CN102576971A - 锁模激光器的光信号处理 - Google Patents

Abstract

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。

Description

锁模激光器的光信号处理

本申请要求申请日为2010年7月15日、发明名称为“锁模激光器的光信号处理”的美国临时专利申请No.61/364,545的优先权。申请No.61/364,545的内容以其全文形式在此被结合入本文作为引用。本申请要求申请日为2010年2月5日、发明名称为“锁模激光器的光信号处理”的美国临时专利申请No.61/301,722的优先权。申请No.61/301,722的内容以其全文形式在此被结合入本文作为引用。本申请要求申请日为2009年12月14日、发明名称为“基于双脉冲激光系统的光学扫描和成像系统”的美国临时专利申请No.61/286,179的优先权。申请No.61/286,179的内容以其全文形式在此被结合入本文作为引用。本申请要求申请日为2009年10月2日、发明名称为“锁模激光器的光信号处理”的美国临时专利申请No.61/248,207的优先权。申请No.61/248,207的内容以其全文形式在此被结合入本文作为引用。

本申请涉及申请日为2009年3月6日、发明名称为“基于双脉冲激光系统的光学扫描和成像系统”的美国专利申请No.12/399,435，该文献在下文被称为‘435。申请No.12/399,435的内容以其全文形式在此被结合入本文作为引用。

本申请涉及申请日为2006年10月13日、发明名称为“基于激光的频率标准及其应用”的美国专利申请No.11/546,998，该文献在下文被称为‘998。申请No.11/546,998的内容以其全文形式在此被结合入本文作为引用。‘998于2007年4月19日公开为美国专利申请公开号2007/0086713。

本申请涉及申请日为2006年3月10日、发明名称为“脉冲激光源”的美国专利申请No.11/372,859，该文献在下文被称为‘859。申请No.11/372,859的内容以其全文形式在此被结合入本文作为引用。‘859于2006年9月7日公开为美国专利申请公开号2006/0198398。

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′，inNature 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f_rep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_ceo+mf_rep

其中m是整数，而f_ceo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.Stenger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.O.Weiss等人，′Frequency measurement and control，advanced techniquesand 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 offrequency combs′(国际专利申请公开号WO2009/000079)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 stabilizedcomb 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v_x下线宽Δv≈5×10^-7v_x的多普勒加宽吸收线。例如，在可见光谱区域Δv≈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CDSL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CDSL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。

CDSL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。

CDSL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CDSL的FTS的灵敏度。

在至少一个实施例中，利用基于CDSL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CDSL。

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。

附图说明

图1是示意性地示出基于CDSL的高分辨率FTS的示图。

图1A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1B示意性地示出了基于CDSL的高分辨率FTS的结构。

图2是用于通过CDSL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CDSL可获得的三个相邻干涉图的图示。

图4是示出基于CDSL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CDSL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CDSL的示意性示图。

图12是泵浦探测结构中的CDSL的示意性示图。

图12A是示出在二维光谱测量中使用CDSL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CDSL的示意性示图。

图15是示出THz光谱和光谱成像中CDSL的示意性示图。

图16是示出仅通过一个激光器构造的有效CDSL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CDSL的示意性表示。

图21是结合重复率倍增的CDSL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CDSL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24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26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IR范围的稳定输出信号，从而为IR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(CDSL)。在该示例中，CDSL 100的输出被导向待测量的样本。傅里叶变换光谱仪(FTS)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，CDSL 100包括两个锁模激光器(振荡器O1和振荡器O2)和两个cw参考激光器(R1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1B(图1A)示意性地示出了分别对应于O1和O2的输出的光谱110、120的一部分。O1和O2具有稍微不同的重复率f_r1、f_r2，并且O1和O2的频率线被各自的重复率分开。O1、O2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f_b1、f_b2、f_b3和f_b4及其差频Δf₂和Δf₁由O1和O2以及R1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O1、O2和cw参考激光器R1的输出分别通过两个光纤耦合器C1和C2组合。另一光纤耦合器C3将参考激光器R1的输出进行分束并且将R1输出引导至耦合器C1和C2。振荡器O1和cw激光器R1的频率线之间的拍频f_b1通过探测器D1进行检测。振荡器O2和cw激光器R1的频率线之间的拍频f_b2通过探测器D2进行检测。探测器D1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Δf₂＝f_b1-f_b2，对应于拍频f_b1和f_b2之间的差。通过将Δf₂的相位锁定至外部RF参考(未示出)适当地改变O2的腔长度，可进一步稳定Δf₂。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f_b1-f_b4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f_b1和f_b2各自都锁定至外部RF参考，这也稳定了Δf₂。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CDSL的构造。

在图1A中，当梳形线分别在f_x和f_y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f_x和f_y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1A中的f_b1和f_b3，而通过f_b2和f_b4。为了观察差拍信号f_b1和f_b3，因此需要分别将梳形线移至f_x和f_y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，JohnWiley&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O1和O2、和探测器D3和D4的相似结构产生拍频f_b3、f_b4和Δf₁，其中将f_b3和f_b4锁定至外部RF参考也可用于Δf₁的稳定。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O1和O2，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O1、O2的输出通过分束器B1(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CDSL的FTS获得吸收光谱的方案。

振荡器O1与O2的频率输出和拍频(差拍)信号f_b1-f_b4以及参考激光器R1和R2的光学参考频率f_x，f_y之间的关系分别可写为：

nf_rep+f_ceo1＝f_x+f_b1         (1)

n(f_rep+δ)+f_ceo2＝f_x+f_b2，  (2)

mf_rep+f_ceo1＝f_y+f_b3         (3)

m(f_rep+δ)+f_ceo2＝f_y+f_b4，  (4)

其中f_rep、f_rep+δ和f_ceo1，f_ceo2分别是两个锁模激光器的重复率和载波包络偏移频率，n和m是整数，并且假设光学参考f_x、f_y分别随来自相同阶n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δ的差和载波包络偏移频率Δf_ceo的差由下式给出：

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_2-{\mathrm{\Δf}}_1}{n-m}---\left(5\right)$

${\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{ceo}}=\frac{{\mathrm{n\Δf}}_1-{\mathrm{m\Δf}}_2}{n-m}---\left(6\right)$

因此，Δf₁和Δf₂的稳定转而稳定了δ和Δf_ceo。如’435中所解释的，根据δ和Δf_ceo(和激光重复率)的知识，可进行基于CDSL的FTS的频率标度的校准。不过，所获得的分辨率随后可与锁模激光器的重复率相比。梳形线阶n和m例如可利用单独的梳激光器通过绝对频率测量获得。如’435中所示，为了获得改进的分辨率，测量f_ceo1或f_ceo2。在至少一个实施例中，这可以通过f-2f干涉仪进行。可替换的，f_ceo1可从下式获得：

$f_{\mathrm{ceo}1}=\frac{n(f_y+f_{b3})-m(f_x+f_{b1})}{n-m}---\left(7\right)$

还可对f_ceo2写下相似的表达式。因此，除了稳定Δf₁和Δf₂外，可从记录f_b3和f_b1得到f_ceo1。对于实际波长校准，可以在干涉图的采集时间τ期间记录f_ceo1并且所述干涉图可随后通过相位校正因子倍乘：

$O_{\mathrm{opt}}=\exp [-i\left(\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{rep}}\right)\underset{0}{\overset{r}{\∫}}{f}_{\mathrm{ceol}}\left(t\right)\mathrm{dt}]---\left(8\right)$

校正的干涉图的傅里叶变换随后产生RF光谱，它可以通过也如’435中所解释的转换因子与光谱相关：

f_opt＝[f_rf-Δf_ceo]f_rep/δ          (9)

可替换的，FTS中可用的信号采集时间可被视为受cw参考的相干时间的限制。在不同的实施例中，将f_rep锁定至外部频率参考是有益的，例如可通过将泵浦电流调制至一个锁模激光器来实现。可替换的，可记录f_rep并且可将另外的相位校正因子添加至等式(8)。由于cw激光器可被锁定至光学时钟并且可实现秒级的相干时间，因此可实现赫兹级的频率分辨率。因此，可获得远小于锁模激光器的重复率的频率分辨率。

一般，通过将各梳形线和cw参考激光器之间的重叠所产生的光学拍频信号锁定至外部RF参考可以稳定Δf₁和Δf₂。可替换的，通过将cw参考激光器用作传递振荡器并且将来自两个不同的锁模激光器的两个梳形线的差频锁定至外部RF参考可以稳定Δf₁和Δf₂。这两种方法的任意组合也是可行的。

通过经光学滤波分开来自两个梳激光器的两个单独梳形线并且测量所得到的拍频信号也可直接测量和稳定Δf₁和Δf₂。光学滤波器例如可以方便地由光纤布拉格(Bragg)光栅或法布里-珀罗标准具(Fabry-Perot etalon)或二者的组合构成。图1B中示出了通过光学滤波器锁定Δf₁和Δf₂的方案的一个示例。此处F1和F2表示两个光学滤波器结构。例如，F1可包括与光学循环器和高分辨率法布里-珀罗标准具结合的反射工作的光纤布拉格光栅。标准具的自由光谱范围因而被选定为比光纤布拉格光栅的带宽更窄。所述结构没有单独示出。其余的部分(部件)结合图1进行描述。还可以在光学滤波器之前插入光学放大器，以便增大用于Δf₁和Δf₂测量的信噪比。对于最好的分辨率，光学滤波器的整个带宽可相当于或小于两个梳激光器的重复率；不过，如果较低的光谱分辨率是足够的，还可以实施更大的滤波器带宽。

锁相技术的细节在本领域中是公知的并且在本文不再进行阐述。锁相方法一般采用相位/频率检波器，所述检波器可以通过模拟电子器件作为混频器或通过数字电子器件、数字计频器或通过数字信号处理来实现。相位/频率检波器产生与待稳定的拍频信号和外部RF参考之间的相位/频率差成比例的输出。实施锁相环的反馈环，以便使拍频信号和RF参考之间的相位差最小化。由于受限的锁定带宽和反馈环的缺陷，仍存在残余相位差。该残余小相位差仍存在于Δf_ceo和δ并因而根据等式(9)会表现在重建的光学频率f_opt上。在一些实施例中，闭合锁相环处相位检波器的输出的相位噪声(例如环中误差信号)被记录并且用于计算对干涉图或对重建的光谱的校正因子。可替换的，可以实施锁频方案，并且锁频的误差信号可被记录并且用于计算校正因子。

换言之，通过记录RF信号S1的相位差和两条梳形线的差频S2同时锁定S1和S2的相位或频率获得了对Δf_ceo和δ的适当的校正。可替换的，还可以从两个频梳的重复率之间的差直接得出S2。一般地说，信号S2还可从两个锁模激光器的各自重复率、两个激光器的各自载波包络偏移频率或它们的差以及cw参考激光器和锁模激光器的各梳形线之间的任意拍频信号得到，并且锁相环的误差信号或锁频可用于获得对S2的值的校正。

