从激光器动态自适应地生成波长连续的且规定的波长对时间的扫描的系统和方法技术方案

一种系统（10，20）和方法，包括波长调谐机构和激光器路径长度调谐机构，以减少扫描范围内的不连续性。处理器（14）与波长监控装置（18）和所述调谐机构联接。所述处理器分析来自所述波长监控装置的数据，以在波长扫描中的不连续处调节波长调谐和腔长度调谐以减少不连续性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】从激光器动态自适应地生成波长连续的且规定的波长对时间的扫描的系统和方法相关申请本申请要求2011年7月22日递交的美国临时申请No.61/510,765的权益，该美国临时申请的内容通过引用并入文中。
本专利技术总体涉及使用扫频可调谐激光器，诸如光学相干断层扫描（OCT）、光频域反射计（OFDR）、光谱学、光学元件的遥感和测试，以使可调谐激光器的波长对时间的扫描连续、单调、且用于特定的时间廓线以改进系统的性能的装置和方法。
技术介绍
在使用激光器的波长扫描或频率扫描的应用中，存在用于接收关于该应用的精确的信息所需的三种特性：（1）波长扫描对时间的连续性和单调性；（2）扫描对时间的线性；和（3）随着时间和环境变化（例如温度、湿度）维持连续性、单调性和线性的能力。例如，分子气体吸收特征的形状可通过激光器的波长扫描中的不连续性-向前或向后跳动而变形。在另一示例中，波长不连续性可降低组织的OCT图像的质量。因此，期望消除来自波长扫描激光器的波长不连续性。图1A示出理想的激光器随着时间的连续的线性频率扫描。图1B示出示例性激光器随着时间的连续但非线性的频率扫描。图1C示出示例性激光器随着时间的不连续的频率扫描。在单模波长扫描激光器中的波长不连续性通常由从激光器的一个单纵模突然转变到另一单纵模造成，在该情况下这些模式的波长截然不同。这些转变一般被称作模跳。当激光器的一组模与激光器的另一组模之间发生突然转变时，当这两组的平均波长截然不同时，波长不连续性也可发生在多模波长扫描激光器中，例如傅里叶域锁模（FDML）激光器和其它激光器。即使当扫描是连续的且单调的，在许多应用中激光器波长遵循特定的时域廓线也是有利的。例如，在OCT中，优选地在光频对时间中，扫描对时间是线性的以能够进行扫描数据的傅里叶后处理。在其它应用中，例如OCT或电信测试，有利的是随时间非线性地扫描光频对时间以补偿被测试的装置或材料中的其它效应。在现有技术中，进行大量的尝试以减少或消除模跳和控制扫描廓线，但通常是令人不满意的或暂时性的。尽管也可以准确地消除在某一时间点的全部不连续性和非线性，但随着时间推移或（例如）温度的变化将形成另外的不连续性和非线性。例如，外腔激光器使用与增益介质联接的外腔机构以近似连续的单模进行操作。通过精确的、紧公差组件和腔的精确对准、或者使用实时调节腔长度的实时元件（诸如压电式换能器），来防止模跳。其它激光器构造使用腔内元件。随着时间推移，激光器的对准下降或者组件磨损，其可导致模跳和扫描廓线相对于时间的变化。当周围的温度或者压力变化时，对准可降低，这也可导致模跳和扫描廓线相对于时间的变化。（高速机械操作引起的）激光器外部的振动或者激光器内部的振动也可使得腔错位，这再次可导致模跳和扫描廓线相对于时间的变化。另一难题在于模跳可发生在具有机械调谐机构的激光器的波长扫描中的任何地方。因此，需要监控整个扫描以标记在激光器的扫描廓线中的波长不连续性和变化，并且针对这些变化校正激光器扫描。另一类型的用于产生扫描波长的单模激光器为单片式构造的半导体激光器。单片式半导体激光器包括位于半导体中的多个部分或段，其用作可调节的腔反射镜、激光增益、腔相位和（可选的）外部放大。单片式半导体激光器的示例为垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、具有微机电系统（MEMS）调谐结构的VCSEL、取样光栅分布布拉格反射式（SGDBR）激光器、超结构光栅分布式布拉格反射式（SSGDBR）激光器和类似的装置。