CN103828146B - 从激光器动态自适应地生成波长连续的且规定的波长对时间的扫描的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种系统（10，20）和方法，包括波长调谐机构和激光器路径长度调谐机构，以减少扫描范围内的不连续性。处理器（14）与波长监控装置（18）和所述调谐机构联接。所述处理器分析来自所述波长监控装置的数据，以在波长扫描中的不连续处调节波长调谐和腔长度调谐以减少不连续性。

Description

从激光器动态自适应地生成波长连续的且规定的波长对时间 的扫描的系统和方法

相关申请

本申请要求2011年7月22日递交的美国临时申请No.61/510,765的权益，该美国临时申请的内容通过引用并入文中。

技术领域

本发明总体涉及使用扫频可调谐激光器，诸如光学相干断层扫描（OCT）、光频域反射计（OFDR）、光谱学、光学元件的遥感和测试，以使可调谐激光器的波长对时间的扫描连续、单调、且用于特定的时间廓线以改进系统的性能的装置和方法。

背景技术

在使用激光器的波长扫描或频率扫描的应用中，存在用于接收关于该应用的精确的信息所需的三种特性：（1）波长扫描对时间的连续性和单调性；（2）扫描对时间的线性；和（3）随着时间和环境变化（例如温度、湿度）维持连续性、单调性和线性的能力。例如，分子气体吸收特征的形状可通过激光器的波长扫描中的不连续性-向前或向后跳动而变形。在另一示例中，波长不连续性可降低组织的OCT图像的质量。因此，期望消除来自波长扫描激光器的波长不连续性。

图1A示出理想的激光器随着时间的连续的线性频率扫描。图1B示出示例性激光器随着时间的连续但非线性的频率扫描。图1C示出示例性激光器随着时间的不连续的频率扫描。

在单模波长扫描激光器中的波长不连续性通常由从激光器的一个单纵模突然转变到另一单纵模造成，在该情况下这些模式的波长截然不同。这些转变一般被称作模跳。当激光器的一组模与激光器的另一组模之间发生突然转变时，当这两组的平均波长截然不同时，波长不连续性也可发生在多模波长扫描激光器中，例如傅里叶域锁模（FDML）激光器和其它激光器。

即使当扫描是连续的且单调的，在许多应用中激光器波长遵循特定的时域廓线也是有利的。例如，在OCT中，优选地在光频对时间中，扫描对时间是线性的以能够进行扫描数据的傅里叶后处理。在其它应用中，例如OCT或电信测试，有利的是随时间非线性地扫描光频对时间以补偿被测试的装置或材料中的其它效应。

在现有技术中，进行大量的尝试以减少或消除模跳和控制扫描廓线，但通常是令人不满意的或暂时性的。尽管也可以准确地消除在某一时间点的全部不连续性和非线性，但随着时间推移或（例如）温度的变化将形成另外的不连续性和非线性。例如，外腔激光器使用与增益介质联接的外腔机构以近似连续的单模进行操作。通过精确的、紧公差组件和腔的精确对准、或者使用实时调节腔长度的实时元件（诸如压电式换能器），来防止模跳。

其它激光器构造使用腔内元件。随着时间推移，激光器的对准下降或者组件磨损，其可导致模跳和扫描廓线相对于时间的变化。当周围的温度或者压力变化时，对准可降低，这也可导致模跳和扫描廓线相对于时间的变化。（高速机械操作引起的）激光器外部的振动或者激光器内部的振动也可使得腔错位，这再次可导致模跳和扫描廓线相对于时间的变化。

另一难题在于模跳可发生在具有机械调谐机构的激光器的波长扫描中的任何地方。因此，需要监控整个扫描以标记在激光器的扫描廓线中的波长不连续性和变化，并且针对这些变化校正激光器扫描。

另一类型的用于产生扫描波长的单模激光器为单片式构造的半导体激光器。单片式半导体激光器包括位于半导体中的多个部分或段，其用作可调节的腔反射镜、激光增益、腔相位和（可选的）外部放大。单片式半导体激光器的示例为垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、具有微机电系统（MEMS）调谐结构的VCSEL、取样光栅分布布拉格反射式（SGDBR）激光器、超结构光栅分布式布拉格反射式（SSGDBR）激光器和类似的装置。因为这些激光器是单片式的且没有移动部件，故它们的腔室是极其稳定的且能够以窄的线宽和长的相干长度在单纵模下操作。这种类别的可调谐半导体激光器需要多个激光电流信号以调谐波长，这对于形成不存在波长不连续性的波长扫描具有挑战性。需要用于控制单片式半导体激光器、减少或消除在它们的波长扫描内的模跳、以及控制它们的波长对时间的扫描廓线（以形成例如线性）的装置和方法。

具有集成光栅以实现调谐的单片式可调谐激光器目前在电信应用中是常见的。由于这些可调谐激光器提供了宽的波长调谐（例如1520纳米至1565纳米）和在同一单片式芯片上快速调谐（以微秒扫描）全部波长的能力，故这些可调谐激光器是独特的。在文中，这种可调谐激光器将被称作半导体单片式可调谐激光源（SMTLS）。

SMTLS具有与后镜驱动和前镜驱动的组合相关联的波长区域。在图2中示出了波长对电流的图的复杂性。SMTLS装置被定义且开发以允许大量特定波长中的一个波长被输出，例如，允许选择任一个标准的（ITU）波长。

在过去已经进行这样工作以允许：在激光器的调谐范围内的任何地方，SMTLS激光器从一个波长快速切换到另一波长，如在美国专利申请公布2009/0059972中所描述的。现有技术涉及使用初始波长和最终波长、与每一波长相关联的电流、以及反馈控制系统以快速地将激光器锁定至其目的波长的知识。该方法对于在需要从一个波长离散变化到另一目的波长的电信中的应用是有用的。

发明内容

在其他诸如电信组件的波长扫描测试、遥感和光学相干断层扫描的应用中，存在许多用以操作不是作为波长切换装置、而是作为波长扫描装置的激光器的动机。本发明中所使用的波长扫描，指随着时间从一个波长到另一波长的连续的（或阶梯式连续的）移动，优选地以线性的且单调的方式。

