【摘 要】
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基于低相干干涉原理的光学相干层析（Optical Coherence Tomography,OCT）可获得深度方向的层析,具有非入侵、高分辨和快速成像等优点,已被广泛应用于医疗成像以及工业测量等领域。近年来随着OCT在手术导引以及大尺寸样品测量等方面的推广,进一步提升成像速率与成像深度迫在眉睫。为实现快速、大深度成像,基于时域拉伸的扫频光源OCT应运而生,并已达到兆赫兹量级的测量速率及厘米量级的测
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目:“基于双光频梳结构的超快时域干涉测量系统的研究”,项目编号:61675081； 国家自然科学基金重点项目:“基于重构时间-波长序列的快速高分辨光谱分析技术及核心器件研究”,项目编号:61735006； 国家自然科学基金面上项目:“基于时域孔径合成的超快高精度光学测量系统的研究”,项目编号:62075072
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基于低相干干涉原理的光学相干层析（Optical Coherence Tomography,OCT）可获得深度方向的层析,具有非入侵、高分辨和快速成像等优点,已被广泛应用于医疗成像以及工业测量等领域。近年来随着OCT在手术导引以及大尺寸样品测量等方面的推广,进一步提升成像速率与成像深度迫在眉睫。为实现快速、大深度成像,基于时域拉伸的扫频光源OCT应运而生,并已达到兆赫兹量级的测量速率及厘米量级的测量深度。但受限于时域拉伸光源的非线性啁啾,时域拉伸OCT需要进行后期数据校准,影响了实时成像速率;另外受限于光源的超快扫频特性,厘米量级深度测量所需探测带宽已达GHz,因此限制了时域拉伸OCT的测量深度,影响其在大深度成像及工业检测等领域中的应用。针对上述问题,本论文从优化时域拉伸光源啁啾特性、降低大深度测量探测带宽需求以及降低光源扫频速率等方面出发,探究了时域拉伸OCT成像速率与成像深度的提升方法。主要研究成果和贡献如下:（1）建立时域拉伸OCT的基本理论模型。系统分析了导致时域拉伸光源非线性啁啾以及超快扫频速率的原因,理论提出了光学高阶色散补偿、光学深度分割以及色散量倍增方案,并初步仿真验证了他们在提升时域拉伸OCT成像速率与成像深度方面的作用。（2）借助两种不同的光学高阶色散补偿方案,实现了高线性度的时域拉伸OCT,成像信号无需数字校准算法,提升了成像速率。实验表明,采用光学高阶色散补偿方案可将时域拉伸OCT的成像速率提升82%;同时,避免了数据校准过程引入的噪声,采用此方案提升了系统灵敏度衰减特性以及大深度成像质量。（3）采用光学深度分割方案,实现了米量级测量深度的时域拉伸OCT。实验表明,借助双光频梳异步采样特性将大深度范围分割成多个小深度进行测量,可将时域拉伸OCT的测量深度从3 mm提升至1.5 m,同时具有200 k Hz的测量速率。随后论证了在探测带宽不变的前提下,将时域拉伸OCT测量深度扩大至千米量级的可行性。（4）借助基于交叉相位调制的色散量倍增方案,在小探测带宽下实现了米量级测量深度、兆赫兹量级测量速率的时域拉伸OCT。实验表明借助交叉相位调制过程可近似实现色散量从2.59 ns/nm到287.5 ns/nm的放大,以此搭建的时域拉伸OCT在6GHz探测带宽下可实现1.5 m的测量深度,以及10.24 MHz的测量速率。
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