CN103606815A - 基于双脉冲激光器系统的光学扫描和成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于光学成像的扫描脉冲激光器系统。披露了相干双扫描激光器系统（CDSL）及其一些应用。示出了用于实施的不同替换例，包括高度集成结构。在至少一个实施例中，相干双扫描激光器系统（CDSL）包括两个被动锁模光纤振荡器。所述振荡器被设置成工作在稍微不同的重复频率，使得与振荡器的重复频率的值fr1和fr2相比重复频率的差δfr是小的。所述CDSL系统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具有光谱带宽的频率转换光谱输出；和频梳，所述频梳包括振荡器重复频率的谐波。CDSL被设置在用于光学成像、显微镜学、微光谱学和/或THz成像的一个或多个的成像系统中。

Description

基于双脉冲激光器系统的光学扫描和成像系统
技术领域
本发明涉及用于光学成像的扫描脉冲激光器系统。
背景技术
包括工作在两个稍微不同的重复频率f1和f2使得δ=|(f1-f2)|<<f1和δ=|(f1-f2)|<<f2的两个锁模激光器的双脉冲激光器系统对于快速查询很大不同的电子和光电装置（例如光电导开关和集成电路）的光学响应函数是有用的工具。此外，双脉冲激光器系统的使用还被建议用于THz成像，如在Sucha等人的美国专利5,778,016和U.S.6,396,856中所披露。
通过实施双电子电路系统可代替使用双锁模激光器用于探查光学响应函数，如vanderWeide在U.S.5,748,309中所建议的。所述方法对于查询THz光谱范围中信号传输的光谱相关性(不独立)是有一些益处的。披露了也工作在两个稍微不同的重复频率f1和f2的两个脉冲信号源，产生由包括两个重复频率的纯谐波的频率线构成的在THz光谱范围的发射。在δ,2δ,...nδ探测的差拍信号随后被用于推断在重复频率f1,2f1,...nf1的谐波的信号传输。注意在本方案中，使用低至δ的差频的差拍信号，这并非是理想的，因为δ通常具有噪声可使信号走样的小值。
Keilmann等人后来在“Time domain mid-infrared frequency-combspectrometer”，Opt.Lett.,vol.29,pp.1542-1544(2004)中再次披露了锁模激光器的使用，他们建议将双扫描激光器系统用于傅里叶变换光谱（FTS）并且分析在红外光谱范围中材料的光谱传输。
为了改进双激光器扫描FTS的扫描率，Keilmann等人在国际专利申请公开号WO2007/045461中还建议了利用与’016专利中所述类似的技术抖颤(调谐)一激光器相对于另一激光器的重复频率。
Haensch等人在美国专利7,203,402中也建议了将激光器用于光谱学，其中基于锁模激光器的单频梳激光器被用于光学元件的某些特性的测量。这里，测量在梳激光器的各个频率线同时或依次进行。
近来频梳激光器还与传统的傅里叶变换光谱仪结合以获得改进的信号/噪声比用于光谱测量（J.Mandon等人，'Fourier transform spectroscopy with a laserfrequency comb',in Nature Photonics,2009）。
现有的双扫描激光器系统当应用于光谱学时具有多个限制。所用激光源的低重复频率导致过长的数据采集时间，并且用于在近IR至中红外(mid-IR)光谱范围的信号生成的技术相对繁琐。通过庞大的固态激光器实施的系统不能很好的适用于设备应用并需要较大的部件数量。其它的系统（P.Giaccari等人,'ActiveFourier-transform spectroscopy combining the direct RF beating of two fiber-basedmode-locked lasers with a novel referencing method',Opt.Express.,vol.16,pp.4347（2008））和（I.Coddington等人,"Coherent Multiheterodyne Spectroscopy UsingStabilized Optical Frequency Combs,"Phys.Rev.Lett.100,13902（2008））仅提供了非常有限的光谱覆盖范围。
发明内容
在下文中采用锁模激光器的离散频谱（即梳状光谱）但不需要或不依赖于激光振荡器内部的精确梳控制的双扫描激光器系统被称为相干双扫描激光器（CDSL）。
在这里，我们披露了一种新的CDSL，应用于光谱学、微光谱学、显微镜学、傅里叶变换光谱学（FTS）、光学和THz成像，和/或类似的应用。所述CDSL基于锁模光纤激光器，所述激光器设计用于在高重复频率工作，允许大扫描速度。通过使用低噪声、相位受控的光纤激光器能够实现有效的光谱测量，设计以通过实施非线性光谱增宽光学元件提供宽光谱覆盖范围。披露了不同的紧凑化设计。在不同的实施例中，通过同时使用非线性光谱增宽元件和利用激光器之间的适当时间延迟还实现了部件数量的减少。
我们还披露了利用高度非线性波导连同相干超连续谱生成用于产生从可见到中红外光谱区域的光输出。差频产生（DFG）生成了中红外光谱区域中的输出并且简化了FTS的实现。DFG消除了激光腔外部的载波包络偏移频率的变化并因此产生包括激光重复频率的真谐波的输出光谱。
与光电导天线配合可获得THz光谱区域中的光谱发射。
为了有效利用差频产生，锁模激光器可被设置成各自具有两个输出。还可以使用放大器以放大这些输出。随后可进行超连续谱产生用于这些光纤激光器输出的光谱增宽。差频产生可以在超连续谱的光谱部件之间或在超连续谱的光谱部件和另一光纤激光器输出之间进行。
通过为每一激光器使用单独的非线性频率展宽元件可消除由重叠脉冲引起的非线性频率展宽元件中的非线性信号干扰。可替换的，可以在CDSL的输出处插入光延迟线，以产生仅来自不在任何非线性光学元件中重叠的脉冲的干扰信号。还可使用电子门选通(电子开关)用于使信号调节最佳化。
在至少一个实施例中，可通过控制不同的内腔光学元件例如内腔损耗、可饱和吸收器温度、光纤温度和光纤光栅温度来调节相干双扫描飞秒锁模光纤激光器中的载波包络偏移频率。在一些实施例中，通过实施DFG可避免载波包络偏移频率控制。
在至少一个实施例中，通过相位锁定两个激光器至外腔还可控制相干双扫描飞秒锁模光纤激光器中的载波包络偏移频率和重复频率。
在至少一个实施例中，通过相位锁定两个激光器至两个外部单频激光器还可控制相干双扫描飞秒锁模光纤激光器中的载波包络偏移频率和重复频率。
在另一个实施例中，通过相位锁定两个激光器至一个外部单频激光器还可控制相干双扫描飞秒锁模光纤激光器中的载波包络偏移频率和重复频率的差。
为了提高光谱分辨率，相干双扫描飞秒锁模光纤激光器还可被构造成使得激光器中的一个激光器的重复频率是另一激光器的重复频率的近似谐波。
通过适当调节内腔激光色散和注入超连续谱光纤的脉冲宽度可以使载波包络偏移频率的噪声最小化。
