Оптический интерферометр (варианты)

Оптический интерферометр (варианты)

Реферат

 

Изобретение относится к устройствам, отличающимся оптическими средствами измерения, и может быть использовано для исследования внутренней структуры объектов. Варианты оптического интерферометра характеризуются максимальной эффективностью использования мощности источника оптического излучения при оптимальном соотношении сигнал/шум. В одном из вариантов разработанного оптического интерферометра Майкельсона реализовано изменение направления поляризации оптического излучения, проходящего через светорасщепитель в обратном направлении, на ортогональное по сравнению с направлением поляризации оптического излучения, проходящего через светорасщепитель в прямом направлении, что обеспечивается включением в измерительное и опорное плечи оптического интерферометра соответствующих переключателей поляризации. При этом светорасщепитель выполнен поляризационно чувствительным. Это позволяет установить коэффициент расщепления светорасщепителя для каждой из поляризаций исходя из условия наилучшего соотношения сигнал/шум при заданной мощности источника оптического излучения. В другом варианте разработанного оптического интерферометра Майкельсона светорасщепитель выполнен невзаимным, т.е. его коэффициенты расщепления в прямом и обратном направлении могут различаться. В одной модификации этого варианта может использоваться источник поляризованного оптического излучения, при этом невзаимный светорасщепитель реализован путем включения в него двух переключателей поляризации, функция которых аналогична функции переключателей поляризации, включенных в измерительное и опорное плечи в первом варианте разработанного оптического интерферометра. В другой модификации может использоваться также и источник неполяризованного оптического излучения. В этой модификации невзаимность светорасщепителя обеспечивается за счет использования совместного действия оптически активного элемента и элемента Фарадея на оптическое излучение, проходящее через эти элементы в прямом и обратном направлении. Реализация балансного приема как в первом, так и во втором вариантах разработанного оптического интерферометра, обеспечивает максимальную эффективность использования мощности источника оптического излучения при оптимальном соотношении сигнал/шум. 2 с. и 31 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к устройствам, отличающимся оптическими средствами измерения, и может быть использовано в приборах для исследования внутренней структуры объектов оптическими средствами, а именно в низкокогерентных рефлектометрах и устройствах для оптической когерентной томографии, применяемых, в частности, в медицинской диагностике состояния отдельных органов и систем человека, в том числе in vivo, а также в технической диагностике, например, для контроля технологических процессов.

Оптические интерферометры, входящие в состав низкокогерентных рефлектометров и устройств для оптической когерентной томографии, достаточно хорошо известны. Обычно они выполнены в виде интерферометра Майкельсона (см., например, X.Clivaz et al. "High resolution reflectometry in biological tissues", Opt. Lett. /Vol. 17, N 1/January 1, 1992; J.A.Izatt, J.G.Fujimoto et al, "Optical coherence microscopy in scattering media", Opt. Lett./ Vol. 19, N 8/April 15, 1994, p. 590-592), либо интерферометра Маха-Цендера (см., например, J.A.Izatt, J.G.Fujimoto et al. "Micron-resolution Biomedical Imaging with optical coherence tomography", Optics & Photonic News, October 1993, Vol. 4, N 10, p. 14-19; пат. США N 5582171, 1996 г.).

