專利名稱：基于雙脈沖激光器系統(tǒng)的光學掃描和成像系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于光學成像的掃描脈沖激光器系統(tǒng)。
背景技術：
包括工作在兩個稍微不同的重復頻率和f2使得δ = I (frf2) I << 和δ =I (frf2) I <<f2的兩個鎖模激光器的雙脈沖激光器系統(tǒng)對于快速查詢很大不同的電子和光電裝置(例如光電導開關和集成電路)的光學響應函數(shù)是有用的工具。此外，雙脈沖激光器系統(tǒng)的使用還被建議用于THz成像，如在Sucha等人的美國專利5，778，016和 U. S. 6，396,856 中所披露。通過實施雙電子電路系統(tǒng)可代替使用雙鎖模激光器用于探查光學響應函數(shù)，如 van der Weide在U. S. 5，748，309中所建議的。所述方法對于查詢THz光譜范圍中信號傳輸?shù)墓庾V相關性(不獨立)是有一些益處的。披露了也工作在兩個稍微不同的重復頻率和f2的兩個脈沖信號源，產生由包括兩個重復頻率的純諧波的頻率線構成的在THz光譜范圍的發(fā)射。在δ，2δ，...ηδ探測的差拍信號隨后被用于推斷在重復頻率Adf1, ...Iif1 的諧波的信號傳輸。注意在本方案中，使用低至S的差頻的差拍信號，這并非是理想的，因為S通常具有噪聲可使信號走樣的小值。Keilmann 等人后來 在"Time domain mid-infrared frequency-comb spectrometer”，Opt. Lett.，vol. 29, pp. 1542-1544(2004)中再次披露了鎖模激光器的使用，他們建議將雙掃描激光器系統(tǒng)用于傅里葉變換光譜(FTS)并且分析在紅外光譜范圍中材料的光譜傳輸。為了改進雙激光器掃描FTS的掃描率，Keilmarm等人在國際專利申請公開號 W02007/045461中還建議了利用與’016專利中所述類似的技術抖顫(調諧)一激光器相對
于另一激光器的重復頻率。Haensch等人在美國專利7，203，402中也建議了將激光器用于光譜學，其中基于鎖模激光器的單頻梳激光器被用于光學元件的某些特性的測量。這里，測量在梳激光器的各個頻率線同時或依次進行。近來頻梳激光器還與傳統(tǒng)的傅里葉變換光譜儀結合以獲得改進的信號/噪聲比用于光譜SJfi (J. Mandon 等人，‘Fourier transform spectroscopy with a laser frequency comb' ， in Nature Photonics，2009)?，F(xiàn)有的雙掃描激光器系統(tǒng)當應用于光譜學時具有多個限制。所用激光源的低重復頻率導致過長的數(shù)據采集時間，并且用于在近頂至中紅外(mid-IR)光譜范圍的信號生成的技術相對繁瑣。通過龐大的固態(tài)激光器實施的系統(tǒng)不能很好的適用于設備應用并需要較大的部件數(shù)量。其它的系統(tǒng)(P. Giaccari等人，’ Active Fourier-transform spectroscopy combining the direct RF beating of two fiber-based mode-locked lasers with a novel referencing method' ,Opt. Express. , vol. 16,pp. 4347(2008))禾口 (I. Coddington 等人，"Coherent Multiheterodyne Spectroscopy Using StabilizedOptical Frequency Combs, “ Phys. Rev. Lett. 100，13902 Q008))僅提供了非常有限的光
譜覆蓋范圍。

發(fā)明內容
在下文中采用鎖模激光器的離散頻譜(即梳狀光譜)但不需要或不依賴于激光振蕩器內部的精確梳控制的雙掃描激光器系統(tǒng)被稱為相干雙掃描激光器(CDSL)。在這里，我們披露了一種新的⑶SL，應用于光譜學、微光譜學、顯微鏡學、傅里葉變換光譜學(FTQ、光學和THz成像，和/或類似的應用。所述CDSL基于鎖模光纖激光器，所述激光器設計用于在高重復頻率工作，允許大掃描速度。通過使用低噪聲、相位受控的光纖激光器能夠實現(xiàn)有效的光譜測量，設計以通過實施非線性光譜增寬光學元件提供寬光譜覆蓋范圍。披露了不同的緊湊化設計。在不同的實施例中，通過同時使用非線性光譜增寬元件和利用激光器之間的適當時間延遲還實現(xiàn)了部件數(shù)量的減少。我們還披露了利用高度非線性波導連同相干超連續(xù)譜生成用于產生從可見到中紅外光譜區(qū)域的光輸出。差頻產生(Dre)生成了中紅外光譜區(qū)域中的輸出并且簡化了 FTS 的實現(xiàn)。Dre消除了激光腔外部的載波包絡偏移頻率的變化并因此產生包括激光重復頻率的真諧波的輸出光譜。與光電導天線配合可獲得THz光譜區(qū)域中的光譜發(fā)射。為了有效利用差頻產生，鎖模激光器可被設置成各自具有兩個輸出。還可以使用放大器以放大這些輸出。隨后可進行超連續(xù)譜產生用于這些光纖激光器輸出的光譜增寬。 差頻產生可以在超連續(xù)譜的光譜部件之間或在超連續(xù)譜的光譜部件和另一光纖激光器輸出之間進行。通過為每一激光器使用單獨的非線性頻率展寬元件可消除由重疊脈沖引起的非線性頻率展寬元件中的非線性信號干擾?？商鎿Q的，可以在CDSL的輸出處插入光延遲線， 以產生僅來自不在任何非線性光學元件中重疊的脈沖的干擾信號。還可使用電子門選通 (電子開關)用于使信號調節(jié)最佳化。在至少一個實施例中，可通過控制不同的內腔光學元件例如內腔損耗、可飽和吸收器溫度、光纖溫度和光纖光柵溫度來調節(jié)相干雙掃描飛秒鎖模光纖激光器中的載波包絡偏移頻率。在一些實施例中，通過實施Dre可避免載波包絡偏移頻率控制。在至少一個實施例中，通過相位鎖定兩個激光器至外腔還可控制相干雙掃描飛秒鎖模光纖激光器中的載波包絡偏移頻率和重復頻率。在至少一個實施例中，通過相位鎖定兩個激光器至兩個外部單頻激光器還可控制相干雙掃描飛秒鎖模光纖激光器中的載波包絡偏移頻率和重復頻率。在另一個實施例中，通過相位鎖定兩個激光器至一個外部單頻激光器還可控制相干雙掃描飛秒鎖模光纖激光器中的載波包絡偏移頻率和重復頻率的差。為了提高光譜分辨率，相干雙掃描飛秒鎖模光纖激光器還可被構造成使得激光器中的一個激光器的重復頻率是另一激光器的重復頻率的近似諧波。通過適當調節(jié)內腔激光色散和注入超連續(xù)譜光纖的脈沖寬度可以使載波包絡偏移頻率的噪聲最小化。通過外部光學裝置可監(jiān)控和校正⑶SL中兩個激光器之間的載波包絡偏移頻率的任何漂移。此外，可以使用f_2f干涉儀用于載波包絡偏移頻率監(jiān)控。


