光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）是一种无损、无标记、高分辨和非侵入式的光学成像方法。自OCT诞生以来，提高成像速度一直是OCT领域的研究前沿热点问题。临床尤其是术中的三维导航和实时诊断对OCT成像速度提出越来越高的需求，其中超高速扫频激光器是实现超高速扫频OCT系统的特殊的核心光源。而拉伸脉冲锁模扫频激光器利用长啁啾光纤布拉格光栅的拉伸脉冲锁模架构，可提供宽带波长快速调谐输出，在光学测距、成像、传感尤其是无人驾驶激光雷达等众多应用领域中，具有越来越重要的应用。

       近日，物理系尹子辰、博士后王成铭等在导师薛平教授的指导下，研制出一种新型的基于偏振隔离的拉伸脉冲锁模扫频激光器（SPML）。该激光器首次巧妙地通过偏振转换及隔离方法，消除了由于光通过啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）传输而产生的激光寄生振荡，只需要使用一个CFBG并同时双向利用，即可实现~100%的占空比。对比而言，传统的SPML则需要多个CFBG，并且需要进行腔内半导体光放大器调制，腔外光缓冲或后放大。因此，这种新型的SPML既简化了系统、降低了成本，又同时提高了激光输出效率。该扫频激光器的重复频率为10.3 MHz，光功率为84 mW，频率线性扫频范围为1250 nm ~ 1360 nm。这种超高速扫描激光器将极大地促进OCT技术在工业和生物医学上的应用。

图1 基于偏振隔离的SPML激光器原理图

图2 (a)扫频OCT系统示意图 (b)人体手掌OCT横切面图像。比例尺:500µm。(c)人体手掌OCT三维体成像

       该激光器基于θ光纤环形几何结构，采用O波段半导体光放大器（SOA）作为增益介质。铌酸锂马赫-曾德尔强度调制器产生40 GHz脉冲用于主动锁模。可调谐皮秒脉冲发生器信号，通过18 GHz脉冲射频放大器，产生与激光的重复频率相同的125 ps脉宽的周期脉冲，该信号与腔往返时间的二次谐波同步，用于主动模式锁定。偏振转换及隔离的概念在图1中用蓝色箭头表示。在脉冲压缩阶段，连续扫频光从右向左通过CFBG，沿保偏光纤（PMF）慢轴偏振。由于光纤光栅是基于PMF制造的，因此光通过光纤光栅时保持其偏振轴不变。利用高消光比的快轴光纤起偏器，透射光被阻挡。在拉伸阶段，光脉冲通过CFBG从右向左传输。在环行器和快轴光阑之间放置光纤偏振分束器(PBC/S)作为偏振旋转元件，改变慢轴光的偏振方向，使其与快轴光阑对齐。同样，利用极化隔离可以抑制CFBG的部分传输。与传统的基于CFBG的SPML激光器由于其结构限制而占空比小于50%不同，新方法不需要SOA增益调制。通过仔细调整腔长，将激光腔的往返时间设置为拉伸脉冲持续时间的两倍，使激光扫描速率达到10.3 MHz，有效占空比接近100%。

       上述研究工作 “Polarization-isolated stretched-pulse mode-locked swept laser for 10.3 MHz A-line rate optical coherence tomography”发表在2023年7月24日的光学知名期刊Optics Letters上（https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-48-15-4025）。OCT领域著名的Optical Coherence Tomography News随即将该工作列为featured article 进行了报道。

       本工作获得了国家自然科学基金委、清华大学精准医学—精准外科战略项目、麦戈文脑科学研究基金和北京市科技新星计划的资助。