全光纤口腔oct系统偏振波动自动消除方法研究

1、全光纤口腔oct系统偏振波动自动消除方法研究【关键词】消除,方法,研究,自动,波动,口腔摘要:采用法拉第旋转效应自动消除全光纤口腔光学相干层析(oct)成像系统中光纤michelson 干涉仪干涉臂 单模光纤中随机偏振态变化对干涉信号的影响,使得无论样品臂和参考臂光纤中光偏振态如何发生变化,干涉 信号始终保持最强。介绍了该方法的基本原理、获得了离体牙齿稳定干涉信号和二维oct 图像。 1 引言 光学相干层析(oct ,optical coherence tomography) 采用低 相干干涉原理,具有超高分辨、无损伤和实时性特征而得到快 速发展。1991 年huang 等人1 首次利用oct

2、 技术获得了人 眼视网膜细微结构和冠状动脉壁的结构。colston 等人2 于 1998 年首次报道用oct 取得离体猪前磨牙的牙本质和牙周 组织的oct 图像。随着光纤通信技术的发展,采用全光纤的 oct 系统,缩小了系统的体积,提高了系统集成度,推进了 oct 技术向医学临床应用发展。但是由于单模光纤中存在的 双折射效应,使得光在光纤中传播时偏振态随机漂移,造成输 出信号的不稳定。由于oct 技术采用干涉测量方法,因此由 于两个干涉臂偏振态的随机变化导致干涉对比度下降。所以 在全光纤oct 系统中,必须消除光纤中的偏振态随机变化。 通常采用的方法是使用保偏光纤3 ,4或在干涉臂中加入偏振控

3、 制器57 。前者会增加系统的成本,而后者需要调节偏振控制 器才能获得最佳干涉信号,而且在采集过程中必须保持样品臂 和参考臂光纤的偏振态不能发生变化,这对于高速图像采集应 用十分不便。 本文介绍了一种基于法拉第旋转效应自动消除michelson 干涉仪干涉臂随机偏振态变化的方法,使得无论样品臂和参考 臂光纤偏振态如何变化,始终可以保持最强干涉信号输出。 2 基本原理 2. 1 光学相干层析系统基本原理 光学相干层析系统利用低相干干涉原理,其基本结构是 michelson 干涉仪,如图1 为光纤oct 系统结构。宽带光源 sled 发出的低相干光经过耦合器,分别进入样品臂和参考 臂,调节参考反射

4、镜的位置使得参考光与样品内不同位置的样 品背向散射光发生干涉,由光电探测器接收,通过解调获得样 品后向散射强度随样品深度的函数,利用这个函数可以获得样 品在深度方向的结构。 光电子激光 第20 卷第1 期2009 年1 月journal of optoelectronics laser vol. 20 no. 1 j an. 2009 3收稿日期:2008204225 修订日期:2008207221 3 基金项目:国家自然科学基金资助项目(30770597) 3 3 e2mail :tjictom126. com 设光源的输出光的电场强度为: e( t) = eh ev cos(t - kz)

5、 (1) 其中, e( t) 为电场强度矢量, eh 和ev 分别为其水平和竖直分 量,为光源光频率, k 为波数。干涉仪输出的电场为: e0 ( t) = er ( t) + es ( t) (2) 其中, er ( t) 为参考臂电场强度, es ( t) 为样品臂电场强度。 图1 光纤oct系统基本结构 fig. 1 schematic of the f iber oct system 得到的干涉信号光强表达式为: i0 ( t) 1 4 | er | 2 + 1 4 | es | 2 + 1 2 er escos(2kl) (3) 式(3)中的交流项: is ( t) 1 2 er e

6、scos(2kl) (4) 根据(4) 式,通过解调干涉信号可以获得样品不同深度位置 的后向散射光强度函数, 通过改变参考光与样品光的光程 差对样品在深度方向进行扫描, 获得样品内部背向散射光 强随深度的变化函数, 加上对样品的横向扫描可以获得样 品在横向扫描方向的二维层析图, 从而获得样品组织结构 图。如前所述,如果参考光电场强度矢量er 和样品光电场 强度矢量es 正交,则干涉信号的交流项为零,无法解调出 样品的后向散射系数。 2. 2 法拉第旋转效应基本原理 在1845 年法拉第发现了线偏振光波通过电磁场时,会在 电磁场的影响下产生偏振面相对入射光波的旋转,电磁场对光 波的这种影响称为法

7、拉第效应(faraday effect) 。这种现象与旋 光介质的旋光性类似,但是它们并不完全相同。对于旋光介质, 如果光波在通过介质后反射并再次通过介质,旋光方向与原来 相反,旋光效应消失。但是对于法拉第旋转介质,其旋转角度将 为原来的两倍。 当光波沿外加磁场方向传播时,会发生法拉第效应,如图 2 所示。法拉第效应的旋转角度为: = v hl (5) 其中, h是磁场强度, l是在介质中通过的距离,v 是verdet 常数。 从上图我们可以得到法拉第旋转晶体的jones matrix 为: j fr = cos sin - sin cos (6) 其中,为法拉第旋转晶体的衰减系数。 如果我们

