用于10.3 MHz A线速率光学相干层析成像的偏振隔离拉伸脉冲锁模扫描激光器

Cheng-Ming Wang, Zi-Chen Yin, Bin He, Zheng-Yu Chen, Zhang-Wei Hu, Ye-Jiong Shi, Xiao Zhang, Ning Zhang, Lin-Kai Jing, Gui-Huai Wang and Ping Xue, Polarization-isolated stretched-pulse mode-locked swept laser for 10.3-MHz A-line rate optical coherence tomography, Opt. Lett. 48(15): 4025-4028 (2023).

在过去的十年里，人们对超高速光学相干层析扫描模式和兆赫以上速度的扫描激光器进行了大量的研究，包括圆测距光学相干层析成像、光学计算光学相干层析摄影、时间拉伸扫描激光器、声光缺陷扫描激光器、傅立叶域锁模激光器、可调谐垂直腔表面发射激光器和拉伸脉冲锁模扫描激光器。拉伸脉冲锁模扫描激光器提供了优于其他激光器的明显优势，因为它不需要任何机械波长扫描滤波器，通过利用其腔内的色散介质来拉伸和压缩腔内光学短脉冲以进行主动锁模。这种激光器设计已经证明具有优越的性能，在100 nm的扫描带宽上速度超过10 MHz。与长得令人望而却步的色散光纤卷轴相比，基于啁啾光纤布拉格光栅的拉伸脉冲锁模激光器在1060 nm、1300 nm和1550 nm的中心波长下提供了简单紧凑的设计优势。此外，通过在θ环腔中从两个方向使用啁啾光纤布拉格光栅，可以固有地匹配正负色散。然而，与基于啁啾光纤布拉格光栅的激光器设计相关的一个技术挑战是，大约30%的光将透射通过啁啾光纤布拉格布拉格光栅，导致不希望的激光振荡，从而对主动锁模机制产生负面影响。因此，最大限度地减少通过啁啾光纤布拉格光栅传输的光量以保持稳定可靠的激光运转是至关重要的。

为了应对这一挑战，人们提出了几种方法。通过使用与调制脉冲同步的半导体光放大器的开/关调制，可以抑制啁啾光纤布拉格光栅的部分传输。这种方法的缺点是激光器的工作循环不能超过50%，需要额外的腔光学缓冲和后放大，这增加了成本和复杂性。研究发现，通过将两个具有相同规格的啁啾光纤布拉格光栅结合到激光腔中，可以在不需要光学缓冲的情况下实现接近100%的占空比。然而，由于啁啾光纤布拉格光栅的制造精度有限，激光噪声显著增加。先前描述的一种替代方法涉及使用第二腔外啁啾光纤布拉格光栅以消除在光学缓冲级中对长光纤线轴的需要，但它需要后放大以克服第二啁啾光纤布拉格布拉格光栅的光学损耗。此外，这些方法中的大多数使用额外的腔增强器半导体光学放大器来放大微弱的激光输出，从而导致更短的激光相干长度和更高的系统成本。

图1是所提出的扫频激光器设计概念的示意图。该激光器基于θ光纤环几何结构，以O波段半导体光学放大器作为增益介质，其中心波长为1300 nm，3-dB光学带宽为87 nm。使用80/20光纤耦合器将80%的强度耦合到腔外。光脉冲由用于主动锁模的40 GHz铌酸锂Mach-Zehnder强度调制器产生。强度调制器的电子脉冲的脉冲宽度根据经验设置为125 ps，由可调谐皮秒脉冲发生器和18 GHz脉冲射频放大器模块生成。低抖动波形发生器为脉冲发生器提供可调谐的时钟信号，该时钟信号确定激光器的重复频率，该重复频率与用于主动锁模的腔往返时间的谐波同步。由于啁啾光纤布拉格光栅的双通光纤长度为20米，选择了最短的可用腔光纤长度38.8米，这对应于腔往返时间的二次谐波。与传统的拉伸脉冲锁模激光器类似，通过将啁啾光纤布拉格光栅放置在两个环形器之间并从两个方向使用，用相同的啁啾光纤布拉格布拉格光栅拉伸和压缩光脉冲，与使用两个啁啾光纤布拉格格光栅的传统设计一样，没有由于制造不准确而导致的色散失配。在频域中具有线性色散的定制啁啾光纤布拉格光栅连接在两个消光比为30-dB的正交光纤直列偏振器之间，在1250-1360 nm的带宽范围内，在1305 nm的中心波长处提供850 ps/nm的色散。

