CN103502884A - 通过光纤宽带生成中红外相干连续谱 - Google Patents

Abstract

本发明披露了用于中红外光谱范围的相干和紧凑的超连续谱光源及其示例性应用。超连续谱产生是基于使用高度非线性光纤或波导。在至少一个实施例中，利用低噪声锁模短脉冲源来增大超连续谱源的相干性。通过使用被动锁模光纤或二极管激光器可构造紧凑的超连续谱光源。利用适当的光学滤波器或频率转换部分可构造波长可调的源。高度相干超连续谱源还有利于相干检测方案并可改进锁定检测方案中信号/噪声比。

Description

通过光纤宽带生成中红外相干连续谱

技术领域

本发明涉及紧凑的高亮度宽带中红外相干光纤光源和示例性应用。

背景技术

高亮度宽带相干光源在医学、光谱学、显微镜学、测距、感测和度量衡学中有很多应用。所述源需要高度强劲(坚固耐用)、具有长期稳定性，并且还包括具有高度光学集成的最少部件数用于大量市场应用。基于频率展宽或在高度非线性光纤的超连续谱产生的宽带光源尤其有用。当结合短脉冲光纤激光器使用时，全光纤系统构造用于超连续谱产生是可能的，这可以产生益处例如大大简化的制造惯例、低成本和高水平的热机械稳定性。

基于光纤的超连续谱源可产生UV到中红外(mid-IR)的光谱输出并且在近几年吸引了大量的研究，参见例如J.M.Dudley等人的“Supercontinuum generationin optical fibers”,Cambridge University Press(2010)。为了达到中红外，例如波长范围在约2.5–10.0μm，可应用软玻璃或重金属氧化物玻璃用于超连续谱产生，如最近由J.H.V.Price等人在“Supercontinuum generation and nonlinearity in soft glassfibers”，在J.M.Dudley等人的“Supercontinuum generation in optical fibers”的第VI章,Cambridge University Press(2010)中所评论的。所述工作在中红外基于光纤的中红外源有可能取代更为广泛接受的光学参量振荡器（OPO）、光学参量放大器（OPA）和光学参量发生器（OPG），并因而引起相当大的兴趣。

基于石英玻璃的高度非线性光纤已经达到了相对高的成熟水平。为了减少对超连续谱产生的脉冲能量要求，具有极小纤芯的高度非线性石英光纤是有益的。例如，基于石英的高度非线性光纤并尤其是光子晶体光纤最近披露于Dong等人的美国专利7,715,672“Ultra high numerical aperture optical fibers”，其中进一步建议了额外使用高度掺锗的中央芯部分以便降低对于超连续谱产生的脉冲能量要求。事实上，采用短脉冲光纤源的基于石英光纤的超连续谱源例如披露于T.Hori的“Studies on Ultrawideband Supercontinuum Generation by Use of Ultrashort Pulseand Optical Fibers”，Ph.D.Thesis,Nagoya University,Japan(2005)。利用短脉冲激光器在波长接近1560nm发射使这些全光纤超连续谱源工作，并且这些全光纤超连续谱源使用在纤芯内部具有高水平的锗浓度的高度非线性石英光纤。所述全光纤源还被示出产生具有高水平的相干性的超连续谱，并用于在W.C.Swann等人的“Fiber-laser frequency combs with subhertz relative bandwidths”,Opt.Lett.,vol.31,pp.3046-3048(2006)中演示超低噪声频梳源。通过在接近1550nm发射的激光源工作的低噪声频梳源可在重复率为50–1000MHz的范围工作。上限一般由所实施的激光源的设计约束控制。下限由机械稳定性考虑因素控制。

仍然存在对低噪声超连续谱源的需求，所述低噪声超连续谱源可工作在重复率>1GHz，尤其在波长接近1550nm。仍然存在对低噪声超连续谱源的需求，所述低噪声超连续谱源可通过工作在波长>1700nm的短脉冲激光源工作并产生延伸至中红外的宽相干光谱覆盖范围。另外，依然存在对基于软玻璃或高度非线性波导的低噪声高度相干超连续谱源的需求。

发明内容

描述了允许宽光谱覆盖范围的低噪声基于光纤的相干超连续谱源。为了增加超连续谱的相干性，结合在波长＞1700nm发射的低噪声脉冲源来应用高度非线性光纤。所述低噪声脉冲源可包括芯泵浦的锁模Tm光纤振荡器，所述振荡器在非线性芯泵浦的Tm光纤放大器中放大。可替换地，包层泵浦的线性Tm光纤放大器也可与芯泵浦的锁模Tm光纤振荡器一起使用。利用低噪声芯泵浦的Tm光纤激光源以及产生短脉冲的任何合适的低噪声激光源，高度相干的低噪声超连续谱产生是可能的。所述低噪声脉冲激光源可能例如通过单频泵浦激光器或显示可忽略的横向或纵向模式结构的泵浦激光器例如放大的自发发射源被泵浦。这些短脉冲激光源优选产生的脉冲宽度＜1ps，更优选的脉冲宽度＜300fs，并且最优选的脉冲宽度＜100fs。可通过利用在纤芯内部掺杂高水平的锗产生高度非线性石英光纤。可应用掺锗（锗掺杂）水平＞10mole%(摩尔％)，并且更优选的＞20mole%。可容易地应用使用阶跃折射率分布、W形折射率分布或更为复杂的折射率分布的高度锗掺杂的高度非线性光纤。对于波长＞1700nm，高度非线性锗硅酸盐光纤还可被设计成色散平坦的，同时提供全光纤设计。

锗掺杂的光子晶体光纤结合环绕中央芯部分的空气孔还可易于用于相干超连续谱产生。所述锗掺杂的光子晶体光纤在使用发射波长＞1700nm的激光源时尤其有用，其中传统的阶跃折射率光纤的色散管理量稍微受限。

可替换地，尤其对于在波长＞2000nm的相干超连续谱产生，可采用低噪声Tm光纤脉冲源注入多种基于软玻璃或重金属氧化物的高度非线性光纤。所述软玻璃或重金属氧化物玻璃高度非线性光纤可例如包括基于氟化物、铅玻璃、铋、硫族化物或亚碲酸盐的光纤。由这些玻璃制成的相应光纤具有优选的色散平坦的分布。例如，优选在从所用激光源的中心波长延伸至±100nm的范围，光纤会具有的值为色散＜丨100丨ps²/km；更优选的，范围是±200nm，并且最优选的范围是±500nm。

作为对软玻璃中超连续谱产生的替代，可采用高度非线性波导，例如基于硅、铋、硫族化物、GaAs、LiNbO₃或GaP的波导。

高度相干超连续谱光谱还可在准相位匹配的晶态材料产生，所述材料例如周期性极化的LiNbO₃，（PPLN），光学图案化的GaAs或GaP，这只是仅举几例。优选地，应用波导结构。在这些波导中产生的超连续谱光谱对于超过一个倍频程的波长跨度可以是高度相干的。优选的，应用的激光源工作在接近于这些准相位匹配的非线性晶体的零色散波长。对于PPLN波导，在2000nm波长区域发射的脉冲源可应用于超连续谱产生。

在波导中利用自频移还允许根据将第一高度非线性波导的输出注入软玻璃高度非线性光纤用于在中红外的延伸的光谱范围来构造串联的超连续谱源。

可以在很多应用中采用低噪声、高度相干的超连续谱源。它们可例如用作对光学参量振荡器和放大器的低成本可替代例。此外，低噪声超连续谱源在光谱学应用中具有很大的优势，所述光谱学应用例如傅里叶(Fourier)变换光谱学或多外差光谱学以及线性光学采样。事实上，涉及超连续谱脉冲作为本振的一些形式的相干检测方案的任何测量技术可从低噪声特征获得极大的益处。

作为一个示例，相干超连续谱源可包括低噪声基于光纤的脉冲源，在中心波长＞1700nm产生输出，所述输出包括至少一个脉冲的脉冲宽度＜1ps。所述脉冲源可以是基于芯泵浦的锁模Tm光纤激光器。高度非线性材料接收来自所述源的输出并产生相干超连续谱。高水平的相干性可通过用单频激光器光学干涉一部分的超连续谱光谱并观察射频域中具有高信号/噪声比的拍频信号来表征。可替换的，f-2f干涉仪可用于证实相干性的水平。

在一些实施例中，基于光纤的脉冲源可工作在至少约1GHz的重复率。在一些实施例中，超连续谱带宽可超过1.1倍频程。在一些实施例中，非线性波导可用于将源的输出自频移到波长＞2200nm，随后通过高度非线性材料进行超连续谱产生。

低噪声高度相干超连续谱源还在成像应用以及微光谱学引起极大的兴趣。低噪声超连续谱源的成像应用包括光学相干断层摄影，所有变化形式的共焦荧光性显微镜学和超分辨率显微镜学，例如受激发射损耗显微术（STED）。其它的成像应用包括所有变化形式的多光子显微镜学，例如基于两个光子和三个光子荧光的多光子显微镜学，表面二次谐波产生，三次谐波产生，相干反斯托克斯－拉曼(anti-Stokes Raman)散射以及受激拉曼散射。微光谱学应用可包括例如中红外吸收光谱学以及针尖增强光谱学。

