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科研应用
一种新型相位稳定的高速波数线性扫频激光器研制成功
材料来源:清华物理系,激光行业观察           录入时间:2023/12/29 19:31:59

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)具有无损伤、非侵入和高分辨率的特点,在眼科等临床领域应用广泛,并荣获被喻为“诺奖风向标”的2023年拉斯克奖,是一种应用前景广阔的光学成像方法。而相位稳定的高速扫频激光器不仅有利于将OCT系统拓展到血管成像等相位敏感的功能成像应用中,还有助于提高成像速度,避免生物样品抖动对成像结果的干扰,是扫频OCT系统的核心器件,很大程度地影响OCT成像的效果。

近日,物理系博士生胡章伟等在导师薛平教授的指导下,研制成功一种新型的相位稳定的高速线性扫频激光器。该激光器利用基于声光效应的调谐滤波器,不仅实现高度波数线性的扫频激光输出,还首次利用多普勒频移补偿的方式避免了谐振腔内由于声光光栅运动累积造成的瞬时线宽的加宽。因此,在相同扫频速度下,该扫频光源的相干长度相比以前提升了5倍以上。该新型激光器扫频速度500kHz,相干长度5.7mm,扫频范围~80nm,中心波长1310nm,波数线性度0.999991,输出功率~18mW。同时,经过精心特别的设计,该光源腔长从之前的~50cm缩短到~5.5cm。该激光器因为得益于无运动部件的滤波器和集成式的谐振腔设计,不仅在高速扫频下依然能保持良好的性能,还能在没有使用额外硬件校准的连续5000个扫频周期中,时间抖动小于14ps。这个数值远优于使用额外硬件校准后的商业扫频激光器的时间抖动水平,展现了该扫频激光器优越的相位稳定性。

图1. (a)基于多普勒频移补偿的高速扫频激光器原理图 (b)扫频光谱 (c)时域干涉信号 (d)相位线性拟合曲线,表明波数线性度高达0.999991 (e)深度0.5mm和4.5mm处OCT的轴向分辨率测量结果 (f)5000个连续扫频的叠加 (g)5000个连续扫频的时间抖动直方图

图2. 500kHz扫频速度下的相干长度测量结果,(a)未补偿多普勒频移时相干长度为1.5mm (b)补偿多普勒频移后相干长度为5.7mm (c)图(b)在10.5mm~11.5mm深度处的延展

图3. 500 kHz扫频速度下人体手掌的OCT和OCTA图像,(a) OCT横切面图像,比例尺:0.5mm (b)OCT三维体图像 (c)OCTA血管图像

该扫频激光器还在500 kHz的高速扫频速度下展示了对人体手掌的在体OCT结构图像和OCTA血管图像,显示了清晰和细节丰富的手掌皮肤结构和手掌血管图像,证明了其在OCT及相位敏感的OCT功能成像应用中的卓越性能,为这种激光器应用到临床医疗上奠定了重要基础。

上述研究工作以“High-speed k-linear swept laser using acousto-optic deflectors with Doppler shift compensation for optical coherence tomography”为题发表在2023年12月20日的光学知名期刊Optics Letters上(https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-49-1-101),随即被著名的Optical Coherence Tomography News列为featured article 进行了报道。

本工作获得了国家自然科学基金委、北京量子信息前沿科学中心、清华大学精准医学—精准外科战略项目、麦戈文脑科学研究基金和国家计量科学研究院基础研究重点计划的资助。

文章来源:清华物理系,激光行业观察

注:文章版权归原作者所有,本文仅供交流学习之用,如涉及版权等问题,请您告知,我们将及时处理。


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