DE10302785A1 - Fiber optic laser resonator for optical coherence tomography has a polarization control unit with which the polarization direction in the resonator can be actively adjusted - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung, insbesondere als Lichtquelle für die optische Kohärenztomographie, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a laser arrangement, in particular as a light source for optical coherence tomography, according to the generic term of claim 1.
Die optische Kohärenztomographie (engl.: OCT – Optical Coherence Tomography) ist ein bildgebendes Untersuchungsverfahren, das beispielsweise aus HUANG, D.: "Optical Coherence Tomography", Science Vol. 254, Seite 1178 ff.; POVAZAY, B.: "Submicrometer axial resolution optical coherence tomography", Optics letters, Vol. 27, No. 20, Seite 1800 ff. sowie aus HARTL, I. et. a1: "Ultrahigh-resolution optical coherence tomography using continuum generation in an air-silica microstructure optical fiber", Optics letters, Vol. 26, No. 9, Seite 608 ff. bekannt ist.Optical coherence tomography (English: OCT - Optical Coherence Tomography) is an imaging test that for example from HUANG, D .: "Optical Coherence Tomography", Science Vol. 254, Page 1178 ff .; POVAZAY, B .: "Submicrometer axial resolution optical coherence tomography ", Optics letters, Vol. 27, No. 20, page 1800 ff. And from HARTL, I. et. a1: "Ultrahigh-resolution optical coherence tomography using continuum generation in an air-silica microstructure optical fiber ", Optics letters, Vol. 26, No. 9, page 608 ff.
Zur Erreichung einer möglichst
großen
Tiefenauflösung
ist es hierbei wichtig, dass das in das Untersuchungsobjekt eingestrahlte
Licht eine möglichst
große
Bandbreite und eine entsprechend geringe Kohärenzlänge aufweist. Es ist deshalb
aus den vorstehend aufgeführten
Veröffentlichungen
bekannt, als Lichtquelle für
die optische Kohärenztomographie
Kurzpulslaser zu verwenden. Eine besondere Ausführungsform derartiger Kurzpulslaser
sind Faserlaser, die an sich bekannt sind und beispielsweise in
MATSAS, V.J. et al.: "Selfstarting
passively mode-locked fibre ring soliton laser exploiting nonlinear polarisation
rotation", Electronics
Letters, Vol. 28, No. 15, Seite 1391 ff.; FERMANN, M.E.: "Ultrashort-Pulse
Sources based on Single-Mode Rare-Earth-Doped Fibers", Applied Physics B, 58, 197-209 (1994) sowie
in
Nachteilig an der bekannten Einstellung der Polarisationsrichtung ist die große Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Temperaturschwankungen, Vibrationen und mechanischen Spannungen.A disadvantage of the known setting the direction of polarization is the great sensitivity to environmental influences, such as for example temperature fluctuations, vibrations and mechanical Tensions.
Aus den eingangs erwähnten Veröffentlichungen ist es weiterhin bekannt, als Lichtquelle für die optische Kohärenztomographie Lumineszenzdioden zu verwenden, die kostengünstig sind und eine einfache Handhabung ermöglichen.From the publications mentioned at the beginning it is also known as a light source for optical coherence tomography Using luminescent diodes that are inexpensive and easy Allow handling.
Nachteilig an derartigen Lumineszenzdioden ist jedoch die schlechte optische Auflösung von mehr als 20 μm.A disadvantage of such luminescent diodes is however, the poor optical resolution of more than 20 μm.
Ferner können auch Ti-Saphirlaser mit Zentralwellenlängen zwischen 780 und 850 nm oder Cr-YAG-Laser mit Zentralwellenlängen bei 1,3 μm als Lichtquelle für die optische Kohärenztomographie eingesetzt werden.Ti sapphire lasers can also be used Central wavelengths between 780 and 850 nm or Cr-YAG laser with central wavelengths at 1.3 μm as a light source for the optical coherence tomography used become.
