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阿拉维斯vs维戈塞尔塔: 可調諧激光器陣列系統.pdf

摘要
申請專利號:

维戈塞尔塔vs皇家社会 www.vmyqew.com.cn CN201480028463.7

申請日:

20140314

公開號:

CN105263415A

公開日:

20160120

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A61B6/00,G01B9/02,H01S3/00 主分類號: A61B6/00,G01B9/02,H01S3/00
申請人: 普雷維烏姆研究公司,統雷有限公司
發明人: V·賈亞拉曼,C·布格納,D·約翰,B·M·波特賽義德,A·E·凱布爾
地址: 美國加利福尼亞州
優先權: 61/793,604
專利代理機構: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 代理人: 馮劍明
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480028463.7

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

一種用于掃頻源光學相干層析成像的系統,系統包括在全波長范圍發射多路復用的波長掃描輻射的光源,光源包括發射具有N個波長軌跡的N個可調諧VCL輸出的N個波長掃描垂直腔激光器(VCL),用于匯合N個可調諧VCL光輸出進共用的光路以創建多路復用的波長掃描輻射的整合器,用于分離多路復用的波長掃描輻射至樣品和參考路徑的分離器,用于探測由在來自樣品的反射和穿過參考路徑的光之間的光干涉器產生的干涉信號的光探測器,以及使用干涉信號構造樣品圖像的信號處理系統,其中關于至少一個參數,N個波長軌跡中的至少一個不同于N個波長軌跡中的另一個。

權利要求書

1.一種用于掃頻源光學相干層析成像的系統,包括在全波長范圍發射多路復用的波長掃描輻射的光源,所述光源包括:發射具有N個波長軌跡的N個可調諧VCL輸出(115)的N個波長掃描垂直腔激光器(VCL)(100),其中N大于1;用于匯合所述N個可調諧VCL光輸出到共用的光路中以創建多路復用的波長掃描輻射的整合器(110);用于分離所述多路復用的波長掃描輻射至樣品(150)和參考路徑(140)的分離器;用于探測由所述樣品的反射和穿過所述參考路徑的光之間的光學干涉所產生的干涉信號的光探測器(170);以及使用所述干涉信號構造所述樣品的圖像的信號處理系統(190),其中,關于由波長重復頻率、波長掃描速度、相位轉換以及波長調諧范圍組成的組中的至少一個參數,所述N個波長軌跡中的至少一個本質上不同于所述N個波長軌跡中的另一個。2.根據權利要求1所述的系統,所述N個VCL中的每一個是電泵浦的。3.根據權利要求1所述的系統,所述N個VCL中的每一個是光泵浦的。4.根據權利要求1所述的系統,其中所述N個VCL中的每一個具有集成的VCL光泵。5.根據權利要求3所述的系統,其中使用單個光泵以泵浦全部所述N個VCL。6.根據權利要求1所述的系統,其中使用單個光放大器放大所述波長掃描輻射。7.根據權利要求1所述的系統,每個VCL與光放大器單片集成。8.根據權利要求1所述的系統,其中全部所述N個垂直腔激光器單片集成于同一襯底上。9.根據權利要求1所述的系統,其中所述N個垂直腔激光器中的至少一個為通過電壓源調諧的微機電系統(MEMS)-可調諧VCL。10.根據權利要求1所述的系統,其中所述N個垂直腔激光器中的每一個為通過電壓源調諧的微機電系統(MEMS)-可調諧VCL。11.根據權利要求1所述的系統,其中在任何一個時間點上,所述N個VCL可調諧輸出中只有一個被開啟。12.根據權利要求11所述的系統,其中所述N個垂直腔激光器中的每一個是電泵浦的,通過電泵浦驅動電流控制所述N個VCL輸出中的每一個的開啟和關閉。13.根據權利要求1所述的系統,其中所述N個垂直腔激光器中的每一個以不同的波長重復頻率重復掃描。14.根據權利要求1所述的系統,其中所述N個垂直腔激光器中的每一個以不同的波長帶寬掃描。15.根據權利要求14所述的系統,其中以更小的波長帶寬掃描的VCL用于更長距離成像,以更大的波長帶寬掃描的VCL用于更短距離成像。16.根據權利要求13所述的系統,其中以更慢的波長重復頻率掃描的VCL用于更長距離成像,以更快的波長重復頻率掃描的VCL用于更短距離成像。17.根據權利要求1所述的系統,所述N個垂直腔激光器中的每一個通過具有第一波長重復頻率的單調諧波形驅動,所述單調諧波形中的每一個是另一所述單調諧波形的相位轉換復制,所述多路復用的波長掃描輻射具有N倍于所述第一波長重復頻率的第二波長重復頻率。18.根據權利要求1所述的系統,其中所述N個垂直腔激光器包括在第一VCL波長調諧范圍發射第一VCL輸出的第一VCL和在第二VCL波長調諧范圍發射第二VCL輸出的第二VCL,其中所述全波長范圍為所述第一和第二VCL波長調諧范圍的組合。19.根據權利要求10所述的系統,其中所述N個垂直腔激光器中的至少一個以MEMS結構的機械共振方式驅動。20.根據權利要求10所述的系統,其中所述N個垂直腔激光器中的至少一個在真空環境中驅動。21.根據權利要求10所述的系統,其中所述N個垂直腔激光器中的每一個以MEMS結構的機械共振方式驅動。22.根據權利要求10所述的系統,還包括具有第一機械共振頻率的第一MEMS-VCL和具有基本不同于所述第一機械共振頻率的第二機械共振頻率的第二MEMS-VCL。23.根據權利要求10所述的系統,其中所述N個垂直腔激光器中的每一個在真空環境中驅動。24.根據權利要求20所述的系統,其中所述真空環境由真空的蝶形封裝提供。25.根據權利要求20所述的系統,其中所述真空環境由真空的晶體管封裝提供。26.根據權利要求20所述的系統,其中所述電壓源的最大驅動電壓低于10V。27.根據權利要求1所述的系統,其中所述全波長范圍包含在約750nm-900nm范圍內。28.根據權利要求1所述的系統,其中所述全波長范圍包含在約950nm-1150nm范圍內。29.根據權利要求1所述的系統,其中所述全波長范圍包含在約1200-1650nm范圍內。30.根據權利要求1所述的系統,其中所述全波長范圍包含在約1700-2300nm范圍內。31.根據權利要求1所述的系統,其中所述樣品為人眼。32.根據權利要求31所述的系統,其中所述圖像包括所述人眼的一部分前眼和一部分視網膜。33.根據權利要求1所述的系統,其中所述樣品包括人體組織。34.根據權利要求1所述的系統,其中所述樣品包括動物組織。