圖1是示出⑶SL的示例的示圖。圖2是光集成色散補償器和非線性頻率轉換部分用于超連續(xù)譜產生的示意圖。圖3是⑶SL用于光學成像應用的示意圖。圖4是設計具有減少數(shù)量的部件的CDSL的示意圖。圖5是基于載波包絡偏移頻率監(jiān)控的另一⑶SL的示意圖。圖6a是鎖模光纖振蕩器的內腔組件的示意圖，用于電阻加熱內腔光纖布拉格 (Bragg)光柵以便載波包絡偏移頻率控制。圖6b是鎖模光纖振蕩器的內腔組件的示意圖，用于調節(jié)施加至內腔光纖布拉格 (Bragg)光柵的壓力以便載波包絡偏移頻率控制。圖6c是組件的示意圖，所述組件包括內腔調制器用于調節(jié)鎖模激光器的內腔損耗以便載波包絡偏移頻率控制。圖6d是鎖模光纖振蕩器的內腔組件的示意圖，用于調節(jié)作用在內腔可飽和吸收器上的殘余泵浦功率以便載波包絡偏移頻率控制。圖7是在非線性f_2f干涉儀后測得的工作在重復頻率為IGHz的載波包絡偏移頻率鎖定的％光纖激光器的RF光譜的曲線圖。圖8是工作在重復頻率為IGHz的基于％光纖激光器的相干超連續(xù)譜源的光譜輸出的曲線圖。圖9是被鎖定至兩個外腔用于重復頻率和載波相位控制的雙掃描激光器系統(tǒng)的示意圖。圖10是被鎖定至兩個窄線寬激光器用于重復頻率和載波相位控制的雙掃描激光器系統(tǒng)的示意圖。圖11是使用一個外部窄線寬激光器用于重復頻率和載波相位控制的超緊湊雙掃描激光器系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式本說明書首先討論鎖模激光器和頻梳產生尤其涉及CDSL及其應用的一些方面。 包括了用于頂光譜學和THz成像的所述激光器的應用的示例。具有包括一組等距光頻率線的固定光學頻譜的鎖模激光器通常也被稱為頻梳激光器。頻梳激光器的光學頻譜可通過S (f) =f。e。+mfrep表述，其中m是整數(shù)，f·是載波包絡偏移頻率，而是激光器的重復頻率。各頻率線的幅度實際上采樣了在光學頻率空間中離散點f。e。+mfrep的光學包絡譜。頻梳激光器在Holzwarth等人的U. S. 6，785，303中有披露，其中控制鎖模激光器的泵浦功率連同電子反饋回路被用于穩(wěn)定f·并從而穩(wěn)定包括光學頻譜的所有各頻率線的位置。在標準的鎖模激光器中，f·是不受控制的并因此只有所有各頻率線的間隔(分隔) 是穩(wěn)定的，除了由于腔長度波動導致的慢漂移f；外。如上文所述，光譜分隔對應于鎖模振蕩器的重復頻率fra，一般是在MHz范圍的頻率，并且在本文所述的不同實施例中更優(yōu)選為約
7IGHz或者甚至更高。頻譜內的線的確切位置隨機變化。不過，頻梳激光器和鎖模激光器的光譜可具有相同的包絡函數(shù)。此外，即使不受控制，鎖模激光器的光譜包括多個離散頻率線。當分別在稍微不同的重復頻率frep和frep+ δ使兩個頻梳激光器工作時，并且當在探測器上重疊兩個激光器的輸出時，在RF域中可觀察到不同的拍頻。當進一步確保對于兩個激光器m級的頻齒是最接近時，RF光譜包括諧頻m δ + Δ fceo, (m+1) δ + Δ fceo, (m+2) δ + Δ fceo....，其中得自幅度的幾何平均值的幅度在光學頻率mf+f—和m(f+ δ ) +f。e。2，其中Af。e。= f。TOl_f。e。2。參數(shù)f^/δ是將RF頻率按比例到光頻的比例因數(shù)。例如，對于δ =IOHz并且= 1GHz，我們得到的比例因數(shù)為IO8 ；RF域中測得的強度在IMHz相當于光頻為1014Hz?？梢赃x擇Afee。以進一步降低RF頻率，其中需要進行測量以便獲得光頻的幅度。要進行測量的RF頻率可通過確保對于兩個激光器m和η級的頻齒分別是最接近的來改變。在這種情況，通過(m-n) fr+m δ + Δ fceo ； (m-n) fr+ (m+1) δ + Δ fceo ； (m-n) fr+ (m+2) δ+Afceo....給出拍頻。通過實施校正技術監(jiān)控光譜包絡內頻率線的漂移可緩和對用于光譜測量的具有固定光學頻譜的(頻)梳激光器的需求，如近來P.Giaccari等人的'Active Fourier-transform spectroscopy combining the direct RF beating of two fiber-based mode-locked lasers with a novel referencing method' ,Opt. Express.， vol. 16，pp. 4347(2008)所討論的。可替換的，通過在鎖模振蕩器之后添加非線性頻率轉換部分可消除各頻率線的漂移。例如，當在鎖模激光光譜的紅色和藍色部分之間進行差頻產生時，已知各頻率線獨立于 fceo的值在激光重復頻率的真諧波處精確地出現(xiàn)。如前文所討論的，我們將利用鎖模激光器的離散頻譜但不依賴于激光振蕩器內的精確相位或f·控制的雙掃描激光器系統(tǒng)一般稱為 CDSL。對于鎖模激光器的任何設備應用，鎖模光纖激光器具有超過鎖模體塊固態(tài)激光器和鎖模二極管激光器的幾個優(yōu)勢。鎖模光纖激光器通常提供與鎖模二極管激光器相比更優(yōu)越的噪聲特性并且可被包裝在比鎖模體塊固態(tài)激光器更小的空間中?？梢灾圃炀哂袠O好的熱和機械穩(wěn)定性的鎖模光纖激光器。尤其是被動鎖模光纖激光器可被構造成具有很少并且價格低廉的光學部件，適于大量生產，如在!^rmarm等人的美國專利7，190，705和 Hartl等人的11/546，998中所披露的。美國專利7，190，705在此以其全文形式被結合入本文作為引用。此外，使用雙脈沖激光器系統(tǒng)也已經在Sucha等人的美國專利5，778，016和 U. S. 6，396，856所披露的THz成像中有建議。，016和，856專利還披露了用于控制鎖模激光器的相對和絕對時間漂移的各種技術和結構。美國專利5，778，016和6，396，856在此以其全文形式被結合入本文作為引用。如在’ 705中所披露的色散補償光纖激光器提供了低噪聲頻梳源的構造。還披露了在超過IGHz的重復頻率下工作的光纖激光器的設計。光纖激光器的低噪聲工作使它們的定時(時間)抖動最小化，允許脈沖定時的最佳化控制?！?05專利披露了第一低噪聲基于光纖的頻梳源。通過在某一明確范圍中控制光纖腔色散獲得低噪聲工作。一般需要光纖頻梳源的低噪聲工作以便將激光器的載波包絡偏移頻率f。e。的噪聲減小到可忽略水平，并且還便于測量和控制f。e。。
下文披露了基于光纖的⑶SL系統(tǒng)的一些示例。描述了提供高重復頻率、低噪聲、 和高集成度的實施例。非線性光譜產生和相控的不同實施例導致在近頂范圍的穩(wěn)定輸出信號，從而提供對于頂光譜學和THz成像應用的益處。圖1示意性地示出了根據一個實施例的相干雙掃描激光器系統(tǒng)100 (⑶SL)。在本示例中，利用具有稍微不同的重復頻率的兩個鎖模振蕩器IlOaUlOb提供輸入脈沖串。來自每個振蕩器的脈沖串被放大并分成第一和第二光學路徑。每一路徑中的脈沖用色散補償器進行調節(jié)。中間的非線性頻率轉換部分沿第一路徑產生超連續(xù)譜，隨后利用用于Dre的非線性頻率轉換器將其與第二路徑中的脈沖串進行組合。對應于每個振蕩器IlOaUlOb的 DFG輸出隨后被組合以產生⑶SL輸出。參見圖1，系統(tǒng)包括兩個振蕩器110-a，110_b (振蕩器1和振蕩器2)，優(yōu)選產生可被壓縮至飛秒(fs)時間尺度的脈沖。優(yōu)選使用工作在約250MHz或更高的重復頻率的Er、％或Tm振蕩器實現(xiàn)振蕩器110a、110b。