Nachteilig an diesen Lasertypen ist jedoch der hochkomplizierte technische Aufbau, was eine Bedienung durch ausgebildetes Fachpersonal erforderlich macht.A disadvantage of these types of lasers however, the highly complicated technical structure, what an operation made necessary by trained specialist personnel.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung mit möglichst geringer Kohärenzlänge für die optische Kohärenztomographie zu schaffen, die möglichst unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Vibrationen, Temperaturschwankungen und mechanischen Spannungen, ist und einen möglichst einfachen technischen Aufbau aufweist, so dass keine Bedienung durch qualifiziertes Fachpersonal erforderlich ist.The invention is therefore the object based on a laser arrangement with the shortest possible coherence length for the optical Coherence tomography too create that as possible insensitive to environmental influences, such as for example vibrations, temperature fluctuations and mechanical Tensions, and one is possible has simple technical structure, so that no operation by qualified specialist staff is required.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem vorstehend beschriebenen bekannten Faserlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is based on the known fiber laser described above according to the preamble of claim 1, by the characterizing features of the claim 1 solved.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, die Polarisationsrichtung in der optischen Faser des Faserlasers aktiv einzustellen, damit der störende Einfluss von Vibrationen und Temperaturschwankungen ausgeglichen werden kann.The invention encompasses the general technical teaching, the direction of polarization in the optical fiber of the fiber laser to actively adjust so that the disruptive influence of vibrations and temperature fluctuations can be compensated.
Die erfindungsgemäße Laseranordnung weist deshalb eine Polarisations-Steuereinrichtung auf, welche die Polarisationsrichtung in der optischen Faser des Faserlasers aktiv einstellt. Der Begriff einer aktiven Einstellung der Polarisationsrichtung bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass die Beeinflussung der Polarisationsrichtung an wechselnde Umweltbedingungen beispielsweise aufgrund von Vibrationen oder Temperaturschwankungen angepasst werden kann.The laser arrangement according to the invention therefore has a polarization control device which determines the direction of polarization actively adjusts in the optical fiber of the fiber laser. The term an active setting of the polarization direction means in Framework of the invention that influencing the direction of polarization to changing environmental conditions, for example due to vibrations or temperature fluctuations can be adjusted.
In einer Variante der Erfindung wird zur aktiven Einstellung der Polarisationsrichtung in der optischen Faser eine Wellenplatte eingesetzt, die durch einen Motor drehbar ist, um die gewünschte Polarisationsrichtung in der optischen Faser einzustellen. Derartige Wellenplatten sind an sich bekannt und werden beispielsweise in YOUNG, M.: "Optics and Lasers", Seite 188 ff. (Springer-Verlag) beschrieben, so dass im folgenden auf eine detaillierte Beschreibung von Wellenplatten verzichtet werden kann und der Inhalt dieser Veröffentlichung der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist. Die Drehung der Wellenplatte kann beispielsweise durch einen Elektromotor erfolgen, jedoch kann die Wellenplatte im Rahmen der Erfindung auch durch andere Aktoren gedreht werden, um die gewünschte Polarisationsrichtung in der optischen Faser einzustellen. Hierbei dreht sich die Wellenplatte vorzugsweise um eine Drehachse, die zu der Ausbreitungsrichtung des Lichts koaxial verläuft.In a variant of the invention for active adjustment of the polarization direction in the optical Fiber used a shaft plate that can be rotated by a motor is to the one you want Setting the polarization direction in the optical fiber. such Wave plates are known per se and are, for example, in YOUNG, M .: "Optics and Lasers ", page 188 ff. (Springer-Verlag), so that in the following a detailed description of wave plates can be omitted can and the content of this publication is fully attributable to the present description. The shaft plate can be rotated, for example, by an electric motor take place, but the wave plate can also within the scope of the invention can be rotated by other actuators to the desired direction of polarization adjust in the optical fiber. Here the shaft plate rotates preferably about an axis of rotation to the direction of propagation of the light is coaxial.
In einer anderen Variante der Erfindung wird zur aktiven Einstellung der Polarisationsrichtung in der optischen Faser des Faserlasers dagegen mindestens ein Piezoaktor eingesetzt, der in Abhängigkeit von seiner elektrischen Ansteuerung von außen auf die optische Faser des Faserlasers drückt und dadurch aufgrund der Änderung der Doppelbrechung die Polarisationsrichtung der optischen Faser beeinflußt. In dieser Variante der Erfindung können auch mehrere Piezoaktoren eingesetzt werden, die jeweils in radialer Richtung von außen Druck auf die optische Faser ausüben, wobei die Druckrichtung der einzelnen Piezoaktoren bezüglich der Mittelachse der optischen Faser relativ zueinander verdreht ist. Die einzelnen Piezoaktoren drücken hierbei also aus verschiedenen Richtungen von außen auf die optische Faser.In another variant of the invention, on the other hand, at least one piezo actuator is used for actively setting the direction of polarization in the optical fiber of the fiber laser, which, depending on its electrical control, presses on the optical fiber of the fiber laser from the outside and thereby influencing the polarization direction of the optical fiber due to the change in birefringence. In this variant of the invention, a plurality of piezo actuators can also be used, each exerting pressure on the optical fiber from the outside in the radial direction, the direction of pressure of the individual piezo actuators being rotated relative to one another with respect to the central axis of the optical fiber. The individual piezo actuators press on the optical fiber from different directions.
