一种用于光纤耦合式太赫兹时域光谱系统的高稳定光学延迟线设计

对于光纤耦合式太赫兹时域光谱系统,其工作稳定性主要受限于光学延迟线延迟扫描过程中的插损稳定性.为了解决这一问题,设计了一种新型的高稳定光学延迟扫描装置.将新型光学延迟线与传统光学延迟线进行光学仿真公差分析表明,当其内部的角锥反射镜和光纤准直器具有相同程度的倾斜和偏心条件时,新型光学延迟线所获得的耦合效率波动量远小于传统...     

双光栅快速扫描光学延迟线的色散补偿

光学相干层析成像(OCT)系统的纵向分辨力不仅与光源的带宽有关,而且与系统中两干涉臂间的色散匹配有关。如果色散没有得到精确匹配,将使光学相干层析成像系统的纵向分辨力达不到所预期的理论值。色散问题在超高分辨光学相干层析成像系统中尤为突出。提出了一种基于双光栅快速扫描光学延迟线(RSOD),用于光学相干层析成像系统的色散补偿。该方法中新增的光栅引入了光栅间距这一独立变量,其与常规单光栅快速扫描光学延迟线机构中的光栅离焦量一起,可使光学相干层析成像系统中的群速度色散(GVD)和三阶色散(TOD)同时得到补偿。分析了双光栅快速扫描光学延迟线的色散特性和色散调节原则,并提供了一个典型光学相干层析成像系统中的色散补偿实例。     

信息光学实验装置的调整

4f′光学滤波系统是信息光学实验中最常用的光学系统。它要求正变换透镜L_1的后焦面与付里叶逆变换透镜L_2的前焦面重合,并要求确定L_1的前焦面、谱面、L_2的后焦面。本文介绍一种快速准确定位的莫尔条纹法。     

空间碎片天基光学探测系统离焦问题分析

从相对距离、大气压力、温度变化三个方面分析了天基光学探测系统离焦产生的原因及离焦变化情况,提出通过离焦调制传递函数模型分析离焦对系统性能影响的方案,仿真分析了不同离焦量下系统等效调制传递函数的变化及其对成像质量的影响.结果表明,随着离焦量的增加,图像质量逐渐下降,相对距离变化导致的离焦为正值,大气压力变化导致的离焦为负值,温度变化导致的离焦在中心温度左右有正有负,三者导致的离焦量可部分抵消.该研究为天基光学探测系统的设计、补偿措施的制定以及性能评估提供了数据支持.     

基于旋转扫描探头的OCT内窥成像系统设计

为了同时获取样品的表面和深度信息,研究光学相干层析的成像原理,建立了基于光学相干层析技术的内窥系统,实现了旋转扫描成像,系统的工作波长为1 310 nm,工作带宽为80 nm.理论推导及计算机仿真得到了系统信噪比与干涉仪的分光比、反射率之间的关系并分析了理论分辨率和探测深度.提出外径为5 mm的内窥镜扫描探头,聚焦距离为12 mm,数值孔径NA为0.47,折射率分布常量A=0.218 7.利用微型电机驱动直角棱镜实现扫描,旋转速度为25 rpm,旋转一周得到640个采样点.采用多层盖玻片和洋葱表皮作为样品进行实验分析,得到了盖玻片和洋葱的图像,横向分辨率和纵向分辨率分别为10 μm和15 μm.结果表明,设计的光学相干层析内窥系统能够用于旋转扫描成像,获取更多的组织信息.     

光学相干层析成像色散补偿研究

针对通过增加光源谱宽度来提高光学相干层析成像系统分辨率时样品色散特性的限制作用,分析了色散与光学相干层析成像系统纵向光程分辨率的约束关系.根据物质色散特性,采用数值变换方法对光学相干层析成像相干成像信号进行了色散补偿.实验使用了中心波长1 550 nm 自激发辐射光源和光纤迈克尓逊干涉结构,对水和光学快速扫描延迟线引入的二阶和三阶色散进行了数值补偿并通过相位修正因子来改善补偿效果.确定了一种普适的、快速的数值色散补偿方法.在对水中盖玻片和生物组织和的光学相干层析成像图像的色散补偿实验中取得了良好的效果,证明了方法的可行性.     

系统中基于快速扫描光学延迟线的色散补偿

分析了光学相干层析成像(Optical Coherence Temography,OCT)系统中色散失配对系统纵向分辨率的影响,详细阐述了快速扫描光学延迟线(Rapid Scanning Optical Delay Line,RSOD)的色散性质,提出并采用基于RSOD的色散补偿方法,实验验证了这种色散补偿方法能够实现OCT系统的纵向分辨率接近于理论值,并因此得到了高质量的OCT图像.     

