1 引言

20世纪80年代中期,光纤激光器开始进入实用化阶段,随后在光通信、光传感、激光加工和医疗等领域得到了飞速发展^[1]。而扫频光纤激光器作为光纤激光器的一种,主要特点是输出波长随着时间不断变化^[2]。扫频光纤激光器在光纤传感、生物医学以及光谱学等领域有着极其重要的应用价值^[3],从提出至今,一直受到国内外研究者的广泛关注。

扫频光纤激光器的性能参数主要包括中心波长、扫频速度、扫频范围、瞬时线宽和输出功率等,不同的性能参数可以应用在不同领域。在光纤传感系统中,为了获得传感信号,必须对光谱信息进行解调,从而分析出光谱各波长携带的物理信息^[4-5]。利用扫频光纤激光器波长随时间变化的特点,输出激光在扫频机制的作用下,以特定的扫描步长在光谱上进行信息采集。信息采集的精度决定于扫频光纤激光器的扫频范围,而解调的速度则取决于扫频速度^[6]。

在生物医学领域应用扫频光纤激光器尤为重要。光学成像技术是生物医学领域的重要技术之一,光学相干层析成像^[7-8]（OCT）技术作为最新的光学成像技术,相比于其他光学成像技术具有相当大的优势,其主要特点是探测灵敏度高、空间分辨率高以及动态范围大。随着技术不断发展,OCT技术由最开始的时域OCT技术发展到谱域OCT技术,再发展到现在的扫频源OCT技术。扫频源OCT技术是目前最前沿的OCT技术^[9] ,其关键组成部分就是扫频光源^[10]。扫频源OCT的成像性能由扫频光源的输出特性决定：成像速度取决于扫频光源的扫描速度;轴向分辨能力取决于扫频光源的扫频范围;成像深度由扫频光源瞬时线宽决定;成像灵敏度与扫频光源输出功率有关^[11-13]。理想的扫频光源需要满足合适的中心波长、较快的扫频速度、较宽的扫频范围和较高的输出功率^[14-15]。

扫频光纤激光器的研究可分为两类^[16],一类是基于色散时延的扫频光纤激光器,利用带宽较宽的脉冲光源输入到长光纤中,通过长光纤产生色散,得到时间延迟的特性,对输出光谱在时间序列上进行编码,达到滤波的目的^[17];另一类是较为普遍的基于光学滤波器的扫频光纤激光器,利用光学滤波器的滤波选频特性,将光学滤波器放入谐振腔内或腔外,将输入光进行调谐滤波后输出。相对于基于色散调制的扫频激光光源,基于光学滤波器调谐的扫频激光光源输出波长较为稳定,应用更为广泛。本文主要介绍了基于光学滤波器的扫频光纤激光器的研究进展及其在各项性能参数上的研究成果。同时,指出其存在的问题并对扫频光纤激光器的发展进行展望。

2 基于光学滤波器的扫频光纤激光器

2.1 基于光栅多面镜可调谐滤波器的扫频光纤激光器

2003,哈佛大学的Yun等^[18]首次提出了基于光栅多面镜可调谐滤波器的扫频光纤激光器,滤波器的基本结构如图1所示。滤波器主要由光栅、多面转镜（24面）以及由两个透镜组成的望远镜三部分组成,其中光栅用于分光,多面镜用于选频,望远镜系统用于实现光路转换。光栅的中心放在透镜1的焦点处,多面镜的中心轴位于透镜2的焦点处,当两个透镜之间的焦距改变时,入射到多面转镜上的光斑直径以及会聚角的大小也会随之改变。光栅多面镜滤波器选频机制为：只有垂直于多面镜前镜面的某个波长的光才可以沿原光路返回,通过旋转多面转镜,就可以实现不同波长的选择。光栅多面镜滤波器通过法拉第环行器集成到扩展腔半导体激光器中,如图2所示。激光器采用半导体光放大器（SOA）作为增益介质,两个偏振控制器（PC）用来调节偏振光的偏振态。光通过环形器1端口进入2端口,然后到达光栅多面镜滤波器进行滤波,再返回2端口,并从3端口到达耦合器。部分光通过耦合器10%端口在腔内循环,另一部分光通过90%端口进入另一个耦合器。通过另一耦合器将10%的激光输出到带宽为0.12 nm的可调谐滤波器并定向到光电探测器上,将90%的光输出。输出激光中心波长为1320 nm,扫频速度为15.7 kHz,扫频范围为73 nm,光功率达到6 mW。