通过外部光学装置可监控和校正CDSL中两个激光器之间的载波包络偏移频率的任何漂移。此外，可以使用f-2f干涉仪用于载波包络偏移频率监控。
附图说明
图1是示出CDSL的示例的示图。
图2是光集成色散补偿器和非线性频率转换部分用于超连续谱产生的示意图。
图3是CDSL用于光学成像应用的示意图。
图4是设计具有减少数量的部件的CDSL的示意图。
图5是基于载波包络偏移频率监控的另一CDSL的示意图。
图6a是锁模光纤振荡器的内腔组件的示意图，用于电阻加热内腔光纤布拉格（Bragg）光栅以便载波包络偏移频率控制。
图6b是锁模光纤振荡器的内腔组件的示意图，用于调节施加至内腔光纤布拉格（Bragg）光栅的压力以便载波包络偏移频率控制。
图6c是组件的示意图，所述组件包括内腔调制器用于调节锁模激光器的内腔损耗以便载波包络偏移频率控制。
图6d是锁模光纤振荡器的内腔组件的示意图，用于调节作用在内腔可饱和吸收器上的残余泵浦功率以便载波包络偏移频率控制。
图7是在非线性f-2f干涉仪后测得的工作在重复频率为1GHz的载波包络偏移频率锁定的Yb光纤激光器的RF光谱的曲线图。
图8是工作在重复频率为1GHz的基于Yb光纤激光器的相干超连续谱源的光谱输出的曲线图。
图9是被锁定至两个外腔用于重复频率和载波相位控制的双扫描激光器系统的示意图。
图10是被锁定至两个窄线宽激光器用于重复频率和载波相位控制的双扫描激光器系统的示意图。
图11是使用一个外部窄线宽激光器用于重复频率和载波相位控制的超紧凑双扫描激光器系统的示意图。
具体实施方式
本说明书首先讨论锁模激光器和频梳产生尤其涉及CDSL及其应用的一些方面。包括了用于IR光谱学和THz成像的所述激光器的应用的示例。
具有包括一组等距光频率线的固定光学频谱的锁模激光器通常也被称为频梳激光器。频梳激光器的光学频谱可通过S(f)=fceo+mfrep表述，其中m是整数，fceo是载波包络偏移频率，而frep是激光器的重复频率。各频率线的幅度实际上采样了在光学频率空间中离散点fceo+mfrep的光学包络谱。
频梳激光器在Holzwarth等人的U.S.6,785,303中有披露，其中控制锁模激光器的泵浦功率连同电子反馈回路被用于稳定fceo并从而稳定包括光学频谱的所有各频率线的位置。在标准的锁模激光器中，fceo是不受控制的并因此只有所有各频率线的间隔(分隔)是稳定的，除了由于腔长度波动导致的慢漂移fr外。如上文所述，光谱分隔对应于锁模振荡器的重复频率frep，一般是在MHz范围的频率，并且在本文所述的不同实施例中更优选为约1GHz或者甚至更高。频谱内的线的确切位置随机变化。不过，频梳激光器和锁模激光器的光谱可具有相同的包络函数。此外，即使fceo不受控制，锁模激光器的光谱包括多个离散频率线。
当分别在稍微不同的重复频率frep和frep+δ使两个频梳激光器工作时，并且当在探测器上重叠两个激光器的输出时，在RF域中可观察到不同的拍频。当进一步确保对于两个激光器m级的频齿是最接近时，RF光谱包括谐频mδ+Δfceo,(m+1)δ+Δfceo,(m+2)δ+Δfceo....，其中得自幅度的几何平均值的幅度在光学频率mf+fceol和m(f+δ)+fceo2，其中Δfceo=fceo1-fceo2。参数frep/δ是将RF频率按比例到光频的比例因数。例如，对于δ=10Hz并且frep=1GHz，我们得到的比例因数为108；RF域中测得的强度在1MHz相当于光频为1014Hz。可以选择Δfceo以进一步降低RF频率，其中需要进行测量以便获得光频的幅度。要进行测量的RF频率可通过确保对于两个激光器m和n级的频齿分别是最接近的来改变。在这种情况，通过(m-n)fr+mδ+Δfceo；(m-n)fr+(m+l)δ+Δfceo;(m-n)fr+(m+2)δ+Δfceo....给出拍频。
通过实施校正技术监控光谱包络内频率线的漂移可缓和对用于光谱测量的具有固定光学频谱的(频)梳激光器的需求，如近来P.Giaccari等人的'ActiveFourier-transformspectroscopycombiningthedirectRFbeatingoftwofiber-basedmode-lockedlaserswithanovelreferencingmethod',Opt.Express.,vol.16,pp.4347(2008)所讨论的。
可替换的，通过在锁模振荡器之后添加非线性频率转换部分可消除各频率线的漂移。例如，当在锁模激光光谱的红色和蓝色部分之间进行差频产生时，已知各频率线独立于fceo的值在激光重复频率的真谐波处精确地出现。如前文所讨论的，我们将利用锁模激光器的离散频谱但不依赖于激光振荡器内的精确相位或fceo控制的双扫描激光器系统一般称为CDSL。
对于锁模激光器的任何设备应用，锁模光纤激光器具有超过锁模体块固态激光器和锁模二极管激光器的几个优势。锁模光纤激光器通常提供与锁模二极管激光器相比更优越的噪声特性并且可被包装在比锁模体块固态激光器更小的空间中。可以制造具有极好的热和机械稳定性的锁模光纤激光器。尤其是被动锁模光纤激光器可被构造成具有很少并且价格低廉的光学部件，适于大量生产，如在Fermann等人的美国专利7,190,705和Hartl等人的11/546,998中所披露的。美国专利7,190,705在此以其全文形式被结合入本文作为引用。此外，使用双脉冲激光器系统也已经在Sucha等人的美国专利5,778,016和U.S.6,396,856所披露的THz成像中有建议。’016和’856专利还披露了用于控制锁模激光器的相对和绝对时间漂移的各种技术和结构。美国专利5,778,016和6,396,856在此以其全文形式被结合入本文作为引用。
如在’705中所披露的色散补偿光纤激光器提供了低噪声频梳源的构造。还披露了在超过1GHz的重复频率下工作的光纤激光器的设计。
光纤激光器的低噪声工作使它们的定时(时间)抖动最小化，允许脉冲定时的最佳化控制。’705专利披露了第一低噪声基于光纤的频梳源。通过在某一明确范围中控制光纤腔色散获得低噪声工作。一般需要光纤频梳源的低噪声工作以便将激光器的载波包络偏移频率fceo的噪声减小到可忽略水平，并且还便于测量和控制fceo。
下文披露了基于光纤的CDSL系统的一些示例。描述了提供高重复频率、低噪声、和高集成度的实施例。非线性光谱产生和相控的不同实施例导致在近IR范围的稳定输出信号，从而提供对于IR光谱学和THz成像应用的益处。
图1示意性地示出了根据一个实施例的相干双扫描激光器系统100（CDSL）。在本示例中，利用具有稍微不同的重复频率的两个锁模振荡器110a、110b提供输入脉冲串。来自每个振荡器的脉冲串被放大并分成第一和第二光学路径。每一路径中的脉冲用色散补偿器进行调节。中间的非线性频率转换部分沿第一路径产生超连续谱，随后利用用于DFG的非线性频率转换器将其与第二路径中的脉冲串进行组合。对应于每个振荡器110a、110b的DFG输出随后被组合以产生CDSL输出。
