創(chuàng)建并利用用于持續(xù)的同步多維控制的“多元路徑”實(shí)現(xiàn)電磁輻射源中的單模掃描操作的 ...的制作方法
【專利摘要】一種掃描電磁輻射源（12）的方法，用以在指定時(shí)域內(nèi)產(chǎn)生具有連續(xù)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最佳邊模抑制比的單模操作，該電磁輻射源用于基于參數(shù)輸出處于給定波長(zhǎng)的電磁輻射。該方法包括：確定滿足波長(zhǎng)的期望集的條件和波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最大邊模抑制比的參數(shù)組合的集合。該參數(shù)組合的集合限定用于從一個(gè)波長(zhǎng)到另一個(gè)波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變的子路徑。所選的子路徑的組合提供用于在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變的多元路徑。該方法還包括控制半導(dǎo)體激光器通過以預(yù)期的方式遍歷多元路徑而發(fā)射在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射。
【專利說明】創(chuàng)建并利用用于持續(xù)的同步多維控制的“多元路徑”實(shí)現(xiàn)電磁輻射源中的單模掃描操作的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及一種創(chuàng)建并利用用于持續(xù)的同步多維控制的“多元路徑”實(shí)現(xiàn)電磁輻射源中的單模掃描操作的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法用在光學(xué)相干斷層成像(OpticalCoherence Tomography, OCT)、光步頁域反身寸(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)、光譜學(xué)、光學(xué)組件的遙感和測(cè)試等中。
【背景技術(shù)】
[0002]在遙感應(yīng)用和光學(xué)相干斷層成像應(yīng)用中，激光器有時(shí)作為波長(zhǎng)掃描設(shè)備來操作，在其它應(yīng)用中，激光器有時(shí)用于測(cè)試電信組件。波長(zhǎng)掃描中的不連續(xù)性或非單模的波長(zhǎng)操作可對(duì)使用激光器的應(yīng)用產(chǎn)生顯著影響。例如，激光器的波長(zhǎng)掃描中的間斷點(diǎn)(即波長(zhǎng)中向前或向后的跳躍)或非單模的波長(zhǎng)操作可使分子氣體的吸收特性的波形失真。在另一示例中，波長(zhǎng)的不連續(xù)性或非單模的波長(zhǎng)操作可降低組織的OCT測(cè)量的信噪比。因此，需要消除掃描波長(zhǎng)的激光器中的波長(zhǎng)不連續(xù)性、波長(zhǎng)非線性和非單模的激光器操作。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中維持單模操作和控制波長(zhǎng)相對(duì)于時(shí)間的掃描曲線的嘗試雖多，但是并不理想。盡管可以在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上準(zhǔn)確地維持單模操作和控制掃描曲線，但是時(shí)間的流逝或者例如溫度或濕度的變化將造成不連續(xù)性、非線性，并引發(fā)非單模的操作。例如，機(jī)械調(diào)諧的外腔式激光器利用與增益介質(zhì)耦合的外腔機(jī)構(gòu)工作在近乎連續(xù)的單模下。在典型的單?？烧{(diào)諧激光器中，具有兩個(gè)關(guān)鍵要素:用于改變波長(zhǎng)的方法，以及用于改變腔的長(zhǎng)度以優(yōu)化邊模抑制和維持單模操作的另一方法。在模擬的可調(diào)諧激光器(被稱為利特曼-梅特卡夫(Littman-Metcalf)結(jié)構(gòu))中，具有特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)使波長(zhǎng)隨著腔長(zhǎng)度的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，從而維持單模操作。在這些機(jī)械系統(tǒng)中，具有驅(qū)使機(jī)械“路徑”穿過一路徑的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在該路徑中，波長(zhǎng)增長(zhǎng)是線性的，且路徑長(zhǎng)度差隨著波長(zhǎng)的增大而同步改變，以維持具有好的單模抑制比(Single Mode Suppression Ratio, SMSR)的單模操作。例如，本發(fā)明的一個(gè)方面可以被認(rèn)為是與在使用Littman-Metcalf結(jié)構(gòu)的外腔式激光器中的機(jī)械“路徑”相當(dāng)?shù)碾姎狻奥窂健?。