說明書

相關專利申請的交叉引用

本專利申請要求于2013年3月15日提交的當前未決的美國臨時專利申請號61/793,604的優先權。美國臨時專利申請61/793,604的公開內容通過引用并入本文。

技術領域

本發明一般涉及可調諧激光器和可調諧激光器應用、材料或樣品表征、材料或樣品改性、光學相干層析成像、光譜學、傳感器、測量、通信以及垂直腔激光器。

背景技術

波長可調諧激光器和寬可調諧激光器是用于對材料、物體或樣品進行表征或改性的一系列儀器、設備及工具的必要組件。波長可調諧激光器和寬可調諧激光器也用在傳感器中以及用于數據傳輸和通信。在許多應用中,連續地調諧波長(如波長隨時間掃描)且可能是根據期望的調諧配置文件來進行。在其它應用中,將激光調諧至特定的波長并且以該波長為主停留或保持固定在該波長一段時間。需要存在高度靈活和可配置的可調諧或者掃頻激光器光源,以適用于多種應用的特定需求。這里描述了由一系列激光器光源組成的激光器陣列,該激光器光源選擇具有特定性質的使得激光器陣列能被用于具有改進的性能或附加的功能的一系列應用上。激光器陣列的應用包括但不局限于:介入醫學、基礎研究、生物研究、激光光譜學、醫學成像、生物成像、工業成像、材料表征、樣品的形態表征、樣品改性、樣品刺激、光學傳感器、環境傳感器、健康傳感器、光學傳感、光學信號的產生、數據傳輸、數據通信和干涉測量。這些激光器陣列的中心波長覆蓋了從深紫外到遠紅外的整個光譜,調諧范圍覆蓋部分中心波長至基本超過全音階的調諧范圍。這些例子是大量激光器以及更具體地可調諧激光器有益的應用的子集,且應當理解本發明更一般地應用于超出所述特定應用之外的情況。

