扫频激光器和光学相干层析成像系统

技术领域

本申请属于激光技术领域，尤其涉及一种扫频激光器和光学相干层析成像系统。

背景技术

光相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种新型的无损光学成像技术。它利用弱相干光干涉仪的基本原理，例如可以检测待测样品不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或散射信号，通过对干涉信号的分析，提取待测样品的深度信息，给出待测样品的二维断层图像或三维图像信息。OCT优点主要包括分辨率高、高速、高灵敏度、活体、非侵入、横向分辨率与纵向分辨率相互独立等。因为OCT的轴向分辨率可达到微米级，易于小型化，所以其在皮肤、心血管疾病、胃肠道疾病、癌症早期诊断等方面的应用研究也日趋广泛。

通常而言，OCT的过程如下：首先通过扫频激光器的快速波长扫描，然后配合点探测器对波长的干涉信号进行强度探测，得到干涉光谱；最后通过对干涉光谱进行傅里叶变换得到物体的微观结构信息，即得到待测样品的层析图像。

然而，经本申请的发明人发现，目前扫频激光器输出的激光的扫描范围或者说扫描深度较小，进而致使所获取的待测样品的层析图像仅包含较少的信息，不利于对待测样品的研究和观测。

发明内容

本申请实施例提供了一种扫频激光器和光学相干层析成像系统，能够增加扫频激光器输出的激光的扫描范围，使得获取的待测样品的层析图像能够包含更多信息。

第一方面，本申请实施例提供了一种扫频激光器，扫频激光器包括：光束产生组件，用于出射第一光束；声光偏转器，位于第一光束的传播路径上，声光偏转器包括相对设置的第一表面和第二表面，第一表面接收以第一入射方向入射的第一光束，第一光束在声光偏转器中发生衍射得到第一光束的第一衍射光，第一衍射光从第二表面以第一出射方向出射；第一反射组件，位于第一衍射光的传播路径上，第一反射组件包括对称设置的第一反射面和第二反射面，第一反射面接收第一衍射光并将第一衍射光反射至第二反射面，第二反射面将第一衍射光反射回第二表面；第二表面接收以第二入射方向入射的第一衍射光，第二入射方向与第一入射方向的方向相反，第一衍射光在声光偏转器中发生衍射得到第一衍射光的第二衍射光，第二衍射光从第一表面以第二出射方向出射，第二出射方向与第一出射方向的方向相反；波长选择性反射元件，位于第二衍射光的传播路径上，用于接收第二衍射光，并将第二衍射光反射回第一表面，第二衍射光再依次经过声光偏转器、第二反射面、第一反射面和声光偏转器返回光束产生组件之中。

第二方面，本申请实施例提供了一种光学相干层析成像系统，光学相干层析成像系统包括如第一方面提供的扫频激光器。

经本申请的发明人发现，光束经过声光偏转器时会发生多普勒频移，而多普勒频移的叠加会导致扫频激光器输出的激光的扫描范围变小。有鉴于此，本申请实施例提供了一种扫频激光器和光学相干层析成像系统，通过设置对称的第一反射面和第二反射面，第一光束经过声光偏转器发生衍射得到的第一衍射光之后，通过第一反射面和第二反射面将第一衍射光反射回声光偏转器，并且第一衍射光进入声光偏转器的方向与第一光束进入声光偏转器的方向相反。如此以来，第一衍射光进入声光偏转器时发生的多普勒频移与第一光束进入声光偏转器时发生的多普勒频移的频移方向相反，两者产生的多普勒频移可以抵消，从而减弱甚至消除第一光束在声光偏转器中的多普勒频移，进而增加扫频激光器输出的激光的扫描范围，使得获取的待测样品的层析图像能够包含更多信息。

此外，由于光线从入射声光偏转器至光线入射波长选择性反射元件共两次进入声光偏转器，即发生两次衍射偏转，所以光线的偏转角实际由θ变为2θ。这样，光线能够入射至波长选择性反射元件的角度范围提高至原有两倍，故通过波长选择性反射元件返回的预设波长的衍射光的波长范围可以变得更宽，从而进一步增加扫频激光器输出的激光的扫描范围。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为多普勒频移产生示意图；

图2为本申请实施例提供的扫频激光器的一种结构示意图；

图3为本申请实施例提供的扫频激光器的一种局部结构示意图；

图4为本申请实施例提供的扫频激光器中的角反射镜的一种结构示意图；

图5为0级光的传播路径示意图；

图6为本申请实施例提供的扫频激光器的另一种结构示意图；

图7为本申请实施例提供的扫频激光器的又一种结构示意图；

图8为本申请实施例提供的扫频激光器的又一种结构示意图；

图9为本申请实施例提供的扫频激光器的又一种结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在阐述本申请实施例所提供的技术方案之前，为了便于对本申请实施例理解，本申请首先对现有技术中存在的问题进行具体说明：

