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超快鎖模光纖激光技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030649546
- 條形碼：9787030649546 ; 978-7-03-064954-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
超快鎖模光纖激光技術(shù) 內(nèi)容簡介
本書介紹了超快鎖模光纖激光技術(shù)及其應(yīng)用研究的成果。全書共7章，主要涵蓋了近年來超快鎖模光纖激光技術(shù)大部分研究方向的新實驗、新現(xiàn)象及新應(yīng)用，包括采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的超快光纖激光器、光纖干涉儀結(jié)構(gòu)的超快光纖激光器、利用二維納米材料等真實可飽和吸收體鎖模的光纖激光器、主動鎖模超快光纖激光器，以及超快光纖激光器應(yīng)用。本書重點突出前沿性，很多內(nèi)容是作者及其課題組近期新的研究成果，是對超快鎖模光纖激光技術(shù)的深入探索。 本書適合從事光纖激光技術(shù)、光纖通信、光纖傳感、微波光子學(xué)等教學(xué)和科研的教師以及相關(guān)專業(yè)的科技人員、工程技術(shù)人員、研究生和高年級本科生閱讀和參考。
超快鎖模光纖激光技術(shù) 目錄
目錄
序
前言
第1章緒論1
1.1超快光纖激光器1
1.2超快光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域3
1.3超快光纖激光器的分類8
參考文獻15
第2章超快光纖激光器基本原理19
2.1光纖激光基本原理19
2.1.1增益光纖能級結(jié)構(gòu)和泵浦選擇19
2.1.2超快光纖激光諧振腔23
2.2鎖模原理與結(jié)構(gòu)24
2.2.1多縱模相位鎖定原理24
2.2.2非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)鎖模26
2.2.3光纖干涉儀結(jié)構(gòu)鎖模27
2.2.4真實可飽和吸收體材料鎖模31
2.2.5主動鎖模32
2.3鎖模脈沖的瞬態(tài)過程33
2.3.1﹑非線性薛定諤方程33
2.3.2﹑時間拉伸色散傅里葉變換36
2.4光纖中的色散效應(yīng)39
2.5光纖中的非線性效應(yīng)40
2.5.1―自相位調(diào)制4l
2.5.2交叉相位調(diào)制41
2.5.3―四波混頻43
2.5.4受激拉曼散射44
2.5.5受激布里淵散射45
參考文獻46
第3章基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的超快光纖激光器49
3.1孤子脈沖鎖模光纖微備49
3.1.1負色散區(qū)基顏孤子鎖模脈沖49
3.1.2多孤子鎖模脈沖62
3.2高能量飛秒鎖模脈沖產(chǎn)生技術(shù)62
3.2.1展寬脈沖63
3.2.2耗散孤子脈沖77
3.2.3類噪聲脈沖80
參考文獻84
第4章光纖干涉儀結(jié)構(gòu)的超快光纖激光器89
4.1非線性放大環(huán)形鏡鎖模光纖激光器89
4.1.1方波類噪聲脈沖鎖模光纖徼光器89
4.1.2方波耗散孤子共振領(lǐng)模光纖激光器30
4.1.3調(diào)Q鎖模方波脈沖光纖激光器98
4.2全保偏干涉儀結(jié)構(gòu)鎖模光纖激光器103
4.2.18字腔鎖模光纖激光器103
4.2.29字腔鎖模光纖激光器110
4.3多模干涉結(jié)構(gòu)鎖模光纖激光器112
4.3.1光纖多模干涉效應(yīng)112
4.3.2多模干涉效應(yīng)鎖模光纖蠢光器―113
參考文獻115
第5章真實可飽和吸收體材料超快光纖激光器118