雖然本發明的某些實施例可以用在眾多的應用中,但是在特定應用的背景下考慮這些實施例是有幫助的。光學相干層析成像(OCT)是一種可以使用波長可調諧激光器實現的成像技術。光學相干層析成像(OCT)是可以提供高分辨率深度剖析或在樣品下面或表面的形態特征的一種非侵入性的成像技術。OCT也可以通過多普勒OCT提供發生在樣品里面的動態過程信息,通過光譜OCT提供樣品的光譜信息,通過偏振敏感OCT提供樣品的偏振和雙折射信息以及通過強度和相位敏感OCT提供偏移或運動的精確測量。OCT將用于提供對由在本文中描述的激光器陣列所帶來的益處的深入了解。為了更加清楚,將介紹基于使用VCL設備的例子,應當理解任何可調諧激光器可以替換VCL。最近幾年,相對于時域和頻域OCT系統,使用波長掃描激光器的掃頻光學相干層析成像(SSOCT)已表現出卓越的成像質量、卓越的成像范圍以及卓越的成像速度。微機電系統(MEMS)-可調諧垂直腔激光器(MEMS-VCL)由于其能夠實現長相干長度的真正單模無跳模操作和其能夠實現MHz波長掃描速率的短腔和低MEMS反射鏡質量,預計將成為新興的SSOCT系統中關鍵的掃頻源。這些優點在(V.Jayaraman,J.Jiang,B.Potsaid,G.Cole,JFujimoto,andA.Cable“Designandperformanceofbroadlytunable,narrowlinewidth,highrepetitionrate1310nmVCSELsforsweptsourceopticalcoherencetomography,”SPIEvolume8276paper82760D,2012.)中描述。采用一個VCL作為掃頻源的現有OCT系統能夠實現MHZ速率及>100nm的波長掃描范圍。然而成像速率和掃描軌跡仍受限于單個MEMS驅動器的機械共振和動態性質,并且波長掃描范圍仍受限于單個半導體增益介質的增益帶寬。現有的OCT系統也已使用具有平坦頻率響應的MEMS-VCSEL,通過增加基本驅動頻率諧函數(harmonics),能夠在單個的VCL中實現可變的波長掃描速率以及掃描軌跡的線性化。然而,在一些應用中,在裝置的MEMS機械共振中運行(利用真空環境下的低電壓運行)是有利的,如在(G.D.Cole,J.E.Bowers,K.L.Turner,andN.C.McDonald,“DynamicCharacterizationofMEMs-TunableVertical-CavitySOAs,”IEEE/LEOSInternationalConferenceonOpticalMEMSandTheirApplications(MOEMS2005),Oulu,Finland,1-4Aug.2005.)所述。

綜上,顯然對于可以在其中掃描速率不受限于MEMS反射鏡機械共振、波長調諧范圍不受限于單個半導體增益介質的增益帶寬以及利用低電壓和可能地共振運行的采用MEMS-VCL或者其它激光器技術的SS-OCT系統中使用光源是有顯著效果的。

發明內容

波長可調諧激光器是一種可以調諧輸出發射波長或光頻率的激光器(圖1),調諧可以在所定義范圍內是連續的,也可以通過階梯的方式實現,或者兩者的任意組合。波長調諧可以通過使用并入各激光器中的可調諧濾波器元件來實現,或通過使用依賴于外部因素如溫度、驅動電流或大氣壓強的固有波長來實現調諧??砜傻饜臣す餛魘且恢衷誑聿ǘ畏段誑傻饜車募す餛?。激光器的可調諧性對于可以表征樣品、永久改性樣品或影響樣品的大量應用如光譜學、原子或分子的激發、光學相干層析(OCT)成像、燒蝕、熱刺激、加熱、移動、熱沖擊、熒光激發或損耗中是有用的(圖2)??傻饜臣す餛饔糜詮馓講夂筒餼?LIDAR)系統中。作為使用一個自由空間或光纖設計的光學傳感器的輸入,激光器的波長可調諧性也是有用的(圖2)。激光器的波長可調諧性也可以用作數據或通信鏈路的一部分(圖2)。

本發明的一個實施例使用至少兩個激光器的陣列,其中陣列中的激光器輸出被多路復用進光學系統(圖3)。雖然可以理解在一般的發明中各光源或光為激光,但是對于使用VCL設計用于構造激光器陣列是有利的。雖然可以理解本發明包括使用非VCL光源的實施例,在一個實施例中,本發明使用至少兩個可調諧垂直腔激光器(VCL)的陣列,其中陣列中的VCL輸出被多路復用進光學系統(圖4)。本發明的一個實施例使用至少兩個可調諧垂直腔激光器(VCL)的陣列,其中陣列中的VCL輸出被復用進共用的光纖,創建具有比單獨使用單個VCL更優異性能的多路復用的波長掃描輻射。多個VCL的輸出也可以被復用進自由空間光學系統或可以利用自由空間和光纖的一些組合的系統。本發明的一個優選實施例采用通過單個驅動波形的相位轉換復制驅動的多個VCL的陣列,使得能夠實現其掃描速率超過使用一個VCL可能實現的掃描速率的多倍,以及較好的占空比。同樣,通過對各個VCL引入專用的驅動程序,使用自定義波形驅動各個VCL也可能獲得高于使用一個VCL可能獲得的掃描速率,但具有改進的掃描軌跡特性。另一實施例采用在不同波長范圍下操作的VCL以實現當VCL被一起多路復用時更寬的有效掃描范圍。在其它實施例中,陣列中的不同VCL具有不同的機械共振或在不同的帶寬下驅動,以實現連同可變的掃描速率用于單個設備中的長距離和短距離成像的共振操作。所述VCL也可以偏共振運行。更一般地,通過為多個VCL中的一個或多個塑造各種電學或光學驅動波形以實現進一步的靈活性。在使用之前或使用過程中合并對用于各自VCL中的一個或多個的調諧曲線形狀的控制與對波長范圍、以每單位時間的波長為單位的掃描速度、以及重復頻率的控制允許在運行過程中為改變樣品或樣品周圍的環境條件而優化VCL系統。對于多個電泵浦VCL(圖4),可以通過控制VCL的電輸入來控制輸出發射功率和波長調諧軌跡。對于多個光泵浦VCL(圖5),可以通過控制VCL中的泵浦功率和輸入驅動器的電信號來相應地控制輸出發射功率和波長調諧軌跡??梢允褂霉夥糯篤骼捶糯骎CL陣列中的功率輸出(圖6)。使用光放大器增加VCL的輸出或控制VCL的功率對于許多波長可調諧激光器應用來說是很重要的。例如,波長掃描激光器的其中一個應用為OCT成像,其中大的輸出功率對于高儀器靈敏度是可取的且更可選的是控制輸出功率作為波長的函數。光放大器可以用于電泵浦(圖6)和光泵浦(圖7)實施例??梢鑰刂平牘夥糯篤韉牡緇蜆饈淙肜炊跋熳魑奔淶暮募す餛髡罅械氖涑齬β?。在一些應用中當為高輸出功率時使用沒有光學放大的多VCL陣列輸出也是可能的且不需要控制輸出功率。

