JP2012519879A - デュアルパルスレーザシステムによる光走査及び撮像システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、光撮像のための走査パルスレーザシステムに関する。コヒーレントデュアル走査レーザシステム（ＣＤＳＬ）とその適用例を開示する。高集積化構成を含む種々の実施例について例示する。少なくとも一実施形態において、コヒーレントデュアル走査レーザシステム（ＣＤＳＬ）は、２つの受動的モードロックファイバ発振器を備える。発振器は、繰り返し率の差δfrが発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように構成される。また、ＣＤＳＬシステムは、各発振器に光接続された非線形周波数変換部を備える。変換部は、あるスペクトル帯域幅を有し、前記発振器の繰り返し率の高調波からなる周波数コムを有する周波数変換スペクトル出力を発生させる非線形光学素子を備える。ＣＤＳＬは、光撮像、顕微鏡検査法、顕微分光法、及び／又は、ＴＨｚ撮像のうちの１以上のための撮像システムに配置することができる。

Description

本発明は、光撮像のための走査パルスレーザシステムに関する。
δ= |(f1−f2)| << f1かつδ= |(f1−f2)| << f2となるような２つのわずかに異なる繰り返し率f1及びf2で動作する２つのモードロックレーザを備えたデュアルパルスレーザシステムは、光伝導スイッチや集積回路等、種々の電子及び光電子装置の光応答機能を迅速に調べるのに役立つ機器である。また、Sucha等の米国特許第5,778,016号及び第6,396,856号に開示されるように、ＴＨｚ撮像にデュアルパルスレーザシステムを使用することも提案されている。
van der Weideによる米国特許第5,748,309号に提案されているように、光応答機能を調べるのに、デュアルモードロックレーザの使用に代えてデュアル電子回路システムを用いることができる。このアプローチは、ＴＨｚスペクトル域における信号伝送のスペクトル依存性を調べる際に利点がある。ここでも２つのわずかに異なる繰り返し率f1及びf2で動作する２つのパルス信号ソースが開示されているが、これらは、２つの繰り返し率の純粋な高調波を有する周波数ラインからなるＴＨｚスペクトル域にて放射を行う。そして、δ, 2δ, … nδのビート信号検出により、繰り返し率f1, 2f1, … nf1の高調波の信号伝送を推測する。なお、この方式では、δという低い差周波数のビート信号を使用するが、一般にδの値は小さく、音響ノイズが信号を劣化させることがあることから、これは理想的ではない。
モードロックレーザの使用については、Keilmann等により、”Time domain mid-infrared frequency-comb spectrometer”（タイムドメイン中間赤外線周波数コム分光計）、 Opt. Lett., vol.29, pp.1542-1544 (2004) にも開示されている。Keilmann等は、フーリエ変換分光法（ＦＴＳ）にデュアル走査レーザシステムを使用することと、赤外線スペクトル域における物質のスペクトル透過分析を提案している。
デュアルレーザ走査の走査率を改善するために、Keilmann等はさらに、国際特許出願公報WO2007/045461にて、’016号特許に記載される技術と同様の技術を用いて、一方のレーザの繰り返し率を他方のレーザに対してディザリングすることを提案している。
また、分光法にレーザを使用することは、Haensch等により、米国特許第号7,203,402号においても提案されている。この文献では、光学素子の所定の特性を測定するのに、モードロックレーザによる単一周波数コムレーザを使用している。この場合、コムレーザの各周波数ラインにて、同時又は順次、測定を行っている。
近年、周波数コムレーザを従来のフーリエ変換分光計と組み合わせて、スペクトル測定の際の信号雑音比を改善している（J. Mandon等、”Fourier transform spectroscopy with a laser frequency comb”（レーザ周波数コムを用いたフーリエ変換分光法）、 Nature Photonics 2009）。
従来のデュアル走査レーザシステムは、分光法に適用した場合の制限が多い。設けられたレーザソースの繰り返し率が低いことから、データ取得時間が極端に長くなる。また、近赤外線から中間赤外線のスペクトル域の信号生成技術は比較的扱いにくい。大型の固体レーザを備えたシステムは、計測器としての用途に適さず、必要な部品点数も多い。他のシステム（P. Giaccari等、”Active Fourier transform spectroscopy combining the direct RF beating of two fiber-based mode-locked lasers with a novel referencing method”（２つのファイバ系モードロックレーザのダイレクトＲＦビーティングと新たな参照法とを組み合わせたアクティブフーリエ変換分光法）、Opt. Express, vol.16, pp.4347 (2008)）や（I. Coddington等、”Coherent Multiheterodyne Spectroscopy Using Stabilized Optical Frequency Combs”（安定化光周波数コムを用いたコヒーレント・マルチヘテロダイン分光法）、Phys. Rev. Lett. 100, 13902 (2008)）では、非常に限られたスペクトル範囲しかカバーできない。
以下、モードロックレーザの離散周波数スペクトル、例えば、コムスペクトルを利用し、しかも、レーザ発振器内の精密なコム制御を必要としない又はそれに頼らないようなデュアル走査レーザシステムのことを、コヒーレントデュアル走査レーザ（ＣＤＳＬ）と呼ぶ。
ここでは、分光法、顕微分光法、顕微鏡検査法、フーリエ変換分光法（ＦＴＳ）、光及びＴＨｚ撮像、及び／又は、同様の用途のための新たなＣＤＳＬを開示する。ＣＤＳＬは、高走査速度を可能にする高い繰り返し率で動作するように設計されたモードロックファイバレーザに基づいている。非線形スペクトル拡張光学素子を設けることで広いスペクトル域をカバーするように設計された低ノイズ位相制御レーザを設けることにより、効率的な分光測定が可能となる。種々の小型設計について説明する。種々の実施形態において、各非線形スペクトル拡張素子を同時に使用するとともにレーザ間の適切な時間遅延を用いることで、さらに部品点数の削減を達成する。
さらに、可視スペクトル域から中間赤外線スペクトル域の光出力を発生させるコヒーレント超広帯域発生とともに、高非線形導波管を用いる場合を開示する。差周波数発生（ＤＦＧ）により、中間赤外線スペクトル域の出力が得られ、ＦＴＳの実施が簡単になる。ＤＦＧにより、レーザ共振器外部のキャリアエンベロープオフセット周波数の変動がなくなるので、レーザ繰り返し率の真の高調波からなる出力スペクトルが得られる。
光伝導アンテナについては、ＴＨｚスペクトル域のスペクトル放射が得られる。
差周波数発生を効果的に使用するために、それぞれ２出力ずつ有するようにモードロックレーザを構成してもよい。さらに増幅器を設けて、それらの出力を増幅してもよい。そして、これらのファイバレーザ出力のスペクトル拡張を行うために超広帯域発生を行えばよい。超広帯域のスペクトル成分間、又は、超広帯域のあるスペクトル成分と他のファイバレーザ出力との間の差周波数発生を行えばよい。
各レーザに別個の非線形周波数拡張素子を用いることで、重複パルスによる非線形周波数拡張素子での非線形信号干渉をなくすことができる。また、ＣＤＳＬの出力に光遅延線を挿入して、いずれの非線形光学素子においても重複しないパルスのみを用いて干渉信号を生成してもよい。さらに電子ゲーティングを行って、信号状態を最適化してもよい。
少なくとも一実施形態において、共振器内損失、飽和性吸収体温度、ファイバ温度、ファイバグレーティング温度等、種々の共振器内光学素子を制御することにより、コヒーレントデュアル走査フェムト秒モードロックファイバレーザにおけるキャリアエンベロープオフセット周波数を調整することができる。いくつかの実施形態において、ＤＦＧを行うことによって、キャリアエンベロープオフセット周波数の制御を回避してもよい。
少なくとも一実施形態において、外部共振器に２つのレーザを位相ロックすることにより、コヒーレントデュアル走査フェムト秒モードロックファイバレーザのキャリアエンベロープオフセット周波数及び繰り返し率をさらに制御してもよい。
少なくとも一実施形態において、２つの外部単一周波数レーザに２つのレーザを位相ロックすることにより、コヒーレントデュアル走査フェムト秒モードロックファイバレーザのキャリアエンベロープオフセット周波数及び繰り返し率をさらに制御してもよい。
他の実施形態において、１つの外部単一周波数レーザに２つのレーザを位相ロックすることにより、コヒーレントデュアル走査フェムト秒モードロックファイバレーザのキャリアエンベロープオフセット周波数及び繰り返し率の差をさらに制御してもよい。
また、スペクトル分解能を改善するために、一方のレーザの繰り返し率が他方のレーザの繰り返し率のほぼ高調波となるようなレーザを用いて、コヒーレントデュアル走査フェムト秒モーロドックファイバレーザを構成してもよい。