对于扫描SMTLS的第一难题在于确定如何以连续的方式调谐多段激光器结构。激光器的每一段受到诸如电流或电压的参数控制，其导致复杂的多变量控制空间。通过测量在多个调谐电流（诸如激光器的前镜、后镜和相段）下的激光器的波长，可确定从较小波长移动至较大波长的连续路径。在图3中，调谐路径以标记为（a至i）的离散线示出。从标记为（a）的线开始，一组前镜电流和后镜电流（和未示出的相电流）可被选定，以沿着线（b）、线（c）、依次类推、到线（h）从高波长连续地到较低波长、或者从低光频到较高光频连续地调谐激光器的波长。

在图3中，每一围住的区域表示激光器的模式。在每一区域的边界处，发生模跳。作为一个示例，SMTLS激光器中的模跳可为350皮米（pm）长。模跳的大小可利用相电流进行控制。然而，在图3中，变化相电流使波长图的细节改变。防止SMTLS中的波长不连续性需要理解如何调节SMTLS的波长扫描中的多个控制参数。

形成和维持波长扫描的另一难题是，时间和温度极大地影响调谐图。这意味着为了精确地调谐线性，镜扫描路径（MSP）随着时间变化。在一次扫描的时间尺度（例如纳秒或微秒）上，调谐电流可被选择，使得激光器停留在用于那次扫描的特殊路径上，但是在较长的时间段（几分钟到几小时）上，未保持相同的一致性。因此，甚至SMTLS的波长连续性也必须随着时间推移进行校正。

如何实现连续扫描的传统观点是“完全绝对的波长图”方法。一个用于形成连续扫描的方法为详细地绘制前镜、后镜以及相位激励相对于绝对波长的图，然后使用该详细的图以建立镜扫描路径以得到连续的且单调的波长对时间的结果。然而，该方法需要非常大量的数据点以实现高的波长线性精度，这是耗时的。通常，绝对波长测量需要相对昂贵的设备（例如，波长计或者光谱分析仪），该设备每次测量需要数秒。由于温度和老化引起的激光器的波长漂移，因此绝对波长测量方法需要定期进行，这意味着昂贵的绝对波长测量设备将需要提供在系统中或者作为系统的附属物。增添绝对波长测量设备大大地增加了系统的成本。此外，执行大量的定期绝对波长重新校正所需的时间对于许多终端用户应用来讲也太长。

除了上文的问题外，整个扫描实际上为动态操作，而不是静态操作，也不是一系列的静态操作。例如，来自用于产生电信号的数模转换器的信号经历延迟时间和校正时间。然后，该信号流向电信号调节器（例如，电压-电流转换器），其也施加信号延迟时间和校正时间。用于每一信号到激光器自身的传输线具有信号延迟时间和校正时间。激光器自身具有相同的延迟时间和校正时间。因此，在激光器内，施加电流（或电压）变化造成激光器的该部分的温度的变化，并且，利用延迟时间和校正时间，也使激光器的其它元件的温度产生变化（由于这些元件在物理上彼此接近）。因此，创建这种动态信号（该信号发送至激光器）系统的实际结果为不仅在任一时间处的信号（例如，对于Verneir-调谐分布布拉格反射镜（VT-DBR）的5个信号）的组、而且这些同步信号的组合以及在这些信号之前的信号的组合的非常复杂的组合。这些信号、延迟时间和校正时间组合的方式在很大程度上取决于温度、湿度和其它环境因素以及取决于组件的老化，从而从一个时间到另一时间不是恒定的。

本发明的一个方面涉及一种扫描激光器系统，包括：激光源；与激光源操作地联接的激光器控制单元；和，处理器，该处理器用于配置激光器控制单元以控制激光源从而实现遵循一组规定的扫描性能特征。

本发明的另一方面涉及一种用于控制半导体激光源以输出在波长范围内的辐射的方法，所述方法包括：从半导体激光源输出在波长范围内的辐射，其中所述半导体激光源被配置成接收输入信号以离散地改变在所述波长范围内的辐射；检测与波长范围内的辐射相关的至少一种物理特性相关联的数据；处理数据且改变对于半导体激光源的输入信号以实现遵循一组规定的扫描性能特征。

本发明的另一方面涉及一种扫描激光器系统，包括：波长调谐机构；激光器路径长度调谐机构，其中，调谐机构被配置成从被激光腔的大于一个模式分开的一个波长到另一波长操作激光源；一个或多个波长监控装置；和，与所述一个或多个波长监控装置和波长调谐机构和激光器路径长度调谐机构联接的处理器；其中，处理器分析来自波长或频率监控器的数据、并且在波长扫描中的不连续处调节波长调谐和腔长度调谐以减少不连续性。

本发明的另一方面涉及一种用于减少在可调谐激光器的扫描中从起始波长到停止波长的波长不连续性的方法，所述方法包括：利用一个或多个参数调谐激光器以从初始波长到最终波长扫描激光器；利用至少一个波长测量装置测量来自激光器的光；使来自所述至少一个波长测量装置的数据与处理器联接；和，处理所述数据以调节激光器控制参数以减少在扫描中的波长不连续性，进而实现遵循一组规定的扫描运行特征。

基于在每一点的多变量光振幅反馈数据，可确定关于相对波长和绝对波长的推断，在所述点处的波长之间的潜在复杂关系、在每一中间点（或中间阶段）处的产生波长的控制电流组可被调节以减少或消除扫描中的模跳并且产生扫描中所期望的波长对时间的廓线。

扫描可包括随时间变化的一个或多个控制信号，例如模拟信号，或者可替选地控制电流和波长的图表或阵列，其随着时间连续被读出。在扫描期间，激光器控制信号相对于波长监控传感器被设定为开环。