本发明的一个方面表现为一种用于相干检测的方法，其中相干超连续谱诱导被分析的相干信号发射。在另一方面，本发明表现为一种用于锁定(锁相)检测的方法，其中超连续谱被待测样本光谱修改。修改的光谱随后在锁定检测系统的的修改频率被分析。在另一方面，本发明表现为一种用于确定样本的特征的方法，包括用至少一部分的相干超连续谱照射样本，检测由样本产生的响应，并且根据响应确定样本的特征。在另一方面，本发明表现为一种利用多外差检测确定样本的特征的方法，其中产生了两个相干超连续谱光谱。

附图说明

图1示意性地示出了应用在波长＞1700nm发射的源和高度非线性光纤的低噪声宽带超连续谱源的一般实施例。

图2a是用于超连续谱产生的高度非线性锗掺杂的传统固态石英玻璃光纤的所测得的折射率分布的图表，其中源工作在接近2000nm波长范围。

图2b是SEM图像，示出了高度非线性锗掺杂的石英光子晶体光纤的剖面。

图3a和3b示意性地示出了示例性基于光纤的低噪声脉冲振荡器/放大器结构，适用于宽带超连续谱源。

图4a是图表，示出了通过Tm光纤激光器在高度非线性石英光纤产生的超连续谱光谱的近红外部分。

图4b是图表，示出了在超连续谱光谱的部分和单频激光(器)之间测得的射频拍频信号的信号/噪声比。

图4c是图表，示出了当应用f–2f干涉仪时在超连续谱光谱的部分之间测得的射频拍频信号的信号/噪声比。

图5示意性地示出了应用高度相干超连续谱光谱的低噪声波长可调谐源的一个实施例。

图6示意性地示出了应用高度相干超连续谱光谱的低噪声双波长源的一个实施例。

图7示意性地示出了应用高度相干超连续谱光谱的低噪声双波长可调谐源的一个实施例。

图8示意性地示出了相干检测方案的一般实施例，适用于通过高度相干超连续谱光谱分析待测样本。

图9示意性地示出了锁定检测方案的一般实施例，适用于通过低噪声超连续谱光谱分析待测样本。

具体实施方式

本发明涉及紧凑的高亮度宽带中红外相干光纤光源和示例性应用。不相干中红外超连续谱产生披露于Islam的发明名称为“Broadband or Mid-Infrared FiberLight Sources”的美国专利No.7,519,253。基于将亚100fs脉冲注入软玻璃光纤并在软玻璃光纤(例如氟化物、亚碲酸盐、铋或硫系光纤)提供延伸至波长从3–20μm的输出的相干超连续谱产生披露于Fermann等人的发明名称为“Opticalscanning and imaging systems based on dual pulsed laser systems”的美国专利申请No.12/399,435，该专利文献现已公开，其美国专利申请公开号为2010/0225897。碲化物光子晶体光纤中超连续谱产生和超连续谱产生的相干性的详细理论研究披露于W.Q.Zhang等人的“A genetic algorithm based approach to fiber design for highcoherence and large bandwidth supercontinuum generation”，Opt.Expr.,vol.17，pp.19311（2009）。超平坦色散分布被建议用于产生宽带相干超连续谱光谱。不过，所披露的光纤非常难以制造。尽管提出了使用100fs脉冲用于相干连续谱产生，但并没有披露提供所述100fs脉冲的实际脉冲源。此外，并没有考虑用于超连续谱产生的光纤激光源。在Buccoliero等人的相关著作中(Appl.Phys.Lett.，vol.92，pp.061106（2010）)，讨论了假设Tm光纤激光器产生5ps脉冲用于在碲酸盐光子晶体光纤中超连续谱产生的结果，但仅考虑了脉冲宽度为5ps的脉冲。通过在波长>1700nm发射的低噪声光纤脉冲源产生相干超连续谱光谱，并且披露于Fermann等人的美国专利申请No.13/026,762，其发明名称为“Compact,coherent,and highbrightness light sources for the mid and far IR”，申请日为2011年2月14日（’762申请），该专利文献以其全文形式在此被结合入本文引用。其中还描述了基于Tm光纤的锁模脉冲源输送亚100fs脉冲。

图1示出了低噪声宽带高度相干超连续谱源100应用高度非线性光纤与工作在近2000nm的短脉冲源结合的一般设计。在工作中，短脉冲源的脉冲特征与非线性光纤的性能相结合，产生高度相干超连续谱。

短脉冲源可以是工作在波长>1700nm的任何低噪声激光源，产生脉冲宽度<1ps的脉冲，更优选的脉冲宽度<300fs，并且最优选的脉冲宽度<100fs。适当的脉冲源可以例如包括锁模光纤激光器、锁模半导体或固态激光器。

当使用锁模光纤或固态激光器作为脉冲源时，可通过应用单频泵浦激光器或基于放大的自发发射的泵浦源来确保低噪声工作。所述低噪声泵浦源不表现多纵向或多横向模式结构，例如，基于宽条多横向模式半导体激光器的泵浦激光器或表现多模式纵向模式结构的光纤激光器。通过在所述多模式泵浦激光器模(式)拍频，增大了由于耦合在超连续谱光纤的相位噪声的振幅所产生的连续谱的噪声水平，转而大大降低了它们的相干性。

在一个实施例中，可以使用基于Tm光纤激光器的短脉冲源。适当的短脉冲源披露于前述的’762申请。

在至少一个实施例中，利用模式匹配体和/或集成的光学器件、直接拼接、和/或光纤熔锥，来自短脉冲源的单模输出光束被耦合到高度非线性光纤并模式匹配至非线性光纤。高度非线性光纤可成锥形以便简化并稳定耦合至源。高度非线性光纤还可拼接至光纤的短部分，在高度非线性光纤的上游方向增大模直径以简化耦合。另外，高度非线性光纤可成锥形或多于一个的高度非线性光纤可用于进一步使连续谱输出成形，即，可以连接若干个高度非线性光纤。

图2a中示出了用于在光谱范围从900-2700nm高度相干超连续谱产生的合适的高度非线性光纤的折射率分布的示例。y轴刻度表示与包层玻璃的折射率在折射率上的差异，而x轴表示在μm范围的径向位置。光纤被设计成用于超连续谱产生，利用工作在1700–2300nm波长范围的激光源通过较低能量脉冲，例如脉冲能量<100nJ。折射率分布的形状在本领域被称为W-分布。折射率分布通过用高水平的锗共掺杂芯部分并用氟共掺杂周围凹陷的包层部分而获得，这在获得色散平坦的折射率分布是有益的。所述光纤可被设计成在1500–2500nm的范围具有色散<丨10丨ps²/km。相反的，在该波长范围的石英玻璃的色散变化是约25倍大。

相干超连续谱产生的光谱范围可通过连接额外的高度非线性光纤以及适当使所应用的高度非线性光纤成锥形来进一步增大。

为了相干超连续谱产生，利用上文所讨论的技术将产生脉冲宽度<1ps的脉冲的低噪声短脉冲Tm光纤源方便地耦合到高度非线性光纤。通过脉冲宽度<300fs可获得改进的相干性，而通过脉冲宽度<100fs可获得进一步改进的相干性。所述Tm源披露于’762申请的图3和8以及相关的正文中。所述源还可以直接拼接至高度非线性光纤，以允许非常紧凑的结构。

为了确保高相干性水平，可以使用产生100fs脉冲的芯泵浦的Tm光纤振荡器和芯泵浦的Tm光纤放大器。Tm光纤放大器可以是非线性的，在放大器内部的自相位调制的水平>1.5π，以使得在放大器输出处非线性脉冲压缩至约70fs。

相比之下，发明人注意到，当使用非线性包层泵浦的Tm放大器时，在所产生的超连续谱中的相干性水平严重降低。原因是耦合在超连续谱光纤的相位噪声的振幅，由于用于包层泵浦的多模半导体泵浦源中的模(式)拍频。不过，可通过利用线性包层泵浦的Tm光纤放大器来获得可接受水平的超连续谱相干性，其中自相位调制的最大水平被限制在1.5π。

如F.A.Oguama等人的“Simultaneous measurement of the Raman gaincoefficient and the nonlinear refractive index of optical fibers:theory and experiment”，J.Opt.Soc.Am.B，vol.22，426（2005）中所示，光纤的非线性折射率N₂随锗含量而增大，因此，将锗结合入PCF的芯增大了所述光纤的非线性折射率并使对于超连续谱产生的脉冲能量要求最小化。

