DE112010003904T5 - Optische Signalverarbeitung mit modengekoppelten Lasern - Google Patents

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Martin E. Fermann
Ingmar Hartl
Axel Ruehl
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf gepulste Abtast-Lasersysteme für optisches Abbilden. Kohärente duale Abtast-Lasersysteme (CDSL) und einige Anwendungen derselben werden offenbart. Verschiedene Alternativen für eine Implementierung werden veranschaulicht. In mindestens einer Ausführungsform umfasst ein kohärentes duales Abtast-Lasersystem (CDSL) zwei passiv modengekoppelte Faseroszillatoren. In einigen Ausführungsformen wird ein effektives CDSL mit nur einem Laser konstruiert. Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein kohärentes Abtast-Lasersystem (CSL) zum Erzeugen von Pulspaaren mit variabler Zeitverzögerung. Ein CDSL, eine effektives CDSL oder ein CSL können in einem Abbildungssystem angeordnet werden für eines oder mehrere von: optischem Abbilden, Mikroskopie, Mikro-Spektroskopie und/oder THz-Abbilden.

Description

  • BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung nimmt die Priorität der US-Provisional-Patentanmeldung Nr. 61/364,545, die am 15. Juli 2010 eingereicht worden ist, mit dem Titel „Optical Signal Processing with Modelocked Lasers” in Anspruch. Der Inhalt der Anmeldung Nr. 61/364,545 wird hiermit in seiner Gänze durch Bezugnahme eingeschlossen. Diese Anmeldung nimmt auch die Priorität der US-Provisional-Patentanmeldung Nr. 61/301,722, welche am 5. Februar 2010 eingereicht worden ist, mit dem Titel „Optical Signal Processing with Modelocked Lasers” in Anspruch. Der Inhalt der Anmeldung Nr. 61/301,722 wird hiermit in seiner Gänze durch Bezugnahme eingeschlossen. Die Anmeldung beansprucht ebenfalls die Priorität der US-Provisional-Patentanmeldung Nr. 61/286,179 die am 14. Dezember 2009 eingereicht worden ist, mit dem Titel „Optical Scanning and Imaging Systems based an Dual Pulsed Lasersystems”. Der Inhalt der Anmeldung Nr. 61/286,179 wird hiermit in seiner Gänze durch Bezugnahme eingeschlossen. Diese Anmeldung beansprucht außerdem die Priorität der US-Provisional-Patentanmeldung Nr. 61/248,207, die am 2. Oktober 2009 eingereicht worden ist, mit dem Titel „Optical Signal Processing with Modelocked Lasers”. Der Inhalt der Anmeldung Nr. 61/248,207 wird hiermit in seiner Gänze durch Bezugnahme eingeschlossen.
  • Diese Anmeldung steht in Beziehung zur US-Patentanmeldung Nr. 12/399,435, die am 6. März 2009 eingereicht worden ist, mit dem Titel „Optical Scanning and Imaging Systems Based an Dual Pulsed Lasersystems” und die im Weiteren als '435 bezeichnet wird. Der Inhalt der Anmeldung Nr. 12/399,435 wird hiermit in seiner Gänze durch Bezugnahme eingeschlossen.
  • Diese Anmeldung steht in Beziehung zur US-Patentanmeldung Nr. 11/546,998, die am 13. Oktober 2006 eingereicht worden ist, mit dem Titel „Laser Based Frequency Standards and Their Application” und die im Weiteren als '998 bezeichnet wird. Der Inhalt der Anmeldung Nr. 11/546,998 wird hiermit in seiner Gänze durch Bezugnahme eingeschlossen. '998 ist als US-Patentanmeldung Nr. 2007/0086713 am 19. April 2007 veröffentlicht worden.