关于本发明的实施方式，在此描述了许多特征；应理解，关于特定的实施方式而描述的特征也可与其它实施方式结合使用。

本发明包括在此（包括说明书、附图和（如果添加）权利要求书）所描述的特征，其详细地阐述了某些示例性的实施方式。然而，这些实施方式可表现出一些变化的方式，本发明的原理可运用在这些方式中。

附图说明

在附图中：

图1A-图1C为绘制的激光源的频率/波长对时间的扫描的示例性图表；

图2为调谐图-波长对具有前镜电流（mA）和后镜电流（mA）的镜激发的示例性图表；

图3为在图2的示例性图表上绘制的具有粗略的镜扫描路径的调谐图；

图4-图5为根据本发明的各个方面的示例性系统；

图6-图8为根据本发明的各个方面的示例性方法；

图9-图12为根据本发明的各个方面的示例性系统；

图13-图14为根据本发明的各个方面的示例性方法；

图15为具有由于路径转变而引起的波长不连续性的示例性SMZ信号；

图16为具有转变止点（TTP）区域的微调谐的示例性波长图；

图17为消除了图15的波长不连续性的SMZ信号；和

图18为根据本发明的方面的示例性方法。

具体实施方式

参照图4，本发明的方面在于一种激光器系统10，其包括在波长范围（例如，从起始波长到停止波长）内离散地扫描的激光器12。激光器12被配置成将激光器的输出设置成在波长范围之间的多个波长。在扫描期间，在每一个中间波长处，激光器系统10未将控制参数锁定为波长基准。相反，本发明的激光器系统10使用适用于整个扫描的扫描后反馈环，其中，在扫描中，在中间波长处测量来自光学传感器（例如干涉仪和其它传感器）的波长数据。基于在每一点处的多变量光振幅反馈数据，关于相对波长和绝对波长的干涉可被确定；并且，基于在这些点处的波长之中的潜在复杂关系，在每一中间点（或阶段）处产生波长的控制电流的组可被调节以减少或消除扫描中的模跳且产生在扫描中所期望的波长对时间的廓线。例如，这些点之间的关系（而不只是在每一点处的值）被用于提供反馈，用于校正以消除模跳。扫描可包括随着时间变化的一个或多个控制信号，例如作为模拟信号、或者可替选地作为控制电流和波长的表或阵列，其随着时间连续被读出。在扫描期间，激光器控制信号相对于波长监控传感器被设定为开环。

用于形成连续的、单调的、规定的波长扫描的激光器系统

图4示出了根据本发明的方面的示例性系统10。系统10包括与激光器控制单元16（本文也称作激光器控制器）联接的处理器14。激光器控制单元16将控制信号（例如电信号或命令信号）联接至激光源12（在文中也称作激光装置）。激光器12响应于激光器控制而产生光。由激光源12发射的光的一部分被输出以使用。由激光源12发射的光的另一部分与一个或多个扫描性能监控装置18联接。扫描性能监控装置18可为一个或多个这样的装置：其配置成确定与从激光源12输出的光相关联的光学特性。与扫描性能监控装置18的联接可始终被保持（例如，从扫描到扫描一直保持）和/或不时地被保持（例如，周期性地）。扫描性能监控装置18响应于激光的波长或其它特性产生信号或数据。一个或多个扫描性能监控装置18可与处理器14联接，该处理器14可分析数据或信号以调节激光器控制进而调节激光源12的性能，以减少或消除在激光装置的波长对时间的扫描中的波长不连续性[对于后续的扫描]。所述调节也可改变激光器波长扫描对时间的时间依赖性。在优选的实施方式中，激光器波长扫描在光学频率对时间中可以是线性的。

本发明的某些实施方式可适用于在波长扫描期间以激光腔的单纵模进行操作的激光器。这种激光器的示例可为外腔二极管激光器，其以Littrow结构或Littman Metcalf结构进行配置。其它实施方式可使用具有腔内调谐元件的激光器，例如调谐Fabry-Perot滤波器或者这类元件的组合。在本发明的所有实施方式中，至少两个控制参数调节腔波长和光学腔长度。

用于形成SMTLS的连续的、规定的波长扫描的激光器系统

图5示出了本发明的替选实施方式的激光器系统20。处理器14与实时数字处理装置（DSP）22联接，例如与现场可编程门阵列（FPGA）或专用集成电路（ASIC）联接。DSP22与数模转换器（DAC）24联接，该数模转换器24将来自DSP22（例如FPGA）的数字信息转换成模拟电信号。DAC24的电信号为与激光源12联接的激光器控制信号。激光源12可为SMTLS。来自激光源12的光的一部分从激光器系统输出。来自激光器装置的光的另一部分可与波长监控装置26联接（可替选地，光与波长监控器的联接可以仅仅在一部分时间是有效的）。扫描性能监控装置26可与上文提出的扫描性能监控装置18一致。来自扫描性能监控装置26的信号可与检测电子设备28联接，该检测电子设备28可检测信号、放大信号或者将信号从光信号转换成电信号。检测电子设备28将数据联接至数字信号处理器（DSP）22，该数字信号处理器（DSP）22能够快速地获取数据。处理器可访问所检测的来自DSP22的信号数据以分析数据或信号，用于调节激光器控制，进而调节激光器装置10的性能以减少或消除在激光器装置的波长对时间的扫描中的波长不连续性。所述调节也可改变激光器波长扫描对时间的时间依赖性。在示例性的实施方式中，激光器波长扫描在光学频率对时间中可以是线性的。

在本发明的示例性实施方式中，激光器系统20包括多部分可调谐激光器，例如SMTLS。扫描性能监控装置26可包括光学干涉仪和绝对波长基准器，以在扫描期间测量激光源12的波长。扫描性能监控装置26可包括干涉仪或标准具，该干涉仪或标准具的自由光谱范围（FSR）大于激光器的最大模跳或波长漂移，以在调谐相部分电流的同时，提供反馈信号以检测在每一镜调谐段结束时和从激光器的一个单纵模转变到另一单纵模时的波长跳移。其它的扫描性能监控装置26可为使光穿过绝对波长基准器的透射装置，例如气体池或温度稳定的Fabry-Perot标准具或光纤布拉格光栅。另外的扫描性能监控装置26可为干涉仪，其FSR相对于终端用户感兴趣的波长特征较短，以提供精确的波长线性。

