OCT超宽带窄瞬时线宽扫频方法研究

Reviewing existing tunable filters, there is a trade-off between the bandwidth and the instantaneous line-width in a single tunable filter. In this study, a novel ultra-broad tunable bandwidth and narrow instantaneous line-width swept laser source using combined tunable filters for high axial resolution and large imaging range optical coherence tomography（OCT）is proposed. The combined tunable filters are realized by cascading two filters including a fiber Fabry-Perot tunable filter driven at a non-resonant frequency and a tunable filter based on low groove density grating with scanning polygon mirror. In this way,the broad bandwidth and the narrow instantaneous line-width can be obtained simultaneously. The mechanism of laser oscillation in the dynamic mode and the key technique in establishment of transient laser oscillation is investigated. The swept laser based on combined tunable filters working at 1300 nm wavelength can provide a tuning range of 170 nm resulting in an axial resolution of 4.6 μm in tissue. The instantaneous line-width can be smaller than 0.03 nm.

针对现有OCT扫频光源的单个调谐滤波器自由光谱范围和光谱分辨率互相权衡、互相制约的问题，本项目提出组合调谐滤波技术，研究OCT扫频光源同时获得超宽带、高光谱分辨率(窄瞬时线宽)的线性扫频方法,实现高轴向分辨率大成像深度的光学频域OCT成像。组合调谐滤波方法采用由自由光谱范围宽、光谱分辨率低的低刻线光栅/多面镜调谐滤波器和工作在非谐振条件下的自由光谱范围窄、光谱分辨率高的法布里珀罗调谐滤波器级联而成。设计组合型调谐滤波器，兼备宽的自由光谱范围和高光谱分辨率双重优势。研究动态模式激光振荡机制，解决瞬态激光建立振荡的关键技术问题。基于组合型调谐滤波器的1300 nm 波段的OCT扫频激光光源系统可实现扫频光谱范围为170 nm以上，瞬时线宽可达到0.03 nm以上，基于该扫频光源平台的OCT成像可望达到组织轴向分辨率为4.6 μm。

扫频OCT系统的成像指标和成像质量主要取决于扫频光源本身的参数，光源扫频速度决定系统成像速度（轴向扫描速度），光源光谱范围决定系统轴向分辨率，光源瞬时线宽决定成像深度，光源光功率与成像灵敏度密切相关。对于只有一种调谐滤波器来说，无论是色散型还是干涉型调谐滤波器，自由光谱范围和光谱分辨率是互为倒数的，所以宽的自由范围和高的光谱分辨率是互相矛盾，这两者只能相互权衡。本项目解决了该矛盾，研制了基于组合型调谐滤波器的双半导体光放大器（SOA）并联型扫频激光光源。组合型调谐滤波器是将一个自由光谱范围宽、光谱分辨率低的调谐滤波器和一个光谱分辨高、自由光谱范围低的调谐滤波器级联起来使用，两者匹配好参数，可以同时得到更窄的瞬时线宽和更宽的光谱范围。扫频光源扫描速度取决于组合型中“粗调”滤波器—光栅/旋转多面镜滤波器的调谐速度，瞬时线宽取决于“细调”滤波器—法布里珀罗调谐滤波器（FFP-TF）的光谱分辨率。扫频激光光源输出兼备“粗调”滤波器的宽扫频光谱范围和“细调”滤波器的窄瞬时线宽双重优势。两个滤波器的同步调谐是实现运转的关键技术，本项目研究了采取外接普通光源照射旋转光栅得到同频脉冲信号驱动FFP-TF。采用两个SOA并联适应谐振腔宽光谱调谐，解决瞬态激光建立振荡，完成腔长、增益及损耗等的计算和设计。搭建扫频激光光源中心波长为1290 nm，扫频光谱范围180 nm，半高全宽为114 nm，对应理论轴向分辨率为4.6 μm（组织中），瞬时线宽可以达到0.03 nm。扫频激光光源的扫频速度通过腔外时延法提高速度得到116 kHz，占空比也大大提高。扫频光源的平均输出功率达到3 mW。相比其他调谐滤波方法，这是一个新颖的技术方法，突破单个滤波器的宽光谱范围和高光谱分辨率的矛盾，解决了两者的权衡问题，以期得到更高质量的OCT成像。