垂直腔面發(fā)射激光器簡稱VCSEL，是一種半導(dǎo)體，其雷射垂直于頂面射出，與一般用切開的獨(dú)立芯片制成，雷射由邊緣射出的邊射型雷射有所不同。近日，國外研發(fā)出一種新型可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器，為OCT的應(yīng)用創(chuàng)造了新方向。
Thorlabs公司、Praevium Research公司和麻省理工學(xué)院（MIT）聯(lián)合研發(fā)出一種新型可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），可應(yīng)用于光學(xué)相干斷層掃描（OCT），比現(xiàn)有商業(yè)OCT系統(tǒng)的成像速度更快，成像范圍也有了顯著提高。同時(shí)，該項(xiàng)目也獲得了美國國立衛(wèi)生研究院癌癥研究所和眼科研究所（NCI和NEI）的支持。目前，正朝著商業(yè)化方向發(fā)展。
今年二月，在美國西部光電展BiOS熱門話題會議上，來自Thorlabs公司和MIT的Ben Potsaid詳細(xì)描述了該型光源如何通過激光諧振腔的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)快速掃描和可調(diào)諧輸出。
他說：“這種可調(diào)諧VCSEL采用單片設(shè)計(jì)，并使用靜電MEMS激勵(lì)器來控制激光諧振腔長度。激光諧振腔由兩塊反射鏡組成：一塊固定反射鏡形成其底面，另一塊懸浮反射鏡則形成其頂面。對電容板充電就可產(chǎn)生一個(gè)吸引力，向下拉動懸浮反射鏡，縮短諧振腔長度，于是就可以調(diào)諧光源，輸出更短波長的光。通過使用特殊形狀的電壓波驅(qū)動激勵(lì)器，就可按照掃頻源OCT的要求及時(shí)對激光波長進(jìn)行掃頻。”
1065 nm和1310 nm的原型設(shè)備已經(jīng)通過驗(yàn)證，結(jié)果表明它可以提供真正的單縱模光和無模式跳動的波長調(diào)諧。
這種MEMS激勵(lì)器的工作頻率也很高，可迅速調(diào)節(jié)微米尺度的諧振腔長度。已經(jīng)證實(shí)，該設(shè)備具有600 kHz的基本重復(fù)頻率。對于OCT而言，這意味著該設(shè)備可通過使用向前和向后掃描實(shí)現(xiàn)速率高達(dá)1.2 MHz的獨(dú)立A-掃描。據(jù)研究人員介紹，這一速率比標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)系統(tǒng)快50倍。
高速掃描速率非常重要，因?yàn)樗鼈冊谥T如眼科、血管和內(nèi)窺鏡成像等采集時(shí)間受限的應(yīng)用中依然可以獲取大型數(shù)據(jù)集。它們還可以在全面地組織覆蓋范圍內(nèi)獲得大量和密集的采樣數(shù)據(jù)集合。
實(shí)際的例子很多，比如眼科。1.2 MHz的A-掃描速率可以在病人眨眼或者不由自主地移動眼睛之前就可以完成對視網(wǎng)膜的大范圍掃描。另一個(gè)實(shí)例就是癌癥研究，使用微型OCT探針，可以1 MHz的A-掃描速率完成兔食管、結(jié)腸和胃的成像。這意味著，該技術(shù)在使用這種可調(diào)諧VCSEL實(shí)現(xiàn)人體內(nèi)窺鏡癌癥成像的應(yīng)用領(lǐng)域取得了進(jìn)步。
成像距離從毫米擴(kuò)展到米
在可用成像深度方面，這種可調(diào)諧VCSEL也有著顯著改善。隨著成像深度的增加，靈敏度會顯著下降，這是基于光譜儀或者頻域OCT面臨的挑戰(zhàn)。
在臨床眼科上，只要超出成像范圍幾個(gè)毫米，靈敏度限制就非常明顯。于是，臨床醫(yī)生通常必須選擇對視網(wǎng)膜的頂端或底端進(jìn)行成像，因?yàn)樗麄儫o法同時(shí)在一個(gè)較長的成像深度范圍內(nèi)以較好的靈敏度進(jìn)行成像。然而，這種VCSEL可以解決這一難題。
Potsaid評論道：“可調(diào)諧窄線寬和單縱模調(diào)諧使其能夠在以前無法想象的距離上，迅速對結(jié)構(gòu)體進(jìn)行測量。由于激光的相干長度長，信號可以在較長的距離上保持振幅基本一致，損耗非常小，而這一距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有幾個(gè)毫米的成像距離。”
