Низкокогерентная волоконно-оптическая интерферометрия для задач оптической когерентной томографии

Геликонов, Григорий Валентинович

Низкокогерентная волоконно-оптическая интерферометрия для задач оптической когерентной томографии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Геликонов, Григорий Валентинович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Низкокогерентная волоконно-оптическая интерферометрия для задач оптической когерентной томографии»

Автореферат диссертации на тему "Низкокогерентная волоконно-оптическая интерферометрия для задач оптической когерентной томографии"

На правах рукописи

ГЕЛИКОНОВ Григорий Валентинович

НИЗКОКОГЕРЕНТНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ ДЛЯ ЗАДАЧ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород, 2005

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Научные руководители:

член-корреспондент РАН А.М. Сергеев,

кандидат физико-математических наук И.А. Андронова

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор В.И. Беспалов, доктор физико-математических наук профессор С.А. Гончуков

Ведущая организация:

Научный центр волоконной оптики при ИОФ РАН (г. Москва)

Защита состоится "26" сентября 2005 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д002.069.02 в Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950 г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан _ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Ю.В. Чугунов

2 Ъ 5

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Интерферометрия низкокогерентного излучения в последнее десятилетие является быстро развивающимся научным направлением в связи с созданием оптической когерентной томографии (ОКТ) - нового метода построения изображения внутренней структуры оптически мутных сред. Этот метод позволяет получать изображения внутренней микроструктуры оптически неоднородных мутных сред в ближнем ИК диапазоне спектра. Для построения изображений используется интерференционная селекция слабого сигнала нерассеянной компоненты зондирующей волны на фоне мощной засветки, вызванной сильно рассеянным средой излучением.

Экспериментальная реализация ОКТ стала возможной благодаря достигнутым в последнее десятилетие результатам в области создания сверхширокополосных фемтокоррелированных квантовых источников света в ближнем ИК диапазоне. Малая длительность цуга излучения фемтосекунд-ных лазеров и полупроводниковых суперлюминесцентных диодов позволила реализовать пространственное разрешение в интерференционных измерениях на уровне 1-10 микрон. Благодаря высокой поперечной пространственной когерентности излучение квантовых широкополосных источников света, в отличие от тепловых источников, может эффективно использоваться в интерферометрии с применением оптических одномодовых волноводов.

Перспектива использования метода ОКТ для неповреждающей медицинской диагностики стимулировала исследование возможностей низкокогерентной интерферометрии в волоконно-оптическом варианте и создание соответствующих экспериментальных установок и приборов.

На этом пути было необходимо решить ряд научных проблем и преодолеть ряд ограничений, обусловленных техническими причинами. В частности, для получения необходимой глубины изображения требовалось обеспечить большой динамический диапазон за счет устранения эффектов случайной связи поляризационных мод в интерферометре; для высокого пространственного разрешения - широкополосность всего интерферометра в целом и компенсацию разности дисперсий групповых скоростей в его плечах. Важное условие для применения ОКТ состояло в возможности получения изображения в реальном времени с целью устранения артефактов, связанных с движением объекта, что потребовало развития систем быстрого сканирования. Для обеспечения доступа к биологическим объектам требовалось использование гибких оптических волноводов, сохраняющих поляризацию зондирующего излучения.

Цель работы.

Целью работы является создание, развитие и исследование принципов и методов одноволновой и двухволновой, а также поляризационной низкокогерентной оптоволоконной интерферометрии для задач оптической когерентной томографии, разработки метода оптической когерентной микроскопии, достижение предельной чувствительности развитых методов и достижение предельного пространственного разрешения, близкого к размеру клеточных структур биологической ткани, рассмотрение альтернативных схем ОКТ с большей эффективностью использования мощности источника света.

Конечной прикладной задачей исследований является создание компактных приборов для получения изображений методом ОКТ при использовании в клинических условиях, а также разработка компактной установки оптического когерентного микроскопа для биологических и медицинских экспериментальных исследований.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Применение разработанных автором оптических элементов и специальной топологии позволяет создать широкополосный интерферометр на поляризационно-сохраняющем волокне, удовлетворяющий требованиям оптической когерентной томографии для построения изображений с разрешением порядка десяти микрон до глубин 8-10 длин свободного пробега в биотканях и рассеивающих материалах;

2. Использование разработанных методов управления спектральными характеристиками волоконных элементов и компенсации дисперсии позволяет создавать высокоэффективные РМ интерферометры для ОКТ, работающие одновременно на двух существенно различных длинах волн с характеристиками, приближающимися к предельным для соответствующих одноволновых интерферометров;

3. Совместное использование сверхширокополосного зондирующего излучения ближнего ИК диапазона, конфокального приема и применение фурье-фильтрации интерференционного сигнала позволяет достигать разрешения на уровне единиц микрон до глубин эквивалентных 3-4 длинам свободного пробега в рассеивающей биологической среде;

4. Предложенные схемы интерферометров для оптической когерентной томографии позволяют получать выигрыш в использовании мощности источника излучения до 4х раз по сравнению с традиционными схемами и осуществлять 100% суммирование мощности источников с перекрывающимися спектрами.

Научная новизна диссертационной работы'состоит в следующем:

1. Впервые реализованы схемы интерферометров для оптической когерентной томографии на поляризационно-сохраняющем волокне и создан новый класс приборов для биомедицинских приложений;

2. Найден метод устранения влияния паразитных областей когерентности в низкокогерентной волоконной интерферометрии, которые обусловлены паразитной нерегулярной связью ортогональных мод в оптическом волокне и элементах интерферометра, а также поляризационной модо-вой дисперсии волокна. Эффект устранения влияния паразитных областей когерентности может быть достигнут при использовании разных собственных волн с определенным образом подобранными групповыми скоростями в плечах интерферометра, которые присущи взаимно ортогональным поляризационным модам;

3. Найден способ устранения аберрационных искажений в ОКТ-изображениях, которые обусловлены несохранением длины оптического пути в выходной линзовой системе сигнального плеча. Данные результаты были использованы при создании не только макро зонда, но и для эндоскопического микро зонда;

4. Найден новый способ повышения широкополосности полированных ответвителей и управления их волновой селективностью за счет введения угловой расстройки между оптически связанными элементами как дополнительной степени свободы;

5. Разработаны методы контроля и управления дисперсионными характеристиками интерферометра и отдельных его элементов;

6. Проведено исследование принципов и проведена разработка низкокогерентного двухволнового интерферометра на поляризационно-сохраняющем волокне для оптической когерентной томографии с целью получения изображений внутренней структуры живой биоткани одновременно на волнах 830 нм и 1300 нм. Таким образом, впервые стало возможно исследовать внутреннюю структуру рассеяния слоями объекта с использованием двух зондирующих излучений с далеко отстоящими длинами волн при точном пространственном и временном совмещении;

7. Показана целесообразность применения поляризационных методов в низкокогерентной оптической томографии с целью получения дополнительной информации, а также более эффективного использования оптической мощности источника света;

8. Впервые создан компактный оптический конфокальный микроскоп на анизотропном волокне с субклеточным пространственным разрешением;

9. Предложена предельно эффективная схема интерферометра с целью сложения излучения двух источников света без спектральных искажений и предельно полного использования мощности обоих источников.

Практическая ценность диссертации состоит в следующем:

1. Разработанные принципы построения низкокогерентных интерферометров в ИК-диапазоне на основе анизотропного волокна с применением зондирующего излучения суперлюминесцентных диодов были использованы при создании прототипа компактного оптического когерентного томографа, предназначенного для клинических эндоскопических применений. Созданные томографы внедрены в клиническую практику;

2. Исследованные в диссертации принципы создания сверхширокополосного излучателя на основе квантоворазмерных суперлюминесцентных диодов, построения сверхширокополосной волоконной оптики и методов коррекции результирующей кросскорреляционной функции в сочетании с принципами конфокального приема сигнала были использованы для создания двух первых прототипов оптического когерентного микроскопа с пространственным разрешением 3,5 мкм в свободном пространстве.

3. Рассмотрены новые принципы построения низкокогерентных интерферометров, позволяющих существенно более эффективно использовать спектральный состав излучений источников с разнесенными спектрами при мультиплексировании, более эффективно использовать мощность источника света для повышения быстродействия при получении изображения методом ОКТ (вплоть до телевизионного стандарта).

