光学相干层析系统光源及系统研究

论文摘要

光学相干层析（OCT）技术能够对活体组织进行实时、高分辨率断层成像,对活体组织内部机构的生理、病理变化过程作精确的分析和诊断,对它的开发研究,将为生物医学领域提供一种全新的重要诊断手段。本论文针对OCT硬件系统的核心部件OCT光源及系统本身,结合现有条件进行了如下的研究工作:一、非线性偏振旋转（NPR）被动锁模光纤激光器（PMLFL）的数值模拟和实验研究1.理论分析了被动锁模光纤激光器光腔参数对输出脉冲特性的影响。2.对NPR被动锁模光纤激光器进行了数值模拟分析,提出并分析了一种有效的避免多脉冲现象的方法。3.在环形腔PMLFL中,利用光谱边带测量法计算腔内总色散,通过改变腔内普通单模光纤（SMF）的长度实现色散匹配,获得了重复频率25MHz,脉宽520.5fs,中心波长1558.4nm,3dB带宽29.5nm的超短脉冲,输出功率1.81mW。4.在σ形PMLFL中实现了脉冲宽度670.5fs,重复频率为6.2MHz,中心波长1562.3nm的稳定锁模输出,输出功率为1.5mW,并将其封装成实验室样机。二、光纤中产生超连续谱的数值模拟分析和实验研究1.通过数值计算,从光纤的各种非线性效应、光纤参数以及泵浦脉冲参数等方面分析了影响超连续光谱特性的因素。2.将不同的光纤作为非线性介质产生超连续谱,对实验结果进行分析比较。3.采用不同种光纤匹配连接的方法产生超连续谱,比较光谱特性,得出了第一段被泵浦光纤的色散和非线性特性最大程度上影响光谱质量的结论,在高非线性光纤（HNLF）后接入色散位移光纤（DSF）或SMF来平衡光谱的平均功率,谱宽和平坦度等性能指标,以便应用于相关领域。在泵浦120m HNLF+4.57km DSF+2.04km SMF时得到生物体探测窗口～1300nm 3dB谱宽为140.6nm的宽带光谱。用该光源作为光学相干层析系统光源,理论上可以得到<4.1μm的纵向分辨率。三、频域OCT系统的实验研究1.讨论了一阶Born近似的傅里叶衍射层析定理及频域OCT的测量原理。2.根据频域OCT的基本原理,搭建起一套频域OCT系统。对平面镜和三层叠放在一起的盖玻片进行探测,对探测到的干涉信号进行处理从而得到被探测点的深度信息,发现系统纵向分辨率可以达到16.4μm或者更高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 被动锁模光纤激光器的研究进展
• 1.2 超连续谱光源的研究进展
• 1.3 光学相干层析成像的研究进展
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器的研究
• 2.1 非线性偏振旋转锁模的经典动力学模型分析
• 2.1.1 利用非线性偏振旋转效应实现被动锁模的原理
• 2.1.2 描述被动锁模的数学模型
• 2.1.3 输出脉冲光谱边带的产生
• 2.1.4 多脉冲的产生问题
• 2.2 被动锁模光纤激光器的数值模拟分析
• 2.2.1 被动锁模光纤激光器的理论模型
• 2.2.2 数值模拟结果及分析
• 2.3 光谱边带测量法实现的色散匹配被动锁模光纤激光器
• 2.3.1 实验装置及色散匹配方法
• 2.3.2 实验结果与分析
• 2.4 σ形腔被动锁模光纤激光器的实验研究
• 2.4.1 实验装置与原理
• 2.4.2 实验结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 光纤中超连续谱的数值分析和实验研究
• 3.1 光纤中超连续谱的产生机理
• 3.2 光纤中超连续谱的数值模拟分析
• 3.2.1 理论基础
• 3.2.2 自相位调制对超连续谱的影响
• 3.2.3 群速度色散和自相位调制对超连续谱的共同影响
• 3.2.4 高阶非线性效应对超连续谱的影响
• 3.2.5 四波混频效应对超连续谱的影响
• 3.2.6 光纤特性参数对超连续谱的影响
• 3.2.7 泵浦脉冲啁啾对超连续谱的影响
• 3.2.8 泵浦脉冲中心波长对超连续谱的影响
• 3.3 光纤中超连续谱的实验研究
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 实验结果与分析
• 3.3.3 超连续光源的优化
• 3.4 本章小结
• 第四章 频域OCT 实验系统的构建和初步实验
• 4.1 频域OCT 的理论基础
• 4.1.1 一阶Born 近似的傅里叶衍射层析定理
• 4.1.2 频域OCT 的测量原理
• 4.2 OCT 系统关键参数
• 4.2.1 分辨率
• 4.2.2 探测深度
• 4.3 频域OCT 系统实验研究
• 4.3.1 频域OCT 系统结构设计
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 工作总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