西部光電展上引人注目的例子有：在15.2 cm的距離上以25 kHz的A-掃描速率對光學(xué)支柱進(jìn)行三維OCT成像；在8 cm的距離上以相同的掃描速率對淹沒在凝膠溶液中的子彈進(jìn)行三維OCT成像。
到目前為止，實(shí)驗(yàn)中測量過的最長物體是光學(xué)路徑長度為1.5米的光纜。掃描速率為20 kHz，采用單通道、非成像、干涉儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，但沒有進(jìn)行嚴(yán)格成像。近期發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》上的一篇文章詳細(xì)描述了這些實(shí)驗(yàn)。
Potsaid指出：“即使在空氣中，傳輸距離達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1.5 m時(shí)，損耗也僅為-10 dB；其它成像技術(shù)與其相比就顯得相形見絀了。”
對眼睛的整個(gè)長度進(jìn)行成像
在掃頻源OCT實(shí)際應(yīng)用中， A/D轉(zhuǎn)換器的性能是系統(tǒng)成像質(zhì)量的一個(gè)基本限制，但是在這些限制下，這種新型VCSEL所具備的可調(diào)整掃描軌跡和速率的能力，使其具有足夠的靈活性來適應(yīng)許多成像場景。
Potsaid說：“已經(jīng)證實(shí)，在眼科成像中，這種VCSEL可以580 kHz的A-掃描速率、83 nm的波長調(diào)諧范圍及8.9 μm的軸向分辨率對視網(wǎng)膜進(jìn)行掃描，提供適合視網(wǎng)膜成像的成像范圍。掃描前眼需要更長的成像范圍，但是，通過降低VCSEL的掃描速率，同時(shí)保證相同的光譜掃描范圍，則可以在犧牲分辨率的情況下實(shí)現(xiàn)前眼掃描。”
在對眼睛的整個(gè)長度進(jìn)行成像方面，可以更進(jìn)一步將VCSEL的掃描速率降到50 kHz，波長調(diào)節(jié)范圍減小到45 nm。這樣做，分辨率略有下降，但成像范圍足以包括眼睛的整個(gè)長度，從眼角膜到視網(wǎng)膜。
這樣的多功能性可以開辟出一些新的潛在應(yīng)用。Potsaid指出：“工業(yè)生產(chǎn)可能會受益于實(shí)時(shí)三維零件檢測和表面輪廓術(shù)，以幫助組裝和質(zhì)量控制。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這種擴(kuò)展的成像范圍可能會實(shí)現(xiàn)大型解剖結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)表征，比如上呼吸道。這對睡眠呼吸暫停的病理理解和潛在治療來說是非常重要的。它也可能會用于對由醫(yī)生操刀或機(jī)械手控制的手術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化和外科指導(dǎo)。”
研究小組將繼續(xù)開發(fā)和驗(yàn)證這種VCSEL系統(tǒng)及應(yīng)用，Thorlabs公司則致力于將該技術(shù)商業(yè)化，以提供一套完整的OCT成像系統(tǒng)和臺式激光源，或者作為掃頻源由原始設(shè)備制造商將其與系統(tǒng)進(jìn)行集成。
該項(xiàng)研究不僅是可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器的新突破，對OTC的應(yīng)用也是一項(xiàng)新突破，不僅可以深度成像，而且還能對整個(gè)長度進(jìn)行成像，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，相信該技術(shù)商業(yè)化將具有巨大的發(fā)展前景。#p#分頁標(biāo)題#e#
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