利用光的传播模式测量物质中的光学不均匀性和其他属性制造技术

本申请描述了用于控制可以包括一个或多个波导(272)的公共光路中的光的传播模式以传感样品(205)的设计、实施方式和技术。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及多种物质的非侵入、光学探测，包括但不限于人类和动物的皮肤、身体组织和器官。
技术介绍
通过非侵入光学手段来勘测物质是许多研究的目标，因为物质中的光-物质相互作用的不均匀性可以揭示其结构、组成、生理和生物信息。多种基于光学相干区域反射法(OCDR)的技术可以用于多种物质的光学探测，包括但不限于人类和动物的皮肤、身体组织和器官，以提供这些物质的层析成像测量。在许多OCDR系统中，将来自光源的光分为采样光束和基准光束，分别沿两个分离的光路传播。光源可以是部分相干光源。采样光束沿着其自身的光路传播，照射在待研究的物质(或样品)上，而基准光束沿分离的路径朝向基准表面传播。然后，使样品反射的光束与基准表面反射的光束彼此叠加，以进行光学干涉。因为基于波长的相位延迟的缘故，干涉不会导致可观察的条纹，除非采样和基准光束的两个光路长度非常近似。这提供了测距的物理机制。分束器可以用于分路来自光源的光，并组合反射米样光束和反射基准光束，以便在光检测器进行检测。使用相同的器件来分路和重组辐射主要是根据公知的迈克尔逊(Michelson)干涉仪。在 Born 和 Wolf 的“光学原理(Principles of Optics) ”, PergamonPress (1980)中总结了针对部分相干光的干涉的发现和理论。自由空间Michelson干涉仪中的低相干光用于测量目的。基于光纤元件的光学干涉仪用在以低相干光作为表现物质的特性的手段的多种仪器中。光纤OCDR的多种实施例可以在以下文件中所公开的器件中找到Sorin等,美国专利5，202, 745 ;Marcus等,美国专利 5，659，392 ；Mandella 等，美国专利 6，252，666 ；以及 Tearney 等，美国专利 6，421，164。将O⑶R以特定光学结构应用在医学诊断中已经公知为“光学相干层析成像”(OCT)。图I示出了用在如美国专利6，421，164和其他公开中所公开的多种光纤O⑶R系统中的典型光学布局。光纤分束器与两根光纤哨合，这两根光纤分别用于传导Michel son结构中的采样和基准光束。对于这些和其他实施方式中的大多数共同的是，首先，将来自低相干光源的光福射分为两个分离的光束，其中米样光束在样品波导中传播，与样品相互作用，而基准光束在基准波导中传播。然后，光纤分束器 组合来自样品的反射辐射和来自基准波导的基准光，以引起干涉。
技术实现思路
在本申请中描述的、用于非侵入光学探测的设计、技术和典型实施方式利用了沿一个或多个公共光波导内部实质上相同的光路传播的不同光波和模式的叠加和相互作用。当光波或模式之一与待研究物质相互作用时，其与另一光波或模式的叠加可以用于获取与物质的光学属性有关的信息的目的。在本申请中描述的方法和设备至少部分基于对多种技术问题的重视和在商用和用户友好设备中实现OCDR的实际考虑，以及由上述参考专利和其他公开所公开的OCDR系统中的各种技术限制。作为示例，与图I所示或前述专利中所描述的OCDR系统设计相关联的至少一个缺点是将基准光束与采样光束分离。由于光路的分离，两个光束之间的相对光学相位或差分延迟可能会经历不受控制的波动和变化，如不同的物理长度、振动、温度、波导弯曲等。例如，当样品臂是与基准臂分离的基于光纤的导管的形式时，对光纤的操作可能会引起采样和基准光束之间的差分相位的显著波动和漂移。这种波动和漂移可能会对测量造成不利的影响。例如，两个光束之间的差分相位的波动和漂移可能会引起相位敏感测量中的技术难题，如绝对折射率和双折射测量。在本申请中描述的多种示例中，并未物理地分隔光辐射，使其沿不同的光路传播。代替地，沿通过一个或多个公共光波导的实质上相同的光路，传导所有传播波和模式。这种具有公共光路的设计可以有利地用于在系统中出现环境波动时、稳定不同辐射波和模式之间的相对相位，如温度变化、系统尤其是波导的物理移动、对波导和系统的振动和声学冲击。在这个和其他方案中，设计本系统以废除多种基于干涉仪的系统中的双光束路径结构(其中样品光和基准光在部分不同的光路中传播)，以极大地减小差分相位延迟的上述波动和漂移。