Низкокогерентная волоконно-оптическая интерферометрия для задач оптической когерентной томографии

• Автор: Геликонов, Григорий Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 121 с. : ил.

ГЛАВА 1 ОПТИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ И ОПТИЧЕСКАЯ
КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ (по литературе)
ГЛАВА 2 НИЗКОКОГЕРЕНТНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ
ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ НА ПОЛЯРИЗАЦИОННОМ УДЕРЖИВАЮЩЕМ ВОЛОКНЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ СИЛЬНО РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД
2.1 Интерферометр с низкокогерентным светом в методе ОКТ
2.2 Особенности оптических интерферометров на одномодовом
поляризационно-сохраняющем волокне
2.3 Структура волоконного интерферометра ОКТ с минимальным влиянием
паразитной нерегулярной связи ортогональных мод
2.4 Волоконно-оптические элементы
2.5 Продольный волоконный сканер для ОКТ
2.6 Миниатюрный эндоскопический сканер для ОКТ
2.7 Поляризационно-чувствительный оптический когерентный томограф (ПЧОКТ)
ГЛАВА 3 ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ "ЦВЕТНОЙ"
ДВУХВОЛНОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
3.1 Принцип действия двухволновой ОКТ на основе единого оптического
интерферометра на анизотропном волокне на волны 830 нм и 1284 нм
3.2 Одномодовый волоконный ответвитель с 3-децибельным разделением
оптических мощностей одновременно на двух волнах (830 и 1300 нм)
3.3 Компенсация неравенства дисперсии в интерферометре одновременно на
двух далеко разнесенных длинах волн
3.4 Некоторые результаты наблюдений методом двухволновой ОКТ
ГЛАВА 4 ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ МИКРОСКОПИЯ
4.1 Широкополосный интерферометр ОКМ
4.2 Создание сверхширокополосного источника света и элементов
интерферометра
4.3 Система динамического фокуса
4.4 Подавление боковых полос в ОСМ за счет регуляризации спектра
доплеровского сигнала
4.5 Экспериментальный прототип ОКМ
4.6 Модельные эксперименты
4.7 Заключение
ГЛАВА 5 ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ С МАКСИМАЛЬНО
ЭФФЕКТИВНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА
ИЗЛУЧЕНИЯ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Интерферометрия низкокогерентного излучения в последнее время является одним из быстро развивающихся направлений современной оптики в связи с созданием оптической когерентной томографии (ОКТ) - нового метода построения изображения внутренней структуры оптически мутных сред [1-6]. Новые возможности для развития низкокогерентной оптической волоконной интерферометрии появились в связи с быстрым развитием сверхширокополосных фемтокоррелированных квантовых источников света, а также одномодовой волоконной оптики ближнего ИК-диапазона [7-10]. Излучения таких источников как фемтосекундные лазеры, полупроводниковые суперлюминесцентные диоды и т.п., имеют длительность цуга всего в несколько длин волн, что позволяет реализовать продольное разрешение на уровне единиц микрон. Благодаря высокой поперечной пространственной когерентности излучение квантовых широкополосных источников света, в отличие от тепловых источников, может эффективно использоваться в интерферометрии с применением оптических одномодовых волноводов. [9].
Первоначально эти возможности были реализованы при создании нового направления низкокогерентной интерферометрии - рефлектометрии, с помощью которой исследовалось рассеяние низкокогерентного света с исходно высокой поперечной когерентностью и с высокой продольной пространственной (временной) селективностью в элементах волоконной оптики [11-16]. Дальнейшее развитие низкокогерентной интерферометрии стимулировало появлением актуального приложения - оптической когерентной томографии (ОКТ) [1, 5, 17-21]. Это новый метод, который позволяет получать изображения рассеивающей внутренней структуры оптически неоднородных мутных сред, в том числе и биологических тканей, в ближнем ИК диапазоне спектра с разрешением 10-20 мкм, разрабатывается с целью неинвазивной медицинской диагностики. Отметим, что аспекты медицинской диагностики с применением волоконно-оптической техники, а также волоконные способы доставки оптического излучения к биообъектам получили широкое освещение в литературе (см. обзор в работе [22]). Одним из принципов построения изображений является селекция слабого сигнала нерассеянной компоненты зондирующей волны на фоне мощной засветки, вызванной сильно рассеянным средой излучением [23]. Ввиду очень большой скорости света временная селекция на дистанциях миллиметрового масштаба невозможна радиотехническими методами, поэтому селекция рассеянного сигнала осуществляется с помощью интерференции. Низкокогерентный свет вводится в интерферометр Майкельсона,