图 1. 望远镜型光栅多面镜滤波器结构图^[18]

Fig. 1. Structure diagram of telescope type grating polygon mirror filter^[18]

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图 2. 扫频光纤激光器原理图^[18]

Fig. 2. Schematic diagram of frequency-swept fiber laser^[18]

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多面转镜的面数越多,对应的扫频速度越快。多面镜由最开始的24面发展到30面^[19]、40面^[20]、72面^[21-22],甚至达到128面^[23]。相应的扫频速度从15.7 kHz增加到18.94 kHz、20 kHz、43.2 kHz,最后达到115 kHz。而望远镜系统布局可用于调节光栅色散角度范围与扫描角度范围匹配,进而实现了单向、高速、线性的波长扫描。为进一步拓展滤波器的调谐范围,进而增大扫频光纤激光器的扫频范围、提高输出光功率、简化扫频光纤激光器的结构,Motaghian等^[24]在2008年提出了一种基于非望远镜型光栅多面镜的扫频光源。该光栅多面镜可调谐滤波器采用了非望远镜型利特罗布局,光由准直镜直接照射在旋转多面镜上,再由多面镜反射到衍射光栅,被衍射的色散光谱按原路返回,结构如图3所示。该调谐滤波器不需要复杂的望远镜系统,因而结构紧凑、易于调节,而且能确保两倍于单望远镜系统型滤波器^[25]的自由光谱范围。输出激光中心波长为1300 nm,扫频范围达到168 nm,扫频速度达到50 kHz,输出功率达到40 mW。基于非望远镜型光栅多面镜的扫频光源在扫频范围和输出功率上都得到了很大的提升。

图 3. 非望远镜型光栅多面镜可调谐滤波器结构图^[24]

Fig. 3. Structure diagram of tunable filter for non-telescope type grating polygon mirror^[24]

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扫频光源的输出功率决定了扫频OCT系统的成像灵敏度,输出功率越高,成像灵敏度越好。2009年,Leung等^[26]研究了一种基于光栅多面镜的高功率扫频光纤激光器。采用非望远镜型利特罗结构多面镜滤波器作为波长调谐元件,并且增加了一个端部反射镜,结构如图4所示。将光栅中的衍射光耦合到激光腔中,从而减小了线宽。结合傅里叶域锁模技术,在激光腔中合并两个串行半导体光放大器来实现高输出功率,如图5所示。测得输出激光的中心波长为1329 nm,扫频范围达到111 nm,扫频速度为43 kHz,瞬时线宽为0.14 nm,输出功率达到131 mW,这是目前扫频光纤激光器所达到的最大输出功率。

图 4. 非望远镜型光栅多面镜可调谐滤波器结构图^[26]

Fig. 4. Structure diagram of tunable filter for non-telescope type grating polygon mirror^[26]

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图 5. 基于光栅多面镜的高功率扫频光纤激光器^[26]

Fig. 5. Schematic of high power swept fiber laser based on grating polygon mirror^[26]

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基于光栅多面镜调谐滤波器的扫频光纤激光器能够实现快速、单向、线性的扫描,并且结构简单,易于调节。由表1可知,基于光栅多面镜调谐滤波器的扫频光纤激光器扫频速度从15.7 kHz提高到最大的115 kHz;扫频带宽从73 nm增加到168 nm;输出光功率从6 mW增加到131 mW。虽然扫频速度和扫频范围还不够大,但是输出光功率相对较高,最高可达131 mW。扫频光源输出功率越高,扫频源OCT系统成像的灵敏度越高,这对于实现高灵敏度OCT成像具有重要意义。

2.2 基于光纤法布里-珀罗可调谐滤波器的扫频光纤激光器

2005年,麻省理工学院小组提出一种新技术,采用光纤法布里-珀罗调谐滤波器（FFP-TF）来选频滤波^[27]。FFP-TF作为滤波器可以实现极其细微的调制,输出光瞬时线宽窄,可以达到pm级,插入损耗很低。并且FFP-TF是光纤型可调谐滤波器,容易操作且维护简单^[28-30]。