如上所述,通過為多個VCL中的一個或多個塑造各種電或光驅動波形以實現進一步的靈活性,可以理解的是有多個與基本激光器陣列不相關的設備也可以被采用來動態修改包括激光器陣列的各個激光器的光輸出。例如,選自眾多光學科學中公知的調制器中的電光調制器可以被方便用來控制波長、偏振、強度、相干或通常使用這樣的設備控制的任何其它屬性。本發明基本不同于其它使用大量激光器的系統,例如一排光電DFB或可調諧半導體后備激光器,因為本發明使對系統中每個激光器的具體性能特性的控制保持一致以創建具有超越個別激光器性能的擴展性能的多激光器系統。被控制的特性是以受控方式可影響的陣列內激光器的任何指標。這種控制允許本文中的激光器陣列用于以優于單個激光器執行的方式執行復雜的任務。不像排隊準備替代發生故障的激光器的大量后備激光器。與包含對陣列內激光器的系統性控制以擴展激光器陣列的性能的本發明相比之下,這樣的例子為多提供擴展的調諧范圍的激光器組合。更一般地,這種激光器陣列可以用于執行如本文所述的復雜功能。本發明提供先前存在的激光器系統不可能提供的性能水平,通過組合性能指標互補的一系列激光器,與允許所述互補特征被結合在一起或者以某些方式組合的電氣、電子和處理器控制一起使得可能在光學系統中使用這種激光器陣列從而獲得迄今為止得不到的結果。

本發明的一個實施例為一種掃頻光學相干層析成像系統。所述系統包括在全波長范圍發射多路復用的波長掃描輻射的光源。所述光源包括發射具有N個波長軌跡的N個可調諧VCL輸出的N個波長掃描垂直腔激光器(VCL),其中N大于1,用于匯合所述N個可調諧VCL光輸出進共用的光路以創建多路復用的波長掃描輻射的整合器,用于分離所述多路復用的波長掃描輻射至樣品和參考路徑的分離器,用于探測由所述樣品的反射和穿過所述參考路徑的光之間的光學干涉所產生的干涉信號的光輻射探測器,以及使用所述干涉信號構造所述樣品的圖像的信號處理系統,其中,關于由波長重復頻率、波長掃描速度、相位轉換以及波長調諧范圍組成的組中的至少一個參數,所述N個波長軌跡中的至少一條本質上不同于所述N個波長軌跡中的另一條。

在本發明更具體的實施例中,所述N個VCL是電泵浦的。在本發明另一具體的實施例中,所述N個VCL是光泵浦的。在本發明另一更具體的實施例中,所述N個VCL具有集成的VCL光泵。在本發明的一個實施例中,使用單個光泵以泵浦所有N個VCL。

在本發明的一個實施例中,使用單個光放大器放大波長掃描輻射。在本發明的一個實施例中,每個VCL與光放大器單片集成在一起。

在本發明的一個實施例中,所述N個垂直腔激光器單片集成于同一襯底上。

在本發明的一個實施例中,所述N個垂直腔激光器中的至少一個為通過電壓源調諧的MEMS-可調諧VCL。在本發明更具體的實施例中,所述N個垂直腔激光器中的每一個為通過電壓源調諧的MEMS-可調諧VCL。

在本發明的一個實施例中,其中在任何一個時間點上,所述N個VCL可調諧輸出中只有一個被開啟。在本發明更具體的實施例中,所述N個垂直腔激光器中的每一個使用電泵浦,所述N個VCL輸出中的每一個通過控制電泵浦驅動電流被開啟和關閉。

