波长扫描光源制造技术

一种波长扫描光源，基于超短光脉冲相干源、掺杂光纤放大器和专用色散光学介质的组合，以产生经时间拉伸的脉冲。脉冲被展宽以具有覆盖针对特定波长扫描应用的感兴趣的波长范围的光谱带宽，并且此后在色散光学介质内经受时间拉伸，以便在时间上充分分离每个脉冲内的多个波长成分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】波长扫描光源相关申请的交叉引用本申请要求在2018年11月1日提交的美国临时申请62/754,082的权益，并通过引用将其在此并入。
本专利技术涉及一种波长扫描光源，并且更具体地涉及一种能够以相对快的扫描速率在宽的光谱范围上提供波长扫描输出的光源，该扫描速率对于成像、感测和光谱学应用是有用的(例如，扫描速率超过2MHz)。
技术介绍
除了将光学系统用于通信应用之外，在成像、感测和光谱学应用中使用基于激光的装置已经被证明是用于捕获和分析数据的有价值的技术。在各种这些系统中，具有有时被称为“宽带”光源并且被更恰当地被表征为“波长扫描”光源的光源是有用的，其中处于限定波长集合处的一系列光束被用于照射给定对象。由于对象的响应通常是照射光的波长的函数，所以跨对象“扫描”一组不同波长的动作提供了特征波长相关响应，该响应能够例如感测有毒气体的存在、识别桥跨度中的轻微变形的存在或者甚至帮助表征人体中发现的肿瘤。为了提供一致的和可重复的结果，重要的是用于产生扫描波长输出的激光源呈现尽可能高的相干水平。实际上，一些应用可能需要至少1mm的相干长度(“相干长度”是在传播光波的起点和终点之间存在明确定义的相位关系的跨度)。用于提供具有这种相干水平的扫描波长输出的激光源的普遍选择是“傅立叶域锁模”(FDML)激光器。在FMDL激光器中，通过调谐设置在激光腔内的可变带通滤波器来改变输出波长。调谐通常涉及某种类型的致动以调整滤波器的中心波长(通常是机械的，或者有时是热的)，因此不仅限制扫描速度(即，从一端到另一端跨越波长范围的扫描所需的时间)，而且还限制源的“占空比”，因为在开始下一次扫描之前，可调谐滤波器需要被重置为初始波长值。因此，对于任何类型的外部致动器/滤波器机构来控制波长扫描光源的需要固有地限制了可以实现的扫描速率和/或带宽，尤其是因为改进其性能的大多数尝试会增加最终产品的复杂性、尺寸和费用。
技术实现思路
本专利技术涉及一种波长扫描光源，并且更具体地涉及一种基于光纤的光源，其能够以远超过现有技术装置的扫描速率在宽的光谱范围上提供波长扫描输出，而不需要执行任何基于致动的输出波长的调谐。根据本专利技术的原理，波长扫描光源由相干脉冲激光源、基于光纤的光放大器和色散光学介质(在大多数情况下，实施为一段色散光纤)的组合形成。这些元件的参数被协调，使得来自色散光学介质的输出由一系列“经时间拉伸”的脉冲组成，其中在给定经拉伸的脉冲内的选定波长成分在可测量地不同(即，“相异”)的时间点离开光源。通过经由色散傅立叶变换(DFT)技术将一组波长成分映射到特定到达时间，设置在波长扫描光源的输出处的仪器将能够将时间序列与离开波长扫描光源的每个经时间拉伸的脉冲内的限定波长成分相关联。有利地，使用“经时间拉伸”的脉冲来产生波长扫描光输出消除了使用可调谐带通滤波器来产生波长扫描的需要，从而允许扫描速率相对于现有技术配置的显著增加。而且，由于不需要在循环之间手动“重置”可调谐滤波器，所以本专利技术的波长扫描光源能够利用比现有技术更高重复率的输入脉冲源。实际上，在本专利技术的示例性基于光纤的波长扫描光源的测试中使用了4.7MHz的重复率。本专利技术的波长扫描光源的各种元件的工作参数被协调以跨感兴趣的带宽范围提供可接受水平的输出功率均匀性。例如，本专利技术的实施例能够通过适当选择掺杂光纤放大器元件的工作参数，在相对宽的频谱范围上实现小于10dB的功率谱密度(PSD)变化。