  • Diese Anmeldung steht in Beziehung zur US-Patentanmeldung Nr. 11/372,859, welche am 10. März 2006 eingereicht worden ist, mit dem Titel „Pulsed laser source” und die im Weiteren als '859 bezeichnet wird. Der Inhalt der Anmeldung Nr. 11/372,859 wird hiermit durch Bezugnahme in seiner Gänze eingeschlossen. '859 wurde als US-Patentanmeldung Nr. 2006/0198398 am 7. September 2006 veröffentlicht.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Anwendung von optischer Signalverarbeitung auf modengekoppelte Laser zum präzisen Messen, Abtasten und Spektroskopieren.
  • 2. Beschreibung von ähnlichen Systemen
  • Modengekoppelte Laser und Frequenzkamm-Laser haben Fortschritte in der Spektroskopie und im Präzisionsmessen ermöglicht. Ein modengekoppelter Laser wurde kürzlich mit einem konventionellen Fouriertransformations-Spektrometer (FTS) kombiniert, um ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bei Messungen von spektraler Absorption zu erhalten (J. Mandon et al. „Fourier transform spectroscopy with a laser frequency comb" in Nature Photonics, vol. 3, S. 99–102, 2009 und N. Picque et al. Internationale Patentanmeldung mit der Veröffentlichung WO 2010/010437 ). Die Verwendung eines Frequenzkammlasers für die Spektroskopie wurde durch Haensch et al. im US-Patent 7,203,402 vorgeschlagen.
  • Wie in der '435 diskutiert wird, können im Stand der Technik Frequenzkammlaser als eine Unterklasse von modengekoppelten Lasern verstanden werden. Sowohl modengekoppelte Laser als auch Frequenzkammlaser erzeugen eine Folge von Output-Pulsen bei einer bestimmten Wiederholungsfrequenz frep mit einem entsprechenden Output-Frequenzspektrum, welches charakterisiert werden kann als ein Linienspektrum mit individuellen Frequenzlinien f = fceo + mfrep, wobei m eine ganze Zahl ist und fceo die Phasenschlupf-Frequenz (Carrier Envelope Offset Frequency) ist. Die ganze Zahl m wird auch als die Ordnung der Kammlinie bezeichnet. Jedoch verlangen Frequenzkamm-Laser im Gegensatz zu modengekoppelten Lasern eine präzise Kontrolle der Wiederholungsrate und der Phasenschlupf-Frequenz.
  • Tatsächlich besteht eine Schwierigkeit, die den ausgedehnten Gebrauch von Frequenzkamm-Lasern begrenzt, in dem präzisen optischen Phasenkoppeln (phase locking) der individuellen Kammlinien an mindestens zwei externe Referenzfrequenzen, um einen stabilen Frequenzkamm zu erhalten. Jedoch können zumindest für optische Messungen Frequenzmessungen ohne Stabilisierung der individuellen Kammlinien durchgeführt werden durch die Verwendung eines modengekoppelten Lasers als einem Transferoszillator (J. Stenger et al. Phys. Rev. Lett., vol. 7, S. 073601-1-073601-4 (2002)). Werden modengekoppelte Laser als Transferoszillatoren verwendet, können Frequenzverhältnisse oder Frequenzdifferenzen zwischen zwei Bezugsfrequenzen, die sich in weit voneinander entfernten Bereichen des optischen Spektrums befinden (nur durch den spektralen Umfang der spektralen Abdeckung der modengekoppelten Laser begrenzt), präzise gemessen werden. Diese Technik, wie sie zur Messung von Differenzfrequenzen unter Verwendung eines Dauerstrich-Lasers (statt eines modengekoppelten Lasers) als einem Transferlaser verwendet wird, ist gut bekannt in der Messtechnik (C. O. Weiss et al., in „Frequency measurements and control, advanced techniques and future trends", Vol. 79, S. 215–247 (2000)). Der Dauerstrich-Transferoszillator wird manchmal als Referenz-Oszillator bezeichnet.