此外，在CDSL中，通过连续记录如图3所示的多于一个的干涉图可进一步提高频率分辨率，其中如图3所示N＝3个连续干涉图。对于第一阶，可得到的分辨率随后与记录的干涉图的数量成反比并且受cw参考激光器的相干时间的限制。实际上，经常优选通过增加记录的干涉图的数量而非通过结合更低重复率的激光器来提高基于CDSL的FTS的分辨率，这是因为锁模激光器尤其是锁模光纤激光器当工作在较高重复率时通常更稳定并且对环境波动更不敏感。

不过，即使通过包括有相位校正因子或增加的信号采集时间，相对于cw参考激光器仅能实现在频率分辨率上的改进。将FTS参照到通用的全球定位频率标准(GPS)有时是有益的。在至少一个实施例中，这可以通过类似于图1具有例如’859中所披露的另外的f-2f干涉仪的结构来实现，其中所述f-2f干涉仪通过分束器插入在振荡器O1或O2的输出处。包括有另外的频率展宽级以产生’435中所披露的倍频程光谱。f-2f干涉仪随后可用于通过另外的锁相环锁定两个振荡器中的一个的载波包络偏移频率，例如Δf_ceo1，这可通过相关锁模激光器的泵浦电流的调制来实现。泵浦电流的调制还可用于将第二激光器的重复率f_rep+δ锁定至GPS。一旦锁定f_ceo1和f_rep+δ，f_rep和Δf_ceo可与GPS参考频率关联，允许绝对频率校准(相对于GPS)。可替换的，我们还可仅锁定f_ceo1拍频信号并且记录重复率f_rep+δ以便获得对GPS的校准。同样的，可以记录f_ceo1和f_rep+δ以便通过光学参考获得GPS校准。

在振荡器O1和O2之后包括的频率展宽级还可包括光学参数振荡器(OPO)以便能够在中红外进行光谱测量。所述OPO例如可以由周期性极化的LiNbO₃或光学图案化的GaAs晶体构成，虽然也可以使用任何其它的非线性晶体。OPO的重复率和载波包络偏移频率均可被锁定至振荡器O1和O2；通过重复率的稍微不同，从而可构建在中红外光谱区域中工作的FTS。载波包络偏移频率锁定至泵浦激光器的OPO是已知的并且在此处不再进行阐述。

在不同的实施例中，通过实施双平衡探测技术可进一步改进基于CDSL的FTS的信噪比，如图4所示。振荡器O1和O2的输出脉冲通过偏振分束器被组合并被对齐以便沿着光纤放大器和光谱展宽单元405的两条正交偏振轴传播，所述单元405可包括高度非线性光纤(HLNF)、非线性光纤放大器、或其各种组合。在图4的示例中，脉冲随后通过光学样本并且两条正交偏振(轴)通过设置在样本下游的第二偏振分束器被分成两条传播路径，即路径1和路径2。插入在路径2中的半波片(λ/2)使偏振方向重新对齐。脉冲随后通过光学分束器BS被组合，并且利用探测器D1和D2检测由于两个振荡器之间的干涉(产生)的信号。由于在探测器D1和D2上检测到的干涉信号不同相，通过减去D1和D2上测得的信号，可以消除检测到的信号中任何的cw背景，使得对于检测到的干涉信号在信噪比上有提高。在一些实施例中，为了获得干涉信号的非常高的信噪比，对两个振荡器使用相同的泵浦激光器(这可以例如利用分束器以便适当地对泵浦进行分束来实现，如图所示)并且沿着两条传播路径平衡色散是有益的。

在图4的示例中，示出了使用一个放大器和非线性光谱展宽元件的双平衡检测方案。在不同的实施例中，利用两个振荡器和两个放大器以及两个非线性光谱展宽元件也可容易地采用双平衡检测方案。在一些实施例中，对两个振荡器使用相同的泵浦激光器和对两个放大器使用相同的泵浦激光器是有益的。所述方案没有单独示出。此外，双平衡检测方案可与图1和2的结构结合使用，即，通过从探测器D5和D6减去电流来改进检测方案中可获得的信噪比(S/N比)。在这种情况，将样本移至图2中分束器B1和B2之间是有益的。除了马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)结构外，还可采用任何其它合适的双光束干涉仪。在所述双光束干涉仪的任何一种中双平衡检测可用于降低幅度噪声，即使当来自两个光束的幅度噪声不相关联。不过，需要平衡两个探测器上的信号水平。信号平衡越好，可实现越大的幅度噪声降低。对于宽带信号，还可以使用可调衰减器，所述可调衰减器可用于补偿任何波长相关的信号差。在不同的实施例中，信号处理设备(未示出)也可用于处理探测器输出信号，并且信息可用于计量或成像系统。多种组合是可行的。

用于测量通过频梳激光器构成的吸收FTS中的样本的相位响应的方案是公知的(S.Schiller等人，′Spectrometry with frequency combs′，Opt.Lett.，vol.27，pp.766-768(2002))。类似的，当使用基于CDSL的吸收FTS时，也可测量样本的相位响应。图5示出了基于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的用于相位测量的FTS探测器和采样结构的示例实施例。在这里，O1和O2是锁模振荡器，并且输出通过分束器B1组合。在一些实施例中，O1和O2还可被连接至cw激光器，用于控制它们的载波包络偏移频率和重复率，如结合图1所描述的。通过探测器D1测量振荡器O1和O2的参考光谱。如’435中所述，还可在分束器B1和B2之间采用另外的放大和光谱展宽级505(未示出)。例如，在本文图4中所示的线性光纤放大器和HLNF的组合405和/或非线性光纤放大器可用于放大和展宽。

再次参见图5的示例，通过将O1和O2的组合输出进行分束来设置马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪，其中样本在干涉仪的一条路径中。路径长度差可被进一步结合入马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的两臂，以便避免来自任何非线性光谱展宽级中交叉相位调制的信号失真，也如’435中所讨论的。采样传输进一步在探测器D2进行测量，而相位响应通过探测器D3和D4进行测量。当沿着马赫-曾德尔干涉仪的上臂和下臂适当地调节相位延迟并且减去D3和D4的光电探测器电流时，得到与

成比例的信号响应，其中t²(ω)是采样传输(量)并且

是采样相位响应作为频率的函数。

可替换的，使用如图6所示的采样和探测器结构可获得样本的相位和吸收响应。Coddington讨论了所述方案并且在此不再对所述方案进行阐述。

此外，通过利用其中腔往返时间与一个振荡器(例如振荡器O1)的重复率相匹配的增强腔可以提高吸收FTS的灵敏度，如图7所示。增强腔被插入干涉仪的一个臂中并且优选安装入长管并用镜M1和M2终止。所述管还包含进气阀并且还可包含出气阀。在不同的实施例中，通过使振荡器O1的腔往返时间与增强腔的往返时间相匹配可以进一步提高灵敏度，如’998所讨论的。此外，可实施腔和振荡器O1之间的相位匹配。通过调节振荡器O1的载波包络偏移频率(如’998中所讨论)或者通过用插入的光学调制器使振荡器脉冲频移(如图7所示)，可以获得相位匹配。

当结合振荡器O1和O2使用OPO时，可以获得对光谱测量的灵敏度上的提高，而不需单独的增强腔。在这种情况，可以将气室直接插入一个OPO中。对于光谱吸收测量，因而可以获得对痕量气体检测的非常高的灵敏度。所述结构没有单独示出。

举例来说，图8示出了设置用于发射FTS的CDSL。在该示例中，振荡器O1和O2产生飞秒脉冲，所述飞秒脉冲可被进一步放大和光谱展宽，如上所述(未示出)。如上所述，振荡器以稍微不同的重复率工作并且两个振荡器的载波包络偏移频率还可受控制。振荡器的输出优选被压缩成小于约1ps的脉冲宽度。振荡器O1的输出通过分束器B1被分成两条传播路径。沿上传播路径传播的脉冲随后被引导通过窄带通滤波器F1以减小脉冲带宽。理想的，带通滤波器在时间上将脉冲展宽至约1-100ps的脉冲宽度。展宽的脉冲可在另一放大器(未示出)被进一步放大。在本示例中，展宽后的脉冲随后被引导通过光学扫描器并且通过显微镜物镜MO聚焦到样本上，引起样本中的光谱发射。例如，不同的样本会具有拉曼(Raman)响应并发射弱拉曼光谱。利用表面增强技术，被称为表面增强拉曼散射、SERS或共振拉曼散射、RRS、或本领域已知的任何增强技术，可以进一步增强拉曼响应。发射光谱随后通过显微镜物镜采集并且经由分束器B2、B3和B4被引导到探测器D1和D2上。陷波或高通滤波器对射到样本上的泵浦脉冲进行滤波并且被设置成从样本传送光谱发射或拉曼发射。发射信号和来自振荡器O1和O2的脉冲分别通过分束器B3和B4被进一步组合并通过探测器D1和D2被检测。在不同的实施例中，在发射光谱和振荡器光谱之间具有光谱重叠。

实际上，短振荡器脉冲从作为时间函数的样本发射的长持续光谱发射进行采样。探测器D1和D2的输出对应于采样发射和分别来自振荡器O1和O2的输出之间的光学干涉信号。探测器D1和D2的输出的非-DC部分与相应脉冲包络与除去相位因子的采样发射E_em(t)的卷积成比例。探测器D1和D2的输出的非-DC部分随后被电子倍乘并且进一步考虑脉冲远短于采样发射，产生了除去相位因子的信号E_em(t)E_em(t-τ)，其中E_em(t)是作为时间函数的发射信号，而τ是从振荡器O1和O2发出的两个脉冲之间的时间延迟。时间延迟τ在每个采样点之间前进一小量，其中采样事件例如通过振荡器O2触发并且通过对应于振荡器O2的重复率的速率在该采样事件处记录探测器输出。两个振荡器之间重复率差异的知识或两个振荡器之间重复率差异的记录从而能够获得对每个采样点的τ的精确值。E_em(t)E_em(t-τ)的平均值还等于整个时间上的总和并因而我们可以写成：

Г(τ)＝∑E_em(t)E_em(t-τ)

Г(τ)因而等于E_em(t)的自相关函数并且因此从Г(τ)的傅里叶变换获得发射光谱。因为乘积E_em(t)E_em(t-τ)取决于采样脉冲的载波包络相位，两个振荡器脉冲的载波包络偏移频率被稳定了。可替换的，通过记录Δf_ceo可获得适当的相位校正因子。同样，可以监控两个振荡器的两个重复率之间的差δ的波动以便获得作为时间函数的τ的精确值。利用结合图1所讨论的两个cw激光器可获得Δf_ceo和δ，这不再此处进一步解释。在本示例中，示出了用于检测反射中发射光谱的结构。不过，相似的结构也可用于透射，在此没有单独示出。