超快太赫兹时域光谱系统

超快太赫兹时域光谱系统是基于高速异步光学采样原理进行工作的,该系统使用2个重复频率可在1 GHz附近变化的飞秒振荡器,并使用高带宽反馈电路控制其重复频率。2个飞秒振荡器的重复频率存在Δf的失谐,一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz+Δf Hz,为泵浦脉冲;另一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz,为探测脉冲,由此提供泵浦脉冲和探针脉冲的时间差,时间延迟呈周期性变化,其扫描周期可以由1/Δf给出。此系统摒弃了传统THz-TDS系统所必需的机械延迟线,采用双光子探测器来产生触发信号。当设定Δf=1 kHz时,1 ms就可以探测出1个THz谱, 用时10.3 s即可得到动态范围为21 dB、频谱分辨率为5 GHz的太赫兹信号。该系统具有检测速度快和频谱分辨率高的优点,在需要快速测量的应用环境中有着传统太赫兹时域光谱系统不可比拟的优势。     

光学相干层析成像色散补偿研究

针对通过增加光源谱宽度来提高光学相干层析成像系统分辨率时样品色散特性的限制作用,分析了色散与光学相干层析成像系统纵向光程分辨率的约束关系.根据物质色散特性,采用数值变换方法对光学相干层析成像相干成像信号进行了色散补偿.实验使用了中心波长1550nm自激发辐射光源和光纤迈克尓逊干涉结构,对水和光学快速扫描延迟线引入的二阶和三阶色散进行了数值补偿并通过相位修正因子来改善补偿效果.确定了一种普适的、快速的数值色散补偿方法.在对水中盖玻片和生物组织和的光学相干层析成像图像的色散补偿实验中取得了良好的效果,证明了方法的可行性.     

频域光学相干层析术系统中高准确度高灵敏度补偿色散法

将色散测量方法和快速扫描延迟线技术相结合,在谱域光学相干层析系统中实现了对群延迟色散的精确补偿.在该方法中,先在样品臂中放入平面反射镜,等间隔移动参考臂中快速扫描延迟线系统中光栅的位置,同时测量系统参考臂和样品臂之间的群延迟色散差值.当该值为零时,则表明系统色散匹配.将该方法与基于点扩散函数半高宽的方法进行比较,发现基于半高宽方法的测量误差为4.43%,而该方法的测量误差为0.76%;在色散补偿过程中,随着色散匹配点的靠近,半高宽方法的灵敏度由92.105 3fs2减小到1.344 7×103 fs2,而新方法的灵敏度则保持165.789 5fs2,表明本文提出的色散补偿法具有较高的色散补偿准确度和灵敏度.实验表明,色散补偿后的系统分辨率接近理论值;在补偿系统色散的同时,还可以根据测量所得色散值的符号来判定光栅的移动方向,从而更容易地完成补偿工作.     

基于快速扫描光学延迟线谐振扫描的相位调制方法

提出利用快速扫描光学延迟线(Rapid Scanning Optical Delay Line,RSOD)作为光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)系统的相位调制器,并采用正弦驱动方式(谐振扫描)来提高扫描频率,进而实现高频相位调制的方法.介绍了基于RSOD相位调制器的干涉信号包络解调方法,分析了大振镜低频率线性驱动、小振镜高频线性驱动和大振镜高速正弦驱动三种实施方案对OCT性能的影响,并针对谐振扫描方案中轴向扫描的非线性提出了图像畸变定量校正的方法.结果表明:RSOD大振镜谐振扫描的模式能够兼顾系统成像速度、成像范围以及系统信噪比的要求,是一种行之有效的相位调制方法.     

用于光纤传像束的折-衍混合光学耦接器研究

在光学耦接器设计中引入衍射面,根据衍射光学元件的三级像差理论,分析了衍射面初始结构参量的求解规律,通过理论计算和ZEMAX光学软件的优化,给出工作波长0.4~0.7 μm,焦距27.5 mm,光学长度为64 mm,采用一个衍射面的耦接器设计实例.该耦接器适用于单丝直径16 μm,截面直径为6 mm的光纤传像束.对设计结果的分析表明,折-衍混合耦接器不仅在光学性能方面优于传统的光学耦接器,而且在尺寸和重量上有非常显著的减少.     