本领域公知，所产生的超连续谱的相干性可通过在超连续谱光谱中作为光学频率ω的函数的一阶相干性g(ω)来近似描述，定义为：

$g\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{\left|{\&lang;A_i\left(\mathrm{\&omega;}\right)A_j^{*}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&rang;}_{i\&NotEqual;j}\right|}{\sqrt{\&lang;{\left|A_i\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right|}^2\&rang;\&lang;{\left|A_j\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right|}^2\&rang;}}---\left(1\right)$

其中A_i,j(ω)是由第i和第j脉冲所产生的超连续谱光谱的振幅，其中整数在脉冲串中是任意选定的。具有相干性函数g(ω)或g(λ)（其中λ是在光学频率ω的对应波长）的超连续谱光谱的特征例如用于W.Q.Zhang等人的“A genetic algorithmbased approach to fiber design for high coherence and large bandwidth supercontinuumgeneration”，Opt.Expr.，vol.17，pp.19311（2009），并且在此不进一步进行描述。不过，Zhang所用的方程式（1）并不考虑在实际脉冲源中的过量噪声，这需要被单独表征并可能从脉冲源到脉冲源有很大的变化。脉冲源可以是散粒噪声限制的，但仍具有非常大的相位噪声。通过实验，可以近似测得一阶相干性，包括来自脉冲源的贡献，利用Mach-Zehnder干涉仪，其中来自脉冲源的两个随后的脉冲被干涉，并且所产生的光谱干涉图的可见度被观察为光学频率的函数，其中：

$g_n\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&ap;\frac{I_{\max }\left(\mathrm{\&omega;}\right)-I_{\min }\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{4\sqrt{I_1\left(\mathrm{\&omega;}\right)I_2\left(\mathrm{\&omega;}\right)}}---\left(2\right)$

这里，I_max,min(ω)分别是所观察到的光谱干涉图的最大和最小光谱强度，而I_1,2(ω)分别是在Mach-Zehnder干涉仪的两臂获得的光谱强度。该测量技术在本领域是公知的，并且不需要任何进一步的解释；例如，其结合Nicholson等人的美国专利6,775,447的图10a被描述。为了区分g_n(ω)与g(ω)以便用于下文所讨论的目的，我们称g_n(ω)为下一个邻近的相干性。

为了我们的目的并且除非另有规定，光学超连续谱带宽被理解为在两个最极端光谱点之间所测得的光谱带宽，其中(在所述光谱点)所产生的光谱密度是连续谱中峰值光谱密度的至少约0.1%。可替换地，我们称这些极端的光谱点为-30dB点。

3a中示出了优化用于产生短脉冲和宽相干光谱的被动锁模Tm光纤振荡器的若干部件，该结构也披露于’762申请。Tm振荡器腔310通过泵浦源320泵浦。在本示例中，泵浦源320包括单模种子激光器例如低噪声单频光纤激光器或单频二极管激光器，工作在1500–1650nm波长范围，以便与Tm光纤吸收带在该区域重叠。当不需要超低噪声时，工作在该波长区域的Er-光纤激光器也可用作泵浦源。单频光纤种子激光器在Er-光纤放大器中被进一步放大并且用于泵浦Tm光纤激光器腔。Er-光纤前置放大器泵浦通过可选的振幅调制器和光纤耦合器C1被引入Tm光纤激光器腔310。

除了Tm光纤振荡器外，也可应用Tm：Ho光纤振荡器或Ho光纤振荡器。则还需要泵浦源的适当修改。例如，Ho光纤可在1150nm通过Yb光纤激光器进行泵浦，如本领域所公知的。

Tm光纤激光器腔310被设置为单向环形腔，包括Tm光纤、用于泵浦耦合的耦合器C1和用于输出耦合的耦合器C2。环形激光器利用非线性偏振演化被进一步被动锁模。所述被动锁模单向光纤环形腔例如披露于美国专利5,515,194（‘194）。所述腔还包括准直镜L1，L2和波片W1，W2，W3和W4(被设置为四分之一波(片)或半波片)。所述腔还包括隔离器和偏振分束器PBS。Tm光纤303在一端被接至标准单模光纤327-b，例如本领域所公知的Corning SMF-28光纤。耦合器C1和C2也被设置成具有标准单模光纤，在这里被称作尾纤光纤，并用于将泵浦光耦合入腔并从其提取输出。在另一端，Tm光纤被接至一长度的色散补偿光纤301，所述光纤301通过单模光纤327-a被连接至耦合器C2。所述腔还包括重复率控制器305，其中由尾纤制成的光纤线圈卷绕到压电式传感器(转换器)，用于重复率控制。所述用于重复率控制的元件是公知的。

图3a的激光系统在腔310内部的总体腔色散近似于零时产生最短脉冲。更一般而言，为了产生具有最低量的载波相位噪声的最短可能脉冲，腔的二阶色散应当接近于零或在+/-20,000fs²每米腔内长度的范围。优选的，所述腔内二阶色散的低值可利用具有不同值的二阶和三阶色散的光纤获得。一般，标准单模无掺杂尾纤光纤和Tm光纤具有相似值的二阶和三阶色散，对于工作在2000nm波长或接近2000nm波长(例如在波长范围为约1700到约2500nm)的Tm光纤振荡器，至少二阶和三阶色散的符号(sign)会是相同的。一个原因是在不引起失透的情况下对石英光纤中玻璃成形掺杂剂例如Al₂O₃和P₂O₅所允许的掺杂剂浓度有限制。因为Al₂O₃和/或P₂O₅提供Tm在石英光纤中的高溶解度，所述Tm掺杂的光纤的数值孔径通常受限在约0.25，因此限制了可结合入所述光纤的波导色散的量。相比之下，对于无稀土色散补偿光纤，GeO₂可用作主要掺杂剂，允许更大值的光纤数值孔径（可达到约0.40）和大值的波导色散。

因此，为了提供非常低的接近最小值腔内色散，在不同的实施例中可以采用补偿Tm光纤的色散或者任何标准未不掺杂单模尾纤光纤的色散的光纤。这些色散补偿光纤可被设计成具有二阶和三阶色散值，所述二阶和三阶色散值对Tm和尾纤光纤的相应值具有相反的符号。例如，可采用多个光纤部分，每个部分具有至少一长度的光纤，其中：

第一光纤部分具有正色散值，D2₁；

第二光纤部分具有负色散值，D2₂；

第一光纤部分具有负三阶色散值，D3₁；和

第二光纤部分具有正三阶色散值，D3₂。

另外，具体的光纤部分不需要包括与另一部份相同数量的光纤以便产生净（或平均）正或负色散值，如上文所述。

此外，理想地，二阶和三阶色散之比应当满足下述关系：

(D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂)～1,

其中D2₁，D3₁，D2₂，D3₂分别是Tm光纤和色散补偿光纤中二阶和三阶色散的值。在一些优选的实施例中，二阶和三阶色散之比还近似满足：

优选地：

0.2<(D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂)<5。

更优选地：

0.5<(D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂)<2。

最优选地：

0.7<(D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂)<1.3。

如上文所述，为了产生具有最小载波相位噪声的最短脉冲，二阶色散的总体值应当在约+/-20,000fs²每米腔内光纤长度的范围。一般，光纤腔可包括多于两个不同的光纤设计。在所述实施例中，将具有正色散的光纤与具有负色散的光纤合成具有平均值的二阶和三阶色散的两个不同的光纤部分是足够的。

用于获得具有相反符号的二阶色散但相似的二阶/三阶色散比的光纤的另一可替换例可通过应用光子晶体光纤实现。例如，通过如‘762的图2所示在中央掺杂光纤部分周围添加小空气孔并适当控制纤芯直径可制造具有正色散的Tm掺杂的光子晶体光纤。‘762中示出了由嵌入较大石英光纤包层的6个空气孔环绕的Tm掺杂纤芯的光纤。也因此可获得负值的三阶色散。可替换地，可制造未掺杂的光子晶体光纤，类似地允许控制二阶和三阶色散。所述未掺杂的光子晶体光纤可基于石英玻璃材料。

当二阶对三阶色散之比接近匹配并且腔的有效(active)色散被设定近似于零（通过选择适当的光纤长度），所产生的脉冲在腔内的某处基本上是带宽受限的。在耦合器C2的输出产生正啁啾脉冲，假设耦合器C2的尾纤光纤的色散远小于腔内色散补偿光纤301的色散。则通过适当选择耦合器C2的输出处的尾纤长度可获得近带宽极限的脉冲。这里，耦合器C2的耦合器尾纤优选选定与腔内Tm掺杂的光纤303具有相似值的二阶和三阶色散。此外，相比于‘194专利，通过调节总体有效腔色散到微负同时仍产生非常短的脉冲，激光系统可基本被用作为孤子激光器，具有最小的腔内脉冲宽度变化。