在本發明的一個實施例中,所述N個垂直腔激光器中的每一個以不同的波長重復頻率重復掃描。在本發明的一個實施例中。所述N個垂直腔激光器中的每一個以不同的波長帶寬掃描。在本發明的一個實施例中,以更小的波長帶寬掃描的VCL用于更長距離成像,以更大的波長帶寬掃描的VCL用于更短距離成像。在本發明的一個實施例中,以更慢的重復頻率掃描的VCL用于更長距離成像,以更快的重復頻率掃描的VCL用于更短距離成像。

在本發明的一個實施例中,所述N個垂直腔激光器中的每一個通過具有第一波長重復頻率的單調諧波形驅動,所述單調諧波形中的每一個為另一所述單調諧波形的相位轉換復制,所述多路復用的波長掃描輻射具有N倍于所述第一波長重復頻率的第二波長重復頻率。

在本發明的一個實施例中,所述N個垂直腔激光器包括在第一VCL波長范圍內發射第一VCL輸出的第一VCL和在第二VCL波長范圍發射第二VCL輸出的第二VCL,其中所述全波長范圍為所述第一和第二VCL波長范圍的組合。

在本發明的一個實施例中,所述N個垂直腔激光器中的至少一個以MEMS結構的機械共振方式驅動。在本發明的一個實施例中,所述N個垂直腔激光器中的至少一個在真空環境中驅動。在本發明的一個實施例中,所述N個垂直腔激光器中的每一個以MEMS結構的機械共振方式驅動。在本發明的一個實施例中,所述系統還包括具有第一機械共振頻率的第一MEMS-VCL和具有基本不同于所述第一機械共振頻率的第二機械共振頻率的第二MEMS-VCL。在本發明的一個實施例中,所述N個垂直腔激光器中的每一個在真空環境中驅動。在本發明更具體的實施例中,所述真空環境由真空的蝶式封裝提供。在本發明另一更具體的實施例中,所述真空環境由真空的晶體管封裝提供。

在本發明的一個實施例中,所述電壓源的最大驅動電壓低于10V。

在本發明的一個實施例中,所述全波長范圍包含在約750nm-900nm范圍內。在本發明的另一實施例中,所述全波長范圍包含在約950nm-1150nm范圍內?;故竊詒痙⒚韉囊桓鍪凳├?,所述全波長范圍包含在約1200-1650nm范圍內。在本發明的另一實施例中,所述全波長范圍包含在約1700-2300nm范圍內。

在本發明的一個實施例中,所述樣品為人眼。在本發明的一個實施例中,所述圖像包括所述人眼的一部分前眼和一部分視網膜。在本發明的一個實施例中,所述樣品包括人體組織。在本發明的另一實施例中,所述樣品包括動物組織。

可通過參考余下部分的說明書和附圖以獲得對本發明的性質和優點的進一步理解。

附圖說明

圖1是表示可調諧激光器或寬可調諧激光器波長調諧的曲線圖。

圖2是表示可調諧激光器示例性應用的一系列框圖。

圖3是表示激光器陣列的示意圖。

圖4是表示電泵浦的多個MEMS-VCL的陣列的示意圖。

圖5是表示光泵浦的多個MEMS-VCL的陣列的示意圖。

圖6是表示在OCT成像系統中使用的電泵浦的多個MEMS-VCL的陣列的示意圖。

圖7是表示在OCT成像系統中使用的光泵浦的多個MEMS-VCL的陣列的示意圖。

圖8是表示多個VCL交叉操作以獲得高重復頻率和占空比的一組曲線圖。

圖9是表示多個VCL交叉操作以獲得多路復用的輸出波長的一組曲線圖。

圖10是表示多個VCL交叉操作以獲得不同的掃描重復頻率的一組曲線圖。

圖11是表示多個VCL交叉操作以獲得選擇不同的掃描范圍的一組曲線圖。

圖12是表示多個掃描交叉操作的線圖,以獲得長距離感興趣區域(ROI)搜索能力以使用掃描追蹤物體實現采用OCT成像系統的更快速和更短距離成像。

圖13是表示使用激光器陣列的平行點成像的示意圖。

具體實施方式

根據本發明原理的說明性實施例描述旨在結合附圖閱讀,所有附圖被當作整個書面說明的一部分。在本文公開的發明實施例的描述中,任何涉及到方向或取向僅僅是為了方便描述而并不旨在以任何方式限制本發明的范圍。相對術語如“下方的”、“上方的”、“水平的”、“垂直的”、“在上面”、“向上”、“向下”、“頂部”和“底部”以及其派生詞(如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)應當解釋為指如隨后所述或如所討論的附圖中所述的取向。這些相對的術語僅是為了方便描述,除非明確指明是這樣,否則并不要求裝置以特定的取向構造或操作。除非另有明確說明,術語如“附接”、“貼”、“連接”、“聯接”、“互連”和類似術語是指其中結構被直接地或通過中間結構間接地固定或連接至另一結構,以及結構兩者都是可移動或剛性的連接或關系。此外,本發明的特征和益處是通過參考具有代表性的實施例來說明。因此特別地,本發明不應當局限于說明可單獨或以其它組合方式存在的特征的某些可能的非限制組合的示例性實施例;本發明的范圍由所附權利要求限定。