共振器内レーザ分散、及び、超広帯域ファイバに導入するパルス幅を適切に調整することにより、キャリアエンベロープオフセット周波数のノイズを最小限にすることができる。
ＣＤＳＬの２つのレーザ間にキャリアエンベロープオフセット周波数のドリフトがある場合、外部光学手段により監視し、補正を行えばよい。また、キャリアエンベロープオフセット周波数を監視するためにｆ−２ｆ干渉計を設けてもよい。
ＣＤＳＬの一例を示す図である。 光集積化分散補償器と、超広帯域発生に使用する非線形周波数変換部の概略図である。 光撮像に用いるＣＤＳＬの概略図である。 部品点数を削減して設計したＣＤＳＬの概略図である。 キャリアエンベロープオフセット周波数の監視を行う場合の他のＣＤＳＬの概略図である。 キャリアエンベロープオフセット周波数制御用の共振器内ファイバブラッググレーティングの抵抗加熱を行うモードロックファイバ発振器の共振器内構造体の概略図である。 キャリアエンベロープオフセット周波数制御用の共振器内ファイバブラッググレーティングにかかる圧力を調整するためのモードロックファイバ発振器の共振器内構造体の概略図である。 キャリアエンベロープオフセット周波数制御用のモードロックレーザの共振器内損失を調整するのに用いられる共振器内変調器を含む構造体の概略図である。 キャリアエンベロープオフセット周波数制御用の共振器内飽和性吸収体にかかる残留ポンプパワーを調整するためのモードロックファイバ発振器の共振器内構造体の概略図である。 非線形ｆ−２ｆ干渉計の後の、測定繰り返し率１ＧＨｚで動作するキャリアエンベロープオフセット周波数ロック型ＹｂファイバレーザのＲＦスペクトルの図である。 繰り返し率１ＧＨｚで動作するコヒーレント超広帯域ソースに基づくＹｂファイバレーザのスペクトル出力の図である。 繰り返し率及びキャリア位相の制御のための２つの外部共振器にロックされたデュアル走査レーザシステムの概略図である。 繰り返し率及びキャリア位相の制御のための２つの狭ライン幅レーザにロックされたデュアル走査レーザシステムの概略図である。 繰り返し率及びキャリア位相の制御のための１つの外部狭ライン幅レーザを使用する超小型デュアル走査レーザシステムの概略図である。
ここでは、まず、モードロックレーザ及び特にＣＤＳＬに関する周波数コム発生のいくつかの側面と、その適用例について説明する。このようなレーザを赤外線分光法やＴＨｚ撮像に適用する例についても説明する。
１組の等間隔光周波数ラインからなる固定光周波数スペクトルを有するモードロックレーザは、一般に周波数コムレーザとも呼ばれている。周波数コムレーザの光周波数は、S(f) = fceo + mfrepにより表すことができる。ここで、mは整数、fceo はキャリアエンベロープオフセット周波数、mfrepはレーザの繰り返し率である。個々の周波数ラインの振幅は、実際、光周波数空間における離散点fceo + mfrepにて光エンベロープスペクトルをサンプリングしている。
Holzwarth等の米国特許第6,785,303号に周波数コムレーザが記載されているが、モードロックレーザのポンプパワー制御と電子フィードバックループを組み合わせて使用することでfceo を安定させ、それにより光周波数スペクトルを構成する全周波数ラインの位置を安定させている。標準的なモードロックレーザでは、fceoの制御は行わないので、共振器長のばらつきによる低速ドリフトfr以外では、全周波数ラインの分離のみが安定している。上述のように、スペクトル分離はモードロック発振器の繰り返し率frepに対応しているが、これは一般にＭＨｚ領域の周波数であり、本明細書で説明する種々の実施形態において、より好ましくは１ＧＨｚ又はそれ以上である。周波数スペクトル内の各ラインの正確な位置はランダムに異なる。しかし、周波数コムレーザとモードロックレーザの光スペクトルは同じエンベロープ関数を有していてもよい。また、fceo が制御されない場合でも、モードロックレーザの光スペクトルは多数の離散周波数ラインにより構成される。
２つの周波数コムレーザを、わずかに異なる繰り返し率frep 及び frep+δでそれぞれ動作させる場合、また、２つのレーザの出力を検出器にて重複させる場合、ＲＦ領域において種々のビート周波数が見られる。さらに、両レーザについてm次の周波数コム歯が最も近似することを確保する場合、ＲＦスペクトルには調波周波数mδ+Δfceo, (m+1)δ+Δfceo, (m+2)δ+Δfceo, …が含まれ、振幅は、光周波数mf+fceo1及びm(f+δ)+fceo2における振幅の幾何学的平均から得られる。ここで、Δfceo = fceo1-fceo2である。パラメータfrep/δは、ＲＦ周波数を光周波数にスケーリングするためのスケーリングファクタである。例えば、δ＝１０Ｈｚで、frep ＝１ＧＨｚの場合、スケーリングファクタは１０８となり、１ＭＨｚにてＲＦ領域で測定される強度は、光周波数１０１４Ｈｚに対応している。光周波数の振幅を得るために測定が必要なＲＦ周波数をさらに低くするようにΔfceoを選択してもよい。２つのレーザについて、m及びn次の周波数コム歯がそれぞれ近似することを確保することにより、測定を行うＲＦ周波数を変更してもよい。この場合、ビート周波数は、(m-n)fr+mδ+Δfceo; (m-n)fr+(m+1)δ+Δfceo; (m-n)fr+(m+2)δ+Δfceo …により得られる。
分光測定のために固定光周波数スペクトルを有するコムレーザが必要であるが、この必要性については、P. Giaccari等、”Active Fourier-transform spectroscopy combining the direct RF beating of two fiber-based mode-locked lasers with a novel referencing method”（２つのファイバ系モードロックレーザのダイレクトＲＦビーティングと新たな参照法とを組み合わせたアクティブフーリエ変換分光法）、Opt. Express, vol.16, pp.4347 (2008)に最近記載されたように、スペクトルエンベロープ内の周波数ラインのドリフトを監視する補正技術の実施により緩和することができる。
また、モードロック発振器の後に非線形周波数変換部を追加することにより、各周波数ラインのドリフトをなくすこともできる。例えば、モードロックレーザスペクトルの赤と青の部分の間に差周波数発生を行う場合、各周波数ラインが、fceoの値とは無関係に、正確にレーザ繰り返し率の真の高調波に発生させることはよく知られている。上述のように、モードロックレーザの離散周波数スペクトルを利用しつつ、レーザ発振器内の精密な位相又はfceo制御に頼らないデュアル走査レーザシステムのことを、一般にＣＤＳＬと呼ぶ。
モードロックレーザを計測に用いる場合、モードロックファイバレーザの方が、モードロックバルク固体レーザとモードロックダイオードレーザのいずれと比較しても、いくつか利点がある。モードロックファイバレーザは、一般にモードロックダイオードレーザと比較してノイズ特性に優れており、また、モードロックバルク固体レーザよりも小さいスペースに収納することができる。モードロックファイバレーザは、熱的及び機械的に非常に安定した状態で製造することができる。特に受動モードロックファイバレーザは、Fermann等の米国特許第7,190,705号、及び、Hartl等の11/546,998に開示されているように、大量生産に適した廉価な小数の光学部品で製造することができる。第7,190,705号については、その全体を本明細書に援用する。また、Sucha等の米国特許第5,778,016号及び米国特許第6,396,856号に開示されているように、ＴＨｚ撮像にデュアルパルスレーザシステムを使用することが提案されている。‘016号及び‘856号特許は、モードロックレーザの相対的及び絶対的タイミングドリフトを制御するための種々の技術や構成も開示している。米国特許第5,778,016号及び第6,396,856号については、その全体を本明細書に援用する。
‘705号に開示されるような分散補償ファイバレーザにより、低ノイズ周波数コムソースの構成が得られる。また、１ＧＨｚより高い繰り返し率で動作するファイバレーザの設計も開示されている。
ファイバレーザの低ノイズ動作によりタイミングジッタが最小限になるので、パルスのタイミング制御の最適化が可能になる。‘705号特許では、最初の低ノイズファイバ系周波数コムソースを開示している。ファイバ共振器分散を所定範囲に制御することにより低ノイズ動作を得ている。ファイバ周波数コムソースの低ノイズ動作は、一般に、レーザのキャリアエンベロープオフセット周波数fceoを非常に低いレベルに抑え、また、fceoの測定及び制御を容易にするために必要である。
以下、ファイバ系ＣＤＳＬの例を開示する。高繰り返し率、低ノイズ、高集積レベルが得られる実施例について説明する。非線形スペクトルの生成及び位相制御のための種々の実施例により、安定した近赤外線域の出力信号が得られるので、赤外線分光法やＴＨｚ撮像に用いる場合に利点がある。