激光系统还可用作为相似子激光器，例如，披露于美国专利7,782,910，并且在通过总体正腔色散使激光器工作时可产生近似抛物线脉冲。有利于抛物线脉冲形成，这是因为Tm光纤和光纤尾纤可比色散补偿光纤具有更大(大的多)的纤芯区域并因此由色散补偿光纤主导脉冲成形导致抛物线脉冲形成。更一般而言，与传统的抛物线脉冲产生技术不同，这允许利用负色散增益光纤而非正色散增益光纤在光纤激光腔中的抛物线脉冲形成。

除了用大光学带宽和最小量的载波相位噪声工作外，在近零色散点工作的另一优势是在耦合器C2的输出尾纤处可容易地获得近带宽极限的脉冲。一个原因是，对于某个光纤尾纤长度，输出脉冲的二阶和三阶色散被自动补偿，如上文所述。在连接至被动锁模振荡器的外部光线尾纤中同步的二阶和三阶色散补偿是困难的，除非使用复杂和昂贵的脉冲成形元件。

在图3a的示例中，示出了利用非线性偏振演化用于锁模的锁模光纤梳环形激光器。不过，当锁模用于产生的脉冲的脉冲宽度<150fs或光谱带宽>60nm，适用对于选择腔内光纤的二阶和三阶色散值的相似考虑。尤其是，当使用任何锁模技术时也适用所述考虑因素。例如，具有减小的偏振灵敏性的环形激光器结构可通过在腔内的任何地方另外使用石墨烯或碳纳米管可饱和吸收器来构造。所述可饱和吸收器例如还可通过渐逝场耦合被结合在光纤锥，如本领域所公知，并且例如披露于K.Kieu和M.Mansuripur的“Femtosecond laser pulse generation with afiber taper embedded in carbon nanotube/polymer composite”，Opt.Lett.,32,2242-2244（2007）。

另外的Tm放大器（未示出）还可被接到耦合器C2的输出。Tm放大器的二阶和三阶色散值可通过插在放大器前的适当长度的色散补偿光纤被补偿。通过最佳选择的光纤并且还利用Tm放大器内部的非线性压缩，通过所述系统可产生在脉冲能量为大于十(数十)nJ的短于50fs的脉冲，并且可短至10–30fs。

图3b示出了基于光纤的振荡器/放大器的详细示例，适用于超宽带高度相干超连续谱源。它包括两个基于铒光纤的泵浦源、锁模Tm光纤振荡器和非线性Tm光纤放大器。第一铒泵浦源（泵浦1）用于泵浦锁模Tm光纤振荡器；它包括工作在波长为1563nm的单频半导体种子激光器（种子1）。种子激光器输出和980nm二极管泵浦激光器的输出通过波分复用耦合器C1被结合，并且种子信号随后在芯泵浦的铒放大器Er1中被放大。种子信号在铒放大器DCEr1中被进一步放大到输出功率为约3W。这里，铒放大器是双包层的，并且包层泵浦用于获得高功率水平。星形耦合器SC1（本领域公知）用于将种子信号与用于DCEr1的多模980nm泵浦光结合。包层泵浦的放大器DCEr1的输出进一步通过偏振复用耦合器PSC被偏振复用并与第二种子源（种子2，也工作在1563nm）的输出结合，以允许通过调制种子源（种子2）的功率快速调制到锁模Tm光纤振荡器的总泵浦功率。快速调制泵浦功率是可选的并且仅在此被包括，以便精确锁定振荡器中的载波包络偏移频率到外部射频信号或光学频率基准(参考)，从而能够构造基于Tm光纤的频梳源。除偏振复用耦合器PSC外，波分复用耦合器和种子源（种子2）(工作在不同波长例如1620nm)也可用于快速调制到Tm振荡器的泵浦功率。所述实施例没有单独示出。不过，如同例如在‘762申请中所讨论的，用于构造频梳源的其它系统设计也是可行的。适当的隔离器I1、I2和I3被用在不同放大级之间。

锁模Tm光纤振荡器类似于已结合图3a所讨论的（并且对应于‘762申请的图1）进行设置。Tm光纤振荡器被设计成工作在约75MHz的重复率并且产生亚100fs脉冲(中心波长为1950nm)和可达到30mW的输出功率。振荡器还包括30cm长的Tm光纤（TF1），标准单模阶跃折射率尾纤光纤（PF）和一长度的色散补偿光纤（DCF）(用于色散补偿振荡器内二阶和三阶色散)。适当的波片（W1表示四分之一和半波片）和相似的W2用于偏振控制并能够通过非线性偏振演化进行锁模。泵浦光通过波分复用耦合器C2被注入振荡器，并且振荡器的输出通过输出耦合器OC1被提取。

图3b的振荡器还包括可选的σ(sigma)部分，由镜M1表示，偏振分束器PBS，四分之一波片W3和半波片W4，用于通过镜M1的空间位置的纵向变化能够实现快速重复率控制。为了能够调制镜M1的位置，M1还被安装到压电式传感器(换能器)上。隔离器I4确保锁模光纤激光腔的单向工作。

本振荡器设计仅用作一个示例，并且如‘762申请所讨论，还可以应用其它的振荡器设计。

图3b中的第二铒光纤泵浦源包括也工作在1563nm的第三半导体种子源（种子3），并且利用上文所述的类似的980nm泵浦源在芯泵浦的铒放大器Er2和包层泵浦的铒放大器DCEr2中被放大。适当的隔离器I5、I6和I7提供种子源隔离。振荡器和第二铒泵浦的输出通过波分复用耦合器C4被结合，并且铥振荡器随后在长度为50cm的芯泵浦的Tm放大器光纤TF2中被放大。在Tm振荡器和Tm放大器之间还可插入额外的隔离器（未示出）。随后优化色散补偿光纤DCF的长度（根据用于腔内DCF的相同设计），以确保产生70fs脉冲(平均功率为600mW)的（非线性）Tm放大器TF2的输出处的较高阶孤子压缩。Tm放大器光纤TF2的输出还可直接接到高度非线性石英光纤（例如，如图2b所示），用于相干超连续谱产生。另外一长度的标准Corning SMF-28光纤（未示出）还可被接到超连续谱光纤的输出，以便补偿或调节连续谱内由倍频程分开的两个选定的波长之间的任何群延迟。所述群延迟级例如在f–2f干涉仪的构造中是有益的。

总体系统设计遵循下述指导，被设计成在任何超连续谱产生中使相位噪声转换的振幅最小并且确保高度相干超连续谱输出。这里，我们一方面区分构成短脉冲(来自于锁模振荡器)的信号S与信号放大器（SA）。另一方面我们区分用在光学泵浦锁模振荡器或信号放大器的泵浦系统的前端的泵浦种子源或泵浦种子（PS）和用于放大泵浦种子的泵浦放大器（PA）。具体地说：

1）信号产生锁模振荡器是芯泵浦的。

2）振荡器PS来自于基本上没有由于任何形式的多模态结构引起不稳定的源（换句话说，任何所述不稳定是可忽略的）。

a)当使用非线性SA时：

4a）光纤SA是芯泵浦的。SAPS来自于种子源，所述种子源没有由于任何形式的多模态结构引起的不稳定。

b）当使用线性SA时：

4b）光纤SA可以是芯泵浦或者包层泵浦的。SAPS优选但不必然来自于没有由于任何形式的多模态结构引起的不稳定的种子源。

另外，对于所有系统，在振荡器或放大器PA内的任何包层泵浦的放大级是线性的。当使用cwPS时，基本上总是确保放大的线性。

在一些实施例中，对于相干超连续谱产生可能不需要SA；在这种情况，对于相干超连续谱产生仅需要观察振荡器构造的设计标准。

在不同的实施例中，超连续谱源包括低噪声基于光纤的脉冲源，与高度非线性材料结合。低噪声光纤源促进高度相干超连续谱的产生。举例来说，用于振荡器泵浦系统的优选的种子源没有由模态噪声引起的不稳定，所述模态噪声可在任何形式的多模态结构中显现。单频半导体种子激光器或单频光纤激光器可用于不同的实施例中。此外，优选地，利用一些类型的主动反馈系统例如噪声消除器(noise eater)(本领域公知)可压制在所述单频光纤激光器中的张弛振荡。另一示例是基于放大的自发发射的源，没有纵向或横向模式结构，例如光纤放大的自发发射源。举例来说，所述低噪声源的均方根强度噪声（RIN噪声）在频率范围为1Hz-1MHz可能小于约1%。

图4a示出了通过图3的系统以及设置在非线性Tm放大器下游的高度非线性光纤产生在光谱范围从1000–1700nm的超连续谱光谱。利用不同的光谱仪的其它测量结果示出了延伸出至波长约2600nm的超连续谱光谱；因此，整个连续谱覆盖的光谱范围为约1.3倍频程。

通过具有如图2a所示RIP的高度非线性锗掺杂的固态石英玻璃SCF获得的并与图3所示的超连续谱振荡器/放大器源一起使用的高水平的超连续谱相干性和低水平的相位噪声被进一步通过用工作在1033nm的单频激光器拍频各光谱分量并通过射频（RF）分析仪测量拍频信号来实验验证。还可实施单频激光器和所产生的连续谱之间的拍频信号的双平衡检测，以便使振幅噪声贡献量最小化。该测量的结果在图4b中示出，其中获得了近30dB的S/N比。

