[发明专利]创建并利用用于持续的同步多维控制的“多元路径”实现电磁辐射源中的单模扫描操作的系统和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种创建并利用用于持续的同步多维控制的“多元路径”实现电磁辐射源中的单模扫描操作的系统和方法，该系统和方法用在光学相干断层成像（Optical Coherence Tomography，OCT）、光频域反射（Optical Frequency Domain Reflectometry，OFDR）、光谱学、光学组件的遥感和测试等中。

背景技术

在遥感应用和光学相干断层成像应用中，激光器有时作为波长扫描设备来操作，在其它应用中，激光器有时用于测试电信组件。波长扫描中的不连续性或非单模的波长操作可对使用激光器的应用产生显著影响。例如，激光器的波长扫描中的间断点（即波长中向前或向后的跳跃）或非单模的波长操作可使分子气体的吸收特性的波形失真。在另一示例中，波长的不连续性或非单模的波长操作可降低组织的OCT测量的信噪比。因此，需要消除扫描波长的激光器中的波长不连续性、波长非线性和非单模的激光器操作。

现有技术中维持单模操作和控制波长相对于时间的扫描曲线的尝试虽多，但是并不理想。尽管可以在一个时间点上准确地维持单模操作和控制扫描曲线，但是时间的流逝或者例如温度或湿度的变化将造成不连续性、非线性，并引发非单模的操作。例如，机械调谐的外腔式激光器利用与增益介质耦合的外腔机构工作在近乎连续的单模下。在典型的单模可调谐激光器中，具有两个关键要素：用于改变波长的方法，以及用于改变腔的长度以优化边模抑制和维持单模操作的另一方法。在模拟的可调谐激光器（被称为利特曼-梅特卡夫（Littman-Metcalf）结构）中，具有特定的机械结构，该机械结构驱使波长随着腔长度的变化而发生相应的变化，从而维持单模操作。在这些机械系统中，具有驱使机械“路径”穿过一路径的机械结构，在该路径中，波长增长是线性的，且路径长度差随着波长的增大而同步改变，以维持具有好的单模抑制比（Single Mode Suppression Ratio，SMSR）的单模操作。例如，本发明的一个方面可以被认为是与在使用Littman-Metcalf结构的外腔式激光器中的机械“路径”相当的电气“路径”。通过精确的、严格公差的组件和腔的精确校准，或者使用实时调整腔长度的元件（例如压电式转换器），来维持机械激光器的操作。其它激光器结构使用腔内元件。然而，随着时间的推移，激光器的校准退化或组件磨损，这可引发相对于时间的扫描曲线的变化和非单模的操作。当环境温度、湿度或压力改变时，校准可能会退化，这也可引发相对于时间的扫描曲线的变化和非单模的操作。激光器外部或内部的振动也可使腔错位，这也可引发相对于时间的扫描曲线的变化和非单模的操作。

即使在具有稳定腔的激光器中，也难以产生没有波长间断点的波长扫描。单片构造的半导体激光器是一类用于产生扫描波长的单模激光器。单片半导体激光器包括半导体中的多个部分或段（作为可调节的腔镜）、激光增益、腔相位和（可选地）外部放大。示例为垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）、具有微机电系统（Micro-ElectroMechanical System，MEMS）调谐结构的VCSEL、游标调谐的分布式布拉格反射镜（Vernier-Tuned Distributed Bragg Reflector，VT-DBR）激光器、超结构光栅分布式布拉格反射（Super-Structure Grating Distributed Bragg Reflector，SSGDBR）激光器和类似设备。由于这些激光器是单片的，没有可动部件（除了MEM设备），因此，这些激光器的腔是极其稳定的，且可以在具有窄线宽和长相干长度的单纵向模式下操作。这类可调谐半导体激光器需要多个激光电流信号来调谐波长，从而对产生没有波长间断点的波长扫描提出了挑战。

需要一种用于确定和控制电磁辐射源的系统和方法，以产生维持最佳单模操作的连续的波长扫描。

发明内容

希望从激光系统产生激光扫描，该激光系统波长连续且维持最佳单模操作。在本文中，波长扫描的主光谱模式的振幅和最突出的边模式的振幅的比（即边模抑制比）用于表征激光器是否工作在单一模式（单模）下。如本文中所使用的波长扫描指的是随着时间的推移，以指定的（通常优选地，以线性的、单调的）方式从一个波长到另一个波长的连续的（或步进式连续的）移动。