通過精確的、嚴(yán)格公差的組件和腔的精確校準(zhǔn)，或者使用實(shí)時(shí)調(diào)整腔長(zhǎng)度的元件(例如壓電式轉(zhuǎn)換器)，來維持機(jī)械激光器的操作。其它激光器結(jié)構(gòu)使用腔內(nèi)元件。然而，隨著時(shí)間的推移，激光器的校準(zhǔn)退化或組件磨損，這可引發(fā)相對(duì)于時(shí)間的掃描曲線的變化和非單模的操作。當(dāng)環(huán)境溫度、濕度或壓力改變時(shí)，校準(zhǔn)可能會(huì)退化，這也可引發(fā)相對(duì)于時(shí)間的掃描曲線的變化和非單模的操作。激光器外部或內(nèi)部的振動(dòng)也可使腔錯(cuò)位，這也可引發(fā)相對(duì)于時(shí)間的掃描曲線的變化和非單模的操作。
[0004]即使在具有穩(wěn)定腔的激光器中，也難以產(chǎn)生沒有波長(zhǎng)間斷點(diǎn)的波長(zhǎng)掃描。單片構(gòu)造的半導(dǎo)體激光器是一類用于產(chǎn)生掃描波長(zhǎng)的單模激光器。單片半導(dǎo)體激光器包括半導(dǎo)體中的多個(gè)部分或段(作為可調(diào)節(jié)的腔鏡)、激光增益、腔相位和(可選地)外部放大。示例為垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)、具有微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-ElectroMechanical System, MEMS)調(diào)諧結(jié)構(gòu)的VCSEL、游標(biāo)調(diào)諧的分布式布拉格反射鏡(Vernier-Tuned Distributed Bragg Reflector,VT-DBR)激光器、超結(jié)構(gòu)光柵分布式布拉格反射(Super-Structure Grating Distributed Bragg Reflector, SSGDBR)激光器和類似設(shè)備。由于這些激光器是單片的，沒有可動(dòng)部件(除了 MEM設(shè)備)，因此，這些激光器的腔是極其穩(wěn)定的，且可以在具有窄線寬和長(zhǎng)相干長(zhǎng)度的單縱向模式下操作。這類可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器需要多個(gè)激光電流信號(hào)來調(diào)諧波長(zhǎng)，從而對(duì)產(chǎn)生沒有波長(zhǎng)間斷點(diǎn)的波長(zhǎng)掃描提出了挑戰(zhàn)。
[0005]需要一種用于確定和控制電磁輻射源的系統(tǒng)和方法，以產(chǎn)生維持最佳單模操作的連續(xù)的波長(zhǎng)掃描。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]希望從激光系統(tǒng)產(chǎn)生激光掃描，該激光系統(tǒng)波長(zhǎng)連續(xù)且維持最佳單模操作。在本文中，波長(zhǎng)掃描的主光譜模式的振幅和最突出的邊模式的振幅的比(即邊模抑制比)用于表征激光器是否工作在單一模式(單模)下。如本文中所使用的波長(zhǎng)掃描指的是隨著時(shí)間的推移，以指定的(通常優(yōu)選地，以線性的、單調(diào)的)方式從一個(gè)波長(zhǎng)到另一個(gè)波長(zhǎng)的連續(xù)的(或步進(jìn)式連續(xù)的)移動(dòng)。
[0007]激光器的輸出波長(zhǎng)是由多個(gè)輸入?yún)?shù)的相互作用確定的。因此，為了防止激光器輸出中的波長(zhǎng)的不連續(xù)性，需要了解如何在整個(gè)波長(zhǎng)掃描中調(diào)整多個(gè)參數(shù)。對(duì)于生成和維持波長(zhǎng)掃描的另一難題是，對(duì)時(shí)間和溫度的影響進(jìn)行有意義的量的調(diào)諧。這意味著，隨著時(shí)間和溫度的變化，為了維持指定的波長(zhǎng)相對(duì)于時(shí)間的掃描，多個(gè)激光器參數(shù)上所需的控制也隨著時(shí)間和溫度的變化而變化。
[0008]如上所述，多個(gè)參數(shù)相互作用，以控制激光器的輸出波長(zhǎng)、功率和單模操作。歸因于參數(shù)的數(shù)量、參數(shù)之間的相互作用、參數(shù)對(duì)于環(huán)境因素的依賴性以及組件的使用年限對(duì)激光器輸出的影響，描述參數(shù)之間的關(guān)系是困難的。
[0009]由上述參數(shù)和外部因素，通過如下公式確定激光器的輸出波長(zhǎng):
