锁模激光器的光信号处理制造技术

本发明专利技术涉及用于光学成像的扫描脉冲激光系统。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·E·费尔曼，I·哈特尔，A·鲁伊尔，
申请(专利权)人：IMRA美国公司，
类型：发明
国别省市：