在一个或多个实施例中，相干脉冲激光源可以包括锁模光纤激光器(例如，8字形光纤激光器)，以提供超短(1ps以下)的“种子”脉冲作为放大器元件的输入。色散光学介质可以包括光纤、波导、体光学器件或任何其它适于支持光信号传播的介质。在优选实施例中，色散光学介质优选地被配置为呈现提供接近一的占空比的总色散。为了本专利技术的目的，这里使用的术语“占空比”被定义为执行完整的波长扫描所需的时间(tsweep)与完整的循环时间间隔(tcycle)的比率。本专利技术的示例性实施例可以采用波长扫描光源的形式，该波长扫描光源包括光脉冲(优选超短脉冲)的激光源、掺杂光纤光放大器和位于掺杂光纤光放大器的输出处的色散光学介质。掺杂光纤放大器响应于光脉冲和(选定波长和功率的)泵浦光束二者来产生经光谱展宽的输出脉冲，该输出脉冲在光谱展宽带宽内的预定的带宽上具有功率谱密度的最小变化。色散光学介质被配置为具有平均每单位长度色散Davg和预定的长度LDF(定义为Davg*LDF的总色散Dtot)，足以“时间拉伸”来自掺杂光纤光放大器的放大脉冲，使得脉冲内的不同波长成分在不同时间点离开色散光学介质。本专利技术的另一实施例涉及一种从光源产生波长扫描光输出的方法，该方法包括以下步骤：以预定的重复率提供一系列光脉冲，将光脉冲作为输入施加到基于光纤的光放大器，放大光脉冲并展宽每个脉冲以跨越预定的光谱带宽，然后使每个脉冲通过具有预定的平均色散Davg和预定的长度LDF(产生如上定义的总色散Dtot)的色散光学介质，以便时间拉伸在色散介质处接收的每个经光谱展宽的、放大的脉冲。经变换的输入光脉冲因此作为经时间拉伸的脉冲离开色散光学介质，其中每个脉冲的不同波长成分在不同的时间点离开色散光学介质，从而形成波长扫描光输出。另外，本专利技术的一个或多个实施例可以采用一种系统的形式，该系统包括具有预定值的种子平均功率和预定值的重复率的短脉冲种子输入、产生泵浦信号的泵浦激光二极管、组合种子输入和泵浦信号的波分复用器(“WDM”)以及具有长度LDF的色散介质，其中经放大的光源的光谱宽度和短脉冲种子输入的重复率与色散介质提供的色散量匹配，使得经拉伸的脉冲的波长成分不与后续脉冲重叠。在以下讨论过程中，通过参考相关附图，本专利技术的其它和进一步的方面和实施例将变得显而易见。附图说明现在参考附图，其中在几个视图中相似的数字表示相似的部件：图1是形成本专利技术的波长扫描光源的各种元件的简化框图；图2包含经时间拉伸的光脉冲的曲线图，示出了与经拉伸的光脉冲内的不同波长成分的到达相关联的“扫描时间”和与用作波长扫描光源的输入的相干脉冲的重复率相关联的“循环时间”之间的关系；图3是由本专利技术的波长扫描光源产生的示例性光谱的曲线图，示出了作为波长(底部刻度)的函数的功率谱密度(PSD)，其中沿着顶部刻度示出了光在光电检测器处的到达时间(定义“扫描时间”)；图4示出了根据本专利技术的原理形成的基于光纤的波长扫描光源的示例性实施例；以及图5示出了根据本专利技术的原理形成的基于光纤的波长扫描光源的替代实施例，在这种情况下，包括设置在掺杂光纤放大器和色散光纤输出元件之间的传输光纤。具体实施方式用于诸如光学相干断层扫描(OCT)的应用的波长扫描光源通常包括可调谐激光器。已知这些激光器呈现高的光谱亮度，并且仅需要相对简单的光学设计来产生跨可用波长范围的所需调谐。如上所述，传统的装置采用一种涉及一些机械致动(例如，可移动带通滤波元件的机械致动)的波长调谐类型，因此不仅限制了最大扫描速度，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种从光源生成波长扫描光输出的方法，包括：/n以预定的重复率提供一系列光输入脉冲；/n在基于光纤的光放大器内放大和展宽所述一系列光输入脉冲的每个光脉冲，使得每个经放大的输出脉冲跨越预定的光谱带宽；以及/n使每个经放大和经光谱展宽的输出脉冲通过具有预定的每单位长度平均色散D