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種掃描電磁輻射源(14)的方法，用以在指定時(shí)域內(nèi)產(chǎn)生具有連續(xù)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最佳邊模抑制比的單模操作，所述電磁輻射源用于基于參數(shù)輸出處于給定波長(zhǎng)的電磁輻射，該方法包括: 確定滿足波長(zhǎng)的期望集的條件和所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最大邊模抑制比的參數(shù)組合的集合，其中，所述參數(shù)限定多元空間，每個(gè)參數(shù)組合包括所述多元空間中的一個(gè)點(diǎn)，所述參數(shù)組合的集合限定用于從一個(gè)波長(zhǎng)到另一個(gè)波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變的子路徑，且所選的子路徑的組合提供用于在所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變的多元路徑；以及 控制所述電磁輻射源通過以預(yù)期的方式遍歷所述多元路徑而發(fā)射在所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射，其中，所述預(yù)期的方式是，作為掃描的時(shí)間函數(shù)或掃描的其它索引參數(shù)的函數(shù)而線性地增大或減小波長(zhǎng)或光頻率，并且所述電磁輻射源在具有所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最佳邊模抑制比的單一模式下輸出所述電磁輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多元路徑包括穿過所述多元空間的不連續(xù)路徑。
3.如權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過針對(duì)參數(shù)組合測(cè)量所述電磁輻射源的輸出，來針對(duì)該參數(shù)組合確定波長(zhǎng)和邊模抑制比。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，對(duì)于被標(biāo)識(shí)成所述多元路徑的子路徑的參數(shù)組合，測(cè)量針對(duì)先前未測(cè)量的參數(shù)組合的波長(zhǎng)和邊模抑制比。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，測(cè)量所述先前未測(cè)量的參數(shù)組合，以找出用于連接未連接的所選的子路徑的子路徑。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，還包括:針對(duì)參數(shù)組合的列表生成所述多元空間，其中，通過測(cè)量對(duì)應(yīng)于所述`列表中的每個(gè)參數(shù)組合的所述電磁輻射源的輸出，來確定該參數(shù)組合的波長(zhǎng)和邊模抑制比，并進(jìn)而生成所述多元空間。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述參數(shù)組合的列表是默認(rèn)列表或由用戶提供。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，基于子路徑的邊模抑制比的平均值、子路徑的邊模抑制比的最大值或其組合來選擇所述多元路徑的子路徑。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述參數(shù)包括正面鏡像電流、背面鏡像電流、相電流、增益、半導(dǎo)體光放大器電流、溫度、濕度或其組合。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，將要選擇的用于組合成所述多元路徑的每個(gè)子路徑必須滿足波長(zhǎng)范圍大于范圍閾值的條件。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述電磁輻射源是半導(dǎo)體激光器。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，掃描波長(zhǎng)或光頻率的所述預(yù)期的方式消除或補(bǔ)償暴露于所述輻射源的介質(zhì)的光色散。
13.一種掃描電磁輻射源(14)的系統(tǒng)(10)，用以在指定時(shí)域內(nèi)產(chǎn)生具有連續(xù)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最佳邊模抑制比的單模操作，該系統(tǒng)包括: 所述電磁輻射源，用于輸出波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射，其中，所述輻射源基于參數(shù)輸出處于一波長(zhǎng)的電磁福射； 控制器(12)，所述控制器被連接到所述電磁輻射源，其中，所述控制器用于: 提供參數(shù)給所述電磁輻射源； 確定滿足所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的期望集的條件和波長(zhǎng)的集合內(nèi)的最大邊模抑制比的參數(shù)組合的集合，其中，所述參數(shù)限定多元空間，每個(gè)參數(shù)組合包括所述多元空間中的一個(gè)點(diǎn)，所述參數(shù)組合的集合限定用于從一個(gè)波長(zhǎng)到另一個(gè)波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變的子路徑，且所選的子路徑的組合提供用于在所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變的多元路徑；以及 