Оптическая когерентная томография (ОКТ) – это неинвазивный и неразрушающий метод визуализации. Он позволяет получать поперечные (2D) и объемные (3D) изображения образцов, путем их зондирования световым лучом и анализа обратно рассеянного света. Характеристики источника света ОКТ системы влияют на ряд ее рабочих характеристик, включая осевое разрешение, глубину визуализации и чувствительность. В ОКТ системах серии Vega Thorlabs используется перестраиваемый поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) для обеспечения зондирующего светового пучка.
Этот лазерный источник всегда генерирует лазерный луч с узкой шириной линии с большой длиной когерентности. Во время работы центральная длина волны этого одномодового излучения быстро перестраивается в широком спектральном диапазоне. По мере изменения длины волны детектор регистрирует интенсивность обратного рассеяния от образца как функцию времени (длины волны). Поскольку мощность лазера всегда концентрируется на одной длине волны, а не распространяется по широкой спектральной области, он генерирует более сильный сигнал обратного рассеяния на каждой длине волны, чем это возможно при работе с широкополосным источником, обладающим сопоставимой общей оптической мощностью.
VCSEL источники излучения
Поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL) представляют собой полупроводниковые устройства, которые излучают свет перпендикулярно поверхности чипа, как показано на рисунке 1. VCSEL источники изначально разрабатывались как недорогие, маломощные альтернативы диодам с выводом излучения вдоль структуры, в основном для систем передачи больших объемов данных. Вскоре преимущества VCSEL стали очевидны, что привело к тому, что они стали предпочтительными источниками света во многих приложениях. По сравнению с диодами с выводом излучения вдоль структуры, VCSEL источники обеспечивают превосходное качество выходного луча и работают в одномодовом режиме.
Рисунок 1: VCSEL источник с перестройкой частоты с помощью MEMS-системы от Praevium обладает инновационной конструкцией, которая обеспечивает высокоскоростное и широкополосное излучение с большой длиной когерентности. Это идеальная комбинация для перестраиваемого лазерного источника для ОКТ систем.
Перестраиваемые VCSEL источники используют микроэлектромеханические зеркальные системы (MEMS) для изменения длины резонатора лазера, тем самым перестраивая длину волны. MEMS-перестраиваемые VCSEL существуют уже несколько лет; однако ограниченный диапазон перестройки и выходная мощность этих устройств не позволяют использовать их в приложениях ОКТ. Компания Praevium Research в сотрудничестве с Thorlabs и MIT разработала VSCEL с MEMS перестройкой, который преодолевает эти ограничения.
Для того чтобы VCSEL с MEMS подошел для приложений ОКТ, он должен соответствовать определенным стандартам:
• Быстрая скорость перестройки;
• Широкий диапазон перестройки;
• Большая длина когерентности;
• Высокая мощность лазера.
Быстрая скорость перестройки
Приложения, использующие ОКТ, требуют высокоскоростной визуализации, не жертвуя качеством изображения. Высокая скорость визуализации обеспечивает лучшее временное разрешение, плотный сбор 3D-данных и сокращает время лазерного воздействия на образец.
В настоящее время существует несколько лазеров со свипированием частоты, которые предлагают высокоскоростное сканирование. Лазеры с синхронизацией мод с преобразованием Фурье, например, достигают чрезвычайно высоких скоростей формирования изображения, но требуют использования очень длинных волоконно-оптических задержек в резонаторе лазера и могут работать только в диапазонах длин волн, где потери в волокне малы. Из имеющихся коммерческих высокоскоростных лазеров со свипированием многие работают с несколькими продольными модами или имеют большие длины резонаторов, что ограничивает длину когерентности или скорость перестройки соответственно.
Рисунок 2: MEMS-VCSEL имеют компактные размеры. На вставке показано одно MEMS-VCSEL устройство после изготовления. Общий размер MECS-VCSEL источника составляет примерно 600 x 600 мкм квадратных.
Малая масса MEMS-зеркала в перестраиваемом VCSEL лазере и короткая длина резонатора способствуют его быстродействию. Короткая длина резонатора также вмещает только одну моду в спектр усиления, что позволяет работать в одномодовом режиме. В настоящее время, используя прототип VCSEL с MEMS-системой перестройки, были измерены частоты развертки более 500 кГц без оптического мультиплексирования для увеличения скорости развертки.
Широкий диапазон перестройки
Получение изображений с высоким разрешением зависит от общей ширины полосы перестройки лазера. Компания Praevium предлагает MEMS-VCSEL источники с самой широкой полосой перестройки. Уникальная конструкция, включающая широкополосные, полностью окисленные зеркала, а также широкополосные области усиления и узкие активные области, в настоящее время привела к более чем 100 нм непрерывной перестройки без скачков мод с центром около 1300 нм.
Рисунок 3: MEMS-VCSEL источники способны к перестройке более 100 нм. Здесь показана работа лазера в одномодовом режиме в диапазоне спектральной перестройки 110 нм с центром в 1300 нм.
Большая длина когерентности
Существенным ограничением для большинства ОКТ систем является глубина визуализации (максимальный диапазон глубины визуализации). Особенно в клинических применениях, где толщина образца, движение пациента и местоположение образца не могут контролироваться, лучше использовать большую глубина визуализации. Однако одной большой длины когерентности недостаточно. Чувствительность системы должна быть практически неизменной по всей глубине. Благодаря длине резонатора VCSEL на уровне микрон и работе в одномодовом режиме без скачков мод была измерена длина когерентности более 100 мм для MEMS-VCSEL источника без ухудшения качества сигнала. В настоящее время ограничения связаны с пропускной способностью детектора, но разработчики MEMS-VCSEL уверены, что можно достичь еще большей глубины визуализации, чем было измерено до настоящего времени. Такая большая глубина визуализации принесет пользу не только медицинскому сообществу, но и откроет новые сообщества для других приложений, таких как профилирование поверхности, рефлектометрия и быстрые спектроскопические измерения с высоким спектральным разрешением.
Высокая выходная мощность
Увеличенная скорость визуализации часто достигается за счет снижения выходной мощности и / или оптической мощности на образце. Одним из преимуществ источников света с выводом излучения вдоль структуры по сравнению с VCSEL является то, что они могут излучать большую выходную мощность. Как правило, большинству приложений ОКТ требуется минимальная выходная мощность лазера 20 мВт для поддержания качества изображения при работе на более высоких скоростях сканирования. Для достижения этой цели MEMS-VCSEL источник в сочетании с бустерным оптическим усилителем (BOA) обеспечивает мощность более 25 мВт. Дополнительное преимущество этой схемы пост-усиления состоит в том, что BOA изменяет выходной спектр MEMS-VCSEL так, чтобы он был более однородным.
Рисунок 4: Спектр MEMS-VCSEL источника, работающего на частоте 200 кГц, с центральной длиной волны около 1310 нм и пост-усилением с использованием BOA.