参见图1，系统包括两个振荡器110-a，110-b（振荡器1和振荡器2），优选产生可被压缩至飞秒（fs）时间尺度的脉冲。优选使用工作在约250MHz或更高的重复频率的Er、Yb或Tm振荡器实现振荡器110a、110b。所述振荡器例如披露于Fermann等人的美国专利7,190,705和Hartl等人的11/546,998，以及Dong等人、发明名称为“Highly Rare-Earth-Doped Optical Fibers for Fiber Lasers and Amplifiers”的美国临时专利申请US61/120,022，上述专利文献在此被结合入本文作为引用。’022申请中所披露的各种示例包括高度稀土掺杂的增益光纤，所述光纤具有可高达约5000dB/m的泵浦吸收，和在.5-5dB/cm范围内的每单位长度的增益。不同的掺杂浓度减小了Yb团簇，从而提供高泵浦吸收、大增益、具有低光暗化。所述稀土掺杂的光纤用于构建短腔长度光纤激光器，和产生超过1GHz的重复频率的高能量超短脉冲。所述结构提供CDSL的高信号对噪声工作。举例来说，与传统的石英光纤相比具有高泵浦吸收的其它光纤结构例如在976nm的吸收为300-1500dB/m也披露于发明名称为“Rare earth doped and large effective area optical fibersforfiber lasers and amplifiers”的美国申请No.11/693,633中，现公开为美国专利申请公开号2008/0069508。美国申请Ser.No.11/693,633在此以其全文形式被结合入本文作为引用。
振荡器的输出优选通过光隔离器（未示出）以将它们的灵敏度减小至背反射。利用插入两个振荡器的输出的两个抽头耦合器(tab-coupler)可监控两个振荡器的重复频率，将振荡器的输出的一小部分引导至两个探测器上（未示出），所述探测器提供信号表示至控制器101的重复频率。
振荡器可被构造成分别在f和f+δ的重复频率工作，其中δ<<f。可替换的，第二振荡器的重复频率可被选择为nf+δ，其中n是整数。对于大大相异的重复频率的情况，通过包括锁相回路和引入振荡器中的一个的内腔转换器的重复频率控制元件101可随后控制它们的重复频率δ或（n-1）f+δ之间的差。所述内腔转换器可以是安装在压电元件或光纤加热元件上的镜，例如披露于Fermann等人的美国专利7,190,705和Hartl等人的美国专利申请11/546,998。振荡器可发出几乎无啁啾脉冲或轻微啁啾脉冲。优选从振荡器110-a，110-b发出的任何啁啾脉冲都具有几乎相同的啁啾。优选两个振荡器的功率例如通过可变的衰减器可在某一范围上进行调节。
振荡器的输出被耦合至两个光纤放大器120-a，120-b。所述光纤放大器优选是包层泵浦的。所述包层泵浦的放大器在Fermann等人的美国专利7,190,705中有讨论。此外，可以实施通过光学星形耦合器的包层泵浦，如Dong等人在发明名称为"Highly Rare-Earth-Doped Optical Fibers for Fiber Lasers and Amplifiers"的申请no.61/120,022中所披露，并且在此不作进一步讨论。优选在两个振荡器-放大器传播路径中的色散是匹配的。
在图1的示例中，自每个光纤放大器输出的光学信号脉冲被分成两个臂：光学连接至放大器120a和振荡器110a的臂125a-1,125a-2，和光学连接至放大器120b和振荡器110b的臂125b-1,125b-2。优选光纤耦合器，并且可以实施在5/95和50/50之间的分束比。每个臂能够以如图所示的全光纤结构实施。在一些实施例中，至少一部分的臂可被构造成具有体块部件。
例如通过一系列色散补偿元件形成色散补偿器，在每个臂的光学路径中进行色散补偿以便补偿色散。至少一部分所述臂可由相同部件构成，包括不同的色散补偿元件。色散补偿元件可包括用于脉冲压缩的光学元件以提供高质量的飞秒脉冲，并且可提供完全色散补偿或在它们的输出处产生稍负或正的啁啾脉冲。当使用完全色散补偿时，输出脉冲是近变换极限的。
色散补偿器可包括若干个不同的光纤元件，并且可被实施成具有集成“全光纤”设计，如下文结合图2将进一步讨论的。例如，第一光纤元件可包括设计以光谱增宽放大器的输出的正色散光纤，和用于色散补偿和用于将光谱增宽的输出压缩至接近带宽极限的至少第二光纤元件。优选地，脉冲压缩光纤元件包括色散补偿光纤或光子晶体光纤具有中央气孔以便使色散补偿级的非线性最小化。可以实施在一个或多个负色散光纤元件中经由较高阶孤子压缩的脉冲压缩。此外，可以使用体块光色散补偿元件，例如光栅、棱镜或棱栅对。优选的，脉冲被压缩至脉冲宽度小于约500fs，更优选压缩至脉冲宽度为约小于300fs，并且最优选压缩至脉冲宽度小于约100fs。
在臂125a-2，125b-2中传播的光脉冲还在具有频率转换元件130a，130b的非线性频率转换部分中被频率转换。频率转换元件130a，130b可包括用于超连续谱产生的光学元件以提供脉冲，所述脉冲具有的光谱带宽为光学倍频程的至少一显著小部分，并且明显宽于振荡器110a，110b的输出光谱。频率转换元件130a，130b产生宽带光谱，例如延伸入近中红外区域的光谱，例如从近IR延伸至至少约3-5μm或可达到约10-20μm的范围的光谱。
在不同的实施例中，频率转换部分优选包括高度非线性光纤，周期性极化LiNbO3（PPLN）波导，硅波导或任何其它适合的非线性波导。元件还可以是光学图案化的或周期性或非周期性极化的或沿其长度具有二阶非线性的周期性变化。每个臂中的频率转换部分130a，130b产生光学超连续谱，在使用高度非线性氟化物或硫族化物波导时可延伸入中红外。非线性波导中的超连续谱产生披露于Hartl等人的美国专利申请11/546,998中，并且在此处不再进一步讨论。如在超连续谱生成中已知的，保留了自振荡器的基频梳结构。生成的其它光谱输出包括通过激光的重复频率在频率上间隔的各个频齿。不过，短于300fs并更优选短于100fs的脉冲注入减小了超连续谱光谱的各频齿之间的非相干背景。非相干背景是不希望的，因为它减小了CDSL中的信号对比度。非相干背景噪声对(频)梳对比度的影响披露于N.Newbury和W.Swann的"Low-noise fiber-laser frequency combs,"Journal of the Optical Society of AmericaB24,1756-1770(2007)，该文献在此被结合入本文作为引用。
通过将来自路径125a-1,125b-1的色散补偿输出信号脉冲与相对应的色散补偿和频率转换输出(包括在臂125a-2,125b-2的部分产生的超连续谱)相混合在非线性频率转换部分140a，140b中进行差频产生（DFG）。输出在频率转换器140a，140b中被混合。频率转换器140a，140b优选被设置成具有非线性晶体，例如LiNbO3，GaAs，GaSe，GaP或任何其它适合的非线性晶体。这些非线性晶体也可以是周期性极化的，光学图案化的，或沿其长度具有它们的二阶非线性的周期性变化。还可实施非线性波导。频率滤波器和偏振(极化)控制器也可被包括在DFG元件140a，140b的上游并且没有单独示出。DFG元件的输出经由分束器150组合并且被导向输出160。
