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，具体涉及一种扫频激光器和光学相干层析成像系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种新型的无损光学成像技术。OCT成像过程一般如下：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。

其中，扫频激光器作为OCT的光源，需要达到较快且较稳定的选频要求。目前，扫频激光器一般采用机械式选频，例如采用旋转多面镜的方式实现选频。然而，机械式选频至少存在以下两方面的问题：一方面，机械方式的速度较为受限，这使得扫频激光器的扫频速度较低；另一方面，机械方式不可避免地存在机械磨损，这使得扫频激光器的扫频稳定性较差。

发明内容

本申请旨在提供一种扫频激光器和光学相干层析成像系统，至少解决现有技术中扫频激光器采用机械式选频存在的扫频速度较低以及扫频稳定性较差的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提出了一种扫频激光器，包括：

光束产生器件，用于产生第一光束；

第一声光偏转选频组件，包括第一声光偏转器、第一超声波生成器和第一选频反射器件，所述第一超声波生成器用于输出第一超声波，所述第一声光偏转器用于接收所述第一光束和所述第一超声波，并输出第二光束，所述第一选频反射器件用于对所述第二光束进行选频，并将选频得到的第三光束反射至所述第一声光偏转器；

第二声光偏转选频组件，包括第二声光偏转器、第二超声波生成器和第二选频反射器件，所述第二超声波生成器用于输出第二超声波，所述第二声光偏转器用于接收所述第三光束和所述第二超声波，并输出第四光束，所述第二选频反射器件用于对所述第四光束进行选频，并将选频得到的第五光束反射至所述第二声光偏转器；

其中，所述光束产生器件还用于接收所述第二声光偏转器返回的所述第五光束，所述第一声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向相反于所述第二声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向。

第二方面，本申请实施例提出了一种光学相干层析成像系统，包括第一方面中的扫频激光器。

本申请实施例中，通过第一声光偏转选频组件和第二声光偏转选频组件来实现扫频激光器的选频，其中，第一声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向相反于第二声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向。这样，一方面，由于第一声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向相反于第二声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向，因此，两声光偏转器产生的多普勒频移能够互相抵消，不会对扫频激光器的选频带来不利影响。另一方面，由于第一声光偏转选频组件和第二声光偏转选频组件为采用声光偏转原理实现选频的光学器件，在工作过程中不涉及到机械运动，因此，扫频激光器能够具有更高的扫描频率和更好的扫频稳定性。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是多普勒频移的原理图；

图2是本申请实施例提供的一种扫频激光器的结构示意图；

图3是傅里叶域锁模原理图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。

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成像过程一般如下：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。

其中，扫频激光器作为OCT的光源，需要达到较快且较稳定的选频要求。目前，扫频激光器一般采用机械式选频，例如采用旋转多面镜的方式实现选频。然而，采用机械式选频的扫频激光器至少存在扫频速度较低、扫频稳定性较差的问题。

鉴于目前扫频激光器存在的上述问题，发明人着力于提出一种扫频速度更快、扫频稳定性更好的选频方式。发明人具体研究过程如下：

发明人发现，目前扫频激光器的扫频速度和扫频稳定性之所以存在一定的限制，是由于机械式选频方式本身的特性所决定的，其一，机械运动的重复频率低，一般最快达到20kHz，这使得扫频速度不可能太快；其二，机械运动长时间会存在机械磨损，此外选频过程中需要进行机械运动，这使得扫频稳定性不可能太好。

基于上述原因，发明人希望找到一种可行的非机械式选频方式来实现扫频激光器的选频。

目前，声光偏转原理能够实现非机械式选频，声光偏转原理又称为声光效应，其原理如下：如果在透明玻璃和晶体等超声媒质中产生超声波，则会引起周期性的折射率变化而成为相位型衍射栅，如果让激光束入射到超声媒质中，激光束就产生衍射，衍射光的强度和方向随超声波的强度和频率的状态而变化，从而实现选频。

然而，发明人发现，光束经过声光偏转器会发生多普勒频移。图1示出了多普勒频移的原理图，如图1所示，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。

由于声光偏转器存在多普勒频移，如果简单地采用声光偏转器来实现扫频激光器的选频，则将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。