5.1SESAM鎖模光纖激光器118
5.1.1SESAM的鍍模原理119
5.1.2SESAM的光學(xué)特性120
5.1.3SESAM的基本結(jié)構(gòu)123
5.1.4SESAM鎖模光纖激光器124
5.2二維可飽和吸收體材料鎖模光纖徼光器127
5.2.1二維材料的鎖模原理127
5.2.2二維材料光學(xué)特性129
5.2.3―二維可飽和吸收體的制備方法130
5.2.4二維納米可飽和吸收材料鎖模光纖激光器135
參考文獻162
第6章主動鎖模超快光纖激光器170
6.1強度調(diào)制主動鎖模光纖激光器170
6.1.1強度調(diào)制主動鑊模原理170
6.1.2強度調(diào)制主動鎖模光纖激光器171
6.2相位調(diào)制主動鎖模光纖激光器180
6.2.1相位調(diào)制主動鎖模原理180
6.2.2相位調(diào)制主動鎖模嶶光器182
6.3有理數(shù)諧波鎖模光纖激光器184
6.3.1有理數(shù)諧波鎖模原理184
6.3.2有理數(shù)諧波鎖模實驗185
6.4同步泵浦鎖模光纖激光器186
6.4.1同步泵浦鎖模原理186
6.4.2同步泵浦讖模光纖激光器188
參考文獻189
第7章超快光纖激光器應(yīng)用191
7.1光學(xué)頻率梳191
7.2超連續(xù)譜產(chǎn)生195
7.3大容量光通信203
7.4無線激光通信207
參考文獻217
序
前言
第1章緒論1
1.1超快光纖激光器1
1.2超快光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域3
1.3超快光纖激光器的分類8
參考文獻15
第2章超快光纖激光器基本原理19
2.1光纖激光基本原理19
2.1.1增益光纖能級結(jié)構(gòu)和泵浦選擇19
2.1.2超快光纖激光諧振腔23
2.2鎖模原理與結(jié)構(gòu)24
2.2.1多縱模相位鎖定原理24
2.2.2非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)鎖模26
2.2.3光纖干涉儀結(jié)構(gòu)鎖模27
2.2.4真實可飽和吸收體材料鎖模31
2.2.5主動鎖模32
2.3鎖模脈沖的瞬態(tài)過程33
2.3.1﹑非線性薛定諤方程33
2.3.2﹑時間拉伸色散傅里葉變換36
2.4光纖中的色散效應(yīng)39
2.5光纖中的非線性效應(yīng)40
2.5.1―自相位調(diào)制4l
2.5.2交叉相位調(diào)制41
2.5.3―四波混頻43
2.5.4受激拉曼散射44
2.5.5受激布里淵散射45
參考文獻46
第3章基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的超快光纖激光器49
3.1孤子脈沖鎖模光纖微備49
3.1.1負色散區(qū)基顏孤子鎖模脈沖49
3.1.2多孤子鎖模脈沖62
3.2高能量飛秒鎖模脈沖產(chǎn)生技術(shù)62
3.2.1展寬脈沖63
3.2.2耗散孤子脈沖77
3.2.3類噪聲脈沖80
參考文獻84
第4章光纖干涉儀結(jié)構(gòu)的超快光纖激光器89
4.1非線性放大環(huán)形鏡鎖模光纖激光器89
4.1.1方波類噪聲脈沖鎖模光纖徼光器89
4.1.2方波耗散孤子共振領(lǐng)模光纖激光器30
4.1.3調(diào)Q鎖模方波脈沖光纖激光器98
4.2全保偏干涉儀結(jié)構(gòu)鎖模光纖激光器103
4.2.18字腔鎖模光纖激光器103
4.2.29字腔鎖模光纖激光器110
4.3多模干涉結(jié)構(gòu)鎖模光纖激光器112
4.3.1光纖多模干涉效應(yīng)112
4.3.2多模干涉效應(yīng)鎖模光纖蠢光器―113
參考文獻115
第5章真實可飽和吸收體材料超快光纖激光器118
5.1SESAM鎖模光纖激光器118