上述方法适合于扫描可调谐激光器。当所选择的扫描参数（例如扫描率、扫描速度、扫描启动）用于多个连续的扫描时（或者在这些参数至少大体上相似的情况下），所述方法可是最适合的。来自扫描性能监控装置26（例如光学干涉仪或者气体池）的数据，可在每一次扫描后进行分析。扫描数据的扫描后分析能够使处理器14确定如何调节扫描中的每一点，以形成用户指定的波长对时间的扫描。这种扫描可优选地包含单纵模，但可替选地可包含多模。

本发明的一个方面为使用事后扫描参数学以分析扫描中的所有点之间的复杂关系，以改变用于下一扫描的调谐参数。这种方法可被用于减少或消除模跳。在一些实施方式中，激光器具有至少两个用于波长控制和激光腔长度控制的控制参数。通过在模跳之前或者在模跳后改变激光器控制参数，可减少或消除由模跳引起的波长不连续性。分析的重要方面为：在模跳之前（或者在模跳之后），对控制参数的校正取决于在模跳之后（或者在模跳之前）的激光器扫描性能监控装置26的值。因此，在激光器控制参数的扫描范围内，分析和校正本质上是非线性的且非局部的，且这与上文描述的诸如美国专利申请公布2009/0059972中的实时控制不一致。

校正激光器、任何激光器的波长扫描的方法

本发明的另一方面为使用激光器系统10、激光器系统20以校正激光器的控制参数对时间的扫描、进而调节这些参数以防止扫描期间的模跳、以及调节模跳之间的参数以产生规定的波长对时间的廓线的方法30。在图6中示出了所述方法的概述。

在块32中，通过调节激光器控制参数，采用低波长分辨率测量粗略波长调谐路径。通常，由于该步骤只进行一次，故可使用常规的波长测量仪器（诸如光谱分析仪或波长计）。激光器控制参数可以为光栅或滤波器的角度、或者对于SMTLS的部分的控制电流。

在块34中，可使用块32的测量的波长调谐图确定波长对控制参数的非常粗略的调谐路径。例如，调谐路径的波长精度仅仅需要是+/-100皮米。

在块36中，激光器控制参数被调节以减少或消除由模跳引起的波长不连续性。在文中，该过程也被称为缝合波长扫描中的模跳。示例性激光器控制参数可包括对于激光源12的输入。例如，这种输入可包括前镜（FM）电流、后镜（BM）电流、相（P）电流、增益（G）电流、和半导体光学放大器（SOA）。

在块38中，激光器控制参数被调节以产生规定的波长对时间的廓线。该规定的廓线可采取任何所期望的形式。例如，波长对时间可为线性的；光学频率对时间可为线性的；规定的扫描性能特征可以是波长和时间之间的非线性的关系以补偿在介质中的分散和/或传播；所规定的扫描性能特征可包括功率对时间的扫描，该扫描相对于波长是恒定的；规定的扫描性能特征包括功率对时间的扫描，该扫描相对于波长为高斯分布；所规定的扫描性能特征模仿了快速傅里叶变换窗函数；以及，所规定的扫描性能特征补偿在频率和/或波长中的光系统损失。

在块40中，激光器控制参数被采集以产生激光器波长的扫描。例如，控制参数以所期望的方式被应用以产生规定的扫描性能。

所述方法可受益于单独地或一起反复或重复某些步骤。如在图6中的流程路径箭头所示，块36、块38和块40可被重复以提高算法的性能。

用于保持激光器、任何激光器的波长扫描的方法

本发明的另一方面为使用激光器系统10、激光器系统20以保持具有缝合的波长不连续性的激光器扫描对时间以及规定的波长对时间的方法，如图7所示。在块52中，执行激光器控制参数的最新的波长扫描。在块54中，激光器控制参数被调节以减少或消除由模跳引起的波长不连续性。在块56中，激光器控制参数被调节以产生规定的波长对时间的廓线。在块58中，激光器控制参数被采集以产生激光器波长的扫描。方法50可受益于单独地或一起反复或重复某些步骤。如在图7的信号路径箭头所示，块54、块56和块58可被重复以提高算法的性能。

用于校正任何激光器的扫描的详细实施方式、方法

在图8中示出了用于使用校正的激光器控制参数充分校正波长对时间的扫描的方法60。

在块62，通过调节激光器控制参数，采用低波长分辨率来测量粗略的波长调谐图。通常，由于该步骤进行一次，故可使用常规的波长测量仪器，例如光谱分析仪或波长计。激光器控制参数可为光栅或滤波器的角度、或者MEM元件的间距、或者对于SMTLS的部分的控制电流。

在块64，可以使用块64的测量的波长调谐图来确定波长对控制参数的非常粗略的调谐路径。调谐路径的波长精度仅需要粗略的例如+/-100皮米。

在块66，随时间扫描激光器调谐参数，产生激光器的波长扫描对时间。激光器的波长可通过波长监控装置来监控，诸如一个干涉仪（图9）、或者具有不同自由光谱范围（FSR）的两个干涉仪（图10）；或者具有不同FSR的两个干涉仪和相对波长基准器，诸如温度稳定的标准具或者温度稳定的光纤布拉格光栅（图11）；或者，具有不同FSR的两个干涉仪和绝对波长基准器，诸如气体吸收池（图12）。

然后，所述方法可减少或消除由模跳引起的波长差异。在块68，处理器分析来自波长监控装置的信号，以检测波长扫描中波长不连续性发生时的点。从已监控的数据来确定波长不连续性的大小和方向（在波长中的前跳或后跳）。