作为另一个示例，图9示出了设置用于测量受激发射光谱的CDSL。这里，振荡器O1和O2产生宽带宽脉冲，所述脉冲可被进一步放大和光谱展宽(未示出)。如上文所述，振荡器被设置成以稍微不同的重复率工作并且两个振荡器的载波包络偏移频率可被进一步控制。振荡器O1和O2的输出通过分束器B1和B2被引导到探测器D1上以便获得参考光谱。在下文中，我们将来自振荡器O2的未滤波脉冲称为测试脉冲。振荡器O2的一小部分测试脉冲输出进一步通过窄带通滤波器F1以产生泵浦脉冲。泵浦脉冲可被进一步放大，在此没有单独示出。来自O2的泵浦脉冲和来自O2的测试脉冲通过分束器4被进一步组合并且通过显微镜物镜被引导到测试样本上，其中确保在测试样本上时间重叠。陷波滤波器F2随后过滤出由另一显微镜物镜采集的窄泵浦脉冲，以使宽带宽测试脉冲被传送至探测器D2，在这里它们还与来自振荡器O1经由分束器B5的输出组合。对于强泵浦脉冲，受激拉曼散射发射导致测试脉冲内部某些光谱带的放大(或衰减)。通过减去用探测器D1和D2检测到的光谱，可以容易地获得受激拉曼发射光谱的准确测量结果。通过改变两个显微镜物镜之间的测试样本的位置产生空间分辨信息。在图9中，示出了用于透射测量的结构。类似的结构还可用于反射测量，其中光学系统有改动。在一些实施例中，可以获得反射和透射测量结果。通过相同的泵浦激光器可进一步泵浦两个振荡器以便降低噪声并且通过实施双平衡检测方案可获得改进的信噪比。

图10示出了用于测量相干反斯托克斯拉曼(anti-Stokes Raman)散射显微镜(CARS)的CDSL。振荡器O1和O2被调整以便产生光谱宽度对应于采样的拉曼光谱的宽度的宽光谱输出。在特定的实施例中，振荡器O2用于产生皮秒拉曼脉冲以及红移信号脉冲。例如，通过对宽带宽脉冲进行光谱滤波(使用滤波器F1和F2)可得到泵浦和信号脉冲。泵浦和信号脉冲随后传送通过采样(样本)，导致蓝移反斯托克斯输出的产生。信号和泵浦随后由短通滤波器F4抑制，所述短通滤波器传输反斯托克斯输出。振荡器O1的输出随后优选被选定利用例如滤波器F3与样本中所产生的反斯托克斯光谱重叠。来自样本的反斯托克斯输出随后经由分束器B3与振荡器O1的输出组合并且通过探测器D1和D2采样，在这里还可实施双平衡检测。该方案有效等同于振荡器O1充当本地振荡器的反斯托克斯CARS输出的外差检测并且可产生很好的灵敏度。此外，使用较窄的信号和/或本地振荡器脉冲可获得高度的振荡选择性。使用光学扫描器和适当的成像设备，还使CARS显微镜的构建成为可能。

图10中所示的检测方案是如图11所示通用采样或相干检测方法的有效示例。这里，振荡器和信号构成以稍微不同的重复率工作的两个锁模激光器，其转而可以相位锁定至外部cw参考激光器，用于改进载波相位稳定性。在该方案中，信号在信号修正级被相干修正并且修正后的信号随后通过振荡器脉冲进行采样。探测器D1和D2的采样探测器输出的适当的傅里叶变换随后产生振荡器O1的光谱乘以修正后的信号光谱的乘积。如果已知信号修正前振荡器脉冲和信号脉冲具有合理的准确性，傅里叶变换的逆变换可随后产生信号修正单元的脉冲响应。

图11的通用采样方法的应用在图12中示出，用于泵浦探测测量。如上文所述，本地振荡器脉冲和信号脉冲从以稍微不同的重复率工作的两个锁模振荡器得到，转而锁定至cw激光器或被cw激光器作为参考用于重复率和载波包络偏移频率控制，或结合其它装置用于载波包络偏移频率控制。如前文所述，还可结合振荡器脉冲的另外的光谱展宽、放大和压缩。信号脉冲还被用于产生沿泵浦臂传播的高功率泵浦脉冲并且一小部分信号脉冲通过分束器B1分离以产生沿探测臂传播的探测脉冲。通过分束器B2重新组合探测和泵浦脉冲。通过镜M1和M2的平移可以自由调节探测和泵浦脉冲之间的时间延迟。沿泵浦臂传播的脉冲可通过泵浦修正单元进一步被修正；该修正可以例如包括倍频、移频、极化旋转、光学滤波、光学相位和幅度调制以及脉冲啁啾。可替换的，也可修正沿探测臂传播的脉冲。泵浦和探测脉冲被进一步聚焦入样本，其中强泵浦脉冲导致探测脉冲的脉冲传播特征的变化。例如，泵浦脉冲可引起样本中的拉曼振荡，在传播通过样本的探测脉冲中产生与时间相关的相位调制Φ(τ)，假如探测脉冲被调节成在泵浦脉冲之后到达。通过利用探测器D1和D2用本地振荡器脉冲对探测脉冲进行采样可以分析与时间相关的相位调制Φ(τ)和相应的相位调制光谱，产生探测脉冲的电场的测量结果。通过将探测脉冲场与开关的泵浦脉冲进行比较得到相位调制的绝对值。从通过强泵浦脉冲引起的测得的相位调制Φ(τ)，由F[Φ(τ)]的傅里叶变换可以计算样本的拉曼光谱R(Ω)，如Schlup等人在′Sensitive and selective detection oflow-frequency vibrational modes through a phase-shifting Fourier-TransformSpectroscopy′，IEEE J.Quantum Electronics，vol.45，No.7，pp.777-782(2009)中所述。注意，与Schlup所述的传统拉曼光谱测量不同，在泵浦和探测脉冲之间不要求时间延迟的变化，即，泵浦和探测脉冲之间的时间安排可以是固定的。探测脉冲还应当足够长以便能够在特定时间段上记录相位波动。

尽管我们讨论了相位调制的影响，但在不同的实施例中，还可以测量由泵浦脉冲在探测脉冲上引起的吸收调制。此外，还可以测量作为探测光谱频率的函数的与时间相关的探测相位调制Φ(τ)。通过将高精细度标准具插入图12中的探测臂可提供所述测量，在此没有单独示出。高精细度标准具允许特定数量的选定探测光谱频率(标准具齿)的传送。分析在这些标准具齿的每一个处的相位调制因而使人能够测量作为时间和探测光谱频率的函数的相位调制Φ(τ，ω)。这是没有运动部件的二维光谱测量的示例。所述二维光谱测量对于分子的详细特征是非常有用的，同样如Schlup等人所讨论的。例如，Φ(τ，ω)的知识允许通过二维傅里叶变换计算时间分辨的拉曼光谱R(Ω，t)，同样如Schlup等人所讨论的。

其它形式的二维光谱学也是可能的。例如，如P.Hamm等人在′Thetwo-dimensional IR nonlinear spectroscopy of a cyclic penta-peptide in relation to itsthree-dimensional structure′，Prov.Nat.Acad.Sci.，96，2036(1999)中所讨论的二维吸收光谱(分析)用结合图9、图10和图12所讨论的泵浦探测测量也是可能的。

例如，图12所示的结构可通过在泵浦修正单元中包括可调光学滤波器用于二维吸收光谱(分析)。探测脉冲的诱导吸收光谱随后可被测量为泵浦脉冲频率的函数，如用于二维吸收光谱(分析)所要求的。另一个重要的要求是在整个“探测的”光谱吸收范围中的振荡器和探测脉冲之间存在光谱重叠。所述二维光谱测量在本领域中被称为双共振实验。

尽管我们讨论了在共线结构仅通过一个泵浦脉冲进行探测脉冲修正，但原则上可使用任意数量的泵浦脉冲并且在探测和振荡器脉冲之间不要求共线结构以便通过CDSL结构中的本地振荡器参考脉冲观察探测修正。尤其是，CDSL还可实施用于一般的二维光谱(分析)。图12A中示出了用于二维傅里叶变换光谱(分析)的可能结构。这里，同样采用结合图12所讨论的以稍微不同的重复率工作的信号和振荡器源。来自信号源的脉冲通过两条光学延迟线的结构被分成三个脉冲序列(不必然是共线的，即，可以采用本领域公知的箱形几何结构)。用于二维光谱学的所述三个脉冲序列例如披露于R.M.Hochstrasser等人的′Two-dimensionalspectroscopy at infrared and optical frequencies′，in Proceedings of the NationalAcademy of Sciences，vol.104，pp.1490(2007)。这里，第一光学延迟(线)允许前两个脉冲之间的可调时间间隔τ，在Hochstrasser中被称为相干时间调节τ。第二光学延迟线允许第三脉冲相对于前两个脉冲进行时间间隔的调节，在Hochstrasser的论文中被称为等待时间调节T。这三个脉冲随后可产生光子回波信号脉冲，所述脉冲通过振荡器脉冲被光学采样为时间t(在Hochstrasser的论文中被称为检测时间)的函数，并且通过探测器D1和D2进行检测。所得到的时域干涉图随后可沿着变量t和τ进行傅里叶变换以便产生二维吸收光谱。作为单个读出脉冲3的替换，还可以实施一序列的读出脉冲。此外，可以调制前两个脉冲以提高测量的灵敏度。此外，通过前两个脉冲开关可以直接测量脉冲3的传输。

所述二维吸收光谱对于分析例如Hochstrasser所讨论的复杂分子结构非常有用。由于相比于Hochstrasser所披露的传统二维光谱学，通过图12A所示的结构可用于二维光谱学的采集速度大大提高，通过在样本之前和样本之后采用适当的聚焦和光学扫描结构，结合图12和图12A的示例所讨论的泵浦探测结构还可适用于光学成像应用和显微镜。此外，修正实际脉冲以及它们的空间和时间结构和序列以及实施更大数量的脉冲序列也是可能的，允许一般的多维光谱测量。

图13示出了工作在反射或光学相干断层扫描实施用于FTS的CDSL。振荡器可被连接至另外的cw激光器，如结合图1所述。还可采用另外的频率展宽级，以便展宽振荡器的光谱输出。振荡器O1的输出被引导至样本并且从样本反射的光通过分束器B1被引导至分束器B2。从样本反射的光随后通过分束器B2与振荡器O2的输出结合(组合)。所组合的光随后通过探测器D1和D2进行检测。由于照射到(作用在)探测器上的干涉信号至少在一小带宽中是不同相的，因此通过实施双平衡检测方案可实现灵敏度的提高，其中减去了探测器D1和D2的输出。为了在大带宽上实施双平衡检测方案，在至少一个实施例中实施了沿着两个振荡器的两条传播路径的色散的准确平衡。当用作反射的FTS时，可获得样本的吸收和相位响应。

当用于光学相干断层扫描时，优选在基础干涉测量拍频，即由镜以匀速运动引起反射的等同的多普勒(Doppler)移频下对检测到的信号进行滤波。对于两个振荡器之间重复率的差δ，等同的多普勒频率f_D由f_D＝(δ/f_rep)v_o给定，其中v_o是振荡器的输出信号的平均光频。对于OCT应用，不要求稳定载波包络偏移频率并因此两个振荡器之间重复率差的锁相是足够的。当需要超高分辨率时，可以在实施例中采用CW激光器。类似的结构还可用于光学测距应用。