本發明描述了如目前所預期的實施本發明的一個或多個最佳模式。本描述并不旨在以限制性的意義來理解,而是根據參考附圖提供僅為了說明性目的提出的本發明的實例以建議本領域普通技術人員本發明的優點和結構。在附圖的各個視圖中,相同的參考符號表示相同的或相似的部件。

圖6表示在掃頻源OCT成像系統背景下的本發明的一個優選實施例的原理圖。N個電泵浦可調諧VCSEL的陣列100由N個電源105驅動。該VCL系列發射N個被匯合入單條光纖110中的輸出115。光纖110中的匯合輸出115通過單個光放大器120放大,該光放大器優選為半導體光放大器,但也可以是如光纖放大器的任何光放大器。理論上,多個VCL為晶元規模制作且單片集成于同一襯底上,如在GaAs襯底上的多個1050nmVCL或在GaAs襯底上晶元鍵合的多個1310nmVCL,正如在(V.Jayaraman,G.D.Cole,M.Robertson,A.Uddin,andA.Cable,“HighSweepRate1310nmMEMS-VCSELwitha150nmcontinuoustuningrange,”ElectronicsLetters,May5,2012.)以及(V.Jayaraman,G.D.Cole,M.Robertson,C.Burgner,D.John,A.Uddin,andA.Cable,“Rapidly-sweptUltra-widelytunable1060nmMEMS-VCSELs,”ElectronicsLetters,September6,2012.)中所描述。多個VCL可以是全部基本相同的設備,或取自大設計空間的不同設備的集合,該大設計空間包括但不限于基本不同波長、輸出功率、相干長度、調諧范圍、強度噪聲、波長抖動、偏振狀態或是其它與激光器設備普通相關的特性的多種參數。多個VCL也可以是由分開的晶元中切割出來并安裝在單個的子載波上或者是可以單獨封裝的多個VCL。一系列VCL的組合產生高度可適應的VCL系統,其發現如光譜學、介入醫學以及非侵入性成像的許多應用。雖然存在遠超過這三個例子的眾多的應用,但是將使用非侵入性成像作為一個示例性應用。

對于OCT成像應用,放大后的輸出130被分流至參考路徑140和樣品150。來自樣品的反射光和穿過參考路徑的光被匯合進單一的光路160并且打到光探測器170上。探測器170產生干涉信號180,其通過信號處理系統190處理以產生樣品150的深度輪廓。盡管如圖6所示的參考路徑涉及到鏡子表面的背向反射,但是該參考路徑也可以作為簡單的光延遲實現。圖6中的系統可以包括許多其它元素,如x-y掃描以創建樣品150的2維和3維圖像。在優選的實施例中,陣列100中的每一個VCL為通過電壓驅動的MEMS-可調諧VCL,但在可替代的實施例中,VCL可以通過壓電或通過類似液晶,更一般地,任何光學、電光或電光學機械設備的腔內折射率調諧元件來調諧。此外,對于一些應用,一個或多個VCSEL與一個或多個非VCSEL光源的組合將是有利的;外腔半導體掃頻激光器光源、可調諧光纖激光器以及VCL和非VCL的固定波長光源。圖6中的優選實施例可以由可替代的實施例所替代,可替代的實施例為一個或多個VCL輸出具有獨立的光放大器或光纖由自由空間的光路替代。此外,一些應用可受益于保持在一條或多條光纖上以便允許VCL集合的一些任意子集與剩余VCL稍微分開定向使用的一個或多個VCL。

圖7表示了在OCT背景下采用使用單個主光泵200的多個光泵浦VCL的可替代的實施例。其它的實施例可以對每個VCL使用單獨的光泵浦,如在(V.Jayaraman,T.J.Goodnough,T.L.Beam,F.M.Ahedo,andR.A.Maurice,“Continuouswaveoperationofsingletransversemode1310nmVCSELupto115C,”IEEEPhotonicsTechnologyLettersvol.12,no.12,December,2000.)中描述的集成的VCL光泵。

可以以各種方式使用圖6和7中的VCL陣列以在共用的光纖110中創建能夠實現更高的速度、更高的分辨率或更多的多路復用SS-OCT的多路復用的波長掃描輻射。例如,每個VCL可以過驅動,只使用成像所需的部分波長軌跡。使用在具有明顯大于用來掃描橫跨VCL帶寬所需的自由光譜范圍的掃頻VCL內的可調諧濾波器,有可能獲得可以從百分之幾變化到100%的負載比(掃描激光器調諧周期與系統的整個周期的比)。使用一系列這樣如圖6中所配置的VCL,那么可以把一系列獨立的VCL掃描一起拼接在較大的整個周期內。這樣的系統將提供從使用一個到多于一個的或者圖6中所有的一系列VCL。