5.1.1SESAM的鍍模原理119
5.1.2SESAM的光學(xué)特性120
5.1.3SESAM的基本結(jié)構(gòu)123
5.1.4SESAM鎖模光纖激光器124
5.2二維可飽和吸收體材料鎖模光纖徼光器127
5.2.1二維材料的鎖模原理127
5.2.2二維材料光學(xué)特性129
5.2.3―二維可飽和吸收體的制備方法130
5.2.4二維納米可飽和吸收材料鎖模光纖激光器135
參考文獻162
第6章主動鎖模超快光纖激光器170
6.1強度調(diào)制主動鎖模光纖激光器170
6.1.1強度調(diào)制主動鑊模原理170
6.1.2強度調(diào)制主動鎖模光纖激光器171
6.2相位調(diào)制主動鎖模光纖激光器180
6.2.1相位調(diào)制主動鎖模原理180
6.2.2相位調(diào)制主動鎖模嶶光器182
6.3有理數(shù)諧波鎖模光纖激光器184
6.3.1有理數(shù)諧波鎖模原理184
6.3.2有理數(shù)諧波鎖模實驗185
6.4同步泵浦鎖模光纖激光器186
6.4.1同步泵浦鎖模原理186
6.4.2同步泵浦讖模光纖激光器188
參考文獻189
第7章超快光纖激光器應(yīng)用191
7.1光學(xué)頻率梳191
7.2超連續(xù)譜產(chǎn)生195
7.3大容量光通信203
7.4無線激光通信207
參考文獻217
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超快鎖模光纖激光技術(shù) 節(jié)選
第1章緒論 1960年7月，世界**臺以紅寶石作為增益介質(zhì)的固體激光器被發(fā)明出來［1］，從此打開了人們對激光領(lǐng)域認知的大門。相較于傳統(tǒng)光源，激光集單色性好、方向性好、相干性好、亮度高和超短脈沖等優(yōu)點于一身，成為與原子能、計算機、半導(dǎo)體齊名的20世紀四項重大發(fā)明之一，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、通信、醫(yī)療、科研、國防等諸多領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用。 1961年，Snitzer E等采用摻釹光纖作為增益介質(zhì)，構(gòu)建了**臺光纖激光器［2］。1985年，南安普頓大學(xué)成功制備了低損耗的稀土摻雜光纖［3］，為光纖激光器的快速發(fā)展做出了重要貢獻。從此，光纖激光器再次得到了廣泛關(guān)注，光纖工藝、諧振腔結(jié)構(gòu)均得到了很大提升與優(yōu)化，波分復(fù)用器、合束器、耦合器、隔離器等全光纖集成器件工藝快速發(fā)展，光纖激光器的全光纖化進一步提升了自身的轉(zhuǎn)換效率、抗環(huán)境抖動能力和抗干擾能力，同時多種光纖器件間可通過熔接的方式實現(xiàn)低損耗連接，豐富了光纖激光器的輸出特性。全光纖化是近年光纖激光器領(lǐng)域的一項重要突破。 與傳統(tǒng)固體激光器相比，全光纖激光器有很多優(yōu)點。*先，光纖的表面積和體積之比很大，因此，光纖激光器的散熱性能很好，無需冷卻裝置；其次，光纖激光器體積小、質(zhì)量輕、成本低廉、無需準直、操作簡單；再次，光纖激光器輸出端是光纖，易與光纖通信、光纖傳感等系統(tǒng)兼容。因此，光纖激光器一經(jīng)問世，就獲得了極大的關(guān)注，得到了飛速的發(fā)展。 1.1超快光纖激光器 在光纖激光器中實現(xiàn)短脈沖輸出，使其在短時間內(nèi)具有更高的峰值功率，這在實際應(yīng)用中具有重要的意義。