锁模激光器的光信号处理的制作方法

专利名称：锁模激光器的光信号处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及将光信号处理应用于锁模激光器，用于精确感测、采样和精密光谱学。
背景技术：
锁模激光器和频梳激光器促进了光谱学和精确感测的进步。近来，锁模激光器与传统傅里叶变换光谱仪(FTS)结合以获得改进的信噪比，用于光谱吸收测量(J. Mandon 等人， ’ Fourier transform spectroscopy with a laser frequency comb ' , in Nature Photonics, vol. 3，pp. 99-102，2009 和 N. Picque ‘等人，国际专利申请公开号 WO 2010/010437)。Haensch等人在美国专利7，203，402中建议了将频梳激光器用于光谱学。如‘435中所述，在现有技术中，频梳激光器可被理解为构成锁模激光器的子集。 锁模激光器和频梳激光器均以某一重复率frep产生具有相应的输出频谱的输出脉冲串，所述输出频谱可被表征为线光谱，具有单独的频率线
f = f +mf
丄丄ceo 111丄rep
其中m是整数，而f-是载波包络偏移频率。整数m也被称为梳形线阶。不过，与锁模激光器不同，频梳激光器要求精确控制重复率和载波包络偏移频率。事实上，限制频梳激光器的广泛使用的难点在于将单独梳形线精确光学锁相到至少两个外部参考频率以便获得稳定的频梳。不过，至少对于光学计量，通过将锁模激光器用作传递振荡器可以进行频率测量而不需要使单独的梳形线稳定(J. Menger等人，Phys. Rev. Lett.，vol. 7，pp. 073601-1-073601-4，(2002) 将锁模激光器用作传递振荡器，可以精确测量位于光谱的相隔较远区域的两个参考频率之间的频率比或频率差(仅受锁模激光器的谱段的光谱范围的限制)。该技术，当将cw激光器(而非锁模激光器)用作传递激光器时应用于差频测量在计量学中是公知的(C. 0. Weiss等人，‘Frequency measurement and control,advanced techniques and future trends‘ ，vol. 79，pp.215—247(2000))。 cw传递振荡器有时也被称为参考振荡器。如‘435中还示出，cw参考激光器可用于有效地稳定两个锁模激光器的载波包络偏移频率之差。该信息随后可用于光谱定标FTS，用于光谱吸收测量，所述光谱吸收测量由两个锁模激光器构成，具有分辨率极限大致对应于锁模激光器的重复率。如’ 435中所述， 所述双锁模激光器被称为相干双扫描激光器或CDSL。此外，基于高重复率的CDSL允许高扫描率，这对于快速信号采集是有益的。基于光纤超连续谱源的CDSL还允许对FTS和其它应用的非常宽的光谱范围。一般地说，如 P. Giacarri 等人在'Referencing of the beating spectra of frequency combs'(国际专利申请公开号W02009/000079)中所披露的，两个窄线宽cw参考激光器可用于跟踪两个锁模激光器的载波包络偏移频率和重复率之间的差，而不需要载波包络偏移频率控制。不过，当应用于傅里叶变换吸收光谱时，假设例如参考激光器位于两个梳形线之间并且不知道参考激光器的绝对频率或梳形线的绝对阶m，该方案的分辨率也被限于锁模激光器的重复率。结果，实现了较低重复率的激光，导致了缓慢的数据采集率。在另一个方案中，可通过CW传递振荡器的实施直接测量来自两个不同的梳激光器的两个梳形线之间的差拍信号。随后可以记录两个梳激光器之间的重复率波动，并且这些记录的重复率波动可随后通过实施具有等距光程长度差的新采样栅格用于同时校正两个梳激光器之间的干涉图(G. Guelachvili等人，国际专利申请WO 2010/010444)。不过，该方案理想地还使用两个梳激光器的载波包络偏移频率的测量或者可替换的实施具有不同于被锁的两个其它梳形线的频率的第二 cw激光器。利用两个频梳激光器已实现了 FTS中的赫兹级(水平)分辨率，所述两个频梳激光器被锁相至两个CW激光器，所述两个CW激光器转而被锁定至高精细度参考腔，如 I. Coddington 等人在‘Coherent multiheterodyne spectroscopy using stabilized comb sources'，Phys. Rev. Lett.，vol. 100，pp. 013902(2008)中所述，该文献在下文中被称为‘Coddington’。不过，所述方案需要至少四个锁相环，用于将频梳激光器锁定至两个 cw光学时钟激光器，再加上额外的锁相环用于将cw激光器稳定至参考腔。此外，在现实世界的光谱学中，一般不需要所实现的Hz级(水平)的分辨率，通常遇到在频率为Vx下线宽 Δν ^ 5Χ 10_7νχ的多普勒加宽吸收线。例如，在可见光谱区域Δν 300MHz。还存在对基于CDSL的简单FTS方案的需要，其允许高扫描率以及高光谱分辨率。 此外，还需要一种基于激光的FTS方案，所述方案可以测量发射以及吸收光谱。