面临上述难题，发明人经过进一步的研究与分析，提出了本申请实施例提供的扫频激光器。该扫频激光器的技术构思在于：通过第一声光偏转选频组件和第二声光偏转选频组件来实现选频，其中，第一声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向相反于第二声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向。这样，一方面，由于第一声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向相反于第二声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向，因此，两声光偏转器产生的多普勒频移能够互相抵消，从而能够消除多普勒频移对选频带来的不利影响，使得采用声光偏转原理实现选频成为可能。另一方面，由于第一声光偏转选频组件和第二声光偏转选频组件为采用声光偏转原理实现选频的光学器件，在工作过程中不涉及到机械运动，因此，扫频激光器能够具有更高的扫描频率和更好的扫频稳定性。

下面对本申请实施例所提供的扫频激光器进行介绍。

图2示出了一种扫频激光器的结构示意图，如图2所示，一种扫频激光器，包括光束产生器件21、第一声光偏转选频组件22和第二声光偏转选频组件23。

光束产生器件21可用于产生第一光束S1，示例性的，光束产生器件21可以是包括激光增益介质和泵浦源的组件，也可以是激光增益芯片(简称SOA)。

第一声光偏转选频组件22可包括第一声光偏转器221、第一超声波生成器222和第一选频反射器件223。第一超声波生成器222用于输出第一超声波Y1，第一声光偏转器221位于第一光束S1的传播路径上，用于接收第一光束S1和第一超声波Y1，并输出第二光束S2，第一选频反射器件223位于第二光束S2的传播路径上，用于对第二光束S2进行选频，并将选频得到的第三光束S3反射至第一声光偏转器221。示例性的，第一声光偏转器221(AcoustoOptical Deflectors，简称AOD)可以是声光晶体，第一选频反射器件223可以是光栅。

第二声光偏转选频组件23可包括第二声光偏转器231、第二超声波生成器232和第二选频反射器件233，第二超声波生成器232用于输出第二超声波Y2，第二声光偏转器231位于第三光束S3的传播路径上，用于接收第三光束S3和第二超声波Y2，并输出第四光束S4，第二选频反射器件233位于第四光束S4的传播路径上，用于对第四光束S4进行选频，并将选频得到的第五光束S5反射至第二声光偏转器231。示例性的，第二声光偏转器231可以是声光晶体，第二选频反射器件233可以是光栅。

光束产生器件21还用于接收第二声光偏转器231返回的第五光束S5，即光束产生器件21位于第五光束S5的传播路径上。

上述两个声光偏转选频组件满足如下条件：第一声光偏转器221中超声波相对于光束的传播方向相反于第二声光偏转器231中超声波相对于光束的传播方向。

如前所述，当光束的传播方向与超声波信号的传播方向为“同向”时，光束的频率增加；当光束的传播方向与超声波信号的传播方向为“反向”时，光束的频率减小。由此，通过使两个声光偏转器中超声波相对于光束的传播方向相反，光束在一声光偏转器中增加的频率与在另一声光偏转器中减小的频率的相同，这使得两声光偏转器产生的频率变化能够互相抵消，从而从整体上消除了多普勒频移。

需要说明的是，除了满足上述条件之外，还可以使两个声光偏转选频组件在其他性能上保持一致性，或者说，使第一声光偏转选频组件22与第二声光偏转选频组件23保持对称性。示例性的，第一声光偏转器221与第二声光偏转器231对称且具有相同的性能参数，第一超声波生成器222与第二超声波生成器232对称且具有相同的性能参数，第一选频反射器件223与第二选频反射器件233对称且具有相同的性能参数。

示例性的，第一声光偏转器221包括第一面a1、第二面a2和第三面a3，第一面a1与第三面a3为相对的面，第一光束S1可经第一面a1入射至第一声光偏转器221。第一超声波生成器222可以设置于朝向第二面a2的一侧，第一超声波Y1可经第二面a2传播至第一声光偏转器221。在第一超声波Y1的驱动下，第一光束S1在第一声光偏转器221中发生衍射得到第一光束S1的衍射光，即第二光束S2。第一选频反射器件223可以设置于朝向第三面a3的一侧，第二光束S2经第三面a3出射至第一选频反射器件223，第一选频反射器件223对第二光束S2进行选频得到第三光束S3，第三光束S3再经第三面a3反射至第一声光偏转器221并经第一面a1出射。

