We demonstrate a new technique for frequency-swept laser operation--Fourier domain mode locking (FDML)--and its application for swept-source optical coherence tomography (OCT) imaging. FDML is analogous to active laser mode locking for short pulse generation, except that the spectrum rather than the amplitude of the light field is modulated. High-speed, narrowband optical frequency sweeps are generated with a repetition period equal to the fundamental or a harmonic of cavity round-trip time. An FDML laser is constructed using a long fiber ring cavity, a semiconductor optical amplifier, and a tunable fiber Fabry-Perot filter. Effective sweep rates of up to 290 kHz are demonstrated with a 105 nm tuning range at 1300 nm center wavelength. The average output power is 3mW directly from the laser and 20 mW after post-amplification. Using the FDML laser for swept-source OCT, sensitivities of 108 dB are achieved and dynamic linewidths are narrow enough to enable imaging over a 7 mm depth with only a 7.5 dB decrease in sensitivity. We demonstrate swept-source OCT imaging with acquisition rates of up to 232,000 axial scans per second. This corresponds to 906 frames/second with 256 transverse pixel images, and 3.5 volumes/second with a 256x128x256 voxel element 3-DOCT data set. The FDML laser is ideal for swept-source OCT imaging, thus enabling high imaging speeds and large imaging depths.

We present ultra high speed optical coherence tomography (OCT) with multi-megahertz line rates and investigate the achievable image quality. The presented system is a swept source OCT setup using a Fourier domain mode locked (FDML) laser. Three different FDML-based swept laser sources with sweep rates of 1, 2.6 and 5.2MHz are compared. Imaging with 4 spots in parallel quadruples the effective speed, enabling depth scan rates as high as 20.8 million lines per second. Each setup provides at least 98dB sensitivity and approximately 10microm resolution in tissue. High quality 2D and 3D imaging of biological samples is demonstrated at full scan speed. A discussion about how to best specify OCT imaging speed is included. The connection between voxel rate, line rate, frame rate and hardware performance of the OCT setup such as sample rate, analog bandwidth, coherence length, acquisition dead-time and scanner duty cycle is provided. Finally, suitable averaging protocols to further increase image quality are discussed.

We demonstrate a high-speed, frequency swept, 1300 nm laser source for frequency domain reflectometry and OCT with Fourier domain/swept-source detection. The laser uses a fiber coupled, semiconductor amplifier and a tunable fiber Fabry-Perot filter. We present scaling principles which predict the maximum frequency sweep speed and trade offs in output power, noise and instantaneous linewidth performance. The use of an amplification stage for increasing output power and for spectral shaping is discussed in detail. The laser generates ~45 mW instantaneous peak power at 20 kHz sweep rates with a tuning range of ~120 nm full width. In frequency domain reflectometry and OCT applications the frequency swept laser achieves 108 dB sensitivity and ~10 mum axial resolution in tissue. We also present a fast algorithm for real time calibration of the fringe signal to equally spaced sampling in frequency for high speed OCT image preview.

We describe buffered Fourier domain mode locking (FDML), a technique for tailoring the output and multiplying the sweep rate of FDML lasers. Buffered FDML can be used to create unidirectional wavelength sweeps from the normal bidirectional sweeps in an FDML laser without sacrificing sweep rate. We also investigate the role of the laser source in dynamic range versus sensitivity performance in optical coherence tomography (OCT) imaging. Unidirectional sweep rates of 370 kHz over a 100 nm range at a center wavelength of 1300 nm are achieved. High-speed, swept-source OCT is demonstrated at record speeds of up to 370,000 axial scans per second.

The theoretical and experimental principles of a method are described, which permits an approximate evaluation of the absorption correction by intensity measurements with the aid of a four-circle diffractometer.