发明内容
本发明披露了基于锁模激光器的快速扫描CDSL，用于多种用途，例如，高分辨率、 高灵敏度FTS和微光谱学、光学成像、采样和激光探测及测距系统(LIDAR)。各种高分辨率⑶SL实施例包括工作在稍微不同重复率的第一和第二锁模振荡器，每个锁模振荡器具有载波包络偏移频率。所述第一和第二锁模振荡器的输出与两个参考激光器的输出结合，用于产生用于稳定两个载波包络偏移频率之间的差和两个锁模振荡器的重复率之间的差的信号。在一些实施例中，至少一个振荡器的载波包络偏移频率还可由所述信号得到，产生对应于至少参考激光器的带宽的分辨率并且还允许赫兹级的频率分辨率。各种高分辨率⑶SL可用于系统中，用于相位、吸收、发射和/或光谱测量。通过使用光学锁相与光学参考的组合，不同的实施例提供了高分辨率FTS。在至少一个实施例中， 利用两个cw参考激光器将来自两个锁模激光器的两个随后相邻梳形线的差频与至少两个锁相环进行锁相。可替换的，还可实施锁频方案。通过单独梳形线跟踪两个cw参考激光器的拍频还允许FTS的绝对频率校准。通过记录多个相近的干涉图，不同的实施例提供了高分辨率FTS，这增加了与信号采集时间成比例的FTS的分辨率。所述CDSL的分辨率还可通过利用锁相环的相位误差输出以计算对于高分辨率 FTS的校正进一步进行优化。一般，锁相环或锁频的相位误差输出可用于对定义锁模激光器的操作的不同频率参数产生校正信号。通过实施频率转换方案以扩大光谱范围以及双平衡检测方案用于噪声抑制，不同的实施例提供具有宽光谱范围的高灵敏度、低噪声FTS。在至少一个实施例中，所述双平衡检测方案可利用在分束器处组合的两个锁模激光器的干涉。可替换的，所述两个锁模激光器可以在光纤系统中沿着两个正交的偏振轴被放大和光谱增宽并随后经由分束器结合。通过调节增强腔使其结合入一个锁模激光器的光束路径，不同的实施例提供高灵敏度FTS。锁定至增强腔可通过用适当的光移频器进行激光光谱的移频或通过调整所述腔来进行。FTS可实施用于测量位于两个锁模激光器的光束路径内部的光学采样的相位、吸收和发射光谱。发射光谱测量可用于测量来自光学采样的自发和受激的拉曼(Raman)发射光谱， 拉曼(Raman)发射的增强还可实施用于改进的信噪比并且光学成像和光学扫描可实施用于空间分辨拉曼光谱的测量。⑶SL还可用于通过线性光学采样进行信号表征。CDSL还可用于在泵浦探测结构中测量试样对强泵浦脉冲的相位响应。⑶SL还可用于试样的二维或多维发射和吸收光谱。通过测量来自样本的与时间相关的反射，还可在光学相干断层扫描中实施CDSL，其中优选在两个锁模激光器的基础干涉拍频处进行测量。通过利用泵浦探测装置中两个锁模激光器还可以在THz域进行深度分辨成像。在至少一个实施例中，通过将来自两个锁模激光器的两个随后相邻梳形线锁定至至少一个cw参考激光器来控制CDSL的载波包络偏移频率的差和重复率的差。在至少一个实施例中，通过在信号采集时间期间使有效扫描率的波动最小化，基于CDSL的FTS的分辨率增大，与信号采集时间成比例。在至少一个实施例中，双平衡检测改进了 FTS的信噪比。在至少一个实施例中，通过使用外部腔，增加了基于⑶SL的FTS的灵敏度。在至少一个实施例中，利用基于⑶SL的FTS测量相位和吸收光谱。实施例可适用于OCT(光学相干断层扫描)、THz成像、或相似的应用。在不同的实施例中，CDSL与现有的FTS设备相结合，所述FTS设备可包括一个或多个用于探测样本的定位设备、检测设备、和信号处理设备，所述信号处理设备可包括数字和/或模拟信号处理器、计算机、和/或各种信号处理软件算法。在一些实施例中，为了降低成本，可以构造仅有一个激光器的有效⑶SL。至少一个实施例包括相干扫描激光系统(CSL)，用于产生具有时变时延的脉冲对。 所述系统包括光源，所述光源产生时变重复率的光学脉冲；和重复率调制器，所述重复率调制器以一调制率调制重复率。所述源产生包括脉冲对的输出。所述系统还包括光学参考， 用于产生参考信号，所述参考信号用于测量脉冲对的两个脉冲之间的至少时延作为时间的函数。


图1是示意性地示出基于⑶SL的高分辨率FTS的示图。图IA示意性地示出了两个锁模激光器和两个参考振荡器的光谱的一部分，以及从其获得的拍频，用于监控和/或稳定CDSL。图IB示意性地示出了基于⑶SL的高分辨率FTS的结构。图2是用于通过⑶SL进行采样吸收测量的采样和检测器位置的示意性表示。图3是示出通过⑶SL可获得的三个相邻干涉图的图示。图4是示出基于⑶SL的FTS中的双平衡检测的示意性示图。图5是用于测量基于CDSL的FTS中样本的吸收和相位响应的结构的示意性示图。图6是用于测量基于⑶SL的FTS中样本的吸收和相位响应的另一结构的示意性示图。图7是利用基于CDSL的FTS用于改进的灵敏度的吸收和相位测量的增强腔的示意性示图。图8是用于从样本获得空间分辨发射光谱的结构的示意性示图。图9是用于从样本获得空间分辨受激拉曼发射光谱的结构的示意性示图。图10是用于相干反斯托克斯(anti-Stokes)拉曼(Raman)光谱的结构的示意性示图。图11是用于线性光学采样的⑶SL的示意性示图。图12是泵浦探测结构中的⑶SL的示意性示图。图12A是示出在二维光谱测量中使用⑶SL的示意性示图。图13是示出在光学相干断层扫描中使用CDSL的示意性示图。图14是示出THz测距中⑶SL的示意性示图。图15是示出THz光谱和光谱成像中⑶SL的示意性示图。图16是示出仅通过一个激光器构造的有效⑶SL的示意性示图。
