光學(xué)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(diǎn)，在眼科等臨床領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并榮獲被喻為“諾獎風(fēng)向標(biāo)”的2023年拉斯克獎，是一種應(yīng)用前景廣闊的光學(xué)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(yīng)用中，還有助于提高成像速度，避免生物樣品抖動對成像結(jié)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(dǎo)師薛平教授的指導(dǎo)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(yīng)的調(diào)諧濾波器，不僅實(shí)現(xiàn)高度波數(shù)線性的掃頻激光輸出，還首次利用多普勒頻移補(bǔ)償?shù)姆绞奖苊饬酥C振腔內(nèi)由于聲光光柵運(yùn)動累積造成的瞬時(shí)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(shù)線性度0.999991，輸出功率~18mW。同時(shí)，經(jīng)過精心特別的設(shè)計(jì)，該光源腔長從之前的~50cm縮短到~5.5cm。該激光器因?yàn)榈靡嬗跓o運(yùn)動部件的濾波器和集成式的諧振腔設(shè)計(jì)，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(zhǔn)的連續(xù)5000個(gè)掃頻周期中，時(shí)間抖動小于14ps。這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)優(yōu)于使用額外硬件校準(zhǔn)后的商業(yè)掃頻激光器的時(shí)間抖動水平，展現(xiàn)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(bǔ)償?shù)母咚賿哳l激光器原理圖 (b)掃頻光譜 (c)時(shí)域干涉信號 (d)相位線性擬合曲線，表明波數(shù)線性度高達(dá)0.999991 (e)深度0.5mm和4.5mm處OCT的軸向分辨率測量結(jié)果 (f)5000個(gè)連續(xù)掃頻的疊加 (g)5000個(gè)連續(xù)掃頻的時(shí)間抖動直方圖

圖2. 500kHz掃頻速度下的相干長度測量結(jié)果，(a)未補(bǔ)償多普勒頻移時(shí)相干長度為1.5mm (b)補(bǔ)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(jié)構(gòu)圖像和OCTA血管圖像，顯示了清晰和細(xì)節(jié)豐富的手掌皮膚結(jié)構(gòu)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(yīng)用中的卓越性能，為這種激光器應(yīng)用到臨床醫(yī)療上奠定了重要基礎(chǔ)。

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(xué)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(jìn)行了報(bào)道。

本工作獲得了國家自然科學(xué)基金委、北京量子信息前沿科學(xué)中心、清華大學(xué)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)—精準(zhǔn)外科戰(zhàn)略項(xiàng)目、麥戈文腦科學(xué)研究基金和國家計(jì)量科學(xué)研究院基礎(chǔ)研究重點(diǎn)計(jì)劃的資助。

文章來源：清華物理系，激光行業(yè)觀察

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