核心概念
本文提出了一種基於時間拉伸超連續光譜的新型掃頻光源,該光源可實現散粒噪聲極限下的高速 OCT 成像,並展示了其在 1060 nm 波長下對人體視網膜進行高速成像的能力。
摘要
時間拉伸超連續光譜掃頻光源
原理與結構
本研究提出了一種基於時間拉伸超連續光譜的新型掃頻光源,用於實現高速、低噪聲的光學相干斷層掃描 (OCT) 成像。該光源系統主要由以下幾個部分組成:
- 模式鎖定激光器:產生重複頻率為 80 MHz、脈衝寬度為 220 fs、中心波長為 1050 nm 的激光脈衝。
- 脈衝選擇器:利用聲光調製器將激光重複頻率降低至 10 MHz。
- 偏振維持光纖:通過自相位調製和光波破碎效應,將激光脈衝展寬至 60 nm (FWHM)。
- 長啁啾光纖布拉格光柵 (CFBG):將光譜展寬的脈衝在時域上拉伸至 93 ns,實現 93% 的占空比。
- 半導體光放大器 (SOA):將掃頻光源的平均功率放大至 37 mW。
性能優勢
- 高速掃描:實現了 10 MHz 的掃描速度,可有效減少運動偽影,提高成像速度。
- 低噪聲:採用 ANDi 超連續光譜產生技術,實現了低至 1.2% 的相對強度噪聲 (RIN),接近散粒噪聲極限。
- 高掃描線性度:掃描線性度高達 R² = 0.99998,無需數據重採樣。
- 高效率:採用長 CFBG 作為時間拉伸器,與傳統的單模光纖相比,可顯著降低傳輸損耗。
10 MHz 掃頻光源 OCT 系統
系統結構
本研究搭建了一套基於上述掃頻光源的 OCT 成像系統,該系統採用非對稱設計,以優化樣品的集光效率。主要組成部分包括:
- 光纖耦合器:將光束分束至參考臂和樣品臂。
- 光纖布拉格光柵:反射部分光譜作為 OCT 系統的觸發信號。
- 平衡光電探測器:探測干涉信號。
- 高速示波器:對干涉信號進行數字化採集。
成像性能
- 軸向分辨率:在空氣中測得的軸向分辨率為 14.6 µm。
- 軸向範圍:10 dB 軸向範圍為 3.56 mm。
- 相位穩定性:測得的相位噪聲為 20.7 mrad,長期相位穩定性良好。
視網膜成像
成像系統
為了驗證該掃頻光源在視網膜成像中的應用,本研究對 OCT 成像系統進行了改進,主要包括:
- 電控位移台:用於瞳孔追蹤和樣品臂長度調節。
- 振鏡掃描器:實現光束的二維掃描。
- 望遠鏡系統:提高橫向分辨率。
- 色散補償玻璃棒:補償參考臂中的色散。
成像結果
- 橫向分辨率:測得的橫向分辨率約為 19.69 µm。
- 靈敏度:系統靈敏度高達 84 dB,達到散粒噪聲極限。
- 成像速度:B 掃描的採集時間為 0.33 ms,體積成像速率為 4.5 Hz。
- 成像質量:成功獲得了清晰的人體視網膜 OCT 圖像,可以清楚地分辨出視神經和血管等結構。
總結與展望
本研究提出了一種基於時間拉伸超連續光譜的新型掃頻光源,並成功應用於高速、低噪聲的 OCT 視網膜成像。該技術為眼科成像、手術監測和 OCTA 等需要高速成像的應用領域提供了新的可能性。未來,可以通過優化泵浦激光器、採用全偏振維持光纖元件等方式進一步提高系統性能。
統計資料
該掃頻光源的掃描速度為 10 MHz。
占空比為 93%。
掃描線性度高達 R² = 0.99998。
相對強度噪聲 (RIN) 低至 1.2%。
軸向分辨率為 14.6 µm。
10 dB 軸向範圍為 3.56 mm。
相位噪聲為 20.7 mrad。
橫向分辨率約為 19.69 µm。
系統靈敏度高達 84 dB。
B 掃描的採集時間為 0.33 ms。
體積成像速率為 4.5 Hz。
引述
"This letter details enhancements to the system described in [16] including reduced laser noise, increased efficiency, lower losses, and a more compact stretcher."
"These improvements enable the demonstration of real-time in vivo retinal imaging with improved sensitivity."
"ANDi supercontinuum dynamics are recommended for low-noise broadband generation."
"Figure 5 demonstrates in vivo imaging of a human retina with an en face view and a volume view."
"This method opens a promising path toward high acquisition speed OCT, reducing the effects of object movement, as required for OCT of the eye, surgery monitoring and OCTA."