[发明专利]从激光器动态自适应地生成波长连续的且规定的波长对时间的扫描的系统和方法

说明书

相关申请

本申请要求2011年7月22日递交的美国临时申请No.61/510,765的权益，该美国临时申请的内容通过引用并入文中。

技术领域

本发明总体涉及使用扫频可调谐激光器，诸如光学相干断层扫描（OCT）、光频域反射计（OFDR）、光谱学、光学元件的遥感和测试，以使可调谐激光器的波长对时间的扫描连续、单调、且用于特定的时间廓线以改进系统的性能的装置和方法。

背景技术

在使用激光器的波长扫描或频率扫描的应用中，存在用于接收关于该应用的精确的信息所需的三种特性：（1）波长扫描对时间的连续性和单调性；（2）扫描对时间的线性；和（3）随着时间和环境变化（例如温度、湿度）维持连续性、单调性和线性的能力。例如，分子气体吸收特征的形状可通过激光器的波长扫描中的不连续性-向前或向后跳动而变形。在另一示例中，波长不连续性可降低组织的OCT图像的质量。因此，期望消除来自波长扫描激光器的波长不连续性。

图1A示出理想的激光器随着时间的连续的线性频率扫描。图1B示出示例性激光器随着时间的连续但非线性的频率扫描。图1C示出示例性激光器随着时间的不连续的频率扫描。

在单模波长扫描激光器中的波长不连续性通常由从激光器的一个单纵模突然转变到另一单纵模造成，在该情况下这些模式的波长截然不同。这些转变一般被称作模跳。当激光器的一组模与激光器的另一组模之间发生突然转变时，当这两组的平均波长截然不同时，波长不连续性也可发生在多模波长扫描激光器中，例如傅里叶域锁模（FDML）激光器和其它激光器。

即使当扫描是连续的且单调的，在许多应用中激光器波长遵循特定的时域廓线也是有利的。例如，在OCT中，优选地在光频对时间中，扫描对时间是线性的以能够进行扫描数据的傅里叶后处理。在其它应用中，例如OCT或电信测试，有利的是随时间非线性地扫描光频对时间以补偿被测试的装置或材料中的其它效应。

在现有技术中，进行大量的尝试以减少或消除模跳和控制扫描廓线，但通常是令人不满意的或暂时性的。尽管也可以准确地消除在某一时间点的全部不连续性和非线性，但随着时间推移或（例如）温度的变化将形成另外的不连续性和非线性。例如，外腔激光器使用与增益介质联接的外腔机构以近似连续的单模进行操作。通过精确的、紧公差组件和腔的精确对准、或者使用实时调节腔长度的实时元件（诸如压电式换能器），来防止模跳。

其它激光器构造使用腔内元件。随着时间推移，激光器的对准下降或者组件磨损，其可导致模跳和扫描廓线相对于时间的变化。当周围的温度或者压力变化时，对准可降低，这也可导致模跳和扫描廓线相对于时间的变化。（高速机械操作引起的）激光器外部的振动或者激光器内部的振动也可使得腔错位，这再次可导致模跳和扫描廓线相对于时间的变化。

另一难题在于模跳可发生在具有机械调谐机构的激光器的波长扫描中的任何地方。因此，需要监控整个扫描以标记在激光器的扫描廓线中的波长不连续性和变化，并且针对这些变化校正激光器扫描。

另一类型的用于产生扫描波长的单模激光器为单片式构造的半导体激光器。单片式半导体激光器包括位于半导体中的多个部分或段，其用作可调节的腔反射镜、激光增益、腔相位和（可选的）外部放大。单片式半导体激光器的示例为垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、具有微机电系统（MEMS）调谐结构的VCSEL、取样光栅分布布拉格反射式（SGDBR）激光器、超结构光栅分布式布拉格反射式（SSGDBR）激光器和类似的装置。因为这些激光器是单片式的且没有移动部件，故它们的腔室是极其稳定的且能够以窄的线宽和长的相干长度在单纵模下操作。这种类别的可调谐半导体激光器需要多个激光电流信号以调谐波长，这对于形成不存在波长不连续性的波长扫描具有挑战性。需要用于控制单片式半导体激光器、减少或消除在它们的波长扫描内的模跳、以及控制它们的波长对时间的扫描廓线（以形成例如线性）的装置和方法。

具有集成光栅以实现调谐的单片式可调谐激光器目前在电信应用中是常见的。由于这些可调谐激光器提供了宽的波长调谐（例如1520纳米至1565纳米）和在同一单片式芯片上快速调谐（以微秒扫描）全部波长的能力，故这些可调谐激光器是独特的。在文中，这种可调谐激光器将被称作半导体单片式可调谐激光源（SMTLS）。

SMTLS具有与后镜驱动和前镜驱动的组合相关联的波长区域。在图2中示出了波长对电流的图的复杂性。SMTLS装置被定义且开发以允许大量特定波长中的一个波长被输出，例如，允许选择任一个标准的（ITU）波长。