如前所述，OCT的过程如下：首先通过扫频激光器的快速波长扫描，然后配合点探测器对波长的干涉信号进行强度探测，得到干涉光谱；最后通过对干涉光谱进行傅里叶变换得到物体的微观结构信息，即得到待测样品的层析图像。

然而，经本申请的发明人发现，目前扫频激光器输出的激光的扫描范围或者说扫描深度较小，进而致使所获取的待测样品的层析图像仅包含较少的深度层面的信息，不利于对待测样品的研究和观测。以待测样品为眼睛为例，假设眼睛中的晶状体与视神经乳头之间的距离为10毫米，而目前扫频激光器输出的激光的扫描深度仅有4毫米，那么所获取的层析图像上只能呈现晶状体和视神经乳头中的一者，无法在一个层析图像上同时呈现晶状体和视神经乳头，不利于从整体上对眼睛进行研究和观测。

为了解决扫频激光器输出的激光的扫描范围较小的技术问题，本申请的发明人首先对于导致上述技术问题的根因进行了研究和分析，具体的研究和分析过程如下：

经本申请的发明人发现，如图1所示，入射光束101每经过一次声光偏转器102就会发生一次多普勒频移。所谓的多普勒频移可以理解为声光偏转器102中传输的超声波信号103的频率叠加到入射光束101的频率上，使得入射光束101的频率发生变化(增大或减小)。当入射光束101的传播方向(如图1中的Y1’方向)与超声波信号的传播方向(如图1中的Y方向)为“同向”时，入射光束101的频率增加；当入射光束101的传播方向(如图1中的Y2’方向)与超声波信号的传播方向为“反向”时，入射光束101的频率减小。由于多普勒频移的存在，导致扫频激光器输出的激光的线宽变宽，激光的相干长度变短，进而导致扫频激光器输出的激光的扫描范围变小。

鉴于发明人的上述研究发现，本申请实施例提供了一种扫频激光器和光学相干层析成像系统，能够解决相关技术中存在的扫频激光器输出的激光的扫描范围较小的技术问题。

本申请实施例的技术构思在于：在扫频激光器中设置对称的第一反射面和第二反射面，第一光束经过声光偏转器发生衍射得到的第一衍射光之后，通过第一反射面和第二反射面将第一衍射光重新反射回声光偏转器，并且第一衍射光进入声光偏转器的方向与第一光束进入声光偏转器的方向相反。如此以来，第一衍射光进入声光偏转器时发生的多普勒频移与第一光束进入声光偏转器时发生的多普勒频移的频移方向相反，两者产生的多普勒频移可以抵消，从而减弱甚至消除第一光束在声光偏转器中的多普勒频移，进而增加扫频激光器输出的激光的扫描范围，使得获取的待测样品的层析图像能够包含更多信息。

下面首先对本申请实施例所提供的扫频激光器进行介绍。

如图2所示，本申请实施例提供的扫频激光器20包括光束产生组件201、声光偏转器202、第一反射组件203和波长选择性反射元件204。示例性地，光束产生组件201可以是包括激光增益介质和泵浦源的组件，例如光束产生组件201可以包括激光增益芯片，本申请实施例对此不作限定。光束产生组件201用于出射光束，为了便于区分和表述，这里将光束产生组件201出射的光束称作第一光束s。

声光偏转器202位于第一光束s的传播路径L1上。声光偏转器202包括相对设置的第一表面202a和第二表面202b。第一表面202a接收以第一入射方向(如图2中的Y1方向)入射的第一光束s，第一光束s在声光偏转器202中发生衍射得到第一光束s的第一衍射光s1，第一衍射光s1从第二表面202b以第一出射方向(如图2中的Y2方向)出射。

第一反射组件203位于第一衍射光s1的传播路径L2上。第一反射组件203包括对称设置的第一反射面203a和第二反射面203b，第一反射面203a接收第一衍射光s1并将第一衍射光s1反射至第二反射面203b，第二反射面203b将第一衍射光s1反射回声光偏转器202的第二表面202b。

