基于锁模激光器的MHz级扫频光源：时域拉伸噪声极限超连续谱及其在光学相干断层扫描中的应用

这篇研究突破性地提出了一种基于锁模激光器（ML）和时域拉伸技术的MHz级扫频光源（SS），通过全正色散光纤（ANDi）实现低噪声超连续谱（SC）生成，解决了扫频光源光学相干断层扫描（SS-OCT）中成像速度与探测距离的矛盾。该系统轴向分辨率达11.4 μm，6 dB灵敏度滚降长度达119 mm，交叉相关系数高达0.997，为高速、长距离生物医学成像提供了新范式。

　　

引言：MHz级扫频光源的挑战与创新

传统扫频光源在光学相干断层扫描（OCT）中存在成像速度与探测距离的固有矛盾。现有超连续谱扫频光源重复频率通常高于数十MHz，严重限制SS-OCT系统的探测范围。本研究首次提出基于5.7 MHz锁模激光器的低重复频率扫频方案，通过时域拉伸噪声极限超连续谱，实现了119 mm的6 dB灵敏度滚降长度，为高速长距离成像奠定基础。

实验设计：低重复频率锁模激光与超连续谱生成

种子激光器设计
采用非线性偏振旋转（NPR）锁模技术构建5.7 MHz环形腔光纤激光器，核心创新在于引入大模场面积光纤（LMAF）和色散补偿光纤（DCF）组合。LMAF（G.654光纤）的非线性系数仅0.56 W^?1km^?1，配合-166.1 ps nm^?1km^?1的DCF，将腔内净色散控制在近零正常色散区。这种设计使单脉冲能量达88.7 pJ，峰值功率69.7 W，同时非线性相位积累仅2.126，远低于分裂阈值π。

超连续谱扩谱机制
种子脉冲经9 m单模光纤（SMF-28e）压缩至207 fs后，泵入0.45 m高非线性光纤（HNLF）产生ANDi超连续谱。关键发现：当泵浦功率达620 mW时，光谱覆盖S/C/L波段（1490-1610 nm），3 dB带宽86.4 nm，且相对强度噪声（RIN）低至-128 dB/Hz。通过3586次单帧光谱统计，交叉相关系数标准差/均值比仅0.074%，证明其卓越的相干性。

性能验证：从光源到OCT系统的跨越

时域拉伸扫频特性
6.5 km DCF提供-1050 ps nm^?1群速度色散，实现波长-时间线性映射。二次多项式拟合显示色散斜率0.7968 ps nm^?2，与理论值高度吻合。

SS-OCT系统突破
在5.7 MHz扫频速率下，系统轴向分辨率达11.4 μm（理论值8.83 μm），差异源于光谱非对称性。通过可变光延迟线（VODL）测试，6 dB灵敏度滚降长度达119 mm（对应70 GHz探测器带宽），信噪比（SNR）42 dB。三层塑料板成像实验清晰显示0.5 mm厚度微结构，验证了系统的高分辨能力。

讨论：参数空间的边界拓展

理论模型揭示：轴向分辨率δz与扫频范围Δλ成反比（公式1），而探测距离z正比于探测器带宽δν_B（公式2）。当重复频率降至5.767 MHz时，70 GHz带宽即可支持121 mm成像范围，与实验结果匹配。这一发现为平衡OCT系统成本与性能提供了新思路。

结论：全光纤系统的里程碑

该工作首次实现全光纤结构的MHz级低噪声扫频光源，突破SS-OCT成像距离百毫米大关。LMAF调控非线性、ANDi光纤保障光谱相干性、时域拉伸精确控制扫频特性的三重创新，为光学测距（LiDAR）、频域反射仪（OFDR）等应用开辟了新途径。未来可通过优化种子激光稳定性，进一步提升超连续谱平坦度，推动实时活体成像技术的发展。