在不同的实施例中，从放大器输出的光信号脉冲在注入色散补偿和频率转换级之前还被引导通过光隔离器。还引入了两个振荡器之间的适当时间延迟以确保DFG元件和分束器150中的脉冲重叠。所述时间延迟可通过控制光纤长度和自由空间传播路径的公知方法被引入并且在此不再单独示出。
每个臂的色散补偿器和非线性频率部分的全光纤结构提供了一些益处。使用高度非线性光纤用于频率转换部分130a，130b的一个益处是放大器级120a、120b，色散补偿元件和频率转换部分130a、130b可以如图2示意性所示均被接合在一起。图2示出了不同的元件，所述元件可被用于每个臂中，尤其在进行色散补偿和超连续谱产生的125a-2,125b-2中。还可以使用保偏光纤部件，或可替换的可使用偏振控制器（未示出），以使偏振态最佳化以便超连续谱产生。光纤尾纤隔离器（未示出）优选将放大器的输出从不想要的背反射隔离。
在图2所示的示例中，色散补偿光纤215在每一端上被接合到一长度的传递光纤220上，转换所述光纤的基模以匹配相邻光纤的模态，例如提供输入的任何放大器120a,120b，或图2中所示提供输出的高度非线性光纤230。被设置成具有图2所示结构的高度非线性光纤还可被用于频率转换部分，例如部分130a，130b。传递光纤220可包括多于一个的光纤并且还可包括光纤锥。
从传递光纤220发出的放大器的输出脉冲随后在一长度的色散补偿光纤215中被压缩。可以使用一长度的光子晶体光纤，但是也可以使用具有合适的非线性和线性特性的任何其它类型的光纤用于脉冲压缩。可以使用线性和非线性放大器，例如在Fermann等人的美国专利6,885,683中所披露的相似子(similariton)放大器。当使用非线性放大器时，优选可调节振荡器功率水平。例如，相似子放大器产生正啁啾脉冲，所述脉冲可在一长度的光子晶体光纤中被压缩成接近带宽极限，如在Fermann等人的美国专利7,414,780中所讨论的。
高度非线性光纤230随后被用于超连续谱产生。基于石英的高度非线性光纤在Dong等人的发明名称为“Ultra High Numerical Aperture Optical Fibers”的美国专利7,496,260中有讨论，该文献在此以其全文形式被结合入本文作为引用。在不同的实施例中，可以使用具有改进的IR透光性的非石英光纤。例如，可使用非线性氟化物、铋、碲化物或硫族化物光纤。所述IR传输光纤可传输可达到约20μm的波长并且是市场上可购买的。由于中红外传输光纤的熔化温度通常比石英光纤的熔化温度要小的多，还可使用光学透镜装置以便将来自色散补偿光纤的光耦合至高度非线性光纤以避免具有较大的不同熔化温度的光纤的复杂接合。
图3中示出了包括CDSL的光学成像系统。这里，分束器插入在CDSL的输出之后并且沿两个光学路径分离输出。分束器引导一小部分输出沿第一路径到探测器D2上，探测器D2被用于测量参照光谱，将CDSL的输出表示为波长的函数。处于测试的样本被插入在第二路径中。通过用由探测器D2测得的光谱除以由探测器D1测得的光谱，可得到测试样本的准确吸收光谱。所述两个探测器的方案在标准傅里叶变换光谱中是公知的，以便消除在吸收测量中光源的光谱变化和时间漂移。为了获得样本吸收的空间分布并且进行成像，光学扫描器310例如市场上可购买的检流计反射镜系统也被插入在CDSL的输出的第二光束路径中。在一些实施例中，处于测试的样本可被安装在可移动台上。在不同的实施例中，可以利用光束运动和样本移动的组合。CDSL的输出随后通过显微镜物镜325或其它合适的光束传送光学装置被聚焦到处于测试的样本上。通过探测器D1探测透射光。在不同的实施例中，通过探测器D2获得一个参照光谱。可替换的，可省略探测器D2并且通过将样本从光束路径2取出可获得参照光谱。在一些实施例中，可以探测反射光，或透射光和反射光的组合。为了提高IR中信号对噪声的比率，还可以进行探测器的冷却。例如，可以使用市场上可购买的液氮冷却的HgCdTe（MCT）探测器，其中探测带宽可达到100MHz。此外，可以在光束路径中的任何地方插入滤波器轮（未示出），以选择某些光频范围。通过监控每个像点的RF光谱并且通过适当地将所述RF光谱关联至光透射或反射光谱即可获得图像。
探测器D1监控RF域中的拍频。由于在CDSL中通过比例因数frep/δ将光频按比例(转换)成RF频率，我们可以将CDSL的函数解释为表示RF域中的频率格栅用于将RF按比例(转换)成光频；每个光频被唯一地映射到RF频率上，具有1:1的对应。图1所示的差频产生取消了激光器外部的载波包络偏移频率。因为在DFG级后两个激光器的载波包络偏移频率是零，所以光学fopt和RF差频frf之间的关系由下式给出：
fopt=frf×frep/δ   （1）
其中，包含关于在光频的信号传输的信息的最小RF频率RFmin由mδ给出。注意由于m是大数（104阶或更高），RFmin可以具有MHz级。
图4中示出了CDSL的另一实施例。这里，通过利用两个振荡器工作在稍微不同的重复频率来减少部件数量。振荡器输出被组合，并且耦合入共同的传播路径。在共同的传播路径中的部件可以与结合图1所述的部件相似或相同。在本示例中，使用了一个放大器420，一个中间超连续谱产生部分430和一个DFG部分440。放大器420的输出以类似于图1所示的方式被分成臂425a，425b。由将臂425a的色散补偿输出与臂425b中设置的超连续谱产生器的输出混合而得到DFG。非线性晶体440提供DFG，如结合图1所讨论的。通过探测器D1和D2探测系统的输出，其中D2用于获得参照光谱而D1用于测量测试样本的吸收。如图3中的示例还可以结合入用于扫描的其它光学部件。
为了避免由于在两个振荡器的输出脉冲在DFG部分在时间上重叠的时侯的非线性相互作用导致的信号劣化，在这些时候可将探测器电子开关成非响应的。为了获得在两个振荡器的输出脉冲在时间上不重叠的时侯的干扰信号，如图所示可以在探测器D1和D2的前面（或在CDSL的输出处）结合入光延迟线470。在至少一个实施例中，采用了基于马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪的延迟线，尽管也可以使用其它类型的延迟线，例如具有不平衡臂长的迈克生（Michelson）干涉仪。时间延迟线方便地产生两个激光器的腔往返时间的一部分的时间延迟，其中优选该部分是50%。当用光延迟线记录干涉图时，由增大的背景信号和增大的散粒噪声产生小的不利后果，但是该不利后果被系统的减少的部件数量的益处大大的弥补。通过适当的控制自两个振荡器的尾纤长度可进一步避免由于在系统的其它部分中潜在的脉冲重叠导致的不想要的非线性脉冲相互作用。