为了抑制穿过啁啾光纤布拉格光栅的光产生不必要的激光，图1中用蓝色箭头描绘了偏振隔离的概念。在脉冲压缩阶段，连续扫描光从右向左传输到啁啾光纤布拉格光栅，该光栅沿保偏光纤的慢轴偏振。通过啁啾光纤布拉格光栅传输的光保持其偏振轴，因为啁啾光纤布拉格光纤光栅基于保偏光纤制造。通过使用具有高消光比的快轴光纤直列偏振器，透射光因此被阻挡。在拉伸阶段，光脉冲通过啁啾光纤布拉格光栅从左向右传输。放置在环形器和快轴光纤直列偏振器之间的光纤偏振光束组合器/分离器用作偏振旋转部件，改变慢轴光的偏振以与保偏光纤的快轴对准。再次，啁啾光纤布拉格光栅的部分传输可以通过使用偏振隔离来抑制。与传统的基于啁啾光纤布拉格光栅的拉伸脉冲锁模激光器不同，由于其结构限制，其占空比小于50%，这里的方法不需要半导体光放大器增益调制。通过仔细调整腔长，将激光腔的往返时间设置为拉伸脉冲持续时间的两倍，从而产生10.3 MHz的激光扫描速率，有效占空比接近100%。为了最大限度地减少由于光去偏振引起的光学损耗，激光腔由保偏光纤构成。值得注意的是，为了获得更好的偏振消光比和更低的插入损耗，激光器腔内的所有光纤组件均采用保偏光纤熔接机进行连接。

在没有任何额外腔后放大的情况下，激光腔的输出功率测量为84 mW。激光输出及其干涉信号的时间轨迹分别如图2(a)和图2(b)所示，表明在没有光学缓冲的情况下固有重复率为1/97 ns=10.3 MHz，有效占空比为99.5%。如图2所示，输出光谱的3-dB带宽为108.8 nm，20 dB带宽为114.7 nm，与啁啾光纤布拉格光栅的工作带宽一致。值得注意的是，如图2(d)所示，Pearson's R相关系数为0.99996的激光的波数线性特性是实现超高速实时光学相干层析成像的关键因素。这是通过在频域中提供线性啁啾色散的啁啾光纤布拉格光栅固有地实现的。为了实现由激光输出的非高斯形状引起的最小旁瓣伪影，在使用一系列β值为1、1.1、…、10的多个归一化Kaiser-Bessel窗口进行快速傅立叶变换之前，采用了多窗口算法。如图2(e)所示，基于点扩展函数的半最大全宽，空气中的轴向分辨率测量为9.5 µm。通过使用飞行时间法，测量到腔往返行程的波长相关相对群延迟小于25 ps，并随波长略有增加，如图2(f)所示。

为了充分研究激光的相干特性，有必要选择高速光学接收器和电子数字化仪进行超快条纹信号测量，因为激光的重复频率为10.3 MHz，扫描范围超过110 nm。测量设置示意图，如图3(a)所示。激光输出连接到马赫-曾德尔干涉仪。用20 GHz平衡接收器和具有33 GHz模拟带宽的80 GSa/s采样率示波器检测从参考臂和样本臂返回的光学相干断层扫描光。如图3(b)所示，条纹振幅的单侧−6 dB衰减或滚降发生在2.3mm的深度。

为了证明该技术在体内光学相干断层成像中的可行性，如图4(a)所示，描述了一种基于所提出的激光器的超高速扫频源光学相干断层扫描系统。为了充分利用10.3 MHz的A线速率，研究人员在样品臂中使用了扫描镜对，该扫描镜对由4 kHz谐振扫描仪和电流计扫描仪组成。扫描透镜用作样品臂中的成像物镜，提供13 µm的横向分辨率。使用具有2 GHz模拟带宽的4 GSa/s数据采集卡来记录来自1.6 GHz平衡接收器的相干信号。波形发生器提供A线触发器，作为数模转换的外部时钟，同步来自共振扫描器的信号，产生锯齿调制信号用于驱动Galvo反射镜，并为数据采集卡提供B扫描触发器，如图4(a)所示。

