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Envelope-Shaped Swept Source Based on Tunable Filter (Invited)
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DOI：10.3788/cjl251524.png)
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摘要
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目的 光学相干层析成像（OCT）是一种非侵入式、高分辨率、实时成像技术，广泛应用于医学成像、焊缝监测以及精密部件内部结构的无损检测。扫频源OCT（SS-OCT）系统的成像性能很大程度上取决于扫频源的光谱特性，包括扫频线性度、相干长度和旁瓣抑制能力。本研究采用由法布里-珀罗可调谐滤波器（FFP-TF）和半导体光放大器（SOA）组成的全光纤扫频源，具有结构紧凑、对准方便和成本相对较低等工程优势。为解决非高斯源包络和扫频非线性易导致强拍频信号旁瓣和轴向伪影的问题，从而降低图像质量和稳定性，我们在现场可编程门阵列（FPGA）平台上设计和实现了双通道直接数字合成（DDS）调制方案。该方案在波长扫描同步时对源端进行高斯包络整形，并执行波数空间扫频非线性校正，产生适用于1.3 μm波段高质量SS-OCT成像的低旁瓣、高线性扫频源。方法 在方法学上，首先构建基于FFP-TF和半导体光放大器的全光纤环形扫频源。该源以SOA作为增益介质，FFP-TF由电压驱动实现约16 kHz的周期性正弦扫频。隔离器和70/30光纤耦合器被插入腔内以确保单向振荡和稳定输出。调制和驱动信号在相同的FPGA平台上通过双通道直接数字频率合成生成：一个通道经电压放大后驱动FFP-TF进行波长扫描，另一通道通过电流驱动器调制SOA，实现与波长扫描同步的强度控制。为抑制FFP-TF扫频转折区附近的抖动影响，将SOA在方波选通模式下的占空比设置为42%，使仅正向扫频段作为有效输出；在此条件下，获取波长-时间迹线作为基线。随后将SOA调制波形替换为目标高斯包络，并测量对应的瞬时输出功率迹线，与理想高斯波形比较。基于误差反馈，迭代更新调制查找表（包括幅度、中心位置和宽度参数），使单个自由光谱范围内逐渐获得接近高斯形状的扫频包络。为校正由正弦驱动和FFP-TF热漂移引起的扫频非线性，提取扫频源部分输出光，通过两个50/50光纤耦合器、偏振控制器和固定延迟光纤形成独立参考干涉仪，提供稳定的干涉条纹信号。检测参考干涉图的过零点并进行插值，建立时间-波数映射，作为样本干涉图非均匀时间重采样的波数空间基线，得到均匀波数轴上的干涉数据，从而校正扫频线性。在此基础上，构建了基于所提扫频源的SS-OCT系统。在实验评估中，使用平面镜作为单反射目标表征系统在包络整形前后轴向点扩散函数和旁瓣抑制性能。通过沿光路轴向平移镜面，测量不同成像深度的信号强度并获取系统灵敏度滚降曲线。此外，对人类手指进行活体成像，比较有无包络整形时生物组织OCT图像对精细结构细节的描绘和整体图像质量。结果与讨论 实验结果表明，所构建的扫频源在扫频过程中稳定工作，平均输出功率约14 mW，相干长度大于4 mm，波长扫描范围为1283.7-1343.9 nm（对应扫频带宽60.2 nm），重复频率16 kHz。经波数空间重采样校正后，OCT系统在空气中的轴向分辨率约15.6 μm，与理论值同量级，表明包络整形未明显降低分辨率同时保持了扫频范围和输出功率。静止镜测量的点扩散函数（PSF）进一步显示，整形前主瓣两侧出现强旁瓣，在多层样品中易累积成轴向伪影；当SOA由迭代优化的高斯调制驱动时，主瓣宽度基本不变，旁瓣降低超过14 dB，杂散条纹显著抑制，证实了源端高斯整形在抑制光谱旁瓣中的有效性。系统灵敏度滚降曲线表明，成像深度范围内灵敏度相对平坦，深部衰减主要由瞬时线宽、检测带宽和残余非线性共同决定。我们使用单A扫描周期内相位-时间关系的线性拟合决定系数R2量化扫频线性；校正后，扫频线性提高到约0.999991，表明扫频在OCT重建相关的时间尺度上非常接近理想线性。人类手指活体成像显示，无包络整形图像存在轴向拖尾和条纹状伪影，浅表精细结构对比度受限；经包络整形和扫频校正后，同一视场图像结构更清晰，感兴趣区域精细细节更清晰，背景噪声和伪影显著减少。整体图像对比度和结构连续性得到改善，表明所提方法对实际OCT图像质量有直接积极作用。结论 总而言之，本研究展示了一种基于FFP-TF和SOA的全光纤环形扫频源，在FPGA平台上实现了源端高斯包络整形和基于过零点的波数空间非线性校正。实验结果表明，在不增加自由空间光学复杂度的前提下，所提设计实现输出功率14 mW，相干长度4 mm，扫频带宽60.2 nm（1283.7-1343.9 nm），扫频速率16 kHz。经波数空间校正后，扫频线性达到0.999991，OCT系统轴向分辨率约15.6 μm，拍频信号旁瓣降低超过14 dB，显著抑制了轴向伪影并揭示了手指成像中更多结构细节。点扩散函数测量、灵敏度滚降和活体手指成像的综合结果验证了所提方法在抑制轴向伪影和提高图像对比度方面的有效性。该系统无附加自由空间光学复杂度，结构紧凑，工程实用性良好。
Keyword:
source
Gaussian envelope shaping
nonlinear correction
optical coherence tomography
Fabry-Perot tunable filter
期刊
C
IF:
1.9
论文数:
318
被引数:
4.3K
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