图5中示出了CDSL的另一个示例。如结合图1所述，系统还包括重复频率控制器101，两个振荡器110a,110b（振荡器1&振荡器2）和放大器120a,120b。所述系统结构与结合图1所述的系统非常类似，但除去了DFG部分。两个振荡器的输出沿着两个不同的传播路径传播并且被注入两个单独的光纤放大器520a,520b。优选放大器和振荡器表现重叠的增益光谱。优选两个振荡器均发出无啁啾脉冲或具有几乎相同啁啾的脉冲。优选沿着两条传播路径的色散是匹配的。优选例如通过可变衰减器在某一范围上可调节两个振荡器的功率。在注入在设计上与结合图1所述的臂125a-2,125b-2相似的两个色散补偿器和频率转换部分之前，放大器的输出被进一步引导通过光隔离器（未示出）。在本示例中，当例如利用高度非线性氟化物或硫族化物波导时，频率转换部分产生可贯穿(一个)倍频程或更多并且可伸入中红外的两个优选非常宽的超连续谱光谱。若干个频率转换部分以及中间放大器可被连接在一起并且基于PPLN波导或硅波导的频率转换级也可被使用。
与结合图1所述的系统相反，两个产生的超连续谱的输出的一部分被转向两个相位检测和控制单元540a，540b。相位检测可以例如方便地通过如Fermann等人的美国专利7,190,705和Hartl等人的美国专利申请11/546,998中所讨论的f-2f干涉仪进行。所述f-2f干涉仪因此在此不再进一步讨论。f-2f干涉仪产生对应于被反馈至振荡器用于通过反馈回路进行fceo控制的fceo的RF差拍信号。通过反馈回路的频率锁定可将两个振荡器的fceo保持在RF滤波器带宽内。为了反馈回路的最佳精确度，可使用相位锁定回路，但也可以使用其它的反馈回路。
如在美国专利7,190,705中所讨论的，锁模光纤振荡器内的内腔光纤光栅的温度可用于载波包络相位控制。可替换的，也如’705中所讨论的，外部压力可施加于光纤光栅并且压力变化可用于载波包络相位控制。
在图6中示出了在光纤振荡器中用于载波包络相位控制的多种技术。在图6a中，示出了一内腔光纤601，所述光纤包括光纤布拉格光栅，用于腔色散控制。为了控制载波包络偏移频率，光纤光栅的外部是金涂层的并且电流穿过所述涂层。光栅的温度因此可通过金涂层中的电阻加热进行控制，这转而导致载波包络偏移频率的快速调节，所述载波包络偏移频率随后可通过反馈回路与f-2f干涉仪配合被稳定。
在图6b中，压电转换器（PZT）602向光纤的一侧施加压力，它也可以被调节并用于内腔载波包络偏移频率控制。PZT的使用允许与电阻加热器相比更快的反馈控制。
如图6c所示通过内腔声光调制器（AOM）603可实现甚至更快的载波包络偏移频率控制。通过改变至AOM的驱动电压，可快速调节光纤振荡器内的损耗，转而导致载波包络偏移频率的调节。
在图6d中，通过调节作用在内腔可饱和吸收器上的残余泵浦功率来控制载波包络偏移频率。这通过在可饱和吸收器的前面插入偏光器并调节泵浦光604的偏振来实现。泵浦光的偏振可通过多种方式进行调节；通过使泵浦光穿过盘绕到PZT鼓上的一长度的保偏光纤并且用线性偏振的泵浦光相等地激励保偏光纤的两个轴，基本无损耗和快速偏振调节是可能的。
还可以实施用于载波包络偏移频率控制的其它方式；例如可以调节内腔可饱和吸收器的温度。还可以实施各种组合。此外，图6的反馈系统还可包括多个反馈回路，用于独立测量和控制载波包络偏移频率。
在图7中，示出了在非线性f-2f干涉仪之后测得的工作在1.04GHz的重复频率的载波包络偏移频率锁定的Yb光纤激光器的相应RF光谱。RF光谱示出了对应于激光的重复频率的在1GHz处的峰和对应于载波包络偏移频率的在210和830MHz处的两个峰。
图8示出了通过工作在1GHz的重复频率的载波包络相位锁定Yb光纤激光器产生的超连续谱光谱的示例。这里，超连续谱在高度非线性光纤中产生。记录来自图5所示的光纤系统的一个传播路径的超连续谱光谱。
除了通过f-2f干涉仪控制fceo外，还可通过将锁模激光器的频梳参照到无源腔的法布里-珀罗（Fabry-Perot）共振来控制fceo。这种技术具有一些益处：不需要跨越倍频程的连续谱产生并且可由振荡器功率的一部分提供的相对较小的功率水平就足够了。这种方法披露于R.Jason Jones和Jean-Claude Diels"Stabilization ofFemtosecond Lasers for Optical Frequency Metrology and Direct Optical toRadioSynthesis"PRL86,p.3288(2001)和R.JasonJones等人"Precision stabilizationof femtosecond lasers to high-finesse optical cavities".Phys.Rev.A69,051803(2004)，上述文献在此以其全文形式被结合入本文作为引用。
图9示出了使用外腔的一个实施例。振荡器110a，110b的输出被组合并耦合入单个传播路径，并且通过光纤放大器920进行放大，如上文所讨论的。每个振荡器输出的一部分还被引导至参照腔940a，940b，并且被稳定在对(一个)参照腔的两个单独的光谱区域。在本示例中，示出了具有稍微不同的往返时间的两个参照腔940a，940b。对于处于共模的所有热和机械诱导的波动，优选两个腔处于紧密的热和机械接触。用一个外腔的结构也是可行的。当仅使用一个腔时，结合入所述腔的双折射元件沿着两个偏振轴提供两个不同的往返时间，其中那两个轴转而被锁定至每个激光器。所述实施例没有被单独示出。
光栅950a，950b将振荡器输出的两个光谱区域引导至两个不同的探测器，所述探测器随后用于将两个不同的振荡器梳齿锁定至外腔的两个不同的共振，所述外腔可被设置成无源腔或具有反馈控制。通过使用一个或两个外腔，所有四个自由度，即两个激光器的fceo，以及frep和δ被参照至腔模。在优选实施例中，庞德-德雷弗-霍尔方案（Pound Drever Hall scheme）被用于将振荡器锁定至参照腔。Pound Drever Hall方案要求在将信号传送至外腔的光纤尾纤中使用额外的相位调制器（未示出）。取代单独的相位调制器，通过例如调制一个腔端镜也可在内腔进行相位调制。在本领域公知Pound Drever Hall方案用于将锁模光纤激光器锁定至外腔并且在此不再进一步解释。
作为对将无源腔用作CDSL的重复频率和载波相位控制的稳定参照的替换，可使用cw参照(基准)激光器1080a,1080b，如图10所示。振荡器110a，110b输出也被组合并耦合入单个传播路径，并且用光纤放大器1020进行放大，如上文所讨论的。此外，两个稳定的单频激光器被用于稳定。所述单频激光器优选是基于半导体或光纤激光器的并且是市场上可购买的。两个单频激光器的频率是不同的并且选择使得它们均与锁模激光器的光谱重叠，优选在光谱的低和高频部分(重叠)。通过对两个激光器的fceo和frep的反馈控制，每个锁模激光器的频梳现在可在两个梳齿被相位锁定至稳定的cw激光器，固定每个梳的两个频率并从而稳定fceo和frep。当设置稳定使得对于每个锁模激光器，两个固定的梳齿之间具有不同数量的梳齿，它们的重复频率是不同的，这对CDSL是需要的。这种稳定方法的实施例披露于I.Coddington等人的"Coherent Multiheterodyne Spectroscopy UsingStabilized Optical Frequency Combs,"Phys.Rev.Lett.100,13902(2008)，该文献在此被包括入本文作为引用。