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181101 US 62/754,0821.一种从光源生成波长扫描光输出的方法，包括：
以预定的重复率提供一系列光输入脉冲；
在基于光纤的光放大器内放大和展宽所述一系列光输入脉冲的每个光脉冲，使得每个经放大的输出脉冲跨越预定的光谱带宽；以及
使每个经放大和经光谱展宽的输出脉冲通过具有预定的每单位长度平均色散Davg和预定的长度LDF的色散光学介质，提供Davg*LDF的总色散Dtot，所述色散光学介质对每个传播脉冲执行时间拉伸，所述时间拉伸的量足以使每个经时间拉伸的脉冲的不同波长成分以间隔开的时间间隔离开所述色散光学介质，从而形成波长扫描光输出。


2.如权利要求1所述的方法，其中所述预定的重复率和所述预定的光谱带宽被选择为对应于预定的总色散Dtot，使得离开所述色散光学介质的经时间拉伸的脉冲在时间上不重叠。


3.如权利要求1所述的方法，其中所述光输入脉冲具有小于1ps的持续时间。


4.如权利要求3所述的方法，其中所述光输入脉冲具有小于300fs的持续时间。


5.如权利要求1所述的方法，其中所述光输入脉冲的预定的重复率不小于2MHz。


6.如权利要求5所述的方法，其中所述光输入脉冲的预定的重复率为约4.7MHz。


7.如权利要求1所述的方法，其中所述光输入脉冲呈现至少1mm的相干长度。


8.如权利要求1所述的方法，其中所述光脉冲呈现约60pJ的输出脉冲能量。


9.如权利要求1所述的方法，其中所述波长扫描光输出呈现至少2MHz的扫描速率。


10.如权利要求1所述的方法，其中所述色散光学介质的长度被选择为基本上等于脉冲重复频率、所述平均色散Davg和所述光谱带宽的乘积的倒数。


11.一种波长扫描光源，包括：
以预定的重复率提供的光输入脉冲的激光源；
掺杂光纤放大器，响应于所述光输入脉冲和具有选定的波长和功率的泵浦光束，所述掺杂光纤放大器产生在光谱展宽的区域内的预定的带宽上具有功率谱密度的最小变化的经光谱展宽的输出脉冲；以及
色散光学介质，具有每长度平均色散Davg和预定的长度LDF，提供被定义为Davg*LDF的总色散Dtot，所述色散光学介质被设置成接收来自所述掺杂光纤放大器的经放大的输出脉冲，其中，来自所述掺杂光纤放大器的输出脉冲在所述色散光学介质的出口处被充分地时间拉伸，使得从经时间拉伸的脉冲的第一波长成分到最后波长成分的时间间隔被相对于相干光输入脉冲的所述预定的重复率的倒数优化。


12.如权利要求11所述的波长扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·G·韦斯特加德，
申请(专利权)人：OFS菲特尔有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US