図１は、本実施形態に係るコヒーレントデュアル走査レーザシステム１００（ＣＤＳＬ）を概略的に示す。本例では、わずかに異なる繰り返し率を有する２つのモードロック発振器１１０ａ、１１０ｂを用いて、入力パルス列を得る。各発振器からのパルス列を増幅し、第１及び第２の光路に分割する。そして、各光路のパルスに対して分散補償器で調整を行う。中間非線形周波数変換部が第１の光路に沿って超広帯域を生成し、これを、ＤＦＧ用の非線形周波数変換器を用いて第２の光路のパルス列と合成する。そして、発振器１１０ａ、１１０ｂのそれぞれに対応するＤＦＧ出力を合成して、ＣＤＳＬ出力を生成する。
図１を参照して、本システムは、好ましくはフェムト秒（ｆｓ）のタイムスケールに圧縮できるパルスを発生する２つの発振器１１０ａ、１１０ｂ（発振器１、発振器２）により構成される。好ましくは、発振器１１０ａ、１１０ｂは、約２５０ＭＨｚ以上の繰り返し率で動作するＥｒ、Ｙｂ又はＴｍ発振器を用いる。このような発振器については、例えば、Fermann等の米国特許第7,190,705号、Hartl等の11/546,998、または、Dong等の米国仮特許出願61/120,022、”Highly Rare-Earth-Doped Optical Fibers for Fiber Lasers and Amplifiers”（ファイバレーザ及び増幅器のための高濃度希土類ドープ光ファイバ）に記載されている。本明細書でこの文献を援用する。‘022出願に開示される種々の例では、ポンプ吸収が最大で約５０００ｄＢ／ｍ、単位長当たりのゲインが０．５〜５ｄＢ／ｃｍの範囲である高濃度希土類ドープゲインファイバを用いている。種々のドープ剤濃度でＹｂクラスタリングを低減することにより、低フォトダークニングの状態で高ポンプ吸収、高ゲインが得られる。このような希土類ドープファイバにより、共振器長が短いファイバレーザを構成することができ、１ＧＨｚを超える繰り返し率の高エネルギー超短パルスを生成することができる。このような構成により、高信号対雑音比のＣＤＳＬ動作が可能となる。例として、従来のシリカファイバと比較して高ポンプ吸収、例えば、９７６ｎｍにて３００〜１５００ｄＢ／ｍの吸収性がある他のファイバ構成が、米国特許出願シリアル番号11/693,633、”Rare earth doped and large effective area optical fibers for fiber lasers and amplifiers”（ファイバレーザ及び増幅器のための高有効領域を持つ希土類ドープ光ファイバ）にも開示されている。なお、この米国特許出願は、現在、米国特許出願公報2008/0069508として公表されている。米国特許出願シリアル番号11/693,633については、本明細書にて援用する。
発振器の出力は、好ましくは、光アイソレータ（図示省略）を通して、後方反射に対する感度を最小限にする。２つの発振器の繰り返し率は、２つの発振器の出力側に挿入した２つのタブカプラを用いて監視することができる。タブカプラは、発振器の出力の一部を２つの検出器（図示省略）に送り、これら検出器が繰り返し率を表す信号をコントローラ１０１に供給する。
発振器は、それぞれ、繰り返し率f、f+δにて動作するように構成すればよい。ここで、δ<< fである。あるいは、第２の発振器の繰り返し率をnf+δとなるように選択してもよい。ここで、nは整数である。そして、繰り返し率が大きく異なる場合の繰り返し率の差δ又は(n+1)f+δを、位相ロックループからなる繰り返し率制御素子１０１と、発振器のうちの一方に導入した共振器内トランスデューサにより制御すればよい。このような共振器内トランスデューサとしては、例えば、Fermann等の米国特許第7,190,705号や、Hartl等の米国特許出願シリアル番号11/546,998に記載されるように、圧電素子又はファイバ加熱素子に取り付けたミラーであってもよい。発振器は、ほとんどチャープのないパルス、又は、わずかなチャープのあるパルスを発する。好ましくは、発振器１１０ａ、１１０ｂから発したチャープパルスはいずれも、ほぼ同じチャープを有している。好ましくは、両発振器のパワーは、例えば可変減衰器により所定範囲に調整することができる。
発振器の出力は、２つのファイバ増幅器１２０ａ、１２０ｂに接続される。ファイバ増幅器は、好ましくはクラッドポンプ式である。このようなクラッドポンプ増幅器については、Fermann等の米国特許第7,190,705号に記載されている。また、Dong等の米国特許出願シリアル番号61/120,022、”Highly Rare-Earth-Doped Optical Fibers for Fiber Lasers and Amplifiers”（ファイバレーザ及び増幅器のための高濃度希土類ドープ光ファイバ）に記載されているような光スターカプラを介したクラッドポンプ法を行ってもよいが、ここでは詳細な説明は省略する。好ましくは、両発振器から増幅器への伝搬路における分散は一致している。
図１の例では、各ファイバ増幅器からの光信号パルス出力をそれぞれ２つのアームに分割する。すなわち、増幅器１２０ａ及び発振器１１０ａに光接続されたアーム１２５ａ−１、１２５ａ−２と、増幅器１２０ｂ及び発振器１１０ｂに光接続されたアーム１２５ｂ−１、１２５ｂ−２である。光ファイバカプラを用いることが好ましく、５／９５〜５０／５０の分割率を採用すればよい。各アームは、図示のようなオールファイバ構成で実現すればよい。いくつかの実施形態において、少なくともアームの一部をバルクコンポーネントで構成してもよい。
分散補償は、各アームの光路において、例えば、分散補償器を構成する一連の分散補償素子により行う。これらアームの少なくとも一部を、種々の分散補償素子を含む同一コンポーネントで構成してもよい。分散補償素子は、高品質のフェムト秒パルスを与えるパルス圧縮用光学素子を備えてもよく、完全な分散補償を行ってもよいし、あるいは、出力にてわずかに負又は正のチャープパルスを生成してもよい。完全な分散補償を行う場合、出力パルスはほぼ変換限界パルスである。
分散補償器は、いくつかの異なるファイバ素子により構成してもよく、図２を参照して以下にさらに説明するように集積型「オールファイバ」設計により構成してもよい。例えば、第１のファイバ素子を、増幅器の出力のスペクトル拡張を行うように設計された正分散ファイバで構成し、少なくとも第２のファイバ素子が、分散補償を行うとともに、スペクトル拡張された出力を帯域限界付近まで圧縮するようにしてもよい。好ましくは、パルス圧縮を行うファイバ素子は、中心空気孔を有する分散補償ファイバ又はフォトニック結晶ファイバにより構成し、分散補償段階の非線形性を最小化する。１以上の負分散ファイバ素子にて高次ソリトン圧縮によるパルス圧縮を行ってもよい。また、グレーティング対、プリズム対又はグリズム対等、バルク光分散補償素子を用いてもよい。好ましくは約５００ｆｓ未満のパルス幅、より好ましくは約３００ｆｓ未満のパルス幅、最も好ましくは約１００ｆｓ未満のパルス幅にパルスを圧縮する。
また、アーム１２５ａ−２、１２５ｂ−２にて伝搬する光パルスは、周波数変換素子１３０ａ、１３０ｂを備える非線形周波数変換部で周波数変換が行われる。周波数変換素子１３０ａ、１３０ｂを超広帯域発生光学素子により構成し、光学オクターブの少なくとも大部分を占めるスペクトル域で、発振器１１０ａ、１１０ｂの出力スペクトルよりも大幅に広い帯域のパルスを得るようにしてもよい。周波数変換素子１３０ａ、１３０ｂは、広帯域スペクトル、例えば、近中間赤外線域に広がるスペクトル、例えば、近赤外線から少なくとも約３〜５μｍ、あるいは、最大約１０〜２０μｍの帯域に広がるスペクトルを生成する。
種々の実施例において、周波数変換部は、好ましくは、高非線形ファイバ、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）導波管、シリコン導波管、あるいは、他の好適な非線形導波管により構成される。素子としては、その長さに沿って、光パターンが施されているか、周期分極反転又は非周期分極反転、あるいは、２次非線形の周期的変動を持つようにしてもよい。各アームの周波数変換素子１３０ａ、１３０ｂは、高非線形のフッ化物又はカルコゲン化合物導波管を用いた場合、中間赤外線域に広がることが可能な光超広帯域スペクトルを生成する。非線形導波管での超広帯域発生については、Hartl等の米国特許出願第11/546,998に記載されており、ここでは詳細な説明を省略する。超広帯域発生において知られているように、発振器からの基本周波数コム構造は維持される。さらに生成されたスペクトル出力は、レーザの繰り返し率により周波数分離された個々の周波数コム歯を有している。しかし、３００ｆｓ未満、より好ましくは１００ｆｓ未満のパルスの導入により、超広帯域スペクトルの個々の周波数コム歯間の非コヒーレントバックグラウンドが少なくなる。非コヒーレントバックグラウンドは、ＣＤＳＬにおける信号コントラストが低くなるので望ましくない。非コヒーレントバックグラウンドノイズのコムコントラストに対する影響については、N. Newbury, W. Swann、”Low-noise fiber-laser frequency combs”（低ノイズのファイバレーザ周波数コム）、 Journal of the Optical Society of America, B24, 1756-1770 (2007) に記載されており、本明細書ではこれを援用する。
