快速扫频光源的性能指标

快速扫频光源是一种工作频率和波长可以实现大范围、周期性连续调谐的激光器，由于波长可以快速调谐的特性，比较适合应用于SS-OCT中。所有类型的扫频光源系统都可以视为由一个提供增益和光放大的增益介质、提供频率和波长调谐的滤波装置、包含此滤波器的谐振腔组成。其关键参数如下。

1）调谐范围，该指标决定了激光器可以输出的频率和波长的光的范围，会影响SS-OCT的轴向分辨率。 其中SS-OCT的轴向分辨率可以表示为Δz=（2ln2 · λ₀²）÷（π · nΔλ）（1） 式中：λ₀ 表示扫频光源的中心波长；∆λ表示带宽；n为样品折射率。扫频范围越大，带宽越宽，对应的轴向分辨率也越高。

2）扫频速度，该指标决定了激光器可以改变输出光频率和波长的快慢，扫频光源的扫频速率直接决定了SS-OCT的成像速度，扫频速率越快，成像速度越快。 除此之外，它还会影响SS-OCT系统的信噪比和灵敏度。SS-OCT的噪声分为热噪声、散粒噪声和光源相对强度噪声。其中散粒噪声占总噪声的绝大部分，热噪声和光源相对强度噪声的占比几乎可以忽略不计，如果不计这两种噪声，那么系统的信噪比可以表示为R_SN ≈ηP_S T_S÷hν，（2） 式中：T_S 为光源扫频周期；P_S 表示从样品处返回的到达探测器的光功率。扫频速率越慢，光源扫频周期越长，信噪比越高，生成的图像越清晰。SS-OCT系统的灵敏度可以表示为S=-10log（ηP_S T₀÷hν）（3）式中：P₀为样品光功率，值越高，灵敏度越高。扫频光源的腔结构有外腔型、环腔型及集成型，它们形成激光的原理相近，都需要激光在腔内积累足够的能量来实现出射。激光在腔内需要运行的圈数为n’ =[log(P_sta÷P_spt）]÷logβ，（4）式中：P_sta 为形成稳定激光所需要的能量；P_spt 为自发辐射的能量；β为增益介质的小信号增益。假定t为滤波器波长发生变化的时间间隔，它代表了滤波器的驱动频率，t越短扫频速率越快。当t>n’·Ts时，此时可以输出具有饱和能量的激光；当t<n’·Ts时，此时由于滤波器驱动频率过快，激光无法在短时间内在腔中运行使其可以达到饱和能量所需的足够圈数，故此时输出 的激光能量未达到饱和，扫频速度越快输出能量越低；当t<Ts时，此时激光未能在腔内完整地运行一周，输出的能量仅为自发辐射的能量。通过式（4）可以得出， 当n’一定时，激光在腔内运行的时间越短，理论上能达到的扫频速率也就越快。

3）输出功率，它是可调谐激光器输出的激光的功率，对SS-OCT系统的信噪比和灵敏度有影响。由式（2）可知，输出功率越高，从样品返回的光的功率越高，生成的图像越清晰。由式（3）可知，输出功率越高，灵敏度越高。

4）中心波长，它决定了激光器工作在哪个波段，会影响SS-OCT的轴向分辨率、横向分辨率及最大成像深度。由式（1）可知，中心波长越短，轴向分辨率越高。 SS-OCT的横向分辨率可以表示为Δx=（4λ₀÷π）×（f÷d）＝λ₀÷2πNA，（5）式中：NA为透镜的数值孔径。当数值孔径一定时，横向分辨率仅与中心波长有关，波长越短，分辨率越高。 中心波长还会影响SS-OCT的最大成像深度，SS OCT的最大成像深度可以表示为L_max =λ₀ ²÷4nδλ＝λ₀² N÷4nΔλ（6）式中：δλ为光谱相邻采样点之间的波长距离，可以称之为光谱分辨率；N为光谱带宽范围内的采样点数。可以看出SS-OCT的最大成像深度与中心波长以及带宽范围内的采样点数有关，这二者越大，最大成像深度越深。所以如果想提升最大成像深度， 也可以在轴向扫描时设置采集卡以获取足够的采样点数。

5）动态相干长度，它决定了激光器保持一定相干度所能传播的距离，它会影响SS-OCT的成像深度。 SS-OCT的性能指标和扫频光源的性能指标的对应关系如表1所示。