Апробация работы

Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах в Институте прикладной физики РАН и докладывались на следующих конференциях.- CLEO '95 (Baltimore, MD, USA), CLEO '96 (Anaheim, California, USA), CLEO '91 (Baltimore, MD, USA), CLEO '98 (Baltimore, MD, USA), CLEO '99 (Baltimore, MD, USA); LPHYS (Братислава, Словакия, 2002, Триест, Италия, 2004), MPLP'2004 (Новосибирск, Россия, 2004). По материалам диссертации опубликовано 16 работ [1-16].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 113 страниц, 54 рисунка и список литературы, состоящий из 132 источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, сформулирована цель работы, приведены основные положения, отражена научная новизна, представлена структура и общее содержание работы.

В первой главе приведен обзор литературы по оптической когерентной томографии, сформулированы основные принципы метода. Рассмотрены этапы развития метода, в которых последовательно исследовались принципы видения в оптически неоднородной среде, такой как биологическая ткань, с использованием света с длительностью когерентности в десятки фемтосекунд. Обсуждаются возможности и ограничения методов видения, обусловленные использованием интерференции интенсивности и поля. Рассмотрены проблемы, связанные с достижением высокой чувствительности и высокого пространственного разрешения в методе ОКТ с элементом разрешения, приближенном к длине волны. Рассмотрены достоинства и недостатки методов осуществления сканирования, как в глубину, так и в поперечном направлении. Описаны различные направления ОКТ, включая двух-волновую и поляризационно-чувствительную ОКТ, оптическую когерентную микроскопию. Рассмотрены ключевые этапы в разработке сверхширокополосного излучения с высокой поперечной когерентностью. Сформулирован круг проблем, связанных с созданием элементов волоконной оптики, свойства которых необходимы для решения поставленных задач.

Вторая глава посвящена реализации ОКТ на основе волоконно-оптического интерферометра. При создании компактного базового устройства, пригодного для клинической практики, главная проблема заключалась в определении ее наиболее адекватной схемы, удовлетворяющей требованиям на качество изображения, и создании соответствующей элементной базы. Был сделан выбор в пользу интерферометрии на основе одномодовых поляризационно-сохраюпощих оптических волокон. В этом случае можно реализовать устойчивое получение интерференционного сигнала при гибком сигнальном волоконном плече интерферометра. Гибкость плеча облегчает доступ к исследуемой биоткани, что необходимо при осуществлении диагностики живых объектов. Это, однако, существенно усложнило задачу, поскольку многие параметры ОКТ метода, которые относительно легко достигаются при работе с воздушными интерферометрами на дискретных элементах и с применением изотропного волокна, требуют разработки новых подходов и новой элементной базы при работе с анизотропным волокном. Кроме того, для зондирования использовались широкополосные квантовые источники оптического излучения ближнего РЖ диапазона с малой длительностью когерентности во времени и высокой поперечной пространственной когерентностью. Важным обстоятельством для реализации предельных возможностей интерферометрии явилось разработка оптоволоконных элементов, в частности, с уникальными характеристиками по широкополосности.

В первой части главы §§2.1 - 2.3 детально изложен метод ОКТ и сформулированы основные требования, предъявляемые к методу. Рассмотрены особенности построения интерферометра на поляризационно-удержива-ющем волокне. Приводится описание формы аппаратной функции интерферометра в условиях оптической многоканальности. В частности, рассмотрено влияние крупномасштабных флуктуаций параметров оптических волноводов и случайных связей поляризационных мод на форму аппаратной функции интерферометра, приводящих, в свою очередь, к появлению боковых лепестков аппаратной функции интерферометра и снижению динамического диапазона.

В §2.4 предложены, обоснованы и экспериментально продемонстрированы методы устранения влияния случайных связей поляризационных мод в интерферометре, построенном на поляризационно-удерживающем волокне.

Во второй части главы §§2.5 - 2.7 описаны методы продольного и поперечного сканирования зоны когерентного приема рассеянного излучения. Обнаружен и исследован эффект аберрации длины оптического пути в линзовой системе при поперечном сканировании. Предложен и экспериментально продемонстрирован метод устранения этого эффекта.

В §2.8 описывается двухполяризационный интерферометр. Применение поляризационно-сохраняющего волокна дает возможность реализовывать дополнительные возможности метода ОКТ, в частности, принимать рассеянное объектом излучение сразу в двух поляризациях. Приводятся томографические изображения в двух поляризациях

В третьей главе приводятся результаты исследования принципов и создания единого интерферометра для оптического когерентного томографа, предназначенного для одновременной двухволновой низкокогерентной локации с продольным разрешением, близким к пределу на каждой рабочей волне, при точном пространственном совмещении участков зондирования. Кроме того, в работе приводятся "двухцветные" томограммы некоторых биологических объектов.

Построение томографических изображений одновременно на двух длинах волн дает возможность анализировать спектральные особенности рассеяния и поглощения различных участков рассеивающей среды. Таким образом, в конкретных условиях можно производить оценку содержания определенных веществ или характеристик рассеивателей в исследуемой среде.

Повышенные диагностические возможности двухволновой ОКТ обуславливают высокий интерес к созданию "цветного" видения в оптической когерентной томографии. Можно отметить, что построение двухцветного интерферометра сопряжено с целым рядом трудностей. Основными проблемами здесь являются получение высокого пространственного разрешения на обеих волнах, точность взаимного пространственного совмещения зон когерентного приема на обеих волнах, а также одновременность получения изображений, что важно при исследовании живой биологической ткани.

Волоконный полярнзационно-удерживающий интерферометр, работающий одновременно на двух длинах волн, позволяет наиболее эффективно решить эту задачу. Такой интерферометр был создан, и на его основе построен компактный двухволновый оптический когерентный томограф.

Интерферометр был выполнен на поляризационно-сохраняющем волокне, позволяющем иметь гибкое сигнальное плечо, что играет важную роль при практическом использовании томографа. Оба зондирующие излучения выводились из единого волокна сигнального плеча и подавались на объект через общий фокусирующий объектив. Использовались общая пье-зоволоконная сканирующая система в г-направлении и общая электромеханическая система в х,у-направлениях, обеспечивающие трехмерное сканирование на обеих длинах волн. При этом производился параллельный прием сигнала на соответствующих доплеровских частотах одновременно и непосредственно из одного и того же места. Это позволяло с высокой точностью сравнивать изображения рассеивающих свет неоднородностей на обеих волнах, что открыло возможность получения дополнительной спектроскопической информации. Основной проблемой в этой работе явилась необходимость выполнения двух условий одновременно - компенсации в едином интерферометре разностей групповых задержек в плечах интерферометра и компенсации дисперсии групповой скорости на обеих волнах. Кроме того, дополнительной трудностью оказалась реализация малого уровня потерь в интерферометре на большей длине волны.

В §3.1 описывается принцип действия двухволновой ОКТ на основе единого оптического интерферометра на анизотропном волокне на волны 830 нм и 1284 нм.

Демультиплекеор

Рис. 1. Схема двухволнового интерферометра

Объект

На основе соответствующих расчетов сформулированы требования к оптическим волноводам для обеспечения одновременного одномодового распространения излучения двух далеко отстоящих длин волн.

В §3.2 описывается принцип создания одномодового волоконного от-ветвителя с 3-децибельным разделением оптических мощностей одновременно на двух волнах (0,83 и 1,3 мкм). Для достижения максимальной эффективности интерферометра одновременно на двух длинах волн светоделитель должен обеспечивать половинное деление мощности излучения одновременно на двух длинах волн. Рассмотрено влияние угловой настройки на спектральные свойства ответвителя, представлены экспериментальные результаты.

Длина волны, мкм

Рис. 2. Экспериментальные зависимости коэффициента перекачки при разных углах расстройки половинок ответвителя а. Штриховая кривая - расчет при а = 0,9 град

Рис. 2 представлены экспериментальные зависимости = Р!4/(Р.2+ +Ри) от длины волны для трех углов между половинками - а, равных 0, 0,57 град и 0,9 град. Эти кривые получены при настройке на уровень 3 дБ ответвления на волне 0,83 мкм при заданном угле. Здесь же штриховой кривой изображена расчетная зависимость Кц от длины волны при угле 0,9 град и учете неодинаковости волноводных параметров волокон половинок. Как следует из рис. 2, спектральная зависимость коэффициента перекачки ответвителя существенным образом зависит от угла между половинками.

В данном разделе показано, что введение углового рассогласования между волокнами в дополнение к другим степеням свободы позволяет значительно расширить возможности оптической настройки симметричного одномодового полированного ответвителя и более гибко управлять его спектральными характеристиками. В результате разработки был получен волоконный ответеитель повышенной широкополосности с кратностью разделения оптических мощностей 0,51:0,49 на волне 830 нм и около 0,6:0,4 на волне 1284 нм.