声光偏转器202的第二表面202b接收以第二入射方向(如图2中的Y3方向)入射的第一衍射光s1，值得注意的是，第二入射方向与第一入射方向的方向相反。第一衍射光s1在声光偏转器202中发生衍射得到第一衍射光s1的第二衍射光s2，第二衍射光s2从声光偏转器202的第一表面202a以第二出射方向(如图2中的Y4方向)出射，值得注意的是，第二出射方向与第一出射方向的方向相反。

波长选择性反射元件204位于第二衍射光s2的传播路径L3上。用于接收第二衍射光s2，并将第二衍射光s2反射回声光偏转器202的第一表面202a，第二衍射光s2再依次经过声光偏转器202、第二反射面203b、第一反射面203a和声光偏转器202返回光束产生组件201之中。

具体地，波长选择性反射元件204的延伸方向(如图2所示的Y5方向)与第一方向(如图2所示的Y方向)之间的角度大于0度，这样一来，由于波长选择性反射元件204是倾斜的，即与第一方向存在一定角度，所以第二衍射光s2将会被波长选择性反射元件204以利特罗(littrow)模式反射回光束产生组件201之中。即，波长选择性反射元件204可以接收第二衍射光s2并将第二衍射光s2沿第二衍射光s2入射波长选择性反射元件204时的传播路径L3反射回声光偏转器202的第一表面202a，随后第二衍射光s2依次经过声光偏转器202、第二反射面203b、第一反射面203a和声光偏转器202返回光束产生组件201之中，以从第一光束s中选定出预设波长的第二衍射光s2。

示例性地，波长选择性反射元件204可以是反射面上设置有阶梯状结构或斜面结构的反射镜，阶梯状结构或斜面结构可以用于反射第二衍射光s2。在一些具体的示例中，波长选择性反射元件204可以包括光栅。

本申请实施例在扫频激光器20中设置对称的第一反射面203a和第二反射面203b，第一光束s经过声光偏转器202发生衍射得到的第一衍射光s1之后，通过第一反射面203a和第二反射面203b将第一衍射光s1重新反射回声光偏转器202，并且第一衍射光s1进入声光偏转器202的方向与第一光束s进入声光偏转器202的方向相反。如此以来，第一衍射光s1进入声光偏转器202时发生的多普勒频移与第一光束s进入声光偏转器202时发生的多普勒频移的频移方向相反，两者产生的多普勒频移可以抵消，从而减弱甚至消除第一光束s在声光偏转器202中的多普勒频移，进而增加扫频激光器输出的激光的扫描范围，使得获取的待测样品的层析图像能够包含更多信息。

此外，由于光线从入射声光偏转器202至光线入射波长选择性反射元件204共两次进入声光偏转器202，即发生两次衍射偏转，所以光线的偏转角实际由θ变为2θ。这样，光线能够入射至波长选择性反射元件204的角度范围提高至原有两倍，故通过波长选择性反射元件204返回的预设波长的衍射光的波长范围可以变得更宽，从而进一步增加扫频激光器输出的激光的扫描范围。

为了便于理解，下面结合一些具体示例对于抵消多普勒频移的实现原理进行详细说明。

如图3所示，根据本申请的一些实施例，可选地，声光偏转器202可以包括超声波产生元件2021和晶体2022，超声波产生元件2021和晶体2022沿第一方向(如图3中的Y方向)依次设置，超声波产生元件2021用于产生并向晶体2022传输超声波信号B，超声波信号B的传播方向可以与第一方向平行。在超声波信号的驱动下，晶体中的介质发生声光效应形成光栅G，光栅G沿第二方向(如图3中的X方向)延伸，光栅G可以用于对经过光栅G的光束衍射，如可以对经过光栅G的第一光束s衍射，还可以对经过光栅G的第一衍射光s1衍射。其中，第二方向与第一方向交叉，例如第二方向可以与第一方向垂直。

值得注意的是，第一光束s入射声光偏转器202的第一入射方向(如图3中的Y1方向)与超声波信号B的传播方向之间的角度ω1小于90度，第一衍射光s1入射声光偏转器202的第二入射方向(如图3中的Y3方向)与超声波信号的传播方向之间的角度ω2大于90度。即，第一光束s与超声波信号B在一段距离内“同向”，第一光束s发生多普勒频移(第一次多普勒频移)，第一光束s的频率增加，如频率增加Δf。第一衍射光s1与超声波信号B在一段距离内“反向”，第一衍射光s1发生多普勒频移(第二次多普勒频移)，第一衍射光s1的频率减少，如频率减少Δf，从而将第一次多普勒频移时增加的频率Δf抵消掉。