为了解决激光在谐振腔内建立时间与扫频速度之间的难题,实现高速的扫频激光输出^[31-33],2006年Huber等^[34-35]提出了傅里叶域锁模（FDML）技术。FDML与传统的锁模技术不同,传统的锁模技术是对激光腔内的振幅和相位进行调制,而FDML是对腔内的激光频率进行调制编码^[34-35]。基于FDML扫频光源采用了光子渡越周期与调谐周期相匹配的长腔谐振技术,扫频速度不受激光在激光腔内建立时间的限制,大大提高了激光扫频速度。其基本结构如图6所示,激光器为环形腔结构,采用SOA作为增益介质,光隔离器保证激光单向传输。首先由SOA辐射出多纵模光,经过光隔离器进入FFP-TF滤波,输出满足当前FFP-TF腔长的纵模光。通过的纵模光继续在激光腔内循环并再次进入SOA得以放大,被放大的纵模光一部分通过耦合器90%端口输出,另一部分通过10%端口回到激光腔内循环。在环形腔内加入一段较长的色散管理光纤作为延迟线,使得FFP-TF的驱动电压的周期恰好等于激光绕环腔传播一周的时间,这样各纵模光经过滤波器在腔内传播一周后再次回到滤波器时,滤波器的腔长正好被调谐到该纵模可以通过的长度,各纵模都被精确锁定,实现连续的扫频激光输出。FDML扫频光源中心波长为1300 nm,扫频速度可达290 kHz、扫频范围为105 nm,而激光器的直接输出平均光功率为3 mW。为了获得更高的输出功率,在输出端接入了一个助推SOA用于对输出激光再次放大,通过次级放大,获得了20 mW的输出功率。

图 6. 基于FDML的扫频光纤激光器原理图^[34]

Fig. 6. Schematic diagram of frequency-swept fiber laser based on FDML^[34]

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虽然FDML扫频光纤激光器在扫频速度上有了很大的提高,但是在谐振腔内加入一段较长的光纤作为延迟线,导致谐振腔长度大大增加,FDML扫频光纤激光器结构较为复杂。为了缩短延迟光纤的长度从而减小谐振腔长度,2009年Christoph等^[36]提出了次谐波的傅里叶锁模扫频激光器。如图7所示,整个扫频光纤激光器以sigma环结构为基础,采用半保偏FFP-TF作为滤波器件,FFP-TF一端采用保偏光纤连接保偏器件构成环形腔,另一端由单模光纤和法拉第旋转镜（FRM）构成线型腔。来自SOA的p偏振光通过偏振合束器（PBC）耦合到FFP-TF中。与FFP-TF瞬时通频带相匹配的频率分量通过两段180 m长的延迟光纤进行传输。腔体末端的FRM将偏振态旋转90°,光传回FFP-TF。光纤延迟线中的光来回多次往返,FFP-TF作为可控开关。除了减少谐振腔长度,次谐波扫频光纤激光器还可以实现光存储和时间复用的扫描,使扫频速度大大提升,最高扫频速度达到570 kHz。激光器输出激光中心波长为1317 nm,扫频范围为95 nm,输出光功率达到12 mW。

图 7. 次谐波FDML扫频光纤激光器原理图^[36]

Fig. 7. Schematic diagram of frequency-swept fiber laser based on subharmonic FDML^[36]

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扫频光纤激光器的扫频范围决定了OCT系统的轴向分辨能力。扫频范围越宽,OCT系统的轴向分辨能力越强。2012年,Bonesi等^[37]提出一种基于FDML的高速偏振敏感型扫频光纤激光器。激光器采用环形腔结构,结构如图8所示,各个元件由保偏光纤连接,延迟光纤采用标准单模光纤,由FRM、偏振分束器（PBS）和标准单模光纤构成线型腔。环形腔外部接了三级缓冲放大器,实验过程中只使用了第一级缓冲放大器。输出激光中心波长为1315 nm,扫频带宽达到120 nm。2012年,Choi等^[38]提出一种基于FDML激光器的光纤布拉格光栅传感系统,高速扫频激光可用于高灵敏度、宽动态范围的动态传感测量。通过调节滤波器的调谐周期与激光在激光腔的往返时间同步,来克服传统的扫频激光器扫频速率的限制。输出激光扫频范围从1440 nm到1580 nm共140 nm,3 dB带宽为79 nm。