所述振蕩器例如披露于i^ermarm等人的美國專禾IJ 7, 190，705和Hartl等人的11/546, 998，以及Dong等人、發(fā)明名稱為“Highly Rare-Earth-Doped Optical Fibers for Fiber Lasers and Amplifiers，，的美國臨時專利申請US 61/120，022，上述專利文獻在此被結合入本文作為引用?！?022申請中所披露的各種示例包括高度稀土摻雜的增益光纖，所述光纖具有可高達約5000dB/m的泵浦吸收， 和在.5-5dB/cm范圍內的每單位長度的增益。不同的摻雜濃度減小了 ％團簇，從而提供高泵浦吸收、大增益、具有低光暗化。所述稀土摻雜的光纖用于構建短腔長度光纖激光器， 和產生超過IGHz的重復頻率的高能量超短脈沖。所述結構提供CDSL的高信號對噪聲工作。舉例來說，與傳統(tǒng)的石英光纖相比具有高泵浦吸收的其它光纖結構例如在976nm的吸收為 300_1500dB/m 也披露于發(fā)明名稱為 “Rare earth doped and large effective area optical fibers for fiber lasers and amplifiers”的美國申請No. 11/693，633 中，現(xiàn)公開為美國專利申請公開號2008/0069508。美國申請kr. No. 11/693，633在此以其全文形式被結合入本文作為引用。振蕩器的輸出優(yōu)選通過光隔離器(未示出)以將它們的靈敏度減小至背反射。利用插入兩個振蕩器的輸出的兩個抽頭耦合器(tab-coupler)可監(jiān)控兩個振蕩器的重復頻率，將振蕩器的輸出的一小部分引導至兩個探測器上(未示出)，所述探測器提供信號表示至控制器101的重復頻率。振蕩器可被構造成分別在f和f+δ的重復頻率工作，其中δ <<f?？商鎿Q的， 第二振蕩器的重復頻率可被選擇為nf+δ，其中n是整數(shù)。對于大大相異的重復頻率的情況，通過包括鎖相回路和引入振蕩器中的一個的內腔轉換器的重復頻率控制元件101可隨后控制它們的重復頻率δ或(n-Df+δ之間的差。所述內腔轉換器可以是安裝在壓電元件或光纖加熱元件上的鏡，例如披露于!^ermarm等人的美國專利7，190，705和Hartl等人的美國專利申請11/546，998。振蕩器可發(fā)出幾乎無啁啾脈沖或輕微啁啾脈沖。優(yōu)選從振蕩器110-a，110-b發(fā)出的任何啁啾脈沖都具有幾乎相同的啁啾。優(yōu)選兩個振蕩器的功率例如通過可變的衰減器可在某一范圍上進行調節(jié)。振蕩器的輸出被耦合至兩個光纖放大器120-a，120_b。所述光纖放大器優(yōu)選是包層泵浦的。所述包層泵浦的放大器在!^rmarm等人的美國專利7，190，705中有討論。 此外，可以實施通過光學星形耦合器的包層泵浦，如Dong等人在發(fā)明名稱為"HighlyRare-Earth-Doped Optical Fibers for Fiber Lasers and Amplifiers “ 的申請 no. 61/120，022中所披露，并且在此不作進一步討論。優(yōu)選在兩個振蕩器-放大器傳播路徑中的色散是匹配的。在圖1的示例中，自每個光纖放大器輸出的光學信號脈沖被分成兩個臂光學連接至放大器120a和振蕩器IlOa的臂125a_l，125a_2，和光學連接至放大器120b和振蕩器 1 IOb的臂12釙-1，125b-2。優(yōu)選光纖耦合器，并且可以實施在5/95和50/50之間的分束比。 每個臂能夠以如圖所示的全光纖結構實施。在一些實施例中，至少一部分的臂可被構造成具有體塊部件。例如通過一系列色散補償元件形成色散補償器，在每個臂的光學路徑中進行色散補償以便補償色散。至少一部分所述臂可由相同部件構成，包括不同的色散補償元件。色散補償元件可包括用于脈沖壓縮的光學元件以提供高質量的飛秒脈沖，并且可提供完全色散補償或在它們的輸出處產生稍負或正的啁啾脈沖。當使用完全色散補償時，輸出脈沖是近變換極限的。色散補償器可包括若干個不同的光纖元件，并且可被實施成具有集成“全光纖”設計，如下文結合圖2將進一步討論的。例如，第一光纖元件可包括設計以光譜增寬放大器的輸出的正色散光纖，和用于色散補償和用于將光譜增寬的輸出壓縮至接近帶寬極限的至少第二光纖元件。優(yōu)選地，脈沖壓縮光纖元件包括色散補償光纖或光子晶體光纖具有中央氣孔以便使色散補償級的非線性最小化?？梢詫嵤┰谝粋€或多個負色散光纖元件中經由較高階孤子壓縮的脈沖壓縮。此外，可以使用體塊光色散補償元件，例如光柵、棱鏡或棱柵對。優(yōu)選的，脈沖被壓縮至脈沖寬度小于約500fs，更優(yōu)選壓縮至脈沖寬度為約小于300fs，并且最優(yōu)選壓縮至脈沖寬度小于約lOOfs。在臂125a_2，125b-2中傳播的光脈沖還在具有頻率轉換元件130a，130b的非線性頻率轉換部分中被頻率轉換。頻率轉換元件130a，130b可包括用于超連續(xù)譜產生的光學元件以提供脈沖，所述脈沖具有的光譜帶寬為光學倍頻程的至少一顯著小部分，并且明顯寬于振蕩器110a，IlOb的輸出光譜。頻率轉換元件130a，130b產生寬帶光譜，例如延伸入近中紅外區(qū)域的光譜，例如從近頂延伸至至少約3-5 μ m或可達到約10-20 μ m的范圍的光譜。在不同的實施例中，頻率轉換部分優(yōu)選包括高度非線性光纖，周期性極化 LiNb03 (PPLN)波導，硅波導或任何其它適合的非線性波導。元件還可以是光學圖案化的或周期性或非周期性極化的或沿其長度具有二階非線性的周期性變化。每個臂中的頻率轉換部分130a，130b產生光學超連續(xù)譜，在使用高度非線性氟化物或硫族化物波導時可延伸入中紅外。非線性波導中的超連續(xù)譜產生披露于Hartl等人的美國專利申請11/546,998 中，并且在此處不再進一步討論。如在超連續(xù)譜生成中已知的，保留了自振蕩器的基頻梳結構。生成的其它光譜輸出包括通過激光的重復頻率在頻率上間隔的各個頻齒。不過，短于 300fs并更優(yōu)選短于IOOfs的脈沖注入減小了超連續(xù)譜光譜的各頻齒之間的非相干背景。 非相干背景是不希望的，因為它減小了 CDSL中的信號對比度。非相干背景噪聲對(頻) 才荒對比度的景i口向披露于 N. Newbury 禾口 W. Swann 的"Low-noise fiber-laser frequency combs，" Journal of the Optical Society of America B 24，1756-1770 (2007)，該文獻在此被結合入本文作為引用。通過將來自路徑125a-l，12^_l的色散補償輸出信號脈沖與相對應的色散補償和頻率轉換輸出(包括在臂12fe-2，125b_2的部分產生的超連續(xù)譜)相混合在非線性頻率轉換部分140a，140b中進行差頻產生(Dre)。輸出在頻率轉換器140a，140b中被混合。頻率轉換器140a，140b優(yōu)選被設置成具有非線性晶體，例如LiNb03，GaAs，fe^e，GaP或任何其它適合的非線性晶體。這些非線性晶體也可以是周期性極化的，光學圖案化的，或沿其長度具有它們的二階非線性的周期性變化。還可實施非線性波導。頻率濾波器和偏振(極化) 控制器也可被包括在DR；元件140a，140b的上游并且沒有單獨示出。DTO元件的輸出經由分束器150組合并且被導向輸出160。