图16a是示出包括光学参考的CSL的通用设计的示意性示图。图17A是示意性地示出适用于将光学参考与外部激光器结合的CSL的锁模振荡器设计的示图。图17B是示意性地示出适用于将光学参考与外部激光器结合的CSL的另一锁模振荡器设计的示图。图18是示出同相(三角形向上)和正交相(三角形向下)参考信号以及从参考干涉仪可获得的它们的比率(正方形)的示图，其中所述参考干涉仪被设置成探测重复率调制的锁模振荡器的镜像位置。图19是基于包括光学参考的CSL的FTS的示意性表示。图19A是用于在重复率抖动过程中使零延迟点居中的电子学方案的示意性表示。图19B是示出与实际腔长度调制相关的用于在重复率抖动过程中使零延迟点居中的不同信号的一系列图示。图20是包括光学参考设置用于FTS的⑶SL的示意性表示。图21是结合重复率倍增的⑶SL的示意性表示。图22是结合重复率倍增用于泵浦探测实验和成像的⑶SL的示意性表示。图23是用于二维光谱应用的CSL的示意性表示。图M是示出仅通过包括光学参考的一个激光器构造的有效CSL的另一实施例的示意性示图。图25是示出通过CSL记录的干涉图的测量结果的图示。图沈是示出通过CSL记录的干涉图的频谱的测量结果(细线)和导致腔内镜速度波动的校正频谱的测量结果(粗线)。
具体实施例方式下文将描述CDSL系统和应用的一些示例。披露了提供高分辨率、高采集率、高敏感度、低噪声和高水平集成的一个或多个的实施例。非线性光谱产生和相控的不同实施例导致在近顶范围的稳定输出信号，从而为顶吸收和发射光谱、THz成像和测距应用提供益处。图1示意性地示出了根据用于傅里叶变换吸收光谱的一个实施例的相干双扫描激光系统100(⑶SL)。在该示例中，⑶SL 100的输出被导向待测量的样本。傅里叶变换光谱仪(FTQ利用CDSL的发射包络中的光谱信息探测样本的物理特性。如图1所示，⑶SL 100包括两个锁模激光器(振荡器01和振荡器02)和两个cw 参考激光器(Rl和R2)。每个振荡器产生输出，所述输出与来自每个参考激光器(可能是 CW激光器)的输出结合。图IB(图1A)示意性地示出了分别对应于01和02的输出的光谱110、120的一部分。01和02具有稍微不同的重复率fri、f,2，并且01和02的频率线被各自的重复率分开。01、02的某些频率线与所示的cw参考激光器的紧邻频率fx、fy间隔开。 举例来说，拍频fbl、fb2、fb3和fb4及其差频Δ f2和Δ 由01和02以及Rl和R2的相邻频率线得到。通过光电探测器检测信号以便监控和/或稳定CDSL。控制系统(所述控制系统可包括锁相环和模拟和/或数字信号处理器)可用于监控和/或稳定CDSL。如图1的示例所示，振荡器01、02和cw参考激光器Rl的输出分别通过两个光纤耦合器Cl和C2组合。另一光纤耦合器C3将参考激光器Rl的输出进行分束并且将Rl输出引导至耦合器Cl和C2。振荡器01和cw激光器Rl的频率线之间的拍频fbl通过探测器 Dl进行检测。振荡器02和cw激光器Rl的频率线之间的拍频fb2通过探测器D2进行检测。探测器Dl和D2的输出被进一步混合并且进行低通频率滤波以产生拍频信号Af2 = fbl_fb2，对应于拍频fbl和fb2之间的差。通过将Af2的相位锁定至外部RF参考(未示出) 适当地改变02的腔长度，可进一步稳定Af2。这里，可以实施模拟或数字锁相环。当使用数字锁相环时，拍频fbl_fb4也被数字化了。可替换的，利用例如腔长度或振荡器泵浦功率控制一个或另一个振荡器可以将fbl和fb2各自都锁定至外部RF参考，这也稳定了 Af2。例如，在’ 435中讨论了将cw参考激光器锁定至两个锁模激光器用于⑶SL的构造。在图IA中，当梳形线分别在仁和4的任意一侧上时，可以观察到差拍(拍频)信号。通过使用抑制在&和4的一侧上的差拍信号的光学单边带(SSB)混频器可以消除这种不定性(二义性)。例如，光学SSB混频器可抑制图IA中的fbl和fb3，而通过fb2和fb4。 为了观察差拍信号fbl和fb3，因此需要分别将梳形线移至fx和fy的右侧。SSB混频器简化了所需要的锁定电子器件和所观察到的差拍信号的解释。光学SSB混频器在本领域中是公知的并且例如在P. C. D. Hobbs, John ffiley&Sons(2000)的“Building Electro-Optical Systems” 的图 10. 