In einer weiteren Variante der Erfindung wird zur aktiven Einstellung der Polarisationsrichtung in der optischen Faser des Faserlasers ein integriertes optisches Bauteil eingesetzt, das in Abhängigkeit von seiner elektrischen Ansteuerung aufgrund elektro-optischer Effekte die Polarisationsrichtung beeinflusst. Die in der optischen Faser des Faserlasers geführten breitbandigen Pulse werden hierbei also durch das integrierte optische Bauteil geführt und werden dabei entsprechend der elektrischen Ansteuerung des integrierten optischen Bauteils entsprechend einer vorgegebenen Polarisationsrichtung ausgerichtet. Bei dem integrierten optischen Bauteil kann es sich beispielsweise um ein Lithium-Niobat-Bauteil handeln.In a further variant of the invention becomes the active setting of the polarization direction in the optical Fiber of the fiber laser uses an integrated optical component, that depending from its electrical control due to electro-optical effects affects the direction of polarization. The one in the optical fiber of the fiber laser broadband pulses are thus through the integrated optical Component led and are in accordance with the electrical control of the integrated optical component aligned according to a predetermined direction of polarization. The integrated optical component can be, for example is a lithium niobate component.
In einer bevorzugten Ausrichtungsform der Erfindung erfolgt eine Regelung, der aktiven Polarisations-Steuereinrichtung, um einen optimalen Ausgangspuls zu erreichen. Hierzu ist ein Regler vorgesehen, der eingangsseitig eine Kenngröße der aus dem Faserlaser ausgekoppelten Laserstrahlung erfasst und den Motor, den Piezoaktor bzw. das Lithium-Niobat-Bauteil entsprechend regelt. Beispielsweise kann die Leistung der aus dem Faserlaser ausgekoppelten Laserstrahlung als Kenngröße ermittelt und im Rahmen der Regelung optimiert werden.In a preferred alignment form the invention is a regulation, the active polarization control device, to achieve an optimal output pulse. There is a controller for this provided, the input side a parameter of the coupled out of the fiber laser Laser radiation detects and the motor, the piezo actuator or the lithium niobate component regulates accordingly. For example, the performance of the Fiber laser decoupled laser radiation determined as a parameter and can be optimized within the framework of the regulation.
Vorzugsweise ist der Faserlaser ausgangsseitig mit einem optischen Verstärker verbunden, der die aus dem Faserlaser ausgekop pelte Laserstrahlung verstärkt, wobei der optische Verstärker beispielsweise ein Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA-Verstärker) sein kann.The fiber laser is preferably on the output side with an optical amplifier connected, the laser radiation decoupled from the fiber laser strengthened being the optical amplifier for example, an erbium-doped fiber amplifier (EDFA amplifier).
Problematisch bei derartigen optischen
Verstärkern
kann jedoch der Einfluss der Verstärkung auf die Eigenschaften
der Lichtpulse sein, die unter Umständen zu ungunsten eines anschließenden nichtlinearen
Verbreitungsprozesses verändert
werden, wobei der Verbreiterungsprozess später noch detailliert beschrieben
wird. In einer Variante der Erfindung ist deshalb zwischen dem Faserlaser
und dem Verstärker
und/oder nach dem Verstärker
eine weitere aktive oder passive Polarisations-Steuereinrichtung
angeordnet. Diese Polarisations- Steuereinrichtung kann in herkömmlicher
Weise ausgeführt sein,
wie beispielsweise in
Weiterhin können an dieser Stelle auch andere Pulseigenschaften verändert werden, was auch als "Pulse-Shaping" bezeichnet wird.You can also continue at this point other pulse characteristics changed what is also known as "pulse shaping".
Darüber hinaus ist der Faserlaser vorzugsweise mit einer Einrichtung verbunden, welche das Frequenzspektrum der aus dem Faserlaser ausgekoppelten Laserstrahlung verbreitert, wobei diese Einrichtung vorzugsweise hinter dem Verstärker angeordnet ist.In addition, the fiber laser preferably connected to a device which the frequency spectrum which broadens the laser radiation extracted from the fiber laser, this device preferably arranged behind the amplifier is.
