全光纖口腔oct系統(tǒng)偏振波動自動消除方法研究

1、全光纖口腔oct系統(tǒng)偏振波動自動消除方法研究【關(guān)鍵詞】消除,方法,研究,自動,波動,口腔摘要:采用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)自動消除全光纖口腔光學(xué)相干層析(oct)成像系統(tǒng)中光纖michelson 干涉儀干涉臂 單模光纖中隨機(jī)偏振態(tài)變化對干涉信號的影響,使得無論樣品臂和參考臂光纖中光偏振態(tài)如何發(fā)生變化,干涉 信號始終保持最強(qiáng)。介紹了該方法的基本原理、獲得了離體牙齒穩(wěn)定干涉信號和二維oct 圖像。 1 引言 光學(xué)相干層析(oct ,optical coherence tomography) 采用低 相干干涉原理,具有超高分辨、無損傷和實(shí)時性特征而得到快 速發(fā)展。1991 年huang 等人1 首次利用oct

2、 技術(shù)獲得了人 眼視網(wǎng)膜細(xì)微結(jié)構(gòu)和冠狀動脈壁的結(jié)構(gòu)。colston 等人2 于 1998 年首次報道用oct 取得離體豬前磨牙的牙本質(zhì)和牙周 組織的oct 圖像。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展,采用全光纖的 oct 系統(tǒng),縮小了系統(tǒng)的體積,提高了系統(tǒng)集成度,推進(jìn)了 oct 技術(shù)向醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用發(fā)展。但是由于單模光纖中存在的 雙折射效應(yīng),使得光在光纖中傳播時偏振態(tài)隨機(jī)漂移,造成輸 出信號的不穩(wěn)定。由于oct 技術(shù)采用干涉測量方法,因此由 于兩個干涉臂偏振態(tài)的隨機(jī)變化導(dǎo)致干涉對比度下降。所以 在全光纖oct 系統(tǒng)中,必須消除光纖中的偏振態(tài)隨機(jī)變化。 通常采用的方法是使用保偏光纖3 ,4或在干涉臂中加入偏振控

3、 制器57 。前者會增加系統(tǒng)的成本,而后者需要調(diào)節(jié)偏振控制 器才能獲得最佳干涉信號,而且在采集過程中必須保持樣品臂 和參考臂光纖的偏振態(tài)不能發(fā)生變化,這對于高速圖像采集應(yīng) 用十分不便。 本文介紹了一種基于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)自動消除michelson 干涉儀干涉臂隨機(jī)偏振態(tài)變化的方法,使得無論樣品臂和參考 臂光纖偏振態(tài)如何變化,始終可以保持最強(qiáng)干涉信號輸出。 2 基本原理 2. 1 光學(xué)相干層析系統(tǒng)基本原理 光學(xué)相干層析系統(tǒng)利用低相干干涉原理,其基本結(jié)構(gòu)是 michelson 干涉儀,如圖1 為光纖oct 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。寬帶光源 sled 發(fā)出的低相干光經(jīng)過耦合器,分別進(jìn)入樣品臂和參考 臂,調(diào)節(jié)參考反射

4、鏡的位置使得參考光與樣品內(nèi)不同位置的樣 品背向散射光發(fā)生干涉,由光電探測器接收,通過解調(diào)獲得樣 品后向散射強(qiáng)度隨樣品深度的函數(shù),利用這個函數(shù)可以獲得樣 品在深度方向的結(jié)構(gòu)。 光電子激光 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 修訂日期:2008207221 3 基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(30770597) 3 3 e2mail :tjictom126. com 設(shè)光源的輸出光的電場強(qiáng)度為: e( t) = eh ev cos(t - kz)