Вне зависимости от используемой конкретной схемы оптического интерферометра он традиционно содержит источник низкокогерентного оптического излучения, один или два светорасщепителя, измерительное и опорное плечи и фотоприемник, связанный с блоком обработки и индикации. Измерительное плечо, как правило, снабжено зондом, а на конце опорного плеча установлено референтное зеркало (например, A.Sergeev et al, "In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure", Proc. SPIE, v. 2328, 1994, p. 144; X.J. Wang et al. Characterization of human scalp hairs by optical low coherence reflectometry. Opt. Lett./Vol. 20, N 5, 1995, pp. 524-526). Для обеспечения сканирования по глубине референтное зеркало соединяют с элементом, обеспечивающим механическое перемещение референтного зеркала (пат. США N 5321501, 1994 г.; пат. США N 5459570, 1995 г.), либо фиксируют местоположение референтного зеркала, а сканирование по глубине осуществляют с помощью пьезоэлектрического сканирующего элемента (пат. РФ N 2100787, 1997 г.), либо с помощью дисперсионно-решеточной линии задержки (K.F.Kwong, D.Yankelevich et al. 400-Hz mechanical scanning optical delay line, Optics Letters, Vol. 18, N 7, April 1, 1993). Иногда оптическую схему интерферометра полностью или частично реализуют с использованием оптических элементов с сосредоточенными параметрами (пат. США N 5383467, 1995 г.), но чаще оптические интерферометры такого назначения выполняют оптоволоконными (пат. США N 5321501, 1994 г.; пат. США N 5459570, 1995 г., пат. США N 5582171, 1996 г.).

Одной из основных проблем, которые приходится решать при разработке оптических интерферометров, входящих в состав низкокогерентных рефлектометров и устройств для оптической когерентной томографии, впрочем так же, как и при разработке практически любых измерительных устройств, является проблема обеспечения максимального соотношения сигнал/шум при высокой эффективности использования мощности источника. Как известно, в классическом оптическом интерферометре Майкельсона, входящего в состав устройств для оптической когерентной томографии, для максимального использования мощности источника используют взаимный светорасщепитель с коэффициентом расщепления, равным 3 дБ. Оптическое излучение источника, пройдя через светорасщепитель, а затем через опорное плечо в прямом и обратном направлении, возвращается на светорасщепитель, после чего 25% мощности поступает на фотоприемник, а 25% проходит к источнику оптического излучения (для случая, когда мощность оптического излучения, отраженная из измерительного плеча, пренебрежимо мала по сравнению с мощностью, отраженной из опорного плеча). Очевидно, что в таком интерферометре 25% мощности источника просто не используется, а кроме того, приходится принимать специальные меры для защиты источника оптического излучения. В то же время, те 25% мощности источника, которые после светорасщепителя проходят к фотоприемнику из опорного плеча, являются избыточными с точки зрения обеспечения максимального соотношения сигнал/шум. Как показали исследования (W. V. Sorin, D.M.Baney "A simple intensity noise reduction technique for optical low coherence reflectometry", IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 4, N 12, pp. 1404-1406, 1992), максимальное соотношение сигнал/шум может быть достигнуто при некотором, сравнительно невысоком уровне мощности в опорном плече. Это вынуждает уменьшать уровень мощности в опорном плече путем включения в него специальных аттенюаторов, что дополнительно снижает эффективность использования мощности источника.

Для повышения соотношения сигнал/шум известно использование балансного приема (H. -J. Foth et al. "Optical coherence tomography in turbid tissue: theoretical analysis and experimental results", Proc. SPIE, vol. 2628, pp 239-247, 1998) в оптическом интерферометре указанного назначения. В этом интерферометре первый фотоприемник традиционно оптически связан со светорасщепителем, а на второй фотоприемник поступает часть сигнала непосредственно от источника низкокогерентного оптического излучения. Недостатком этого технического решения так же, как и рассмотренных выше, является неэффективное использование мощности источника низкокогерентного излучения. Кроме того, указанная реализация балансного приема обеспечивает лишь компенсацию избыточных шумов источника за счет их вычитания, поэтому соотношение сигнал/шум в этом интерферометре не является оптимальным.

