垂直腔面發(fā)射激光器簡(jiǎn)稱VCSEL，是一種半導(dǎo)體，其雷射垂直于頂面射出，與一般用切開的獨(dú)立芯片制成，雷射由邊緣射出的邊射型雷射有所不同。近日，國(guó)外研發(fā)出一種新型可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器，為OCT的應(yīng)用創(chuàng)造了新方向。

     Thorlabs公司、Praevium Research公司和麻省理工學(xué)院（MIT）聯(lián)合研發(fā)出一種新型可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），可應(yīng)用于光學(xué)相干斷層掃描（OCT），比現(xiàn)有商業(yè)OCT系統(tǒng)的成像速度更快，成像范圍也有了顯著提高。同時(shí)，該項(xiàng)目也獲得了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院癌癥研究所和眼科研究所（NCI和NEI）的支持。目前，正朝著商業(yè)化方向發(fā)展。

    今年二月，在美國(guó)西部光電展BiOS熱門話題會(huì)議上，來自Thorlabs公司和MIT的Ben Potsaid詳細(xì)描述了該型光源如何通過激光諧振腔的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)快速掃描和可調(diào)諧輸出。

    他說：“這種可調(diào)諧VCSEL采用單片設(shè)計(jì)，并使用靜電MEMS激勵(lì)器來控制激光諧振腔長(zhǎng)度。激光諧振腔由兩塊反射鏡組成：一塊固定反射鏡形成其底面，另一塊懸浮反射鏡則形成其頂面。對(duì)電容板充電就可產(chǎn)生一個(gè)吸引力，向下拉動(dòng)懸浮反射鏡，縮短諧振腔長(zhǎng)度，于是就可以調(diào)諧光源，輸出更短波長(zhǎng)的光。通過使用特殊形狀的電壓波驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器，就可按照掃頻源OCT的要求及時(shí)對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行掃頻。”

    1065 nm和1310 nm的原型設(shè)備已經(jīng)通過驗(yàn)證，結(jié)果表明它可以提供真正的單縱模光和無模式跳動(dòng)的波長(zhǎng)調(diào)諧。

    這種MEMS激勵(lì)器的工作頻率也很高，可迅速調(diào)節(jié)微米尺度的諧振腔長(zhǎng)度。已經(jīng)證實(shí)，該設(shè)備具有600 kHz的基本重復(fù)頻率。對(duì)于OCT而言，這意味著該設(shè)備可通過使用向前和向后掃描實(shí)現(xiàn)速率高達(dá)1.2 MHz的獨(dú)立A-掃描。據(jù)研究人員介紹，這一速率比標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)系統(tǒng)快50倍。

    高速掃描速率非常重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)谥T如眼科、血管和內(nèi)窺鏡成像等采集時(shí)間受限的應(yīng)用中依然可以獲取大型數(shù)據(jù)集。它們還可以在全面地組織覆蓋范圍內(nèi)獲得大量和密集的采樣數(shù)據(jù)集合。

    實(shí)際的例子很多，比如眼科。1.2 MHz的A-掃描速率可以在病人眨眼或者不由自主地移動(dòng)眼睛之前就可以完成對(duì)視網(wǎng)膜的大范圍掃描。另一個(gè)實(shí)例就是癌癥研究，使用微型OCT探針，可以1 MHz的A-掃描速率完成兔食管、結(jié)腸和胃的成像。這意味著，該技術(shù)在使用這種可調(diào)諧VCSEL實(shí)現(xiàn)人體內(nèi)窺鏡癌癥成像的應(yīng)用領(lǐng)域取得了進(jìn)步。

    成像距離從毫米擴(kuò)展到米

    在可用成像深度方面，這種可調(diào)諧VCSEL也有著顯著改善。隨著成像深度的增加，靈敏度會(huì)顯著下降，這是基于光譜儀或者頻域OCT面臨的挑戰(zhàn)。

    在臨床眼科上，只要超出成像范圍幾個(gè)毫米，靈敏度限制就非常明顯。于是，臨床醫(yī)生通常必須選擇對(duì)視網(wǎng)膜的頂端或底端進(jìn)行成像，因?yàn)樗麄儫o法同時(shí)在一個(gè)較長(zhǎng)的成像深度范圍內(nèi)以較好的靈敏度進(jìn)行成像。然而，這種VCSEL可以解決這一難題。