隨著調(diào)Q及增益開關(guān)、主動調(diào)制［4］、非線性光纖環(huán)形鏡［5］、非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)［6］、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡［7］等鎖模機制在光纖激光器中的應(yīng)用，光纖激光器輸出的脈沖寬度由納秒(ns)量級被大幅度壓縮至皮秒(ps)量級。在此基礎(chǔ)上，色散管理技術(shù)的采用極大地解決了由光纖色散造成的脈沖展寬問題，鎖模光纖激光器的脈沖寬度甚至達到飛秒(fs)量級［811］。以鎖模技術(shù)為基礎(chǔ)，脈沖寬度在皮秒量級以下的超快光纖激光器得到了快速發(fā)展。而隨著稀土摻雜光纖工藝的提升和鎖模機制的不斷優(yōu)化，分別以摻鐿（Yb）光纖、摻鉺（Er）光纖、摻銩（Tm）光纖、摻鈥（Ho）光纖作為增益介質(zhì)的超快光纖激光技術(shù)及其應(yīng)用已日趨成熟，并逐漸進入了實用化時代，在工業(yè)、通信、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。 一般來講，激光器的主要參考指標包括重復(fù)頻率、脈沖寬度、峰值功率以及平均功率。而超快(或超短脈沖)光纖激光器，是指脈沖寬度在皮秒甚至飛秒量級的激光器，鎖模是產(chǎn)生超短脈沖的主要手段。鎖模光纖激光器與普通激光器結(jié)構(gòu)一樣，由泵浦源、增益物質(zhì)和諧振腔構(gòu)成，其激光產(chǎn)生的過程就是泵浦光與增益介質(zhì)發(fā)生相互作用產(chǎn)生受激輻射的物理過程。光纖激光器的泵浦源一般為激光二極管(LD)或激光二極管陣列，增益介質(zhì)為摻雜各種不同稀土離子(如Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等)的光纖，一種有源組件(光調(diào)制器)或者無源非線性器件(飽和吸收器)使光能夠在諧振腔中循環(huán)往復(fù)形成超短脈沖，在穩(wěn)態(tài)情況下，影響循環(huán)脈沖的各種效應(yīng)達到平衡，脈沖每循環(huán)一周后參數(shù)不會發(fā)生變化，或者幾乎不發(fā)生變化。每個脈沖長度非常短，通常在皮秒或飛秒量級。因此，鎖模光纖激光器的峰值功率會比其平均功率高幾個數(shù)量級。 利用鎖模原理實現(xiàn)超短脈沖激光有兩個重要條件：一是多縱模振蕩，即要求增益介質(zhì)的增益帶寬大，這樣增益介質(zhì)所能支持的縱模數(shù)就更多；二是各模式之間的穩(wěn)定相位差，即通過鎖模器件使縱模之間的相位差穩(wěn)定［12］。*常見的諧振腔是法布里珀羅(FabryPerot，F(xiàn)P)腔，它是由增益介質(zhì)和鎖模器件置于兩片高反射率的腔鏡之間構(gòu)成的，如圖1.1所示。 圖1.1鎖模光纖激光器基本結(jié)構(gòu) 在光纖激光器結(jié)構(gòu)中，通常從定向耦合器的泵浦波長輸入端導(dǎo)入泵浦光，如圖1.2所示，這種耦合泵浦光的器件稱為波分復(fù)用(wavelength division multiplexing，WDM)泵浦耦合器，通過鎖模器件輸出超快激光。 圖1.2采用WDM泵浦耦合器的光纖激光器結(jié)構(gòu) 環(huán)形腔光纖激光器也是通過WDM泵浦耦合器導(dǎo)入泵浦光的，如圖1.3所示，在光纖環(huán)路中插入鎖模器件調(diào)制腔內(nèi)脈沖，光纖隔離器使環(huán)形腔內(nèi)激光單向運轉(zhuǎn)。 圖1.3環(huán)形腔光纖激光器 對于那些無法采用增益光纖獲得的超快激光波長，孤子自頻移是行之有效的選擇。1928年，印度物理學(xué)家拉曼（Raman）*次發(fā)現(xiàn)泵浦光入射到非線性介質(zhì)中，會散射(即受激拉曼散射，stimulated Raman scattering，SRS)出不同于泵浦光的兩種新頻率分量的光，即斯托克斯光和反斯托克斯光。1986年，常規(guī)光纖中的孤子自頻移在實驗中被觀察到，并由Gordon解釋了這個理論［13］。