图11中示出了CDSL的紧凑和高度集成的结构。振荡器110a，110b输出被组合并被耦合入单个传播路径，并且通过光纤放大器120进行放大，如上文所讨论的。放大输出的一部分被采样并被引导向探测器D1。可替换的，振荡器的输出或振荡器的放大输出可被引导向两个不同的探测器，该实施例未被单独示出。单频激光器用于重复频率和载波相位控制。在本方案中，振荡器110a的频齿中的一个通过锁相环（PLL1）被锁定至单频激光器，而振荡器110b的频齿中的一个通过另一锁相环（PLL2）被锁定至单频激光器。为了确保相位锁定，可以调节每个激光器的腔长度。在相位锁定这两个频齿后，两个振荡器的频谱的表达式可写为
mfrep+fceol=fy+fbl    (2)
n(frep+δ)+fceo2=fy+fb2,   (3)
其中fy是单频激光器的频率，而fbl，fb2是两个振荡器的频齿被锁定至的RF拍频；δ是激光器的重复频率之间的差。通过控制例如流向激光器的泵浦电流还可将frep和δ锁定至另外两个RF参照信号。通过设定例如激光器条件使得mfrep=fy+fbl我们可进一步估算n和m，其中利用例如波长计由外部校准获得fy+fbl。可进行相同的步骤以获得n。在下文中，为了简化起见我们假设n=m。取等式（2）和（3）的差我们随后得到
nδ+Δfceo=Δfb.   (4)
由于Δfb和δ是已知的，并且n，m可利用上文所述的校准步骤得到，从等式（2）或（3），我们可非常精确地估算Δfceo。
随后可容易地示出，对于Δfceo≠0，RF域中的频率格栅与等式（1）相比是频移的并且光学fopt和RF频率frf之间的关系被修改为
fopt=(frf-Δfceo)frep/δ+fceol≈(frf-Δfceo)frep/δ,   (5)
这里由于fceo<<fopt，我们可以简化等式（5）。在本示例中，Δfceo是稳定的而非单独的载波包络偏移频率，以便获得准确的RF频率格栅用于光频的测量。
为了通过CDSL系统获得对于频率测量的最佳长期精确性，两个振荡器优选非常靠近地被包装，以便使两个激光器之间的激光参数的任何热波动相等。此外，还优选包装单频参照激光器，具有良好的热控制。
此外，系统可被设置具有放大器和非线性频率转换部分用于增大的光谱覆盖范围。可以在探测器D2,D3的前面插入时间延迟线470以探测脉冲干扰而没有在非线性级中的时间脉冲重叠。此外，可以使用两个探测器D2,D3，其中一个探测器用于探测参照光谱而另一个用于确定样本的吸收特征。
图11的系统对于商业应用是有益的，因为它可以通过几个部件和高水平的光学集成工作。
上文所述的实施例可以各种方式进行组合以产生可替换的实施例。存在很多可能性，并且可根据具体应用进行各种修改。例如，非线性频率转换部分可被设置为具有至少一个非线性光纤放大器以增宽光谱。
再次回到图5，还可用相位监控单元替换相位控制单元。例如，相位监控单元可包括光纤抽头分光器（插入在放大器的前面），所述分光器使一些振荡器光转向，并且从振荡器光谱选择两个窄光谱线以监控载波包络偏移频率和重复频率演变。在放大器或第一频率转换级后也可以监控载波包络偏移频率演变，但是振荡器信号的使用提供最低的噪声。所述相位监控单元在Giaccari等人的文献中有讨论，并且在此不单独进行描述。作为对所述相位监控单元的替换，还可以使用两个f-2f干涉仪，所述干涉仪监控两个振荡器的载波包络偏移频率。如结合图3所讨论的，CDSL的输出可被通过光学样本并且还可被引导向探测器，在所述探测器可以观察到RF域中的拍频。由于在CDSL中通过比例因数frep/δ将光频按比例(转换)成RF频率，我们可以将扫描双激光器系统的功能解释为在RF域中提供频率格栅用于将RF按比例(转换)成光频，即，每个光频被映射到RF频率上。当将两个激光器的载波包络偏移频率锁定至不同的值时，等式（5）可用于获得准确的RF频率格栅以便测量光频。
对于Δfceo以及δ的较小的连续变化，可获得RF频率格栅以及光学(频率)和RF频率之间关系的更复杂的改变。通过使用相位监控单元，可以计算RF频率格栅的适当校正以便获得RF到光学频率(即光频)的准确转换。Giaccari(文献)讨论了所述对RF频率格栅的校正并且在此不再进一步描述。当通过f-2f干涉仪监控Δfceo时也可应用相似的校正。由于f-2f干涉仪允许对于使用RF技术的每个振荡器的fceo进行直接读取，可以容易地计算Δfceo并且可利用等式（5）计算光频。
结合图3所讨论的成像装置也可被延伸至THz范围。如Yasui等人在Appl.Phys.Lett.,vol.88,pp.211104-1to3(2006)中讨论的，通过由飞秒激光器激励的光导发射器产生THz梳。当通过电光晶体中的光整流产生THz脉冲时也同样适用。此外，THz频率范围内的频梳包括激光器重复频率的纯谐波。因此通过将CDSL系统的输出引导到电光晶体或光导发射器上可产生两个稍微偏移的THz频梳。因此可构建类似于图3和图5所示实施例的用于产生THz频梳并在THz光谱范围内成像的系统，其中省略了频率转换部分和相位控制部分，并且用电光晶体替换非线性频率转换部分，所述电光晶体例如GaP，GaSe，周期性极化的LiNbO3,光学图案化的GaAs或光导天线。适当的THz光学装置随后可用于将THz辐射成像到样本上，所述样本方便地放置在可移动台上用于光学扫描。在不同的实施例中，可省略扫描器，部分是因为目前有限可用的扫描器能适用于THz频率范围上。适当的探测器例如光导天线可随后监控RF差拍信号，从所述差拍信号，利用如Yasui等人所讨论的探测器中探测到的光电流的RF分析可推断THz光谱。
因此，发明人描述了CDSL及其一些应用，以及用于实施的各种可替换例包括高度集成结构。
在至少一个实施例中，相干双扫描激光器系统（CDSL）包括两个被动锁模的光纤振荡器。所述振荡器被设置成工作在稍微不同的重复频率，使得与振荡器的重复频率的值fr1和fr2相比在重复频率上的差δfr是小的。所述CDSL系统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具有光谱带宽的频率转换光谱输出；和频梳，所述频梳包括振荡器重复频率的谐波。
在不同的实施例中：
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，并且所述系统包括在至少一个振荡器和输出部分之间的中间非线性频率转换部分，所述中间部分产生具有显著大于振荡器光谱的带宽的宽带光谱。
CDSL被设置在使用光谱信息的测量系统中，并且光谱输出被用于探查测试样本的物理特性，其中光谱部件在光谱带宽内。
CDSL被设置在用于光学成像、显微镜学、微光谱学和/或THz成像中的一个或多个的成像系统中。
基于CDSL的测量系统可包括用于光学扫描的元件。
锁相环控制振荡器之间的重复频率的差。