В §3.3 рассмотрена компенсация неравенства дисперсии в интерферометре одновременно на двух далеко разнесенных длинах волн. При использовании света на двух длинах волн неравенство полной дисперсии в плечах

интерферометра, включающей волноводную и материальную компоненты, приводит к взаимному пространственному сдвигу центров кросскорреляци-онных функций на двух рабочих длинах волн и увеличению их минимально возможной ширины. Причиной являются флуктуации параметров оптических волноводов.

Был предложен метод компенсации разности дисперсионных характеристик с помощью применения оптических волноводов с различными дисперсионными характеристиками.

При экспериментальном применении предложенного метода компенсации были существенно улучшены характеристики интерферометра и созданы условия для работы оптического когерентного томографа одновременно на волнах 830 нм и 1284 нм. В итоге при максимально достигнутой компенсации были достигнуты ширины аппаратных функций 14 мкм и 29 мкм на длинах волн соответственно 830 нм и 1284 нм. Расстояние между центрами аппаратных функций при этом свелось к 230 мкм, что составило менее 10% от диапазона продольного сканирования. Для окончательного совмещения ОКТ-изображений на волнах 830 нм и 1284 нм дополнительно программно вводилась компенсирующая задержка.

В §3.4 приведены некоторые результаты наблюдений методом двух-волновой OKT. Показано, что изображения на волне 830 нм имеют большую четкость, чем на волне 1284 нм. В то же время, несмотря на существенно меньшую мощность источника, ОКТ-изображения на волне 1284 нм, как правило, строятся до большей глубины.

В четвертой главе описываются результаты разработки принципов работы и построения макета компактного оптического когерентного микроскопа (ОКМ) с гибким сигнальным плечом и выносным датчиком, для использования в экспериментальных и клинических условиях.

Устройство Устройство продольного

Суттерлюми- Полярниц поперечного сканирования

Рис. 3. Функциональная схема оптического когерентного микроскопа

С целью получения аксиального разрешения клеточного уровня был разработан источник света с эффективной шириной спектра 100 нм, содержащий два полупроводниковых суперлюминесцентных диода (СЛД) на основе однослойных квантоворазмерных (ОаАОАв-гетероструктур с разнесенными спектрами. Излучения обоих СЛД объединялись в поляризацион-но-удерживающем волокне с помощью специально разработанного мультиплексора.

В §4.2 описан метод и представлены результаты создания сверхширокополосного источника излучения, волоконно-оптического ответвите ля, а также спектральной настройки мультиплексора, осуществляемой с целью получения минимальной ширины автокорреляционной функции.

Для повышения широкополосное™ интерферометра Майкельсона был разработан метод повышения широкополосности ЗдБ полированного ответ-вителя на анизотропном волокне. Приведены экспериментальные результаты создания широкополосного ответвителя.

Рис. 4. Эффективность связи при прямом и обратном прохождении: а - с обычной широкополосностью, Ъ- с повышенной широкополосностью

Была решена также проблема динамического фокуса на основе сканирования выходной линзы сигнального плеча. Разработаны закон движения линзы и электронная управляющая система, которые позволяют осуществить пространственное совмещение фокальной зоны объектива при острой фокусировке и области когерентного приема при их одновременном сканировании на глубину 0.5-0.8 мм в биоткани.

В работе применен метод регуляризации спектра для достижения предельного разрешения и подавления боковых лепестков аппаратной функции, вызванных неравномерностью спектра источника света, и исследована его эффективность.

Также применен метод цифровой компенсации дисперсии, позволяющий добиться практически полной компенсации дисперсии интерферометра даже в тех случаях, когда это невозможно сделать оптическими методами.

В пятой главе рассматриваются новые схемы интерферометров с более эффективным использованием мощности источника по сравнению с традиционными схемами для OKT.

Одной из основных проблем, которые приходится решать при разработке оптических интерферометров, входящих в состав низкокогерентных рефлектометров и устройств для ОКТ, является обеспечение максимального отношения сигнала к шуму для возможно более глубокой локации рассеивающих сред. Высокая эффективность использования мощности источника излучения является принципиальным условием для решения этой проблемы.

В классическом оптическом интерферометре Майкельсона мощность источника используется максимально эффективно при равном разделении света между сигнальным и опорным каналами (при коэффициенте расщепления 3 дБ). Однако, существуют неизбежные потери. Во-первых, только половина результата интерференции направляется на фотоприемник. Вторая половина направляется в сторону источника излучения и теряется. Во-вторых, при локации сильно рассеивающих сред в предметное плечо интерферометра от объекта возвращается, как правило, весьма малая часть мощности, и на уровень шума при приеме сигнала интерференции практически влияет только свет опорного плеча. В случае использования суперлюминесцентного источника уровень шума определяется амплитудными флуктуация ми, связанными с биением спектральных компонент. Из анализа соотношения совокупных шумов в интерференционном сигнале видно, что компенсировать избыточные амплитудные шумы и достичь дробового предела можно, ослабляя мощность опорного излучения. При определенных параметрах системы оптимальное ослабление может достигать сотен раз, что означает практически полную потерю мощности излучения в предметном плече.

Рассмотрена, с точки зрения эффективности использования мощности излучения, новая схема интерферометра, построенная на поляризационно-зависимом светоделителе.

Поляризационный

Приемная система

Рис 5 Схема интерферометра с применением поляризаиионно-зависимого ответвителя

Основу интерферометра составляет ответвитель с поляризационно-зависимыми коэффициентами деления, например а/(1-а) для вертикальной поляризации и 0.5/0.5 - для горизонтальной. Такие характеристики светоделителя позволяют направить дополнительную мощность в предметное плечо, а при обратном проходе получить максимальный сигнал интерференции с одновременной компенсацией избыточных шумов. Для переключения поляризации волны, бегущей в обратном направлении, можно использовать пластинки А/4, или фарадеевские 45 градусные ячейки (отмечены буквами П), помещенные на выходах волокон обоих плеч интерферметра.

В таком интерферометре, во-первых, принимаются обе составляющие интерференционного сигнала, во-вторых, с помощью балансного приема подавляется избыточный амплитудный шум, в-третьих, эффективно перераспределяется мощность между опорным и сигнальным плечами.

Проанализирована зависимость предельной чувствительности от коэффициентов деления светоделителя. Приведены результаты расчетов. Найдены оптимальные параметры.

Показана возможность достижения почти четырехкратного выигрыша по мощности по сравнению с интерферометром Майкельсона.

Рассмотрена дополнительная возможность достижения более высокой предельной чувствительности, которую можно использовать и не только в оптическом интерферометре и о которой в литературе ранее не упоминалось. В случае двухволновой интерференции любой интерферометр имеет два выхода с противофазным сигналом, и, вообще говоря, два входа для подачи излучения в интерферометр. Как правило, используется один вход для ввода излучения. Вход и выход в частном случае могут быть совмещены. Тем не менее, возможно построение интерферометра требуемой конфигурации с двумя входами и двумя выходами (см. Рис. 6).

Рис. 6. Схема интерферометра с максимально эффективным объединением и использованием мощности источников

Порты ответвителя со стороны источников излучения являются двунаправленными. В них функционально объединены входы и выходы интерферометра. Для разделения входного и выходного излучения используются

Объект

Приемная система

невзаимные циркуляторы. Такой интерферометр позволяет принять весь интерференционный сигнал и использовать максимально возможную мощность излучения. Таким образом, схема интерферометра, приведенная на Рис. 6, является предельной.

Еще одним преимуществом предельной схемы является возможность без потерь осуществлять мультиплексирование излучения двух частично перекрывающихся по спектру источников излучения, используя ответви-тель интерферометра. Так, даже идеальный, спектрально селективный мультиплексор, дополнительно вводимый в обычный интерферометр, приводит к спектрально неравномерным потерям при объединении излучения двух источников с перекрывающимися спектрами. Причиной этого является то обстоятельство, что спектральное распределение каждого из источников на двух выходах мультиплексора различно. В предельной схеме таких потерь не возникает, поскольку можно использовать широкополосный от-ветвитель, который поровну разделяет мощность излучения по всему спектру каждого из источников. Спектральное распределение суммарных излучений на обоих выходах ответвителя при этом одинаково, что особенно важно для получения предельного разрешения при широкополосном корреляционном приеме, в частности, в оптической когерентной томографии.

Таким образом, в данной работе приведены результаты, полученные по ряду современных направлений развития метода оптической когерентной томографии. Это касается повышения пространственного разрешения локации до единиц микрон и создания оптической когерентной микроскопии. В биомедицинских приложениях это позволяет наблюдать структуры в живых биотканях на клеточном и субклеточном уровне на глубинах в сотни микрон.