We demonstrate ultrahigh speed swept source retinal OCT imaging using a Fourier domain mode locked (FDML) laser. The laser uses a combination of a semiconductor optical amplifier and an ytterbium doped fiber amplifier to provide more than 50 mW output power. The 1050 nm FDML laser uses standard telecom fiber for the km long delay line instead of two orders of magnitude more expensive real single mode fiber. We investigate the influence of this "oligo-mode" fiber on the FDML laser performance. Two design configurations with 684,400 and 1,368,700 axial scans per second are investigated, 25x and 50x faster than current commercial instruments and more than 4x faster than previous single spot ophthalmic results. These high speeds enable the acquisition of densely sampled ultrawide-field data sets of the retina within a few seconds. Ultrawide-field data consisting of 1900 x 1900 A-scans with ~70° angle of view are acquired within only 3 and 6 seconds using the different setups. Such OCT data sets, more than double as large as previously reported, are collapsed to a 4 megapixel high definition fundus image. We achieve good penetration into the choroid by hardware spectral shaping of the laser output. The axial resolution in tissue is 12 µm (684 kHz) and 19 µm (1.37 MHz). A series of new data processing and imaging extraction protocols, enabled by the ultrawide-field isotropic data sets, are presented. Dense isotropic sampling enables both, cross-sectional images along arbitrary coordinates and depth-resolved en-face fundus images. Additionally, we investigate how isotropic averaging compares to the averaging of cross-sections along the slow axis.

We demonstrate in vivo choriocapillaris and choroidal microvasculature imaging in normal human subjects using optical coherence tomography (OCT). An ultrahigh speed swept source OCT prototype at 1060 nm wavelengths with a 400 kHz A-scan rate is developed for three-dimensional ultrahigh speed imaging of the posterior eye. OCT angiography is used to image three-dimensional vascular structure without the need for exogenous fluorophores by detecting erythrocyte motion contrast between OCT intensity cross-sectional images acquired rapidly and repeatedly from the same location on the retina. En face OCT angiograms of the choriocapillaris and choroidal vasculature are visualized by acquiring cross-sectional OCT angiograms volumetrically via raster scanning and segmenting the three-dimensional angiographic data at multiple depths below the retinal pigment epithelium (RPE). Fine microvasculature of the choriocapillaris, as well as tightly packed networks of feeding arterioles and draining venules, can be visualized at different en face depths. Panoramic ultra-wide field stitched OCT angiograms of the choriocapillaris spanning ∼32 mm on the retina show distinct vascular structures at different fundus locations. Isolated smaller fields at the central fovea and ∼6 mm nasal to the fovea at the depths of the choriocapillaris and Sattler's layer show vasculature structures consistent with established architectural morphology from histological and electron micrograph corrosion casting studies. Choriocapillaris imaging was performed in eight healthy volunteers with OCT angiograms successfully acquired from all subjects. These results demonstrate the feasibility of ultrahigh speed OCT for in vivo dye-free choriocapillaris and choroidal vasculature imaging, in addition to conventional structural imaging.

We analyze the benefits and problems of in vivo optical coherence tomography (OCT) imaging of the human retina at A-scan rates in excess of 1 MHz, using a 1050 nm Fourier-domain mode-locked (FDML) laser. Different scanning strategies enabled by MHz OCT line rates are investigated, and a simple multi-volume data processing approach is presented. In-vivo OCT of the human ocular fundus is performed at different axial scan rates of up to 6.7 MHz. High quality non-mydriatic retinal imaging over an ultra-wide field is achieved by a combination of several key improvements compared to previous setups. For the FDML laser, long coherence lengths and 72 nm wavelength tuning range are achieved using a chirped fiber Bragg grating in a laser cavity at 419.1 kHz fundamental tuning rate. Very large data sets can be acquired with sustained data transfer from the data acquisition card to host computer memory, enabling high-quality averaging of many frames and of multiple aligned data sets. Three imaging modes are investigated: Alignment and averaging of 24 data sets at 1.68 MHz axial line rate, ultra-dense transverse sampling at 3.35 MHz line rate, and dual-beam imaging with two laser spots on the retina at an effective line rate of 6.7 MHz.