Time-domain optical coherence tomography at 2 $μ\mathrm{m}$ using GaSb-based broadband superluminescent diode

Sintesi Tecnica: Tomografia a Coerenza Ottica nel Dominio del Tempo a 2 µm utilizzando un Diodo Superluminescente a Banda Larga basato su GaSb

Problematica
Sebbene la Tomografia a Coerenza Ottica (OCT) sia ben consolidata per l'imaging biomedico a 800 nm, 1060 nm e 1300 nm, vi è una crescente necessità di estendere tali capacità a materiali non biologici, come polimeri, ceramiche e rivestimenti. Questi materiali spesso presentano un basso contenuto di acqua e un alto coefficiente di scattering, dove lunghezze d'onda più lunghe (specificamente nella regione dei 2 µm) offrono vantaggi in termini di profondità di penetrazione grazie alla riduzione dei coefficienti di scattering. Tuttavia, gli attuali sistemi OCT a 2 µm si affidano prevalentemente a sorgenti a supercontinuum (SC). Sebbene le sorgenti SC offrano larghezze di banda elevate, sono spesso complesse, ingombranti, costose e rumorose, limitandone la praticità per applicazioni industriali compatte e scalabili. Esiste una mancanza di sorgenti luminose a semiconduttore compatte, ad azionamento elettrico, adatte per la TD-OCT a 2 µm che possano fornire la larghezza di banda e la stabilità necessarie senza i difetti delle sorgenti SC.

Metodologia
Gli autori hanno sviluppato un sistema TD-OCT basato su fibra che opera nella regione spettrale dei 2 µm, utilizzando un Diodo Superluminescente (SLD) basato su Gallio e Antimonio (GaSb) come sorgente luminosa.

• Sorgente Luminosa: L'SLD presenta una regione attiva con due pozzi quantici InGaSb/GaSb e una geometria della guida d'onda a cresta a forma di J. Il dispositivo è stato confezionato in un modulo standard "butterfly" a 14 pin con un pigtail a singola fibra monomodale. Il dispositivo è stato progettato con un rivestimento ad alta riflettività (HR) sulla faccia dritta e un rivestimento antiriflesso (AR) sulla faccia curva per sopprimere le riflessioni della cavità e promuovere l'emissione spontanea amplificata (ASE).
• Configurazione del Sistema: L'apparato OCT impiega una configurazione interferometrica di Michelson tramite un accoppiatore in fibra 50:50. Il sistema utilizza uno schema di rilevamento bilanciato con fotodiodi InGaAs PIN estesi per ridurre il rumore di modo comune. La scansione è effettuata tramite scanner galvo XY nel braccio del campione e uno stadio di traslazione per la scansione assiale.
• Caratterizzazione: Le prestazioni dell'SLD sono state caratterizzate misurando le curve Luce-Corrente (L-I) e Tensione-Corrente (V-I), nonché gli spettri di emissione a diverse correnti di pilotaggio (80–400 mA) tramite un analizzatore di spettro ottico. Le misurazioni di coerenza sono state eseguite scansionando il braccio di riferimento per determinare la risoluzione assiale.
• Esperimenti di Imaging: Il sistema è stato testato su campioni non biologici, tra cui un oggetto di test strutturato (una moneta britannica da cinque pence) e una carta stampata ("UoK") coperta da uno strato sottile di vernice diffondente.

Risultati Chiave

• Prestazioni della Sorgente: L'SLD a base di GaSb ha dimostrato un'operazione ASE stabile a correnti di pilotaggio inferiori a 150 mA, mantenendo un ripple spettrale inferiore al 20%. A 150 mA, la sorgente emetteva circa 2,5 mW di potenza con una larghezza di banda FWHM (Full-Width Half-Maximum) di circa 80 nm centrata vicino a 2,1 µm. A correnti più elevate (400 mA), la larghezza di banda aumentava a circa 83 nm, ma la modulazione spettrale saliva al ~50% e il dispositivo si avvicinava alle soglie di lasing.
• Coerenza e Risoluzione: L'inviluppo di coerenza misurato ha fornito una risoluzione assiale di circa 300 µm in aria. Questa risoluzione sperimentale era inferiore al limite teorico (~23 µm) previsto dalla sola larghezza di banda ottica della sorgente. Gli autori attribuiscono questa discrepanza alla modulazione spettrale (ripple) e agli effetti di cavità residui all'interno della struttura dell'SLD, che allargano l'inviluppo di coerenza.
• Capacità di Imaging: Il sistema ha eseguito con successo l'imaging risolto in profondità di rivestimenti a base di vernice diffondente. Ha dimostrato la capacità di visualizzare caratteristiche sepolte, come testo stampato sotto uno strato di vernice, sfruttando il gating di coerenza. La lunghezza d'onda a 2 µm ha facilitato la penetrazione attraverso il rivestimento di vernice, rivelando l'interfaccia tra la vernice e il substrato, nonché le variazioni nello spessore della vernice.

Contributi Chiave

• Prima Dimostrazione: Questo lavoro rappresenta la prima dimostrazione di un sistema TD-OCT che opera a 2 µm utilizzando un SLD basato su GaSb.
• Alternativa Compatta: Lo studio stabilisce l'SLD a base di GaSb come un'alternativa valida, compatta e scalabile alle sorgenti a supercontinuum per l'OCT nel medio infrarosso. La sorgente sfrutta la matura fabbricazione di semiconduttori e il packaging standard (moduli butterfly), offrendo una via verso strumentazioni OCT più economiche e semplificate.
• Imaging Non Biologico: Il documento valida l'utilità dell'OCT a 2 µm per l'imaging di materiali con basso contenuto di acqua e alta diffusione, dimostrando specificamente la capacità di ispezionare rivestimenti stratificati e strutture sottosuperficiali in campioni non biologici.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo lavoro stabilisce l'idoneità degli SLD a base di GaSb per la strumentazione OCT compatta nel medio infrarosso destinata a materiali non biologici. Sebbene l'attuale risoluzione assiale sia limitata dal ripple spettrale e dalle perdite di packaging, il sistema dimostra con successo i principi fondamentali del gating di coerenza a 2 µm. Gli autori posizionano questa tecnologia come una soluzione pratica per il test non distruttivo e la diagnostica dei materiali dove la complessità e il costo delle sorgenti a supercontinuum sono proibitivi. Essi osservano che ulteriori miglioramenti nella regolarità spettrale (tramite rivestimenti ottimizzati) e l'uso di fibre nel medio infrarosso potrebbero potenziarne le prestazioni, ma i risultati attuali confermano già la fattibilità di questo approccio per scenari di imaging scientifici e industriali.