作为另一个示例，图14中示出了用于THz测距的CDSL。所述结构与图13中的相似，不过在振荡器O1后插入了额外的THz发射器。从样本反射的THz信号随后通过分束器B1和B2被引导到THz探测器上，在这里实施泵浦探测检测方案以便实现最佳信噪比。本领域中公知的光导发射器或电光晶体中的光整流可用于Thz发射和检测。此外，对于OCT应用，稳定两个振荡器之间重复率的差对于THz测距是足够的。

当将图14所示的结构用作工作在反射的THz光谱仪时，光导天线可用作THz探测器，以便监控由反射的THz光谱产生的RF拍频信号。随后可从RF拍频信号的RF分析推断THz反射光谱和THz相位响应，如’435中所述。此外，对于THz应用，不需要控制载波包络偏移频率，因为THz产生过程自动使载波包络偏移频率频移无效。

图1所示的系统还可用于THz光谱、微光谱和光学成像，例如如图15所示。这里，两个振荡器还可被连接至两个cw激光器，用于控制两个激光器之间的重复率和载波包络偏移频率的差。两个振荡器可被组合和放大并且可以实施基于高度非线性光纤中的超连续谱生成或如’435所讨论的差频生成的额外频率转换部分。频率转换信号通过光学扫描器被传送并且随后聚焦到光学样本上。传送的信号随后通过探测器D1或焦平面阵列被检测。探测器D2用于获得参考光谱。光谱和空间分辨的采样传输随后通过将来自探测器D1的信号的傅里叶变换计算为空间位置的函数而得到。焦平面阵列探测器的使用具有可同时在多个点测量光谱从而使获得图像所需的时间最小化的优点。

通过利用探测器测量从样本反射的光，还可以获得光谱分辨的反射数据。所述方案没有单独示出。

CDSL的各种应用一般是成本敏感的，并因而对于可能的产品介绍，使用两个频梳激光器可能是障碍。不过，可以使用所生成频梳的相干以产生脉冲和具有时变延迟的延迟复制之间的干涉图，以便省略一个梳激光器同时仍允许记录两个脉冲之间的干涉图。所述实施例在图16中示出。在该示例中，仅使用了一个梳激光器O1，其中以高频调制所述振荡器的腔长度。分束器B1随后将一些脉冲偏转入长光学延迟线。在通过光学延迟线传播后，出现光学延迟脉冲；我们将这些脉冲称为延迟脉冲。光学延迟线合宜地是长长度光纤60，其中长度在从10m-几十km的范围内，或在100m-10km的范围内；不过也可以采用其它的光学延迟线，例如Herriott气室。在不同的实施例中，光纤长度可在从约5m到约100m的范围内，或其它相似的范围。时间延迟脉冲在分束器B2处与从O1到达的振荡器脉冲发生干涉而没有光学延迟，我们将这些脉冲称为直达脉冲。此外，由于振荡器重复率的快速调制，直达脉冲和延迟脉冲之间的时间延迟是与时间相关的，导致在分束器B2处连续扫描脉冲间隔。

本质上，延迟线产生有效的第二振荡器O2。当仅使用一个具有时间延迟复制的梳激光器即所述有效的第二振荡器时，所有前文所讨论的CDSL的应用因而是可适用的。不过，需要扫描延迟线的任何其它应用也是可能的；所述其它应用例如披露于WO 2009/000079和美国专利5,778,016。例如，此处探测器D5和D6用于测量样本的光学吸收，与已经结合图2所讨论的相似。

对应于图5-图15的示例CDSL还可被设置成具有其时间延迟复制的一个频梳激光器，用于构建有效CDSL或一般的相干扫描激光系统(CSL)。还可以采用放大级和光谱展宽级以便在分束器B1的上游或分束器B2的下游或振荡器O1外的任何其它地方展宽所采用振荡器的光谱。

在图16所示的实施例中，示出了单通光学延迟线，在初次通过后可以采用相等的双通光学延迟线与法拉第(Faraday)旋转器结合以便使光学延迟线中的极化波动最小化。在这种情况，分束器B1还可用于干涉地将直达和延迟脉冲组合。所述结构没有单独示出。此外，实际吸收介质可被插入光学延迟线以便提高吸收测量的灵敏度。例如，可将气体介质引入Herriott气室，用于超灵敏检测痕量气体。

对于小腔长度调制，该扫描延迟线的可实现最大扫描范围与振荡器重复率成比例。因此优选采用在重复率为100MHz或甚至更优选为500MHz或更高下工作的振荡器。高振荡器重复率一般还允许较高的扫描频率。

一个限制是石英光纤的可能的大吸收(量)；尤其对于波长＞1800nm。较低的传输损耗例如可利用硅石光子晶体光纤或由氟化物制成的光子晶体光纤或硫化物光纤或体光学延迟线例如Herriott气室、White气室、或其它合适的光学延迟结构获得。

另一个限制由光学延迟线的色散而产生。不过，可在光学延迟线的端部采用脉冲压缩器用于色散补偿。可替换的，还可实施低色散光纤。同样，当采用体光学延迟线例如Herriott气室、White气室、或其它合适的光学延迟结构时，可以使光学延迟线中的色散最小化。

另一个限制产生于延迟线长度的环境变化，所述变化可例如通过使用本领域公知的有效长度稳定和例如披露于K.Holman等人的′Precise frequencytransfer through a fiber network by use of 1.5-μm mode-locked sources′，Opt.Lett.，vol.29，pp.1554-1556(2004)和J.Kim等人的′Long-term femtosecond timing linkstabilization using a single-crystal balanced cross-correlator′，Optics Letters，32，pp.1044-1046(2007)被消除。一般，延迟线长度变化导致各记录的傅里叶变换光谱之间的缓慢光谱移位。因此，通过用同步记录光学参考例如光学滤波器校准可以计算这些光谱移位。

另一个限制是振荡器脉冲的定时抖动，这产生了直达和延迟脉冲之间的缓慢的随机定时波动。因此，实施低定时抖动振荡器脉冲是有益的。

不过，通过使用光学参考技术，如已经结合图1所讨论的，可进一步抑制直达和延迟脉冲之间记录的干涉图中的随机波动。如上文所述，可以采用两个参考激光器R1和R2，被设置成通过探测器D1-D4干涉直达和延迟脉冲的输出，以便分别检测直达和延迟脉冲的重复率和载波包络偏移频率之差。重复率和载波包络偏移频率的波动的记录随后可用于产生校正的干涉图。校正的干涉图的傅里叶变换随后产生实际的RF光谱，所述实际的RF光谱然后可用于计算光谱。

相似的，由于光学延迟线的近似长度是已知的，来自探测器D2和D3的信息可用于在第二分束器处计算载波包络偏移频率和脉冲重复率的差，因为对于第一阶，光学延迟线不影响载波包络偏移频率或脉冲重复率。此外，可以在光学延迟线的上游测量载波包络偏移频率，以便预测在光学延迟线的输出处的载波包络偏移频率。

为了简化所测得的干涉图的解释，还可以实施光学SSB混频器取代探测器D1-D4，用两对平衡探测器(用于同相和正交检测)替代探测器D1-D4中的每一个，如已经结合图1所讨论的。

可替换的，通过长度稳定的光学延迟线，可以分别测量直达和延迟脉冲之间的重复率和载波包络偏移频率之间的差而不需任何参考，以便获得所测得干涉图的适当的校正和校准因子。作为另一可替换例，可以仅记录载波包络偏移频率(或重复率)的差，而脉冲之间的重复率(或载波包络偏移频率)的差可从另一测量推断出。

图16a示出了包括重复率调制的通用相干扫描激光系统的示例结构。在该示例中，源被设置成用于重复率调制。调制频率优选高于1Hz，可以高于10Hz，并且甚至高于1kHz，取决于应用。在一些应用中，还可以实施低到10mHz(毫赫)并甚至更低的调制频率。在这样低调制频率下，结合图16所讨论的光学参考可以方便地用于测量和校正随机重复率和载波包络偏移频率变化。所述相干扫描延迟线可用于傅里叶变换光谱和其它应用。振荡器重复率可以在5MHz-10GHz的范围内，并且在一些实施例中几十MHz或更高。振荡器是光源的一部分，所述光源还被设置成产生脉冲对。例如，通过利用具有不同传播长度的源(未示出)内部的光学延迟线可产生这些脉冲对。可替换的，可将第二振荡器添加至所述源，如已经结合图1所讨论的。第二振荡器的重复率可以是大致恒定的。至少一个光学参考随后被设置成测量脉冲对延迟(包括脉冲对的两个脉冲之间的时间跨度)，并且在一些实施例中还可用于测量两个脉冲之间的载波包络相位的差。例如在图16中，所述光学参考可包括一个或两个cw参考激光器，尽管也可以采用任何其它形式的光学参考。由脉冲对产生的干涉图由至少一个探测器(未示出)进一步检测，采样并用于计算如在传统傅里叶变换光谱中的光谱。来自光学参考与重复率调制器和脉冲对中的一个或两个相互作用的信息还被用于干涉图的分析。在一些结构中，光学参考可仅用于校准目的并且可以在不继续使用光学参考的情况下进行干涉图的分析。

图17示意性地示出了根据一个实施例用于相干扫描激光系统的振荡器设计1700。振荡器基于法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔并且包括增益光纤，例如用Er、Yb、Tm、Ho或Bi掺杂并通过泵浦源进行泵浦。振荡器包括结合在腔的一端处的可饱和吸收镜(SA)以启动锁模，和在腔的第二端处的反射镜(M1)。色散补偿元件例如体光栅对也可被插入腔，例如在可饱和吸收器之前。修正通过所述光栅对的光传播还可用于快速控制所述振荡器的载波包络偏移频率。如本领域所公知，通过结合适当的光纤耦合器可获得泵浦光和振荡器(信号)输出。通过例如将M1安装到压电转换器上或通过使用反射M(O)EMS[微-(光)-机电系统]元件可以调制镜M1的空间位置和腔的重复率。不过，也可以使用用于重复率调制的任何其它合适的结构。例如，也可以将声光或电光调制器结合入腔。此外，利用适当的双色分束器可将参考激光从腔内侧引导向镜M1，其中可为振荡信号和参考激光选择不同的波长。

本示例的振荡器系统还包括测量系统，用于测量M1的空间位置。例如，M1可以与第二固定镜M2组合以构建法布里-珀罗(Fabry-Perot)参考腔。当观察来自参考腔的单频激光器R1的反射时，可以准确测量镜M1的空间位置，如本领域所公知的。可替换的，通过移去M2并且结合另一固定镜可构建参考迈克耳逊(Michelson)干涉仪以观察参考输出处的干涉图案。所述参考系统没有单独示出。用于测量镜的位置的所述参考系统可从标准傅里叶变换光谱获知，并在此不做进一步讨论。