Использование поляризационных свойств зондирующего излучения в низкокогерентной интерферометрии позволило осуществить детектирование сигнала в разных поляризациях, приходящего от одного и того же отражающего объекта по одному и тому же пути в мутной среде. Это создало возможность измерения как поляризационных характеристик рассеяния, так и электродинамических параметров биоткани. Получение изображений с внутриклеточным разрешением, а также поляризационных характеристик рассеяния представляет большой интерес для ранней диагностики различных, в том числе онкологических, патологий.

Предложен также ряд схем широкополосной оптической интерферометрии с максимально эффективным использованием мощности источника зондирующего излучения. Это открывает новые возможности для увеличения скорости получения изображений с высоким качеством.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Создан интерферометр на РМ волокне, который явился основой целого класса приборов для оптической когерентной томографии. В основу были положены разработанные автором волоконно-оптические элементы, позволившие построить компактные высокоэффективные интерферометры. Использован метод устранения влияния паразитных областей когерентности, обусловленных нерегулярной связью ортогональных мод в оптическом волокне и элементах интерферометра, а также поляризационной модовой дисперсией волокна. В результате достигнут динамический диапазон 40 дБ в области наблюдения сигна- > ла.

2. Созданы системы продольного и поперечного сканирования зоны наблюдения для волоконно-оптического интерферометра, позволившие ^ создать прибор ОКТ, совместимый со стандартными приборами в клинической практике, в том числе эндоскопами.

3. Впервые создан двухволновый интерферометр на поляризационно-сохраняющем волокне для оптической когерентной томографии, позволяющий получать изображения внутренней структуры живой биоткани одновременно на волнах 830 нм и 1300 нм при точном пространственном и временном совмещении элементов изображения.

4. На основе разработанного сверхширокополосного оптического интерферометра. синхронного сканирования фокуса и ворот когерентности и математической обработки интерференционного сигнала создан оптический когерентный микроскоп, имеющий разрешение в рассеивающей среде не хуже 4x4x4 микрона на глубинах, эквивалентных 3-4 длинам свободного пробега фотона.

5. Разработан метод фуръе-фильтрации интерференционного сигнала в сверхширокополосной когерентной микроскопии, позволяющий корректировать неоднородности спектра источника света и компенсировать разности дисперсии в плечах интерферометра, приближая разрешение ОКМ к теоретическому пределу.

6. Разработаны основанные на поляризационно-сохраняющем волокне схемы интерферометров, позволяющие в четыре раза более эффективно использовать мощность источника в задачах оптической когерентной томографии, а также одновременно использовать излучения двух источников с частично перекрывающимися спектрами без потерь мощности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Гладкова Н.Д., Куранов Р.В., Никулин Н.К., Петрова Г.А., Починко В.В., Правденко К.И., Сергеев А.М., Фельдштейн Ф.И., Ханин И., Шабанов Д.В. Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей // Письма в ЖЭТФ. -1995. - Т. 61, N. 2.-С. 149-153.

2. Sergeev А.М., Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Feldchtein F.I., Kuranov R.V., Gladkova N.D., Shakhova N.M., Snopova L.B., Shakhov A.V., Kuznetzova I.A., Denisenko A.N., Pochinko V.V., Chumakov Y.P., Streltzova O.S. In vivo endoscopic OCT imaging of precancer and cancer states of human mucosa // Optics Express. - 1997. - V. 1, N. 13. - P. 432440.

3. Sergeev A.M., Shakhova N.M., Kuznetzova I.A., Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Feldchtein F.I., Kuranov R.V., Gladkova N.D., Snopova L.B., Almazov V. Endoscopic OCT for in vivo imaging of precancer and cancer states of human mucosa // Optical and Imaging Techniques for Biomonitoring III. SPIE, 1998. - P. 129-134.

4. Геликонов B.M., Геликонов Г.В., Шабанов Д.В. Оптический волоконный мультиплексор на длины волн 1,3 и 0,64 мкм. // Оптический журнал. - 2000. - Т. 67, N. 2. - С. 81-84.

5. Feldchtein F.I., Gelikonov V.M., Gelikonov G.V. Design of OTC Scanners // Handbook of Optical Coherence Tomography/ Editor. B.E. Bouma, - New York: Marcel Dekker, 2001.

6. Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Dolin L.S., Kamensky V.A., Sergeev A.M., Shakhova N.M., Gladkova N.D., Zagaynova E.V. Optical coherence tomography: Physical principles and applications // Laser Physics. - 2003. -V. 13, N. 5. - P. 692-702.

7. Dolin L.S., Feldchtein F.I., Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Gladkova N.D., Iksanov R.R., Kamensky V.A., Kuranov R.V., Sergeev A.M., Shakhova N.M., Turchin I.V. Fundamentals and Clinical Applications of the PM-Fiber Based Endoscopic OCT. // Coherent-Domain Optical Methods Biomedical Diagnostics, Environmental and Material Science. Pros, of SPIE Kluwer Academic Publishers, 2004. - P. 211 -271.

8. Sergeev A.M., Gladkova N.D., Feldchtein F.I., Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Snopova L.B., Ioannovich J., Antoniou I., Dunn A., Richards-Kortum R.R. Melanin effect on light scattering in tissues: from electrodynamics of living cells to OCT imagins // Proc. SPIE. - 1997. - V. 2981. - P. 58-63.

9. Feldchtein F.I., Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Iksanov R.R., Kuranov R.V., Sergeev A.M., Gladkova N.D., Ourutina M.N., Warren J.A., Jr., Reitze D.H. In vivo OCT imaging of hard and soft tissue of the oral cavity // Optics Express. - 1998. - V. 3, N. 6. - P. 239-250.

10. Геликонов В.М., Геликонов Г.В. Одномодовый волоконный ответви-тель с 3-децибельным разделением излучения одновременно на длинах волн 0.83 и 1.3 мкм // Квантовая электроника. - 2004. - Т. 34, N. 10. -

C. 969-972.

11. Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Фельдштейн Ф.И. Двухволновая оптическая когерентная томография. // Изв.ВУЗов. Радиофизика. - 2004.

- Т. 47, N.10 - 11. - С. 943-956.

12. Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Feldchtein F.I., Stepanov J.P., Sergeev A.M., Antoniou I., Ioannovich J., Reitze D.H., Dawson W.W. Two-color-in-one-interfererometer OCT system for bioimaging // Digest of Conference on Laser and Electro-Optics. Optical Society of America, Washington, DC.

- Baltimore, 1997. - P. 210-211.

13. Геликонов B.M., Геликонов Г.В., Ксенофонтов С., Куранов Р.В., Морозов А.Н., Мяков А.В., Туркин А.А., Турчин И.В., Шабанов Д.В. Новые подходы к широкополосной волоконно-оптической интерферометрии для оптической когерентной томографии // Изв. ВУЗов Радиофизика. - 2003. - Т. 46, N. 7. - С. 610-627.

14. Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Ksenofontov S.U., Morosov A.N., Myakov A.V., Potapov Y.P., Saposhnikova V.V., Sergeeva E.A., Shabanov

D.V., Shakhova N.M., Zagainova E.V. Compact Optical Coherence Microscope // Coherent-Domain Optical Methods Biomedical Diagnostics, Environmental and Material Science: Kluwer Academic Publishers, 2004. -P. 345-363.

15. Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Dcsanov R.R., Ksenofontov S J., Morosov A.N., Shabanov S.V. "Optical coherence microscope with ultra-broadbend PM fiber", in "Photonics West" - in Conference on Biomedical-Optics, BiOS, 35-31 January, 2003, Technical digest series, 4956-07. Conference 4056: Conference domain optical methods and optical coherence tomography in biomedicine VII. 2003. - 87 c.

16. Gelikonov G., Gelikonov V., Ksenofontov S., Morosov A., Shabanov D. 4 mem resolution imaging of biological tissues using PM fiber optical coherence microscope. // In abstracts of 13th International Laser Physics Workshop (LPHYS'04). Laser Physics (International Journal), the Abdus Salam ICTP, - Trieste, Italy, July 12-16,2004. - P. 186.

( I

/ л

РНБ Русский фонд

2007-4 4107

ГЕЛИКОНОВ Григорий Валентинович

НИЗКОКОГЕРЕНТНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ ДЛЯ ЗАДАЧ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

Автореферат

Ответственный за выпуск Г. В. Геликонов

Подписано к печати 11.08.2005 г. Формат 60 х 90 Vie- Бумага офсетная № 1 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №79(2005).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Геликонов, Григорий Валентинович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОПТИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ И ОПТИЧЕСКАЯ

КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ (по литературе).