這在真空中特別有利,其中使用低電壓能夠獲得圍繞VCL腔的不止一個自由波譜范圍的非常大的偏轉,如在(G.D.Cole,J.E.Bowers,K.L.Turner,andN.C.McDonald,“DynamicCharacterizationofMEMs-TunableVertical-CavitySOAs,”IEEE/LEOSInternationalConferenceonOpticalMEMSandTheirApplications(MOEMS2005),Oulu,Finland,1-4Aug.2005.)中所描述。在這樣的操作下,VCL只在有用的部分波長掃描期間開啟和在不需要的部分波長掃描期間關閉。在優選的實施例中,所述VCL為通過驅動電流105控制開啟和關閉的電泵浦VCL。圖8中表示了對于兩個電泵浦VCL陣列情況的典型驅動波形的典型實例。用實線表示用于第一VCL1的波形,用虛線表示那些與第二VCL2相關的波形。如圖8B所示,每個VCL通過基本相同但相位轉換的波形過驅動。圖8C中所示的共用的光纖110中的多路復用輸出包括都來自兩個VCL的兩倍于單個VCL的波長掃描重復周期的波長掃描。單獨的VCL1和VCL2通過圖8A中所示的驅動電流波形在合適的時間段開啟和關閉。應當理解的是有多種方法用于基本實現圖8C中所示的結果,例如,如果VCL調諧部分的FSR基本大于VCL的調諧范圍,則不需要圖8A中所示的調諧開啟和關閉。因此我們的目的是描述VCL陣列的大體操作以強調其有用性,同時理解對于VCL陣列有許多操作模式。

圖8中的實例說明了VCL輸出115中的每一個在基本相同的波長范圍內掃描的情況。圖9說明了用于采用在第一波長范圍內300發射的第一電泵浦VCL以及在第二波長范圍內310發射的第二電泵浦VCL的另一優選實施例的波形,如圖9C所示。如圖所示,每個VCL通過圖9B中的調諧波形被在其波長范圍內雙向調諧。如圖所示,通過圖9A中驅動電流波形開啟和關閉每個VCSEL。如圖9C所示,最終結果為光纖110中的多路復用輸出中的波長范圍,該波長范圍為VCL1的第一波長范圍和VCL2的第二波長范圍的組合。如同本文中的所有實例,激光器陣列可以是電泵浦VCL、光泵浦VCL或非VCL掃頻或固定激光器光源的任何組合。光器陣列的輸出或者是獨立保持在自由空間中、或在光纖中、或與用于隨后使用在更大的系統或應用上的陣列中的多個其它激光器中的一個進行組合。

圖10說明了另一優選的實施例,其中第一和第二VCL在相同的波長范圍內但以兩波長重復頻率驅動以相應地實現短距離高速成像和長距離低速成像。只有VCL1打開一段時間以獲得第一圖像,而只有VCL2打開一定時間段以獲得第二圖像?;蛘?,兩個VCL可以同時打開,且如果由兩VCL產生的干涉信號落在非重疊頻帶范圍內,兩信號在電子器件中反褶積。在理想的實施例中,VCL1和VCL2都具有不同的機械共振且每一個在由真空密封的封裝如蝶形封裝所提供的真空環境中驅動?;蛘?,VCL1和VCL2可以同時打開但具有充分分開的非重疊波長掃描范圍,以允許光學元件如二向色或者波長選擇性分束器對于給定應用在適當的點分離信號。另一備選的方案為使用在時間和波長調諧范圍都重疊但為不同的偏振以允許使用偏振分束器來分離兩個VCL光源的兩個VCL。技術人員現在毫無疑問能夠理解,作為可以用在大量應用中的高適應性激光器系統的VCL陣列具有超過傳統激光器系統的實質性益處。

圖11說明了另一優選的實施例,其中第一VCL在寬調諧范圍內驅動,第二VCL在窄調諧范圍內驅動,以能夠實現短距離高分辨率成像或較長距離較低分辨率成像。圖10和11中的方法可以合并以使每個VCL不僅在不同的波長帶寬范圍且以不同的波長重復頻率操作。在特定的時間只有一個VCSEL打開以實現每次一種成像模式。

圖12說明了另一優選的實施例,其中系統配置為捕捉移動樣品的3D圖像。VCL1在具有支持長成像距離的采樣間隔的調諧范圍內驅動。該VCL1用來定位感興趣區域(ROI)和提供隨著樣品移動的周期性的更新。對于一些應用,使用單個A-掃描來獲取位置數據。然后使用VCL2來獲取來自樣品的成像數據。來自VCL1的位置掃描數量與來自VCL2的成像掃描數量的比值可以根據應用視情況調整。對于緩慢移動的樣品,VCL1可以用來定位中間由成像激光器VCL2產生的大量掃描的樣品。圖12高度簡化為成像掃描與位置掃描的比值通常為明顯大于所示的數值。此外,在更一般的情況下,可以有M個定位激光器和N個成像激光器以便獲得對樣品運動的更全面的了解。較大的成像系統將具有用于補償由M個定位激光器報告的樣品運動的設備。假設樣品緩慢移動,那么成像時間可以遠大于定位時間,因此一個定位激光器繞著樣品的路線以便提供一維以上的移動數據。系統的精確結構需高度依賴于應用,本發明的益處是其能夠用于許多不同的情況和成像場景。在用于OCT成像的一個實施例中,可以基于來自ROI發現、長距離成像掃描OCT信息的測量來調整參考臂長度。