    Potsaid評(píng)論道：“可調(diào)諧窄線寬和單縱模調(diào)諧使其能夠在以前無法想象的距離上，迅速對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行測(cè)量。由于激光的相干長(zhǎng)度長(zhǎng)，信號(hào)可以在較長(zhǎng)的距離上保持振幅基本一致，損耗非常小，而這一距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有幾個(gè)毫米的成像距離。”

    西部光電展上引人注目的例子有：在15.2 cm的距離上以25 kHz的A-掃描速率對(duì)光學(xué)支柱進(jìn)行三維OCT成像；在8 cm的距離上以相同的掃描速率對(duì)淹沒在凝膠溶液中的子彈進(jìn)行三維OCT成像。

    到目前為止，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量過的最長(zhǎng)物體是光學(xué)路徑長(zhǎng)度為1.5米的光纜。掃描速率為20 kHz，采用單通道、非成像、干涉儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，但沒有進(jìn)行嚴(yán)格成像。近期發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》上的一篇文章詳細(xì)描述了這些實(shí)驗(yàn)。

    Potsaid指出：“即使在空氣中，傳輸距離達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1.5 m時(shí)，損耗也僅為-10 dB；其它成像技術(shù)與其相比就顯得相形見絀了。”

    對(duì)眼睛的整個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行成像

    在掃頻源OCT實(shí)際應(yīng)用中， A/D轉(zhuǎn)換器的性能是系統(tǒng)成像質(zhì)量的一個(gè)基本限制，但是在這些限制下，這種新型VCSEL所具備的可調(diào)整掃描軌跡和速率的能力，使其具有足夠的靈活性來適應(yīng)許多成像場(chǎng)景。

    Potsaid說：“已經(jīng)證實(shí)，在眼科成像中，這種VCSEL可以580 kHz的A-掃描速率、83 nm的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍及8.9 μm的軸向分辨率對(duì)視網(wǎng)膜進(jìn)行掃描，提供適合視網(wǎng)膜成像的成像范圍。掃描前眼需要更長(zhǎng)的成像范圍，但是，通過降低VCSEL的掃描速率，同時(shí)保證相同的光譜掃描范圍，則可以在犧牲分辨率的情況下實(shí)現(xiàn)前眼掃描。”

    在對(duì)眼睛的整個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行成像方面，可以更進(jìn)一步將VCSEL的掃描速率降到50 kHz，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍減小到45 nm。這樣做，分辨率略有下降，但成像范圍足以包括眼睛的整個(gè)長(zhǎng)度，從眼角膜到視網(wǎng)膜。

    這樣的多功能性可以開辟出一些新的潛在應(yīng)用。Potsaid指出：“工業(yè)生產(chǎn)可能會(huì)受益于實(shí)時(shí)三維零件檢測(cè)和表面輪廓術(shù)，以幫助組裝和質(zhì)量控制。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這種擴(kuò)展的成像范圍可能會(huì)實(shí)現(xiàn)大型解剖結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)表征，比如上呼吸道。這對(duì)睡眠呼吸暫停的病理理解和潛在治療來說是非常重要的。它也可能會(huì)用于對(duì)由醫(yī)生操刀或機(jī)械手控制的手術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化和外科指導(dǎo)。”

    研究小組將繼續(xù)開發(fā)和驗(yàn)證這種VCSEL系統(tǒng)及應(yīng)用，Thorlabs公司則致力于將該技術(shù)商業(yè)化，以提供一套完整的OCT成像系統(tǒng)和臺(tái)式激光源，或者作為掃頻源由原始設(shè)備制造商將其與系統(tǒng)進(jìn)行集成。

    該項(xiàng)研究不僅是可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器的新突破，對(duì)OTC的應(yīng)用也是一項(xiàng)新突破，不僅可以深度成像，而且還能對(duì)整個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行成像，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，相信該技術(shù)商業(yè)化將具有巨大的發(fā)展前景。#p#分頁標(biāo)題#e#