Die Einrichtung zur Verbreitung des Frequenzspektrums der ausgekoppelten Laserstrahlung kann beispielsweise eine optische Faser aufweisen, welche die ausgekoppelte Laserstrahlung durch nichtlineare optische Effekte verbreitert, wie beispielsweise in TAMURA, K.R. et al: "Fundamentals of stable continuum generation at high repetition rates", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 36, No. 7 Seite 773 ff. detailliert beschrieben wird, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung auch hinsichtlich der spektralen Verbreiterung der ausgekoppelten Laserstrahlung der vorliegenden Beschreibung zuzurechnen ist, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.The facility to disseminate the Frequency spectrum of the outcoupled laser radiation can, for example have an optical fiber which the coupled laser radiation widened by nonlinear optical effects, such as in TAMURA, K.R. et al: "Fundamentals of stable continuum generation at high repetition rates ", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 36, No. 7 page 773 ff. Described in detail is, so the content of this publication also with regard to the spectral broadening of the coupled laser radiation this description is attributable to unnecessary repetitions to avoid.
Bei der optischen Faser zur Erweiterung des Frequenzspektrums der ausgekoppelten Laserstrahlung kann es sich beispielsweise um eine Photonische Kristallfaser handeln.With the optical fiber for expansion of the frequency spectrum of the outcoupled laser radiation are, for example, a photonic crystal fiber.
Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass zur Verbreiterung des Frequenzspektrums eine Glasfaser eingesetzt wird, wobei die Glasfaser vorzugsweise einen relativ dünnen Kern aufweist, um nichtlineare Effekte in der Glasfaser auszunutzen.However, it is alternatively also possible for Broadening the frequency spectrum an optical fiber is used the glass fiber preferably having a relatively thin core to make nonlinear To exploit effects in the glass fiber.
Beim Einsatz einer Glasfaser zur Verbreiterung des Frequenzspektrums der ausgekoppelten Laserstrahlung ist es vorteilhaft, wenn der Faserlaser eine zentrale Wellenlänge aufweist, bei der die Gruppengeschwindigkeits-Dispersion (engl. GVD – Group Velocity Dispersion) der Glasfaser im Wesentlichen gleich Null ist.When using a glass fiber for Broadening of the frequency spectrum of the coupled laser radiation it is advantageous if the fiber laser has a central wavelength, where the group velocity dispersion (GVD - Group Velocity Dispersion) of the glass fiber is essentially zero.
Darüber hinaus erfolgt im Rahmen der Erfindung vorzugsweise eine wellenlängenabhängige Filterung der von dem Faserlaser abgegebenen Laserstrahlung durch ein optisches Filter, das vorzugsweise nach der Einrichtung für die Spektralverbreiterung angeordnet ist. Eine derartige wellenlängenabhängige Filterung der Laserstrahlung ist insbesondere bei der optischen Kohärenztomographie vorteilhaft, da das Frequenzspektrum der Laserstrahlung dabei an das wellenlängenabhängige Absorbtions- und Streuungsverhalten des Messobjektes angepasst werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Filterung auch eine Anpassung des Frequenzspektrums an die speziellen Anforderungen des optischen Kohärenztomographen, insbesondere hinsichtlich der optischen Übertragungsfunktion und der verwendeten Auswertungsalgorithmen.It also takes place in the frame the invention preferably a wavelength-dependent filtering of the Fiber laser emitted laser radiation through an optical filter, which is preferably arranged after the device for spectral broadening is. Such a wavelength-dependent filtering laser radiation is particularly useful in optical coherence tomography advantageous because the frequency spectrum of the laser radiation to the wavelength-dependent absorption and scatter behavior of the measurement object can be adjusted. Furthermore allows the filtering also an adaptation of the frequency spectrum to the special Requirements of the optical coherence tomograph, especially with regard to the optical transfer function and evaluation algorithms used.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Faserlaser weist als Laser-Medium vorzugsweise eine optische Faser auf, die mit seltenen Erden, wie beispielsweise Erbium, dotiert ist.The fiber laser used in the context of the invention preferably has as the laser medium an optical fiber doped with rare earths such as erbium.
Weiterhin weist die optische Faser des Lasers vorzugsweise einen ersten Faserabschnitt mit positiver Dispersion und einen zweiten Faserabschnitt mit negativer Dispersion auf, wobei die Länge und die Dispersionseigenschaften der beiden Faserabschnitte vorzugsweise so aneinander angepasst sind, dass sich die Dispersionseffekte in den beiden Faserabschnitten wechselseitig kompensieren.Furthermore, the optical fiber has of the laser preferably a first fiber section with positive Dispersion and a second fiber section with negative dispersion on, the length and the dispersion properties of the two fiber sections preferably are adapted to each other in such a way that the dispersion effects in mutually compensate for the two fiber sections.