4 中示出，并且在此不再进一步阐述。图1中SSB混频器的结合需要用一组两对平衡检波器(导致总共8个平衡检波器对)来替换图1中四个探测器D1-D4中的每一个，用于同相检测和正交检测相应的差拍信号。在’435中讨论了用于锁模激光器的腔长度控制的不同方案。使用参考振荡器R2、 振荡器01和02、和探测器D3和D4的相似结构产生拍频fb3、fb4和Δ f\，其中将fb3和fb4锁定至外部RF参考也可用于Af1W稳定。光纤光束路径和耦合器提供高水平的集成。在一些实施例中，可以单独或结合光纤技术实施自由空间光束路径和分束器。优选地，将锁模光纤激光器被用作振荡器01和02，尽管固态激光振荡器和二极管激光器可单独或结合光纤振荡器用于不同的实施例。如图1所示的采样和FTS检测单元更详细地在图2的示例中示出。在图2的结构中，两个振荡器01、02的输出通过分束器Bl (或等同的光纤耦合器)结合以便构建用于吸收光谱的FTS。第二分束器B2允许通过探测器D5检测参考光谱。利用探测器D6的输出测量插入在探测器D6之前的样本的吸收光谱。信号处理设备SP可用于FTS中以便调整来自探测器的信号并且处理从探测器获得的信息。’ 435中还讨论了通过基于⑶SL的FTS获得吸收光谱的方案。振荡器01与02的频率输出和拍频(差拍)信号fbl_fb4以及参考激光器Rl和R2 的光学参考频率fx，fy之间的关系分别可写为
nfrep+fceol — fx+fbl(1)
n(frep+5)+fceo2 = fx+fb2, (2)
mfrep+fceol = fy+fb3(3)
m(frep+5)+fceo2 = fy+fb4， (4)
其中f_、frep+ δ和f。TOl，fceo2分别是两个锁模激光器的重复率和载波包络偏移频率， η和m是整数，并且假设光学参考fx、fy分别随来自相同阶η和m的两个锁模激光器的频率线进行拍频。可以容易地示出两个锁模激光器之间的重复率S的差和载波包络偏移频率 Δι；。。的差由下式给出
权利要求
1.一种相干双扫描激光系统(⑶SL)，所述系统包括第一和第二被动锁模振荡器，所述振荡器被设置成以稍微不同的重复率工作，使得重复率差S fr与所述第一和第二振荡器的重复率的值和相比是小的，所述第一振荡器产生在第一光学发射包络内由分隔的多条频率线而所述第二振荡器产生在第二光学发射包络内由分隔的多条频率线；以各自的CW参考频率fx和fy工作的第一和第二 CW参考激光器，所述第一和第二 CW 参考激光器的每一个与所述第一和第二振荡器的每一个光学连接，并且产生位于每个所述振荡器的发射包络内的输出，所述第一 CW参考激光器具有由fbl从所述第一振荡器的频率线分隔开和由fb2从所述第二振荡器的频率线分隔开的频率线；所述第二 CW参考激光器具有由fb3从所述第一振荡器的频率线分隔开和由fb4从所述第二振荡器的频率线分隔开的频率线；所述CW参考激光器和所述振荡器被设置成产生对应于Δ f2 = fbl-fb2和Δ = fb3-fb4 的RF拍频；其中所述RF拍频通过锁相环被锁定至外部RF参考信号。
2.根据权利要求1所述的CDSL，还包括光学连接至每个振荡器的非线性频率转换部分，所述部分包括非线性光学元件，所述非线性光学元件产生带宽远大于振荡器光谱的宽带光谱。
3.根据权利要求1所述的⑶SL，其中所述频率转换部分包括输出部分，所述输出部分接收和组合多个输入频率并且在其差频产生光谱输出。
4.根据权利要求1所述的⑶SL，其中所述⑶SL被设置为FTS的一部分，其中所述FTS 用于探测测试样本的物理特性，其中光谱分量在所述发射包络内。
5.根据权利要求1所述的CDSL，其中所述激光系统被设置成具有测量或成像设备，用于光学成像、显微镜学、光谱学、显微光谱学、THz成像、发射光谱、拉曼光谱、受激拉曼光谱、 拉曼光谱成像、和多维光谱中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的CDSL，其中所述测量或成像设备包括用于光学扫描的元件。
7.根据权利要求1所述的⑶SL，还包括锁相环，以便控制所述振荡器中的一个的重复率。
8.根据权利要求1所述的CDSL，还包括锁相环和f-2f干涉仪，以便控制所述振荡器中的一个的载波包络偏移频率。
9.根据权利要求1所述的CDSL，其中所述锁模振荡器包括锁模固态、光纤或二极管激光振荡器。
10.根据权利要求1所述的⑶SL，其中所述锁模振荡器包括Nd、％、Tm或Er光纤振荡ο
11.根据权利要求1所述的⑶SL，所述系统包括至少一个光纤放大器，用于放大一个或多个振荡器输出。
12.根据权利要求2所述的CDSL，其中所述非线性频率转换部分包括差频产生器。
13.根据权利要求2所述的CDSL，所述系统包括非线性频率部分，所述非线性频率部分包括设置在至少一个振荡器下游的超连续谱产生器。
14.根据权利要求1所述的⑶SL，还包括用于监控所述两个振荡器中的至少一个的载波包络偏移频率的绝对值的装置。