ГЛАВА 2 НИЗКОКОГЕРЕНТНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ НА ПОЛЯРИЗАЦИОННОМ УДЕРЖИВАЮЩЕМ ВОЛОКНЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ СИЛЬНО РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД.

2.1 Интерферометр с низкокогерентным светом в методе ОКТ.

2.2 Особенности оптических интерферометров на одномодовом поляризационно-сохраняющем волокне.

2.3 Структура волоконного интерферометра ОКТ с минимальным влиянием паразитной нерегулярной связи ортогональных мод.

2.4 Волоконно-оптические элементы.

2.5 Продольный волоконный сканер для ОКТ.

2.6 Миниатюрный эндоскопический сканер для ОКТ.

2.7 Поляризационно-чувствительный оптический когерентный томограф (ПЧ-ОКТ).

ГЛАВА 3 ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ "ЦВЕТНОЙ" ДВУХВОЛНОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ.

3.1 Принцип действия двухволновой ОКТ на основе единого оптического интерферометра на анизотропном волокне на волны 830 нм и 1284 нм.

3.2 Одномодовый волоконный ответвитель с 3-децибельным разделением оптических мощностей одновременно на двух волнах (830 и 1300 нм).

3.3 Компенсация неравенства дисперсии в интерферометре одновременно на двух далеко разнесенных длинах волн.

3.4 Некоторые результаты наблюдений методом двухволновой ОКТ.

ГЛАВА 4 ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ МИКРОСКОПИЯ.

4.1 Широкополосный интерферометр ОКМ.

4.2 Создание сверхширокополосного источника света и элементов интерферометра.

4.3 Система динамического фокуса.

4.4 Подавление боковых полос в ОСМ за счет регуляризации спектра доплеровского сигнала.

4.5 Экспериментальный прототип ОКМ.

4.6 Модельные эксперименты.

Введение диссертация по физике, на тему "Низкокогерентная волоконно-оптическая интерферометрия для задач оптической когерентной томографии"

Интерферометрия низкокогерентного излучения в последнее время является одним из быстро развивающихся направлений современной оптики в связи с созданием оптической когерентной томографии (ОКТ) - нового метода построения изображения внутренней структуры оптически мутных сред [1-6]. Новые возможности для развития низкокогерентной оптической волоконной интерферометрии появились в связи с быстрым развитием сверхширокополосных фемтокоррелированных квантовых источников света, а также одномодовой волоконной оптики ближнего ИК-диапазона [7-10]. Излучения таких источников как фемтосекундные лазеры, полупроводниковые суперлюминесцентные диоды и т.п., имеют длительность цуга всего в несколько длин волн, что позволяет реализовать продольное разрешение на уровне единиц микрон. Благодаря высокой поперечной пространственной когерентности излучение квантовых широкополосных источников света, в отличие от тепловых источников, может эффективно использоваться в интерферометрии с применением оптических одномодовых волноводов. [9].

Первоначально эти возможности были реализованы при создании нового направления низкокогерентной интерферометрии - рефлектометрии, с помощью которой исследовалось рассеяние низкокогерентного света с исходно высокой поперечной когерентностью и с высокой продольной пространственной (временной) селективностью в элементах волоконной оптики [11-16]. Дальнейшее развитие низкокогерентной интерферометрии стимулировало появлением актуального приложения - оптической когерентной томографии (ОКТ) [1, 5, 17-21]. Это новый метод, который позволяет получать изображения рассеивающей внутренней структуры оптически неоднородных мутных сред, в том числе и биологических тканей, в ближнем ИК диапазоне спектра с разрешением 10-20 мкм, разрабатывается с целью неинвазивной медицинской диагностики. Отметим, что аспекты медицинской диагностики с применением волоконно-оптической техники, а также волоконные способы доставки оптического излучения к биообъектам получили широкое освещение в литературе (см. обзор в работе [22]). Одним из принципов построения изображений является селекция слабого сигнала нерассеянной компоненты зондирующей волны на фоне мощной засветки, вызванной сильно рассеянным средой излучением [23]. Ввиду очень большой скорости света временная селекция на дистанциях миллиметрового масштаба невозможна радиотехническими методами, поэтому селекция рассеянного сигнала осуществляется с помощью интерференции. Низкокогерентный свет вводится в интерферометр Майкельсона, имеющий сигнальное и опорное плечо. Рассеянный свет принимается сигнальным плечом, и его задержка определяется при измерении длины опорного плеча. Метод этого измерения основан на том факте, что сигнал интерференции возникает, только если разность фазовых задержек между волнами сигнального и опорного плеч не превышает длины когерентности источника. Двухразмерное изображение строится в виде серии соседних продольных сканов [1].

Первые изображения биологических тканей, полученные методом ОКТ, и проведенные исследования показали, что для достижения предельных результатов существует ряд ограничений, обусловленных причинами технического и естественного происхождения. В частности, картина оптических неоднородностей может воспроизводиться до некоторых глубин, начиная с которых отраженный информативный сигнал теряется на фоне шумов многократнорассеянного света [24].

Ввиду сильного рассеяния в биологической ткани число рассеянных назад когерентных фотонов, пришедших с определенной глубины и не испытавших, или испытавших мало число актов рассеяния на внутренних оптических неоднородностях биологической ткани, мало [25]. Для их уверенного приема с достаточно больших глубин требуется очень высокий динамический диапазон приемной системы при условии подавления собственных естественных и технических флуктуаций интенсивности зондирующего излучения. Дополнитеньным фактором, ограничивающим динамический диапазон, является наличие паразитных когерентных волн в волоконном тракте интерферометра, обусловленных случайной связью ортогональных мод в оптическом волокне и элементах интерферометра, а также поляризационной модовой дисперсией волокна [26, 27]. Наличие сателлитных волн с произвольными задержками искажает вид аппаратной функции интерферометра, что и проявляется в виде полос на ОКТ изображениях, и снижает динамический диапазон приема [28]. Поиск причин появления паразитных когерентных волн и разработка методик их устранения представляет собой самостоятельную важную задачу.

Для получения предельной детализации изображений с разрешением, ограниченным только шириной оптического спектра источника света, необходима разработка методов компенсации дисперсии в плечах оптического интерферометра. Задача осложняется наличием крупномасштабных флуктуаций волноводных параметров волокна[29]. При спектральной ширине излучения в единицы процентов от несущей длины волны, в интерферометрах оптических когерентных томографов необходима компенсация первого и второго (а в оптической когерентной микроскопии и третьего) порядков материальной и волноводной дисперсии [30]. Проблема существенно усложняется при использовании нескольких рабочих длин волн. Современные сверхширокополосные источники часто имеют изрезанную форму спектра, что приводит к появлению боковых лепестков аппаратной функции. Для повышения контраста изображения, при этом, необходимо корректировать форму спектра. Новый ряд проблем возникает в методе оптической когерентной микроскопии, который объединяет методы ОКТ и конфокальной микроскопии. Повышение пространственного разрешения при построении изображений оптических неоднородностей до уровня, который достаточен для получения изображений структуры клетки биологических объектов и который демонстрируется в экспериментальных установках, представляет актуальную исследовательскую задачу при переходе к компактному виду прибора.

Цель работы. Целью работы является создание, развитие и исследование принципов и методов одноволновой и двухволновой, а также поляризационной низкокогерентной оптоволоконной интерферометрии для задач оптической когерентной томографии, разработки метода оптической когерентной микроскопии, достижение предельной чувствительности развитых методов и достижение предельного пространственного разрешения, близкого к размеру клеточных структур биологической ткани, рассмотрение альтернативных схем ОКТ с большей эффективностью использования мощности источника света.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

Основные результаты диссертационной работы:

2. Созданы системы продольного и поперечного сканирования зоны наблюдения для волоконно-оптического интерферометра, позволившие создать прибор ОКТ, совместимый со стандартными приборами в клинической практике, в том числе эндоскопами.

4. На основе разработанного сверхширокополосного оптического интерферометра, синхронного сканирования фокуса и ворот когерентности и математической обработки интерференционного сигнала создан оптический когерентный микроскоп, имеющий разрешение в рассеивающей среде не хуже 4x4x4 микрона на глубинах, эквивалентных 3-4 длинам свободного пробега фотона.

5. Разработан метод фурье-фильтрации интерференционного сигнала в сверхширокополосной когерентной микроскопии, позволяющий корректировать неоднородности спектра источника света и компенсировать разности дисперсии в плечах интерферометра, приближая разрешение ОКМ к теоретическому пределу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Геликонов, Григорий Валентинович, Нижний Новгород

1. Huang D., Swanson E.A., Lin C.P., Schuman J.S., Stinson W.G., Chang W., Нее M.R., Flotte Т., Gregory K., Puliafito C.A., Fujimoto J.G. Optical coherence tomography // Science. -1991. -V. 254, N. 5035. - P. 1178-81.