  • Wie ebenfalls in der '435 gezeigt wird, können Dauerstrich-Referenzlaser verwendet werden, um die Differenzen zwischen den Phasenschlupffrequenzen (Carrier Offset Envelope Frequencies) von zwei modengekoppelten Lasern effektiv zu stabilisieren. Diese Information kann dann zur spektralen Kalibrierung eines FTS für die Messung von spektraler Absorption verwendet werden, welches aus zwei modengekoppelten Lasern mit einer Auflösungsgrenze, die ungefähr der Wiederholungsrate der modengekoppelten Lasers entspricht, konstruiert wird. Wie in der '435 beschrieben wird, werden solche dualen modengekoppelten Laser als kohärente duale Abtast-Laser oder CDSLs bezeichnet. Darüber hinaus erlauben CDSLs, die auf hohen Wiederholungsraten basieren, hohe Abtastraten, was vorteilhaft für eine schnelle Signalaufnahme ist. CDSLs, die auf Faser-Superkontinuum-Quellen (fiber supercontinuum sources) basieren, erlauben weiterhin eine sehr breite spektrale Abdeckung für ein FTS und andere Anwendungen.
  • Allgemein können zwei Dauerstrich-Referenzlaser mit enger Linienbreite verwendet werden, um die Differenz zwischen den Phasenschlupffrequenzen und Wiederholungsraten von zwei modengekoppelten Lasern zu verfolgen, wie es in P. Giacarri et. al. „Referencing of the beating spectra of frequency combs” (Internationale Patentanmeldung, Publikation-Nr. WO 20091000079 ) offenbart ist, ohne die Notwendigkeit einer Kontrolle der Phasenschlupffrequenz. Wenn jedoch dies auf die Fouriertransformations-Absorptions-Spektroskopie angewendet wird, ist die Auflösung diese Schemas auch auf die Wiederholungsrate der modengekoppelten Laser begrenzt, wenn z. B. angenommen wird, dass ein Referenz-Laser sich zwischen zwei Kammlinien befindet und die absolute Frequenz des Referenz-Lasers oder die absolute Ordnung m der Kammlinien nicht bekannt ist.
  • Deswegen werden Laser mit einer relativ geringen Wiederholungsrate verwendet, was zu langsamen Datenerfassungsraten führt.
  • In einem anderen Schema kann die Schwebungsfrequenz zwischen zwei Kammlinien von zwei separaten Kammlasern direkt gemessen werden über die Implementierung eines Dauerstrich-Transferoszillators. Fluktuationen in der Wiederholungsrate zwischen den beiden Kammlasern können dann aufgezeichnet werden und diese aufgezeichneten Fluktuationen der Wiederholungsrate können dann verwendet werden, um gleichzeitig ein Interferogramm zwischen den beiden Kammlasern zu korrigieren durch das Implementieren eines neuen Abtastgitters mit äquidistanten optischen Weglängendifferenzen (G. Guelachvili et al., Internationale Patentanmeldung WO 2010/010444 ). Jedoch verwendet dieses Schema idealerweise auch Messungen der Phasenschlupffrequenzen der beiden Kammlaser oder implementiert alternativ einen zweiten Dauerstrich-Laser mit einer verschiedenen Frequenz, an den die zwei anderen Kammlinien gekoppelt werden.