因此，本系统借助于其光学设计具有差分光学路径的“内在”稳定性，并且对于一些相位敏感测量是有益的，如确定绝对反射相位和双折射等。此外，本申请中所描述的技术和器件通过使用公共光路来传导光，简化了用于光学探测的器件的结构和光学配置。在多种应用中，获得样品内部、隔离体内的材料的吸收特性可能是有益的。在其他情况下，可能希望通过其特征谱吸收率，标识出一些物质的分布。在一些OCDR系统中，如前述专利中的系统，困难的是，针对这些和其他谱特性，直接进行光学不均匀性的测量。可以配置本申请中所描述的系统和技术，允许样品的这些和其他谱特性的直接测量。下面，描述典型实施方式，以示出本系统和技术的多种特征和优点。这种特征之一是通过利用低相干辐射的非侵入手段获取与物质中的光学不均匀性有关的信息的方法和设备。另一特征是通过消除将光辐射分为样品路径和基准路径的必要，实现高信号稳定性和高信噪比。例如，额外的特征包括可以进行如双折射和绝对折射率等相位解析测量的平台、获得与谱吸收率有关的光学不均匀性的能力、解决各种基于干涉仪的光学系统中由于偏振变化而引起的信号漂移和衰落的问题、以及以简单的光学排列有效地使用源辐射。这里所描述的系统和技术的优点尤其包括提高性能和设备可靠性、简化操作和维护、简化光学布局、降低设备复杂性、降低制造复杂性和成本。将描述用于光学传感样品的多种典型方法和技术。在一些实施方式中，两个不同光学传播模式(例如，第一和第二模式)的输入光通过公共输入光路通往光学探头，所述光学探头将第二模式的部分输入光发送到样品上。探头将第一模式的光和来自样品的、第二模式的返回光通过公共光路送往检测模块。例如，这里所描述的一种方法包括以下步骤。通过光波导，向样品传导第一传播模 式和第二、不同传播模式的光辐射。使第一传播模式的辐射远离样品，不到达样品。传导第二传播模式的辐射，与样品相互作用，以根据相互作用，产生返回辐射。将第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射耦合到远离样品的光波导中。接下来，使用来自光波导的第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射，以提取出样品的信息。作为另一示例，描述了一种用于对样品进行光学测量的器件，包括波导、探头和检测模块。波导支持第一传播模式和第二、不同传播模式，并用于接收和传导第一和第二传播模式的输入光束。探头与波导相耦合，以接收输入光束，并将第一传播模式的第一部分输入光束以第一传播模式反射回波导，并将第二传播模式的第二部分输入光束送往样品。探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并将反射输出到波导，作为第二传播模式的反射第二部分。检测模块用于接收波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。本申请还描述了使用一个输入波导向光学探头传导输入光以及使用另一输出波导传导来自光学探头的输出的器件。例如，一种用于对样品进行光学测量的器件可以包括输入波导，支持第一传播模式和第二、不同传播模式，接收并传导第一和第二传播模式的输入光束。所述器件还可以包括输出波导，支持第一和第二传播模式。在此器件中，探头可以与输入波导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对样品进行光学测量的设备，包括：a)光源；b)波导，至少支持第一和第二独立传播模式，并将来自光源的、第一传播模式的光辐射传导到待测样品的附近；c)探头，在样品的附近端接波导，并反转波导中、一部分第一传播模式的传播方向，同时将剩余的光辐射传向样品，所述探头用于控制来自样品的反射光为第二传播模式，并且在其中反转第一传播模式的那部分的传播方向的位置处与第一传播模式的那部分空间重叠并且共同传播；d)差分延迟调制器，传输来自探头和波导的、第一和第二传播模式的光，并改变第一和第二传播模式之间的相对光路长度；e)模式组合器，用于接收来自差分延迟调制器的光，并用于通过将每个模式的一部分转换为一对新模式，叠加第一和第二传播模式；f)至少一个光电检测器，用于接收两个新模式中的至少一个的光；以及g)电子控制器，与光电检测器进行通信，并用于从光电检测器的输出中提取出样品的信息。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：王飞凌，
申请(专利权)人：突慧公司，
类型：发明
国别省市：