2. Schmitt J.M., Knuttel A., Gandjbakhche A., Bonner R.F. Optical characterization of dence tissues using low-coherence interferometry. // Proc. Spie, 1889. 1993. -. - P. 197211.

3. Swanson A.E., Huang D., Нее M.R., Fujimoto J.G., Lin S.P., Puliafito C.A. High speed optical coherence domain reflectometry. // Opt. Lett. 1992. - V. 17. - P. 151-153.

4. Fercher A.F. Optical coherence tomography // J. Biomedical Opt. 1996. - V. 1, N. 2. - P. 157-173.

5. Fujimoto J.G. Optical Coherence Tomography II Encyclopedia of Optical Engineering/ New York: Marcel Dekker, Inc., 2003. P. 1594-1612.

6. Маркузе Д. Оптические волноводы. М: Мир, 1974. 576 р.

7. Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. Москва: Мир, 1980. -656 р.

8. Снайдер А., Лав Д. Теория оптических волноводов. Москва: Радио и связь, 1987. -656 р.

9. Nelson M.A., Davies T.J., Lyons P.B., Golob J.E., Looney L.D. A fiber-optic time domain reflectometer // Soc. Photo-Optical Instrumentation Engrs; Bellingham, WA, USA. Washington, DC, USA, 1978. - P. vi+192, 93-7.

10. Lubnau D.G. Polarization backscatter analysis of field distributions using fiber optics // Applied Optics. 1983. - V. 22, N. 3. - P. 377-8.

11. Youngquist R.C., Carr S., Davies D.E.N. Optical coherence-domain reflectometry: a new optical evaluation technique // Optics Letters. 1987. - V. 12, N. 3. - P. 158-160.

12. Takada K., Yokohama I., Chida K., Noda J. New measurement system for fault location in optical waveguide devices based on an interferometric technique. // Applied Optics. -1987. V. 26, N. 9. - P. 1603-1607.

13. Kobayashi M., Taylor H.F., Takada K., Noda J. Optical fiber component characterization by high-intensity and high-spatial-resolution interferometric optical-time-domain reflectometer// IEEE Photonics Technology Letters. 1991. - V. 3, N. 6. - P. 564-6.

14. Fercher A.F., Hitzenberger C.K., Drexler W., Kamp G., Sattmann H. In vivo optical coherence tomography letter. // Am J Ophthalmol. 1993. - V. 116, N. 1. - P. 113-4.

15. Sergeev A.M., Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Feldchtein F.I., Pravdenko K.I., Shabanov D.V., Gladkova N.D., Pochinko V.V., Zhegalov V.A., Dmitriev G.I., Vazina

16. R., Petrova G.A., Nikulin N.K. In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure // Proc SPIE 2328*1994, p. 1994. - P. 144-150.

17. Schmitt J.M. Optical coherence tomography (OCT): A review // IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics. 1999. - V. 5, N. 4. - P. 1205-1215.

18. Brezinski M.E., Fujimoto J.G. Optical Coherence Tomography: High Resolution Imaging in Nontransparent Tissue // IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. 1999. - V. 5. -P.1185-92.

19. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. -Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. 384 р.

20. Долин Л.С. Теория оптической когерентной томографии. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1998.-V. 41, N. 10.-Р. 1258- 89.

21. Schmitt J.M., Knuttel A., Yadlowsky М., Eckhaus М.А. Optical-coherence tomography of a dense tissue: statistics of attenuation and backscattering // Physics in Medicine and Biology. 1994. - V. 39, N. 10. - P. 1705-1720.

22. Тучин B.B. Исследование биотканей методами светорассеяния // УФН. 1997. - V. 167, N. 5.-Р. 517-539.

23. Kaminow I.P. Polarization in optical fibers. // IEEE Journal of Quantum Electronics. -1981.-V. QE-17, N. l.-P. 15-22.

24. Yen Y., Ulrich R. Birefringence measurement of fiber-optic devices // Applied Optics. -1981.-V. 20, N. 15.-P. 2721-5.

25. Brand S., Poneros J.M., Bouma B.E., Teamey G.J., Compton C.C., Nishioka N.S. Optical coherence tomography in the gastrointestinal tract // Endoscopy. 2000. - V. 32, N. 10. -P. 796-803.

26. Takada K., Yokohama I., Chida K., Noda J. New measurement system for fault location in optical waveguide devices based on an interferometric technique // Appl. Opt. 1987. -V. 26.-P. 1603-1606.

27. Takada K., Chida K., Noda J. Precise method for angular alignment of birefringent fibers based on an interferomic technique with a broadband source // Appl. Opt. 1987. - V. 26. - P. 2979-2987.

28. Ross J.N. Birefringence measurement in optical fibers by polarization-optical time-domain reflectometry // Applied Optics. 1982. - V. 21, N. 19. - P. 3489-95.

29. Huang S., Lin Z. Measuring the birifringence of single-mode fibers with shot beat length or nonuniformity: a new method. // Appl. Opt. 1985. - V. 24, N. 15. - P. 2355-2361.

30. Долин Л.С., Левин И.М. Справочник по теории подводного видения. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991. - 230 р.

31. Dolin L.S., Levin I.M. OPTICS, UNDERWATER // Encyclopedia of Applied Physics. -1995.-V. 12.-P. 571-11.

32. Нее M.R., Izatt J.A., Jacobson J.M., Fujimoto J.G., Swanson E.A. Femtosecond transillumination optical coherence tomography // Optics Letters. 1993. - V. 18, N. 12. -P. 950-2.

33. Gildea J. Low light level TV techniques // Appl. Opt. 1970. - V. 9. - P. 2230-2235.

34. Duguay M.A., Mattick A.T. Ultrahigh speed photography of picosecond light pulses and echoes//Appl. Opt. 1971. - V. 10. - P. 2162-2170.

35. Fujimoto J.G., De Silvestri S., Ippen E.P., Puliafito C.A., Margolis R., Oseroff A. Femtosecond optical ranging in biological systems // Opt. Lett. 1986. - V. 11, N. 3. - P. 150-152.

36. Fercher A.F., Mengedoht K., Werner W. Eye-length measurment by interferometry with partially coherent light // Optics Letters. 1988. - V. 13, N. 3. - P. 186-188.

37. Swanson E.A., Izatt J.A., Нее M.R., Huang D., Lin C.P., Schuman J.S., Puliafito C.A., Fujimoto J.G. In vivo retinal imaging by optical coherence tomography. // Optics Letters.- 1993.-V. 18, N. 21. P. 1864-1866.

38. Handbook of Optical Coherence Tomography/ Ed. Bouma B.E., Tearney G.J. Vol. New York: Marcel Dekker, Inc., 2002. - 741 p.

39. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. Наука. Москва: Главная редакция физ. Мат. литературы. 1973. - 719 р.

40. Izatt J.A., Kulkarni M.D., Wang H.-W., Kobayashi К., Sivak M.V., Jr. Optical coherence tomography and microscopy in gastrointestinal tissues // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 1996. - V. 2, N. 4. - P. 1017-1028.

41. Kulkarny M.D., Thomas C.W., Izatt J.A. Image enhncement in optical coherence tomography using deconvolution // Electron. Lett. 1997. - V. 33. - P. 1365-1367.

42. Pan Y., Lankenou E., Welzel J., Birngruber R., Engelhardt R. Optical coherence-gated imaging of biological tissues // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.- 1996. V. 2, N. 4. - P. 1029-1034.

43. Su C.B. Achiving variation of the optical path length by a few millimeters at millisecond rates for imaging of turbed media and optical interferometry: A new technique. // Opt. Lett. 1997. - V. 22. - P. 665-667.

44. Szydlo J., Delachenal N., Gianotti R., Walti R., Bleuler H., Salathe R.P. Air-tutbine driven optical low-coherence reflectometry at 28.6-kHz scan repetition rate. // Opt. Commun. 1998. - V. 154. - P. 1-4.

45. Ballif J., Gianotti R., Chavanne P., Walti R., Salathe R.P. Rapid and scalable scans at 21 m/s in optical low-coherence reflectometry // Opt. Lett. 1997. - V. 22. - P. 757-759.

46. Yasa Z.A., Amer N.M. A rapid-scanning autocorrelation scheme for continuous monitoring of picosecond pulses. // Opt. Commun. 1981. - V. 36. - P. 406-408.