非線形周波数変換部１４０ａ、１４０ｂにおいて、パス１２５ａ−１、１２５ｂ−１からの分散補償出力信号パルスと、アーム１２５ａ−２、１２５ｂ−２の一部で発生した超広帯域を含む分散補償及び周波数変換が施された出力とを合成することにより、差周波数発生（ＤＦＧ）を行う。出力は周波数変換器１４０ａ、１４０ｂにて合成される。周波数変換器１４０ａ、１４０ｂは、好ましくは、ＬｉＮｂＯ３、ＧａＡｓ、ＧａＳｅ、ＧａＰ等の非線形結晶、又は、他の好適な非線形結晶により構成される。これら非線形結晶は、その長さに沿って、周期分極反転があるか、光パターンが施されているか、あるいは、２次非線形性の周期的変動がある。また、非線形導波管を設けることもできる。さらに、周波数フィルタと偏光コントローラを、ＤＦＧ素子１４０ａ、１４０ｂの上流に設けることもできるが、図示は省略する。ＤＦＧ素子からの出力はビームスプリッタ１５０を介して合成され、出力部１６０に送られる。
種々の実施形態において、さらに、増幅器からの光信号パルス出力を、分散補償及び周波数変換段階に導入する前に光アイソレータに通しておく。さらに、２つの発振器の間に適切な時間遅延を設けて、ＤＦＧ素子及びビームスプリッタ１５０におけるパルスの重複を確保する。このような時間遅延は、ファイバ長や自由空間伝搬路を制御するための既知の方法により導入することができるが、ここでは図示を省略する。
各アームの分散補償器及び非線形周波数部のオールファイバ構成にはいくつかの利点がある。高非線形ファイバを周波数変換部１３０ａ、１３０ｂに使用する利点のひとつとして、図２に概略的に示すように、増幅段階１２０ａ、１２０ｂ、分散補償素子、周波数変換部１３０ａ、１３０ｂをすべて、スプライス接続することができる。図２に種々の素子を示すが、これらの素子は各アームで使用することができ、特に分散補償及び超広帯域発生を行う１２５ａ−２、１２５ｂ−２において使用することができる。また、偏光維持型ファイバコンポーネントを設けてもよく、あるいは、偏光コントローラ（図示省略）を用いて、超広帯域発生のために偏光状態を最適化してもよい。ファイバピッグテールアイソレータ（図示省略）は、好ましくは、不要な後方反射に対して増幅器出力の絶縁を行う。
図２に示す例において、分散補償ファイバ２１５を各端部にて、ある長さのトランスファファイバ２２０にスプライス接続する。これにより、図２に示すように、入力を供給する増幅器１２０ａ、１２０ｂや出力を供給する高非線形ファイバ２３０等、隣接するファイバのモードに一致するようにファイバの基本モードを変換する。また、図２に示すような配置で構成される高非線形ファイバを、例えば、変換部１３０ａ、１３０ｂ等、周波数変換部に用いてもよい。トランスファファイバ２２０は、２以上のファイバピースにより構成され、光ファイバテーパにより構成されてもよい。
そして、トランスファファイバ２２０から発せられた増幅器出力パルスを、所定の長さの分散補償ファイバ２１５で圧縮する。所定の長さのフォトニック結晶ファイバを用いることができるが、好適な非線形及び線形特性を有する他のタイプのファイバを用いてパルス圧縮を行ってもよい。Fermann等の米国特許第6,885,683号に記載されるシミラリトン増幅器等、線形及び非線形の両増幅器を用いることもできる。非線形増幅器を用いる場合、発振器のパワーレベルを好適に調整すればよい。例えば、シミラリトン増幅器は正チャープパルスを生成するが、これを、Fermann等の米国特許第7,414,780号に記載されるような、所定の長さのフォトニック結晶ファイバで帯域幅限界付近まで圧縮すればよい。
そして、高非線形ファイバ２３０を用いて超広帯域発生を行う。シリカ系の高非線形ファイバについて、Dong等の米国特許第7,496,260号、”Ultra High Numerical Aperture Optical Fibers”（超高開口数光ファイバ）に記載されており、本明細書でその全体を援用する。種々の実施形態において、赤外線透過性を改善した非シリカファイバを使用することができる。例えば、非線形フッ化物、ビスマス、テルル化物、カルコゲン化合物のファイバを用いることができる。このような赤外線透過ファイバは、最大２０μｍ程度の波長を透過することができ、市販のものがある。中間赤外線透過ファイバの融点は一般にシリカファイバの融点よりもかなり低いので、融点が大きく異なる各ファイバの複雑なスプライス接続を避けるために、さらに光学レンズ構成を用いて、分散補償ファイバからの光を高非線形ファイバに結合すればよい。
ＣＤＳＬを備える光撮像システムを図３に示す。ここでは、ＣＤＳＬの出力の後にビームスプリッタを挿入して、出力を２つの光路に分割する。ビームスプリッタは、出力の一部を第１のパスに沿って検出器Ｄ２に送る。検出器Ｄ２は、波長関数としてＣＤＳＬ出力を表す基準スペクトルの測定に使用される。第２のパスには対象サンプルを挿入する。検出器Ｄ１で測定したスペクトルを、検出器Ｄ２で測定したスペクトルで除算することにより、対象サンプルの正確な吸収スペクトルが得られる。このような２つの検出器を用いる方式は、吸収測定の際の光源のスペクトル変動や一時的なドリフトをなくすものとして、標準的なフーリエ変換分光法ではよく知られている。サンプル吸収の空間分布を得るため、そして、撮像を行うために、市販のガルバノメータミラーシステム等の光スキャナ３１０をＣＤＳＬ出力の第２のビームパスにさらに挿入する。いくつかの実施形態において、対象サンプルを可動台に取り付けることができる。種々の実施形態において、ビームの動きとサンプルの動きの組み合わせを利用してもよい。そして、顕微鏡対物レンズ３２５又は他の好適なビーム伝搬光学部品により、ＣＤＳＬの出力を対象サンプルに集光する。透過光は検出器Ｄ１により検出される。種々の実施形態において、検出器Ｄ２で１つの基準スペクトルが得られる。あるいは、検出器Ｄ２を省略し、ビームパス２からサンプルを取り出すことにより、基準スペクトルを得てもよい。いくつかの実施形態において、反射光を検出してもよいし、透過光と反射光の組み合わせを検出してもよい。赤外線の信号対雑音比を改善するために、検出器の冷却を行ってもよい。例えば、検出帯域幅が最大１００ＭＨｚの市販の液体窒素冷却型ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）検出器を設けてもよい。また、フィルタホイール（図示省略）をビームパスのいずれかの位置に挿入して、所定の光周波数域を選択してもよい。そして、各画像ポイントのＲＦスペクトルを監視し、そのＲＦスペクトルを適切に光透過又は反射スペクトルに関連付けることにより、画像を取得する。
検出器Ｄ１は、ＲＦ領域のビート周波数を監視する。ＣＤＳＬではスケーリングファクタfrep/δで光周波数をＲＦ周波数にスケーリングすることから、ＣＤＳＬの機能は、ＲＦを光周波数にスケーリングするためのＲＦ領域の周波数グリッドを表すものとして解釈することができる。各光周波数は、１：１対応で各ＲＦ周波数に固有にマッピングされる。図１に示すような差周波数発生により、レーザ外部のキャリアエンベロープオフセット周波数を相殺する。ＤＦＧ段階後の２つのレーザのキャリアエンベロープオフセット周波数はゼロなので、光foptとＲＦビート周波数frfは、次の式で表される。
fopt = frf × frep/δ （１）
ここで、光周波数での信号伝送に関する情報を含む最低ＲＦ周波数RFminは、mδで表される。なお、mは大きい数（１０４オーダー以上）なので、RFminはＭＨｚオーダーとすることができる。
ＣＤＳＬの他の実施形態を図４に示す。ここでは、わずかに異なる繰り返し率で動作する２つの発振器を用いることにより、部品点数を削減する。発振器の出力を合成して、共通伝搬路に結合する。共通伝搬路における構成要素は、図１を参照して説明した構成要素と同様又は同一のものでよい。本例では、１つの増幅器４２０と、１つの中間超広帯域発生部４３０と、１つのＤＦＧ部４４０とを用いる。図１に示す例と同様にして増幅器４２０の出力をアーム４２５ａ、４２５ｂに分割する。アーム４２５ａの分散補間出力を、アーム４２５ｂに設けられる超広帯域発生器からの出力と合成することにより、ＤＦＧを得る。図１を参照して説明したように、非線形結晶４４０によりＤＦＧを行うことができる。システムの出力は検出器Ｄ１及びＤ２により検出される。ここで、Ｄ２は基準スペクトルを得るのに使用され、Ｄ１は対象サンプルの吸収測定に使用される。図３の例に示すように、走査用の光学コンポーネントをさらに組み込むこともできる。
２つの発振器の出力パルスがＤＦＧ部において時間的に重複するときに非線形インタラクションによる信号劣化を回避するため、検出器に電子ゲーティングを行って、このような場合に反応しないようにすることができる。２つの発振器の出力パルスが時間的に重複しないときに干渉信号を得るために、図示のように検出器Ｄ１及びＤ２（又はＣＤＳＬの出力）の前に光遅延線４７０を組み込んでもよい。少なくとも一実施形態において、マッハツェンダー干渉計による遅延線を用いるが、アーム長が不均衡なマイケルソン干渉計等、他の種類の遅延線を用いてもよい。時間遅延線は、２つのレーザの共振器往復時間に対する一定比率の時間遅延を生成する好都合である。なお、この比率は好ましくは５０％である。光遅延線を用いた干渉図を記録する際、バックグラウンド信号やショットノイズの増加により、小規模のペナルティが生じるが、そのペナルティはシステムの部品点数削減により大部分が相殺される。さらに、システムの他の部分におけるパルス重複の可能性により生じる不要な非線形パルスインタラクションについては、２つの発振器からのピッグテール長を適切に制御することにより回避できる。