图18示出了假设正弦调制镜M1，作为时间函数来自参考迈克耳逊(Michelson)干涉仪的参考输出。这里，减去了信号的DC部分，这可以使用本领域公知的双平衡检测来实现。除了所示的示例性同相信号外，正交信号-信号相移90°，也可通过在迈克耳逊干涉仪的一个臂中结合适当的相板同时测量。在图18中还示出了示例性正交信号。所述检测方案在本领域是公知的并且例如披露于P.C.D.Hobbs的′Building Electro-Optical Systems′的图10.4中，John Wiley&Sons(2000)，并在此不再进一步描述。

图17B是根据另一实施例用于相干CSL的振荡器设计1750的可替换结构。这里，示出了利用光纤布拉格光栅作为一个腔镜和可饱和吸收镜作为第二腔镜而构造的法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔。所述振荡器设计例如披露于Fermann等人的美国专利7,190,705，并在此不再进一步讨论。在该示例中，利用结合图17A讨论的类似方案，可以调节可饱和吸收镜的空间位置并且可以测量可饱和吸收镜的位置。如结合图17A所讨论的用于腔长度调制的其它结构也可实施。还可以采用其它振荡器设计。此外，如例如结合图1和16并在’435中所讨论的，在振荡器输出后可实施频率展宽、脉冲压缩和色散补偿级。所述频率展宽级例如还可包括同步泵浦光学参量振荡器(OPO)。当使用CSL时，OPO腔长度可被同步调制到(种子)振荡器的重复率。如结合图7所述，所述OPO还可包括用于灵敏气体测量的气室。

图19示出了基于结合图17A和17B所讨论的振荡器设计的FTS的另一示例性结构。也可以使用其它的振荡器设计。此外，如结合图1和16所讨论的，在振荡器输出后可实施频率展宽、经由OPO、脉冲压缩和色散补偿级。利用CSL的发射包络中的光谱信息，FTS探测采样(样本)的物理特性。这里，结合了产生时间延迟Td的光学延迟线，在分束器B2处产生两个时间延迟脉冲。

对于在频率f_M＝1/T_M的正弦镜调制

$x\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Δx}}{2}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πt}}{{\mathrm{\τ}}_M}\right)$

并且还假设T_M＝2T_d，其中T_d是通过光学延迟线的传播时间，我们在分束器B2处获得作为时间函数的空间脉冲延迟，大致通过下式给出：

$x_{\mathrm{tot}}\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\π}}\frac{T_D}{T_L}\cos \left[\frac{\mathrm{\πt}}{T_D}\right]$

其中T_L是振荡器的往返时间。因此，腔镜的任何运动通过因子(2/π)T_D/T_L放大。在这种情况，两个脉冲之间的镜调制和产生的时间延迟为90°异相。这里，假设x(t)＝0，在分束器B2处脉冲在时间和相位上完美地重叠。

如传统傅里叶变换光谱中公知的，为了从干涉图中获得光谱信息，优选干涉图的均匀采样。均匀采样表示以两个采样点之间的常因子增加两个干涉信号之间的时间延迟。在传统傅里叶变换光谱中，这有时被称为以等距离光学路径长度差进行采样。在使用正弦镜调制的CSL实施例中，标准不适用。

不过，在使用正弦或其它类似函数的CSL结构中，通过采用不均匀采样栅格对调制进行补偿可在分束器B2处获得两个脉冲之间的均匀时间延迟。例如，所述不均匀采样栅格可从在图17A和17B的振荡器的参考输出处获得的参考干涉图产生。对于正弦镜位置变动，参考干涉图产生输出其中x(t)是时间相关的并且

是由参考干涉仪中固定镜的位置所确定的相位偏移。通过测量同相和正交相输出，可以计算

并且估计

此外，为了简便起见，我们还假设固定镜被调节使得

可替换的，可以记录和补偿

图18还示出了由示例性同相和正交信号获得的示例性函数

从而可在分束器B2处获得脉冲延迟，能够计算适当的采样栅格，其中要求采样点之间的脉冲延迟均匀增加。还可以实施用于获得均匀采样栅格的任何其它合适的方法。用于等距离光学路径长度采样的方法的一些示例例如披露于S.A.Roy等人的′Hybrid samplingapproach for imaging Fourier-transform spectrometry′，Applied Optics，vol.46，pp.8482-8487(2007)。

对于T_M＝2T_d的情况，当镜位置接近零时，优选的采样点是宽间隔的，而当镜位置在调制范围的端部处时，要求采样点的窄间隔。图18中通过标记表示用于示例性同相和正交信号和它们的比率的作为时间函数的最佳采样点。

在一些实施例中，例如当使用快速调节镜、MEMS或MOEMS元件，或当使用电光腔长度调制时，一旦要产生随后可被重复用于准确采样两个脉冲之间所产生的干涉图的采样栅格，通过某个应用的调制信号实现的镜位置变动也可被校准。因此，不需要连续监控脉冲的重复率和载波包络变化。在一些实施例中，所述变化可以一次(或以某个时间间隔)测量并且用于解释许多随后获得的干涉图。这大大降低了所要求的信号处理时间。此外，通过使用具有已知吸收线或透射或反射特性的样本可以检查和校准所得到的镜位置变动的准确性。

用于获得均匀采样栅格的特别简单的一种方法是通过窄带通光学滤波器对源光谱进行滤波。所述滤波可以在传播通过光学延迟线和在光学分束器处重新组合后进行，例如如图16所示。通过窄带通光学滤波器测得的光学拍频的相位直接与两个干涉脉冲之间的光学路径长度差成比例。光学拍频因而可被电子采样并且数字采样设备可被直接触发，每当由光学拍频产生的正弦波形通过零点。用于获得均匀采样栅格的所述方案由传统的傅里叶变换光谱也是公知的。此外，窄带通光学滤波器还可随后用于绝对频率校准记录的干涉图。由于温度和声音引起的延迟修改，还可能发生脉冲之间的时间延迟的额外漂移。原则上，通过如结合图16所述以及披露于K.Holman，D.Hudson，J.Ye和D.J.Jones.，Opt.Lett.，vol.30，pp.1225-1227(2005)的公知技术可以稳定光学延迟线的长度。Holman等人所讨论的光纤长度稳定涉及利用两个探测器在传输通过光学延迟线之前和之后的脉冲串的比较。探测器信号的适当混频能够测量探测器之间的相位波动；所检测到的相位噪声随后反馈至光纤长度调制器用于有源光纤长度稳定。可替换的，如图19中所示的第二参考激光器(参考激光器2)可通过B1被连接入不平衡马赫-曾德尔干涉仪并且可通过观察在探测器D4上分束器B2处的第二参考激光器的干涉信号记录和补偿路径长度变化。还可以实施用于记录光学延迟线的路径长度变化的任何其它形式的长度稳定器。对于第一阶，腔端部镜位置的调节不影响激光器的载波包络偏移频率，这简化了所述腔长度调制方案在相干扫描延迟线的实施。

除了本文所解释的将参考激光器用于产生最佳采样栅格外，还可结合f-2f干涉仪以便测量和校正在镜调节过程中可能的载波包络偏移频率波动。此外，’859披露了用于控制载波包络偏移频率波动的各种技术和反馈系统。

此外，如结合图1、图16和’435所解释的，此外可进行锁模激光器与两个参考激光器的差频以便测量和补偿分束器B2后的载波包络偏移频率和时间延迟波动。这些参考激光器可被设置成在光学延迟之前或之后或前后干涉激光脉冲并且还被设置成在分束器B2后干涉脉冲激光。此外，在分束器B2处获得的干涉图可通过两个窄带滤波器例如光纤光栅进行滤波，以便测量和补偿载波包络偏移频率和时间延迟波动。还可以在光学延迟线之前或之后或前后引入光学参考滤波器。具有光学滤波器的光学参考披露于Giacarri等人的′Referencing ofthe beating spectraof frequency combs′(国际专利申请公开WO 2009/000079)并且在此不再进行描述。

除了使用单激光器CSL外，还可以实施双激光相干扫描延迟线(CDSL)用于精确FTS，如图20中所示。所述CDSL也结合图1进行了讨论。为了优化所述CDSL的性能，通常希望调制或抖动一个激光器对于另一个的重复率，例如在美国专利5,778,016和6,393,856(G.Sucha等人)中所披露的。对于正弦腔长度调制，与对于CSL相同的最佳采样点分布的考虑同样适用。

随后可实施结合图1所述的光学参考以便追踪两个锁模激光器的重复率和载波包络偏移频率调制。可替换的，可以采用外部参考激光器，如结合图16所述。图20中示出了包括重复率抖动和光学参考的CDSL。这里，通过调制的腔镜构建O1，而通过固定的腔镜构建O2。对于快速调制率，可忽略激光重复率和载波包络偏移频率的随机波动，这表示可以从镜位置的测量结果推断出在分束器B3处相对脉冲延迟的变化。通过实施结合图19和结合图1所述的cw参考激光器和/或窄带通滤波器可以进一步追踪和补偿激光重复率的调制和载波包络偏移频率的波动。

当实施重复率抖动时，确保脉冲之间的时间延迟围绕相同的参考点抖动是有益的。脉冲交叉事件之间的时间间隔将保持大致恒定。

图19A示出了用于在重复率抖动过程中使零延迟点居中的反馈电路的优选实施例，各个信号在图19B中示意性地示出。在图19B的示图A中，在重复率抖动过程中O1和O2之间的延迟被示为是时间的函数。在所示的示例中，扫描不对零延迟点对称，所述零延迟点由虚水平线表示。在所有的零延迟点处，检测干涉图(图19B，示图B)，在包络探测器中进一步被处理(图19B，示图C)。触发电路检测在设定触发电平处的包络的所有正边缘交叉(图19B，示图C)。这些触发事件改变触发器的状态(图10B，示图D)。输出Q以及触发器的反相输出被低通滤波和比较，产生误差信号。该误差信号可用于改变抖动的占空比，这使得一个振荡器(例如O1)相对于另一个(O2)提前并因此使抖动范围相对于零延迟居中。当抖动范围居中时，误差信号是零。在反馈信号中存在信号二义性，可通过改变信号解决，如果在闭合环路后误差信号的幅度不减小。在不同的实施例中，还可以实施用于稳定脉冲交叉事件之间的时间间隔的其它技术。用于稳定这些时间间隔的一些技术例如披露于美国专利6,396,856。

当在CSL和CDSL的不同实施例中实施频率展宽级时，要考虑两个干涉脉冲之间的非线性相互作用。避免非线性相互作用的一种方式已在’435中进行了讨论，其中披露了两个时间延迟脉冲的频率展宽，随后通过不平衡马赫-曾德尔干涉仪在时间上重叠，所述方案在此不单独示出。相同的原理也适用于结合重复率调制的CSL和CDSL。可替换的，在频率展宽级两个脉冲可以被时间延迟并且沿着两个不同的偏振轴传播并且随后通过引入偏振相关组延迟重新组合。可以实施用于引入和补偿两个干涉脉冲之间的组延迟的任何其它方法。