RF光谱分析器通过转换因数(frl+fr2)/2δfr产生与光学频率(即光频)相关的RF频率的输出。
锁模光纤振荡器包括Nd，Yb，Tm或Er光纤振荡器。
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。
包括集成的全光纤色散补偿器和非线性频率转换部分，所述集成部分包括高度非线性光纤、光子晶体光纤、色散补偿光纤和/或具有中央气孔的光纤的一个或多个。
系统包括用于色散补偿的体块光学元件，包括光栅对、棱镜对和/或棱栅对中的至少一个，其中色散补偿包括脉冲压缩。
非线性频率转换部分包括差频产生器。
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。
锁模光纤振荡器以大于约250MHz的重复频率产生脉冲。
在至少一个实施例中，相干双扫描激光器系统包括两个被动锁模光纤振荡器。所述振荡器被设置成工作在稍微不同的重复频率，使得与两个振荡器的重复频率的值fr1和fr2相比重复频率的差δfr是小的。所述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具有光谱带宽的频率转换光谱输出；和频梳结构，所述频梳结构具有与振荡器重复频率相等的频率间隔。所述非线性频率转换部分产生比每个振荡器的光谱输出显著更宽的光谱输出。
在不同的实施例中：
包括了用于监控两个激光器的载波包络偏移频率的差的装置，其中由所述监控装置产生的信息提供RF频率和光学频率(即光频)之间的1:1对应。
通过所述RF频率到光学频率(光频)的1:1映射表示对应(关系)。
包括了f-2f干涉仪，用于每个激光器的载波包络偏移频率控制。
包括了反馈系统，用于稳定两个振荡器的载波包络偏移频率的差。
由所述反馈系统产生的载波包络偏移频率信息用于产生RF域中的频率格栅，所述RF域中的频率格栅对光域中的频率格栅具有一对一的对应(关系)。
反馈系统包括单频参照(基准)激光器。
两个参照腔用于每个振荡器的载波包络偏移频率控制。
一个参照腔用于每个振荡器的载波包络偏移频率控制。
两个单频参照激光器用于每个振荡器的载波包络偏移频率控制。
非线性频率转换部分包括高度非线性光纤。
重复频率对重复频率的差的比率为至少约106，并且可在约106到约109的范围内。
重复频率fr1，fr2以及重复频率对重复频率的差的比率足够高以便将RF频率转换成光频。
至少一个实施例包括用于在THz光谱范围中成像的系统。所述成像系统包括具有两个被动锁模光纤振荡器的相干双扫描激光器系统（CDSL）。所述锁模振荡器被设置成工作在稍微不同的重复频率，使得与振荡器的重复频率的值fr1和fr2相比重复频率的差δfr是小的。所述系统包括发射THz辐射来响应所述CDSL的输出的材料，和响应所述THz辐射的探测器。
在至少一个实施例中，相干双扫描激光器系统包括两个被动锁模振荡器，产生至少两个短光脉冲串。所述振荡器被设置成工作在稍微不同的重复频率，使得与振荡器的重复频率的值fr1和fr2相比重复频率的差δfr是小的。所述系统包括光束组合器，用于空间组合短光脉冲串，以便在光束组合器的下游沿共同的光路径传播。包括了非线性光学元件，用于光谱增宽沿共同的光路径传播的所述短光脉冲串的至少一串。双臂干涉仪被设置成具有不同的臂长度，以便当脉冲在进入干涉仪之前没有在时间上时间重叠时检测脉冲串之间的干扰。
在不同的实施例中，臂长度差对应于所述振荡器的腔往返时间的大致一半。
在至少一个实施例中，相干双扫描激光器系统包括两个被动锁模光纤振荡器，产生两个单独的短光脉冲串。所述振荡器被调节成工作在稍微不同的重复频率，使得与振荡器的重复频率的值fr1和fr2相比重复频率的差δfr是小的。反馈系统稳定两个振荡器的载波包络偏移频率的差，并且所述反馈系统包括单频激光器。光束组合器在空间上组合短光脉冲串，以便在光束组合器的下游沿共同的光路径传播。所述系统包括非线性光学元件，用于光谱增宽沿共同的光路径传播的至少一串短光脉冲串。双臂干涉仪被设置成具有不同的臂长度，以便当脉冲在进入干涉仪之前在时间上没有时间重叠时检测脉冲串之间的干扰。
因此，尽管在本文中仅具体描述了某些实施例，但显而易见，在不偏离本发明的精神和保护范围的情况下可对本发明进行多种修改。此外，首字母缩写词仅用于增强说明书和权利要求书的可读性。应当指出，这些首字母缩写词并不旨在减弱所用术语的概括性并且它们不应当被解释为将权利要求的保护范围限制于本文所披露的实施例。

Claims (31)

1.一种相干双扫描激光器系统，包括：
第一和第二被动锁模光纤振荡器，所述第一和第二振荡器的每一个被设置成具有内腔色散补偿并被设置成工作在稍微不同的重复频率，使得与所述第一和第二振荡器的各自重复频率的值fr1和fr2相比重复频率的差Δfr是小的，所述第一和第二振荡器产生各自的第一和第二脉冲串；
第一分光器，所述第一分光器沿着包括第一频率转换路径的多条光学路径在空间上分离并引导所述第一脉冲串；
第一非线性频率转换器，所述第一非线性频率转换器被设置在所述第一被动锁模光纤振荡器的下游并光学连接至所述第一被动锁模光纤振荡器，所述第一非线性频率转换器被设置在所述第一频率转换路径中并被设置成接收来自所述第一脉冲串的脉冲，并与之产生第一频率转换的输出脉冲串，所述第一频率转换的输出脉冲串具有显著大于第一振荡器输出光谱带宽的光谱带宽；
第一光束组合元件，将所述第一频率转换的输出与所述第一脉冲串的脉冲组合；
第一差频产生器，所述第一差频产生器被设置成将所述第一频率转换的输出脉冲串的脉冲与所述第一脉冲串的脉冲混合，以便在其差频产生具有光谱含量的输出和产生第一频梳，所述第一频梳包括具有与第一振荡器重复频率fr1相等的频率间隔的频梳结构；第二分光器，所述第二分光器沿着包括第二频率转换路径的多条光学路径在空间上分离并引导所述第二脉冲串；
第二非线性频率转换器，所述第二非线性频率转换器被设置在所述第二被动锁模光纤振荡器的下游并被光学连接至所述第二被动锁模光纤振荡器，所述第二非线性频率转换器被设置在所述第二频率转换路径中并被设置成接收来自所述第二脉冲串的脉冲，并与之产生第二频率转换的输出脉冲串，所述第二频率转换的输出脉冲串具有显著大于第二振荡器输出光谱带宽的光谱带宽；
第二光束组合元件，将所述第二频率转换的输出与所述第二脉冲串的脉冲组合；
第二差频产生器，所述第二差频产生器被设置成将所述第二频率转换的输出脉冲串的脉冲与所述第二脉冲串的脉冲混合，以便在其差频产生具有光谱含量的输出和产生第二频梳，所述第二梳频包括具有与所述第二振荡器重复频率fr2相等的频率间隔的频梳结构；和
光束组合器，在空间上组合来自所述第一和第二差频产生器的输出。
2.根据权利要求1所述的相干双扫描激光器系统，所述系统包括色散补偿器，所述色散补偿器光学连接至锁模光纤振荡器以在相应的光学连接的路径提供色散补偿脉冲。
3.根据权利要求1所述的相干双扫描激光器系统，其中重复频率与重复频率的差的比率为至少约106，并且足够高以便将RF频率按比例转换成光频。
4.根据权利要求1所述的相干双扫描激光器系统，其中所述非线性频率转换器的一个或两个包括高度非线性光纤。