ＣＤＳＬの他の例を図５に示す。図１の説明と同様、本システムも、繰り返し率コントローラ１１０と、２つの発振器１１０ａ、１１０ｂ（発振器１及び発振器２）と、増幅器１２０ａ、１２０ｂとを備えている。本システム構成は図１で説明したシステムに非常に近い構成であるが、ＤＦＧ部がない。２つの発振器の出力は、２つの異なる伝搬路に沿って伝搬し、２つの個別の光ファイバ増幅器５２０ａ、５２０ｂに導入される。好ましくは、増幅器と発振器は重複するゲインスペクトルを示す。好ましくは、両発振器は、チャープのないパルス又はほぼ同じチャープを有するパルスを発する。好ましくは、２つの伝搬路に沿った分散は一致している。好ましくは、両発振器のパワーは、例えば、可変減衰器により所定範囲に調整可能である。そして、増幅器の出力を光アイソレータ（図示省略）に通し、その後、図１で説明したアーム１２５ａ−２、１２５ｂ−２と同様の設計である２つの分散補償器及び周波数変換部に導入する。本例では、周波数変換部は、好ましくは、例えば、高非線形フッ化物又はカルコゲン化合物導波管を用いる場合に、１オクターブ以上にわたり、中間赤外線域まで広がる非常に広い超広帯域スペクトルを２つ発生させる。いくつか周波数変換部とともに中間増幅器を接続することもでき、ＰＰＬＮ導波管又はシリコン導波管による周波数変換を用いることもできる。
図１で説明したシステムと比較して、生成した２つの超広帯域の出力の一部を、２つの位相検出及び制御部５４０ａ、５４０ｂに迂回させる。位相検出は、例えば、Fermann等の米国特許第7,190,705号及びHartl等の11/546,998に記載されるように、ｆ−２ｆ干渉計を用いて行うと好都合である。したがって、このようなｆ−２ｆ干渉計については、ここでは説明を省略する。ｆ−２ｆ干渉計は、fceo制御のためにフィードバックループを介して発振器にフィードバックされるfceoに対応したＲＦビート信号を生成する。両発振器のfceoは、フィードバックループを介して周波数ロックによりＲＦフィルタ帯域幅内に維持することができる。フィードバックループの最適精度を得るため、位相ロックループを用いればよいが、他のフィードバックループを用いることもできる。
米国特許第7,190,705号に記載されるように、モードロックファイバ発振器内の共振器内ファイバグレーティングの温度を、キャリアエンベロープ位相制御に用いることができる。また、‘705号に記載されるように、ファイバグレーティングに外部圧力を加えて、圧力変動をキャリアエンベロープ位相制御に用いることもできる。
図６に、ファイバ発振器における種々のキャリアエンベロープ位相制御方法を示す。図６ａは、共振器内分散制御のためのファイバブラッググレーティングを有する共振器内ファイバ部品６０１を示す。キャリアエンベロープオフセット周波数を制御するため、ファイバグレーティングの外側に金コーティングを設け、そのコーティングに電流を流す。このして、金コーティングの抵抗加熱を介してグレーティングの温度を制御することができ、これにより、キャリアエンベロープオフセット周波数の変調を迅速に行い、ｆ−２ｆ干渉計とともにフィードバックループを介して安定させることができる。
図６ｂでは、圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）６０２が、ファイバの一方の側に圧力を加えるが、これを調整して、共振器内キャリアエンベロープオフセット周波数制御に用いることができる。ＰＺＴを用いることにより、抵抗加熱器と比較して高速のフィードバック制御が可能となる。
また、図６ｃに示すように、共振器内音響光学変調器（ＡＯＭ）６０３を用いることで、さらに高速のキャリアエンベロープオフセット周波数制御を達成することができる。ＡＯＭへの駆動電圧を変えることにより、ファイバ発振器内の損失を迅速に調整することができる。これにより、キャリアエンベロープオフセット周波数の変調を行う。
図６ｄでは、共振器内飽和性吸収体にかかる残留ポンプパワーを調整することにより、キャリアエンベロープオフセット周波数を制御する。これは、飽和性吸収体の前に偏光器を挿入し、ポンプ光７０４の偏光を変調することにより行う。ポンプ光の偏光は、種々の方法で変調することができる。すなわち、ＰＺＴドラムにコイル状に巻きつけた所定の長さの偏光維持ファイバにポンプ光を通し、線形偏光ポンプ光により偏光維持ファイバの両軸を等しく励起することにより、ほぼ損失のない迅速な偏光変調が可能である。
他のキャリアエンベロープオフセット周波数制御手段を用いることもできる。例えば、共振器内飽和性吸収体の温度を変更すればよい。また、種々の組み合わせを用いてもよい。さらに、図６のフィードバックシステムは、独立してキャリアエンベロープオフセット周波数の測定及び制御を行う複数のフィードバックループを備えていてもよい。
図７に、非線形ｆ−２ｆ干渉計の後の測定繰り返し率１．０４ＧＨｚで動作するキャリアエンベロープオフセット周波数ロックＹｂファイバレーザについて、対応するＲＦスペクトルを示す。このＲＦスペクトルは、レーザの繰り返し率に対応する１ＧＨｚにピークを有し、キャリアエンベロープオフセット周波数に対応する２１０ＭＨｚ、８３０ＭＨｚに２つのピークを有する。
図８は、繰り返し率１ＧＨｚで動作するキャリアエンベロープ位相ロックＹｂファイバレーザで発生する超広帯域スペクトルの例を示す。本例では、高非線形光ファイバで超広帯域を発生させる。超広帯域スペクトルは、図５に示すようなファイバシステムの一伝搬路から記録したものである。
ｆ−２ｆ干渉計でfceoを制御するのではなく、モードロックレーザの周波数コムを受動共振器のファブリ・ペロー共振に関連させることにより、fceoを制御することもできる。この手法にはいくつかの利点がある。すなわち、オクターブにわたる広帯域発生の必要がなく、発振器パワーの一部でまかなえるような比較的低いパワーレベルで十分である。この方法については、R. Jason Jones, Jean-Claude Diels, “Stabilization of Femtosecond Lasers for Optical Frequency Metrology and Direct Optical to Radio Synthesis”（光周波数計測学と直接的光学無線周波数合成のためのフェムト秒レーザの安定化）、PRL 86, p. 3288 (2001) や、R. Jason Jones 等、”Precision stabilization of femtosecond lasers to high-finesse optical cavities”（高精細な光共振器におけるフェムト秒レーザの精度安定化）、Phys. Rev. A69, 051803 (2004) に記載されている。本明細書ではこの文献を全体として援用する。
外部共振器を用いる実施形態を図９に示す。上述のように、発振器１１０ａ、１１０ｂの出力を合成して、単一の伝搬路に接続し、ファイバ増幅器９２０により増幅する。また、各発振器出力の一部を基準共振器９４０ａ、９４０ｂに送り、１つの基準共振器に対して２つの離れたスペクトル領域に安定させる。本例では、往復時間がわずかに異なる２つの基準共振器９４０ａ、９４０ｂを示す。好ましくは、両共振器は、熱的及び機械的に生じる変動がすべて共通である場合、熱的及び機械的に近接している。外部共振器を１つ用いる構成も可能である。１つの共振器のみを用いる場合、共振器に組み込まれた複屈折素子により、２つの偏光軸に沿って２つの異なる往復時間が得られる。ここで、２つ偏光軸は各レーザにロックされている。このような構成については図示を省略する。
グレーティング９５０ａ、９５０ｂは、発振器出力の２つのスペクトル領域を２つの異なる検出器に送る。そして、これら検出器を用いて、受動共振器として構成できる外部共振器の２つの異なる共振に対して、あるいは、フィードバック制御により、２つの異なる発振器コム歯をロックする。１つ又は２つの外部共振器を用いて、４つの自由度すべて、すなわち、両レーザのfceoと、frep及びδのすべてを、共振器モードに関連させる。好ましい実施形態において、基準共振器に発振器をロックするのに、パウンド・ドレバー・ホール法を用いる。パウンド・ドレバー・ホール法では、信号を外部共振器に伝送するファイバピッグテールに、さらに位相変調器（図示省略）を設ける必要がある。個別の位相変調器ではなく、例えば、１つの共振器エンドミラーを変調することにより、共振器内で位相変調を行うことができる。パウンド・ドレバー・ホール法は、モードロックファイバレーザを外部共振器にロックする技術としてよく知られているので、説明を省略する。