此后，孤子自頻移被廣泛應(yīng)用到不同類型的光纖，微結(jié)構(gòu)光纖和高階模光纖通常用來將孤子自頻移的可行性波長擴展到近紅外波段(小于1.3μm)和可見光波段，Chestnut和Talor成功在石英單模光纖中將孤子自頻移的波長擴展到1.72μm［14］，氟化物和硫化物光纖中孤子自頻移已經(jīng)實現(xiàn)了2.0~4.3μm波段超短脈沖中紅外激光［1518］。 伴隨著光纖通信對光纖器件需求的快速增長，相關(guān)光纖器件工藝制作水平不斷提高，出現(xiàn)了很多更高性能、更低成本的新型光纖器件，使光纖激光器的應(yīng)用也從工業(yè)和光纖通信領(lǐng)域延伸到特殊材料加工、生物醫(yī)療以及國防等領(lǐng)域。 1.2超快光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域 由于光纖在通信領(lǐng)域的大量應(yīng)用，使光纖及其相關(guān)器件成本大幅度降低，可以很容易購買到組成光纖激光器的部件，通過熔接技術(shù)將光纖及其他部分組合起來，再經(jīng)過光路準直就可以構(gòu)建出光纖激光器。另外，隨著保偏光纖的普及，可以構(gòu)建出極其穩(wěn)定的環(huán)境不敏感全光纖結(jié)構(gòu)激光器，增加了光纖激光器的商用價值。近幾年，隨著摻銩光纖以及一些新型光纖的研制成功，使超快光纖激光器的研究逐漸在中紅外波長附近開展起來。目前，超短脈沖光纖激光器的應(yīng)用幾乎隨處可見，從激光加工、光通信，到生物成像、醫(yī)用儀器［1926］，光纖激光器已經(jīng)與人們的生活密不可分，可以說，沒有光纖激光器如此飛速的發(fā)展，也不會有現(xiàn)在如此便利的生活。下面，對超短脈沖光纖激光器的幾種典型應(yīng)用場景進行重點闡述。 1.光孤子通信 光脈沖在光纖中傳輸時，光纖中非線性效應(yīng)對光脈沖的壓縮與群速度色散引起的光脈沖展寬相平衡，在一定條件下，光脈沖可以在光纖中保持穩(wěn)定的形狀永久傳輸下去，通常將這種形狀保持不變的脈沖稱為光孤子。 *先，利用光孤子作為通信載體可以實現(xiàn)全光中繼，大大簡化了中繼設(shè)備，具有高效、簡便、經(jīng)濟的優(yōu)點。其次，光孤子脈沖寬度窄至皮秒甚至飛秒量級，相鄰脈沖間隔很小，不至于發(fā)生脈沖重疊，使其在傳輸過程中誤碼率很低，與現(xiàn)有光纖通信相比，其誤碼率可以低于10-12，基本實現(xiàn)了100%的光纖通信傳輸。*后，光孤子擺脫了光纖色散對傳輸速率和通信容量的限制，可以攜帶大量信息，傳輸碼率*高可以達到100Gbit/s以上，使得孤子通信在未來光纖通信領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力［27］。 如圖1.4所示為光孤子通信系統(tǒng)的基本示意圖。日本NTT研究所利用東京都市光纖網(wǎng)進行了20Gbit/s光孤子通信實驗，*次實現(xiàn)了室外光孤子無誤碼傳輸，傳輸距離達到10000km以上，為孤子通信的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［28］。 圖1.4光孤子通信系統(tǒng)的基本示意圖 2.空間光通信 空間光通信是一種通過激光在大氣信道中實現(xiàn)點對點、點對多點或多點對多點間語音、數(shù)據(jù)、圖像信息傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。激光器用于產(chǎn)生激光信號，并形成光束射向空間。激光器的性能直接影響通信質(zhì)量及通信距離，對系統(tǒng)整體性能影響很大，因而對它的選擇十分重要。 高功率的激光光源對空間光通信的實現(xiàn)具有重要意義，若要實現(xiàn)空間通信就必須采取合適的激光光源。