在频率计量中，低水平的相位噪声意味着通过单频激光器在超连续谱光谱内测得的拍频信号的S/N比高到足以能够实现单频激光器和各(单独)频梳线之间在超连续谱光谱内相位锁定。在实践中利用标准电子器件，当测量单频激光器和各频梳线间在超连续谱光谱内的拍频信号时，当在100kHz光谱分辨率在RF分析仪上获得S/N比>20dB时相位锁定是可能的。因此在下文中我们采用的定义是：在超连续谱内光谱点的高相位相干性表示，当测量单频激光器和各频梳线间在超连续谱光谱内的拍频信号时，在RF分析仪上在100kHz光谱分辨率可获得S/N比>10dB。

在SCF光纤中获得的具有如图2a所示RIP的高水平的超连续谱相干性很大程度上依赖于所用的脉冲宽度和Tm光纤系统的类型；最好的结果通过注入非常短的脉冲并使用芯泵浦的Tm振荡器和芯泵浦的Tm放大器获得。在本示例中，通过脉冲宽度<100fs获得增大的相干性特性，通过脉冲宽度<300fs获得次优的相干性特性；通过脉冲宽度<1ps获得更次优的相干性特性；通过脉冲宽度>1ps获得更为降级的相干性特性。高水平的相干性对于改进基于超连续谱的任何随后的光谱测量结果的S/N比可能是重要的。在所述测量技术中散粒噪声限制的光学源是非常希望的。如结合公式(1)或公式(2)定义的相干性值接近于一(一致)确保了没有另外的噪声通过超连续谱产生的过程被添加到短脉冲激光源噪声。因此，假如散粒噪声限制的源产生超连续谱，所产生的连续谱也会是散粒噪声限制的。另一方面，如果超连续谱产生产生了高于散粒噪声10dB的过量振幅噪声水平，与使用散粒噪声限制的源相比，可能需要实施长出百倍的信号平均时间以便在信号检测中实现相同的S/N比。不过，散粒噪声限制的性能不保证低相位噪声，并因此不能确保特别高的相位相干性。

很多短脉冲源可产生过量的噪声水平。在这种情况，在一(一致状态)附近的相干性确保了过量噪声的水平不在超连续谱产生的过程中增加，这也是非常希望的。

通过具有如图2a所示的RIP的石英光纤获得的高水平的超连续谱相干性是出众的并且通过色散平坦的光纤设计获得。当在波长范围为1700–2500nm应用短脉冲源时，所述光纤可产生高度相干超连续谱光谱。在一些情况，可能不需要色散平坦。为了下文讨论的目的，我们称当获得下一个邻近相干性g_n(ω)>0.7时超连续谱具有高水平的相干性。

当使用工作在波长>1700nm的短脉冲光源时，具有大的锗含量的高度非线性石英光纤的使用还大大增加了所产生的超连续谱的相干性特性，因为其允许实施色散平坦的高度非线性光纤设计。在不同的优选实施例中，希望锗浓度>10mole%，更希望锗浓度>20mole%，并且最希望锗浓度>30mole%。色散平坦的光纤设计也可以通过使用光子晶体结构来定义芯区域，W-折射率分布或更为复杂的折射率分布来实现。优选地，高度非线性光纤在从激光源的中心波长延伸至±100nm的范围中具有的色散值<丨10丨ps²/km；更优选地，范围可以是±200nm，并且最优选地，范围可以是±500nm。使用色散平坦的光纤使相干性特性最大化，同时保持脉冲能量要求较低，例如：<100nJ。

图2b中示出了用于高度非线性光纤与工作在波长>1700nm的低噪声短脉冲源一起使用的光子晶体光纤设计的一个示例。举例来说，这里示出了表示所述光纤的示例性截面的SEM影像。光纤基于石英玻璃，具有由六个空气孔环绕的中央纤芯，并且是光子晶体光纤（PCF）构造的一个示例。在制造过程中，具有高锗浓度的锗硅酸盐玻璃棒利用堆积(拉制)法被插入中央纤芯区域。所述光纤披露于Dong等人的美国专利7,715,672，发明名称为“Ultra high numerical aperture opticalfibers”，该专利文献的内容在此被结合入本文作为引用。由于在纤芯界内光纤模式的强约束，锗掺杂的中央纤芯区域与光纤模式具有非常高的重叠。光子晶体光纤的非线性特性因此主要由锗掺杂的中央纤芯区域的非线性特性控制。

为了增大相干超连续谱产生的光谱范围到波长>2500nm，希望使用基于软玻璃或基于重金属氧化物玻璃的光纤或使用高度非线性波导。所述中红外透射玻璃(透中红外线玻璃)可以例如基于亚碲酸盐、硫族化物、SF6、铅或氟化物。不过，其它玻璃也可用于不同的实施例。这些中红外超连续谱源的相干性还可通过选择低噪声短脉冲源被最大化。如本领域所公知的，根据玻璃成分的细节，可制备具有大不相同的物理、化学或光学特性的软玻璃。

例如，基于亚碲酸盐和氟碲酸盐玻璃的光纤的特性可参见近期评论的M.D.O’Donnell等人的“Tellurite and Fluorotellurite Glasses for Fiberoptic RamanAmplifiers:Glass Characterization,Optical Properties,Raman Gain,PreliminaryFiberization,and Fiber Characterization)”，J.Am.Ceram.Soc.,vol.90，pp.1448（2007），并且也披露于H.V.Price等人的“Supercontinuum generation andnonlinearity in soft glass fibers”的图6.2，J.M.Dudley等人的“Supercontinuumgeneration in optical fibers”,Cambridge University Press（2010）的第VI章。具体地说，M.D.O’Donnell等人描述了FT3玻璃的峰值拉曼增益为约8.5×10^-13m/W，而在W.Q.Zhang等人的著作中FT3玻璃的非线性折射率被描述为N₂=5.9×10^-19m²/W。

结合工作在波长>1700nm的低噪声光纤源，基于FT3玻璃的高度非线性光纤对于相干超连续谱产生是好的候选者。另一用于相干超连续谱产生的适当的高度非线性光纤的特定示例是(亚)碲酸盐TBZN玻璃光纤，披露于X.Yan等人的“Transient Raman response and soliton self-frequency shift in tellurite microstructuredfiber”，Journal of Applied Physics，vol.108，pp.123110（2010）。

可替换的，硫系光纤可用于相干超连续谱产生。硫系光纤是吸引人的，因为与(亚)碲酸盐玻璃相比它们在中红外具有进一步延伸的光传输。所述硫系光纤例如披露于Hu等人的“Maximizing the bandwidth of supercontinuum generation inAs₂Se₃chalcogenide fibers”,Opt.Expr.，vol.18，pp.6722（2010）。

一般，通过利用色散平坦的色散分布，在任何基于软玻璃或重金属氧化物玻璃的高度非线性光纤中可增大在中红外的超连续谱光谱的相干性，不过，当在较小脉冲能量使用低噪声注射源时仅可实施适度量的色散平坦。例如，光纤可以在从所用激光源的中心波长延伸至±100nm的范围具有色散值D₂：丨5丨<D₂<丨100丨ps²/km。更优选的，范围可以是±200nm。最优选的，范围可以是±500nm。相比之下，Zhang等人提出使用具有极端水平的色散平坦的光纤，其中在波长跨度超过1000nm色散被选定为D₂：D₂<丨5丨ps²/km。

利用发射波长>1700nm的短脉冲源还使在所述材料中来自光暗化和多光子吸收的不利影响最小化。这些短脉冲激光源优选产生脉冲宽度<1ps，更优选脉冲宽度<300fs，并且最优选脉冲宽度<100fs。所述短脉冲源可以方便地基于低噪声锁模Tm光纤激光器和放大器，例如，如上文所述并且也披露于‘762申请。不过，可以使用工作在波长>1700nm的任何其它合适的短脉冲源。

作为对高度非线性光纤的替换例，高度非线性波导也可用于超连续谱产生。例如，超连续谱产生披露于M.R.E.Lamont等人的“Supercontinuum generationin dispersion engineered highly nonlinear(γ=10/W/m)As₂S₃chalcogenide planarwaveguide”，Opt.Expr.，vol.19，pp.14938（2008）。一般，通过选择色散平坦的色散分布在任何高度非线性波导中可显著增大在中红外的超连续谱光谱的相干性。波导优选在从所用激光源的中心波长延伸至±100nm的范围具有的色散值<丨100丨ps²/km。更优选的，范围可以是±200nm；并且最优选的，范围可以是±500nm。