ＣＤＳＬの繰り返し率及びキャリア位相制御のための安定基準として受動共振器を使用する代わりに、図１０に示すようなｃｗ基準レーザ１０８０ａ、１０８０ｂを用いることができる。上述のように、発振器１１０ａ、１１０ｂの出力を合成して、単一の伝搬路に接続し、ファイバ増幅器１０２０により増幅する。また、２つの安定した単一周波数レーザを用いて安定化を行う。このような単一周波数レーザは、好ましくは、半導体又はファイバレーザにより構成され、市販のものがある。両単一周波数レーザの周波数は異なるが、これらの周波数はいずれも、好ましくはスペクトルの低周波数部及び高周波数部にてモードロックレーザのスペクトルと重複するように選択される。ここで、両レーザのfceo及びfrepのフィードバック制御を行い、各コムの２つの周波数を固定して、fceo及びfrepを安定させることにより、各モードロックレーザの周波数コムを、２つコム歯にて安定ｃｗレーザに位相ロックすることができる。２つの固定コム歯の間のコム歯数がモードロックレーザ毎に異なるように安定化を行うと、各レーザの繰り返し率が異なり、ＣＤＳＬにはこれが必要である。この安定化法の実施については、I. Coddington等、”Coherent Multiheterodyne Spectroscopy Using Stabilized Optical Frequency Combs”（安定化光周波数コムを用いるコヒーレント・マルチヘテロダイン分光法）、Phys. Rev. Lett. 100, 13902 (2008) に記載されており、本明細書で援用する。
小型で高集積のＣＤＳＬ構成を図１１に示す。上述のように、発振器１１０ａ、１１０ｂの出力を合成して、単一の伝搬路に接続し、ファイバ増幅器１２０により増幅する。増幅された出力の一部をサンプリングして、検出器Ｄ１に送る。また、発振器の出力、又は、発振器の増幅出力を、２つの異なる検出器に送ってもよい。このような構成の図示は省略する。繰り返し率及びキャリア位相制御に単一の周波数レーザを使用する。この方法では、位相ロックループ（ＰＬＬ１）を介して発振器１１０ａの周波数コム歯の１つを単一周波数レーザにロックし、別の位相ロックループ（ＰＬＬ２）を介して発振器１１０ｂの周波数コム歯の１つを単一周波数レーザにロックする。位相ロックを確実にするために、各レーザの共振器長を調整してもよい。これら２つの周波数コム歯の位相ロック後、２つの発振器の周波数スペクトルを表す式は以下のようになる。
mfrep + fceo1 = fy + fb1 （２）
n(frep+δ) + fceo2 = fy + fb2 （３）
ここで、fyは単一周波数レーザの周波数であり、fb1、fb2は２つの発振器の周波数コム歯がロックされるＲＦビート周波数であり、δはレーザの繰り返し率の差である。さらに、例えば、レーザへのポンプ電流を制御することにより、frep及びδをさらに２つのＲＦ基準信号にロックすることができる。さらに、例えば、mfrep = fy + fb1となるようなレーザ条件を設定することにより、n及びmを求めることができる。ここで、fy + fb1は、例えば、波長計を用いた外部較正により得られる。同様の手順を行って、nを取得してもよい。以下では、説明を簡単にするため、n = mとする。式（２）及び式（３）の差をとると、以下のようになる。
nδ+ Δfceo = Δfb （４）
Δfb及びδの値はわかっており、n、mは上述の構成手順を用いて得られるので、式（２）又は（３）より、Δfceoをかなり正確に求めることができる。
そして、Δfceo ≠０の場合、ＲＦ領域の周波数グリッドは式（１）と比較して周波数シフトがあり、光周波数foptとＲＦ周波数frfとの関係は以下のように変更されることが容易にわかる。
fopt = (frf − Δfceo)frep/δ+ fceo1≒(frf − Δfceo)frep/δ （５）
ここで、fceo << foptなので、式（５）は簡約することができる。本例では、光周波数測定のための正確なＲＦ周波数グリッドを得るのに、個々のキャリアエンベロープオフセット周波数ではなくΔfceoを安定させる。
ＣＤＳＬシステムによる周波数測定について長期的精度を最良にするために、好ましくは、２つのレーザ間のレーザパラメータの熱的変動を等しくするように、両発振器を近接して取り付ける。また、好ましくは、単一周波数基準レーザを良好な熱制御で取り付ける。
また、本システムは、スペクトルカバー範囲が広い増幅器及び非線形周波数変換部を用いて構成することもできる。検出器Ｄ２、Ｄ３の前に時間遅延線４７０を挿入して、非線形段階の時間的なパルス重複がなく、パルス干渉を検出することができる。また、２つの検出器Ｄ２、Ｄ３を用い、一方を基準スペクトルの検出に使用し、他方をサンプルの吸収特性判断に使用することができる。
図１１のシステムは、部品点数が少なく、高い光集積レベルで動作することができるので、市販用として有利である。
上述の実施形態を種々の方法で組み合わせて、他の実施例を構成してもよい。可能な例は多数あり、具体的な用途に基づいて種々の変更を行うことができる。例えば、非線形周波数変換部は、少なくとも１つの非線形ファイバ増幅器を用いて構成し、スペクトル拡張を行ってもよい。
再び図５を参照して、位相制御ユニットに代えて、位相監視ユニットを用いることもできる。例えば、位相監視ユニットは、発振器の光の一部を迂回させ、発振器のスペクトルから２つの狭いスペクトルラインを選択し、キャリアエンベロープオフセット周波数及び繰り返し率の展開を監視する光ファイバタップスプリッタ（増幅器の前に挿入）を備えることができる。また、増幅器又は第１の周波数変換段階の後にキャリアエンベロープオフセット周波数の展開を監視することもできるが、発振器信号を使用すればノイズは最小になる。このような位相監視ユニットについては、Giaccari等の文献に記載されており、ここでは説明を省略する。このような位相監視ユニットに代わる手段として、２つの発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数を監視する２つのｆ−ｆ２干渉計を用いることができる。図３で説明したように、ＲＦ領域のビート周波数が観察できる場合、ＣＤＳＬの出力を光サンプルに通し、検出器に送ることもできる。ＣＤＳＬにおけるスケーリングファクタfrep/δにより光周波数をＲＦ周波数にスケーリングすることで、走査デュアルレーザシステムの機能は、ＲＦを光周波数にスケーリングするためのＲＦ領域の周波数グリッドを与えるものとして解釈することができる。すなわち、各光周波数がＲＦ周波数にマッピングされる。２つのレーザのキャリアエンベロープオフセット周波数を異なる値にロックする場合、式（５）を用いて、光周波数測定のための正確なＲＦ周波数グリッドを得ることができる。
Δfrep及びδが小さく連続変動する場合、ＲＦ周波数グリッドや、光周波数とＲＦ周波数との関係について、より複雑な変更が行われる。位相監視ユニットを用いることにより、ＲＦ周波数グリッドの適切な補正を計算して、ＲＦから光周波数への正確な変換を行うことができる。このようなＲＦ周波数グリッドの補正について、Giaccariの文献に記載されており、ここでは説明を省略する。また、ｆ−２ｆ干渉計によりΔfrepを監視する場合に同様の補正を用いることができる。ｆ−２ｆ干渉計によりＲＦ技術を用いて各発振器のfceoを直接読み取ることができるので、Δfrepを容易に算出でき、式（５）を用いて光周波数を計算することができる。
図３で説明したような撮像構成をＴＨｚ域に広げることもできる。Yasui等、Appl. Phys. Lett. Vol.88, pp. 211104-1〜3 (2006)に記載されるように、フェムト秒レーザで励起した光伝導エミッタによりＴＨｚコムを生成する。同技術は、電気光学結晶での光整流によりＴＨｚパルスを生成する場合にも適用される。さらに、ＴＨｚ周波数域の周波数コムは、レーザ繰り返し率の純粋な高調波により構成される。したがって、電気光学結晶又は光伝導エミッタにＣＤＳＬシステムの出力を送ることにより、２つのわずかにオフセットされたＴＨｚ周波数コムを生成することができる。したがって、ＴＨｚ周波数コムを生成し、ＴＨｚスペクトル域での撮像を行うシステムは、図３及び図５に示す実施例と同様に構成することができる。ここでは、周波数変換部と位相制御部を省略し、非線形周波数変換部の代わりに例えば、ＧａＰ、ＧａＳｅ、特に分極反転ＮｉＬｂＯ３、光パターン化ＧａＡｓ、光伝導アンテナ等の電気光学結晶を用いている。そして、適切なＴＨｚ光学部材を用いて、光走査のための可動台に適切に載置されたサンプルへのＴＨｚ放射を撮像することができる。種々の実施形態において、スキャナを省略してもよい。これは、現在、ＴＨｚ周波数域にわたって使用できる好適なスキャナが限定されているためである。Yasui等の文献に記載されるように、検出器で検出した光電流のＲＦ分析によりＴＨｚスペクトルを推定できるＲＦビート信号を、光伝導アンテナ等の適切な検出器で監視すればよい。
以上のように、ＣＤＳＬとその適用例、及び、高集積構成を含む種々の代替例を説明してきた。
少なくとも一実施形態において、コヒーレントデュアル走査レーザシステム（ＣＤＳＬ）は、２つの受動的モードロックファイバ発振器を備える。発振器は、繰り返し率の差δfrが発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように構成される。また、ＣＤＳＬシステムは、各発振器に光接続された非線形周波数変換部を備える。変換部は、あるスペクトル帯域幅を有し、発振器の繰り返し率の高調波からなる周波数コムを有する周波数変換スペクトル出力を発生させる非線形光学素子を備える。