可高速調(diào)制的大功率激光器是制約激光通信的兩個關(guān)鍵因素，為解決這兩個關(guān)鍵因素，對激光發(fā)射源提出了很高的要求。選取適合空間光通信的光源應(yīng)該具備工作頻率高、光束質(zhì)量好、線寬窄的特點。超快鎖模光纖激光器具有峰值功率高、可靠性好和體積小的優(yōu)勢，選擇輸出功率足夠高的超快鎖模光纖激光器可以滿足空間通信的要求。圖1.5為基于光纖耦合結(jié)構(gòu)的空間光通信系統(tǒng)。 圖1.5基于光纖耦合結(jié)構(gòu)的空間光通信系統(tǒng) 3.工業(yè)加工 材料進行精確機械加工，要求光纖激光器具有高峰值功率和高脈沖能量(機械切割一般需要毫焦量級的脈沖能量)，大模場半徑光纖(25~50μm)的研制成功使光纖激光器并不完全依賴于脈沖啁啾放大技術(shù)，就能夠使輸出脈沖能量滿足精密機械加工等重要領(lǐng)域的應(yīng)用。除了需要較高的脈沖能量，脈沖寬度對精密加工也有十分重要的影響，圖1.6為納秒激光器和飛秒激光器對材料切割的結(jié)果，通過對比發(fā)現(xiàn)，飛秒量級激光切割后的材料，其切開表面光滑程度要明顯好于納秒量級激光切割［30］，因此在設(shè)計脈沖光纖激光器時，除了獲取高能量，如何壓縮脈沖寬度也是研究的重點。被動鎖模技術(shù)是產(chǎn)生飛秒級脈沖的主要技術(shù)手段之一，被動鎖模光纖激光器中的可飽和吸收體可以使激光器實現(xiàn)自啟動，并實現(xiàn)小于100fs的脈沖寬度輸出［29］，因此被動鎖模光纖激光器可以廣泛應(yīng)用在精密機械加工等領(lǐng)域。 圖1.6納秒激光器與飛秒激光器加工 （a）納秒激光器；（b）飛秒激光器 4.生物光子學(xué) 傳統(tǒng)的熒光顯微鏡通常是利用連續(xù)激光器來完成的，光源選擇需要覆蓋熒光吸收波段(即藍光至綠光的光譜范圍)。近年來，隨著超連續(xù)光譜光纖激光器的研制成功，已經(jīng)逐漸開始取代原有的光源。對于熒光顯微鏡，超連續(xù)光譜的時間相干性并不重要，通過可調(diào)諧濾波器可以準確激發(fā)熒光所在位置，利用脈沖寬度在10ps~1ns，10kW峰值功率的脈沖足以產(chǎn)生倍頻程寬度的連續(xù)譜。基于摻鐿光纖的被動鎖模光纖激光器可以很容易達到要求，脈沖經(jīng)過放大后耦合進入具有高非線性效應(yīng)的光纖(如光子晶體光纖)中，從而實現(xiàn)350~2200nm的超寬光譜輸出［31，32］。如果采用氟化光纖或其他特殊材料光纖構(gòu)成的光纖激光器，可以將超連續(xù)光譜的范圍拓寬到4000nm甚至更寬。另外，光纖激光器在太赫茲成像以及多光子成像方面同樣也取得了重要進展，如二次諧波、三次諧波、反斯托克斯拉曼散射顯微鏡等。圖1.7為利用超短脈沖光纖激光器與非線性顯微鏡相結(jié)合，通過二次諧波與三次諧波技術(shù)觀察到的活體組織的多光子顯微鏡圖像［33］。 圖1.7活體組織的多光子顯微鏡圖像 (a)~(d)孔雀魚尾部圖像;(e)~(h)果蠅翅膀圖像 1991年，Huang等在Science上發(fā)表了**篇關(guān)于光學(xué)相干斷層成像(optical coherence tomography，OCT)的文章［34］，提出了OCT技術(shù)的概念。這一集高分辨率、非侵入式、無損傷、速度快、體積小、低成本等優(yōu)點于一身的成像技術(shù)迅速引起了重視，借助于低相干的寬譜光源，通過對組織反射光的探測實現(xiàn)對在體組織的深層結(jié)構(gòu)成像，OCT技術(shù)相較于現(xiàn)有的超聲成像、X射線計算層析、核磁共振等技術(shù)亦不落下風(fēng)。圖1.8為OCT系統(tǒng)對皮膚的成像，其成像深度可達到1~2mm，遠高于共聚焦激光掃描顯微鏡250μm的成像深度，軸向分辨率
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