垂直腔面发射激光器简称VCSEL，是一种半导体，其雷射垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制成，雷射由边缘射出的边射型雷射有所不同。近日，国外研发出一种新型可调谐垂直腔面发射激光器，为OCT的应用创造了新方向。

     Thorlabs公司、Praevium Research公司和麻省理工学院（MIT）联合研发出一种新型可调谐垂直腔面发射激光器（VCSEL），可应用于光学相干断层扫描（OCT），比现有商业OCT系统的成像速度更快，成像范围也有了显著提高。同时，该项目也获得了美国国立卫生研究院癌症研究所和眼科研究所（NCI和NEI）的支持。目前，正朝着商业化方向发展。

    今年二月，在美国西部光电展BiOS热门话题会议上，来自Thorlabs公司和MIT的Ben Potsaid详细描述了该型光源如何通过激光谐振腔的闭环控制，实现快速扫描和可调谐输出。

    他说：“这种可调谐VCSEL采用单片设计，并使用静电MEMS激励器来控制激光谐振腔长度。激光谐振腔由两块反射镜组成：一块固定反射镜形成其底面，另一块悬浮反射镜则形成其顶面。对电容板充电就可产生一个吸引力，向下拉动悬浮反射镜，缩短谐振腔长度，于是就可以调谐光源，输出更短波长的光。通过使用特殊形状的电压波驱动激励器，就可按照扫频源OCT的要求及时对激光波长进行扫频。”

    1065 nm和1310 nm的原型设备已经通过验证，结果表明它可以提供真正的单纵模光和无模式跳动的波长调谐。

    这种MEMS激励器的工作频率也很高，可迅速调节微米尺度的谐振腔长度。已经证实，该设备具有600 kHz的基本重复频率。对于OCT而言，这意味着该设备可通过使用向前和向后扫描实现速率高达1.2 MHz的独立A-扫描。据研究人员介绍，这一速率比标准商业系统快50倍。

    高速扫描速率非常重要，因为它们在诸如眼科、血管和内窥镜成像等采集时间受限的应用中依然可以获取大型数据集。它们还可以在全面地组织覆盖范围内获得大量和密集的采样数据集合。

    实际的例子很多，比如眼科。1.2 MHz的A-扫描速率可以在病人眨眼或者不由自主地移动眼睛之前就可以完成对视网膜的大范围扫描。另一个实例就是癌症研究，使用微型OCT探针，可以1 MHz的A-扫描速率完成兔食管、结肠和胃的成像。这意味着，该技术在使用这种可调谐VCSEL实现人体内窥镜癌症成像的应用领域取得了进步。

    成像距离从毫米扩展到米

    在可用成像深度方面，这种可调谐VCSEL也有着显著改善。随着成像深度的增加，灵敏度会显著下降，这是基于光谱仪或者频域OCT面临的挑战。

    在临床眼科上，只要超出成像范围几个毫米，灵敏度限制就非常明显。于是，临床医生通常必须选择对视网膜的顶端或底端进行成像，因为他们无法同时在一个较长的成像深度范围内以较好的灵敏度进行成像。然而，这种VCSEL可以解决这一难题。

    Potsaid评论道：“可调谐窄线宽和单纵模调谐使其能够在以前无法想象的距离上，迅速对结构体进行测量。由于激光的相干长度长，信号可以在较长的距离上保持振幅基本一致，损耗非常小，而这一距离要远远超过现有几个毫米的成像距离。”

    西部光电展上引人注目的例子有：在15.2 cm的距离上以25 kHz的A-扫描速率对光学支柱进行三维OCT成像；在8 cm的距离上以相同的扫描速率对淹没在凝胶溶液中的子弹进行三维OCT成像。

    到目前为止，实验中测量过的最长物体是光学路径长度为1.5米的光缆。扫描速率为20 kHz，采用单通道、非成像、干涉仪结构进行测量，但没有进行严格成像。近期发表在《光学快报》上的一篇文章详细描述了这些实验。

    Potsaid指出：“即使在空气中，传输距离达到创纪录的1.5 m时，损耗也仅为-10 dB；其它成像技术与其相比就显得相形见绌了。”

    对眼睛的整个长度进行成像

    在扫频源OCT实际应用中， A/D转换器的性能是系统成像质量的一个基本限制，但是在这些限制下，这种新型VCSEL所具备的可调整扫描轨迹和速率的能力，使其具有足够的灵活性来适应许多成像场景。

    Potsaid说：“已经证实，在眼科成像中，这种VCSEL可以580 kHz的A-扫描速率、83 nm的波长调谐范围及8.9 μm的轴向分辨率对视网膜进行扫描，提供适合视网膜成像的成像范围。扫描前眼需要更长的成像范围，但是，通过降低VCSEL的扫描速率，同时保证相同的光谱扫描范围，则可以在牺牲分辨率的情况下实现前眼扫描。”

    在对眼睛的整个长度进行成像方面，可以更进一步将VCSEL的扫描速率降到50 kHz，波长调节范围减小到45 nm。这样做，分辨率略有下降，但成像范围足以包括眼睛的整个长度，从眼角膜到视网膜。

    这样的多功能性可以开辟出一些新的潜在应用。Potsaid指出：“工业生产可能会受益于实时三维零件检测和表面轮廓术，以帮助组装和质量控制。在生物医学领域，这种扩展的成像范围可能会实现大型解剖结构的三维形态表征，比如上呼吸道。这对睡眠呼吸暂停的病理理解和潜在治疗来说是非常重要的。它也可能会用于对由医生操刀或机械手控制的手术进行实时可视化和外科指导。”

    研究小组将继续开发和验证这种VCSEL系统及应用，Thorlabs公司则致力于将该技术商业化，以提供一套完整的OCT成像系统和台式激光源，或者作为扫频源由原始设备制造商将其与系统进行集成。

    该项研究不仅是可调谐垂直腔面发射激光器的新突破，对OTC的应用也是一项新突破，不仅可以深度成像，而且还能对整个长度进行成像，具有重要的应用价值，相信该技术商业化将具有巨大的发展前景。#p#分页标题#e#