  • Eine Auflösung in der Ordnung von Hertz in einem FTS ist erhalten worden unter Verwendung von zwei Frequenzkammlasern, die phasengekoppelt an zwei Dauerstrich-Laser sind, die wiederum an zwei Referenz-Resonatoren von hoher Güte gekoppelt wurden, wie es in I. Coddington et al. „Coherent multiheterodyne spectroscopy using stabilized comb sources" Phys. Rev. Lett., Vol. 100, S. 013902 (2008) diskutiert wird; im Weiteren „Coddington”. Jedoch erfordert ein solches Schema mindestens vier phasengekoppelte Schleifen zum Koppeln der Frequenzkammlaser an zwei Dauerstrich-optische-Uhr-Laser (CW Optical Clock Lasers) plus zusätzliche phasengekoppelte Schleifen zur Stabilisierung der Dauerstrich-Laser bzgl. der Referenzresonatoren. Darüber hinaus ist die erreichte Auflösung in der Ordnung von Hertz generell nicht erforderlich in der optischen Spektroskopie von realen Systemen, bei denen Doppler-verbreitete Absorptionslinien mit einer Linienbreite von Δv ≈ 5 × 10–7vx bei einer Frequenz von vx typischerweise angetroffen werden. Zum Beispiel gilt im sichtbaren Spektralbereich Δv ≈ 300 MHz.
  • Ein weiterer Bedarf existiert für ein einfaches FTS-Schema, das auf CDSLs basiert, welches hohe Abtastraten und eine hohe spektrale Auflösung erlaubt. Darüber hinaus gibt es noch einen Bedarf nach einem Laser-basierten FTS-Schema, das Emissions- wie auch Absorptionsspektren messen kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Schnell abtastende CDSLs werden offenbart, die auf modengekoppelten Lasern basieren, für verschiedene Anwendungen z. B. ein FTS mit hoher Auflösung und hoher Empfindlichkeit und Mikro-Spektroskopie, optisches Abbilden, Abtasten und Lichtdetektion und Abstandsmessung (light detection and ranging, LIDAR).
  • Verschiedene hochauflösende CDSL-Ausführungsformen umfassen erste und zweite modengekoppelte Oszillatoren, die bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten betrieben werden, wobei jeder modengekoppelte Oszillator eine Phasenschlupffrequenz (carrier envelope offset frequency) besitzt. Outputs der ersten und zweiten modengekoppelten Oszillatoren in Kombination mit Outputs von zwei Referenzlasern werden benutzt, um Signale zu erzeugen zum Stabilisieren von Differenzen zwischen den beiden Phasenschlupf Frequenzen und von Differenzen zwischen den Wiederholungsraten der beiden modengekoppelten Oszillatoren. In einigen Ausführungsformen kann die Phasenschlupffrequenz von zumindest einem Oszillator auch aus den Signalen abgeleitet werden, was zu einer Auflösung entsprechend zumindest der Linienbreite des Referenzlasers führt und außerdem eine Frequenzauflösung auf dem Niveau von 1 Hz ermöglicht.
  • Verschiedene hochauflösende CDSLs sind verwendbar in Systemen zur Phasen-, Absorptions-, Emission- und/oder Spektralmessung. Verschiedene Ausführungsformen stellen durch das Verwenden einer Kombination von optischer Phasenkopplung mit optischem Referenzieren ein hochauflösendes FTS bereit. In mindestens einer Ausführungsform werden die Differenzfrequenzen von zwei nächstbenachbarten Kammlinien aus zwei modengekoppelten Lasern phasengekoppelt mit mindestens zwei phasengekoppelten Schleifen unter Verwendung von zwei Dauerstrich-Referenzlasern. Alternativ können auch Frequenzkopplungs-Schemata verwendet werden. Das Verfolgen der Schwebungsfrequenzen der beiden Dauerstrich-Referenzlaser mit den individuellen Kammlinien erlaubt weiterhin eine absolute Frequenzkalibrierung des FTS. Verschiedene Ausführungsformen stellen ein hochauflösendes FTS bereit durch Aufzeichnen von mehreren benachbarten Interferogrammen, was die Auflösung eines FTS proportional zu der Signalaufnahmezeit erhöht.
  • Die Auflösung solcher CDSLs kann weiterhin optimiert werden durch das Verwenden des Phasenfehler-Outputs der phasengekoppelten Schleifen, um Korrekturen für das hochauflösende FTS zu berechnen. Im Allgemeinen kann der Phasenfehler-Output der phasengekoppelten Schleife oder Frequenzkopplungen verwendet werden, um verschiedene Korrektursignale für verschiedene Frequenzparameter zu erzeugen, welche den Betrieb der modengekoppelten Laser bestimmen.