15.根据权利要求1所述的⑶SL，还包括用于监控至少所述两个振荡器中的一个或两个的重复率的装置。
16.根据权利要求1所述的CDSL，其中所述拍频Afbl和Afb2用于产生与光域中的频率栅格一一对应的RF域中的频率栅格。
17.根据权利要求1所述的CDSL，还包括两个参考腔，用于所述cw激光器的频率控制。
18.根据权利要求1所述的⑶SL，还包括在往返时间上与所述振荡器中的一个的重复率相匹配的增强腔，以提高插入所述腔的痕量气体的检测灵敏度。
19.一种系统，所述系统包括 根据权利要求1所述的CDSL ；发射THz辐射来响应所述CDSL的输出的材料； 响应所述THz辐射的探测器。
20.根据权利要求1所述的⑶SL，其中所述⑶SL产生短光学脉冲串，还包括光束组合器，所述光束组合器用于空间组合短光学脉冲串以便沿着所述光束组合器下游的共同光学路径传播；非线性光学元件，所述非线性光学元件用于光谱展宽沿着所述共同光学路径传播的至少一串所述短光学脉冲串；双臂干涉仪，所述双臂干涉仪被设置成具有不同的臂长，以便在进入所述干涉仪之前当脉冲在时间上不时间重叠时检测所述脉冲串之间的干涉。
21.根据权利要求20所述的CDSL，所述臂长差相当于所述振荡器的腔往返时间的约三分之一。
22.根据权利要求1所述的⑶SL，还包括 分束器，所述分束器用于组合所述振荡器的输出；至少一个探测器，所述至少一个探测器用于检测由所述组合后的振荡器输出产生的拍频信号；信号处理器，所述信号处理器接收和处理所述拍频信号，所述拍频信号表示插入任一所述振荡器输出的光学路径的至少一个、位于所述分束器上游的样本的吸收、发射或相位光谱。
23.根据权利要求1所述的⑶SL，还包括 分束器，所述分束器用于组合所述振荡器的输出；至少一个探测器，所述至少一个探测器用于检测由组合后的振荡器输出产生的拍频信号；信号处理器，所述信号处理器接收和处理所述拍频信号，所述拍频信号表示插入所述组合后的振荡器输出的至少一条光学路径、位于所述分束器下游的样本的吸收、相位或发射光谱。
24.根据权利要求22所述的CDSL，所述探测器被设置成记录拍谱达一段时间，所述一段时间超过所述振荡器之间的重复率差的倒数。
25.根据权利要求22所述的⑶SL，还包括第二探测器，用于记录参考光谱。
26.根据权利要求22所述的CDSL，还包括第二探测器，用于记录所述样本的吸收或发射光谱或相位响应，通过记录所述两个探测器之间的检测电流差进一步提高检测灵敏度。
27.根据权利要求沈所述的⑶SL，还包括具有偏振轴的光学放大器，所述放大器设置在所述第一和第二振荡器的下游； 具有偏振轴与所述放大器的轴对应的非线性频率转换部分，所述部分光学连接至所述放大器的输出并且产生放大和频率转换的输出，其中所述振荡器被设置成沿着所述放大器的不同偏振轴和沿着所述非线性频率转换部分的相应偏振轴传播各自的振荡器输出； 偏振分束器，用于沿着所述两个偏振轴分离所述放大和频率转换的输出； 分束器，用于沿着所述两个偏振轴干涉组合所述放大和频率转换的输出，所述用于干涉组合的分束器被设置在所述样本的下游；探测器，沿着所述用于干涉组合的分束器的两个输出检测所述两个振荡器之间的拍频信号；和信号处理器，用于记录所述两个探测器之间的检测电流的差。
28.根据权利要求1所述的CDSL，还包括双平衡检测结构，所述双平衡检测结构用于记录透射和反射的一个或多个中样本的吸收、发射和相位响应的一个或多个。
29.根据权利要求1所述的CDSL，其中通过共同泵浦激光器泵浦两个振荡器。
30.根据权利要求1所述的⑶SL，所述⑶SL被设置成从所述第一振荡器产生强泵浦和弱探测光束，在所述泵浦和探测脉冲之间具有可调时间延迟，所述第二振荡器被设置成产生信号光束， 所述泵浦和探测光束被接入样本，所述第二振荡器用于检测在所述探测光束的传播特性中的变化，所述变化由所述泵浦光束引起。
31.根据权利要求30所述的CDSL，所述传播特性包括相位或吸收变化。
32.根据权利要求30所述的CDSL，所述传播特性包括时间相关相位或吸收变化。
33.根据权利要求30所述的CDSL，所述系统被设置成具有测量或成像系统，所述测量或成像系统被设置成用于所述样本的光学成像或所述样本中的显微镜分析。
34.一种系统，所述系统包括第一和第二被动锁模振荡器，所述振荡器被设置成以稍微不同的重复率工作，使得重复率差δ fr与所述第一和第二振荡器的重复率的值和相比是小的；所述第一振荡器产生在第一光学发射包络内由分隔的多条频率线，而所述第二振荡器产生在第二光学发射包络内由分隔的多条频率线； 所述系统被设置成利用傅里叶变换光谱技术用于发射测量。
35.根据权利要求34所述的系统，所述系统被设置成在反射和透射之一或两者探测自发和受激拉曼发射光谱之一或两者。
36.根据权利要求34所述的系统，所述系统被设置成探测发射电磁辐射的装置的光谱输出。
37.根据权利要求34所述的系统，所述系统被设置成用于自发拉曼显微镜。