8、在法拉第晶体后加入一个反射镜,使得偏振光 再次经过法拉第晶体,反射镜的jones matrix 为: jm = - 1 0 0 - 1 (7) 图2 法拉第旋转效应 fig. 2 faraday rotation effect 如前所述,当偏振光再次经过法拉第晶体时,旋转角度是原来 旋转角度的两倍, 因此反向传输经过法拉第晶体的jones matrix 为: j - fr = cos sin - sin cos (8) 则经过反射镜两次经过法拉第晶体后的jones matrix 为: j = j fr jm j - fr = 2 cos sin - sin cos - 1 0 0 - 1 co

9、s sin - sin cos = 2 sin2- cos2 - 2sincos 2sincos sin2- cos2 (9) 因此,如果我们选择= 45代入(9) 式,我们就可以得到由法拉 第晶体和反射镜组成的法拉第旋转镜的jones matrix : j frm = 0 - 1 1 0 (10) 其中,为法拉第旋转镜的衰减系数。 3 自动消除偏振波动的全光纤口腔oct系统 建立 我们采用法拉第旋转镜的全光纤口腔oct 系统结构如图 3 所示,光源采用sled 宽带光源,中心波长1 310 nm,带宽50 nm;光纤拉伸器实现干涉仪光程扫描;双路平衡探测器接收干 涉的光信号;样品探头采用gr

10、in lens 工作距离3 mm,采用步进 电机驱动的一维位移平台带动样品相对grin lens 发生位移实 现横向扫描。系统采用michelson 干涉仪结构,并且在michel2 son 干涉仪的两个干涉臂分别加入法拉第旋转镜消除干涉臂中 光纤中随机偏振态变化对信号干涉的影响。 由于偏振态随机变化,可以假设michelson 干涉仪参考臂 光纤的jones matrix 为: j f = a b c d (11) 其中,为参考臂光纤的损耗,而jones matrix 中的a 、b、c、d 参量表明了参考臂光纤的双折射效应。设耦合器输入到干涉 臂的光波偏振态为: 134 光电子激光2009年

11、第20卷 图3 全光纤口腔oct系统结构图 fig. 3 schematic of all2f iber oral oct system e = eh ev (12) 利用我们上节得到的法拉第旋转镜的jones matrix 表达式,可 以计算经过干涉仪的参考臂,经过法拉第旋转镜反射并再次经 过参考臂返回到耦合器的偏振态为: er = j t f j frm j f e = 2 a c b d 0 - 1 1 0 a b c d eh ev = 2(ad - bc) - ev eh =r - ev eh (13) 其中,r =2(ad - bc) 表示光强的衰减系数。从式(13) 中可 以看出

12、,入射参考光经过参考臂和法拉第旋转镜再次返回到耦 合器后,其偏振态相对于入射参考光只发生了90的旋转,而光 纤的双折射只表现为对光强度的衰减。同理,我们可以得到样 品臂中的光波返回到耦合器的偏振态为: es =s - ev eh (14) 其中,s 为样品臂的衰减。将式(13) 和(14) 代入干涉信号表达 式(4) 可以得到: is ( t) 1 2 rs - ev eh - ev eh cos(2kl) is ( t) 1 2 rs ( e2 v + e2 h) cos(2kl) (15) 从上式可以看出,不论参考臂和样品臂光纤的偏振态如何 变化,经过法拉第反射镜回到耦合器的光偏振态仍然保

13、持相 同,因此起到了自动消除偏振影响的作用,使得干涉信号始终 保持最佳干涉对比度。 4 试验结果 本系统的开发主要是为了诊断口腔疾病中的常见病龋齿 以及早期龋齿,我们对离体牙齿进行了试验,图4 为被测正常 离体牙齿图片。 图4 正常离体牙图 fig. 4 normal extracted tooth 利用我们的系统,我们获得了离体牙齿的一维稳定的干涉 图,并对一维图像提取了包络,图5 为采集的离体牙齿一维图 像及其包络。 图5 离体牙齿一维干涉信号及提取的包络图像 fig. 5 one dimension interference signal and 1d envelope of the e

14、xtracted tooth in fig. 4 第1期孟卓等:全光纤口腔oct系统偏振波动自动消除方法研究135 图6 为对应于图4 的离体牙齿的二维oct 图像,可以清 楚地看到与离体牙齿相对应的轮廓及内部结构。 图6 离体牙齿二维oct图像 fig. 6 two dimension image of the extracted tooth in fig. 4 5 结论 本文介绍了一种基于法拉第旋转效应自动消除干涉臂随 机偏振态变化对干涉信号影响的方法,无论样品臂和参考臂光 纤中光偏振态如何发生变化,干涉信号始终保持最强。采用此 方法建立的全光纤口腔oct 系统自动消除偏振态随机变化对 干涉信号的影响,不需要实时的调节干涉臂偏振态,获得了离 体牙齿稳定的干涉信号和oct 图像。此方法为提高oct 系 统采集速度和系统稳定度提供了保障,从而对oct 技术的临 床应用起到了重要的作用。 参考文献: 1 huang d,swanson cp ,lin j s ,et al. optical cohere