通过准相位匹配的非线性晶体和波导产生高度相干超连续谱光谱也是可能的，其中取代基于光学材料的三阶非线性极化率的非线性过程（如用于光纤中的超连续谱产生），二阶非线性极化率被用于光谱增宽。在准相位匹配的高度非线性波导中的超连续谱产生也可以是高度相干的，产生可超过倍频程的宽超连续谱光谱。此外，利用准相位匹配的材料在所产生的超连续谱的宽部分也可获得相干性值g_n>0.7的高水平的相干性，并且g_n接近于一。在准相位匹配的非线性波导中的超连续谱产生首先披露于Hartl等人的美国专利7,809,222，发明名称为“Laserbased frequency standards and their applications”。为了获得宽的光谱范围，优选通过工作在接近准相位匹配的非线性晶体的零色散波长的短脉冲激光源进行超连续谱产生。例如，当使用基于周期性极化铌酸锂（PPLN）的非线性波导时，优选通过工作在波长区域近2000nm的激光源，例如通过基于Tm光纤激光器的脉冲源，来进行光谱增宽和超连续谱产生。此外，通过在所述准相位匹配的波导中采用自频移（SFS）可在超连续谱内部产生增强的光谱密度的区域，如披露于Fermann等人的美国专利申请No.61/426,327，发明名称为“Compact,high brightness light sourcesfor the mid and far IR”。基于准相位匹配的材料的超连续谱源可产生具有高光谱密度的光谱。此外，所述准相位匹配的波导的制备技术，尤其对于PPLN波导已达到了高度的成熟水平。因此，所述波导对于构造可靠和相干中红外源是非常有吸引力的。

此外，SFS可被用于将来自基于光纤的脉冲源的波长偏移入一波长范围，其中软玻璃和重金属氧化物玻璃具有反常色散。例如由Price等人（图6.2b），铋玻璃的零色散波长是在约2300nm，而通常的碲酸盐玻璃的零色散波长是约2200nm。因此，通过将来自光纤激光器的波长偏移到2200–2600nm波长范围内（例如可能通过利用PPLN波导中的SFS），全固态玻璃铋或碲酸盐光纤可用于超连续谱产生。全固态玻璃光纤没有空气孔并因此比PCF光纤设计更坚固。串联源的实施例(涉及短脉冲光纤激光器、PPLNSFS级和全玻璃超连续谱光纤)类似于结合图1所示的设置，其中PPLN晶体被插在激光源和非线性光纤之间。所述实施例并未单独示出。利用脉冲源<10ps可方便地构造涉及SFS和在高度非线性波导中的超连续谱产生的串联超连续谱源。

在一些结构中，Tm或Ho光纤激光器的输出可被直接注入高度非线性软玻璃光纤，以引起所述光纤中的自频移或拉曼频移。高度非线性光纤还可略呈锥形以便蓝移所述光纤的零色散波长。在自频移后，可结合非线性倍频晶体，以便在倍频的波长产生输出。此外，通过利用可调节的自频移，可构造波长可调谐源。例如，对于双光子显微术应用，波长区域在900–1300nm是有吸引力的，这可通过倍频来自Tm光纤激光器的输出和在软玻璃光纤中获得的移频的输出来实现。

Tm或Ho光纤激光器或中红外产生光纤激光器的另一应用是通过正常色散在软玻璃光纤中产生高能量低噪声超连续谱光谱。使用正常色散光纤允许使用具有较大纤芯直径的软玻璃光纤用于超连续谱产生，这使得所产生的超连续谱的光谱密度最大化。此外，应用正常色散光纤还增大相干性特性并减小所产生的超连续谱的噪声，允许低噪声超连续谱脉冲能量>约10nJ并可达到微焦水平，例如在从约10nJ-约10μJ的范围。所述高光谱密度超连续谱源例如可用于感测应用。

高度非线性超连续谱光谱的可用性还允许构造可替换实施例的波长可调谐源。图5中示出了所述波长可调谐源500的一个示例性实施例。该实施例包括短脉冲源，产生高度相干超连续谱光谱的级(包括高度非线性光纤或波导)，和非线性晶体510(设置在所述级的下游用于波长转换)。在本示例中，非线性晶体被设置成具有三个部分500a、500b和500c，以便可选择地偏移波长。例如，晶体可包括具有三个不同极化周期的PPLN。波长选择可通过相对于光束位置平移晶体来实现，如图5所示。在一些可替换的实施例中，可调谐的光学滤波器也可单独应用或结合非线性晶体应用。非线性晶体可例如包括周期性极化的LiNbO₃晶体，尽管也可以使用任何其它合适的非线性晶体。当短脉冲基于Tm光纤的系统与基于石英的高度非线性光纤结合使用并在非线性晶体中倍频时，倍频可产生从约500nm到约1300nm可调谐的输出。通过另外的光学滤波，可构造500-2600nm可调的波长可调谐源。适当控制注入超连续谱产生级的功率以及选择非线性晶体中适当的极化周期还可使倍频或光学滤波后所获得的光谱密度最大化。可替换的，短脉冲源的输出和高度非线性光纤的输出之间的三波混频或差频产生（DFG）可用于通过选择适当的DFG非线性晶体产生中红外到远红外的光谱输出。所述实施例没有单独示出。

图6中示出了双波长源600的一个示例性实施例。所述源可用于若干应用，包括相干反斯托克斯-拉曼(anti-StokesRaman)光谱学，受激拉曼光谱学或光谱分辨的泵浦探测测量。所述实施例包括短脉冲源和产生高度相干超连续谱的级。短脉冲源的输出的一部分通过第一分束器610-a被分开，而另一部分被引向光学级用于相干超连续谱产生，产生第二输出。第二分束器610-b随后使两个输出组合，产生组合的（第三）输出。通过另外的反射部件插入的适当的时间延迟还可确保在组合的输出中第一第二输出的时间重叠。另外的光学脉冲或光谱成形元件还可被包括在第二输出和第二分束器610-b之间，用于产生光谱或时间成形的超连续谱光谱。所述实施例没有单独示出。

图7中示出了双波长可调谐源700的一个示例性实施例。所述源可用于若干应用，包括相干反斯托克斯-拉曼(anti-Stokes Raman)光谱学，受激拉曼光谱学或光谱分辨的泵浦探测测量。本实施例以结合图6所述相似的方式构造。在超连续谱产生级的输出之后插入用于频率转换的非线性晶体，以产生波长可调输出，如结合图5所解释的。例如，非线性晶体710具有可选择的部分710a、710b和710c，如图5所示。

低噪声高度相干超连续谱源可用于多种应用。它们在光谱学应用中具有很大益处，所述应用例如傅里叶变换光谱学或多外差光谱学以及线性光学采样。事实上，任何包括通过被提供作为本振输入的超连续谱脉冲的一些形式的相干检测的测量技术极大地受益于低噪声特征，并尤其是低相位噪声。作为所述相干检测的一个示例，连续谱光谱的一部分被转向充当本振用于待测信号。待测信号随后在被检测器检测之前通过本振被相干放大。涉及两个相干频梳激光器的外差或多外差检测方案披露于Fermann等人的美国专利申请No.61/364,545，发明名称为“Optical Signal Processing with Modelocked Lasers”，并在此不作进一步描述。对于跨大带宽的多外差检测，所述的相干跨倍频程超连续谱源是非常有用的。在一些实施例中，仅使用一个超连续谱光纤和一个或两个短脉冲源足以产生相干超连续谱。在其它实施例中，可应用通过两个短脉冲源产生的两个相干超连续谱光谱。在一些实施例中，一个源或多个源的载波相位是自由运行的，并且脉冲源的重复率是自由运行的或是利用射频参考(基准)信号相位或频率锁定。在其它实施例中，源的载波相位和重复率利用射频参考(基准)信号、光学参考激光器或f–2f干涉仪相位锁定。

多外差检测可用于确定样本的特征。特征可以例如包括吸收、反射率以及从样本内的发射。涉及两个短脉冲源的多外差检测则涉及产生两个超连续谱光谱，其中每个超连续谱由光学频率空间中均匀分离的各光谱线组成，并且对于两个超连续谱光学频率间隔是不同的。涉及两个短脉冲源的多外差检测还涉及光学组合由两个脉冲源产生的两个连续谱光谱，将样本暴露于连续谱的光谱跨度的至少一个部分，和通过分析对应于选定的光谱跨度中两个相干超连续谱光谱的拍频的射频光谱来检测对所述暴露步骤的响应。由于多外差检测方案基本测量光学拍频，主要地超连续谱源的相位噪声是限制因素。振幅噪声可利用双平衡的检测方案抑制，也如美国专利申请No.61/364,545中所讨论的。