图 8. 基于FDML的高速偏振敏感型扫频光纤激光器原理图^[37]

Fig. 8. Schematic diagram of high-speed polarization-sensitive frequency-swept fiber laser based on FDML^[37]

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为了进一步拓展扫频光纤激光器的扫频范围,武汉理工大学汪鹏飞等^[39],在2019年提出了一种并联SOA的FDML高速宽带扫频光源,两个并联SOA分别为量子点半导体光放大器（QW-SOA）与量子阱半导体光放大器（QD-SOA）,结构如图9所示。利用QD-SOA与QW-SOA中心波长和增益范围的差异,实现了对扫频范围的有效拓展,可用扫频范围为1110~1428 nm共318 nm,扫频光谱的半峰全宽为110 nm,这是一种增大扫频激光光源带宽的有效方法。而且对传统FDML结构进行了优化,引入FRM搭配光环形器,使实际用到的延时光纤长度缩短了2 km,而扫频速率并没有因此降低,最高达到101 kHz。

图 9. FDML高速宽带扫频光纤激光器原理图^[39]

Fig. 9. Schematic of FDML high-speed broadband frequency-sweep fiber laser^[39]

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由表2可知,基于FFP-TP的扫频光纤激光器的扫频速度从最开始的290 kHz发展到最大的570 kHz,扫频范围从105 nm增加到318 nm。在保证高速扫频的条件下,有效地展宽了扫频光源的扫频范围,对于提高扫频源OCT的成像速度和轴向分辨能力具有重要意义。对于基于FFP-TP的扫频光纤激光器而言,采用更快的调谐速度,可以实现更高速的扫频。虽然此类型扫频光纤激光器的扫频速度和扫频范围都较大,但是激光器腔长较长,结构较为复杂。而且输出激光不稳定,光功率相对较低,最高只有23 mW。

2.3 基于声光可调谐滤波器的扫频光纤激光器

上述基于光栅多面镜可调谐滤波器和法布里-珀罗可调谐滤波器的扫频光纤激光器都有一个共同的缺点,即在滤波过程中滤波元件的内部部件会发生机械移动,并且容易受外界环境因素的影响,从而造成输出扫频激光不稳定、重复性差。针对这一问题,可以使用声光调谐滤波器（AOTF）作为滤波元件。AOTF基于声光效应,通过声波调制来改变输出光的波长,滤波时内部部件不会发生机械移动,受环境因素影响较小,从而保证整个系统的激光输出稳定性较好^[40-42]。

1997年,Yun等^[43]首次提出了基于AOTF的扫频光纤激光器。激光器结合频移反馈和腔内通带滤波器,采用环形腔结构,如图10所示。铒镱共掺光纤作为增益介质,对AOTF加载一定的射频驱动信号,通过对滤波器峰值波长和滤波器强度的调制,使输出的波长在给定的范围内线性调谐。获得的扫频输出激光中心波长为1550 nm,扫描范围高达38 nm,扫频速度达到7 kHz,瞬时线宽小于0.1 nm,输出功率高达100 mW。2014年,Huo等^[44]提出了一种基于AOTF的新型线性扫频激光光源。AOTF由声光偏转器和反射光栅构成,激光器采用SOA作为腔内增益介质。扫频激光器中心波长为1064 nm,扫频范围约为70 nm,半峰全宽为42 nm。扫描速度为20 kHz,输出光功率为2.56 mW。

图 10. 基于 AOTF 的扫频光纤激光器原理图^[43]

Fig. 10. Schematic diagram of frequency-swept fiber laser based on AOTF^[43]