47. Delachenal N., Gianotti R., Walti R., Limberger H., Salathe R.P. Constant high-speed optical low-coherence reflectometry over 0.12 m scan range. // Electron Lett. 1997. - V. 33.-P. 2059-2061.

48. Heritage J.P., Weiner A.M., Thurston R.N. Opt. Lett. 1985. - V. 10. - P. 609.

49. Thurston R.N., Heritage J.P., Weiner A.M., Tomlison W.J. IEEE J. Quantum Electron. -1986,-V. QE-22.-P. 682.

50. Tearney G.J., Bouma B.E., Fujimoto J.G. High-speed phase- and group-delay scanning with a grating- based phase control delay line // Optics Letters. 1997. - V. 22, N. 23. - P. 1811-13.

51. Leitgeb R., Hitzenberger C.K., Fercher A.D. Performance of fourier domain vs. time domain optical coherence tomography. // Optics Express. 2003. - V. 11, N. 8. - P. 889894.

52. Leitgeb R., Wojtkowski M., Kowalczyk A., Hitzenberger C.K., Sticker M., Fercher A.F. Spectral measurement of absorption by spectroscopic frequency-domain optical coherence tomography // Optics Letters. 2000. - V. 25, N. 11. - P. 820-822.

53. Choma M.A., Sarunic M.V., Yang C., Izatt J.A. Sensitivity advantage of swept source and Fourier domain optical coherence tomography. // Opics Express. 2003. - V. 11, N. 18.-P. 2183-2189.

54. Izatt J.A., Нее M.R., Owen G.M., Swanson E.A., Fujimoto J.G. Optical coherence microscopy in scattering media // Optics Letters. 1994. - V. 19, N. 8. - P. 590-592.

55. Izatt J.A., Kulkarni M.D., Hsing-Wen Wang, Kobayashi K., Sivak M.V., Jr. Optical coherence tomography and microscopy in gastrointestinal tissues // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 1996. - V. 2, N. 4. - P. 1017-1028.

56. Lexer F., Hitzenberger C.K., Drexler W., Molebny S., Sattmann H., Sticker M., Fercher A.F. Dynamic coherent focus OCT with depth-independent transversal resolution // Journal of Modern Optics. 1999. - V. 46, N. 3. - P. 541-53.

57. Baumgartner A., Hitzenberger C.K., Sattmann H., Dresler W., Fercher A.F. Signal and resolution enhancements in dual beam optical coherence tomography of the human eye // Journal of Biomedical Optics. 1998. - V. 3, N. 1. - P. 45-54.

58. Colston B.W., Jr., Everett M.J., Da Silva L.B., Otis L.L., Stroeve P., Nathal H. Imaging of hard- and soft-tissue structure in the oral cavity by optical coherence tomography // Applied Optics. 1998. - V. 37, N. 16. - P. 3582-5.

59. Colston B.W., Sathyam U.S., DaSylva L.B., Everett M.J., Stroeve P., Otis L.L. Dental OCT // Optics Express. 1998. - V. 3. - P. 230-238.

60. Tearney G.J., Boppart S.A., Bouma B.E., Brezinski M.E., Weissman N.J., Southern J.F., Fujimoto J.G. Scanning single-mode fiber optic catheter-endoscope for optical coherence tomography // Optics Letters. 1996. - V. 21, N. 7. - P. 543-5.

61. Tearney G.J., Brezinski M.E., Bouma B.E., Boppart S.A., Pitvis C., Southern J.F., Fujimoto J.G. In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography // Science. 1997. - V. 276, N. 5321. - P. 2037-9.

62. Pan Y.T., Xie H.K., Fedder G.K. Endoscopic optical coherence tomography based on a microelectromechanical mirror// Optics Letters. 2001. - V. 26, N. 24. - P. 1966-1968.

63. Fercher A.D., Hitzenber C.K., Sticker M., Moreno-Barriuso E., Leitgeb R., Drexler W., Sattmann H. A termal light source tecnique for optical coherence tomography. // Optics Communications. 2000. - V. 185. - P. 57-64.

64. Drexler W., Morgner U., Kartner F.X., Pitris C., Boppart S.A., LI X.D., Ippen E.P., Fujimoto J.G. In Vivo Ultrahigh-resolution Optical Coherence Tomography // Opt. Lett. -1999.-V. 24, N. 17.-P. 1221-23.

65. Kovalevicz A.M., Ко Т., Hartl I., Fujimoto J.G., Pollnau M„ Salathe R.P. Ultrahigh resolution optical coherence tomography using a superluminescent light source // Optics Express. 2002. - V. 10, N. 7. - P. 349-353.

66. Schmitt J.M., Lee S.L., Yung K.M. An optical coherence microscope with enhanced resolving power in thick tissue // Optics Communications. 1997. - V. 142. - P. 203-207.

67. Геликонов B.M., Геликонов Г.В., Гладкова Н.Д., Леонов В.И., Сергеев A.M., Фельдштейн Ф.И. Оптоволоконный интерферометр и оптоволоконный пьезоэлектрический модулятор. 1997. Patent USA 2100787.

68. Белов A.B., Гурьянов A.H., Дианов E.M., Машинский В.М., Неуструев В.Б., Николайчик А.В., Юшин А.С. Материальная дисперсия в стеклянных волоконных световодах на основе кварцевого стекла // Квантовая электроника. 1978. - V. 5, N. З.-Р. 695-698.

69. Fleming J.W. Material dispersion in lighguide glasses // Electron. Lett. 1978. - V. 14, N. 11.-P. 326-328.

70. Fleming J.W. Dispersion in Ge02-Si02 glasses // Applied Optics. 1984. - V. 23, N. 24. -P. 4486-4493.

71. Ахманов C.A., Дьяков E., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. Москва: "Наука", 1981. - 640 р.

72. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. Москва: Наука, 1988. - 312 р.

73. Bouma В.Е., Tearney G.J., Bilinsky I.P., Golubovic В., Fujimoto J.G. Self-phase-modulated Kerr-lens mode-locked Crforsterite laser source for optical coherence tomography // Optics Letters. 1996. - V. 21, N. 22. - P. 1839-41.

74. Wang Y., Zhao Y., Nelson J.S., Chen Z., Windeler R.S. Ultrahigh-resolution optical coherence tomography by broadband continuum generation from a photonic crystal fiber // Optics Lett. 2003. - V. 28, N. 3. - P. 182-184.

75. Геликонов B.M., Куранов P.B., Морозов A.H. Корреляционно-временной анализ распространения низкокогерентного излучения в оптическом тракте с дефектами анизотропии // Квант.электроника. 2002. - V. 32. - Р. 59-66.

76. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis/ Ed. Tuchin V.V. Vol. Washington, 2000.

77. Feldchtein F.I., Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Kuranov R.V., Gladkova N.D., Sergeev A.M., Shakhova N.M., Kuznetzova I.A., Denisenko A.N., Streltzova O.S. Design and performance of an endoscopic OCT system for in vivo studies of human mucosa //

78. Technical Digest Summaries of papers presented at the Conference on Lasers and Electro-Optics Conference Edition. 1998 Technical Digest Series, Vol.6. Opt. Soc. America; Washington, DC, USA. San Francisco, CA, USA, 1998. - P. 559, 122-123.

79. Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Dolin L.S., Kamensky V.A., Sergeev A.M., Shakhova N.M., Gladkova N.D., Zagaynova E.V. Optical coherence tomography: Physical principles and applications // Laser Physics. 2003. - V. 13, N. 5. - P. 692-702.

80. Pan Y., Farkas D.L. Noninvasive imaging of living human skin with dual- wavelength optical coherence tomography in two and three dimensions // Journal of Biomedical Optics. 1998. - V. 3, N. 4. - P. 446-55.

81. Dianov E.M., Grudinin A.B., Guijanov A.N., Gusovsky D.D., Harutjunian Z.E., Ignatjev S.V., Smimov O.B. Circular Core Polarization-Maintaining Optical Fibers With Elliptic Stress-Induced Cladding // J. Lightwave Technology. 1992. - V. 10. - P. 118-124.

82. Noda J., Okamoto K., Sasaki Y. Polarization-maintaining fibers and their applications // Journal of Lightwave Technology. 1986. - V. LT-4, N. 8. - P. 1071-89.

83. De Boer J.F., Milner Т.Е., van Gemert M.J.C., Nelson J.S. Two-dimensional birefringence imaging in biological tissue by polarization-sensitive optical coherence tomography // Optics Letters. 1997. - V. 22, N. 12. - P. 934-6.