在不同的實施例中，從放大器輸出的光信號脈沖在注入色散補償和頻率轉換級之前還被引導通過光隔離器。還引入了兩個振蕩器之間的適當時間延遲以確保Dre元件和分束器150中的脈沖重疊。所述時間延遲可通過控制光纖長度和自由空間傳播路徑的公知方法被引入并且在此不再單獨示出。每個臂的色散補償器和非線性頻率部分的全光纖結構提供了一些益處。使用高度非線性光纖用于頻率轉換部分130a，130b的一個益處是放大器級120a、120b，色散補償元件和頻率轉換部分130a、130b可以如圖2示意性所示均被接合在一起。圖2示出了不同的元件，所述元件可被用于每個臂中，尤其在進行色散補償和超連續(xù)譜產生的125a-2，125b-2 中。還可以使用保偏光纖部件，或可替換的可使用偏振控制器(未示出)，以使偏振態(tài)最佳化以便超連續(xù)譜產生。光纖尾纖隔離器(未示出)優(yōu)選將放大器的輸出從不想要的背反射隔1 °在圖2所示的示例中，色散補償光纖215在每一端上被接合到一長度的傳遞光纖220上，轉換所述光纖的基模以匹配相鄰光纖的模態(tài)，例如提供輸入的任何放大器120a， 120b，或圖2中所示提供輸出的高度非線性光纖230。被設置成具有圖2所示結構的高度非線性光纖還可被用于頻率轉換部分，例如部分130a，130b。傳遞光纖220可包括多于一個的光纖并且還可包括光纖錐。從傳遞光纖220發(fā)出的放大器的輸出脈沖隨后在一長度的色散補償光纖215中被壓縮?？梢允褂靡婚L度的光子晶體光纖，但是也可以使用具有合適的非線性和線性特性的任何其它類型的光纖用于脈沖壓縮?？梢允褂镁€性和非線性放大器，例如在!^rmarm等人的美國專利6，885，683中所披露的相似子(similariton)放大器。當使用非線性放大器時， 優(yōu)選可調節(jié)振蕩器功率水平。例如，相似子放大器產生正啁啾脈沖，所述脈沖可在一長度的光子晶體光纖中被壓縮成接近帶寬極限，如在!^rmarm等人的美國專利7，414，780中所討論的。高度非線性光纖230隨后被用于超連續(xù)譜產生?；谑⒌母叨确蔷€性光纖在 Dong 等人的發(fā)明名稱為 “Ultra High Numerical Aperture Optical Fibers” 的美國專利 7, 496, 260中有討論，該文獻在此以其全文形式被結合入本文作為引用。在不同的實施例中，可以使用具有改進的頂透光性的非石英光纖。例如，可使用非線性氟化物、鉍、碲化物或硫族化物光纖。所述頂傳輸光纖可傳輸可達到約20 μ m的波長并且是市場上可購買的。 由于中紅外傳輸光纖的熔化溫度通常比石英光纖的熔化溫度要小的多，還可使用光學透鏡裝置以便將來自色散補償光纖的光耦合至高度非線性光纖以避免具有較大的不同熔化溫度的光纖的復雜接合。圖3中示出了包括⑶SL的光學成像系統(tǒng)。這里，分束器插入在⑶SL的輸出之后
11并且沿兩個光學路徑分離輸出。分束器引導一小部分輸出沿第一路徑到探測器D2上，探測器D2被用于測量參照光譜，將CDSL的輸出表示為波長的函數(shù)。處于測試的樣本被插入在第二路徑中。通過用由探測器D2測得的光譜除以由探測器Dl測得的光譜，可得到測試樣本的準確吸收光譜。所述兩個探測器的方案在標準傅里葉變換光譜中是公知的，以便消除在吸收測量中光源的光譜變化和時間漂移。為了獲得樣本吸收的空間分布并且進行成像， 光學掃描器310例如市場上可購買的檢流計反射鏡系統(tǒng)也被插入在CDSL的輸出的第二光束路徑中。在一些實施例中，處于測試的樣本可被安裝在可移動臺上。在不同的實施例中， 可以利用光束運動和樣本移動的組合。CDSL的輸出隨后通過顯微鏡物鏡325或其它合適的光束傳送光學裝置被聚焦到處于測試的樣本上。通過探測器Dl探測透射光。在不同的實施例中，通過探測器D2獲得一個參照光譜。可替換的，可省略探測器D2并且通過將樣本從光束路徑2取出可獲得參照光譜。在一些實施例中，可以探測反射光，或透射光和反射光的組合。為了提高頂中信號對噪聲的比率，還可以進行探測器的冷卻。例如，可以使用市場上可購買的液氮冷卻的HgCdTe (MCT)探測器，其中探測帶寬可達到100MHz。此外，可以在光束路徑中的任何地方插入濾波器輪(未示出)，以選擇某些光頻范圍。通過監(jiān)控每個像點的 RF光譜并且通過適當?shù)貙⑺鯮F光譜關聯(lián)至光透射或反射光譜即可獲得圖像。探測器Dl監(jiān)控RF域中的拍頻。由于在⑶SL中通過比例因數(shù)frep/ δ將光頻按比例(轉換)成RF頻率，我們可以將CDSL的函數(shù)解釋為表示RF域中的頻率格柵用于將RF 按比例(轉換)成光頻；每個光頻被唯一地映射到RF頻率上，具有1 1的對應。圖1所示的差頻產生取消了激光器外部的載波包絡偏移頻率。因為在Dre級后兩個激光器的載波包絡偏移頻率是零，所以光學f。pt和RF差頻f;f之間的關系由下式給出
f0pt = frfXW5⑴其中，包含關于在光頻的信號傳輸?shù)男畔⒌淖钚F頻率RFmin由πιδ給出。注意由于m是大數(shù)(IO4階或更高)，RFmin可以具有MHz級。圖4中示出了⑶SL的另一實施例。這里，通過利用兩個振蕩器工作在稍微不同的重復頻率來減少部件數(shù)量。振蕩器輸出被組合，并且耦合入共同的傳播路徑。在共同的傳播路徑中的部件可以與結合圖1所述的部件相似或相同。在本示例中，使用了一個放大器 420，一個中間超連續(xù)譜產生部分430和一個Dre部分440。放大器420的輸出以類似于圖 1所示的方式被分成臂42 ，425b。由將臂42 的色散補償輸出與臂42 中設置的超連續(xù)譜產生器的輸出混合而得到Dre。非線性晶體440提供Dre，如結合圖1所討論的。通過探測器Dl和D2探測系統(tǒng)的輸出，其中D2用于獲得參照光譜而Dl用于測量測試樣本的吸收。如圖3中的示例還可以結合入用于掃描的其它光學部件。為了避免由于在兩個振蕩器的輸出脈沖在Dre部分在時間上重疊的時侯的非線性相互作用導致的信號劣化，在這些時候可將探測器電子開關成非響應的。為了獲得在兩個振蕩器的輸出脈沖在時間上不重疊的時侯的干擾信號，如圖所示可以在探測器Dl和D2 的前面(或在CDSL的輸出處)結合入光延遲線470。在至少一個實施例中，采用了基于馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀的延遲線，盡管也可以使用其它類型的延遲線，例如具有不平衡臂長的邁克生(Michelson)干涉儀。時間延遲線方便地產生兩個激光器的腔往返時間的一部分的時間延遲，其中優(yōu)選該部分是50%。當用光延遲線記錄干涉圖時，由增大的背景信號和增大的散粒噪聲產生小的不利后果，但是該不利后果被系統(tǒng)的減少的部件數(shù)量的益處大大的彌補。通過適當?shù)目刂谱詢蓚€振蕩器的尾纖長度可進一步避免由于在系統(tǒng)的其它部分中潛在的脈沖重疊導致的不想要的非線性脈沖相互作用。圖5中示出了⑶SL的另一個示例。如結合圖1所述，系統(tǒng)還包括重復頻率控制器 101，兩個振蕩器110a，110b(振蕩器說振蕩器2)和放大器120a，120b。所述系統(tǒng)結構與結合圖ι所述的系統(tǒng)非常類似，但除去了 Dre部分。兩個振蕩器的輸出沿著兩個不同的傳播路徑傳播并且被注入兩個單獨的光纖放大器520a，520b。優(yōu)選放大器和振蕩器表現(xiàn)重疊的增益光譜。