  • Verschiedene Ausführungsformen stellen ein FTS mit hoher Empfindlichkeit, niedrigem Rauschen und weiter spektraler Abdeckung bereit durch das Implementieren von Frequenzwandlungsschemata, um die spektrale Abdeckung zu vergrößern und durch dual balancierte Detektionsschemata (dual balanced detection scheme) für die Rauschunterdrückung. In mindestens einer Ausführungsform kann solch ein dual balanciertes Detektionsschema die Interferenz von zwei modengekoppelten Lasern verwenden, die als ein Strahlteiler kombiniert werden. Alternativ können die beiden modengekoppelten Laser entlang von zwei orthogonalen Polarisationsachsen in einem optischen Fasersystem verstärkt und spektral verbreitert werden und nachfolgend über einen Strahlteiler kombiniert werden.
  • Verschiedene Ausführungsformen stellen ein hochempfindliches FTS bereit durch die Anpassung von Verstärkungsresonatoren, die in den Strahlgang von einem. modengekoppelten Laser integriert werden. Das Koppeln an die Verstärkungsresonatoren kann durch ein Frequenzverschieben der Laserspektren mit entsprechenden optischen Frequenz-Verschiebern oder durch Abstimmen des Resonators durchgeführt werden.
  • Ein FTS kann implementiert werden für die Messung von Phasen-, Absorptions- und Emissionsspektren von optischen Proben, die sich innerhalb des Strahlgangs der beiden modengekoppelten Laser befinden.
  • Messungen von Emissionsspektren können verwendet werden für die Messung der spontanen und der stimulierten Raman-Emissionsspektren von optischen Proben; die Verstärkung von Raman-Emission kann weiter implementiert werden für verbesserte Signal-Rausch-Verhältnisse, und optisches Abbilden und optischen Abtasten kann implementiert werden für die Messung von räumlich aufgelösten Ramanspektren.
  • Ein CDLS kann auch verwendet werden für die Signalcharakterisierung über lineares optisches Abtasten.
  • Ein CDLS kann außerdem verwendet werden, um die Phasen-Antwort eines Testkörpers auf einen starken Pumppuls in einer Anrege-Abfrage-Konfiguration (pump probe configuration) zu messen.
  • Ein CDLS kann weiterhin verwendet werden für zwei- und mehrdimensionale Emissions- und Absorptionsspektroskopie eines Testkörpers. CDSLs können weiterhin implementiert werden in einer optischen Kohärenz-Tomographie (optical coherence tomography) durch Messung der zeitabhängigen Reflektion von einer Probe, wobei vorzugsweise die Messung bei der fundamentalen interferometrischen Schwebungsfrequenz der beidem modengekoppelten Laser durchgeführt wird.
  • Tief aufgelöstes Abbilden kann auch in dem THz-Bereich durchgeführt werden durch Verwenden der breiten modengekoppelten Laser in einer Anrege-Abfrage-Konfiguration (pump probe arrangement).
  • In mindestens einer Ausführungsform wird die Differenz bei den Phasenschlupf-Frequenzen und Widerholungsraten eines CDSL gesteuert durch das Koppeln von zwei nächstbenachbarten Kamm-Linien von den beiden modengekoppelten Lasern an mindestens einen Dauerstrich-Referenzlaser.
  • In mindestens einer Ausführungsform wird die Auflösung eines FTS, das auf einem CDSL basiert, proportional zu der Signalaufnahmezeit vergrößert durch das Minimieren von Fluktuationen der effektiven Abtastrate während der Signalaufnahmezeit.
  • In mindestens einer Ausführungsform verbessert eine dual balancierte Detektion das Signal-Rausch-Verhältnis des FTS.