В оптическом интерферометре по ст. W. Drexler et al. "In vivo ultrahigh-resolution optical coherence tomography", Opt. Lett., Vol. 24, N 17, pp. 1221-1223, 1999, реализована несколько иная схема балансного приема. Этот оптический интерферометр входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, выполнен в виде интерферометра Майкельсона и содержит оптически связанные источник низкокогерентного линейно поляризованного оптического излучения, первый и второй 3 дБ взаимные светорасщепители, измерительное и опорное плечи, а также два фотоприемника. Первый фотоприемник оптически связан с первым светорасщепителем, а второй фотоприемник оптически связан со вторым светорасщепителем, а их выходы соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя. Выход последнего соединен с блоком обработки и индикации. На конце опорного плеча установлено референтное зеркало, перемещение которого обеспечивает сканирование по глубине. Поперечное сканирование исследуемого объекта осуществляется с помощью сканирующего устройства, размещенного в измерительном плече. Интерференционный сигнал поступает как на первый, так и на второй фотоприемники, за счет чего происходит не только вычитание избыточных шумов источника оптического излучения, но и сложение информативных интерференционных сигналов. Поэтому балансный прием, реализованный в этом оптическом интерферометре, обеспечивает повышенное соотношение сигнал/шум как по сравнению с оптическими интерферометрами, в которых используется прием интерференционного сигнала с помощью одного фотоприемника, так и по сравнению с описанным выше оптическим интерферометром по ст. H.-J. Foth et al., использующим балансный прием.

Однако этот оптический интерферометр недостаточно эффективен с точки зрения использования мощности источника низкокогерентного излучения. Это связано с тем, что в нем используются 2 светорасщепителя с коэффициентом расщепления 3 дБ, в результате чего порядка 12,5% мощности возвращается к источнику. Кроме того, необходимо выравнивание мощности, поступающей на первый и второй фотоприемники, что в еще большей степени уменьшает эффективность использования источника оптического излучения.

Оптический интерферометр по ст. A.M.Rollins, J.A.Izatt "Optimal interferometer designs for optical coherence tomography", Opt. Lett., Vol. 24, N 21, pp. 1484-1486, 1999, выполнен в виде интерферометра Маха-Цендера и содержит оптически связанные источник неполяризованного оптического излучения, первый взаимный светорасщепитель, измерительное и опорное плечи, второй взаимный светорасщепитель и трехпортовый циркулятор. Циркулятор включен в измерительное плечо, при этом первый его порт подключен к выходу первого канала первого светорасщепителя, второй связан с исследуемым объектом, а третий порт соединен с входом первого канала второго светорасщепителя. В опорное плечо включена линия задержки, подключенная одним концом к выходу второго канала первого светорасщепителя, а вторым концом - к входу второго канала второго светорасщепителя. Выход первого канала второго светорасщепителя оптически связан с фотоприемником. Коэффициенты расщепления первого и второго светорасщепителей отличны от 3 дБ. Модификация этой схемы позволяет реализовать балансный прием. Для этого в оптический интерферометр дополнительно введены второй фотоприемник и дифференциальный усилитель. Второй фотоприемник оптически связан с выходом второго канала второго светорасщепителя, а выходы первого и второго фотоприемников подключены к соответствующим входам дифференциального усилителя. При этом коэффициент расщепления второго светорасщепителя устанавливают равным 3 дБ.

Ближайшим аналогом первого варианта разработанного оптического интерферометра по совокупности сходных существенных признаков является оптический интерферометр, известный по ст. B.E.Bouma, G.J.Tearney "Power efficient, non-reciprocal interferometer and linear scanning fiber-optic catheter for optical coherence tomography", Opt. Lett., Vol. 24, N 8, pp. 531-533, 1999. Этот оптический интерферометр так же, как и описанный выше по ст. A.M.Rollins et al, выполнен в виде интерферометра Маха-Цендера. Он содержит оптически связанные источник линейно поляризованного оптического излучения, первый светорасщепитель, измерительное и опорное плечи, циркулятор, второй светорасщепитель и фотоприемник, выход которого связан с блоком обработки и индикации. Опорное плечо включает сканер по глубине, выполненный в виде дисперсионно-решеточной линии задержки, содержащей неподвижное референтное зеркало, размещенное на конце опорного плеча. Первый и второй светорасщепители выполнены взаимными и несимметричными: коэффициенты расщепления первого и второго светорасщепителей составляют 90%:10%, при этом 90% мощности поступает в измерительное плечо, а 10% - в опорное плечо. В этом техническом решении так же, как и в описанном выше оптическом интерферометре по ст. A.M. Rollins et al. , за счет повышения уровня мощности оптического излучения, поступающей в измерительное плечо, обеспечивается повышенная эффективность использования мощности источника оптического излучения по сравнению с известными оптическими интерферометрами и высокое соотношение сигнал/шум. Достоинством этого оптического интерферометра является также и то, что большая часть оптического излучения не возвращается в источник.