優(yōu)選兩個振蕩器均發(fā)出無啁啾脈沖或具有幾乎相同啁啾的脈沖。優(yōu)選沿著兩條傳播路徑的色散是匹配的。優(yōu)選例如通過可變衰減器在某一范圍上可調節(jié)兩個振蕩器的功率。在注入在設計上與結合圖1所述的臂125a-2，125b-2相似的兩個色散補償器和頻率轉換部分之前，放大器的輸出被進一步引導通過光隔離器(未示出)。在本示例中，當例如利用高度非線性氟化物或硫族化物波導時，頻率轉換部分產生可貫穿(一個)倍頻程或更多并且可伸入中紅外的兩個優(yōu)選非常寬的超連續(xù)譜光譜。若干個頻率轉換部分以及中間放大器可被連接在一起并且基于PPLN波導或硅波導的頻率轉換級也可被使用。與結合圖1所述的系統(tǒng)相反，兩個產生的超連續(xù)譜的輸出的一部分被轉向兩個相位檢測和控制單元540a，MOb。相位檢測可以例如方便地通過如!^ermarm等人的美國專利 7，190，705和Hartl等人的美國專利申請11作46，998中所討論的f_2f干涉儀進行。所述 f-2f干涉儀因此在此不再進一步討論。f_2f干涉儀產生對應于被反饋至振蕩器用于通過反饋回路進行控制的f·的RF差拍信號。通過反饋回路的頻率鎖定可將兩個振蕩器的 fceo保持在RF濾波器帶寬內。為了反饋回路的最佳精確度，可使用相位鎖定回路，但也可以使用其它的反饋回路。如在美國專利7，190，705中所討論的，鎖模光纖振蕩器內的內腔光纖光柵的溫度可用于載波包絡相位控制?？商鎿Q的，也如’ 705中所討論的，外部壓力可施加于光纖光柵并且壓力變化可用于載波包絡相位控制。在圖6中示出了在光纖振蕩器中用于載波包絡相位控制的多種技術。在圖6a中， 示出了一內腔光纖601，所述光纖包括光纖布拉格光柵，用于腔色散控制。為了控制載波包絡偏移頻率，光纖光柵的外部是金涂層的并且電流穿過所述涂層。光柵的溫度因此可通過金涂層中的電阻加熱進行控制，這轉而導致載波包絡偏移頻率的快速調節(jié)，所述載波包絡偏移頻率隨后可通過反饋回路與f_2f干涉儀配合被穩(wěn)定。 在圖6b中，壓電轉換器(PZT) 602向光纖的一側施加壓力，它也可以被調節(jié)并用于內腔載波包絡偏移頻率控制。PZT的使用允許與電阻加熱器相比更快的反饋控制。如圖6c所示通過內腔聲光調制器(AOM) 603可實現(xiàn)甚至更快的載波包絡偏移頻率控制。通過改變至AOM的驅動電壓，可快速調節(jié)光纖振蕩器內的損耗，轉而導致載波包絡偏移頻率的調節(jié)。在圖6d中，通過調節(jié)作用在內腔可飽和吸收器上的殘余泵浦功率來控制載波包絡偏移頻率。這通過在可飽和吸收器的前面插入偏光器并調節(jié)泵浦光604的偏振來實現(xiàn)。 泵浦光的偏振可通過多種方式進行調節(jié)；通過使泵浦光穿過盤繞到PZT鼓上的一長度的保偏光纖并且用線性偏振的泵浦光相等地激勵保偏光纖的兩個軸，基本無損耗和快速偏振調節(jié)是可能的。還可以實施用于載波包絡偏移頻率控制的其它方式；例如可以調節(jié)內腔可飽和吸收器的溫度。還可以實施各種組合。此外，圖6的反饋系統(tǒng)還可包括多個反饋回路，用于獨立測量和控制載波包絡偏移頻率。在圖7中，示出了在非線性f_2f干涉儀之后測得的工作在1. 04GHz的重復頻率的載波包絡偏移頻率鎖定的％光纖激光器的相應RF光譜。RF光譜示出了對應于激光的重復頻率的在IGHz處的峰和對應于載波包絡偏移頻率的在210和830MHz處的兩個峰。圖8示出了通過工作在IGHz的重復頻率的載波包絡相位鎖定％光纖激光器產生的超連續(xù)譜光譜的示例。這里，超連續(xù)譜在高度非線性光纖中產生。記錄來自圖5所示的光纖系統(tǒng)的一個傳播路徑的超連續(xù)譜光譜。除了通過f-2f干涉儀控制f·外，還可通過將鎖模激光器的頻梳參照到無源腔的法布里-珀羅(Fabry-Perot)共振來控制f。e。。這種技術具有一些益處不需要跨越倍頻程的連續(xù)譜產生并且可由振蕩器功率的一部分提供的相對較小的功率水平就足夠了。這種方法披露于R.Jason Jones禾口Jean-Claude Diels“ Stabilization of Femtosecond Lasers for Optical Frequency Metrology and Direct Optical to RadioSynthesis " PRL 86, p. 3288 (2001)禾口 R. Jason Jones 等人〃 Precision stabilization of femtosecond lasers to high-finesse optical cavities" . Phys. Rev. A 69，051803 U004)，上述文獻在此以其全文形式被結合入本文作為引用。圖9示出了使用外腔的一個實施例。振蕩器110a，IlOb的輸出被組合并耦合入單個傳播路徑，并且通過光纖放大器920進行放大，如上文所討論的。每個振蕩器輸出的一部分還被引導至參照腔940a，940b，并且被穩(wěn)定在對(一個)參照腔的兩個單獨的光譜區(qū)域。 在本示例中，示出了具有稍微不同的往返時間的兩個參照腔940a，940b。對于處于共模的所有熱和機械誘導的波動，優(yōu)選兩個腔處于緊密的熱和機械接觸。用一個外腔的結構也是可行的。當僅使用一個腔時，結合入所述腔的雙折射元件沿著兩個偏振軸提供兩個不同的往返時間，其中那兩個軸轉而被鎖定至每個激光器。所述實施例沒有被單獨示出。光柵950a，950b將振蕩器輸出的兩個光譜區(qū)域引導至兩個不同的探測器，所述探測器隨后用于將兩個不同的振蕩器梳齒鎖定至外腔的兩個不同的共振，所述外腔可被設置成無源腔或具有反饋控制。通過使用一個或兩個外腔，所有四個自由度，即兩個激光器的fre。，以及仁巾和δ被參照至腔模。在優(yōu)選實施例中，龐德-德雷弗-霍爾方案(Pound Drever Hall scheme)被用于將振蕩器鎖定至參照腔。Pound Drever Hall方案要求在將信號傳送至外腔的光纖尾纖中使用額外的相位調制器(未示出)。取代單獨的相位調制器， 通過例如調制一個腔端鏡也可在內腔進行相位調制。在本領域公知Pound Drever Hall方案用于將鎖模光纖激光器鎖定至外腔并且在此不再進一步解釋。作為對將無源腔用作CDSL的重復頻率和載波相位控制的穩(wěn)定參照的替換，可使用cw參照(基準)激光器1080a，1080b，如圖10所示。振蕩器110a，IlOb輸出也被組合并耦合入單個傳播路徑，并且用光纖放大器1020進行放大，如上文所討論的。此外，兩個穩(wěn)定的單頻激光器被用于穩(wěn)定。所述單頻激光器優(yōu)選是基于半導體或光纖激光器的并且是市場上可購買的。兩個單頻激光器的頻率是不同的并且選擇使得它們均與鎖模激光器的光譜重疊，優(yōu)選在光譜的低和高頻部分(重疊)。通過對兩個激光器的f。e。和的反饋控制， 每個鎖模激光器的頻梳現(xiàn)在可在兩個梳齒被相位鎖定至穩(wěn)定的cw激光器，固定每個梳的兩個頻率并從而穩(wěn)定f·和frep。當設置穩(wěn)定使得對于每個鎖模激光器，兩個固定的梳齒之間具有不同數(shù)量的梳齒，它們的重復頻率是不同的，這對CDSL是需要的。這種穩(wěn)定方法的實施例披露于 I. Coddington 等人的"Coherent Multiheterodyne Spectroscopy Using Stabilized Optical Frequency Combs," Phys. Rev. Lett. 100，13902 (2008)，該文獻在此被包括入本文作為引用。圖11中示出了⑶SL的緊湊和高度集成的結構。振蕩器110a，IlOb輸出被組合并被耦合入單個傳播路徑，并且通過光纖放大器120進行放大，如上文所討論的。放大輸出的一部分被采樣并被引導向探測器D1?？商鎿Q的，振蕩器的輸出或振蕩器的放大輸出可被引導向兩個不同的探測器，該實施例未被單獨示出。單頻激光器用于重復頻率和載波相位控制。在本方案中，振蕩器IlOa的頻齒中的一個通過鎖相環(huán)(PLLl)被鎖定至單頻激光器，而振蕩器IlOb的頻齒中的一個通過另一鎖相環(huán)(PLU)被鎖定至單頻激光器。為了確保相位鎖定，可以調節(jié)每個激光器的腔長度。在相位鎖定這兩個頻齒后，兩個振蕩器的頻譜的表達式可寫為
