הפקת תועלת משימוש חכם בלולאות משוב אלקטרוניות

טומוגרפיה קוהרנטית אופטית [OCT] הופכת בימים אלו לכלי אנליטי מקובל. טומוגרפית OCT פותחה במקור לצורכי אופתלמולוגיה [רפואת עיניים], וכיום מתפשטת למגוון יישומים, בהם גם בחינה של חומרים. היתרון של הטכניקה הזו טמון ביכולת הדימות של מבני הדגימה בדיוק של מיקרומטר, אף אם הם נמצאים מילימטרים ספורים בתוך הדגימה.
למשל, ניתן להבחין בפגמים סמויים שנמצאים מתחת למשטח של חלקים מיוצרים. לכן, טכניקת OCT בזמן אמת מאפשרת בקרת איכות מקוונת ומקטינה את הבזבוז הכרוך בתהליכי ייצור.
טומוגרפיית OCT מסתמכת על אינטרפרומטריה קוהרנטית נמוכה שמנצלת מקורות אור רחבים מבחינה ספקטרלית כמו דיודות שפולטות במיוחד אור רב או על מקורות לייזר פולסים מהירים במיוחד. המבנה האופייני מבוסס על האינטרפרומטר של מיכלסון עם זרוע בדיקה וזרוע ייחוס. ראשית מתפצל האור (של הלייזר) ואז – לאחר שעבר את המסלול בשתי הזרועות – הוא מתאחד שוב על גלאי האור. בטומוגרפיה קוהרנטית אופטית במישור הזמן [TD–OCT], אותות האור לייחוס מושהים בזמן באמצעות דרגה מכנית ליניארית (translation stage). אותות הייחוס מתאבכים באופן שונה עם אותות הדגימה שבגלאי האור, בתלות במיקום של הדרגה. מצבי אפנון האמפליטודה שאובחנו בכל אחד מהמיקומים מובילים למידע העומק הרצוי של הדגימה. הרזולוציה הצירית של טכנולוגיית OCT נקבעת על ידי הקוהרנטיות של מקור האור באופן יחסי לרוחב הפס הספקטראלי שלו. כיום, לייזרים מהירים במיוחד עם רוחבי פס רחבים במיוחד דוחפים את הרזולוציה של OCT מטה עד למיקרומטר אחד בערך.

מהירויות איסוף הנתונים בטומוגרפיה קוהרנטית אופטית במישור הזמן [TD–OCT], מוגבלות על ידי הסריקה המכנית האיטית של הדרגה המכנית הליניארית. לכן, פותחו טכניקות של טומוגרפיית OCT לגילוי ספקטראלי. עם זאת, הן חסרות את עומק הדימות העצום שקיים בטכניקות של טומוגרפיית TD–OCT. במאמר זה, נדון בשתי גישות חדשות המחליפות את הדרגה המכנית באלקטרוניקה מהירה יותר בהרבה. בדרך זו החיסרון הגדול ביותר של טומוגרפיית TD–OCT משתנה והופכת להיות היתרון הגדול ביותר שלה: סריקה מהירה מאוד תוך כדי שמירה על עומק דימות גדול. גישות אלו נקראות “דגימה אופטית א–סינכרונית”
[ASOPS] ו”דגימה אופטית מבוקרת באופן אלקטרוני” [ECOPS].
בניגוד לתהליך סטנדרטי, לא משמש מקור לייזר אחד בלבד, כי אם שני מקורות לייזר מהירים ביותר משמשים: אחד לכל זרוע של האינטרפרומטר. שני מקורות הלייזר פולטים סדרות של פולסי אור עם קצב חזרה מהיר אופייני של 100 מגה–הרץ. חלון הזמן שבין שני פולסים עוקבים יהיה לכן 10 ננו–שניות ומתאים לזמן מעבר הלוך ושוב של המהוד (resonator) של הלייזר. הפולסים של זרוע הדגימה והפולסים של זרוע הייחוס חייבים לפגוע בגלאי בערך באותו זמן כדי לחולל את תבניות ההתאבכות הרצויות. בגלל הבקרה הפעילה של אורכי המהודים, שני זמני המעבר הלוך ושוב נשארים זהים ולכן שני מקורות הלייזר מסונכרנים. במקרה כזה חלונות הזמן של שתי סדרות הפולסים יהיו שווים. נותר רק הפרש זמן קבוע יחיד בין שתי סדרות הפולסים. אנו מתייחסים להשהיית זמן זו באופן טכני גם כהפרש פאזה. הסנכרון מבוקר באופן פעיל על ידי לולאת משוב אלקטרוני, שנקראת לכן “לולאה נעולת פאזה” [PLL]. את הגדרת השהיית הזמן לאפס – הגדרה שמשמעותה שהפולסים משתי הסדרות יפגעו בגלאי בדיוק באותו זמן – אנו משיגים באופן מכני או גם באופן אלקטרוני.