为了完全抵消多普勒频移，继续参见图3，根据本申请的一些实施例，可选地，第一反射面203a和第二反射面203b相对于预设的基准平面J对称设置。基准平面J与第一表面202a和/或第二表面202b中的任意一者垂直。具体地，第一表面202a和第二表面202b中的任意一者在预设的投影平面P的投影为第一线段l1，基准平面J在投影平面P的投影为第二线段l2，第一线段l1与第二线段l2垂直。进一步地，第一反射面203a所在平面与第二表面202b所在平面之间的角度为第一角度a1，第二反射面所在平面与第二表面所在平面之间的角度为第二角度a2，第一角度a1与第二角度a2相等。

如此以来，由于第一反射面203a和第二反射面203b相对于预设的基准平面J对称设置，第一角度a1与第二角度a2相等，所以可以保证第一光束s入射声光偏转器202的第一入射方向与第一衍射光s1入射声光偏转器202的第二入射方向平行且相反，使得第二次多普勒频移减少的频率等于第一次多普勒频移增加的频率，从而将第一次多普勒频移时增加的频率Δf完全抵消掉。

根据本申请的一些实施例，可选地，第一反射组件203可以包括角反射镜或者棱镜反射镜。如图4所示，以角反射镜为例，角反射镜401可以包括底座4011和设置在底座4011上的第一镜体4012和第二镜体4013，第一反射面203a可以包括第一镜体4012的反射面(如图4中的表面a)，第二反射面203b可以包括第二镜体4013的反射面(如图4中的表面b)。类似的，棱镜反射镜也可以包括底座和设置在底座上的第一镜体和第二镜体，第一反射面可以包括第一镜体的反射面，第二反射面可以包括第二镜体的反射面。与角反射镜不同的是，棱镜反射镜还可以包括夹设于第一镜体和第二镜体之间的色散介质，而角反射镜的第一镜体和第二镜体之间为空气。

经本申请的发明人进一步发现，如图5所示，光路中除了衍射光之外，还有0级光，0级光的传播路径如图5中的虚线路径。具体地，第一光束s的0级光会穿过声光偏转器202，不发生衍射直接到达第二反射面203b，再经第二反射面203b反射到第一反射面203a，再经过声光偏转器202到达波长选择性反射元件204，并通过利特罗模式回到光束产生组件201中。0级光的存在会影响扫频激光器输出的激光的输出功率和光谱范围，使得扫频激光器输出的激光的输出功率较弱及光谱范围较窄，因此需要消除0级光。

为了消除光路中的0级光，如图6所示，根据本申请的一些实施例，可选地，扫频激光器20还可以包括90度偏转光旋转元件601和第一偏振片602。示例性地，90度偏转光旋转元件601可以包括90度法拉第旋光器或半波片。90度偏转光旋转元件601位于声光偏转器202与第一反射组件203之间的第一衍射光s1的传播路径L2上，90度偏转光旋转元件601可以包括相对设置的第三表面601a和第四表面601b，第三表面601a接收第一衍射光s1，90度偏转光旋转元件601将第一衍射光s1中的水平偏振光转换为垂直偏振光后，第一衍射光s1从第四表面601b出射。第一偏振片602位于第四表面601b与第一反射组件203之间的第一衍射光s1的传播路径L2上，第一偏振片602的透过偏振方向与第一衍射光s1的入射第一偏振片602的方向垂直，或者说第一偏振片602的吸收偏振方向与第一衍射光s1的入射第一偏振片602的方向平行，用于阻止水平偏振光的通过。

由于0级光603主要为水平偏振光，所以第一偏振片602可以阻挡来自第一反射面203a反射的0级光603，防止0级光603返回至光束产生组件201之中。此外，通过增设90度偏转光旋转元件601可以将第一衍射光s1中的水平偏振光转换为垂直偏振光，还可以将反射回的第二衍射光s2由垂直偏振光转换为水平偏振光，使得第一衍射光s1和反射回的第二衍射光s2无障碍的穿过第一偏振片602。

考虑到0级光还有少部分的垂直偏振光，因此为了避免0级光中的少部分的垂直偏振光返回至光束产生组件201之中，继续参见图6，根据本申请的一些实施例，可选地，扫频激光器20还可以包括第二偏振片604，第二偏振片604位于光束产生组件201与声光偏转器202之间的第一光束s的传播路径L1上，第二偏振片604的透过偏振方向与第一光束s入射第二偏振片604的方向平行，或者说第二偏振片604的吸收偏振方向与第一光束s入射第二偏振片604的方向垂直，用于阻止垂直偏振光的通过。