  • In mindestens einer Ausführungsform wird die Empfindlichkeit eines FTS, das auf einem CDSL basiert, durch die Verwendung eines externen Resonators vergrößert.
  • In mindestens einer Ausführungsform werden Phasen- und Absorptionsspektren gemessen unter Verwendung einer FTS, das auf einem CDSL basiert.
  • Ausführungsformen können angepasst werden für OCT (optical coherence tomography, optische Kohärenz-Tomographie), THz-Abbilden oder ähnliche Anwendungen. In verschiedenen Ausführungsformen wird ein CDSL in eine bestehende FTS-Ausrüstung integriert, die umfassen kann ein oder mehrere Positionierausrüstungen für die zu testenden Körper, Detektionsausrüstung und Signalverarbeitungsausrüstung, welche digitale und/oder analoge Signalprozessoren, Computer und/oder verschiedene Signalverarbeitungssoftwarealgorithmen umfassen kann.
  • In einigen Ausführungsformen kann, um die Kosten zu reduzieren, ein effektives CDSL mit nur einem Laser konstruiert werden.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein kohärentes Abtastlasersystem (coherent laser scanning system, CSL) für das Erzeugen von Pulspaaren mit einer variablen Verzögerungszeit. Das System umfasst eine optische Quelle, die optische Pulse bei einer zeitabhängigen Wiederholungsrate erzeugt und einen Modulator für die Wiederholungsrate, um die Wiederholungsrate mit einer Modulationsrate zu modulieren. Die Quelle erzeugt einen Output, der die Pulspaare umfasst. Das System umfasst ebenfalls eine optische Referenz zum Erzeugen eines Referenzsignals für die Messung von mindestens der Verzögerungszeit zwischen den beiden Pulsen des Pulspaares als eine Funktion der Zeit.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Diagramm, das schematisch ein hochauflösendes FTS darstellt, das auf einem CDSL basiert.
  • 1A zeigt schematisch einen Teil der Spektren von zwei modengekoppelten Lasern und zwei Referenzoszillatoren wie auch Schwebungsfrequenzen, die daraus abgeleitet werden, für die Überwachung und/oder Stabilisierung eines CDSL.
  • 1B zeigt schematisch eine Anordnung für ein hochauflösendes FTS, das auf einem CDSL basiert.
  • 2 ist eine schematische Darstellung von Proben- und Detektorpositionen bei einer Messung der Probenabsorption mit einem CDSL.
  • 3 ist ein Kurvenausdruck (plot), der drei benachbarte Interferogramme zeigt, die mit einem CDSL erhältlich sind.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm, das eine dual balancierte Detektion in einem FTS zeigt, das auf einem CDSL basiert.
  • 5 ist ein schematisches Diagramm einer Anordnung zum Messen der Absorptions- und Phasenantwort einer Probe in einem FTS, das auf einem CDSL basiert.
  • 6 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Anordnung zum Messen der Absorptions- und Phasenantwort einer Probe in einem FTS, das auf einem CDSL basiert.
  • 7 ist ein schematisches Diagramm eines Verstärkungs-Resonators für eine verbesserte Empfindlichkeit von Absorptions- und Phasenmessungen unter Verwendung eines FTS, das auf einem CDSL basiert.
  • 8 ist ein schematisches Diagramm einer Anordnung, die verwendet wird, um räumlich aufgelöste Emissionsspektren von einer Probe zu erhalten:
  • 9 ist ein schematisches Diagramm einer Anordnung zum Erhalten eines räumlich aufgelösten stimulierten Raman-Emissionsspektrums von einer Probe.
  • 10 ist ein schematisches Diagramm einer Anordnung für eine kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie.
  • 11 ist ein schematisches Diagramm eines CDSL, das bei einem linearen optischen Abtasten verwendet wird.
  • 12 ist ein schematisches Diagramm eines CDSL in einer Anrege-Abfrage-Konfiguration (pump probe configuration).