種々の実施形態において、周波数変換部は、複数の入力周波数を受け取って合成し、入力とは異なる周波数でのスペクトル出力を生成する出力部を備えるシステムは、少なくとも１つの発振器と出力部との間に中間非線形周波数変換部を備え、中間変換部は、発振器スペクトルよりも大幅に大きい帯域幅を有する広帯域スペクトルを発生させる。
ＣＤＳＬは、スペクトル情報を利用する測定システムに配置され、スペクトル出力を利用して、スペクトル帯域幅内のスペクトル成分で対象サンプルの物理特性を調べる。
ＣＤＳＬは、光撮像、顕微鏡検査法、顕微分光法、及び／又は、ＴＨｚ撮像のうちの１以上のための撮像システムに配置される。
ＣＤＳＬによる測定システムは、光走査素子を備えてもよい。
位相ロックループは、発振器間の繰り返し率の差を制御する。
ＲＦスペクトル分析器は、変換率(fr1 + fr2)/2δfrで、光周波数に関連するＲＦ周波数にて出力を発生させる。
モードロックファイバ発振器は、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｔｍ又はＥｒファイバ発振器により構成される。
１以上の発振器出力を増幅するために、少なくとも１つのファイバ増幅器が設けられる。
集積型オールファイバ分散補償器及び非線形周波数変換部が設けられ、この集積部は、高非線形ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、分散補償ファイバ、及び／又は、中央空気孔を有するファイバのうちの１以上により構成される。
システムは、グレーティング対、プリズム対、及び／又は、グリズム対のうちの少なくとも１つからなる分散補償用のバルク光学素子を備え、分散補償ではパルス圧縮を行う。
非線形周波数変換部は、差周波数発生器により構成される。
非線形周波数部は、少なくとも１つの発振器の下流に配置された超広帯域発生器を備える。
モードロックファイバ発振器は、約２５０ＭＨｚより高い繰り返し率でパルスを発生させる。
少なくとも一実施形態において、コヒーレントデュアル走査レーザシステムは、２つの受動的モードロックファイバ発振器を備える。発振器は、繰り返し率の差δfrが２つの発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように構成される。また、ＣＤＳＬシステムは、各発振器に光接続された非線形周波数変換部を備える。変換部は、あるスペクトル帯域幅を有し、発振器の繰り返し率に相当する周波数分離を有する周波数コム構造の周波数変換スペクトル出力を発生させる非線形光学素子を備える。非線形周波数変換部は、各発振器のスペクトル出力よりも大幅に広いスペクトル出力を生成する。
種々の実施形態において、２つのレーザのキャリアエンベロープオフセット周波数の差を監視する手段を備え、監視手段により生成される情報により、ＲＦ周波数と光周波数の１：１対応関係が得られる。
光周波数に対する前記ＲＦ周波数の１：１マッピングにより、対応関係が表される。
各レーザのキャリアエンベロープオフセット周波数制御のためにｆ−２ｆ干渉計が設けられる。
２つの発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数の差を安定させるために、フィードバックシステムが設けられる。
フィードバックシステムにより生成されたキャリアエンベロープオフセット周波数情報を用いて、光領域の周波数グリッドに対して１対１の対応関係を有するＲＦ領域の周波数グリッドを生成する。
フィードバックシステムは単一周波数基準レーザを備える。
各発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数制御のために２つの基準共振器が用いられる。
各発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数制御のために１つの基準共振器が用いられる。
各発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数制御のために２つの単一周波数基準レーザが用いられる。
非線形周波数変換部は高非線形ファイバにより構成される。
繰り返し率の差に対する繰り返し率の比は、少なくとも約１０６であり、約１０６〜約１０９の範囲とすることができる。
繰り返し率fr1、fr2、及び、繰り返し率の差に対する繰り返し率の比は、ＲＦ周波数を光周波数に変換するのに十分高いものとする。
少なくとも一実施形態において、ＴＨｚスペクトル域での撮像システムが設けられる。撮像システムは、２つの受動的モードロックファイバ発振器を有するコヒーレントデュアル走査レーザシステム（ＣＤＳＬ）を備える。モードロック発振器は、繰り返し率の差δfrが発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように構成される。また、システムは、前記ＣＤＳＬの出力に応じてＴＨｚ放射を発する物質と、前記ＴＨｚ放射に反応する検出器とを備える。
少なくとも一実施形態において、コヒーレントデュアル走査レーザシステムは、少なくとも２つの短光パルス列を発生させる２つの受動的モードロックファイバ発振器を備える。発振器は、繰り返し率の差δfrが発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように構成される。システムは、短光パルス列を空間合成して、下流の共通光路に伝えるビーム合成器を備える。共通光路に沿って伝搬する前記短光パルスのうちの少なくとも一方の列についてスペクトル拡張を行うために非線形光学素子が設けられる。異なるアーム長を有するデュアルアーム干渉計が構成され、パルスが干渉計に入る前に時間的に重複していないときにパルス列間の干渉を検出する。種々の実施形態において、アーム長の差は、前記発振器の共振器往復時間の約半分に対応する。
少なくとも一実施形態において、コヒーレントデュアル走査レーザシステムは、少なくとも２つの短光パルス列を発生させる２つの受動的モードロックファイバ発振器を備える。発振器は、繰り返し率の差δfrが発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように調整される。フィードバックシステムは、２つの発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数の差を安定させ、フィードバックシステムは単一周波数レーザからなる。ビーム合成器は、短光パルス列を空間合成して、下流の共通光路に伝える。システムは、共通光路に沿って伝搬する前記短光パルスのうちの少なくとも一方の列についてスペクトル拡張を行うための非線形光学素子を備える。異なるアーム長を有するデュアルアーム干渉計が構成され、パルスが干渉計に入る前に時間的に重複していないときにパルス列間の干渉を検出する。
以上、特定の実施形態のみについて具体的に説明してきたが、本発明の精神と主旨を逸脱することなく、多数の変更が行えることは明らかであろう。さらに、頭字語については、本明細書及び請求の範囲を読みやすくするために用いただけである。なお、これらの頭字語は、ここで用いる用語の一般性を損なうものではなく、請求の範囲の主旨を本明細書に記載する実施形態に限定するものではない。

Claims (30)

  1. コヒーレントデュアル走査レーザシステム（ＣＤＳＬ）において、
    ２つの受動的モードロックファイバ発振器であって、繰り返し率の差δfrが前記発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように構成される発振器と、
    各発振器に光接続された非線形周波数変換部であって、あるスペクトル帯域幅を有し、前記発振器の繰り返し率の高調波からなる周波数コムを有する周波数変換スペクトル出力を発生させる非線形光学素子と
    を備えることを特徴とするコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  2. 前記周波数変換部は、複数の入力周波数を受け取って組み合わせ、異なる周波数で前記スペクトル出力を発生させる出力部を備え、前記システムは、少なくとも１つの発振器と前記出力部との間に中間非線形周波数変換部を備え、前記中間変換部は、発振器スペクトルよりも大幅に大きい帯域幅を有する広帯域スペクトルを発生させることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  3. 前記ＣＤＳＬは、スペクトル情報を利用する測定システムに配置され、前記スペクトル出力を利用して、前記スペクトル帯域幅内のスペクトル成分で対象サンプルの物理特性を調べることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  4. 前記ＣＤＳＬは、光撮像、顕微鏡検査法、顕微分光法、及び、ＴＨｚ撮像のうちの１以上のための撮像システムに配置されることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  5. 前記測定システムは、光走査素子を備えることを特徴とする請求項４に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  6. 