5.根据权利要求1所述的相干双扫描激光器系统，其中所述非线性频率转换器的一个或两个包括周期性极化或非周期性极化的波导。
6.根据权利要求1所述的相干双扫描激光器系统，其中所述非线性频率转换器的一个或两个产生相干超连续谱。
7.根据权利要求1所述的相干双扫描激光器系统，其中所述频率转换的输出的一个或两个包括倍频程的至少一显著部分的光谱带宽。
8.根据权利要求1所述的相干双扫描激光器系统，其中所述分光器各自包括光纤耦合器并且所述多条光学路径被设置成具有光纤。
9.根据权利要求1所述的相干双扫描激光器系统，其中所述差频产生器各自包括非线性晶体或非线性波导。
10.根据权利要求1所述的相干双扫描激光器系统，所述系统包括光学连接至振荡器输出的光纤放大器，用于放大相应的振荡器输出，其中脉冲串包括在放大器输出的放大的脉冲。
11.一种相干双扫描激光器系统，包括：
第一和第二被动锁模光纤振荡器，所述第一和第二振荡器各自被设置成具有内腔色散补偿并被设置成工作在稍微不同的重复频率，使得与所述第一和第二振荡器的各自重复频率的值fr1和fr2相比重复频率的差Δfr是小的，所述第一和第二振荡器产生各自的第一和第二脉冲串；
第一光束组合元件，所述第一光束组合元件用于空间组合所述第一和第二脉冲串的脉冲，以便沿着共同的光学路径传播并形成组合的脉冲串，所述组合的脉冲串包括脉冲和以不均匀的间隔隔开的相应的光谱线，由值fr1和fr2确定；
非线性频率转换器，所述非线性频率转换器被设置在每个所述被动锁模光纤振荡器的下游并沿着所述共同的光学传播路径光学连接至所述第一和第二被动锁模光纤振荡器的每一个，所述非线性频率转换器被设置成接收来自所述组合的脉冲串的脉冲，并与之产生频率转换的输出脉冲串，所述频率转换的输出脉冲串的总光谱带宽显著大于振荡器输出光谱带宽；
第二光束组合元件，将所述频率转换的输出脉冲串与所述组合的脉冲串的脉冲组合；
差频产生器，所述差频产生器被设置成将所述频率转换的输出的脉冲与来自所述组合的脉冲串的相应脉冲混合，以便在其差频产生具有光谱含量的输出和产生包括梳状结构的频梳，所述梳状结构具有由各自的振荡器重复频率fr1和fr2引起的不均匀的频率间隔。
12.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，所述系统包括色散补偿器，所述色散补偿器光学连接至每一个锁模光纤振荡器，以在相应的光学连接路径提供色散补偿的脉冲。
13.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，其中重复频率与重复频率的差的比率为至少约106，并且足够高以便将RF频率按比例转换成光频。
14.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，其中所述非线性频率转换器包括高度非线性光纤。
15.根据权利要求14所述的相干双扫描激光器系统，其中所述非线性频率转换器包括周期性极化或非周期性极化的波导。
16.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，其中所述非线性频率转换器产生相干超连续谱。
17.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，其中所述频率转换的输出包括倍频程的至少一显著部分的光谱带宽。
18.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，其中所述第一光束组合器包括光纤。
19.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，其中所述差频产生器包括非线性晶体或非线性波导。
20.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，所述系统包括用于放大每个振荡器输出的光纤放大器，其中第一和第二脉冲串的每一个包括在放大器输出的放大的脉冲。
21.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，所述系统被设置在测量系统，被设置成具有延迟线和多个光学探测器用于样本的干涉测量和干涉图的记录。
22.根据权利要求21所述的相干双扫描激光器系统，其中所述探测器在所述第一脉冲串的脉冲和所述第二脉冲串的脉冲在所述差频产生器在时间上重叠的时候可被开关设置成非响应的。
23.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，其中所述第二光束组合器包括光学分束器。
24.根据权利要求11所述的相干双扫描激光器系统，所述系统还包括沿着两个不同的传播方向分离所述第一和第二频率转换的输出的分束器。
25.一种相干双扫描激光器系统（CDSL），包括：
两个被动锁模光纤振荡器，所述振荡器被设置成工作在稍微不同的重复频率，使得与所述振荡器的重复频率的值fr1和fr2相比重复频率的差δfr是小的；
中间非线性频率转换部分，光学连接至每一个振荡器并包括设置在每个振荡器下游的超连续谱产生器，所述部分包括非线性光学元件，所述非线性光学元件产生具有显著大于振荡器光谱的宽带光谱带宽的频率转换的光谱输出和频梳，所述频梳包括所述振荡器重复频率的谐波，
其中，通过超连续谱产生保留每个振荡器的频梳结构。
26.根据权利要求25所述的相干双扫描激光器系统，其中所述激光器系统包括输出差频产生（DFG）部分，所述输出差频产生（DFG）部分接收和组合多个输入频率并在其差频产生光谱输出，所述DFG部分被设置在所述中间频率转换部分的下游。
27.根据权利要求25所述的相干双扫描激光器系统，其中所述超连续谱产生器产生光学倍频程的至少一显著部分的光学带宽。
28.根据权利要求25所述的相干双扫描激光器系统，其中所述超连续谱产生器包括高度非线性光纤。
29.根据权利要求25所述的相干双扫描激光器系统，其中所述超连续谱产生器产生至少可达到3-5μm光谱区域的光谱输出。
30.一种相干双扫描激光器系统（CDSL），包括：
两个被动锁模光纤振荡器，所述振荡器的每一个被设置成具有内腔色散补偿并被设置成工作在稍微不同的重复频率，使得与所述振荡器的重复频率的值fr1和fr2相比重复频率的差Δfr是小的；
非线性频率转换部分，光学连接至每个振荡器，所述部分包括非线性光学元件，所述非线性光学元件产生具有光谱带宽的频率转换的光谱输出和频梳，所述频梳包括具有与振荡器重复频率相等的频率间隔的频梳结构。
31.根据权利要求30所述的相干双扫描激光器系统，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在其差频产生光谱输出，并且所述系统包括在至少一个振荡器和输出部分之间的中间非线性频率转换部分，所述中间部分产生带宽显著大于振荡器光谱的宽带光谱。
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