Однако в этом оптическом интерферометре часть мощности источника, пройдя через опорное плечо, тем не менее возвращается в источник. Кроме того, в этом интерферометре не предусмотрена возможность реализации балансного приема, что не позволяет обеспечить оптимальное соотношение сигнал/шум.

Ближайшим аналогом второго варианта разработанного оптического интерферометра является оптический интерферометр, описанный в ст. A.M. Rollins et al. "Real-time in vivo imaging of human gastrointestinal ultrastructure by use of endoscopic optical coherence tomography with a novel efficient interferometer design". Opt. Lett., Vol. 24, N 19, pp. 1358-1360, 1999., а также в ст. A.M.Rollins, J.A.Izatt "Optimal interferometer designs for optical coherence tomography". Opt. Lett., Vol. 24, N 21, pp. 1484-1486, 1999. Оптический интерферометр содержит оптически связанные источник оптического излучения, трехпортовый циркулятор, взаимный светорасщепитель, измерительное плечо и опорное плечо, а также первый фотоприемник, выход которого связан с блоком обработки и индикации. Опорное плечо включает сканер по глубине, выполненный в виде дисперсионно-решеточной линии задержки, содержащей неподвижное референтное зеркало, размещенное на конце опорного плеча. Первый порт циркулятора оптически связан с источником оптического излучения, второй его порт оптически связан с первым портом светорасщепителя, а третий порт циркулятора оптически связан с фотоприемником. Второй и третий порты светорасщепителя оптически связаны с измерительным и опорным плечами соответственно. Коэффициент расщепления светорасщепителя отличен от 3 дБ. Эксплуатационные характеристики этого оптического интерферометра близки к эксплуатационным характеристикам описанных выше оптических интерферометров с одним фотоприемником по ст. A.M.Rollins et al и по ст. B.E.Bouma et al.

Модификация этого оптического интерферометра позволяет реализовать балансный прием. Для этого в схему включен второй фотоприемник, оптически связанный с четвертым портом светорасщепителя, и дифференциальный усилитель, к соответствующим входам которого подключены выходы первого и второго фотоприемников. Коэффициент расщепления светорасщепителя установлен равным 3 дБ. Эксплуатационные характеристики этого оптического интерферометра близки к эксплуатационным характеристикам описанного выше оптического интерферометра по ст. A.M.Rollins et al., использующего балансную схему приема.

Недостатком этого оптического интерферометра так же, как и других известных, является то, что в них используются светорасщепители, в которых коэффициенты передачи между соответствующими портами в прямом и обратном направлении имеют одинаковые значения. Поэтому высокая эффективность использования мощности источника оптического излучения при соотношении сигнал/шум, близком к оптимальному, в этих оптических интерферометрах обеспечивается либо введением дополнительных светорасщепителей, либо введением циркулятора. Кроме того, недостатком этого оптического интерферометра в модификации, использующей балансную схему приема, является неизбежность потери 25% мощности источника оптического излучения, поскольку оптимальным является использование светорасщепителя с коэффициентом расщепления, равным 3 дБ.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение класса оптических интерферометров, обеспечивающих высокую эффективность использования мощности источника оптического излучения при обеспечении оптимального соотношения сигнал/шум, т.е. создание вариантов оптического интерферометра, эксплуатационные характеристики которых по меньшей мере не уступают эксплуатационным характеристикам лучших оптических интерферометров, известных из уровня техники.