38.根据权利要求34所述的系统，所述系统被设置成用于受激拉曼显微镜。
39.根据权利要求34所述的系统，所述系统被设置成用于受激相干反斯托克斯拉曼显微镜。
40.根据权利要求34所述的系统，所述发射被共振增强。
41.根据权利要求37所述的系统，通过表面增强拉曼散射或共振拉曼散射增强所述拉曼发射。
42.一种系统，所述系统包括第一和第二被动锁模振荡器，所述振荡器被设置成以稍微不同的重复率工作，使得重复率差δ fr与所述第一和第二振荡器的重复率的值和相比是小的；所述第一振荡器产生在第一光学发射包络内由分隔的多条频率线，而所述第二振荡器产生在第二光学发射包络内由分隔的多条频率线； 测试样本；所述第二振荡器发射被接入所述测试样本，所述测试样本相干修改由所述第二振荡器产生发自所述测试样本的发射，所述第一振荡器被设置为本地振荡器，对发自所述测试样本的发射进行采样。
43.根据权利要求42所述的系统，还包括 用于所述振荡器输出的光谱展宽和滤波的装置。
44.一种系统，所述系统包括第一和第二被动锁模振荡器，所述振荡器被设置成以稍微不同的重复率工作，使得重复率差δ fr与所述第一和第二振荡器的重复率的值和相比是小的；所述第一振荡器产生在第一光学发射包络内由分隔的多条频率线，而所述第二振荡器产生在第二光学发射包络内由分隔的多条频率线；其中振荡器输出被接入测试样本，所述测试样本相干修改由振荡器输出产生发自所述测试样本的发射，所述系统被设置成用于测试所述修改后的发射的光谱、光谱相位、时间和时间相位特征中的一个或多个。
45.根据权利要求44所述的系统，还包括 用于所述振荡器输出的光谱展宽和滤波的装置。
46.根据权利要求44所述的系统， 所述系统被设置成从所述第一振荡器产生强泵浦和弱探测光束，在所述泵浦和探测脉冲之间具有可调时间延迟，所述第二振荡器被设置成产生信号光束， 所述泵浦和探测光束被接入光学样本，所述第二振荡器产生输出，所述输出表示由所述泵浦光束在所述探测光束的传播特征上引起的变化。
47.一种用于从光学样本获得拉曼光谱的方法，所述方法包括在传播通过所述样本的过程中测量由泵浦脉冲引起的探测脉冲的相位扰动， 所述泵浦和探测脉冲由第一锁模信号激光器产生，所述相位测量结果由通过用作本地振荡器的第二锁模激光器产生的信号得到，所述第一和第二激光器被设置成以稍微不同的重复率工作。
48.一种用于从光学样本获得发射光谱的方法，所述方法包括 在传播通过所述样本的过程中测量由泵浦脉冲引起的样本发射，所述泵浦脉冲通过第一锁模信号激光器产生，所述发射测量结果通过第一和第二干涉信号的倍增得到，通过所述样本发射光学干涉所述泵浦脉冲得到所述第一干涉信号，而通过用作本地振荡激光器的第二锁模激光器产生的信号光学干涉所述样本发射得到所述第二干涉信号，所述第一和第二激光器被设置成以稍微不同的重复率工作。
49.一种系统，所述系统包括第一和第二被动锁模振荡器，所述振荡器被设置成以稍微不同的重复率工作，使得重复率差δ fr与所述第一和第二振荡器的重复率的值和相比是小的；所述第一振荡器产生在第一光学发射包络内由分隔的多条频率线，而所述第二振荡器产生在第二光学发射包络内由分隔的多条频率线； 所述系统被设置成用于二维发射/吸收光谱测量。
50.根据权利要求49所述的系统所述系统还被设置成实施二维傅里叶变换光谱技术，用于提取二维发射/吸收光谱信肩、ο
51.根据权利要求49所述的系统，还被设置成用于多维光谱。
52.根据权利要求1所述的CDSL，所述系统包括数字和/或模拟锁相环。
53.根据权利要求1所述的⑶SL，所述成像设备还包括焦平面阵列探测器。
54.一种用于产生具有时变时延的脉冲对的相干扫描激光系统，所述系统包括 光源，所述光源包括至少一个锁模振荡器，所述光源以时变重复率产生光学脉冲；重复率调制器，所述重复率调制器被设置成以一调制率调制所述重复率，所述光源产生包括所述脉冲对的输出；和光学参考，所述光学参考包括至少一个光学元件，所述光学元件被设置成用于产生参考信号，所述参考信号用于测量至少作为时间函数的所述脉冲对的两个脉冲之间的时间延迟。
55.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，所述源还包括所述锁模振荡器下游的第一光束分离器，所述光束分离器被设置成沿着具有不同传播长度的两条光学路径传播所述锁模振荡器的输出；光束组合器，所述光束组合器被设置成将沿着所述两条光学路径传播的脉冲重新组
56.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，其中所述光束分离器和光束组合器由相同的部件构成。
57.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，其中所述光束分离器和/或光束组合器包括光纤耦合器、体光学分束器或其组合。