再次参见图19，并且当实施CSL时，在脉冲在分束器B1处被分束之前可以方便地引入非线性频率展宽级。因此，在干涉脉冲之间避免了非线性相互作用。在不同的实施例中，使用低色散光学延迟线例如上文所述的Herriott气室(例如结合图16所述)以产生时变光学路径延迟是有利的。当在非线性频率展宽级中实施差频混合时，可将载波包络偏移频率设为零，大大简化了所测得干涉图的解释。

CSL和CDSL可用于很多不同的应用中，包括泵浦探测光谱学、光学相干断层扫描(OCT)、LIDAR和光学采样以及要求具有不同时间延迟的两个脉冲的任何其它应用，例如在G.Sucha等人的美国专利5,778,016中所述。

作为对调制激光重复率的替换，通过利用增强腔实施重复率倍增也可以增大信号采集率。增强腔的一个示例结合图7已讨论。图21示出了包括重复率倍增的示例性系统设计。利用增强腔的重复率倍增例如披露于T.Sizer的′Increase inlaser repetition rate by spectral selection′，IEEE J.Quantum Electronics，vol.25，pp.97-103(1989)，并且对FTS的所述腔的应用也在本文中结合图7进行了讨论，其中还讨论了用于稳定两个振荡器的载波包络偏移频率和重复率的适当方法。在图21中，由镜M1和M2界定的增强腔T_c的往返时间被选定为振荡器O1的往返时间T_O1的一部分，其中To₁＝N×T_c。如同结合图7以及美国专利申请No.11/546,998所讨论的，对振荡器O1可以实施适当的相位控制和重复率控制，以便使其相位和重复率最佳匹配到增强腔。

这里，示出了法布里-珀罗(Fabry-Perot)增强腔，但是也可以采用任何其它的腔设计。此外，可以在振荡器的下游采用频率展宽和脉冲压缩级。所述腔有效增大了振荡器O1的重复率，产生1/T_c的脉冲重复率。因此，与没有增强腔的情况相比，通过平衡探测器D1和D2检测的干涉图的可能信号采集率增加了因子To₁/T_c。尽管此处示出了仅对一个振荡器的重复率倍增，原则上利用例如两个增强腔可以进行对于两个振荡器的重复率倍增。

结合图12讨论了被设置成用于测量受激发射光谱的CDSL。图22中示出了结合重复率倍增的CDSL的另一结构。这里，振荡器O1和O2产生宽带宽脉冲，可跨越倍频程的相当部分。宽带宽脉冲还可被进一步放大和光谱展宽(未示出)。振荡器可被设置成以稍微不同的重复率工作并且两个振荡器的载波包络偏移频率可被进一步控制。在该示例中，振荡器O1和O2的输出通过分束器B1和B2被引导到探测器D1上以便获得参考光谱。在下文中，我们将来自振荡器O2的未滤波脉冲称为测试脉冲。振荡器O2的测试脉冲输出的一部分进一步通过窄带通滤波器F1以产生泵浦脉冲。泵浦脉冲可被进一步放大，没有单独示出。来自O2的测试脉冲的重复率随后通过所示的腔被倍增，其中合宜地倍增因子为2是足够的。重复率倍增也可发生在频率展宽之前。来自O2的泵浦脉冲和来自O2的测试脉冲通过分束器4被进一步组合并通过显微镜物镜被引导到测试样本上，其中确保在测试样本上的时间重叠。陷波滤波器F2随后过滤出由另一显微镜物镜采集的窄泵浦脉冲，使得宽带宽测试脉冲被传送至探测器D2，其中它们还与来自振荡器O1的输出经由分束器B5组合。对于强泵浦脉冲，受激拉曼散射发射导致测试脉冲内部某些光谱带的放大(或衰减)。通过改变两个显微镜物镜之间的测试样本的位置产生空间分辨信息。

在图22中，示出了用于透射测量的结构。类似的结构还可用于反射测量，其中对光学系统有改动。在一些实施例中，可以获得反射和透射测量(结果)。两个振荡器可由相同的泵浦激光器进一步进行泵浦以便噪声降低并且通过实施双平衡检测方案可获得提高的信噪比。

增强腔的使用有效地使可能的信号采集率加倍，因为仅每隔一个的测试脉冲受到泵浦脉冲的干扰。通过减去用泵浦脉冲开关检测到的测试脉冲光谱，可以容易地获得受激拉曼发射光谱的准确测量结果。

尽管结合图22讨论了共线结构中仅通过一个泵浦脉冲进行探测脉冲修正，原则上可使用任意数量的泵浦脉冲并且在探测和振荡器脉冲之间不要求共线结构以便通过CDSL或CSL结构中的本地振荡器参考脉冲观察探测修正。尤其是，CSL也可用于一般的二维光谱。图23中示出了基于CSL的用于二维傅里叶变换光谱的可能(可行)结构。这里，可以实施结合图17A或17B所述的振荡器或具有调制重复率的任何其它锁模振荡器。

通过两条光学延迟线DL1和DL2的结构，来自振荡器或一般信号源的脉冲被分成三个脉冲序列(不必然是共线的，即，可采用本领域公知的箱形几何结构)。为了固定这些脉冲之间的延迟，所述脉冲由一个振荡器脉冲产生。用于二维光谱的所述三个脉冲序列已结合图12A进行了讨论。这里，第一光学延迟(线)允许前两个脉冲之间的可调节时间间隔τ，这在Hochstrasser中被称为相干时间调整τ。第二光学延迟线允许第三脉冲相对于前两个脉冲调节时间间隔，这在Hochstrasser中被称为等待时间调整T。这三个脉冲随后可产生光子回波信号脉冲，所述脉冲通过由延迟线DL3延迟的振荡器脉冲被光学采样为时间t(在Hochstrasser中被称为检测时间)的函数，并且通过探测器D1和D2进行检测。

延迟线DL3被设置成产生脉冲4，所述脉冲4被设置成在相当于至少若干个振荡器往返时间的时间后干涉脉冲1-3以便产生时变脉冲延迟。原则上，任何其它的延迟线也可被以这种方式设置，这允许在脉冲1-3之间产生时间相关脉冲延迟而不需任何运动部件。

通过延迟线产生所得到的时域干涉图可沿着变量t和τ进行傅里叶变换以便产生二维吸收光谱。作为单个读出脉冲3的替代，还可以实施一序列的读出脉冲。此外，可以调制前两个脉冲以提高测量的灵敏度。此外，通过前两个脉冲开关可直接测量脉冲3的传输。

所述二维吸收光谱对于分析复杂分子结构非常有用，如例如Hochstrasser所讨论的。由于相比于Hochstrasser所披露的传统二维光谱法，用图23所示结构对二维光谱法可能的采集速度大大提高，因此通过在样本之前或样本之后采用适当的聚焦和光学扫描结构，结合图23示例所讨论的泵浦探测结构还可适用于光学成像应用和显微镜学。此外，修正实际脉冲以及它们的空间和时间结构和排序以及采用更大数量的脉冲序列也是可能的，允许一般多维光谱测量。

举例来说，发明人构造了包括光学参考的CSL。图24中示出了一种设计示例。这里，梳激光器如图17A所示构造，一些不同点在下文讨论。首先，没有使用单独的参考激光器R1，而是将光纤布拉格光栅(FBG)用于光学参考，并且设置在梳激光器的下游。图17A的镜子对M1-M2也被单个腔内动镜替代，在图24中在行进范围的极限处示出(由箭头示出)。此外，高度Yb掺杂的光纤被用作增益光纤，长度为6cm，并且用980nm激光二极管进行泵浦。此外，色散补偿元件(未示出)被插入在振荡器内部SA之前，对应于图17A。在该示例中，色散补偿元件包括线密度为600l/mm的两个体透射光栅。增益光纤、泵浦、隔离器、和传输光学装置的布置(结构)在其它方面如17A示意性所示。

光纤布拉格光栅在图24中被示为FBG并连接至循环器C。来自固定延迟线的输出被连接至循环器，并随后反射出FBG并通过探测器D检测。当使激光器工作在零色散点附近、输出功率为10mW、重复率为60MHz，激光器产生大致100fs的脉冲，光谱带宽为20nm。中心波长是1030nm。腔内动镜被安装在绝对行进范围为约10μm的压电转换器(PZT)上，尽管在这里以1kHz的调制频率仅使用了1.25μm行进范围。图24中示意性地示出了动镜，具有两个矩形和下面的箭头。所述两个矩形的所示围绕轮廓包含图17A的所有部件，除了上文所讨论的不同外。利用动镜M1以及两个固定镜(未示出)，通过光学折叠腔长度调制增加了8倍到总腔长度调制为±5μm。光学延迟线具有的长度为约260m，并因此与腔长度调制相比，路径长度调制使可能的脉冲间隔增加了大致50的因数。因此，光纤布拉格光栅处的最大可实现脉冲延迟约为0.25mm。光学延迟线中的色散进一步通过光纤布拉格光栅进行补偿，尽管光学延迟线的色散补偿不是绝对需要的。

图25中示出了通过探测器D经由光学采样设备记录的干涉图。干涉图的起点与PZT的转点一致。由于存在低通RF滤波器，在开始处干涉图的幅度较低。在PZT振荡过程中由倾斜运动偏离线性轴而出现的任何调幅需要被最小化。所述调幅可能引起振荡器中的张弛振荡并且导致载波包络偏移频率的大变化。为了记录实际干涉图，所示参考干涉图的零点交叉可用于触发实际采样设备。还可以实施参考脉冲的倍频以增大采样点的准确性。

图26中示出了从干涉图获得的傅里叶变换。这里，宽光谱对应于未校正干涉图的傅里叶变换，而窄光谱对应于校正用于采样点之间的等距光学路径长度差的干涉图的傅里叶变换。傅里叶变换校正的带宽相当于中心频率(4MHz)的五百分之一(1/500^th)，由在1μm下记录500条纹而预期。在光频中，分辨率因而相当于20cm^-1或大约2nm。还证实通过一个干涉图获得的镜移动的校准可用于其它干涉图的校正。这是由于PZT的高频率振荡，导致PZT中优选正弦激励的机械振动，其中仅2或3个显著较低幅度的较高次谐波从振荡周期到振荡周期高度可再现。通过现有PZT级，在振荡频率可达到几kHz下可预见可达到20μm的腔长度调制。通过现有机电音圈，在kHz重复率下镜动可达到100μm行进量是可能的，而MEMS镜可在1kHz下实现高达1mm的行进范围。通过锁模振荡器工作在几百MHz重复率并且光学延迟(线)长度为几百米，可获得的光频分辨率＜1cm^-1。通过优化设计的系统可获得光频分辨率＜0.1cm^-1和＜0.01cm^-1。在扫描率为10-100Hz下移动镜的行进范围可达到1mm是合适的，振荡器工作在几百MHz重复率，在这些较低扫描频率下m范围的放大扫描范围是合适的。注意，通过光纤布拉格光栅FBG记录干涉图，还可记录延迟线的长度波动以及两个干涉脉冲之间的定时抖动，因为干涉图的零交叉点对应于两个光学脉冲之间相等光学路径长度差的点。通过使用来自相同振荡器的两个干涉脉冲，干涉脉冲变得强关联并因而还可大大降低这两个脉冲之间的任何载波包络波动。因此，仅将一个光纤布拉格光栅用作光学参考进行高光谱分辨率测量变为可能。通过利用与光纤布拉格光栅结合的标准具或通过也将一个或两个cw参考激光器用于光学参考(如前文结合图16所述)可进一步提高分辨率。