mfrep+fceol = fy+ffal(2)
n(frep+5)+fceo2 = fy+fb2,⑶其中fy是單頻激光器的頻率，而fbl，fb2是兩個振蕩器的頻齒被鎖定至的RF拍頻； δ是激光器的重復頻率之間的差。通過控制例如流向激光器的泵浦電流還可將&61)和δ 鎖定至另外兩個RF參照信號。通過設定例如激光器條件使得= fy+fbl我們可進一步估算η和m，其中利用例如波長計由外部校準獲得fy+fbl?？蛇M行相同的步驟以獲得η。在下文中，為了簡化起見我們假設n = m。取等式( 和(3)的差我們隨后得到
η δ+Afceo= Afb.(4)由于Afb和δ是已知的，并且n，m可利用上文所述的校準步驟得到，從等式⑵ 或(3)，我們可非常精確地估算Afceo0隨后可容易地示出，對于Afceo Φ 0，RF域中的頻率格柵與等式⑴相比是頻移的并且光學f。pt和RF頻率frf之間的關系被修改為
fopt = (frf- Δ f Ce。) frep/ 5 +fceol ^ (^f" Δ U ^rJ 5，⑶這里由于€_<<€_，我們可以簡化等式(5)。在本示例中，Δ 是穩(wěn)定的而非單獨的載波包絡偏移頻率，以便獲得準確的RF頻率格柵用于光頻的測量。為了通過CDSL系統(tǒng)獲得對于頻率測量的最佳長期精確性，兩個振蕩器優(yōu)選非?？拷乇话b，以便使兩個激光器之間的激光參數(shù)的任何熱波動相等。此外，還優(yōu)選包裝單頻參照激光器，具有良好的熱控制。此外，系統(tǒng)可被設置具有放大器和非線性頻率轉換部分用于增大的光譜覆蓋范圍?？梢栽谔綔y器D2，D3的前面插入時間延遲線470以探測脈沖干擾而沒有在非線性級中的時間脈沖重疊。此外，可以使用兩個探測器D2，D3，其中一個探測器用于探測參照光譜而另一個用于確定樣本的吸收特征。圖11的系統(tǒng)對于商業(yè)應用是有益的，因為它可以通過幾個部件和高水平的光學集成工作。上文所述的實施例可以各種方式進行組合以產生可替換的實施例。存在很多可能性，并且可根據具體應用進行各種修改。例如，非線性頻率轉換部分可被設置為具有至少一個非線性光纖放大器以增寬光譜。
再次回到圖5，還可用相位監(jiān)控單元替換相位控制單元。例如，相位監(jiān)控單元可包括光纖抽頭分光器(插入在放大器的前面)，所述分光器使一些振蕩器光轉向，并且從振蕩器光譜選擇兩個窄光譜線以監(jiān)控載波包絡偏移頻率和重復頻率演變。在放大器或第一頻率轉換級后也可以監(jiān)控載波包絡偏移頻率演變，但是振蕩器信號的使用提供最低的噪聲。所述相位監(jiān)控單元在Giaccari等人的文獻中有討論，并且在此不單獨進行描述。作為對所述相位監(jiān)控單元的替換，還可以使用兩個f_2f干涉儀，所述干涉儀監(jiān)控兩個振蕩器的載波包絡偏移頻率。如結合圖3所討論的，CDSL的輸出可被通過光學樣本并且還可被引導向探測器，在所述探測器可以觀察到RF域中的拍頻。由于在⑶SL中通過比例因數(shù)frep/δ將光頻按比例(轉換)成RF頻率，我們可以將掃描雙激光器系統(tǒng)的功能解釋為在RF域中提供頻率格柵用于將RF按比例(轉換)成光頻，即，每個光頻被映射到RF頻率上。當將兩個激光器的載波包絡偏移頻率鎖定至不同的值時，等式( 可用于獲得準確的RF頻率格柵以便測量光頻。對于Af。e。以及δ的較小的連續(xù)變化，可獲得RF頻率格柵以及光學(頻率)和 RF頻率之間關系的更復雜的改變。通過使用相位監(jiān)控單元，可以計算RF頻率格柵的適當校正以便獲得RF到光學頻率(即光頻)的準確轉換。Giaccari (文獻)討論了所述對RF頻率格柵的校正并且在此不再進一步描述。當通過f_2f干涉儀監(jiān)控△ f。e。時也可應用相似的校正。由于f_2f干涉儀允許對于使用RF技術的每個振蕩器的f。e。進行直接讀取，可以容易地計算Afceo并且可利用等式( 計算光頻。結合圖3所討論的成像裝置也可被延伸至THz范圍。如Yasui等人在Appl. Phys. Lett.，vol.88, pp. 211104-1 to 3(2006)中討論的，通過由飛秒激光器激勵的光導發(fā)射器產生THz梳。當通過電光晶體中的光整流產生THz脈沖時也同樣適用。此外，THz頻率范圍內的頻梳包括激光器重復頻率的純諧波。因此通過將CDSL系統(tǒng)的輸出引導到電光晶體或光導發(fā)射器上可產生兩個稍微偏移的THz頻梳。因此可構建類似于圖3和圖5所示實施例的用于產生THz頻梳并在THz光譜范圍內成像的系統(tǒng)，其中省略了頻率轉換部分和相位控制部分，并且用電光晶體替換非線性頻率轉換部分，所述電光晶體例如GaP，GaSe，周期性極化的LiNbO3,光學圖案化的GaAs或光導天線。適當?shù)腡Hz光學裝置隨后可用于將THz輻射成像到樣本上，所述樣本方便地放置在可移動臺上用于光學掃描。在不同的實施例中，可省略掃描器，部分是因為目前有限可用的掃描器能適用于THz頻率范圍上。適當?shù)奶綔y器例如光導天線可隨后監(jiān)控RF差拍信號，從所述差拍信號，利用如Yasui等人所討論的探測器中探測到的光電流的RF分析可推斷THz光譜。因此，發(fā)明人描述了 CDSL及其一些應用，以及用于實施的各種可替換例包括高度集成結構。在至少一個實施例中，相干雙掃描激光器系統(tǒng)(CDSL)包括兩個被動鎖模的光纖振蕩器。所述振蕩器被設置成工作在稍微不同的重復頻率，使得與振蕩器的重復頻率的值 &和“相比在重復頻率上的差Sf；是小的。所述⑶SL系統(tǒng)還包括光學連接至每個振蕩器的非線性頻率轉換部分。所述部分包括非線性光學元件，所述非線性光學元件產生具有光譜帶寬的頻率轉換光譜輸出；和頻梳，所述頻梳包括振蕩器重復頻率的諧波。