Сущность первого варианта разработанного оптического интерферометра заключается в том, что он так же, как и оптический интерферометр, являющийся его ближайшим аналогом, содержит оптически связанные источник низкокогерентного оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, светорасщепитель, измерительное плечо и опорное плечо, на конце которого установлено референтное зеркало, а также первый фотоприемник, выход которого связан с блоком обработки и индикации. Коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, отличен от 3 дБ.

Новым в первом варианте разработанного оптического интерферометра является то, что в него дополнительно введены установленный в измерительном плече между светорасщепителем и исследуемым объектом первый переключатель поляризации, обеспечивающий изменение направления поляризации оптического излучения на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения оптического излучения через упомянутый переключатель поляризации в прямом и обратном направлении, и второй переключатель поляризации, обеспечивающий изменение направления поляризации оптического излучения на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения оптического излучения через упомянутый переключатель поляризации в прямом и обратном направлении, установленный в опорном плече между светорасщепителем и референтным зеркалом, при этом светорасщепитель выполнен поляризационно чувствительным.

Целесообразно при этом установить коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, отличным от 3 дБ.

В частном случае источник оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, оптически связан с первым портом светорасщепителя через дополнительно введенный в оптический интерферометр поляризатор, при этом первый порт поляризатора оптически связан с источником оптического излучения, второй порт поляризатора оптически связан с первым портом светорасщепителя, третий порт поляризатора оптически связан с дополнительно введенным вторым фотоприемником, а выходы первого и второго фотоприемников связаны с блоком обработки и индикации через соединенный с ним дополнительно введенный дифференциальный усилитель, к соответствующим входам которого они подключены.

Целесообразно при этом установить коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, равным 3 дБ.

В частном случае по меньшей мере один из упомянутых переключателей поляризации выполнен в виде элемента Фарадея.

В другом частном случае по меньшей мере один из переключателей поляризации выполнен в виде четвертьволновой пластины.

В частном случае по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра содержит сканер по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра.

В другом частном случае измерительное плечо оптического интерферометра снабжено зондом, размещенным в его дистальном конце.

В конкретной реализации этого частного случая часть измерительного плеча интерферометра, включающая зонд, выполнена оптоволоконной.

В другой конкретной реализации этого частного случая первый переключатель поляризации размещен в дистальном конце оптоволоконного зонда.

В частном случае измерительное и опорное плечи оптического интерферометра выполнены оптоволоконными.

В другом частном случае светорасщепитель выполнен оптоволоконным.

В конкретной реализации по меньшей мере одно из плеч интерферометра включает контроллер поляризации.

В другой конкретной реализации оптическое волокно выполнено анизотропным.

В частном случае оптический интерферометр входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, при этом источник линейно поляризованного оптического излучения выполнен низкокогерентным, а зонд включает поперечный сканер.

Сущность второго варианта разработанного оптического интерферометра заключается в том, что он так же, как и оптический интерферометр, являющийся его ближайшим аналогом, содержит источник оптического излучения, оптически связанный с первым портом светорасщепителя, второй порт которого оптически связан с измерительным плечом, при этом третий порт светорасщепителя оптически связан с опорным плечом, на конце которого установлено референтное зеркало, а также оптически связанный с четвертым портом светорасщепителя первый фотоприемник, выход которого связан с блоком обработки и индикации.

Новым во втором варианте разработанного оптического интерферометра является то, что светорасщепитель выполнен невзаимным.