至此，发明人已经描述了CDSL、有效CDSL、CSL及其一些应用，以及用于实施的各种替换例包括高度集成结构。

至少一个实施例包括相干双扫描激光系统(CDSL)。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工作在稍微不同的重复率，以便与第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2相比，重复率的差δf_r是小的。所述第一振荡器产生第一光学发射包络内的由f_r1分隔的多条频率线，而所述第二振荡器产生第二光学发射包络内的由f_r2分隔的多条频率线。所述系统还包括工作在各自cw参考频率f_x和f_y的第一和第二cw参考激光器，第一和第二cw参考激光器中的每一个与第一和第二振荡器中的每一个光学连接，并且产生位于每个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f_b1从第一振荡器的频率线分开和由f_b2从第二振荡器的频率线分开的频率线。所述第二cw参考激光器具有由f_b3从第一振荡器的频率线分开和由f_b4从第二振荡器的频率线分开的频率线。所述cw参考激光器和振荡器被设置成产生对应于Δf₂＝f_b1-f_b2和Δf₁＝f_b3-f_b4的RF拍频。例如，所述RF拍频通过锁相环被锁定至外部RF参考信号。

在不同的实施例中，CDSL可包括光学连接至每个振荡器的非线性频率转换部分，并且所述部分可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。

在不同的实施例中，非线性频率转换部分可包括光学参量振荡器。

在不同的实施例中，光学参量振荡器可包括用于痕量气体检测的气室。

在不同的实施例中，频率转换部分包括接收和组合多个输入频率并以其差频产生光谱输出的输出部分。

在不同的实施例中，CDSL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，其中光谱分量在振荡器发射包络内。

在不同的实施例中，所述CDSL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、发射光谱学、拉曼光谱学、受激拉曼光谱学、拉曼光谱成像、和多维光谱学中的一种或多种。

在不同的实施例中，测量或成像设备包括用于光学扫描的元件。

在不同的实施例中，CDSL包括锁相环以便控制振荡器中的一个的重复率。

在不同的实施例中，CDSL包括锁相环和f-2f干涉仪以便控制第一和第二振荡器中的一个的载波包络偏移频率的值。

在不同的实施例中，锁模振荡器包括锁模固态、光纤或二极管激光振荡器。

在不同的实施例中，锁模振荡器包括Nd、Yb、Tm、Er或Bi光纤振荡器。

在不同的实施例中，至少一个光纤放大器放大一个或多个振荡器输出。

在不同的实施例中，非线性频率转换部分包括差频产生器。

在不同的实施例中，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。

例如，在不同的实施例中，提供了用于监控两个振荡器中至少一个的载波包络偏移频率的绝对值的装置，并且所述装置可包括检测和信号处理设备。

例如，在不同的实施例中，包括了用于监控至少振荡器中一个或两个的重复率的装置，并且所述装置可包括探测器和信号处理设备。

在不同的实施例中，拍频Δf_b1和Δf_b2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。

在不同的实施例中，两个参考腔用于cw激光器的频率控制。

不同的实施例包括在往返时间上与振荡器中的一个的重复率相匹配的增强腔，以便提高插入腔中的痕量气体的检测灵敏度。

至少一个实施例包括具有CDSL的系统；发射THz辐射来响应CDSL的输出的材料；和响应THz辐射的探测器。

在不同的实施例中，CDSL产生短光学脉冲串，并且系统包括：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共同光学路径传播的至少一串短光学脉冲串；和双臂干涉仪，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涉。

在不同的实施例中，臂长差相当于第一和第二振荡器的腔往返时间的大致三分之一。

在不同的实施例中，CDSL包括：分束器，所述分束器用于组合第一和第二振荡器的输出；至少一个探测器，所述至少一个探测器用于检测由组合的振荡器输出产生的拍频信号；和信号处理器，所述信号处理器接收和处理拍频信号，所述拍频信号表示插入任一振荡器输出的光学路径中的至少一个、位于分束器上游的样本的吸收、发射或相位光谱。

在不同的实施例中，CDSL包括：分束器，所述分束器用于组合振荡器的输出；至少一个探测器，所述至少一个探测器检测由组合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拍频信号，所述拍频信号表示插入组合的振荡器输出的光学路径、位于分束器下游的样本的吸收、相位或发射光谱。

在不同的实施例中，探测器被设置成记录拍频光谱计一时间段，超过第一和第二振荡器之间的重复率差的倒数。

在不同的实施例中，包括了第二探测器，用于记录参考光谱。

在不同的实施例中，CDSL包括第二探测器，所述第二探测器用于记录样本的吸收或发射光谱或相位响应，通过记录两个探测器之间的检测电流差进一步增强了检测灵敏度。

在不同的实施例中，CDSL包括：具有偏振轴的光学放大器，所述放大器被设置在第一和第二振荡器的下游。所述CDSL还包括偏振轴与放大器的轴相对应的非线性频率转换部分，所述部分光学连接至放大器的输出并且产生放大和频率转换的输出。所述振荡器被设置成沿着放大器的不同偏振轴并且沿着非线性频率转换部分的相应偏振轴传播相应(各自)的振荡器输出。偏振分束器沿着两个偏振轴分离放大和频率转换的输出。包括了用于沿着两个偏振轴干涉组合放大和频率转换的输出的分束器，并且所述用于干涉组合的分束器被设置在样本的下游。探测器沿着用于干涉组合的分束器的两个输出检测两个振荡器之间的拍频信号。信号处理器记录两个探测器之间检测电流的差。

不同的实施例包括双平衡检测结构，所述双平衡检测结构用于记录一次或多次透射和反射的样本的一次或多次吸收、发射和相位响应。

在不同的实施例中，通过共同的泵浦激光器泵浦两个振荡器。

在不同的实施例中，CDSL被设置成从第一振荡器产生强泵浦和弱探测光束，其中在泵浦和探测脉冲之间有可调时间延迟，其中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连接(耦合)入样本，并且其中第二振荡器用于检测在探测光束的传播特性中引起的变化，所述变化由泵浦光束引起。

在不同的实施例中，传播特性包括相位或吸收变化。

在不同的实施例中，传播特性包括时间相关相位或吸收变化。

在不同的实施例中，CDSL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对样本进行光学成像或在样本中进行显微镜分析。

至少一个实施例包括系统，所述系统具有：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，使得与第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2相比重复率差δf_r是小的。第一振荡器产生在第一光学发射包络内的由f_r1分隔的多条频率线。第二振荡器产生在第二光学发射包络内的由f_r2分隔的多条频率线。所述系统可被设置成利用傅里叶变换光谱学技术进行发射测量。

在不同的实施例中，所述系统被设置成在反射或透射之一或两者中探测自发和受激拉曼发射光谱之一或两者。

在不同的实施例中，所述系统被设置成探测发射电磁辐射的装置的光谱输出。

在不同的实施例中，所述系统被设置成用于自发拉曼显微镜学(分析)。

在不同的实施例中，所述系统被设置成用于受激拉曼显微镜学(分析)。

在不同的实施例中，所述系统被设置成用于受激相干反斯托克斯(anti-Stokes)拉曼(Raman)显微镜学(分析)。

在不同的实施例中，可以共振增强发射。

在不同的实施例中，通过表面增强拉曼散射或共振拉曼散射可增强拉曼发射。

至少一个实施例包括系统，所述系统具有：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δf_r与第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2相比是小的。所述第一振荡器产生在第一光学发射包络内的由f_r1分隔的多条频率线。所述第二振荡器产生在第二光学发射包络内的由f_r2分隔的多条频率线。所述系统包括测试样本。所述系统被设置成使得第二振荡器发射被连接(耦合)入测试样本，所述测试样本相干修改由第二振荡器产生发自测试样本的发射。第一振荡器被设置为本地振荡器，对发自测试样本的发射进行采样。

例如，不同的实施例包括用于振荡器输出的光谱展宽和滤波的装置，并且所述装置可包括高度非线性光纤和/或光学滤波器。

至少一个实施例包括系统，所述系统具有：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δf_r与第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2相比是小的。第一振荡器产生在第一光学发射包络内的由f_r1分隔的多条频率线。第二振荡器产生在第二光学发射包络内的由f_r2分隔的多条频率线。振荡器中的一个的输出被连接(耦合)入测试样本。所述测试样本修改由振荡器输出产生发自测试样本的发射。所述系统可被设置成用于测试修改的发射的光谱、光谱相位、时间和时间相位特征中的一个或多个。

在不同的实施例中，所述系统包括用于振荡器输出的光谱展宽和滤波的装置。

在不同的实施例中，系统可被设置成：由第一振荡器产生强泵浦和弱探测光束，在泵浦和探测脉冲之间具有可调时间延迟，其中第二振荡器被设置成产生信号光束，泵浦和探测光束被连接(耦合)入光学样本，并且其中第二振荡器产生输出，所述输出表示由泵浦光束在探测光束的传播特征上引起的变化。

至少一个实施例包括一种用于从光学样本获得拉曼光谱的方法。所述方法包括：测量在传播通过样本过程中由泵浦脉冲引起的探测脉冲的相位扰动，其中由第一锁模信号激光器产生泵浦和探测脉冲，并且相位测量由通过用作本地振荡器的第二锁模激光器产生的信号获得，其中第一和第二激光器被设置成以稍微不同的重复率工作。

至少一个实施例包括一种用于从光学样本获得发射光谱的方法。所述方法包括：测量在传播通过样本过程中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。通过第一和第二干涉信号的倍增获得发射测量结果。通过样本发射光学干涉泵浦脉冲得到第一干涉信号。通过由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样本发射得到第二干涉信号。第一和第二激光器被设置成以稍微不同的重复率工作。

至少一个实施例包括一种系统。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δf_r与第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2相比是小的。第一振荡器产生在第一光学发射包络内的由f_r1分隔的多条频率线。第二振荡器产生在第二光学发射包络内的由f_r2分隔的多条频率线。所述系统可被设置成用于二维发射/吸收光谱测量。

在不同的实施例中，实施二维傅里叶变换光谱(学)技术，用于提取二维发射/吸收光谱信息。

在不同的实施例中，系统可被设置成用于多维光谱学(分析)。

在不同的实施例中，振荡器的重复率对第一和第二振荡器的重复率差的比率可在从约10⁶到约10⁹的范围内。

在不同的实施例中，第一和第二振荡器可具有基本相似的发射包络。

在不同的实施例中，CDSL可包括数字和/或模拟锁相环。

在不同的实施例中，成像设备可包括焦平面阵列探测器。

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。所述系统包括光源以产生输出，包括在一重复率下的光学脉冲，其中光源的重复率被调制。所述(光)源包括：位于输出上游的至少一个锁模振荡器，和第一分束器，所述第一分束器被设置成将输出分束成具有不同传播长度的两条光学路径。沿着两条光学路径传播的脉冲在第二分束器处重新组合。