因为这些激光器是单片式的且没有移动部件，故它们的腔室是极其稳定的且能够以窄的线宽和长的相干长度在单纵模下操作。这种类别的可调谐半导体激光器需要多个激光电流信号以调谐波长，这对于形成不存在波长不连续性的波长扫描具有挑战性。需要用于控制单片式半导体激光器、减少或消除在它们的波长扫描内的模跳、以及控制它们的波长对时间的扫描廓线（以形成例如线性）的装置和方法。具有集成光栅以实现调谐的单片式可调谐激光器目前在电信应用中是常见的。由于这些可调谐激光器提供了宽的波长调谐（例如1520纳米至1565纳米）和在同一单片式芯片上快速调谐（以微秒扫描）全部波长的能力，故这些可调谐激光器是独特的。在文中，这种可调谐激光器将被称作半导体单片式可调谐激光源（SMTLS）。SMTLS具有与后镜驱动和前镜驱动的组合相关联的波长区域。在图2中示出了波长对电流的图的复杂性。SMTLS装置被定义且开发以允许大量特定波长中的一个波长被输出，例如，允许选择任一个标准的（ITU）波长。在过去已经进行这样工作以允许：在激光器的调谐范围内的任何地方，SMTLS激光器从一个波长快速切换到另一波长，如在美国专利申请公布2009/0059972中所描述的。现有技术涉及使用初始波长和最终波长、与每一波长相关联的电流、以及反馈控制系统以快速地将激光器锁定至其目的波长的知识。该方法对于在需要从一个波长离散变化到另一目的波长的电信中的应用是有用的。
技术实现思路
在其他诸如电信组件的波长扫描测试、遥感和光学相干断层扫描的应用中，存在许多用以操作不是作为波长切换装置、而是作为波长扫描装置的激光器的动机。本专利技术中所使用的波长扫描，指随着时间从一个波长到另一波长的连续的（或阶梯式连续的）移动，优选地以线性的且单调的方式。对于扫描SMTLS的第一难题在于确定如何以连续的方式调谐多段激光器结构。激光器的每一段受到诸如电流或电压的参数控制，其导致复杂的多变量控制空间。通过测量在多个调谐电流（诸如激光器的前镜、后镜和相段）下的激光器的波长，可确定从较小波长移动至较大波长的连续路径。在图3中，调谐路径以标记为（a至i）的离散线示出。从标记为（a）的线开始，一组前镜电流和后镜电流（和未示出的相电流）可被选定，以沿着线（b）、线（c）、依次类推、到线（h）从高波长连续地到较低波长、或者从低光频到较高光频连续地调谐激光器的波长。在图3中，每一围住的区域表示激光器的模式。在每一区域的边界处，发生模跳。作为一个示例，SMTLS激光器中的模跳可为350皮米（pm）长。模跳的大小可利用相电流进行控制。然而，在图3中，变化相电流使波长图的细节改变。防止SMTLS中的波长不连续性需要理解如何调节SMTLS的波长扫描中的多个控制参数。形成和维持波长扫描的另一难题是，时间和温度极大地影响调谐图。这意味着为了精确地调谐线性，镜扫描路径（MSP）随着时间变化。在一次扫描的时间尺度（例如纳秒或微秒）上，调谐电流可被选择，使得激光器停留在用于那次扫描的特殊路径上，但是在较长的时间段（几分钟到几小时）上，未保持相同的一致性。因此，甚至SMTLS的波长连续性也必须随着时间推移进行校正。如何实现连续扫描的传统观点是“完全绝对的波长图”方法。一个用于形成连续扫描的方法为详细地绘制前镜、后镜以及相位激励相对于绝对波长的图，然后使用该详细的图以建立镜扫描路径以得到连续的且单调的波长对时间的结果。然而，该方法需要非常大量的数据点以实现高的波长线性精度，这是耗时的。通常，绝对波长测量需要相对昂贵的设备（例如，波长计或者光谱分析仪），该设备每次测量需要数秒。