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2014年,上海理工大学Chen等^[45]提出了一种基于AOTF的扫频光源,采用环形腔结构,如图11所示。该环形腔由两个隔离器、光纤耦合SOA、光学带通AOTF和耦合器组成。两个隔离器用于消除所有无关的腔内反射,确保环形腔的单向激光。AOTF的波长范围为1200~1400 nm,射频的频率范围是60~80 MHz,频率步长为10 Hz,频率精度为0.01%。输出光纤耦合器为40：60,光功率的40%回到谐振腔,60%是输出部分。激光在环形腔中被放大后,通过耦合器输出。在腔外,第二光纤耦合SOA作为辅助放大器进一步对激光进行放大。在环形腔外端接两个隔离器,以避免应用系统反射回腔内。扫频激光源在1308 nm中心波长实现140 nm调谐范围,扫频速度高达100 kHz,输出光功率为8 mW,在空气中进行OCT成像时的轴向分辨率为5.4 µm。

图 11. 基于AOTF的扫频光纤激光器原理图^[45]

Fig. 11. Schematic diagram of frequency-swept based on AOTF^[45]

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基于单一可调谐滤波器的扫频光纤激光器,输出光的光谱带宽与瞬时线宽之间相互制约,即不能同时实现较宽的光谱带宽和较窄的瞬时线宽^[46-47]。应用于OCT成像系统时,直接影响了成像的轴向分辨率和成像深度,限制了OCT系统性能的提升^[48]。为了突破单一滤波器的这种缺陷,上海理工大学陈明惠等^[49]于2018年提出了一种双重滤波扫频光源,即在同一个环形腔内串联接入AOTF和FFP-TF两种不同滤波器协调滤波,结构如图12所示。为了输出光的稳定,两个滤波器要满足中心波长重叠且保持同步扫描。其中AOTF结构稳定、重复性好、衍射效率高,且具有较宽的调谐范围和瞬时线宽,FFP-TF光谱分辨率高、损耗低、连续性好,且具有较窄的调谐范围和瞬时线宽。两者串联可以克服各自的缺点,实现宽光谱带宽与窄瞬时线宽的统一,调谐范围达到145 nm,瞬时线宽小于0.02 nm,能够较好地提升OCT成像的综合性能。输出扫频激光中心波长为1316 nm,扫频速度为1.35 kHz,输出光功率为0.48 mW。

图 12. 双重滤波扫频光纤激光器原理图^[49]

Fig. 12. Schematic diagram of dual-filter frequency-swept fiber laser^[49]

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由于AOTF是电控制元件,波长的调谐不需要机械驱动,因此提高了系统的稳定性,其输出激光光谱的重复性也很好。同时,衍射光的波长由射频信号频率决定并具有严格的线性关系。基于AOTF的扫频光纤激光器从被提出到现在,扫频速度和扫频带宽均得到了提高。由表3可知,扫频速度从7 kHz提高到100 kHz,扫频带宽从38 nm增加到145 nm,而且扫频光源中心波长可以覆盖1.0 µm、1.3 µm和1.5 µm三个波段。但是由于AOTF变化的精度不高,不能对扫频步长进行精确地控制。

表4所示为基于光学滤波器的三种不同类型扫频光纤激光器所实现的最高的性能参数,分析可知：基于光栅多面镜可调谐滤波器的扫频光纤激光器主要优点是输出光功率较高,最高可达131 mW;基于FFP-TF的扫频光纤激光器扫频速度和扫频范围都较高,扫频速度最高可达570 kHz,扫频范围最大可达318 nm;而基于AOTF的扫频光纤激光器主要优点则是输出激光稳定性和重复性较好,并且中心波长可覆盖1.0 µm、1.3 µm和1.5 µm三个波段。三种类型的扫频光纤激光器在性能参数及结构上各有优缺点。

3 结论

本文从基于光栅多面镜调谐滤波器、基于光纤法布里-珀罗可调谐滤波器以及基于声光可调谐滤波器的三种扫频光纤激光器出发,回顾了基于光学可调谐滤波器的扫频光纤激光器研究进展。从扫频光纤激光器提出到现在,扫频速度、扫频范围、输出光功率等性能参数都有了很大的提升,但是不同类型扫频光纤激光器在不同性能参数上优势不同,缺少一种各项性能参数都较高的扫频光纤激光器。由于不同类型的扫频光纤激光器各有优缺点,这就要求研究者根据自身需求来设计激光器。随着光纤技术的发展,高功率光纤激光器日渐成熟,相信在不久的将来,一种扫频速度快、扫频范围宽、扫描瞬时线宽窄以及输出激光功率高的扫频光纤激光器必将得以实现。