הסריקה לעומק בטומגרפיית TD–OCT מושגת באמצעות הארכה של זרוע הייחוס. פעולה זו מפיקה השהיית זמן של פולסי הייחוס ביחס לאפס של הגדרת הזמן: פולסי הייחוס פוגעים בגלאי באיחור. ההתאבכות תהיה אפשרית כעת רק אם פולסי הדגימה יתפזרו חזרה ממבנה עמוק יותר בתוך הדוגמה שבבדיקה, בהשוואה לאפס של הזמן. כך אנו מקבלים את מידע העומק של הדגימה – כפי שהוזכר קודם לכן.
המערכת האלקטרונית של לולאת PLL מאפשרת שינוי של הפרש הפאזה או של השהיית הזמן בין שתי סדרות הפולסים ומוסיפה את דרגת החופש הנדרשת. כעת הדרגה המכנית הליניארית של ענף הייחוס הופכת להיות בלתי נדרשת.
לצורך כך, לולאת המשוב של מערכת דגימה אופטית א–סינכרונית [ASOPS] שומרת את אורכי המהודים של שני מקורות הלייזר שונים זה מזה בהפרש קטן. זמני המעבר הלוך ושוב משתנים בהתאם וסדרות הפולסים א–סינכרוניות (ומכאן השם). פירושו של דבר שכל פולס ייחוס פוגע בגלאי מוקדם יותר מפולס הדגימה המתאים לו בהשהיית זמן שגדלה בקביעות. הדבר נמשך עד אשר פולס הייחוס עוקף את פולס הדגימה שהופק קודם, והמשחק מתחיל מהתחלה. זמני המעבר הלוך ושוב נבדלים בדרך כלל רק ב–100 פמטו–שניות, ולכן, כל חלון הזמן של 10 ננו–שניות עובר סריקה לאחר 100,000 פולסים של לייזר. עם קצב חזרה של 100 מגה–הרץ ניתן לסרוק את כל חלון הזמן בקצב של 1 קילו–הרץ. חלון הזמן של 10 ננו–שניות מתאים לעומק דימות של 1.5 מטר. הדרגה המכנית שבה היינו משתמשים בדרך האחרת, הייתה צריכה לסרוק יותר מ–1 מטר בפחות מ–1 מילי–שניות – שאכן נראה בלתי אפשרי. מהירות הדגימה האופטית תהיה לכן יותר מהירה ביותר מאשר שלושה סדרי גודל. אף על פי שמערכת דגימה אופטית מאפשרת עומק סריקה רב במידה יוצאת דופן, עומק החדירה לתוך מבנה הדגימה בדרך כלל מסתכם במילימטרים בודדים בלבד, המהווים רק חלק קטן (1/1000) של ההשהיה הנסרקת. על אף קצב הסריקה המהיר מאוד, של 1 קילוהרץ, ב–99.9 אחוזים של זמן המדידה לא מופק אות שמיש.
כדי לשפר את בזבוז הזמן הבלתי רצוי הזה, יש להשתמש במקורות לייזר בעלי אורכי מהודים קצרים יותר באופן משמעותי. לכמה מהודים ייתכן שיהיה זמני מעבר הלוך ושוב של 1 ננו–שניה בלבד והם יכולים להוריד את עומק הסריקה עד ל–15 ס”מ. כאן לפחות אחוז אחד של זמן המדידה מפיק אותות שמישים.