58.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，所述源包括以第二重复率工作的第二锁模振荡器，其中通过所述第一源产生自所述脉冲对的第一脉冲，并且其中通过所述第二源产生自所述脉冲对的第二脉冲。
59.根据权利要求58所述的相干扫描激光系统，其中所述第二振荡器的第二重复率是近似恒定的。
60.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，还包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件被设置成用于测量所述脉冲对的两个脉冲之间的载波包络相位的差。
61.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，其中所述重复率调制器调制相应振荡器的腔长度。
62.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，所述调制率大于约10Hz。
63.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，所述重复率调制器包括安装在压电转换器上的腔镜、MEMS、MOEMS镜、声光、机电或腔内电光调制器的一个。
64.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，所述光学参考包括干涉仪，以测量所述锁模振荡器的腔内元件的位置。
65.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，其中所述腔内元件包括所述锁模振荡器的腔镜。
66.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，其中所述光学参考包括至少一个窄带通光谱滤波器以对所述脉冲对进行滤波。
67.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，其中所述光学参考包括至少一个cw参考激光器，所述cw参考激光器被设置成记录所述脉冲对和所述至少一个参考激光器之间的拍频信号。
68.根据权利要求55所述的相干扫描激光系统，还包括稳定器，所述稳定器用于主动稳定所述不同的传播长度。
69.根据权利要求55所述的相干扫描激光系统，还包括参考激光器，所述参考激光器被设置成测量所述不同的传播长度。
70.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，还包括光谱展宽级，所述光谱展宽级在所述源或所述锁模振荡器的下游。
71.根据权利要求55所述的相干扫描激光系统，还包括用于沿所述不同的传播路径均衡色散的元件。
72.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，还包括探测器以便检测所述脉冲对之间的干涉图。
73.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，还包括用于在构成所述脉冲对的脉冲之间以等距光学路径长度差产生采样点的装置。
74.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，所述相干扫描激光系统被设置为用于傅里叶变换光谱的系统的一部分。
75.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，所述调制率大于约1kHz。
76.根据权利要求73所述的相干扫描激光系统，所述用于以等距光学路径长度差产生采样点的装置还包括检测参考干涉图和将所述参考干涉图的零交叉点用于第二干涉图的采样。
77.根据权利要求M所述的CSL，所述相干扫描激光系统被设置为用于二维傅里叶变换光谱的系统的一部分。
78.一种相干双扫描激光系统(⑶SL)，包括第一和第二被动锁模振荡器，所述振荡器被设置成以稍微不同的重复率工作，使得重复率差δ fr与所述第一和第二振荡器的重复率的值和相比是小的， 至少一个增强腔，用于将至少一个振荡器的重复率乘以一整数因子； 用于将所述至少一个振荡器的重复率和相位锁定至至少一个增强腔的装置；和用于在所述一个振荡器的重复率倍增后检测所述两个振荡器之间的干涉图的装置。
79.根据权利要求78所述的⑶SL，还包括光学连接至每个振荡器的非线性频率转换部分，所述部分包括非线性光学元件，所述非线性光学元件产生光谱范围超过所述振荡器的光谱范围的频率转换光谱。
80.根据权利要求M所述的CSL，所述光学参考产生校准信号，并且还包括信号处理器，所述信号处理器接收所述校准信号并校准所述时变脉冲延迟作为时间的函数达所述重复率调制器的多于一个调制周期。
81.根据权利要求M所述的⑶SL，还被设置成用于泵浦探测测量。
82.根据权利要求55所述的相干扫描激光系统，还包括用于沿着所述两条传播路径的至少一部分放大脉冲的元件。
