Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии Российский патент 2019 года по МПК G01J3/02 

Изобретение относится к оптической интерферометрии, в частности к спектральной рефлектометрии и оптической когерентной томографии, и может быть использовано для создания оптического спектрометра, нечувствительного к состоянию поляризации регистрируемого излучения.

Оптическая интерферометрия, предполагающая регистрацию оптических спектров интерферирующих волн в широком спектральном диапазоне (десятки процентов центральной длины волны), предназначена для построения пространственно-разрешенных изображений внутренней структуры рассеивающих сред, в первую очередь, биологических. Регистрация оптических спектров осуществляется с использованием спектрометра, содержащего дисперсионный элемент, коэффициент пропускания которого, в общем случае, зависит от состояния поляризации регистрируемого излучения (поляризационная зависимость пропускания). Перемещение ОКТ зонда с оптическим трактом из одномодового волокна меняет состояние поляризации проходящего по нему оптического излучения. Соответственно меняется и состояние поляризации регистрируемого спектрометром излучения. Это приводит к изменению величины регистрируемого спектрометром сигнала из-за поляризационной зависимости коэффициента пропускания. Поскольку величина регистрируемого сигнала содержит диагностическую информацию, то ее изменение, обусловленное причинами, отличными от изменения свойств зондируемой среды, может пагубно влиять на диагностическую ценность такой информации.

По патенту US 7817274 «Compact spectrometer» публ. от 19.10.2010 г., МПК G01J 3/28 известен оптический спектрометр с волоконным входом, содержащий входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент в виде дифракционной решетки, фокусирующий элемент и детектор. Дифракционная решетка имеет зависимость эффективности дифракции от поляризации падающего на нее излучения. Таким образом, изменение поляризации излучения на входе приводит к изменению величины выходного сигнала. Недостатком устройства - аналога является чувствительность к поляризации входного излучения.

Ближайшим аналогом разработанного спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии является устройство, известное по публикации Tong Wu, Shuaishuai Sun, Xuhui Wang, Haiyan Zhang, Chongjun He, Jiming Wang, Xiaorong Gu, Youwen Liu, Optimization of linear-wavenumber spectrometer for high-resolution spectral domain optical coherence tomography // Optics Communications, Volume 405, pp. 171-176, 2017. Описанный в устройстве - прототипе оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии содержит входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент и фотоприемник линейного типа.

Опорное и анализируемое излучения по входному оптическому волокну поступают на коллиматор, который формирует параксиальный оптический пучок. Затем этот пучок излучения подается на дисперсионный элемент, который представляет собой последовательно расположенные дифракционную решетку и призму. На выходе дисперсионного элемента спектральные компоненты имеют угол распространения, определяемый оптической частотой излучения. Разделенные таким образом по углу распространения спектральные компоненты, проходя через фокусирующий элемент, фокусируются в плоскости фотоприемника линейного типа.

Дисперсионный оптический элемент имеет различные коэффициенты пропускания для поляризационных компонент излучения, вектор колебания напряженности электрического поля которых перпендикулярен плоскости падения параксиального оптического пучка на дисперсионный элемент и для компонент излучения, вектор колебания напряженности электрического поля которых лежит в плоскости падения параксиального оптического пучка на дисперсионный элемент. При прохождении через дисперсионный оптический элемент одна из поляризационных компонент имеет большие потери (поляризационно-зависимые), чем другая. Это приводит к тому, что при изменении состояния поляризации регистрируемого излучения, обусловленного изгибными деформациями одномодового волокна оптического тракта зонда, происходит изменение уровня сигнала, прошедшего через дисперсионный оптический элемент и регистрируемого затем фотоприемником линейного типа, не связанное с изменением свойств исследуемого объекта. Как следствие, это приводит к искажению получаемых изображений, что совершенно недопустимо при получении изображений биологических объектов в диагностических целях.

Недостатком устройства - прототипа является чувствительность спектрометра к состоянию поляризации регистрируемого излучения.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка оптического спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии, с улучшенными характеристиками регистрации сигнала, а именно повышением достоверности регистрируемого сигнала, связанным с нечувствительностью спектрометра к упругим изгибным деформациям во входном волокне, вызывающим изменение состояния поляризации регистрируемого излучения.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанный оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии так же, как и ближайший аналог, содержит последовательно расположенные входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент, фотоприемник линейного типа.

Новым в разработанном устройстве является то, что входное волокно содержит деполяризующий элемент, выполненный в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка.

В частном случае в разработанном оптическом спектрометре с волоконным входом для оптической когерентной томографии длины отрезков поляризационно-удерживающего волокна относятся друг к другу как 1:2.

На фиг. 1 представлена схема реализации разработанного оптического спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии.

На фиг. 2 представлена схема деполяризующего элемента, поясняющая принцип его действия.

Оптический спектрометр с волоконным входом по фиг. 1 содержит входное волокно 1, деполяризующий элемент 2, коллиматор 3, дисперсионный оптический элемент 4, фокусирующий элемент 5 и фотоприемник линейного типа 6.