光学相干层析成像轴向超分辨研究

为了提高光学相干层析成像(OCT)的轴向分辨率,采用OCT与光学超分辨术相结合的方法,设计了三区相位型和振幅型两种光瞳滤波器,并将制作的光瞳滤波器应用于系统的样品臂中,分别测量不同条件下对应的轴向响应曲线,结果与理论分析基本吻合,实现了轴向分辨率10％以上的提高,从而验证了利用合适光瞳滤波器实现OCT轴向超分辨的可行性.     

空间双波段成像光谱仪红外光学系统的设计

分析了空间双波段成像光谱仪光学系统的光学特性，提出利用光学材料间焦距位移系数的互补性，实现光学系统消热差、消色差设计方法，建立了一组既消热差又消色差的方程组. 给出了利用这种方法设计的视场角10°，焦距100 mm，F数为1.98，温度范围在－20℃~70℃，工作波长为3~5 μm和8~11 μm具有100％冷光栏效应的双波段消热差、消色差光学系统，分析了系统各波段传递函数、波前差及像面位移随温度变化关系.     

光学相干层析成像系统的蒙特卡罗模拟

将光学相干层析成像系统采样臂的光纤与聚焦系统和被测样品作为一个整体来模拟光学相干层析成像信号的形成机理.通过追迹采样光束中每一光子在聚焦系统和被测样品中的随机传输轨迹,来决定该光子对光学相干层析成像信号是否有贡献及贡献大小.对样品IntralipidTM的模拟结果与实验结果表明：1）高散射系数和弱前向散射是引起光学相干层析成像信号随测量深度增加迅速减弱的主要原因;2）对于确定的聚焦系统,光纤的数值孔径有一最佳取值范围.数值孔径太小,则光学相干层析成像信号很弱;数值孔径超出这一范围继续增大,光学相干层析成像信号变化很小.3）当光纤的光轴偏离聚焦系统的光轴h距离时,光学相干层析成像信号随h的增加而减弱.     

Imaging of subcutaneous microcirculation vascular network by double correlation Optical Coherence Tomography

Spatial distribution of superficial blood vessels in human skin in vivo has been observed by using the double correlation Optical Coherence Tomography (OCT). To remove background noise, reduce the artifacts associated with patient motions and to increase the overall quality of the experimental OCT images an adaptive Wiener filtering technique has been employed. Fourier domain correlation has been subsequently applied to enhance spatial resolution of images of vascular network in human skin in vivo. Image processing has been performed on Graphics Processing Units (GPUs) utilizing Compute Unified Device Architecture (CUDA) framework in the frequency‐domain. This approach allows carrying out image processing in parallel significantly speeding up the computations. The presented results show that the double correlation method permits obtaining 2D/3D OCT images of subcutaneous microcirculation vascular network and its spatial distribution within the human skin with higher spatial resolution compare to the other OCT correlation‐based techniques developed earlier.     

Improved extended depth of focus full field spectral domain Optical Coherence Tomography

In Optical Coherence Tomography (OCT), both high axial and lateral resolutions are desired. While axial (z-axis) resolution is achieved by a broadband source, lateral (x-y axes) resolution is achieved by high NA lenses. However, high NA objectives result in decreased depth of focus (DOF). The small DOF makes it difficult to obtain single shot imaging of biological samples having large lateral dimension. In this work we incorporate special interfering phase mask allowing to extend the DOF of an OCT system and to allow imaging of samples without axial scanning.     

Optical Coherence Tomography Implemented by Photonic Crystal Fiber

We report a photonic crystal fiber (PCF)-based optical coherence tomography (OCT) system, in which conventional single-mode fiber for the transmission line and the fiber coupler for the beam splitter/combiner are replaced with PCF and PCF coupler. The PCF coupler fabricated using the fused biconical tapered (FBT) method showed a nearly flat coupling ratio over a broad spectral bandwidth of 400 nm, which provided an axial resolution of 3-μm for OCT imaging. With a white-light source, the 8-μm thick air gap between two stacked cover glasses was measured, and with a conventional superluminecent diode (SLD) source, the in vitro images of rat eye and Misgurnus mizolepis skin were successfully obtained. The PCF and PCF coupler might enable a white-light as the source for the cost effective and high-resolution OCT system.     

X－型波导全光开关的优化设计

依据耦合模理论与光束传播法（Ｂｅａｍｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ），提出了由Ｘ结波导到交叉波导的系列化全光开关设计。此设计方法可以对不同的材料（自聚焦、自散焦）、不同的非线性折射率和波长等进行波导全光开关优化设计。