在块70，处理器确定对一个或多个激光器控制参数的校正，以减少或消除波长不连续性。例如，可调节激光器波长控制参数和激光腔长度控制参数。在模跳之前或者在模跳之后，通过改变激光器控制参数可减少或消除波长不连续性。该分析的重要方面在于，在模跳之前（之后）对控制参数的校正取决于在模跳之后（之前）的激光器波长监控装置的值。因此，该分析和校正在激光器控制参数的扫描范围内本质上是非线性的和非局部的。

在块72，构建新的波长调谐路径，在该路径中，随时间扫描激光器控制参数，以扫描具有减少的或消除的波长不连续性（模跳）的激光器波长对时间。

如从块72返回至块66的信号路径箭头所示，通过运行新的波长扫描和监控波长对时间，可重复该过程。波长不连续性可被识别和校正，以通过每一次循环渐进地减少或消除波长不连续性。由于激发和响应之间的变化和非线性的关系，该重复可是必需的。

接着，方法60可调节波长扫描以将其校正为规定的波长对时间的扫描。在块74，通过波长监控装置测量激光器扫描以确定波长对时间的廓线。

在块76，处理器分析波长对时间的数据以确定波长对时间的廓线与规定的廓线的偏差。在一个实施方式中，波长对时间的测量装置可包括单个干涉仪，该单个干涉仪的FSR小于波长扫描。干涉仪信号的相位可通过计算信号的傅里叶变换而测量。该相位与激光器的光学频率成比例；因此，相位对时间测量光学频率对时间。所测量的光学频率对时间的信号与规定的光学频率对时间的廓线相比较，并且确定偏差。

在另一实施方式中，波长对时间的测量装置可包括单个干涉仪，该单个干涉仪的FSR远小于感兴趣的波长范围，为其1/100至1/10。在波长扫描期间可计数干涉仪的条纹的过零点，从而记录光学频率对时间的变化。本质上，具有小的FSR的干涉仪以1/2条纹的单位测量光学信号的相位，而每一条纹的光学频率相对于扫描范围较小。所测量的频率对时间与规定的频率对时间相比较，并且确定偏差。

在另一实施方式中，单个干涉仪和波长基准器可包括用于测量波长对时间的波长装置。如在前实施方式，干涉仪可具有小的FSR，并且测量光学频率对时间。在波长基准器中的绝对波长特征可被确定，且它们的波长被测量。通过确定在两个或更多个已知的波长特征之间的干涉仪半条纹的数目，FSR的光学频率可被测量以用于扫描。干涉仪和波长基准器共同提供绝对光学频率对时间。所测量的频率对时间与规定的频率对时间相比较，并且确定偏差。

在块78，处理器将扫描廓线内的偏差转换成激光器控制参数的变化，以校正波长对时间的廓线。本发明的重要方面在于保持在先前的步骤中在模跳处实现的波长连续性，同时还调节波长扫描以实现规定的廓线。

如从块78返回至块74的流向箭头所示，通过运行新的波长扫描和监控波长对时间可重复该过程。波长对时间与规定的扫描的偏差可被识别且校正，以通过每一次重复渐进地减少或消除波长对时间的偏差。

详细的实施方式，保持任何激光器的扫描的方法

在本发明的另一方面，在形成第一激光器调谐路径后，如上所述，激光器12可被操作，并且调谐路径可被定期或不定期地监控和校正。在图13中示出了定期或不定期的调谐路径校正算法80的实施方式。

在块82，通过最新的波长调谐扫描扫描激光器开始该过程。

在块84，随时间扫描激光器调谐参数，产生激光器的波长扫描对时间。如上所述，通过波长监控装置可监控激光的波长。

在块86，来自波长监控装置的信号被分析以检测在波长扫描中的已发生波长不连续性时的点。从监控器数据确定波长不连续性的大小和方向（波长的前跳或后跳）。

在块88，处理器确定关于一个或多个激光器控制参数的校正以减少或消除波长不连续性。可在模跳之前或者模跳之后，通过改变激光器控制参数来减少或消除波长不连续性。

在块90，构建新的波长调谐路径，其中，随时间扫描激光器控制参数，以扫描具有减少的或消除的波长不连续性（模跳）的激光器波长对时间。

如从块90返回至块84的箭头所示，通过运行新的波长扫描且监控波长对时间，过程可被重复。波长不连续性可被识别且校正，以通过每一次循环渐进地减少或消除波长不连续性。

在块92，通过波长监控装置测量激光器扫描，以确定波长对时间的廓线。

在块94，处理器分析波长对时间的数据以确定波长对时间的廓线与规定的廓线的偏差。

在块96，处理器将扫描廓线内的偏差转换成激光器控制参数的变化，以校正波长对时间的廓线。本发明的重要方面在于保持在先前的步骤中在模跳处实现的波长连续性，同时还调节波长扫描以实现规定的廓线。

如从块96返回至块92的箭头所示，通过运行新的波长扫描和监控波长对时间可重复该过程。波长对时间与规定的扫描的偏差可被识别且校正，以通过每一次重复渐进地减少或消除波长对时间的偏差。

用于校正SMTLS的波长扫描的方法

在本发明的优选实施方式中，激光器可为SMTLS，如SGDBR激光器。在图14中示出用于产生具有减少的或消除的波长不连续性的SMTLS的第一波长扫描对时间的方法100。

在块102中，使用任何合适的方法（例如完全绝对波长图）来测量非常粗略的波长调谐路径（使用控制电流的粗格栅），但采用非常低的波长分辨率进行。由于低分辨率，完全绝对波长图可相对快速地进行，并且在SMTLS装置的使用寿命中只运行一次。可被用于测量图的仪器包括光谱分析仪或波长计。

在块104，通过在块102所测量的完全绝对波长图确定非常粗略的电流调谐路径。粗略的电流调谐路径可手动确定、或者以自动的方式进行确定。例如，调谐路径的波长精度仅仅需要是+/-100皮米。