5、 (1) 其中, e( t) 為電場強(qiáng)度矢量, eh 和ev 分別為其水平和豎直分 量,為光源光頻率, k 為波數(shù)。干涉儀輸出的電場為: e0 ( t) = er ( t) + es ( t) (2) 其中, er ( t) 為參考臂電場強(qiáng)度, es ( t) 為樣品臂電場強(qiáng)度。 圖1 光纖oct系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) fig. 1 schematic of the f iber oct system 得到的干涉信號光強(qiáng)表達(dá)式為: i0 ( t) 1 4 | er | 2 + 1 4 | es | 2 + 1 2 er escos(2kl) (3) 式(3)中的交流項: is ( t) 1 2 er e

6、scos(2kl) (4) 根據(jù)(4) 式,通過解調(diào)干涉信號可以獲得樣品不同深度位置 的后向散射光強(qiáng)度函數(shù), 通過改變參考光與樣品光的光程 差對樣品在深度方向進(jìn)行掃描, 獲得樣品內(nèi)部背向散射光 強(qiáng)隨深度的變化函數(shù), 加上對樣品的橫向掃描可以獲得樣 品在橫向掃描方向的二維層析圖, 從而獲得樣品組織結(jié)構(gòu) 圖。如前所述,如果參考光電場強(qiáng)度矢量er 和樣品光電場 強(qiáng)度矢量es 正交,則干涉信號的交流項為零,無法解調(diào)出 樣品的后向散射系數(shù)。 2. 2 法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)基本原理 在1845 年法拉第發(fā)現(xiàn)了線偏振光波通過電磁場時,會在 電磁場的影響下產(chǎn)生偏振面相對入射光波的旋轉(zhuǎn),電磁場對光 波的這種影響稱為法

7、拉第效應(yīng)(faraday effect) 。這種現(xiàn)象與旋 光介質(zhì)的旋光性類似,但是它們并不完全相同。對于旋光介質(zhì), 如果光波在通過介質(zhì)后反射并再次通過介質(zhì),旋光方向與原來 相反,旋光效應(yīng)消失。但是對于法拉第旋轉(zhuǎn)介質(zhì),其旋轉(zhuǎn)角度將 為原來的兩倍。 當(dāng)光波沿外加磁場方向傳播時,會發(fā)生法拉第效應(yīng),如圖 2 所示。法拉第效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為: = v hl (5) 其中, h是磁場強(qiáng)度, l是在介質(zhì)中通過的距離,v 是verdet 常數(shù)。 從上圖我們可以得到法拉第旋轉(zhuǎn)晶體的jones matrix 為: j fr = cos sin - sin cos (6) 其中,為法拉第旋轉(zhuǎn)晶體的衰減系數(shù)。 如果我們

8、在法拉第晶體后加入一個反射鏡,使得偏振光 再次經(jīng)過法拉第晶體,反射鏡的jones matrix 為: jm = - 1 0 0 - 1 (7) 圖2 法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng) fig. 2 faraday rotation effect 如前所述,當(dāng)偏振光再次經(jīng)過法拉第晶體時,旋轉(zhuǎn)角度是原來 旋轉(zhuǎn)角度的兩倍, 因此反向傳輸經(jīng)過法拉第晶體的jones matrix 為: j - fr = cos sin - sin cos (8) 則經(jīng)過反射鏡兩次經(jīng)過法拉第晶體后的jones matrix 為: 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,如果我們選擇= 45代入(9) 式,我們就可以得到由法拉 第晶體和反射鏡組成的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的jones matrix : j frm = 0 - 1 1 0 (10) 其中,為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的衰減系數(shù)。 3 自動消除偏振波動的全光纖口腔oct系統(tǒng) 建立 我們采用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的全光纖口腔oct 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示,光源采用sled 寬帶光源,中心波長1 310 nm,帶寬50 nm;光纖拉伸器實(shí)現(xiàn)干涉儀光程掃描;雙路平衡探測器接收干 涉的光信號;樣品探頭采用gr