圖13說明了用于多空間位置同時成像的多光束光學相干層析成像的本發明另一優選的實施例。這里,每個光學輸出指向樣品上不同的物理位置。在對眼睛成像的情況下,如果每個VCL在約980-1120nm的范圍內運行且發射約15mW的光纖耦合輸出光功率,則優選地不對每個VCL都進行光放大。然而,可以使用單獨的光放大器。優選的實施例也使用多個電泵浦VCL。在可替代的實施例中,每個VCL被光放大和/或光泵浦??梢醞ü朊扛鯲CL單個集成的集成光放大器提供放大,如在(M.Nakahama,T.Shimada,andF.Koyama,“LateralIntegrationofMEMS-VCSELandslowlightamplifierboostingsinglemodepower,”IEICEElectronicsExpress,vol.9,no.6,pp.544-551,2012.)中所描述。對于接近1310nm的操作和對于成像高散射組織,可能需要每個VCL的光放大。也可以通過集成的光泵浦完成,如先前在(V.Jayaraman,T.J.Goodnough,T.L.Beam,F.M.Ahedo,andR.A.Maurice,“Continuouswaveoperationofsingletransversemode1310nmVCSELupto115C,”IEEEPhotonicsTechnologyLettersvol.12,no.12,December,2000.)中所完成的。

圖8-12中所示的實例表示兩個VCL,但這僅僅是為了用于說明性目的,所示概念可以擴展到N個VCL或N個非VCL,或者是VCL和非VCL設備的任意組合。此外,通過本說明書和下面的權利要求書,術語VCL輸出被用于指放大后的或非放大后的輸出,這取決于上下文。例如,具有集成放大器的VCL的VCL輸出指的是放大后的VCL輸出。雖然圖8-12中所示的示例是在OCT成像的背景下解釋,基本的交叉掃描概念對于其它的可調諧激光器應用和相應地應用是有利的。例如,在光譜學應用中,長但是粗采樣的掃描可以和快速的短掃描交叉使用,以都對較長時間區間的長范圍波長的總光譜響應和特定的感興趣波長的快速更新且短時間區間的光譜響應進行監控。通過交叉使用具有不同掃描波長的兩個或多個激光器也能獲得用于光譜學的擴展的波長掃描。

在一些應用中,在激光器陣列中組合掃頻和非掃頻激光器光源是可取的。例如,可以使用固定的波長探測光束用于準備通過掃頻激光器光源隨后詢問的樣品。

為表征樣品的雙折射性質,使用具有不同偏振狀態的光探測樣品是有利的。激光器陣列中的多個激光器能夠輸出不同的偏振狀態到光纖或自由空間光系統中。不同激光器輸出之間的切換改變發射的偏振狀態。例如,具有輸出不同偏振狀態的能力對于偏振OCT來說是有益處的。光傳感器、存儲器、存儲設備、全息器件、液晶裝置以及表征/檢查設備,如用于質量控制的設備,可使用偏振光且受益于由激光器陣列實現的快速偏振切換。對于使用掃頻或可調波長光源的加密或提高吞吐量的通信,數據傳輸也可以使用偏振狀態編碼或壓縮。在呼吸分析中,一個或多個激光器將被用來監控在呼吸周期中取自激光器陣列中的其它激光器的其他數據的位置。很像本文所描述的移動追蹤應用,使用追蹤激光器記錄長期呼吸周期,與此同時并行使用多光譜測量減少當前測量系統中固有的取樣誤差。

雖然本發明的內容已經參考其優選和替代實施例以具體示出和描述,但是本領域的技術人員應該理解,其中在形式和細節上可以有各種改變而不脫離由所附權利要求限定的本發明的精神和范圍。另外,雖然本發明已經被相當詳細地描述并具有與幾個所描述的實施例相關的一定的特殊性,這并不意味著它應該被限制到任何這樣的細節或實施例或任何特定實施例中,但是它是應當參考所附的權利要求解釋以在考慮到現有技術的情況下提供對這些權利要求最廣泛的可能的解釋,從而有效地涵蓋本發明的預期范圍。另外,前面就發明人可預見的實施例對本發明進行了描述,因為可實施的描述是有效的,盡管本發明的非實質性的修改,不是目前所預見的,仍然可以代表其等同物。

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