第二声光偏转器231包括第四面a4、第五面a5和第六面a6，第四面a4与第六面a6为相对的面，第三光束S3可经第四面a4入射至第二声光偏转器231。第二超声波生成器232可以设置于朝向第五面a5的一侧，第二超声波Y2可经第五面a5传播至第二声光偏转器231。在第二超声波Y2的驱动下，第三光束S3在第二声光偏转器231中发生衍射得到第三光束S3的衍射光，即第四光束S4。第二选频反射器件233可以设置于朝向第六面a6的一侧，第四光束S4经第六面a6出射至第二选频反射器件233，第二选频反射器件233对第四光束S4进行选频得到第五光束S5，第五光束S5再经第六面a6反射至第二声光偏转器231并经第四面a4出射。

在一些实施例中，第一声光偏转选频组件22还包括第一准直扩束器224，第二声光偏转选频组件23还包括第二准直扩束器234。第一准直扩束器224位于第一声光偏转器221的前端，用于对第一光束S1进行准直扩束后输入至第一声光偏转器221；第二准直扩束器234位于第二声光偏转器231的前端，用于对第三光束S3进行准直扩束后输入至第二声光偏转器231。示例性的，第一准直扩束器224和第二准直扩束器234均为准直透镜。

该实施方式中，通过在两个声光偏转器的前端分别设置对应的准直扩束器，可以将待入射至声光偏转器的光束由散射光转换成平行光，从而使得平行性更好且更多的光束入射至声光偏转器中，提高了用于选频的光束的质量，从而提高了选频效果。

本申请实施例的扫频激光器还可以是基于傅里叶域锁模(Fourier Domain ModeLocking，FDML)原理的扫频激光器。图3示出了傅里叶域锁模原理图，如图3所示，傅里叶域锁模原理一般包括环形的激光谐振腔、增益模块(gain medium)、窄带光滤波模块(opticalbandpass)和色散补偿延迟模块(dispersion managed optical delay)。

下面对本申请实施例提供的基于傅里叶域锁模原理的扫频激光器进行介绍。

如图2所示，一种扫频激光器，包括光束产生器件21、耦合器24、第一声光偏转选频组件22、第二声光偏转选频组件23和色散补偿延迟组件25，光束产生器件21、耦合器24、第一声光偏转选频组件22、第二声光偏转选频组件23和色散补偿延迟组件25通过光纤连接形成环形激光谐振腔26，其中，耦合器24位于由光束产生器件21至第一声光偏转选频组件22的光束传播路径上，色散补偿延迟组件25位于由耦合器24至光束产生器件21的光束传播路径上。其中，耦合器24可用于扫频输出，色散补偿延迟组件25用于对光束进行色散补偿和延迟，其余器件或组件可参照前述说明。

示例性的，当第一声光偏转选频组件22包括第一声光偏转器221、第一超声波生成器222和第一选频反射器件223，第二声光偏转选频组件23包括第二声光偏转器231、第二超声波生成器232和第二选频反射器件233时，光束产生器件21、耦合器24、第一声光偏转器221、第二声光偏转器231和色散补偿延迟组件25可通过光纤连接形成环形激光谐振腔26。

又一示例性的，当第一声光偏转选频组件22包括第一准直扩束器224、第一声光偏转器221、第一超声波生成器222和第一选频反射器件223，第二声光偏转选频组件23包括第二准直扩束器234、第二声光偏转器231、第二超声波生成器232和第二选频反射器件233时，光束产生器件21、耦合器24、第一准直扩束器224、第二准直扩束器234和色散补偿延迟组件25可通过光纤连接形成环形激光谐振腔26。此外，第一准直扩束器224可通过光纤与第一声光偏转器221连接，第二准直扩束器234可通过光纤与第二声光偏转器231连接。