扫频源光学相干层析成像系统的灵敏度计算为98 dB，这是通过使用固定在样品镜前面的双通配置中具有50dB衰减的中性密度滤波器来测量的。由于平衡接收器的有限模拟带宽和数字转换器的有限采样率，成像深度范围被限制在大约1.4毫米。原则上，10.3 MHz的扫描速率可实现16个体积/s（800 A线×800 B扫描）。然而，为了获得高质量的图像，仅使用谐振扫描器的正向和线性扫描，导致仅33%的占空比或33%的数据使用率或5体积/s的成像速率，这可以通过采用双向扫描配准和校正谐振扫描器的失真来进一步提高。此外，由于复杂共轭模糊性导致的镜像伪影，仅使用了一半的成像深度。图4(b)显示了活体人手掌的横截面超高速三维光学相干层析成像图像。可以清楚地观察到真皮表皮接合部。在7 mm×7 mm的视场下，人体手掌的三维体绘制结果，如图4(c)所示。图4所示的超高速三维光学相干层析成像图像在10.3 MHz频率下通过单次采集获得。

尽管光学相干层析扫描成像系统的灵敏度和轴向分辨率足以用于许多应用，但重要的是要注意，在样本同时包含强反射和弱反射的情况下，弱反射可能会被强反射产生的噪声背景所遮挡。有限的系统动态范围的这个问题主要与相对强度噪声有关，扫频激光器的测量值为-125.1 dB/Hz，而光学相干层析扫描中的平衡检测无法消除这种噪声。啁啾光纤布拉格光栅的偏振模色散可能导致激光相对强度噪声性能的下降。然而，与在具有200 ps的相对群延迟的激光腔中使用两个啁啾光纤布拉格光栅相比，由于保偏光纤啁啾光纤布拉格布拉格光栅的双折射效应引起的这种色散失配要小得多。通过使用标准保偏光纤的拍频长度参数，可以估计啁啾光纤布拉格光栅将为激光装置引入大约19-34 ps的相对群延迟，这与实验结果一致。θ谐振器设计的一个主要优点是它可以完全补偿拉伸和压缩的色散。然而，在方案中，由于偏振效应，可能会引入额外的色散失配。然而，这种群延迟中的色散失配约为25 ps，这对激光器性能的影响有限。未来，可以通过精细化的分散管理来完全消除这一问题。此外，有必要进一步研究电子短脉冲的抖动性能，这也可能是激光相对强度噪声的原因。研究人员尝试了四种具有不同抖动的不同波形发生器，发现抖动确实对激光器性能有显著影响。为了与使用升压器半导体光放大器的拉伸脉冲锁模激光器进行公平的比较，选择80%的输出耦合比来实现类似的输出功率。尽管所提出的激光器设计仅使用一个半导体光放大器，但是在腔外使用第二升压器半导体光放大器也是可行的。通过使用第二半导体光放大器，可以显著降低激光器的输出耦合器的输出耦合比，从而提高相对强度噪声性能。最后，所提出的扫频源光学相干层析扫描系统的有限成像深度范围主要取决于电子子系统，通过采用圆形测距光学相干层析成像架构可以显著提高电子子系统的成像深度。

总之，研究人员提出了一种仅用于一个基于啁啾光纤布拉格光栅的拉伸脉冲锁模扫描激光器的新方法，而不需要光缓冲、半导体光放大器调制和升压器放大。10.3 MHz激光器在1305 nm的中心波长处提供84 mW的输出功率，具有接近100%的有效占空比和109 nm的3-dB带宽。此外，激光输出显示出良好的波数线性特性，并显示出2.3 mm的−6-dB滚降深度。此外，研究人员还实现了使用该激光对人体手掌进行的体内3D成像。可以相信，这种超高速扫描激光器将极大地促进光学相干断层扫描技术在工业和生物医学应用中的应用。