10、in lens 工作距離3 mm,采用步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動的一維位移平臺帶動樣品相對grin lens 發(fā)生位移實(shí) 現(xiàn)橫向掃描。系統(tǒng)采用michelson 干涉儀結(jié)構(gòu),并且在michel2 son 干涉儀的兩個干涉臂分別加入法拉第旋轉(zhuǎn)鏡消除干涉臂中 光纖中隨機(jī)偏振態(tài)變化對信號干涉的影響。 由于偏振態(tài)隨機(jī)變化,可以假設(shè)michelson 干涉儀參考臂 光纖的jones matrix 為: j f = a b c d (11) 其中,為參考臂光纖的損耗,而jones matrix 中的a 、b、c、d 參量表明了參考臂光纖的雙折射效應(yīng)。設(shè)耦合器輸入到干涉 臂的光波偏振態(tài)為: 134 光電子激光2009年

11、第20卷 圖3 全光纖口腔oct系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 fig. 3 schematic of all2f iber oral oct system e = eh ev (12) 利用我們上節(jié)得到的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的jones matrix 表達(dá)式,可 以計算經(jīng)過干涉儀的參考臂,經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射并再次經(jīng) 過參考臂返回到耦合器的偏振態(tài)為: 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) 表示光強(qiáng)的衰減系數(shù)。從式(13) 中可 以看出

12、,入射參考光經(jīng)過參考臂和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡再次返回到耦 合器后,其偏振態(tài)相對于入射參考光只發(fā)生了90的旋轉(zhuǎn),而光 纖的雙折射只表現(xiàn)為對光強(qiáng)度的衰減。同理,我們可以得到樣 品臂中的光波返回到耦合器的偏振態(tài)為: es =s - ev eh (14) 其中,s 為樣品臂的衰減。將式(13) 和(14) 代入干涉信號表達(dá) 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) 從上式可以看出,不論參考臂和樣品臂光纖的偏振態(tài)如何 變化,經(jīng)過法拉第反射鏡回到耦合器的光偏振態(tài)仍然保

13、持相 同,因此起到了自動消除偏振影響的作用,使得干涉信號始終 保持最佳干涉對比度。 4 試驗(yàn)結(jié)果 本系統(tǒng)的開發(fā)主要是為了診斷口腔疾病中的常見病齲齒 以及早期齲齒,我們對離體牙齒進(jìn)行了試驗(yàn),圖4 為被測正常 離體牙齒圖片。 圖4 正常離體牙圖 fig. 4 normal extracted tooth 利用我們的系統(tǒng),我們獲得了離體牙齒的一維穩(wěn)定的干涉 圖,并對一維圖像提取了包絡(luò),圖5 為采集的離體牙齒一維圖 像及其包絡(luò)。 圖5 離體牙齒一維干涉信號及提取的包絡(luò)圖像 fig. 5 one dimension interference signal and 1d envelope of the e

14、xtracted tooth in fig. 4 第1期孟卓等:全光纖口腔oct系統(tǒng)偏振波動自動消除方法研究135 圖6 為對應(yīng)于圖4 的離體牙齒的二維oct 圖像,可以清 楚地看到與離體牙齒相對應(yīng)的輪廓及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 圖6 離體牙齒二維oct圖像 fig. 6 two dimension image of the extracted tooth in fig. 4 5 結(jié)論 本文介紹了一種基于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)自動消除干涉臂隨 機(jī)偏振態(tài)變化對干涉信號影響的方法,無論樣品臂和參考臂光 纖中光偏振態(tài)如何發(fā)生變化,干涉信號始終保持最強(qiáng)。采用此 方法建立的全光纖口腔oct 系統(tǒng)自動消除偏振態(tài)隨機(jī)變化對 干涉信號的影響,不需要實(shí)時的調(diào)節(jié)干涉臂偏振態(tài),獲得了離 體牙齒穩(wěn)定的干涉信號和oct 圖像。此方法為提高oct 系 統(tǒng)采集速度和系統(tǒng)穩(wěn)定度提供了保障,從而對oct 技術(shù)的臨 床應(yīng)用起到了重要的作用。 參考文獻(xiàn): 1 huang d,swanson cp ,lin j s ,et al. optical cohere