控制所述電磁輻射源通過以預(yù)期的方式遍歷所述多元路徑而發(fā)射在所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射，其中，所述預(yù)期的方式是，作為掃描的時(shí)間函數(shù)或掃描的其它索引參數(shù)的函數(shù)而線性地增大或減小波長(zhǎng)或光頻率，并且所述電磁輻射源在具有所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最佳邊模抑制比的單一模式下輸出所述電磁輻射。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，所述控制器還用于生成所述多元空間，包括: 向所述電磁輻射源提供參數(shù)組合； 測(cè)量所述電磁輻射源的輸出的波長(zhǎng)和邊模抑制比；以及 將測(cè)量到的波長(zhǎng)和邊模抑制比在所述多元空間中的由該參數(shù)組合所指定的點(diǎn)處并入所述多元空間。
15.如權(quán)利要求13至14中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述參數(shù)的一部分不由所述控制器提供。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，對(duì)應(yīng)環(huán)境因素的參數(shù)不由所述控制器提供。
17.如權(quán)利要求13至16中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述電磁輻射源是半導(dǎo)體激光器。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述電磁輻射源是取樣光柵分布式布拉格反射鏡SG-DBR激光器。
19.如權(quán)利要求13至1`8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括光反饋，其中，所述光反饋用于測(cè)量所述電磁輻射源的輸出的波長(zhǎng)和邊模抑制比。
20.如權(quán)利要求13至19中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括電子反饋，所述電子反饋用于測(cè)量所述電磁輻射源處的參數(shù)。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，溫度和濕度是由所述電子反饋所測(cè)量的參數(shù)。
22.如權(quán)利要求13至21中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，掃描波長(zhǎng)或光頻率的所述預(yù)期的方式消除或補(bǔ)償暴露于所述輻射源的介質(zhì)的光色散。
23.一種掃描電磁輻射源(14)的方法，用以在指定時(shí)域內(nèi)產(chǎn)生具有連續(xù)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最佳邊模抑制比的單模操作，所述電磁輻射源用于輸出根據(jù)參數(shù)所確定的處于給定波長(zhǎng)的電磁輻射，該方法包括: 將所述波長(zhǎng)范圍劃分為子范圍； 針對(duì)每個(gè)子范圍，確定滿足波長(zhǎng)的期望集的條件和該波長(zhǎng)子范圍內(nèi)的最大邊模抑制比的參數(shù)組合的集合，其中，所述參數(shù)限定多元空間，每個(gè)參數(shù)組合包括所述多元空間中的一個(gè)點(diǎn)，所述參數(shù)組合的集合限定用于從一個(gè)波長(zhǎng)到另一個(gè)波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變的子路徑； 選擇子路徑，所選的子路徑用于合并以提供用于在所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變的多元路徑；以及 控制所述電磁輻射源通過以預(yù)期的方式遍歷所述多元路徑而發(fā)射在所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射，其中，所述預(yù)期的方式是，作為掃描的時(shí)間函數(shù)或掃描的其它索引參數(shù)的函數(shù)而線性地增大或減小波長(zhǎng)或光頻率，并且所述電磁輻射源在具有所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最佳邊模抑制比的單一模式下輸出所述電磁輻射。
【文檔編號(hào)】H01S5/065GK103797666SQ201280044638
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月14日
【發(fā)明者】邁克爾·明尼曼, 詹森·恩舍爾, 丹尼斯·德里克森, 邁克爾·克勞福德 申請(qǐng)人:因賽特光電子解決方案有限公司