В частном случае источник оптического излучения оптически связан с первым портом светорасщепителя через дополнительно введенную в оптический интерферометр трехпортовую развязку, при этом первый порт трехпортовой развязки оптически связан с источником оптического излучения, второй его порт оптически связан с первым портом светорасщепителя, третий порт трехпортовой развязки оптически связан с дополнительно введенным вторым фотоприемником, а выходы первого и второго фотоприемников связаны с блоком обработки и индикации через соединенный с ним дополнительно введенный дифференциальный усилитель, к соответствующим входам которого они подключены.

В другом частном случае светорасщепитель выполнен поляризационно нечувствительным.

В конкретной реализации этого частного случая светорасщепитель содержит последовательно установленные на оптической оси первую плоскопараллельную пластину с двойным лучепреломлением, которая оптически связана с первым портом светорасщепителя, оптически активный элемент, элемент Фарадея и вторую плоскопараллельную пластину с двойным лучепреломлением, которая оптически связана со вторым портом светорасщепителя, а также первый поляризатор, оптически связанный с первой плоскопараллельной пластиной с двойным лучепреломлением через первое зеркало, второй поляризатор, оптически связанный со второй плоскопараллельной пластиной с двойным лучепреломлением через второе зеркало, при этом третьим портом светорасщепителя является первый поляризатор, четвертым портом светорасщепителя является второй поляризатор, а оптические оси первой и второй плоскопараллельных пластин ориентированы навстречу друг другу аксиально симметрично относительно оптической оси интерферометра.

При этом целесообразно выполнить развязку в виде циркулятора.

В другом частном случае источник оптического излучения выполнен в виде источника поляризованного оптического излучения, а светорасщепитель выполнен поляризационно чувствительным.

В конкретной реализации этого частного случая светорасщепитель дополнительно включает два переключателя поляризации, каждый из которых обеспечивает изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения оптического излучения через соответствующий переключатель поляризации в прямом и обратном направлении, при этом один из переключателей поляризации является вторым портом светорасщепителя, а другой переключатель поляризации является третьим портом светорасщепителя.

При этом целесообразно выполнить развязку в виде поляризатора.

В частном случае по меньшей мере один из упомянутых переключателей поляризации выполнен в виде элемента Фарадея.

В другом частном случае по меньшей мере один из переключателей поляризации выполнен в виде четвертьволновой пластины.

В частном случае по меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра содержит сканер по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра.

В другом частном случае измерительное плечо оптического интерферометра снабжено зондом, размещенным в его дистальном конце.

В конкретной реализации этого частного случая часть измерительного плеча интерферометра, включающая зонд, выполнена оптоволоконной.

В другой конкретной реализации этого частного случая первый переключатель поляризации размещен в дистальном конце оптоволоконного зонда.

В частном случае измерительное и опорное плечи оптического интерферометра выполнены оптоволоконными.

В другом частном случае светорасщепитель выполнен оптоволоконным.

В конкретной реализации по меньшей мере одно из плеч интерферометра включает контроллер поляризации.

В другой конкретной реализации оптическое волокно выполнено анизотропным.

В частном случае оптический интерферометр входит в состав устройства для оптической когерентной томографии, при этом источник линейно поляризованного оптического излучения выполнен низкокогерентным, а зонд включает поперечный сканер.

Сущность изобретения можно пояснить следующим образом.

В одном из вариантов разработанного оптического интерферометра Майкельсона реализовано изменение направления поляризации оптического излучения, проходящего через светорасщепитель в обратном направлении, на ортогональное, по сравнению с направлением поляризации оптического излучения, проходящего через светорасщепитель в прямом направлении, что обеспечивается включением в измерительное и опорное плечи оптического интерферометра соответствующих переключателей поляризации. При этом светорасщепитель выполнен поляризационно чувствительным, т.е. с различными коэффициентами расщепления для оптических излучений, поляризованных в двух ортогональных направлениях. Это позволяет установить коэффициент расщепления светорасщепителя для каждой из поляризаций исходя из условия обеспечения наилучшего соотношения сигнал/шум при заданной мощности источника оптического излучения.