在不同的實施例中頻率轉換部分包括輸出部分，所述輸出部分接收和組合多個輸入頻率并且在其差頻產生光譜輸出，并且所述系統(tǒng)包括在至少一個振蕩器和輸出部分之間的中間非線性頻率轉換部分，所述中間部分產生具有顯著大于振蕩器光譜的帶寬的寬帶光譜。CDSL被設置在使用光譜信息的測量系統(tǒng)中，并且光譜輸出被用于探查測試樣本的物理特性，其中光譜部件在光譜帶寬內。⑶SL被設置在用于光學成像、顯微鏡學、微光譜學和/或THz成像中的一個或多個的成像系統(tǒng)中?；贑DSL的測量系統(tǒng)可包括用于光學掃描的元件。鎖相環(huán)控制振蕩器之間的重復頻率的差。RF光譜分析器通過轉換因數(shù)(frl+fr2)/2 δ fr產生與光學頻率(即光頻)相關的 RF頻率的輸出。鎖模光纖振蕩器包括Nd，Yb，Tm或Er光纖振蕩器。包括至少一個光纖放大器用于放大一個或多個振蕩器輸出。包括集成的全光纖色散補償器和非線性頻率轉換部分，所述集成部分包括高度非線性光纖、光子晶體光纖、色散補償光纖和/或具有中央氣孔的光纖的一個或多個。系統(tǒng)包括用于色散補償?shù)捏w塊光學元件，包括光柵對、棱鏡對和/或棱柵對中的至少一個，其中色散補償包括脈沖壓縮。非線性頻率轉換部分包括差頻產生器。非線性頻率部分包括設置在至少一個振蕩器下游的超連續(xù)譜產生器。鎖模光纖振蕩器以大于約250MHz的重復頻率產生脈沖。在至少一個實施例中，相干雙掃描激光器系統(tǒng)包括兩個被動鎖模光纖振蕩器。所述振蕩器被設置成工作在稍微不同的重復頻率，使得與兩個振蕩器的重復頻率的值和
相比重復頻率的差Si；是小的。所述CDSL還包括光學連接至每個振蕩器的非線性頻率轉換部分，所述部分包括非線性光學元件，所述非線性光學元件產生具有光譜帶寬的頻率轉換光譜輸出；和頻梳結構，所述頻梳結構具有與振蕩器重復頻率相等的頻率間隔。所述非線性頻率轉換部分產生比每個振蕩器的光譜輸出顯著更寬的光譜輸出。在不同的實施例中包括了用于監(jiān)控兩個激光器的載波包絡偏移頻率的差的裝置，其中由所述監(jiān)控裝置產生的信息提供RF頻率和光學頻率(即光頻)之間的1 1對應。通過所述RF頻率到光學頻率(光頻)的1 1映射表示對應(關系)。包括了 f-2f干涉儀，用于每個激光器的載波包絡偏移頻率控制。包括了反饋系統(tǒng)，用于穩(wěn)定兩個振蕩器的載波包絡偏移頻率的差。由所述反饋系統(tǒng)產生的載波包絡偏移頻率信息用于產生RF域中的頻率格柵，所述RF域中的頻率格柵對光域中的頻率格柵具有一對一的對應(關系)。反饋系統(tǒng)包括單頻參照(基準)激光器。兩個參照腔用于每個振蕩器的載波包絡偏移頻率控制。一個參照腔用于每個振蕩器的載波包絡偏移頻率控制。兩個單頻參照激光器用于每個振蕩器的載波包絡偏移頻率控制。非線性頻率轉換部分包括高度非線性光纖。重復頻率對重復頻率的差的比率為至少約106，并且可在約IO6到約IO9的范圍內。
重復頻率fri，fr2以及重復頻率對重復頻率的差的比率足夠高以便將RF頻率轉換成光頻。至少一個實施例包括用于在THz光譜范圍中成像的系統(tǒng)。所述成像系統(tǒng)包括具有兩個被動鎖模光纖振蕩器的相干雙掃描激光器系統(tǒng)(CDSL)。所述鎖模振蕩器被設置成工作在稍微不同的重復頻率，使得與振蕩器的重復頻率的值和相比重復頻率的差δ fr是小的。所述系統(tǒng)包括發(fā)射THz輻射來響應所述CDSL的輸出的材料，和響應所述THz輻射的探測器。在至少一個實施例中，相干雙掃描激光器系統(tǒng)包括兩個被動鎖模振蕩器，產生至少兩個短光脈沖串。所述振蕩器被設置成工作在稍微不同的重復頻率，使得與振蕩器的重復頻率的值相比重復頻率的差Si；是小的。所述系統(tǒng)包括光束組合器，用于空間組合短光脈沖串，以便在光束組合器的下游沿共同的光路徑傳播。包括了非線性光學元件， 用于光譜增寬沿共同的光路徑傳播的所述短光脈沖串的至少一串。雙臂干涉儀被設置成具有不同的臂長度，以便當脈沖在進入干涉儀之前沒有在時間上時間重疊時檢測脈沖串之間的干擾。在不同的實施例中，臂長度差對應于所述振蕩器的腔往返時間的大致一半。在至少一個實施例中，相干雙掃描激光器系統(tǒng)包括兩個被動鎖模光纖振蕩器，產生兩個單獨的短光脈沖串。所述振蕩器被調節(jié)成工作在稍微不同的重復頻率，使得與振蕩器的重復頻率的值4和。相比重復頻率的差Si；是小的。反饋系統(tǒng)穩(wěn)定兩個振蕩器的載波包絡偏移頻率的差，并且所述反饋系統(tǒng)包括單頻激光器。光束組合器在空間上組合短光脈沖串，以便在光束組合器的下游沿共同的光路徑傳播。所述系統(tǒng)包括非線性光學元件，用于光譜增寬沿共同的光路徑傳播的至少一串短光脈沖串。雙臂干涉儀被設置成具有不同的臂長度，以便當脈沖在進入干涉儀之前在時間上沒有時間重疊時檢測脈沖串之間的干擾。因此，盡管在本文中僅具體描述了某些實施例，但顯而易見，在不偏離本發(fā)明的精神和保護范圍的情況下可對本發(fā)明進行多種修改。此外，首字母縮寫詞僅用于增強說明書和權利要求書的可讀性。應當指出，這些首字母縮寫詞并不旨在減弱所用術語的概括性并且它們不應當被解釋為將權利要求的保護范圍限制于本文所披露的實施例。
權利要求
1.一種相干雙掃描激光器系統(tǒng)(⑶SL)，包括兩個被動鎖模光纖振蕩器，所述振蕩器被設置成工作在稍微不同的重復頻率，使得與所述振蕩器的重復頻率的值和相比重復頻率的差S fr是小的；光學連接至每個振蕩器的非線性頻率轉換部分，所述部分包括非線性光學元件，所述非線性光學元件產生具有光譜帶寬的頻率轉換光譜輸出；和頻梳，所述頻梳包括所述振蕩器重復頻率的諧波。
2.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中所述頻率轉換部分包括輸出部分，所述輸出部分接收和組合多個輸入頻率并且在其差頻產生所述光譜輸出，并且所述系統(tǒng)包括在至少一個振蕩器和所述輸出部分之間的中間非線性頻率轉換部分，所述中間部分產生具有顯著大于振蕩器光譜的帶寬的寬帶光譜。
3.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中所述CDSL被設置在使用光譜信息的測量系統(tǒng)中，并且所述光譜輸出用于探查測試樣本的物理特性，其中光譜部件在所述光譜帶寬內。
4.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被設置在用于光學成像、顯微鏡學、微光譜學和THz成像的一個或多個的成像系統(tǒng)中。
5.根據權利要求4所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中所述測量系統(tǒng)包括用于光學掃描的元件。
6.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，還包括鎖相環(huán)，以便控制所述振蕩器之間的重復頻率的差。
7.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，還包括RF光譜分析器，所述分析器通過轉換因數(shù)(fri+f;2)/2 δ fr產生與所述光頻相關的RF頻率的輸出。
8.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中所述鎖模光纖振蕩器包括Nd、 %、Tm或Er光纖振蕩器。
9.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個光纖放大器，用于放大一個或多個振蕩器輸出。
10.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括集成的全光纖色散補償器和非線性頻率轉換部分，所述集成部分包括高度非線性光纖、光子晶體光纖、色散補償光纖和具有中央氣孔的光纖中的一個或多個。