84. Everett M.J., Schoenenberger K., Colston B.W., Jr., Da Silva L.B. Birefringence characterization of biological tissue by use of optical coherence tomography // Optics Letters. 1998. - V. 23, N. 3. - P. 228-30.

85. Yao G., Wang L.V. Two-dimensional depth-resolved Mueller matrix characterization of biological tissue by optical coherence tomography // Optics Letters. 1999. - V. 24, N. 8. -P. 537-9.

86. Saxer C.E., de Boer J.F., Park B.H., Zhao Y.H., Chen Z.P., Nelson J.S. High-speed fiber-based polarization-sensitive optical coherence tomography of in vivo human skin // Optics Letters. 2000. - V. 25, N. 18. - P. 1355-1357.

87. Jiao S., Yao G., Wang L.V. Depth-resolved two-dimensional Stokes vectors of backscattered light and Mueller matrices of biological tissue measured with optical coherence tomography. // Appl. Opt. 2000. - V. 39, N. 34. - P. 6318-6324.

88. Baumgartner A., Dichtl S., Hitzenberger C.K., Sattmann H., Robl В., Moritz A., Fercher A.F., Sperr W. Polarization-Sensitive Optical Coherence Tomography of Dental Structures // Caries Res. 2000. - V. 34, N. 1. - P. 59-69.

89. Roth J.E., Kozak J.A., Yazdanfar S., Rollins A.M., Izatt J.A. Simplified method for polarization-sensitive optical coherence tomography // Optics Letters. 2001. - V. 26, N. 14.-P. 1069-1071.

90. Pierce M.C., Park B.H., Cense В., de Boer J.F. Simultaneous intensity, birefringence, and flow measurements with high-speed fiber-based optical coherence tomography // Optics Letters. 2002. - V. 27, N. 17. - P. 1534-1536.

91. Park B.H., Saxer C., Srinivas S.M., Nelson J.S., de Boer J.F. In vivo burn depth determination by high-speed fiber-based polarization sensitive optical coherence tomography // J. Biomedical Opt. 2001. - V. 6, N. 4. - P. 474-479.

92. Fried D., Xie J., Shafi S., Featherstone J.D., Breunig T.M., Le C. Imaging caries lesions and lesion progression with polarization sensitive optical coherence tomography // J Biomed Opt. 2002. - V. 7, N. 4. - P. 618-27.

93. Schmitt J.M., Xiang S.H. Cross-polarized backscatter in optical coherence tomography of biological tissue // Optics Letters. 1998. - V. 23, N. 13. - P. 1060-2.

94. Нее M.R., Huang D., Swanson E.A., Fujimoto J.G. Polarization-sensitive low-coherence reflectometer for birefringence characterization and ranging // Journal of the Optical Society of America. 1992. - V. 9. - P. 903-908.

95. Rollins A.M., Izatt J.A. Optimal interferometer designs for optical coherence tomography // Opt. Lett. 1999. - V. 24. - P. 1484-1486.

96. Wilson T. Confocal Microscopy, ed. T. Wilson. London,: San Diego: Academic Press, 1990.-426 p.

97. Pawley J.B. Handbook of biological confocal microscopy. Rev. Ed. New York: Plenum Press, 1990. -232 p.

98. Takagi A., Jinguji K., Kawachi M. Broadband silica-based optical waveguide coupler with asymmetric structure // Electronics Letters. 1990. - V. 26, N. 2. - P. 132-3.

99. Takagi A., Jinguji K., Kawachi M. Design and fabrication of broad-band silica-based optical waveguide couplers with asymmetric structure // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1992. - V. 28, N. 4. - P. 848-55.

100. Takagi A., Jinguji K., Kawachi M. Wavelength characteristics of (2*2) optical channel-type directional couplers with symmetric or nonsymmetric coupling structures // Journal of Lightwave Technology. 1992. - V. 10, N. 6. - P. 735-46.

101. Bulushev A.G., Gurov Y.V., Dianov E.M., Okhotnikov O.G., Prokhorov A.M., Shurukhin B.P. Wavelength- and polarization-selective fiised single-mode couplers И Optics Letters. 1988. - V. 13, N. 3. - P. 230-232.

102. Xue-Heng Z. Fused couplers function in a broad range of wavelength // Electronics Letters. 1988. - V. 24, N. 16. - P. 1018-19.

103. Zengerle R., Leminger O. Tunable wavelength-selective asymmetrical single-mode fibre directional couplers with an intermediate layer // Optical and Quantum Electronics. -1986.-V. 18,N.5.-P. 365-373.

104. Нее M.R. Optical Coherence Tomography: Teory. // Handbook of optical coherence tomography./ B.E. Bouma and G.J. Tearney, Editors. New York: Marcel Dekker. Inc., 2002.-P. 41-66.

105. Андронова И.А., Гусовский Д.Д., Леонов В.И., Мамаев А., Туркин А.А., Яхнов А.С. Флуктуационные характеристики цельноволоконного интерферометра Саньяка на волну 0,85 мкм. // ЖТФ. 1990. - V. 60, N. 2. - Р. 216-219.

106. Андронова И.А., Геликонов В.М., Мамаев А., Туркин А.А. Функциональные возможности волоконно интерферометра Саньяка как микрофазометра. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1991. - V. 34, N. 4. - Р. 412-418.

107. Геликонов B.M., Гусовский Д.Д., Коноплев H., Леонов В.И., Мамаев А., Туркин А.А. Исследование волоконно-оптического поляризатора с металлической пленкой и диэлектрическим буферным слоем // Квантовая электроника. 1990. - V. 17, N. 1. -Р. 87-93.

108. Геликонов В.М., Коноплев Н., Кучева М.Н., Мамаев А., Туркин А.А. Влияние буферного слоя на коэффициент экстинкции волоконно-оптического поляризатора с металлической пленкой // Оптика и спектроскопия. 1991. - V. 71, N. 4. - Р. 688693.

109. Zheng W. Automated Fusion-Splicing of Polarization Maintaining Fibers // Journal of Lightwave Technology. 1997. -V. 15, N. 1. - P. 125-134.

110. Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Gladkova N.D., Leonov V.I., Feldchtein F.I., Sergeev A.M., Khanin Y.I. Optical fiber interferometer and piezoelectric modulator. 1998. Patent USA 5835642.

111. Геликонов B.M., Геликонов Г.В., Гладкова Н.Д., Сергеев A.M., Шахова Н.М., Фельдштейн Ф.И. Устройство для оптической когерентной томографии, оптоволоконное сканирующее устройство и способ диагностики биоткани in vivo. -2000. Patent USA 2148378.

112. Геликонов Г.В., Геликонов В.М., Мяков А.В., Фельдштейн Ф.И. Способ получения изображения объекта, устройство для его осуществления и устройство доставки оптического излучения. 2004. Patent USA 2242710.

113. Schmitt J.M., Xiang S.H., Yung K.M. Differential absorption imaging with optical coherence tomography // Journal of the Optical Society of America A (Optics, Image Science and Vision). 1998. - V. 15, N. 9. - P. 2288-96.

114. Геликонов B.M., Геликонов Г.В. Одномодовый волоконный ответвитель с 3-децибельным разделением света одновременно на волнах 0,83 и 1.3 МКМ, Препринт ИПФ РАН № 586, Нижний Новгород // Препринт, Изд. ИПФ РАН. 2001. -.-Р. 12 с.

115. Геликонов В.М., Кучева М.Н., Малыкин Г.Б. Измерение двулучепреломления ОВС с широкополосным источником излучения. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1991. - V. 34, N. 6.-Р. 717-19.

116. Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Шабанов Д.В. Оптический волоконный мультиплексор на длины волн 1,3 и 0,64 мкм. // Оптический журнал. 2000. - V. 67, N. 2.-Р. 81-84.

117. Januar I., Mickelson A.R. Dual-wavelength ( lambda =1300-1650 nm) directional coupler multiplexer-demultiplexer by the annealed-proton-exchange process in LiNbO/sub 3 // Optics Letters. 1993. - V. 18, N. 6. - P. 417-19.

118. Takagi A., Jinguji K., Kawachi M. Silica-based waveguide-type wavelength-insensitive couplers (WINC's) with series-tapered coupling structure // Journal of Lightwave Technology. 1992. - V. 10, N. 12. - P. 1814-24.

119. Digonnet M.J.F., Show H.J. Analysis of a tunable single mode optical fiber coupler // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982. - V. QE-18, N. NO.4, APRIL. - P. 746748.

120. Abbas G.L., Chan V.W.S., Yee Т.К. Local-oscillator escess-noise suppression for homodyne and heterodyne detection // Optics Letters. 1983. - V. 8, N. 8. - P. 419-421.