83.根据权利要求55所述的相干扫描激光系统，其中所述光学路径包括体光学部件和一长度的光纤之一或两者。
84.一种用于产生具有时变时延的脉冲对的相干扫描激光系统，所述系统包括 光源，所述光源产生输出，所述输出包括以一重复率的光学脉冲，所述重复率被调制， 所述源包括所述输出上游的至少一个锁模振荡器和第一分束器，所述分束器将所述输出分成具有不同传播长度的两条光学路径，沿着所述两条光学路径传播的所述脉冲在第二分束器处重新组合。
85.根据权利要求84所述的相干扫描激光系统，其中所述第一和第二分束器是相同的。
86.根据权利要求84所述的相干扫描激光系统，被设置成用于傅里叶变换光谱。
87.一种相干双扫描激光系统(⑶SL)，包括第一和第二被动锁模振荡器，所述振荡器被设置成分别工作在稍微不同的重复率和仁2，使得重复率差δ fr = frl-fr2与所述第一和第二振荡器的重复率的值和相比是小的，所述第一振荡器产生在第一光学发射包络内由分隔的多条频率线，而所述第二振荡器产生在第二光学发射包络内由分隔的多条频率线；所述第一和第二锁模振荡器还被设置成分别通过两个载波包络偏移频率f。TOl和f。TO2 工作，所述载波包络偏移频率差为Af。e。= f。TOl-f。e。2，其中Af。e。不必然不等于零；至少一个cw参考激光器以相应的cw参考频率fx工作，所述cw参考激光器与所述第一和第二振荡器中的每一个光学连接，并且具有位于每个振荡器的发射包络内的输出，所述cw参考激光器具有由fbl从所述第一振荡器的频率线分隔开和由fb2从所述第二振荡器的频率线分隔开的频率； 用于产生与Af2 = fbl_f"b2、f"bl、f"b2、$ f"r、frl λ f"r2、Δ fCeo、f ceol、 fCeo2中的任意一个成比例的至少一个RF信号的装置，其中所述RF信号被稳定至外部RF参考信号； 用于检测所述RF信号和所述RF参考信号之间的残余相位差的装置； 包括信号处理器用于应用所述检测到的相位差以获得对Af2、fbl、fb2、δ fr> frl> fr2> Δ fceo, fceol, fceo2中的任意一个的值进行校正的装置。
88.根据权利要求87所述的相干双扫描激光系统(CDSL)，其中通过锁相环或锁频方案将所述RF信号稳定至所述外部RF参考。
89.一种相干双扫描激光系统(⑶SL)，包括第一和第二被动锁模振荡器，所述振荡器被设置成以稍微不同的重复率工作，使得重复率差S fr与所述第一和第二振荡器的重复率的值和相比是小的，所述第一振荡器产生在第一光学发射包络内由分隔的多条频率线，而所述第二振荡器产生在第二光学发射包络内由分隔的多条频率线；用于检测拍频Af2和Af1的装置，所述拍频对应于在光学发射包络内两个不同位置处的来自两个振荡器的两个相邻梳形线之间的差；所述用于检测所述拍频的装置采用光学组合所述两个锁模振荡器的输出并且使组合后的输出通过两个单独的窄带通光学滤波器；其中通过锁相环将所述拍频锁定至外部RF参考信号。
90.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，所述相干扫描激光系统被设置为用于傅里叶变换光谱的系统的一部分，其中光谱分辨率< lcnT1。
91.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，所述相干扫描激光系统被设置为用于傅里叶变换光谱的系统的一部分，其中光谱分辨率< 0. lcnT1。
92.根据权利要求2所述的CDSL，所述非线性频率转换部分包括光学参量振荡器。
93.根据权利要求92所述的相干扫描激光系统，所述光学参量振荡器还包括用于痕量气体检测的气室。
94.根据权利要求70所述的相干扫描激光系统，所述光谱展宽级包括光学参量振荡器。
95.根据权利要求94所述的相干扫描激光系统，所述光学参量振荡器还包括用于痕量气体检测的气室。
96.根据权利要求M所述的相干扫描激光系统，还包括双平衡检测结构以限制所述干涉图中的幅度噪声。
97.根据权利要求72所述的相干扫描激光系统，还包括双平衡检测结构以限制所述干涉图中的幅度噪声。
全文摘要
本发明涉及用于光学成像的扫描脉冲激光系统。本发明披露了相干双扫描激光系统(CDSL)及其一些应用。示出了用于实施的不同可替换例。在至少一个实施例中，相干双扫描激光系统(CDSL)包括两个被动锁模光纤振荡器。在一些实施例中，有效CDSL仅由一个激光器构成。至少一个实施例包括用于产生具有时变时延的脉冲对的相干扫描激光系统(CSL)。CDSL、有效CDSL或CSL可被设置在成像系统中，用于光学成像、显微镜学、显微光谱学和/或THz成像中的一种或多种。
文档编号H01S3/00GK102576971SQ201080042530
公开日2012年7月11日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年10月2日
发明者A·鲁伊尔, I·哈特尔, M·E·费尔曼 申请人:Imra美国公司