前記発振器間の繰り返し率の差を制御する位相ロックループをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  7. 変換率(fr1 + fr2)/2δfrで、前記光周波数に関連するＲＦ周波数にて出力を発生させるＲＦスペクトル分析器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  8. 前記モードロックファイバ発振器は、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｔｍ又はＥｒファイバ発振器により構成されることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  9. 前記システムは、１以上の発振器出力を増幅する少なくとも１つのファイバ増幅器を備えることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  10. 前記システムは、集積型オールファイバ分散補償器及び非線形周波数変換部を備え、前記集積部は、高非線形ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、分散補償ファイバ、及び、中央空気孔を有するファイバのうちの１以上により構成されることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  11. 前記システムは、グレーティング対、プリズム対、及び、グリズム対のうちの少なくとも１つからなる分散補償用のバルク光学素子を備え、前記分散補償ではパルス圧縮を行うことを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  12. 前記非線形周波数変換部は、差周波数発生器により構成されることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  13. 前記システムは、少なくとも１つの発振器の下流に配置された超広帯域発生器からなる非線形周波数部を備えることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  14. モードロックファイバ発振器が、約２５０ＭＨｚより高い繰り返し率でパルスを発生させることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  15. コヒーレントデュアル走査レーザシステムにおいて、
    ２つの受動的モードロックファイバ発振器をであって、繰り返し率の差δfrが２つの発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように構成される発振器と、
    各発振器に光接続された非線形周波数変換部であって、あるスペクトル帯域幅を有し、発振器の繰り返し率に相当する周波数分離を有する周波数コム構造の周波数変換スペクトル出力を発生させる非線形光学素子を備え、各発振器のスペクトル出力よりも大幅に広いスペクトル出力を生成する非線形周波数変換部と
    を備えることを特徴とするコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  16. ２つのレーザのキャリアエンベロープオフセット周波数の差を監視する手段をさらに備え、前記監視手段により生成される情報により、ＲＦ周波数と光周波数の１：１対応関係が得られることを特徴とする請求項１５に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  17. 前記対応関係は、光周波数に対する前記ＲＦ周波数の１：１マッピングにより表されることを特徴とする請求項１６に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  18. 各レーザのキャリアエンベロープオフセット周波数制御のためのｆ−２ｆ干渉計をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  19. ２つの発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数の差を安定させるためのフィードバックシステムをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  20. 前記フィードバックシステムにより生成された前記キャリアエンベロープオフセット周波数情報を用いて、光領域の周波数グリッドに対して１対１の対応関係を有するＲＦ領域の周波数グリッドを生成することを特徴とする請求項１９に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  21. 前記フィードバックシステムは、さらに単一周波数基準レーザを備えることを特徴とする請求項１９に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  22. 各発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数制御のために２つの基準共振器をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  23. 各発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数制御のために１つの基準共振器をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  24. 各発振器のキャリアエンベロープオフセット周波数制御のために２つの単一周波数基準レーザをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  25. ＴＨｚスペクトル域での撮像システムにおいて、
    ２つの受動的モードロックファイバ発振器を有し、前記モードロック発振器は、繰り返し率の差δfrが発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように構成されるコヒーレントデュアル走査レーザシステム（ＣＤＳＬ）と、
    前記ＣＤＳＬの出力に応じてＴＨｚ放射を発する物質と、
    前記ＴＨｚ放射に反応する検出器と
    を備えることを特徴とする撮像システム。
  26. コヒーレントデュアル走査レーザシステムにおいて、
    少なくとも２つの短光パルス列を発生させる２つの受動的モードロックファイバ発振器であって、繰り返し率の差δfrが前記発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように構成される発振器と、
    前記短光パルス列を空間合成して、下流の共通光路に伝えるビーム合成器と、
    前記共通光路に沿って伝搬する前記短光パルスのうちの少なくとも一方の列についてスペクトル拡張を行うために非線形光学素子と
    異なるアーム長を有するデュアルアーム干渉計であって、パルスが前記干渉計に入る前に時間的に重複していない場合に前記パルス列間の干渉を検出する干渉計と
    を備えることを特徴とするコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  27. 前記アーム長の差は、前記発振器の共振器往復時間の約半分に対応することを特徴とする請求項２４に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  28. コヒーレントデュアル走査レーザシステムにおいて、
    少なくとも２つの短光パルス列を発生させる２つの受動的モードロックファイバ発振器であって、繰り返し率の差δfrが前記発振器の繰り返し率の値fr1及びfr2と比較して小さくなるように、わずかに異なる繰り返し率で動作するように調整される発振器と、
    ２つのレーザのキャリアエンベロープオフセット周波数の差を安定させるフィードバックシステムであって、単一周波数レーザからなるフィードバックシステムと、
    前記短光パルス列を空間合成して、下流の共通光路に伝えるビーム合成器と、
    前記共通光路に沿って伝搬する前記短光パルスのうちの少なくとも一方の列についてスペクトル拡張を行うための非線形光学素子と、
    異なるアーム長を有するデュアルアーム干渉計であって、パルスが前記干渉計に入る前に時間的に重複していない場合に前記パルス列間の干渉を検出する干渉計と
    を備えることを特徴とするコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  29. 前記非線形周波数変換部は高非線形ファイバにより構成されることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
  30. 繰り返し率の差に対する繰り返し率の比は、少なくとも約１０６であり、ＲＦ周波数を光周波数に変換するのに十分高いものとすることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレントデュアル走査レーザシステム。
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