偏芯保偏光纤的干涉增强机理与相干层析成像技术研究

Probe made of polarization-maintaining optical fiber with eccentric core and high frequency-swept laser based on Fourier domain mode locking (FDML) are used to construct new optical fiber Fourier domain optical coherence tomography system to acquire high imaging resolution, speed and depth, aiming at breaking through the existing optical coherence tomography (OCT) imaging technology limitation. Based on the study of the interference enhancement mechanism of polarization-maintaining optical fiber with eccentric core, do theoretical exploration of its transmission, coupling and attenuation to get the eccentric core polarization maintaining fiber optic coherence tomography physics mechanism and optimize and prepare this fiber. Based on the study of the combined characteristics of eccentric core polarization maintaining optical fiber interference enhancement imaging and novel frequency domain OCT system with high-speed sweep frequency technique, study intensively on theory and technology of image information processing image about the sparse reconstruction, and explore a new method of improving OCT system imaging quality, speed and imaging depth. This study is expected to establish an optical waveguide transmission mathematical physical model of eccentric core polarization maintaining fiber, to analysis the transmission, coupling and attenuation characteristics of the fiber, obtaining a new principle and new technology of optical coherence tomography based on the interference enhancement of eccentric core polarization maintaining optical fiber. It has important scientific significance and application value in broadening the application field of special optical fiber and promoting the development of optical fiber sensing technology.

为突破现有光学相干层析成像(OCT)系统难以从生物深层组织中提取出清晰图像这一技术瓶颈，获得一种新型的具有大的探测深度、高的分辨率和成像速率的成像理论与技术,本项目拟将偏芯单芯保偏光纤作为探头与基于傅里叶域锁模的高速扫频光源等结合在一起，构建新型光纤光学频域相干层析成像系统。在深入研究偏芯单芯保偏光纤干涉增强的理论基础上，探索偏芯单芯保偏光纤光传输、耦合、损耗等光学特性，获得偏芯单芯保偏光纤相干层析成像的机理，实现偏芯单芯保偏光纤设计与制备工艺的优化，研究系统光电信息处理技术及相关图像稀疏重建的理论与方法，探索提高OCT系统成像质量、速度和探测深度的新方法。预计能获得一种用于偏芯保偏光纤光传输、耦合、损耗特性分析的光波导传输理论模型，建立基于偏芯单芯保偏光纤干涉增强的新型光学相干层析成像系统新原理、新技术。对拓宽特种光纤的应用领域，促进光纤传感探测技术的发展具有重要的科学意义和应用价值。

由于光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography, OCT）技术高分辨率、无侵入和三维立体成像的特点，使得其在生物医学领域拥有巨大的应用潜力，目前其应用涵盖许多临床专业、基础科学、生物研究和非医疗领域。本项目针对偏芯光纤有别于普通单模光纤的结构特殊性，根据光学波导理论，建立了偏芯光纤光传输模型，利用有限差分光束传播法研究其光传输、耦合、损耗规律特性，分析纤芯相对位置、偏心度等参数对偏芯光纤传输特性的影响，得出了最优结构参数，研究了拉丝过程中温度、涂层厚度等工艺参数，制备出了三种不同偏心度的偏芯光纤。根据光的偏振理论研究了部分偏振态在偏芯光纤传输过程中的偏振态变化特性，并根据干涉理论建立了OCT干涉图像的数学物理模型，模拟分析了OCT成像过程。根据光学干涉原理，设计了单模偏芯光纤双折射系数测量装置，研究发现单模偏芯光纤的双折射系数会随着偏芯包层深度的增大而减小，并在某一值处达到最小几乎为0。运用错位熔接法，研制了三芯光纤的偏芯纤芯和中轴线纤芯分别与单模光纤进行熔接的两种复合探针，对比实验研究了在弯曲度，温度，折射率，脉搏的传感特性。研制了一种微球型全光纤透镜探针，构建了探针焦距与球直径的数学关系模型，并对探针的特性参数进行了分析与测试。自主研制了一种基于傅里叶域锁模的高速扫频光源，获得的扫描范围为1260 nm~1360 nm，输出光功率强度为14.8 mW，其双向扫描频率为101 kHz，占空比为70.4%，进而提高了OCT系统的成像速率和成像深度。搭建了全光纤型MZI成像干涉仪，该干涉仪具有结构简单、操作方便等优点。首次提出将偏芯光纤（ECF）代替传统单模光纤（SMF）反射式光纤延迟线，构建了一种新型OCT系统。实验研究了基于偏芯光纤的SS-OCT系统的干涉光频谱特性，提出了一种光学k时钟光谱重采样方法，利用最邻近算法对原始OCT信号进行光谱重采样，通过对SS-OCT重采样信号的光谱整形、直流去噪、傅里叶变换及标准灰度级映射方法初步实现了组织结构二维灰度重建。对推动OCT技术的应用具有重要的科学价值。