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作者：Gail Overton

微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）可調(diào)諧垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）將成為掃頻光學(xué)相干層析（OCT）應(yīng)用的理想選擇，這是由于它們具有可獲得高掃描速度的微米級(jí)腔長(zhǎng)和輕巧的反射鏡、無(wú)跳模的單模運(yùn)行，以及用于較長(zhǎng)成像范圍的長(zhǎng)動(dòng)態(tài)相干長(zhǎng)度。然而，在MEMS可調(diào)諧VCSEL提供晶片級(jí)的制造、測(cè)試和相對(duì)較低的運(yùn)行成本的同時(shí)，其輸出功率和可調(diào)諧性也受到了限制，此前報(bào)道的最佳性能為在1550nm波長(zhǎng)處獲得65nm的調(diào)諧范圍。

最近，麻省理工學(xué)院以及Thorlabs等公司的科學(xué)家們已經(jīng)改善了這種情況，他們開(kāi)發(fā)出了一種1310nm的單模MEMS可調(diào)諧VCSEL，調(diào)諧范圍達(dá)110nm，將調(diào)諧范圍因子（Δλ/λ）提高至接近原來(lái)的兩倍。該新型寬帶可調(diào)諧光源獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的760kHz的軸向掃描速度，并利用光放大實(shí)現(xiàn)了40mW的平均功率輸出，為掃頻OCT開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

單模運(yùn)行與MEMS調(diào)諧

可調(diào)諧VCSEL是通過(guò)將寬增益的基于磷化銦（InP）的量子阱激活區(qū)，與基于砷化鎵（GaAs）的氧化反射鏡結(jié)合在一起構(gòu)建而成的。由980nm的激光光源泵浦該器件，懸浮在該結(jié)構(gòu)頂部的、由氣隙隔開(kāi)的靜電驅(qū)動(dòng)介質(zhì)反射鏡會(huì)發(fā)生移動(dòng)，從而產(chǎn)生1310nm的可調(diào)諧發(fā)射（如圖）。隨后，發(fā)射光被耦合到寬帶半導(dǎo)體光學(xué)放大器中，這不僅能提高輸出功率，而且還能在可調(diào)諧VCSEL的輸出光進(jìn)入OCT系統(tǒng)之前對(duì)其整形。

對(duì)于軸向掃描的760kHz超高速成像，在4.5mm的成像深度觀察到6dB的衰減，對(duì)可調(diào)諧VCSEL而言，對(duì)應(yīng)于最小9mm的相干長(zhǎng)度。對(duì)于軸向掃描的150kHz的較低成像速率，在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)測(cè)得了超過(guò)25mm的相干長(zhǎng)度。成像速度和范圍都明顯優(yōu)于其他掃頻激光光源。由于VCSEL工作在真正的單縱模模式，而不是一系列模式，它們能夠以可調(diào)節(jié)的重復(fù)頻率進(jìn)行掃描，同時(shí)保持卓越的相干長(zhǎng)度。

“對(duì)于下一代OCT而言，單模、高速掃頻源具有非常廣泛的發(fā)展前景，”麻省理工學(xué)院電氣工程教授James Fujimoto說(shuō)，“這些光源提供了創(chuàng)紀(jì)錄的成像性能，定能開(kāi)拓各種新的應(yīng)用和市場(chǎng)。”

參考文獻(xiàn)
1. V. Jayaraman et al., 2011 Conf. on Lasers and Electro Optics (CLEO), postdeadline paper PDPB2, Baltimore, MD (May 2011).