接着，测量波长扫描以确定波长不连续性且减少或消除波长不连续性。

然后，在块106，执行非常粗略的电流调谐路径，其中，输出被传送到相对/绝对波长测量电路中，如图12，相对/绝对波长测量电路包括：（a）绝对波长基准器，例如吸收线覆盖大多数的扫描波长的气体池；（b）快速Mach-Zehnder（FMZ）干涉仪，其周期小于所期望的波长线性度的一半（例如，对于+/-1pm的线性度，周期为0.4pm）；和（c）慢速Mach-Zehnder(SMZ)干涉仪。SMZ的FSR应为用于SMTLS的常规的模跳的两倍，例如对于具有350pm模跳距离的SMTLS，所述FSR为500pm。SMZ的FSR还应是路径段长度（以纳米表示）的一小部分。1、2、3应注意到，如本领域技术人员已知的其它类型的干涉仪，诸如Michelson干涉仪，对于用作SMZ和FMZ也是可接受的。

在图11中所示的替选的波长测量装置，可用在本发明的实施方式中，其中需要相对波长精度。相对波长基准器可为温度稳定的标准具或者温度稳定的光纤布拉格光栅。因此，相对基准器的精度取决于基准器的环境稳定性。

在波长测量装置的另一实施方式中，如果绝对波长信息（起始波长、停止波长、波长坡度）不是重要的，则可使用在图10中所示的不同FSR的两个干涉仪构成的装置。慢速干涉仪（与激光器的模跳比较具有大的FSR）可被用于识别波长不连续性。快速干涉仪（与扫描的光学频率的所期望的线性度相比具有小的自由光谱范围（FSR））可被用于测量波长不连续性的尺寸。快速干涉仪还提供了线性的光学频率范围，利用该线性的光学频率范围，激光器扫描可在光学频率对时间内被线性化、或者被用作基准以产生所期望的光学频率对时间的廓线。

在波长测量装置的另一实施方式中，单个干涉仪可被用于检测波长不连续性。来自单个干涉仪的信号可利用处理器进行分析。处理器对所述信号进行傅里叶变换以测量干涉仪信号的相位对时间。例如参见Yasuno等的Optics Express（第13卷，10652，2005）。在扫描中发生模跳的位置处，将检测相位中的大的不连续性。如在下文的块108和块110所述，相位不连续性可被使用且反馈至控制电流。干涉仪信号的相位也与扫描的光学频率成比例。通过将光学频率映射至扫描时间索引，可通过计算扫描中干涉仪信号的相位与当时所期望的相位的差异来调节激光器的光学频率对时间的廓线。一个可行的调节为调节激光器控制电流以产生随时间为线性的激光器光学频率的扫描。另一可行的扫描廓线是调节激光器控制电流以产生激光器光学频率的扫描，其补偿使用该扫描的终端用户的干涉仪的样品臂或基准臂中的离差。

在块108，来自SMZ的信号被用于确定用于每一路径转变的合适的转变始点（transition-from point—TFP）。当最初形成调谐路径时，TFP被选择使得其最接近来自块104的目标点，且优选地TFP与SMZ信号的一阶导数的峰对齐。使用SMTLS激光器的好处在于控制电流指示在扫描中的何处将发生TFP。例如，在图3中，在波长图中在模式之间的边界处、或者在每一调谐路径结束时，控制电流不连续地变化且这对应于扫描中由于模跳而可发生波长不连续性的时候。

将TFP设置在SMZ的一阶导数的最大值处或接近最大值处，确保了转变点未处于SMZ信号的平坦区，其中，确定波长不连续性的大小和方向可能是困难的。注意到，TFP不必是SMZ的最大坡度，但是这提高了匹配较高精度的能力。在图15中示出具有路径转变引起的波长不连续性的示例性SMZ信号。

定位TFP的替选方法为测量SMZ信号的相位。SMZ信号的相位可通过计算SMZ信号对时间的傅里叶变换来确定。TFP点可被定位在这样的点处：其中，在相位信号中发生不连续性。该方法的优势可为：对于SMZ信号，TFP可在任何地方发生且优选地不在最大导数区。

在块110，通过围绕在前的粗略转变止点（Transition-To Point—TTP）扫描以找到SMZ信号的值与在TFP处的值一致的位置，来确定对于当前的调谐路径的TTP。该扫描可被预先确定、测量结果、且从激发和测量的时间相关性确定理想的点。

用于找到匹配TFP的TTP的优选的搜索算法如下。如图16所示，可通过计算波长对于当前调谐信号的近似的灵敏性、计算在粗略TTP处的近似的波长误差、以及围绕粗略TTP在“环形圈”内搜索（其中，环形圈的中点为与近似的波长误差相关联的当前调谐信号差）来确定微调的TTP（精细TTP）。激光器调谐参数可被选择，使得激光波长将从环形圈的外边缘到环形圈的内边缘（或者相反）呈螺旋状，该螺旋间距由所期望的最大波长精度确定，并且该高速扫描的产生的数据用于找到SMZ信号最近似地匹配在精细TFP处的SMZ信号的点。

在优选的搜索方法中，SMTLS的前镜电流和后镜电流可被调节以产生如上文所述的螺旋搜索图案。一旦镜电流搜索已经结束，则也可优化对于相部分的电流（相电流）。相部分改变腔长度以保持腔内的模式的额定数。未恰当地具有这种设置的效果将是模跳，其以大约350pm的波长表示为（近似）瞬跳。为了确定这些转变，具有被调节以减少或消除TFP和TTP之间的差异的前镜电流和后镜电流的优化扫描，必须相对于相电流的调节进行评估。使用SMZ信号评估扫描以识别不适当调节的相部分引起的模跳。因而，在每一波长不连续性处，相电流是阶梯式的，以补偿模跳且减少或消除TFP和TTP之间的差异。

在搜索方法的另一实施方式中，前镜电流、后镜电流和相电流可被调节以产生螺旋式搜索图案。所有的三种电流可被同时调节以减少或消除TFP和TTP之间的差异，从而减少或消除扫描中的波长不连续性。

在块108和块110处的过程减少或消除波长不连续性。图17示出顺利地消除图15的TFP和TTP之间的差异的结果。对于波长调谐路径的每一部分，重复块108和块110。由于扫描非常快，故该过程可非常快速地进行和汇合。