由于温度和老化引起的激光器的波长漂移，因此绝对波长测量方法需要定期进行，这意味着昂贵的绝对波长测量设备将需要提供在系统中或者作为系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种扫描激光器系统（10，20），包括：激光源（12）；激光器控制单元（16），所述激光器控制单元（16）与所述激光源操作地联接；和处理器（14），所述处理器（14）配置所述激光控制单元以控制所述激光源，从而实现遵循一组规定的扫描性能特征。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.07.22 US 61/510,7651.一种扫描激光器系统，包括：半导体激光源，所述半导体激光源可操作成在辐射扫描中离散地输出在波长范围内的辐射；激光器控制单元(16)，所述激光器控制单元(16)与所述半导体激光源操作地联接，其中所述半导体激光源配置成从所述激光器控制单元接收输入信号，以基于所述输入信号离散地改变所述波长范围内的辐射；和包括温度和湿度的环境因素以及组件的老化也对输出的辐射的波长有影响；扫描性能监控装置，所述扫描性能监控装置被配置成检测在所述扫描期间与所述半导体激光源的输出有关的至少一种物理特性，所述至少一种物理特性为选自波长、光学功率、边模抑制比和相位的至少一种；以及处理器(14)，所述处理器(14)配置所述激光器控制单元以控制所述半导体激光源，从而实现遵循一组规定的扫描性能特征，以及补偿包括温度和湿度的所述环境因素以及组件的老化对输出的辐射的影响；其中，扫描后反馈环应用于整个扫描，以在所述扫描期间调节每个中间波长的控制参数，并且，所述扫描性能监控装置联接至所述处理器，并且其中，所述辐射扫描的周期的时间尺度是纳秒或微秒。2.根据权利要求1所述的扫描激光器系统，其中，所述扫描性能监控装置包括选自波长监控装置、光学功率监控装置、相位监控装置、电压监控装置和电流监控装置的至少一种装置，或者包括用于测量光学功率对波长或者边模抑制比的光学功率监控器。3.根据权利要求1所述的扫描激光器系统，其中，所述处理器被配置成最小化在所述波长范围内输出的辐射的波长不连续性，或者减少当所述半导体激光源从一个单纵模调谐到另一单纵模时所述半导体激光源的波长变化的大小。4.根据权利要求1所述的扫描激光器系统，其中，所述规定的扫描性能特征包括以下的至少一者：波长和时间之间和/或光学频率和时间之间的线性关系；波长和时间之间的非线性关系以补偿介质中的效应；功率对时间的扫描，所述功率对时间的扫描相对于波长是恒定的或者相对于波长是高斯分布的；快速傅里叶变换窗函数的模仿；和频率和/或波长的光学系统损失的补偿。5.一种用于控制半导体激光源以在辐射扫描中输出波长范围内的辐射的方法，所述方法包括：从所述半导体激光源输出波长范围内的辐射，其中，所述半导体激光源配置成接收输入信号以基于所述输入信号离散地改变所述波长范围内的辐射；其中，包括温度和湿度的环境因素以及组件的老化也对输出的辐射有影响；检测与至少一种物理性能相关的数据，所述至少一种物理性能与在所述扫描期间所述波长范围内的辐射相关；处理所述数据并且改变对于所述半导体激光源的输入信号，从而实现遵循一组规定的扫描性能特征以及补偿包括温度和湿度的所述环境因素以及组件的老化对所述输出的辐射的影响；其中，扫描后反馈环应用于整个扫描，以在所述扫描期间调节每个中间波长的控制参数，并且其中，所述辐射扫描的周期的时间尺度是纳秒或微秒。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述数据被处理以最小化在所述半导...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·明尼曼，詹森·恩舍尔，丹尼斯·德里克森，迈克尔·克劳福德，
申请(专利权)人：因赛特光电子解决方案有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US