该实施方式中，通过光纤将上述器件依次连接以形成环形激光谐振腔26，即形成了基于傅里叶域锁模原理的扫频激光器。其中，光束产生器件21即对应傅里叶域锁模原理中的增益模块，第一声光偏转选频组件22和第二声光偏转选频组件23即对应傅里叶域锁模原理中的窄带光滤波模块，色散补偿延迟组件25即对应傅里叶域锁模原理中的色散补偿延迟模块。

通过形成基于傅里叶域锁模原理的扫频激光器，能够实现傅里叶域锁模激光器性能，达到更多次数的激光器循环和更窄的激光器相干长度。

理论上，按照环形激光谐振腔26的方向，光束产生器件21之后接耦合器24，其余组件的顺序可以根据需要灵活调换。

在一些实施例中，如图2所示，可以按照光束产生器件21、耦合器24、第一声光偏转选频组件22、色散补偿延迟组件25、第二声光偏转选频组件23的顺序依次通过光纤连接形成环形激光谐振腔26。在该示例中，色散补偿延迟组件25位于第一声光偏转选频组件22与第二声光偏转选频组件23之间的光束传播路径上，用于对第一声光偏转器221输出的光束进行色散补偿和延迟。

在一些实施例中，色散补偿延迟组件25包括第一啁啾布拉格光栅251、第二啁啾布拉格光栅252和保偏延迟光纤253，第一啁啾布拉格光栅251和第二啁啾布拉格光栅252用于依次对光束进行色散补偿，保偏延迟光纤253用于对光束进行保偏延迟，以提供傅里叶域锁模原理所需的延迟。示例性的，第一啁啾布拉格光栅251和第二啁啾布拉格光栅252相邻设置。

该实施方式中，通过一组啁啾布拉格光栅(Chirped Fiber Bragg Grating，CFBG)提供色散补偿，不仅能够补偿环形激光谐振腔26内的光纤器件色散，还能够补偿声光偏转器的偏转光束中不同波长的光打到选频反射器件返回引入的色散，能够进一步实现更好的傅里叶域锁模激光器性能。

在一些实施例中，第一声光偏转选频组件22通过第一光纤环形器261与环形激光谐振腔26连接；

第二声光偏转选频组件23通过第二光纤环形器262与环形激光谐振腔26连接。

示例性的，当第一声光偏转选频组件22包括第一声光偏转器221、第一超声波生成器222和第一选频反射器件223，第二声光偏转选频组件23包括第二声光偏转器231、第二超声波生成器232和第二选频反射器件233时，第一声光偏转器221可通过第一光纤环形器261与环形激光谐振腔26连接，第二声光偏转器231可通过第二光纤环形器262与环形激光谐振腔26连接。

又一示例性的，当第一声光偏转选频组件22包括第一准直扩束器224、第一声光偏转器221、第一超声波生成器222和第一选频反射器件223，第二声光偏转选频组件23包括第二准直扩束器234、第二声光偏转器231、第二超声波生成器232和第二选频反射器件233时，第一准直扩束器224可通过第一光纤环形器261与环形激光谐振腔26连接，第二准直扩束器234可通过第二光纤环形器262与环形激光谐振腔26连接。

在一些实施例中，第一啁啾布拉格光栅251通过第三光纤环形器263与环形激光谐振腔26连接，第二啁啾布拉格光栅252通过第四光纤环形器264与环形激光谐振腔26连接。

上述多个实施例中，相关器件通过光纤环形器与环形激光谐振腔26连接，能够确保光束始终沿环形激光谐振腔26的方向传播，提高了光束传播效果。

需要说明的是，图2示出的扫频激光器的结构示意图仅对应基于傅里叶域锁模原理的扫频激光器的一具体示例，本申请实施例提供的扫频激光器并不一定基于傅里叶域锁模原理。当扫频激光器不是基于傅里叶域锁模原理的扫频激光器时，图2中的色散补偿延迟组件25和环形激光谐振腔26等器件可由其他光束传播器件替代，以实现光束产生器件21至第一声光偏转选频组件22至第二声光偏转选频组件23再至光束产生器件21的光束传播。

本申请实施例还提供一种光学相干层析成像系统，包括上述实施例的任一项扫频激光器。

需要说明的是，上述扫频激光器实施例的实现方式同样适应于该光学相干层析成像系统的实施例中，并能达到相同的技术效果，在此不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。