имеющий сигнальное и опорное плечо. Рассеянный свет принимается сигнальным плечом, и его задержка определяется при измерении длины опорного плеча. Метод этого измерения основан на том факте, что сигнал интерференции возникает, только если разность фазовых задержек между волнами сигнального и опорного плеч не превышает длины когерентности источника. Двухразмерное изображение строится в виде серии соседних продольных сканов [1].
Первые изображения биологических тканей, полученные методом ОКТ, и проведенные исследования показали, что для достижения предельных результатов существует ряд ограничений, обусловленных причинами технического и естественного происхождения. В частности, картина оптических неоднородностей может воспроизводиться до некоторых глубин, начиная с которых отраженный информативный сигнал теряется на фоне шумов многократнорассеянного света [24].
Ввиду сильного рассеяния в биологической ткани число рассеянных назад когерентных фотонов, пришедших с определенной глубины и не испытавших, или испытавших мало число актов рассеяния на внутренних оптических неоднородностях биологической ткани, мало [25]. Для их уверенного приема с достаточно больших глубин требуется очень высокий динамический диапазон приемной системы при условии подавления собственных естественных и технических флуктуаций интенсивности зондирующего излучения. Дополнитеньным фактором, ограничивающим динамический диапазон, является наличие паразитных когерентных волн в волоконном тракте интерферометра, обусловленных случайной связью ортогональных мод в оптическом волокне и элементах интерферометра, а также поляризационной модовой дисперсией волокна [26, 27]. Наличие сателлитных волн с произвольными задержками искажает вид аппаратной функции интерферометра, что и проявляется в виде полос на ОКТ изображениях, и снижает динамический диапазон приема [28]. Поиск причин появления паразитных когерентных волн и разработка методик их устранения представляет собой самостоятельную важную задачу.
Для получения предельной детализации изображений с разрешением, ограниченным только шириной оптического спектра источника света, необходима разработка методов компенсации дисперсии в плечах оптического интерферометра. Задача осложняется наличием крупномасштабных флуктуаций волноводных параметров волокна[29]. При спектральной ширине излучения в единицы процентов от несущей длины волны, в интерферометрах оптических когерентных томографов необходима компенсация первого
ІІа Рис. 2.9. приведена схема интерферометра, в которой обе волны, сигнальная и опорная - быстрые. В схеме, приведенной на Рис. 2.9., в области А проявляются паразитные межполяризационные связи опорного плеча, а в области С - как опорного, так и сигнального плеча.
Паразитные

Быстрая ось
Медленная ось
Быстрая ось »
Медленная ось
Рис. 2.9. Интенсивности ортогональных мод на входе в сигнальное плечо - а), опорное плечо - с) и на выходе из сигнального плеча - Ь) и опорного плеча - <1) во второй не оптимальной схеме интерферометра.
Отметим, что приведенные на Рис. 2.6. задержки соответствуют работе ОКТ в оптимальной конфигурации, а рассматриваются сейчас проявление при таких задержках исходной мощности источника, ортогональной к рабочей исходной в оптимальной конфигурации. Как следует из Рис. 2.6, в области А и В может наблюдаться небольшое влияние интерференция между паразитными цугами обоих плеч. В области С паразитной интерференции не может быть, вследствие того, что задержка между основными цугами волн больше, чем сумма задержек: (21?/Уь - 21? /У?) + (21?/У$- 21?/Ур). В таком варианте волоконный интерферометр проявляется как идеальный поляризатор низкокогерентного излучения.
Таким образом, в оптимальной схеме, приведенной на Рис. 2.6, устраняется паразитное влияние паразитных связей мод, возникших в ответвителе и волокнах