在块112，构建新的波长调谐路径，其中，随时间扫描激光器控制电流以扫描具有TFP和TTP之间的减少的或消除的波长不连续性（模跳）的激光器波长对时间。

如从块112返回至块106的箭头所示，通过运行新的波长扫描和监控波长对时间可重复该过程。波长不连续性可被识别和校正以利用每一次循环来渐进地减少或消除波长不连续性。

接着，SMTLS的波长对时间的廓线可被测量和调节以匹配规定的波长扫描廓线。

在块114，利用波长监控装置测量SMTLS扫描，以确定波长对时间的廓线。波长对时间的廓线可通过本发明的多个实施方式中的一个实施方式来测量。在一个实施方式中，波长监控信号从干涉仪产生且可通过傅里叶变换进行分析，其中，干涉仪的FSR小于波长范围但是大于波长的线性范围。如上所述，信号的相位对时间可被确定，且光学频率对时间的廓线可被确定。

在另一实施方式中，波长监控信号由干涉仪产生，其中干涉仪的FSR小于或等于规定的波长对时间扫描的最小波长范围。可以随时间计数干涉仪信号的条纹或半条纹。每一半条纹对应于精确的光学频率间隔，因而确定光学频率对时间。

在另一实施方式中，单个干涉仪和波长基准器可包括用于测量波长对时间的波长装置。如先前实施方式，干涉仪可具有小的FSR，且测量光学频率对时间。波长基准器中的绝对波长特性可被确定且它们的波长可被测量。通过确定干涉仪的两个或更多个已知的波长特征之间的半条纹的数目，FSR的光学频率可被测量用于扫描。干涉仪和波长基准器共同提供绝对光学频率对时间。所测量的频率对时间与规定的频率对时间相比较，并且确定偏差。

在块116，处理器分析波长对时间的数据以确定波长对时间的廓线与规定的廓线的偏差。

在块118，处理器将扫描廓线中的偏差转换成激光器控制参数的变化，以校正波长对时间的廓线。本发明的重要方面在于保持在先前步骤中在TFP和TTP处实现的波长连续性，同时还调节波长扫描以实现规定的廓线。

如从块118返回至块114的箭头所示，通过运行新的波长扫描和监控波长对时间可重复该过程。波长对时间与规定的扫描的偏差可被识别和校正，以利用每一次循环来渐进地减少或消除波长对时间的偏差。

用于保持SMTLS的波长扫描的方法

在本发明的另一方面，在后台，在终端用户不需要激光器的任何时候，先前的步骤可被反复，并且这些后台活动可被终止以允许快速响应执行新的用户需要的扫描的要求。如在图18中的方法120所示，SMTLS可被操作且调谐路径可被定期地或不定期地监控和校正。

在块122，执行SMTLS监控和控制算法，最新的激光器电流调谐路径扫描。

在块124，随时间扫描SMTLS电流，产生SMTLS激光器的波长扫描对时间。如上文所述，SMTLS激光器的波长可通过波长监控装置进行监控。

在块126，来自波长监控装置的信号被分析以检测波长扫描中的已经发生波长不连续性的点。从监控数据确定波长不连续性的大小和方向（在波长中的前跳或后跳）。

在块128，处理器确定对于一个或多个激光器控制电流的校正，以减少或消除波长不连续性。在模跳之前或在模跳之后，通过改变激光器控制参数可减少或消除波长不连续性。

在块130，构建新的波长调谐路径，其中，随时间扫描SMTLS控制电流，以扫描具有减少的或消除的波长不连续性（模跳）的SMTLS波长对时间。

块124-139可被重复以减少或消除在波长扫描对时间中的波长不连续性。

接着，SMTLS的波长对时间的廓线可被测量和调节以匹配规定的波长扫描廓线。

在块132，通过波长监控装置测量SMTLS扫描以确定波长对时间的廓线。

在块134，处理器分析波长对时间的数据以确定波长对时间的廓线与规定的廓线的偏差。

在块136，处理器将扫描廓线中的偏差转换成激光器控制参数的变化，以校正波长对时间的廓线。本发明的重要方面为保持在先前的步骤中在TFP和TTP处实现的波长连续性，同时也调节波长扫描以实现规定的廓线。

块132-136可被重复以减少所测量的波长对时间的廓线与规定的廓线之间的偏差，直到所规定的廓线被实现或者所剩余的偏差低于规定的公差。

应注意，FMZ提高性能，但不是必要的。任何周期性的光信号可被用于替代SMZ。例如，气体池的可替选方案包括精确校正的标准具。

利用两组或更多组设置，可完成校正，然后非常快速地从一组设置切换到另一组设置或者交错。

在此公开了本发明的示例性实施方式。本领域的普通技术人员易于认识到，本发明在其它环境下可具有其它应用。实际上，许多实施方式和实现方式是可行的。下面的权利要求绝不用于将本发明的范围限制为上文描述的具体实施方式。此外，任何“用于…装置”的描述用于引起元件和权利要求的手段加功能的阅读，然而，任何未明确地使用描述“用于…装置”的元件不意图被当做手段加功能元件，即使权利要求另外包括词语“装置”。还应注意到，尽管说明书列举了以特定次序发生的方法步骤，但是这些步骤可以任何次序执行或者同时执行。

尽管结合示例性实施方式示出和描述了本发明，但是很明显对于本领域技术人员来讲当阅读和理解本发明时可出现等效内容和修改。本发明包括所有这种的等效内容和修改，且仅仅受到所附的权利要求的范围限制。

Claims (13)

1.一种扫描激光器系统，包括：

半导体激光源，所述半导体激光源可操作成在辐射扫描中离散地输出在波长范围内的辐射；

激光器控制单元(16)，所述激光器控制单元(16)与所述半导体激光源操作地联接，其中

所述半导体激光源配置成从所述激光器控制单元接收输入信号，以基于所述输入信号离散地改变所述波长范围内的辐射；和

包括温度和湿度的环境因素以及组件的老化也对输出的辐射的波长有影响；

扫描性能监控装置，所述扫描性能监控装置被配置成检测在所述扫描期间与所述半导体激光源的输出有关的至少一种物理特性，所述至少一种物理特性为选自波长、光学功率、边模抑制比和相位的至少一种；以及