图8中示出了仅使用一个激光源和相干超连续谱的一般的相干光学检测结构800。短脉冲源被第一分束器分成两个传播路径。沿第一传播路径传播的脉冲被耦合到包括高度非线性光纤或波导的超连续谱级，以产生高度相干连续谱。所述连续谱下游的光学滤波器可从连续谱滤出感兴趣的光谱区域。沿第二传播路径传播的脉冲被引向可选的频率转换级，其可包括非线性频率转换晶体或产生高度相干连续谱的另一级。由频率转换级耦合的脉冲随后被引入样本810，在这里引起相干的非线性过程。例如，相干的非线性过程可包括相干反斯托克斯－拉曼(anti-Stokes Raman)散射，产生光谱输出，与光谱分量重叠，所述光谱分量由插入第一传播路径的上述光学滤波器选择。在通过第二分束器重新组合两个传播路径后，检测器随后测量来自两个传播路径的相干信号输出。为了抵消来自基带的信号并能够实现外差检测，两个传播路径之间的相位延迟可被调制或移频器例如声光调制器可被结合入传播路径中的一个。所述方案没有单独示出。此外，可应用群延迟部分（未示出），以调节两个光学传播路径之间的群延迟。由超连续谱级在第一传播路径产生的光谱输出因此可用于大大地放大由相干过程产生的弱信号。

可替换的，相干过程也可在第一传播路径(臂)中产生并且可应用外差检测。所述方案没有单独示出。另外，光谱或时间脉冲成形可被插入在每个臂(路径)中，以增强相干过程或外差检测信号。所述实施例没有单独示出。

低噪声高度相干超连续谱源还在成像应用以及微光谱学引起很大兴趣。低噪声超连续谱源的成像应用包括光学相干断层摄影术，所有变化形式的共焦荧光显微术和超分辨率显微术，例如受激发射损耗显微术（STED）。低噪声超连续谱光谱在利用锁定检测方案检测信号时是尤其有用的。所检测信号的信号/噪声比则直接受超连续谱源的噪声的影响，其优选在锁定(锁相)放大器的检测频率是散粒噪声限制(极限)的。不过，与非散粒噪声限制(极限)的源一起使用时，锁定检测方案也是可用的。

图9中示出了涉及低噪声超连续谱源的一般的锁定检测结构900。低噪声超连续谱源可以是高度相干的，但可替换的它也可以是非相干的并且至少在锁定检测频率接近于散粒噪声极限(限制)的。短脉冲源被耦合到光学元件以产生低噪声超连续谱。脉冲源优选具有的脉冲宽度<100ps。样本910被插入超连续谱源的输出，并且超连续谱的输出引起超连续谱的相位或振幅的修改。修改可以是根据光谱的。光学滤波器或光栅（未示出）也可被包括并用于光谱选择样本的输出或使样本的输出色散。样本的光谱输出或样本的光谱色散的输出随后分别由检测器930或检测器阵列检测。也可使用能够实现光谱分辨检测的另外的光学元件。例如，可包括扫描Michelson干涉仪，以实现傅里叶变换光谱学。所述修改没有单独示出。可以采用投射或反射探测样本。

检测信号在脉冲源的重复率或在用于锁定检测的适当选择的调制频率被进一步电子滤波。例如，调制器920可被插在检测器的上游用于信号调制。在不同的实施例中，调制器可被插在超连续谱源的上游或下游或位于样本和检测器之间。图9示出了调节器插在超连续谱源和样本之间的实施例。不过，也可实施用于产生在适当检测频率调制的信号的其它方法。这些方法也可包括调制短脉冲源的载波包络偏移频率。调制器的调制频率还可被传至检测器以便在调制频率实现相敏检测。当使用脉冲源的重复率作为本振时，脉冲的重复率通过第二检测器（未示出）被检测并随后被传送到第一检测器。还可包括用于检测空间分辨信息的其它光学扫描元件，在这里没有示出。

其它成像应用包括所用变化形式的多光子显微术，例如多光子显微术基于两个光子和三个光子荧光性，表面二次谐波产生，三次谐波产生，相干反斯托克斯－拉曼(anti-Stokes Raman)散射以及受激拉曼散射。微光谱学应用可包括例如中红外吸收光谱学以及针尖增强光谱学。

因此，本发明已在若干个实施例中进行了描述。应当理解，实施例不是相互排斥的，并且结合一个实施例所述的元件可采用适当的方式与其它实施例结合或从其它实施例除去，以实现希望的设计目的。

至少一个实施例包括相干超连续谱源。所述相干超连续谱源包括低噪声基于光纤的脉冲源，与高度非线性材料结合设置。所述低噪声基于光纤的源包括锁模光纤振荡器。所述基于光纤的脉冲源产生的输出包括脉冲宽度<1ps和中心波长>1700nm的短光学脉冲。所述高度非线性材料接收低噪声基于光纤的脉冲源的输出并产生相干超连续谱，所述相干超连续谱具有可在两个-30dB点测量的至少一半倍频程的光谱带宽。相干超连续谱源包括低噪声泵浦源，以便泵浦低噪声基于光纤的脉冲源。通过相干超连续谱源可获得在光谱带宽内两个位置处至少0.7的一阶最邻近相干值。

在任一或所有的实施例中，高度非线性材料可包括高度非线性石英光纤，所述石英光纤具有锗浓度>10mole%的纤芯区域。

在任一或所有的实施例中，超连续谱可覆盖在两个-30dB点测量的大于1倍频程的光谱带宽。

在任一或所有的实施例中，高度非线性石英光纤可以是色散平坦的，在基于光纤的脉冲源的中心波长的±100nm内的光谱范围具有的色散值<丨10丨ps²/km。

在任一或所有的实施例中，高度非线性光纤可具有W折射率分布。

在任一或所有的实施例中，高度非线性材料可包括光子晶体光纤。

在任一或所有的实施例中，光子晶体光纤可以是硅基的并具有锗浓度>10mole%的纤芯区域。

在任一或所有的实施例中，低噪声泵浦源可包括至少一个单频种子源。

在任一或所有的实施例中，低噪声泵浦源可包括几乎无任何纵向模式结构的种子源。

在任一或所有的实施例中，低噪声泵浦源可包括产生放大的自发发射的种子源。

在任一或所有的实施例中，低噪声泵浦源的输出可被注入相干超连续谱源的锁模光纤振荡器内的增益光纤的纤芯。

在任一或所有的实施例中，低噪声基于光纤的源可包括基于Tm,Tm:Ho,或Ho掺杂光纤的被动锁模光纤振荡器。

在任一或所有的实施例中，高度非线性材料可包括软或重金属氧化物玻璃光纤。

在任一或所有的实施例中，高度非线性材料可选自SF-6、铋、铅、(亚)碲酸盐、氟化物、氟碲酸盐或硫系玻璃光纤。

在任一或所有的实施例中，高度非线性材料可以是非石英光纤，并且可以是色散平坦的，在激光源的中心波长的±100nm内的光谱范围具有色散值<丨100丨ps²/km。

在任一或所有的实施例中，低噪声基于光纤的源可产生脉冲宽度<300fs的脉冲。

在任一或所有的实施例中，低噪声基于光纤的源可产生脉冲宽度<100fs的脉冲。

在任一或所有的实施例中，高度非线性材料可包括周期性极化的非线性晶体波导。

在任一或所有的实施例中，超连续谱源可至少在连续谱内的两个光谱点表现高相位相干性，所述两个光谱点被至少一半倍频程分开。

在任一或所有的实施例中，高度非线性材料可包括高数值孔径光子晶体光纤（PCF），具有纤芯和至少部分环绕纤芯的单层空气孔。

在任一或所有的实施例中，相干性可通过当用RF频率分析仪在100kHz分辨率测量时具有至少10dB的S/N比的RF拍频信号测量，并可通过f–2f干涉仪测量。

在任一或所有的实施例中，超连续谱的光谱可包括多个光谱线，并且相干性可通过单频激光器输出和在超连续谱内由自中心波长至少0.5倍频程分离的单独频率线之间的可检测RF拍频信号来表征，RF拍频信号具有通过RF频率分析仪在约100kHz分辨率可测量的至少约10dB的S/N比。

在任一或所有的实施例中，高度非线性材料可包括高度非线性光纤。

在任一或所有的实施例中，高度非线性材料可在基于光纤的脉冲源的中心波长处具有正常色散值。

在任一或所有的实施例中，高度非线性材料可包括软或重金属氧化物玻璃光纤，并且所述光纤可在基于光纤的脉冲源的中心波长处具有正常色散值。

在任一或所有的实施例中，低噪声光纤源可在频率范围从约1Hz到约1MHz表现出小于约1%的均方根强度噪声（RIN噪声）。

至少一个实施例包括相干超连续谱源。所述超连续谱源包括产生短光学脉冲的基于光纤的激光源。基于光纤的激光源在中心波长>1700nm产生输出。短光学脉冲包括脉冲宽度<10ps。相干超连续谱源包括非线性波导，所述非线性波导用于将基于光纤的激光源的输出自频移至频移输出波长>2200nm。高度非线性材料接收具有频移输出波长的脉冲并与之产生相干超连续谱。

