光學相干層析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）具有無損傷、非侵入和高分辨率的特點，在眼科等臨床領域應用廣泛，并榮獲被喻為“諾獎風向標”的2023年拉斯克獎，是一種應用前景廣闊的光學成像方法。而相位穩(wěn)定的高速掃頻激光器不僅有利于將OCT系統(tǒng)拓展到血管成像等相位敏感的功能成像應用中，還有助于提高成像速度，避免生物樣品抖動對成像結果的干擾，是掃頻OCT系統(tǒng)的核心器件，很大程度地影響OCT成像的效果。

近日，物理系博士生胡章偉等在導師薛平教授的指導下，研制成功一種新型的相位穩(wěn)定的高速線性掃頻激光器。該激光器利用基于聲光效應的調諧濾波器，不僅實現高度波數線性的掃頻激光輸出，還首次利用多普勒頻移補償的方式避免了諧振腔內由于聲光光柵運動累積造成的瞬時線寬的加寬。因此，在相同掃頻速度下，該掃頻光源的相干長度相比以前提升了5倍以上。該新型激光器掃頻速度500kHz，相干長度5.7mm，掃頻范圍~80nm，中心波長1310nm，波數線性度0.999991，輸出功率~18mW。同時，經過精心特別的設計，該光源腔長從之前的~50cm縮短到~5.5cm。該激光器因為得益于無運動部件的濾波器和集成式的諧振腔設計，不僅在高速掃頻下依然能保持良好的性能，還能在沒有使用額外硬件校準的連續(xù)5000個掃頻周期中，時間抖動小于14ps。這個數值遠優(yōu)于使用額外硬件校準后的商業(yè)掃頻激光器的時間抖動水平，展現了該掃頻激光器優(yōu)越的相位穩(wěn)定性。

圖1. (a)基于多普勒頻移補償的高速掃頻激光器原理圖 (b)掃頻光譜 (c)時域干涉信號 (d)相位線性擬合曲線，表明波數線性度高達0.999991 (e)深度0.5mm和4.5mm處OCT的軸向分辨率測量結果 (f)5000個連續(xù)掃頻的疊加 (g)5000個連續(xù)掃頻的時間抖動直方圖

圖2. 500kHz掃頻速度下的相干長度測量結果，(a)未補償多普勒頻移時相干長度為1.5mm (b)補償多普勒頻移后相干長度為5.7mm (c)圖(b)在10.5mm~11.5mm深度處的延展

圖3. 500 kHz掃頻速度下人體手掌的OCT和OCTA圖像，(a) OCT橫切面圖像，比例尺：0.5mm (b)OCT三維體圖像 (c)OCTA血管圖像

該掃頻激光器還在500 kHz的高速掃頻速度下展示了對人體手掌的在體OCT結構圖像和OCTA血管圖像，顯示了清晰和細節(jié)豐富的手掌皮膚結構和手掌血管圖像，證明了其在OCT及相位敏感的OCT功能成像應用中的卓越性能，為這種激光器應用到臨床醫(yī)療上奠定了重要基礎。

上述研究工作以“High-speed k-linear swept laser using acousto-optic deflectors with Doppler shift compensation for optical coherence tomography”為題發(fā)表在2023年12月20日的光學知名期刊Optics Letters上（https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-49-1-101），隨即被著名的Optical Coherence Tomography News列為featured article 進行了報道。

本工作獲得了國家自然科學基金委、北京量子信息前沿科學中心、清華大學精準醫(yī)學—精準外科戰(zhàn)略項目、麥戈文腦科學研究基金和國家計量科學研究院基礎研究重點計劃的資助。

文章來源：清華物理系，激光行業(yè)觀察

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