处理器(14)，所述处理器(14)配置所述激光器控制单元以控制所述半导体激光源，从而实现遵循一组规定的扫描性能特征，以及补偿包括温度和湿度的所述环境因素以及组件的老化对输出的辐射的影响；

其中，扫描后反馈环应用于整个扫描，以在所述扫描期间调节每个中间波长的控制参数，并且，所述扫描性能监控装置联接至所述处理器，并且

其中，所述辐射扫描的周期的时间尺度是纳秒或微秒。

2.根据权利要求1所述的扫描激光器系统，其中，所述扫描性能监控装置包括选自波长监控装置、光学功率监控装置、相位监控装置、电压监控装置和电流监控装置的至少一种装置，或者包括用于测量光学功率对波长或者边模抑制比的光学功率监控器。

3.根据权利要求1所述的扫描激光器系统，其中，所述处理器被配置成最小化在所述波长范围内输出的辐射的波长不连续性，或者减少当所述半导体激光源从一个单纵模调谐到另一单纵模时所述半导体激光源的波长变化的大小。

4.根据权利要求1所述的扫描激光器系统，其中，所述规定的扫描性能特征包括以下的至少一者：

波长和时间之间和/或光学频率和时间之间的线性关系；

波长和时间之间的非线性关系以补偿介质中的效应；

功率对时间的扫描，所述功率对时间的扫描相对于波长是恒定的或者相对于波长是高斯分布的；

快速傅里叶变换窗函数的模仿；和

频率和/或波长的光学系统损失的补偿。

5.一种用于控制半导体激光源以在辐射扫描中输出波长范围内的辐射的方法，所述方法包括：

从所述半导体激光源输出波长范围内的辐射，其中，所述半导体激光源配置成接收输入信号以基于所述输入信号离散地改变所述波长范围内的辐射；其中，

包括温度和湿度的环境因素以及组件的老化也对输出的辐射有影响；

检测与至少一种物理性能相关的数据，所述至少一种物理性能与在所述扫描期间所述波长范围内的辐射相关；

处理所述数据并且改变对于所述半导体激光源的输入信号，从而实现遵循一组规定的扫描性能特征以及补偿包括温度和湿度的所述环境因素以及组件的老化对所述输出的辐射的影响；

其中，扫描后反馈环应用于整个扫描，以在所述扫描期间调节每个中间波长的控制参数，并且

其中，所述辐射扫描的周期的时间尺度是纳秒或微秒。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述数据被处理以最小化在所述半导体激光源的所述波长范围内扫描时的波长不连续性的数目或者减少当所述半导体激光源从一个单纵模调谐到另一单纵模时所述半导体激光源的波长变化的大小。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括以恒定的单纵模调谐所述半导体激光源。

8.一种扫描激光器系统，包括：

波长调谐机构和激光器路径长度调谐机构，其中，所述波长调谐机构和所述激光器路径长度调谐机构配置成操作半导体激光源，以通过向所述半导体激光源提供作为输入信号的一个或多个参数，输出从一个波长到另一个波长的辐射扫描，所述一个波长与所述另一个波长由激光腔的大于一个模式分开，其中，包括温度和湿度的环境因素以及组件的老化也对所述半导体激光源输出的辐射有影响；

一个或多个波长监控装置，所述波长监控装置配置成检测与至少一个物理特性相关的数据，所述物理特性与所述输出的辐射相关；和

处理器(14)，所述处理器与所述一个或多个波长监控装置和所述波长调谐机构以及所述激光器路径长度调谐机构联接；其中，所述处理器分析来自所述波长监控装置的数据，且在波长扫描中的不连续处调节波长调谐和腔长度调谐，以减少不连续性以及补偿包括温度和湿度的所述环境因素以及组件的老化对所述输出的辐射的影响；

其中，扫描后反馈环应用于整个扫描，以在所述扫描期间调节每个中间波长的控制参数，并且

其中，所述辐射扫描的周期的时间尺度是纳秒或微秒。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述半导体激光源被配置成在所述半导体激光源的整个波长范围内以所述激光腔的单纵模进行操作。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述半导体激光源包括取样光栅分布布拉格反射式SGDBR激光器或者垂直腔表面发射激光器VCSEL。

11.根据权利要求9所述的系统，还包括增益介质和可调节腔，所述可调节腔在可操作地联接至所述半导体激光源的所述增益介质的外部。

12.根据权利要求8所述的系统，其中，所述一个或多个波长监控装置包括以下的至少一者：

干涉仪和用于从所述干涉仪透射的或反射的光的光强度检测器；

两个不同的自由光谱范围的干涉仪；

温度稳定的标准具；

温度稳定的光纤布拉格光栅；和

气体池。

13.一种用于减少可调谐的半导体激光器的从起始波长到最终波长的扫描中的波长不连续性的方法，所述方法包括：

利用一个或多个参数调谐所述半导体激光器，以从所述起始波长到所述最终波长扫描所述半导体激光器，其中所述半导体激光器配置成接收所述一个或多个参数作为输入信号，并且，包括温度和湿度的环境因素以及组件的老化对所述半导体激光器输出的光的波长有影响；

通过至少一个波长测量装置测量从所述半导体激光器输出的光的至少一个物理特性；

将来自所述至少一个波长测量装置的数据与处理器联接；和

处理所述数据以调节激光器控制参数，从而减少在所述扫描中的波长不连续性，进而实现遵循一组规定的扫描性能特征，以及补偿包括温度和湿度的所述环境因素以及组件的老化对输出的光的影响；

其中，扫描后反馈环应用于整个扫描，以在所述扫描期间调节每个中间波长的控制参数，并且

其中，所述扫描的周期的时间尺度是纳秒或微秒。