[发明专利]一种基于高阶模式能量调控的焦深拓展探头

说明书

本发明提供一种基于高阶模式能量调控的焦深拓展探头，该探头包括单模光纤SMF，无芯光纤NCF，一号梯度折射率光纤GIF1，阶跃折射率多模光纤SIMMF，二号梯度折射率光纤GIF2；上述光纤段依次熔接；所述的单模光纤SMF用于导光；SMF的输出光束经NCF放大后被GIF1聚焦至更小的尺寸，并在SIMMF中对模式能量进行调控，将能量耦合至高阶模式中；所述GIF2用于将SIMMF的干涉模场聚焦至待测样本。本发明通过对高阶模式能量进行调控，使其在焦深拓展及旁瓣抑制上相较于传统方案有了进一步的提升。本发明不需要机械扫描并使用同一条管路实现照明和探测，有利于小型化设计；本发明结构简单，有利于降低制造成本。

技术领域

本发明属于光学相干层析成像(OCT，Optical coherence tomography)领域，具体涉及一种基于高阶模式能量调控的焦深拓展探头。

背景技术

OCT能借助细小的探头获得活体生物器官内部的高分辨率的结构和功能信息，因此是种很有吸引力的成像手段。使用最先进的宽带光源，OCT的分辨率的轴向分辨率能达到几个微米。但是，在避免严重牺牲有效成像范围的前提下把OCT的横向分辨率提高到同等的量级仍是不小的挑战。

为了解决焦深与横向分辨率的矛盾，各种焦深拓展手段被提出来并成功地应用于台式OCT系统中，使焦深提高了一个数量级。比如数字聚焦、动态聚焦或焦点跟踪、准光学针聚焦。但是，这些技术手段有的要求系统相位稳定，有的需要机械扫描或者独立于照明光路的收集光路，以致于它们难以在空间紧凑的内窥探头中实现。为了开发适用于探头的焦深拓展技术，人们研究各种微加工技术，包括利用化学腐蚀法制作微型轴锥镜、利用软光刻法制作微型二元相位板。但与常规尺寸的轴锥镜或相位板相比，这些微型光学元件的焦深拓展倍数十分有限。因此，有研究团队提出与其简单模仿和缩小传统的焦深拓展器件，不如在原有探头的基础增加一段短的自聚焦光纤(GIF)，直接实现双焦点和焦深拓展。由于这种全光纤探头除了将各段光纤依次熔接外无需其它制作工序，与前述方案相比具有易于制造的优点。但这种基于双焦点的方案对GIF的长度有严格的公差要求，因此难以保证所制造的探头的成品率。已有相关报道通过调制多模干涉场用于扩展光纤探头的焦深，丁志华团队在传统探头的基础上，报道了使用GIF调控大纤芯光纤中的激发模式实现焦深的扩展，但该方案仅使用了LP₀₁模和LP₀₂，扩展的焦深倍数有限，仅为高斯光束的2倍左右；Tearney团队使用共轴聚焦多模(CAFM)光束方案实现了5倍的焦深扩展(相较于高斯光束)，但由于该方案的聚焦光束存在焦点分离的现象，其轴上光强的均匀性不好。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种具有优化的焦深、抑制旁瓣的探头。该探头通过将能量转移到高阶模式实现焦深扩展、旁瓣抑制。

本发明采用以下技术方案实现：

一种基于高阶模式能量调控的焦深拓展探头，包括单模光纤SMF，无芯光纤NCF，一号梯度折射率光纤GIF1，阶跃折射率多模光纤SIMMF，二号梯度折射率光纤GIF2；上述光纤段依次熔接；

所述的单模光纤SMF用于导光；SMF的输出光束经NCF放大后被GIF1聚焦至更小的尺寸，并在SIMMF中对模式能量进行调控，将能量耦合至高阶模式中；所述GIF2用于将SIMMF的干涉模场聚焦至待测样本。

上述技术方案中，进一步地，所述的NCF的最大长度为SMF的光束被放大至刚好充满GIF1的芯层大小时的长度。

进一步地，所述的GIF1的长度为光束刚好被聚焦至GIF1的末端时的长度。

进一步地，所述的SIMMF的最大长度为SIMMF中主要激发模式(能量大于峰值模式能量的50％)的最大模间色散等于OCT系统的轴向分辨单元时的长度；SIMMF允许三个或以上的模式传输。

进一步地，所述的GIF2的长度为刚好满足OCT系统的横向分辨率要求时的长度。