如此以来，通过增设第二偏振片604，可以阻挡来自光束产生组件201的0级光603中的垂直偏振光，避免0级光603中的垂直偏振光进入光路及返回光束产生组件201。

根据本申请的另一些实施例，与图6所示的实施例不同的是，在图7所示的实施例中，第一偏振片602可以阻止垂直偏振光的通过，而第二偏振片604用于阻止水平偏振光的通过。具体地，第一偏振片602的透过偏振方向与第一衍射光s1的入射第一偏振片602的方向平行，或者说第一偏振片602的吸收偏振方向与第一衍射光s1的入射第一偏振片602的方向垂直，用于阻止垂直偏振光的通过。第二偏振片604的透过偏振方向与第一光束s入射第二偏振片604的方向垂直，或者说第二偏振片604的吸收偏振方向与第一光束s入射第二偏振片604的方向平行，用于阻止水平偏振光的通过。

如此以来，第二偏振片604可以阻挡来自光束产生组件201的0级光603中的水平偏振光，避免0级光603中的水平偏振光进入光路及返回光束产生组件201。第一偏振片602可以阻挡来自第一反射面203a反射的0级光603中的垂直偏振光，防止0级光603中的垂直偏振光返回至光束产生组件201之中，从而提高扫频激光器输出的激光的输出功率及光谱范围。

相应地，通过增设90度偏转光旋转元件601可以将第一衍射光s1中的垂直偏振光转换为水平偏振光，还可以将反射回的第二衍射光s2由水平偏振光转换为垂直偏振光，使得第一衍射光s1和反射回的第二衍射光s2无障碍的穿过第一偏振片602，以及使得反射回的第二衍射光s2无障碍的穿过第二偏振片604。

如图8所示，根据本申请的一些实施例，可选地，扫频激光器20还可以包括准直透镜801，准直透镜801位于光束产生组件201与声光偏转器202之间的第一光束s的传播路径L1上。在一些示例中，准直透镜801具体可以位于光束产生组件201与第二偏振片604之间的第一光束s的传播路径L1上。准直透镜801包括相对设置的第五表面801a和第六表面801b，第五表面801a接收第一光束s。第一光束s可以包括多个子光束。光束产生组件201出射的第一光束s中的多个子光束通常会向多个方向散射。准直透镜801可以用于将入射第五表面801a的第一光束s转换成多个子光束平行的第一光束s，即，将散射光转换成平行光。多个子光束平行的第一光束s从第六表面801b出射。

这样，通过增设准直透镜801，可以将光束产生组件201出射的第一光束s由散射光转换成平行光，使得更多的子光束入射到声光偏转器202之中，提高激光的输出功率。

如图9所示，根据本申请的一些实施例，可选地，光束产生组件201可以包括相对设置的第七表面901a和第八表面901b，第七表面901a出射第一光束s，第八表面901b设置有光纤输出端901，光纤输出端901用于出射激光。扫频激光器20还可以包括光纤隔离器902和激光输出端口903，光纤隔离器902的输入端与光纤输出端901电连接，光纤隔离器902的输出端与激光输出端口903电连接，用于阻止来自激光输出端口903一侧的激光进入光纤输出端901。

如此以来，通过增设光纤隔离器902，可以阻止来自激光输出端口903一侧的激光进入光纤输出端901，即避免来自激光输出端口903一侧的激光进入光束产生组件201而发生振荡，保证扫频激光器能够输出稳定的激光。

继续参见图9，根据本申请的一些实施例，可选地，扫频激光器20还可以包括助推光纤放大器904，助推光纤放大器904的输入端与光纤隔离器902的输出端电连接，助推光纤放大器904的输出端与激光输出端口903电连接，用于将光纤输出端901出射的激光的功率放大至目标功率。

如此以来，通过增设助推光纤放大器904，可以将光纤输出端901出射的激光的功率放大至目标功率，以满足不同功率的输出需求。

继续参见图9，根据本申请的一些实施例，可选地，扫频激光器20还可以包括增透膜905和半透半反膜906中的至少一者，增透膜905可以贴附在第七表面901a上，半透半反膜906贴附在第八表面901b上。

如此以来，通过增设增透膜905，可以增加光束产生组件201的出光率，提高激光的输出功率。通过增设半透半反膜906，可以使得部分激光通过半透半反膜906输出，另一部分激光反射回光束产生组件201并通过声光偏转器202、第一反射组件203和波长选择性反射元件204实现多次光放大。

基于上述实施例提供的扫频激光器20，相应地，本申请实施例还提供了一种光学相干层析成像系统，本申请实施例提供的扫频激光器20可以包括上述实施例提供的扫频激光器20。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。