考,对搭建的短环形腔进行估算。首先,光在环形腔中走一圈的时间约为：
[0068][0069]
n为折射率，l为环形腔的长度，c为光速。滤波器在瞬时最快扫描速度下,透射谱扫过一个光谱带宽,则光子在环形腔内走过的圈数为：
[0070][0071]
b为透射谱扫过一个光谱带宽，v
max
为滤波器瞬时最快扫描速度。当n》1时，激光经过放大后可以再次通过滤波器，这是短环形腔产生激光的前提。可以把最高扫描速率f
max
表示为：
[0072][0073][0074]rs
为滤波器的扫描范围，由公式可以得到，环形腔的腔长越短，扫频激光光源的扫描速率越大。
[0075]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。