Регистрируемое излучение проходит по входному волокну 1 и поступает на деполяризующий элемент 2. Деполяризующий элемент 2 взаимодействует с отдельными поляризационными компонентами излучения, формируя на выходе излучение, имеющее одинаковые проекции на собственные оси дисперсионного оптического элемента 4. Сформированное деполяризованное излучение поступает на коллиматор 3, где преобразуется в параксиальный оптический пучок. Параксиальный оптический пучок поступает на дисперсионный оптический элемент 4, где отдельные спектральные компоненты изменяют направление распространения в зависимости от длины волны А, на угол, определяемый свойствами дисперсионного оптического элемента 4. Далее, проходя через фокусирующий элемент 5, оптическая ось которого совпадает с направлением распространения центральной компоненты излучения, излучение фокусируется на фотоприемник линейного типа 6.

Деполяризующий элемент 2 выполнен из двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна разной длины, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. К тому же длины и разность длин этих отрезков поляризационно-удерживающего волокна больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод.

При распространении излучения по поляризационно-удерживающему волокну (РМ optical fiber) вследствие поляризационной модовой дисперсии две поляризационные компоненты (по медленной и быстрой осям - A_S и a_F соответственно) распространяются с различными скоростями, определяемыми, соответственно, эффективными показателями преломления для этих мод n_S и n_F.

При этом каждая из поляризационных мод при прохождении первого отрезка поляризационно-удерживающего волокна проходит оптический путь, равный произведению длины L₁ отрезка поляризационно-удерживающего волокна на показатель преломления для конкретной поляризационной моды (n_S и n_F соответственно)

Взаимная оптическая разность хода возникающая между быстрой и медленной модами в первом отрезке поляризационно-удерживающего волокна, определяется выражением

При длине отрезка волокна L₁, определяемой выражением

где - длина когерентности отдельной спектральной компоненты, регистрируемой спектрометром,

оптическая разность хода возникающая между быстрой и медленной модами, становится больше длины когерентности, и когерентность между поляризационными модами A_S и a_F теряется.

В случае если мощности поляризационных мод равны (A_S=a_F) на входе деполяризующего элемента 2, в собственных поляризационных модах поляризационно-удерживающего волокна после прохождения первого отрезка волокна длиной L₁ излучение становится деполяризованным. В силу отсутствия интерференции между проекциями поляризационных мод на собственные оси дисперсионного оптического элемента 4 суммарная мощность регистрируемого излучения определяется суммой мощностей отдельных поляризационных компонент и сохраняется неизменной вне зависимости от взаимной ориентации собственных осей поляризационно-удерживающего волокна и дисперсионного оптического элемента 4.

В случае разной исходной мощности поляризационных мод A_S и a_F выходное излучение на выходе первого отрезка поляризационно-удерживающего волокна сохраняет поляризационную неоднородность. Для устранения этой неоднородности применяется второй отрезок аналогичного волокна другой длины, поляризационные моды которого повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. В этом случае каждая из собственных мод первого отрезка поляризационно-удерживающего волокна формирует излучение равной мощности в собственных поляризационных модах второго отрезка поляризационно-удерживающего волокна: мода A_S формирует моды A_SS и A_SF, а мода a_F - a_FS и a_FF.

Для выполнения условия формирования деполяризованного излучения необходимо обеспечить отсутствие интерференции между проекциями всех мод на собственные оси дисперсионного оптического элемента 4. То есть необходимо, чтобы задержка между любыми двумя из четырех поляризационных компонент A_SS, A_SF, a_FS, a_FF была больше длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты. Это условие может быть формализовано в виде соотношения

В частном случае реализации разработанного спектрометра с волоконным входом для оптической когерентной томографии деполяризующий элемент 2 выполнен из двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины при этом эти длины относятся как 1:2, то есть L₂=2L₁, кроме того длины и разность длин упомянутых двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. В этом случае общая длина поляризационно-удерживающего волокна, входящего в состав деполяризующего элемента 2, имеет наименьшее значение.

Таким образом, применение во входном волокне разработанного оптического спектрометра деполяризующего элемента, выполненного в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка, позволяет равномерно распределить мощность регистрируемого излучения по проекциям на собственные оси поляризационной анизотропии дисперсионного оптического элемента. В результате разработанный оптический спектрометр с волоконным входом становится нечувствительным к изменению состояния поляризации регистрируемого излучения, связанному, например, с упругими изгибными деформациями во входном волокне. То есть разработанный оптический спектрометр с волоконным входом обладает улучшенными, по сравнению с прототипом, характеристиками выходного сигнала, поскольку обеспечивает повышение достоверности регистрируемого сигнала.

Изобретение относится к оптической интерферометрии и может быть использовано для создания оптического спектрометра, нечувствительного к состоянию поляризации регистрируемого излучения. Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии содержит последовательно расположенные входное волокно с деполяризующим элементом, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент, фотоприемник линейного типа. При этом деполяризующий элемент выполнен в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка. Технический результат заключается в улучшении характеристик выходного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии, содержащий последовательно расположенные входное волокно, коллиматор, дисперсионный оптический элемент, фокусирующий элемент, фотоприемник линейного типа, отличающийся тем, что входное волокно содержит деполяризующий элемент, выполненный в виде двух отрезков поляризационно-удерживающего волокна различной длины, при этом длины и разность длин этих двух отрезков больше либо равны отношению длины когерентности регистрируемой спектральной компоненты к разности показателей преломления поляризационно-удерживающего волокна для собственных поляризационных мод, причем поляризационные моды второго отрезка повернуты на 45 градусов относительно поляризационных мод первого отрезка.

2. Оптический спектрометр с волоконным входом для оптической когерентной томографии по п. 1, отличающийся тем, что длины отрезков поляризационно-удерживающего волокна относятся друг к другу как 1:2.