至少一个实施例包括一种用于相干检测的方法。所述方法包括提供具有中心发射波长>1700nm的短脉冲源。相干超连续谱在波导材料中产生。所述方法包括通过用短脉冲源的输出照射样本来引起相干信号发射，所述信号发射覆盖信号发射光谱区域。所述方法还包括在相干超连续谱内选择切合信号发射光谱区域的光谱区域。所述方法包括干涉来自信号发射光谱区域和来自超连续谱的对应区域的两个光谱重叠信号，并放大检测到的信号。

至少一个实施例包括用于锁定检测的方法。所述方法包括提供具有中心发射波长>1700nm的短脉冲源，并且在波导材料中产生超连续谱。所述方法包括通过将样本插入超连续谱的光束路径来修改超连续谱的光谱。样本通过超连续谱的一部分在调制频率被照射，并且在调制频率检测光谱的修改。

至少一个实施例包括用于确定样本的特征的方法。所述方法包括提供中心发射波长>1700nm的短脉冲源。低噪声超连续谱在波导材料中产生。所述方法包括通过超连续谱的至少一部分照射样本，并且检测由样本产生的对照射步骤的响应。样本的特征根据响应来确定。

在任一或所有的实施例中，超连续谱可能是相干的并且可能包括多个单色光谱线。

在任一或所有的实施例中，单色光谱线中的至少一个可被锁定至外部频率参考信号。

在任一或所有的实施例中，光谱线的载波包络偏移频率可被锁定至外部参考信号。

至少一个实施例包括一种用于利用多外差检测确定样本的特征的方法。所述方法包括提供中心发射波长>1700nm的至少一个短脉冲源。所述方法还包括产生两个相干超连续谱光谱，其中两个超连续谱光谱包括具有一定频率间隔的单独(各)频率线，对于两个超连续谱光谱的频率间隔是不同的。通过两个超连续谱光谱的至少一部分照射样本。所述方法包括检测由样本产生的对照射步骤的响应并根据所述响应确定样本的特征。

至少一个实施例包括用于光谱检测的方法。所述方法包括提供中心发射波长>1700nm的短脉冲源，并在波导材料中产生超连续谱。超连续谱的光谱通过将样本插入超连续谱的光束路径并用超连续谱的一部分照射样本进行修改。检测光谱的修改。

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范围的情况下可对其进行多种修改。此外，首字母缩略词仅用于增强说明书和权利要求书的可读性。应当指出，这些首字母缩略词并不旨在缩小所用术语的概括性，并且它们不应被理解成将权利要求书的范围限制在本文所述的实施例。

本文披露了本发明的某些方面、优点和新颖性特征。不过，应当理解，并不必然根据任意的具体实施例可实现所有所述的优点。因此，本发明可能按实现一个或多个优点的方式体现或实施，而不必然如可能本文所教导或建议的实现其它优点。

Claims (34)

1.一种相干超连续谱源，包括：

低噪声基于光纤的脉冲源，所述低噪声基于光纤的脉冲源被设置成与高度非线性材料结合，所述低噪声基于光纤的脉冲源包括锁模光纤振荡器，所述基于光纤的脉冲源产生输出，所述输出包括脉冲宽度<1ps在中心波长>1700nm的短光学脉冲，所述高度非线性材料接收来自所述低噪声基于光纤的脉冲源的输出并产生相干超连续谱，所述相干超连续谱具有可在两个-30dB点测量的至少一半倍频程的光谱带宽；和

低噪声泵浦源，所述低噪声泵浦源泵浦所述低噪声基于光纤的脉冲源，

其中通过所述相干超连续谱源可获得在所述光谱带宽内两个位置处至少0.7的一阶最邻近相干性值。

2.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述连续谱覆盖在两个-30dB点测量的大于1倍频程的光谱带宽。

3.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性材料包括高度非线性石英光纤，所述高度非线性石英光纤包括锗浓度>10mole%的纤芯区域。

4.根据权利要求3所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性石英光纤是色散平坦的，在所述基于光纤的脉冲源的中心波长的±100nm的光谱范围内具有色散值<丨10丨ps²/km。

5.根据权利要求3所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性光纤具有W折射率分布。

6.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性材料包括光子晶体光纤。

7.根据权利要求6所述的相干超连续谱源，其中所述光子晶体光纤是硅基的，并且包括锗浓度>10mole%的纤芯区域。

8.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述低噪声泵浦源包括至少一个单频种子源。

9.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述低噪声泵浦源包括几乎无任何纵向模式结构的种子源。

10.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述低噪声泵浦源包括产生放大的自发发射的种子源。

11.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述泵浦源的输出被注入所述锁模光纤振荡器内的增益光纤的纤芯。

12.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述低噪声基于光纤的源包括基于Tm,Tm:Ho,或Ho掺杂光纤的被动锁模光纤振荡器。

13.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性材料选自SF-6、铋、铅、碲酸盐、氟化物、氟碲酸盐或硫系玻璃光纤。

14.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性材料包括软或重金属氧化物玻璃光纤。

15.根据权利要求14所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性光纤是非石英光纤，并且是色散平坦的，在所述激光源的中心波长的±100nm的光谱范围中具有色散值<丨100丨ps²/km。

16.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述低噪声基于光纤的源产生脉冲宽度<300fs的脉冲。

17.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述低噪声基于光纤的源产生脉冲宽度<100fs的脉冲。

18.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性材料包括周期性极化的非线性晶体波导。

19.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述超连续谱源至少在所述连续谱内的两个光谱点表现高相位相干性，所述两个光谱点由至少一半倍频程分开。

20.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性材料包括高数值孔径光子晶体光纤（PCF），所述PCF具有纤芯和至少部分环绕所述纤芯的单层空气孔。

21.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述相干性在通过RF频率分析仪在100kHz分辨率测量时可通过S/N比为至少10dB的RF拍频信号测量，可通过f–2f干涉仪测量。

22.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述超连续谱的光谱包括多个光谱线，并且所述相干性可通过单频激光器输出和在超连续谱内由自中心波长至少0.5倍频程分离的单独频率线之间的可检测RF拍频信号来表征，所述RF拍频信号通过RF频率分析仪在约100kHz分辨率可测得至少约10dB的S/N比。

23.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性材料包括高度非线性光纤。

24.根据权利要求23所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性材料在所述基于光纤的脉冲源的中心波长具有正常色散值。

25.根据权利要求1所述的相干超连续谱源，其中所述高度非线性材料包括软或重金属氧化物玻璃光纤，并且所述光纤在所述基于光纤的脉冲源的中心波长具有正常色散值。

26.一种相干超连续谱源，包括：

基于光纤的激光源，所述基于光纤的激光源产生短光学脉冲，所述基于光纤的激光源在中心波长>1700nm产生输出，所述短光学脉冲包括脉冲宽度<10ps；

非线性波导，所述非线性波导用于将所述基于光纤的源的输出自频移到频移输出波长>2200nm；和

高度非线性材料，所述高度非线性材料接收具有所述频移输出波长的脉冲并与之产生所述相干超连续谱。

27.一种用于相干检测的方法，包括：

提供中心发射波长>1700nm的短脉冲源；

在波导材料中产生相干超连续谱；

通过用所述短脉冲源的输出照射样本引起相干信号发射，所述信号发射覆盖信号发射光谱区域；

在所述相干超连续谱内选择切合所述信号发射光谱区域的光谱区域；

在检测器上干涉来自所述信号发射光谱区域和来自所述超连续谱的对应区域的两个光谱重叠信号；和

放大自所述信号发射的检测到的信号。

28.一种用于锁定检测的方法，包括：

提供中心发射波长>1700nm的短脉冲源；

在波导材料中产生超连续谱；

通过将样本插入所述超连续谱的光束路径并用所述超连续谱的一部分在调制频率照射样本来修改所述超连续谱的光谱；和

在所述调制频率检测光谱的修改。

29.一种用于确定样本的特征的方法，所述方法包括：

提供中心发射波长>1700nm的短脉冲源；

在波导材料中产生低噪声超连续谱；

用所述超连续谱的至少一部分照射样本；

检测由所述样本产生的对照射步骤的响应；和

根据所述响应确定所述样本的特征。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述超连续谱是相干的并且包括多个单色光谱线。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述单色光谱线的至少一个被锁定至外部频率参考信号。

32.根据权利要求30所述的方法，其中所述光谱线的载波包络偏移频率被锁定至外部参考信号。

33.一种用于利用多外差检测确定样本的特征的方法，所述方法包括：

提供中心发射波长>1700nm的至少一个短脉冲源；

产生两个相干超连续谱光谱，其中所述两个超连续谱光谱包括具有一定频率间隔的各频率线，对于两个超连续谱光谱的所述频率间隔是不同的；

用所述两个超连续谱光谱的至少一部分照射样本；

检测由样本产生的对所述照射步骤的响应；和

根据所述响应确定所述样本的特征。

34.一种用于光谱检测的方法，包括：

提供中心发射波长>1700nm的短脉冲源；

在波导材料中产生超连续谱；

通过将样本插入所述超连续谱的光束路径来修改所述超连续谱的光谱；

用所述超连续谱的一部分照射样本；和

检测光谱的修改。

Images