11.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于色散補償?shù)捏w塊光學元件，包括光柵對、棱鏡對和棱柵對中的至少一個，其中所述色散補償包括脈沖壓縮。
12.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中所述非線性頻率轉換部分包括差頻產生器。
13.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括非線性頻率部分，所述非線性頻率部分包括設置在至少一個振蕩器的下游的超連續(xù)譜產生器。
14.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中鎖模光纖振蕩器以大于約 250MHz的重復頻率產生脈沖。
15.一種相干雙掃描激光器系統(tǒng)，包括兩個被動鎖模光纖振蕩器，所述振蕩器被設置成工作在稍微不同的重復頻率，使得與兩個振蕩器的重復頻率的值和相比重復頻率的差δ fr是小的；光學連接至每個振蕩器的非線性頻率轉換部分，所述部分包括非線性光學元件，所述非線性光學元件產生具有光譜帶寬的頻率轉換光譜輸出；和頻梳結構，所述頻梳結構具有與所述振蕩器重復頻率相等的頻率間隔，所述非線性頻率轉換部分產生比每個振蕩器的光譜輸出顯著更寬的光譜輸出。
16.根據權利要求15所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，還包括用于監(jiān)控兩個激光器的載波包絡偏移頻率的差的裝置，其中由所述監(jiān)控裝置產生的信息提供RF頻率和光頻之間的1 1對應。
17.根據權利要求16所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中通過所述RF頻率到光頻的 1 1映射表示所述對應。
18.根據權利要求15所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，還包括f-2f干涉儀，用于每個激光器的載波包絡偏移頻率控制。
19.根據權利要求15所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，還包括反饋系統(tǒng)，用于穩(wěn)定兩個振蕩器的載波包絡偏移頻率的差。
20.根據權利要求19所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中由所述反饋系統(tǒng)產生的所述載波包絡偏移頻率信息用于產生RF域中的頻率格柵，所述RF域中的頻率格柵具有對光域中的頻率格柵的一對一的對應關系。
21.根據權利要求19所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，所述反饋系統(tǒng)還包括單頻參照激光器。
22.根據權利要求15所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，還包括兩個參照腔，用于每個振蕩器的載波包絡偏移頻率控制。
23.根據權利要求15所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，還包括一個參照腔，用于每個振蕩器的載波包絡偏移頻率控制。
24.根據權利要求15所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，還包括兩個單頻參照激光器，用于每個振蕩器的載波包絡偏移頻率控制。
25.一種用于在THz光譜范圍成像的系統(tǒng)，包括相干雙掃描激光器系統(tǒng)(CDSL)，所述相干雙掃描激光器系統(tǒng)包括兩個被動鎖模光纖振蕩器，所述鎖模振蕩器被設置成工作在稍微不同的重復頻率，使得與所述振蕩器的重復頻率的值frl和fr2相比重復頻率的差δ fr是小的；一材料，所述材料發(fā)射THz輻射來響應所述CDSL的輸出；探測器，所述探測器響應所述THz輻射。
26.一種相干雙掃描激光器系統(tǒng)，包括產生至少兩個短光脈沖串的兩個被動鎖模振蕩器，所述振蕩器被設置成工作在稍微不同的重復頻率，使得與所述振蕩器的重復頻率的值和相比重復頻率的差S fr是小的；光束組合器，用于空間組合所述短光脈沖串，以便在所述光束組合器的下游沿共同的光路徑傳播；非線性光學元件，用于光譜增寬沿所述共同的光路徑傳播的所述短光脈沖串的至少一串；雙臂干涉儀，所述干涉儀被設置成具有不同的臂長度，以便當脈沖在進入所述干涉儀之前在時間上沒有時間重疊時檢測所述脈沖串之間的干擾。
27.根據權利要求M所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中所述臂長度差對應于所述振蕩器的腔往返時間的大致一半。
28.一種相干雙掃描激光器系統(tǒng)，包括產生兩個單獨的短光脈沖串的兩個被動鎖模光纖振蕩器，所述振蕩器被調節(jié)成工作在稍微不同的重復頻率，使得與所述振蕩器的重復頻率的值和相比重復頻率的差S fr 是小的；反饋系統(tǒng)，用于穩(wěn)定兩個激光器的載波包絡偏移頻率的差，所述反饋系統(tǒng)包括單頻激光器；光束組合器，用于空間組合所述短光脈沖串，以便在所述光束組合器的下游沿共同的光路徑傳播；非線性光學元件，用于光譜增寬沿著所述共同的光路徑傳播的所述短光脈沖串的至少一串；雙臂干涉儀，所述干涉儀被設置成具有不同的臂長度，以便當脈沖在進入所述干涉儀之前沒有在時間上時間重疊時檢測所述脈沖串之間的干擾。
29.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中所述非線性頻率轉換部分包括高度非線性光纖。
30.根據權利要求1所述的相干雙掃描激光器系統(tǒng)，其中重復頻率對重復頻率的差的比率為至少約106，并且足夠高以便將RF頻率按比例轉換成光頻。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于光學成像的掃描脈沖激光器系統(tǒng)。披露了相干雙掃描激光器系統(tǒng)(CDSL)及其一些應用。示出了用于實施的不同替換例，包括高度集成結構。在至少一個實施例中，相干雙掃描激光器系統(tǒng)(CDSL)包括兩個被動鎖模光纖振蕩器。所述振蕩器被設置成工作在稍微不同的重復頻率，使得與振蕩器的重復頻率的值fr1和fr2相比重復頻率的差δfr是小的。所述CDSL系統(tǒng)還包括光學連接至每個振蕩器的非線性頻率轉換部分。所述部分包括非線性光學元件，所述非線性光學元件產生具有光譜帶寬的頻率轉換光譜輸出；和頻梳，所述頻梳包括振蕩器重復頻率的諧波。CDSL被設置在用于光學成像、顯微鏡學、微光譜學和/或THz成像的一個或多個的成像系統(tǒng)中。
文檔編號H01S3/23GK102349205SQ201080009937
公開日2012年2月8日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權日2009年3月6日
發(fā)明者I·哈特爾, M·E·費爾曼 申請人:Imra美國公司