在不同的实施例中，一条光学路径可包括光学延迟线，所述光学延迟线包括一长度的光纤。所述长度可以是在从约10米到几十千米(km)的范围内。在一些实施例中，所述长度可以是在从约100m到10km，约5m-100m，或其它相似的范围。

在不同的实施例中，第一和第二分束器是相同的。

在不同的实施例中，相干扫描激光系统被设置成用于傅里叶变换光谱学。

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。所述系统包括具有至少一个锁模振荡器的光源。所述光源以一时变重复率产生光学脉冲。重复率调制器被设置成以一调制率调节重复率。所述源产生包括脉冲对的输出。所述系统包括具有至少一个光学元件的光学参考，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脉冲对的两个脉冲之间的时间延迟。

在不同的实施例中，脉冲对之间的时间延迟的变化率与调制率和/或调制率的函数一致。

在不同的实施例中，所述源包括锁模振荡器下游的第一分束器，所述分束器被设置成沿着具有不同传播长度的两条光学路径传播锁模振荡器的输出；和光束组合器，所述光束组合器被设置成重新组合沿着两条光学路径传播的脉冲。

分束器和/或光束组合器可包括体光学部件，例如体光学分束器。在一些实施例中，可以采用光纤耦合器和/或任何合适的集成光学装置，单独或与体光学元件结合使用。

在不同的实施例中，由相同的部件构成分束器(光束分离器)和光束组合器。

在不同的实施例中，光束分离器(分束器)和/或光束组合器可包括光纤耦合器、体光学分束器或其组合。

在不同的实施例中，源包括以第二重复率工作的第二锁模振荡器。通过第一源产生自脉冲对的第一脉冲。通过第二源产生自脉冲对的第二脉冲。

第二振荡器的第二重复率近似恒定。

在不同的实施例中，至少一个光学元件被设置成用于测量脉冲对的两个脉冲之间的载波包络相位差。

在不同的实施例中，重复率调制器调制振荡器的腔长度。

重复率调制器可包括安装在压电转换器的腔镜、MEMS、MOEMS镜、声光或腔内电光调制器中的一种。

光学参考可包括干涉仪，以测量锁模振荡器的腔内元件的位置。

腔内元件可包括锁模振荡器的腔镜。

光学参考可包括至少一个窄带通光谱滤波器以便对脉冲对进行滤波。

光学参考可包括至少一个cw参考激光器，所述激光器被设置成记录脉冲对和至少一个参考激光器之间的拍频信号。

在不同的实施例中，包括了稳定器，所述稳定器用于主动稳定不同的传播长度。

参考激光器可被设置成测量不同的传播长度。

在不同的实施例中，光谱展宽级可被设置在所述源或锁模振荡器的下游。

在不同的实施例中，光谱展宽级可包括光学参量振荡器。

在不同的实施例中，光学参量振荡器可包括用于痕量气体检测的气室。

光谱展宽级可被包括在所述源中和/或被设置在所述源的下游。

在不同的实施例中，可包括用于色散补偿的光学部件，并且所述光学部件可被设置成用于沿不同的传播路径均衡色散。

在不同的实施例中，提供了探测器，以检测脉冲对之间的干涉图。不同的实施例可包括用于在构成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。

用于产生采样点的装置可包括数字和/或模拟信号处理器，并且可以是可编程的。

在不同的实施例中，相干扫描激光系统可被设置为用于傅里叶变换光谱学(分析)的系统的一部分。

在不同的实施例中，重复率调制器的调制率可大于约1Hz。

在不同的实施例中，重复率调制器的调制率可大于约10Hz。在不同的实施例中，重复率调制器的调制率可大于约1kHz。

不同的实施例可包括用于稳定第一重复率的平均值以便与第二重复率相等的装置，其特征在于：来自两个振荡器的脉冲之间脉冲交叉事件间的时间间隔作为时间函数是近似恒定的。

在不同的实施例中，用于以等距光学路径长度差产生采样点的装置包括检测参考干涉图并且将参考干涉图的零交叉点用于第二干涉图的采样。

在不同的实施例中，相干扫描激光系统可被设置为用于二维傅里叶变换谱学(分析)的系统的一部分。

至少一个实施例包括相干双扫描激光系统(CDSL)。所述系统可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δf_r与第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2相比是小的。所述系统包括增强腔，所述增强腔用于使至少一个振荡器的重复率倍增一整数因子；用于将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。所述系统还包括用于在一个振荡器的重复率倍增后检测两个振荡器之间的干涉图的装置。

不同的实施例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振荡器的光谱范围的频率转换光谱。

在不同的实施例中，光学参考产生校准信号，并且所述系统还包括信号处理器，所述信号处理器接收校准信号并且校准作为时间函数的时变脉冲延迟达重复率调制器的多于一个调制周期。

在不同的实施例中，CDSL被设置成用于泵浦探测测量。

不同的实施例包括用于沿两条传播路径的至少一部分放大脉冲的元件，例如至少一个光纤放大器。

光学传播路径可包括体光学部件和一长度的光纤之一或两者。

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。所述系统包括光源，产生输出。所述输出包括一重复率的光学脉冲。重复率是可调制的。所述源包括所述源和第一分束器的输出的上游的至少一个锁模振荡器。分束器将输出分成两条光学路径，具有不同的传播长度，并且沿着两条光学路径传播的脉冲在第二分束器处重新组合。

在不同的实施例中，第一和第二分束器是相同的。

在不同的实施例中，所述系统被设置成用于傅里叶变换光谱学(分析)。

至少一个实施例包括相干双扫描激光系统(CDSL)。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分别以稍微不同的重复率f_r1和f_r2工作，使得重复率差δf_r＝f_r1-f_r2与第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2相比是小的。第一振荡器产生在第一光学发射包络内的由f_r1分隔的多条频率线。第二振荡器产生在第二光学发射包络内的由f_r2分隔的多条频率线。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_ceo1和f_ceo2工作，载波包络偏移频率差为Δf_ceo＝f_ceo1-f_ceo2，其中Δf_ceo不必然不同于零。所述系统还包括以相应的cw参考频率f_x工作的至少一个cw参考激光器，所述cw参考激光器与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。cw参考激光器具有由f_b1从第一振荡器的频率线分隔和由f_b2从第二振荡器的频率线分隔的频率。所述系统还包括：用于产生与Δf₂＝f_b1-f_b2、f_b1、f_b2、δf_r、f_r1、f_r2、Δf_ceo、f_ceo1、f_ceo2中的任意一个成比例的至少一个RF信号的装置，其中RF信号被稳定至外部RF参考信号；用于检测RF信号和RF参考信号之间的残余相位差的装置；和包括信号处理器用于应用检测到的相位差以获得对Δf₂、f_b1、f_b2、δf_r、f_r1、f_r2、Δf_ceo、f_ceo1、f_ceo2中的任意一个的值校正的装置。

在相干双扫描激光系统(CDSL)的不同实施例中，通过锁相环或锁频方案将RF信号稳定至所述外部RF参考。

在不同的实施例中，可以可操作地连接信号处理器以处理从Δf₂、f_b1、f_b2、δf_r、f_r1、f_r2、Δf_ceo、f_ceo1、f_ceo2和参考得到的任何信息信号并且可通过锁相环提供校正。至少一个实施例包括相干双扫描激光系统(CDSL)。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δf_r与第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2相比是小的。第一振荡器产生在第一光学发射包络内的由f_r1分隔的多条频率线，而第二振荡器产生在第二光学发射包络内的由f_r2分隔的多条频率线。所述系统还包括：用于检测拍频Δf₂和Δf₁的装置，所述拍频对应于在光学发射包络内两个不同位置的来自两个振荡器的两个随后相邻梳形线之间的差。用于检测拍频的装置利用光学组合两个锁模振荡器的输出并且使组合的输出通过两个单独的窄带通光学滤波器。拍频通过锁相环被锁定至外部RF参考信号。

在不同的实施例中，相干扫描激光系统被设置为用于傅里叶变换光谱学(分析)的系统的一部分，其中光谱分辨率＜1cm^-1。

在不同的实施例中，相干扫描激光系统被设置为用于傅里叶变换光谱学(分析)的系统的一部分，其中光谱分辨率＜0.1cm^-1。

在不同的实施例中，相干扫描激光系统可包括双平衡检测结构，以限制干涉图中的幅度噪声。

因此，尽管本文仅具体描述了某些实施例，显而易见在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以对所述实施例进行多种修改。此外，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，这些缩写词不旨在减弱所用术语的通用性并且它们不应被解释成将权利要求的范围限定于本文所述的实施例。

Claims (97)

1.一种相干双扫描激光系统(CDSL)，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δf_r与所述第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2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f_r1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f_r2分隔的多条频率线；

以各自的cw参考频率f_x和f_y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f_b1从所述第一振荡器的频率线分隔开和由f_b2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f_b3从所述第一振荡器的频率线分隔开和由f_b4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Δf₂＝f_b1-f_b2和Δf₁＝f_b3-f_b4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CDSL，

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CDSL，其中所述CDSL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CDSL，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CDSL，其中所述锁模振荡器包括Nd、Yb、Tm或Er光纤振荡器。

11.根据权利要求1所述的CDSL，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CDSL，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CDSL，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Δf_b1和Δf_b2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CDSL，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CDSL，其中所述CDSL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CDSL，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CDSL，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CDSL，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26所述的CDSL，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CDSL，所述CDSL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δf_r与所述第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2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f_r1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f_r2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δf_r与所述第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2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f_r1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f_r2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δf_r与所述第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2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f_r1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f_r2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δf_r与所述第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2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f_r1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f_r2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/吸收光谱信息。

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CDSL，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54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合。

56.根据权利要求54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54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54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54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54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54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54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54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54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54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54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54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54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54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54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54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54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(CDSL)，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δf_r与所述第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2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54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54所述的CDSL，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(CDSL)，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f_r1和f_r2，使得重复率差δf_r＝f_r1-f_r2与所述第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2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f_r1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f_r2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_ceo1和f_ceo2工作，所述载波包络偏移频率差为Δf_ceo＝f_ceo1-f_ceo2，其中Δf_ceo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f_x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f_b1从所述第一振荡器的频率线分隔开和由f_b2从所述第二振荡器的频率线分隔开的频率；

用于产生与Δf₂＝f_b1-f_b2、f_b1、f_b2、δf_r、f_r1、f_r2、Δf_ceo、f_ceo1、f_ceo2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Δf₂、f_b1、f_b2、δf_r、f_r1、f_r2、Δf_ceo、f_ceo1、f_ceo2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(CDSL)，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δf_r与所述第一和第二振荡器的重复率的值f_r1和f_r2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f_r1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f_r2分隔的多条频率线；

用于检测拍频Δf₂和Δf₁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54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＜1cm^-1。

91.根据权利要求54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＜0.1cm^-1。

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54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。

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