[发明专利]使用波长可调谐激光器的精密定位系统

说明书

一种用于确定测试腔的特性的方法，该方法包括对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个，测量来自测试腔的干涉信号和具有已知特性的参考腔。该方法包括根据来自参考腔的测量干涉信号和参考腔的已知特性确定多个光频率的值，并使用所确定的多个光频率值确定测试腔的特性。

本申请要求第62/347,141号美国临时专利申请的优先权日的权益，该临时专利申请根据美国专利法第119条(35USC§119)于2016年6月8日提交、题为“使用波长可调谐激光器的精确定位系统”。该临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

医疗和工业市场对光学相干断层扫描(OCT)不断增长的需求推动了高速的、可广泛调谐的窄线宽半导体激光器的前所未有的进步。这些新设备为工业距离测量应用呈现了独特的促成技术。

干涉测量(interferometry)是距离测量的有用工具，因为测量精度的唯一基本限制是光子统计。LIGO干涉仪是以干涉测量法可以小心地(并且用很多钱)达到的精确度的一个很好的示例，其提供小于10^-6pm/Hz^1/2的位移噪声密度的灵敏度。然而，在实际工业应用中，由于诸如环境或电子噪声之类的其他效应或所采用的测量/处理技术，测量精度通常会受到限制。

通常在OCT中使用的三种测量技术包括时域OCT(TD-OCT)和谱域(spectraldomain)技术，所述谱域技术包括傅立叶域OCT和扫描源OCT(SS-OCT)。在TD-OCT中，通过移动干涉仪中的参考镜来生成来自宽谱源(spectrally broad source)的干涉信号。在FD-OCT中，利用光谱仪观察宽谱源的各种光谱分量的干涉。在SS-OCT中，使用可调谐激光器在宽光谱的高速扫描期间快速采样干涉。高速扫描可以包括在不同的离散频率下或贯穿连续频率的持续扫描的一系列测量。在具有不同的离散频率的阶梯式激光器的情况下，每个“阶梯”可以对应于产生不同光频率的一种新的激光模式。

谱域技术已被证明比时域技术具有更高的灵敏度，因为该技术能够在整个采集时间内从所有样本深度收集信号。此优点与用于确定绝对波长的方法和基于物理模型的分析相结合，为工业距离测量应用提供了显著改进的距离测量。

发明内容

本文描述了使用扫描波长激光器实现超高精度距离测量干涉仪(DMI)的特征的系统和方法。简言之，对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个，照射具有绝对已知特性的一个或多个固定的参考腔和具有未知特性的一个或多个测试腔，以产生来自每个腔的干涉信号。来自参考腔的干涉信号被拟合到干涉的物理模型，以评估在多个光频率中的每个处的光频率的值的。使用导出的光频率，来自未知测试腔的干涉信号被拟合到其干涉的数学模型，以评估测试腔的未知特性。

在一个方面，一种用于确定测试腔的特性的方法，该方法包括，对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个，测量来自测试腔和具有已知特性的参考腔的干涉信号。该方法包括根据测量的参考腔的干涉信号和参考腔的已知特性确定多个光频率的值，并使用确定的多个光频率的值确定测试腔的特性。

实现可以包括以下特征中的一个或多个。测量干涉信号可以包括贯穿扫描作为时间的函数的可调谐激光器的带宽内的多个光频率，以及对于扫描期间的多个不同时间中的每个测量测试腔和参考腔两者的干涉信号，使得在多个不同时间中的每个处所测量的测试腔和参考腔的信号对应于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的不同光频率。

该方法还可以包括测量来自具有第二已知特性的第二参考腔的干涉信号。确定多个光频率的值可以包括基于已知的参考腔和第二参考腔的特性，将对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个获得的参考腔和第二参考腔的测量的干涉信号拟合到数学模型。参考腔和第二参考腔可以具有不同的间隙尺寸。