В другом варианте разработанного оптического интерферометра Майкельсона светорасщепитель выполнен невзаимным, т.е. его коэффициенты расщепления в прямом и обратном направлении могут различаться. В одной модификации этого варианта может использоваться источник поляризованного оптического излучения, при этом невзаимный светорасщепитель реализован путем включения в него двух переключателей поляризации, функция которых аналогична функции переключателей поляризации, включенных в измерительное и опорное плечи в первом варианте разработанного оптического интерферометра. В другой модификации может использоваться также и источник неполяризованного оптического излучения. В этой модификации невзаимность светорасщепителя обеспечивается за счет использования совместного действия оптически активного элемента и элемента Фарадея на оптическое излучение, проходящее через эти элементы в прямом и обратном направлении. Все это позволяет установить коэффициент расщепления светорасщепителя в прямом и обратном направлении исходя из условия наилучшего соотношения сигнал/шум при заданной мощности источника оптического излучения.

Реализация балансного приема как в первом, так и во втором вариантах разработанного оптического интерферометра, обеспечивает оптимальное соотношение сигнал/шум.

Таким образом, оба варианта разработанного оптического интерферометра позволяют решить поставленную задачу, а именно расширить класс оптических интерферометров, обеспечивающих высокую эффективность использования мощности источника оптического излучения при оптимальном соотношении сигнал/шум, т.е. создать варианты оптических интерферометров, эксплуатационные характеристики которых по меньшей мере не уступают эксплуатационным характеристикам лучших оптических интерферометров, известных из уровня техники.

На фиг. 1 изображена структурная схема первого варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая одному из частных случаев его реализации.

На фиг. 2 изображена структурная схема этого же варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая другому частному случаю его реализации.

На фиг. 3 изображена структурная схема второго варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая одному из частных случаев его реализации.

На фиг. 4 изображена структурная схема второго варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая другому частному случаю его реализации.

На фиг. 5 изображена структурная схема второго варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая третьему частному случаю его реализации.

На фиг. 6 изображена структурная схема второго варианта разработанного оптического интерферометра, соответствующая четвертому частному случаю его реализации.

Фиг. 7 иллюстрирует зависимости соотношения сигнал/шум от коэффициента расщепления светорасщепителя для различных вариантов разработанного оптического интерферометра.

Разработанные варианты оптического интерферометра иллюстрируются на примерах волоконно-оптических интерферометров, входящих в состав устройства для оптической когерентной томографии, хотя очевидно, что они могут быть реализованы с помощью оптических элементов с сосредоточенными параметрами и могут использоваться самостоятельно.

Оптический интерферометр по фиг. 1 содержит источник 1 оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, оптически связанный с первым портом 2 светорасщепителя 3, второй порт 4 которого оптически связан с измерительным плечом 5, а третий порт 6 оптически связан с опорным плечом 7. На конце опорного плеча 7 установлено референтное зеркало 8. В измерительном плече 5 установлен переключатель 9 поляризации, обеспечивающий изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения через него оптического излучения в прямом и обратном направлении. Переключатель 9 может быть установлен в любой части измерительного плеча 5 за светорасщепителем 3, в конкретной реализации по фиг. 1 переключатель 9 установлен в дистальном конце измерительного плеча 5 непосредственно перед исследуемым объектом 10. В опорном плече 7 установлен переключатель 11 поляризации так же, как и переключатель 9, обеспечивающий изменение направления поляризации оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, на второе заданное направление, ортогональное первому, в результате прохождения через него оптического излучения в прямом и обратном направлении. Переключатель 11 может быть установлен в любой части опорного плеча 7 между светорасщепителем 3 и референтным зеркалом 8, в конкретной реализации по фиг. 1 переключатель 11 установлен в дистальном конце опорного плеча 7 непосредственно перед референтным зеркалом 8. С четвертым портом 12 светорасщепителем 3 оптически связан первый фотоприемник 13, выход которого связан с блоком 14 обработки и индикации. Коэффициент расщепления светорасщепителя 3 для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, отличен от 3 дБ. Светорасщепитель 3 выполнен поляризационно чувствительным. Это означает, что коэффициент расщепления светорасщепителя 3 для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, отличен от коэффициента расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении. В конкретной реализации коэффициент расщепления светорасщепителя для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, отличен от 3 дБ. При этом светорасщепитель 3 выполнен взаимным. В рассматриваемой конкретной реализации коэффициенты передачи светорасщепителя 3 с первого порта 2 на второй порт 4, и с первого порта 2 на третий порт 6 для оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, составляют соответственно K₁₂ = 0,97 и K₁₃ = 0,03. Для оптического излучения, линейно поляризованного во втором заданном направлении, коэффициент передачи светорасщепителя 3 с третьего порта 6 на четвертый порт 12 равен коэффициенту передачи со второго порта 4 на первый 2, а коэффициент передачи светорасщепителя 3 с третьего порта 6 на первый порт 2 равен коэффициенту передачи со второго порта 4 на четвертый порт 12, т.е. K₃₄ = K₂₁ = 0,03, а K₃₁ = K₂₄ = 0,97.