Ferner ist zu erwähnen, dass die optische Faser
des Faserlasers vorzugsweise ringförmig angeordnet ist, wie in
Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass die
optische Faser des Faserlasers in Form einer Acht oder wie bei einem
Sagnac-Reflektor
geführt
ist, wie ebenfalls in
Ferner kann die optische Faser auch linear geführt sein, wie beispielsweise in FERMANN, M.E.: "Ultrashort-Pulse Sources based on Single-Mode Rare-Earth-Doped Fibers", Applied Physics B, 58, 197-209 (1994) beschrieben ist.Furthermore, the optical fiber can also guided linearly , as for example in FERMANN, M.E .: "Ultrashort-Pulse Sources based on Single-Mode Rare-Earth-Doped Fibers ", Applied Physics B, 58, 197-209 (1994).
Schließlich ist zu erwähnen, dass sich die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Laseranordnung insbesondere als Lichtquelle bei der optischen Kohärenztomographie eignet. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Laseranordnung deshalb mit einem optischen Kohärenztomographen verbunden.Finally, it should be mentioned that the laser arrangement according to the invention described above in particular is suitable as a light source in optical coherence tomography. Preferably the laser arrangement according to the invention therefore with an optical coherence tomograph connected.
Bei einem derartigen Einsatz als
Lichtquelle für
einen optischen Kohärenztomographen
kann die Steuerung der Polarisationsrichtung in der optischen Faser
auch passiv erfolgen, wie in
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:Other advantageous developments the invention are characterized in the dependent claims or are Below, along with the description of the preferred embodiment of FIG Invention with reference to the figures explained. Show it:
Die schematische Darstellung in
Wegen des weitgehend herkömmlichen
Aufbaues der in
Die Laseranordnung
Der Strahlteiler
Der andere Teilstrahl
Die an dem Messobjekt
Die interferierenden Teilstrahlen
Durch eine laterale Verschiebung
des Teilstrahls
Der Detektor
Im folgenden wird nun anhand von
Als Lichtquelle weist die Laseranordnung
Die Laseranordnung
Die von dem Faserlaser
Weiterhin besteht die Möglichkeit, an dieser Stelle auch andere Pulseigenschaften zu beeinflussen, was auch als "Pulse-Shaping" bezeichnet wird.There is also the possibility to influence other pulse properties at this point, which is also known as "pulse shaping".
Ausgangsseitig ist die Polarisationssteuereinrichtung
Die von dem Fasernverstärker
Die beiden Polarisations-Steuereinrichtungen
Ausgangsseitig ist die Polarisations-Steuereinrichtung
Die Einrichtung
Darüber hinaus ermöglicht die Filterung auch eine Anpassung des Frequenzspektrums an die speziellen Anforderungen des optischen Kohärenztomographen, insbesondere hinsichtlich der optischen Übertragungsfunktion und der verwendeten Auswertungsalgorithmen.In addition, the Filtering also an adaptation of the frequency spectrum to the special Requirements of the optical coherence tomograph, especially with regard to the optical transfer function and evaluation algorithms used.
Das Filter
Weiterhin weist die Laseranordnung
Der Faserlaser
Der Faserlaser besteht aus einem
Faserresonator
Der Faserlaser
Der Pumplaser
Weiterhin sind in dem ringförmigen Faserresonator
Ferner befindet sich in dem Ring
des Faserresonators
Zur Auskopplung von ultra-kurzen
breitbandigen Laserimpulsen aus dem Faserlaser
Von besonderer Bedeutung ist hierbei
der Aufbau und die Funktionsweise der beiden Polarisations- Steuereinrichtungen
Diese aktive Einstellung der Polarisationsrichtung bietet den Vorteil einer weitgehenden Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Vibrationen, Temperaturschwankungen und mechanischen Spannungen, da die Polarisationsrichtung nachgeregelt werden kann, wie noch detailliert beschrieben wird.This active setting of the polarization direction offers the advantage of being largely insensitive to environmental influences, such as Vibrations, temperature fluctuations and mechanical stresses, since the direction of polarization can be readjusted, as detailed below is described.
Hierzu weist der Faserverstärker
Die Regelung der Ansteuerung der
beiden Polarisations-Steuereinrichtungen
Weiterhin ist in dem Faserresonator
eine polarisationsabhängige
Verlusteinheit
In den
So weist die in
Bei der in
Schließlich erfolgt die Beeinflussung
der Polarisationsrichtung in dem Faserresonator
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.The invention is not based on the above described preferred embodiments limited. Rather, a variety of variations and modifications are possible also make use of the inventive idea and therefore in fall within the protection zone.
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