גישה פשוטה וגמישה יותר אומצה על ידי מערכת לביצוע דגימה אופטית מבוקרת באופן אלקטרוני [ECOPS]. לעומת מערכת לביצוע דגימה אופטית א–סינכרונית, שבה חלון הזמן נסרק ברציפות עם מרווחי זמן קבועים (לדוגמה, 100 פמטו–שניות), מערכת לביצוע דגימה אופטית מבוקרת באופן אלקטרוני מציעה ערכים משתנים עבור מרווחי הזמן.

דרגת החופש – שהיא תכונה פנימית של קווי השהיה מכניים – נשמרת: אפשר לשמור על הפרש זמן קבוע, מקוצר או מוארך. דרגת חופש נוספת זו הופכת לאפשרית את היכולת לנצל 100 אחוזים כמעט מזמן המדידה. בניגוד להשהיה מכנית, גודלי הצעדים מבוקרים באופן אלקטרוני (ומכאן השם). לכן, מערכות לביצוע דגימה אופטית מבוקרת באופן אלקטרוני
[ECOPS] חולקות עם מערכות לביצוע דגימה אופטית א–סינכרונית [ASOPS] את היתרון הגדול ביותר: מהירות הסריקה הגבוהה. הפעלת מתח על לולאת המשוב האלקטרוני של מערכת ECOPS קובעת את השהיית הזמן שבין סדרות הפולסים. הגדלת המתח מגדילה את ההשהיה והקטנת המתח מקטינה את ההשהיה. לדוגמה, הפעלה של אות מתח משולש מאפשרת לפולס הייחוס לעבור את פולס הדגימה עד אשר מקבלים את המתח המקסימלי ולאחר מכן לסגת שוב, עד אשר המתח המינימלי מושג, וכך הלאה וכך הלאה. כתוצאה מכך, אפשר לבחור באופן חופשי את השהיית הסריקה – על ידי הגדרה מתאימה של המשרעת [אמפליטודה] וההיסט של המתח המופעל. בדרך זו גם מושג יתרון נוסף על פני מערכות לביצוע דגימה אופטית א–סינכרונית
[ASOPS], והוא שלגודל של חלון הזמן אין כל תפקיד וניתן להשתמש במהודים של מקורות לייזר “רגילים”. אך עם זאת, לאורך כל זמן המדידה כולו כמעט מופקים אותות שמישים, מפני שרק טווח ההשהיה הרלוונטי עובר סריקה עם הבחירה המתאימה של המתח שמופעל.
שתי טכניקות הדגימה האופטית הודגמו בהצלחה לראשונה על ידי אס. קריי [S. Kray] ועמיתיו ממכון Semiconductor Electronics שבאוניברסיטת RWTH שבאאכן. הם השתמשו במערכת לביצוע דגימה אופטית מבוקרת באופן אלקטרוני [ECOPS] של TOPTICA Photonics. המערכת מתבססת על שני מקורות לייזר סיבי של פמטו–שנייה ועל אלקטרוניקת הלולאה נעולת הפאזה
[PLL] שהותאמה באופן מושלם, אשר מאפשרת את הסינכרוניזציה של שתי סדרות הפולסים עם הפרעת ריצוד (jitter) תזמונים של פחות מ–100 פמטו–שנייה. אות מתח משולש בתדר של עד 600 הרץ הופעל על הלולאה נעולת הפאזה של המערכת לביצוע דגימה אופטית מבוקרת באופן אלקטרוני [ECOPS] ותבניות ההתאבכות באמצעות רשם תופעות מעבר
[transient recorder] “Saturn” של AMO GmbH (מגרמניה). באיור 1 ניתן לראות שיא התאבכות אופייני שמראה רזולוציה צירית של 15 מיקרו–מטר שהושג במבנה זה. איור 2a מראה את הדימות של טומוגרפיה קוהרנטית אופטית שנלקחה מסרט נייר דבק כדגימה. כל שכבה יחידה של הגליל נראית בבירור (ראה איור 2b ואיור 2c). מערכת לביצוע דגימה אופטית מבוקרת באופן אלקטרוני [ECOPS] מאפשרת את הדימות של עומקים עצומים וכן של אזורים קטנים שבמוקד העניין על ידי בחירה מתאימה של רמות משרעת והיסט של המתח המופעל. באופן כזה המשתמש יכול לממש את הזום האופטי המבוקר באופן אלקטרוני עבור טומוגרפיה קוהרנטית אופטית.