По меньшей мере одно из плеч оптического интерферометра может содержать сканер 15 по глубине, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра. В конкретной реализации, представленной на фиг. 1, сканер 15 размещен в опорном плече 7, а измерительное плечо 5 снабжено зондом 16, размещенным в его дистальном конце.

Источник 1 представляет собой источник оптического излучения, линейно поляризованного в первом заданном направлении, и может быть выполнен в виде источника низкокогерентного оптического излучения, например, суперлюминесцентного диода, оптически связанного с поляризатором, и в случае необходимости, с контроллером поляризации.

Светорасщепитель 3 может быть выполнен оптоволоконным, например, по ст. R. H. Stolen et al. "Polarization-selective 3dB fiber directional coupler", Opt. Lett. /Vol. 10, N 11, 1985, pp. 574-575, в которой описаны реализации оптоволоконных светорасщепителей с коэффициентом расщепления как равным, так и отличным от 3dB.

Переключатели 9 и 11 могут быть выполнены либо в виде элемента Фарадея, либо в виде четвертьволновой пластины. Однако при выполнении оптического интерферометра на изотропном волокне выполнение переключателей 9, 11 в виде элемента Фарадея предпочтительнее, поскольку позволяет скомпенсировать все поляризационные искажения, включая динамические.

В качестве фотоприемника 13 может быть использован фотодиод.

Блок 14 предназначен для формирования изображения исследуемого объекта 10 путем отображения интенсивности обратно рассеянного когерентного излучения и может быть выполнен, например, аналогично блоку обработки и индикации по ст. В.М.Геликонов и др. "Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей", Письма в ЖЭТФ, том. 61, вып. 2, с. 149-153, который включает последовательно соединенные полосовой фильтр, логарифмический усилитель, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь и компьютер.

Сканер 15 предназначен для изменения разности оптических длин измерительного 5 и опорного 7 плеч оптического интерферометра по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн источника 1.

Сканер 15 может быть выполнен, например, по пат. РФ N 2100787, 1997 г. в виде оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя, содержащего по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент, выполненный с возможностью формирования в нем электрического поля и характеризующийся высоким обратным пьезоэффектом, жестко скрепленные с пьезоэлектрическим элементом электроды, а также оптическое волокно, жестко скрепленное с электродами. Размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно ортогональном вектору электрического поля, существенно превышает размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно совпадающем с вектором электрического поля, при этом длина оптического волокна существенно превышает диаметр пьезоэлектрического элемента.

Часть измерительного плеча 5 оптического интерферометра, включающая зонд 16, может быть выполнена оптоволоконной. При этом зонд 16 может быть выполнен по з. Р