  • 12A ist ein schematisches Diagramm, das die Verwendung eines CDSL in einer zweidimensionalen Spektroskopie-Messung zeigt.
  • 13 ist ein schematisches Diagramm, das die Verwendung eines CDSL bei einer optischen Kohärenz-Tomographie zeigt.
  • 14 ist ein schematisches Diagramm, das ein CDSL bei einer THz-Abstandsmessung zeigt.
  • 15 ist ein schematisches Diagramm, das ein CDSL bei einer THz-Spektroskopie und spektroskopischem Abbilden zeigt.
  • 16 ist ein schematisches Diagramm, das ein effektives CDSL zeigt, das mit nur einem Laser konstruiert wird.
  • 16A ist ein schematisches Diagramm, das die generische Konstruktion eines CSL einschließlich einer optischen Referenz (optical reference) zeigt.
  • 17A ist ein Diagramm, das schematisch die Konstruktion eines modengekoppelten Oszillators zeigt, der für die Verwendung in einem CSL, welches ein optisches Referenzieren auf einen externen Laser einschließt, geeignet ist.
  • 17B ist ein Diagramm, das schematisch eine alternative Konstruktion eines modengekoppelten Lasers zeigt, der geeignet ist für die Verwendung in einem CSL, welches ein optisches Referenzieren auf einen externen Laser einschließt.
  • 18 ist ein Diagramm, das In-Phasen-Referenzsignale (nach oben zeigende Dreiecke) und Quadratur-Phasen-Referenzsignale (nach unten zeigende Dreiecke) wie auch ihren Quotienten (Quadrate) zeigt, welche von einem Referenz-Interferometer erhalten werden können, das konfiguriert ist, um die Spiegelposition eines bezüglich der Wiederholungsrate modulierten modengekoppelten Oszillators zu testen.
  • 19 ist eine schematische Darstellung eines FTS, das auf einem CSL basiert, einschließlich optischem Referenzieren.
  • 19A ist eine schematische Darstellung eines elektronischen Schemas zum Zentrieren des Punkts mit Verzögerung Null während des Verwackelns (dithering) der Wiederholungsrate.
  • 19B ist eine Reihe von Kurven, die verschiedene Signale zeigen zum Zentrieren des Punkts mit Verzögerung Null während des Verwackelns (dithering) der Wiederholungsrate in Beziehung zu der tatsächlichen Modulation der Resonator-Länge.
  • 20 ist eine schematische Darstellung eines CDSL einschließlich einer optischen Referenz, welches für ein FTS konfiguriert ist.
  • 21 ist eine schematische Darstellung eines CDSL, das eine Wiederholungsraten-Multiplikation einschließt.
  • 22 ist eine schematische Darstellung eines CDSL für Anrege-Abfrage-Experimente (pump probe experiments) und für Abbilden, welches Wiederholungsraten-Multiplikation einschließt.
  • 23 ist eine schematische Darstellung eines CSL für zweidimensionale Spektroskopie-Anwendungen.
  • 24 ist ein schematisches Diagramm, das eine alternative Ausführungsform eines effektiven CSL, das mit nur einem Laser konstruiert ist, einschließlich optischem Referenzieren zeigt.
  • 25 ist eine Kurve, die eine Messung eines Interferogramms zeigt, welches mit einem CSL aufgenommen wird.
  • 26 ist eine Kurve, die eine Messung eines Frequenzspektrums eines Interferogramms zeigt, welches mit einem CSL aufgenommen wird (dünne Linie) und eines korrigierten Frequenzspektrums (dicke Linie), welches Fluktuationen in der Geschwindigkeit des innerhalb des Resonators befindlichen Spiegels berücksichtigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Einige Beispiele von CDSL-Systemen und ihren Anwendungen werden im Folgenden beschrieben. Implementierungen werden beschrieben, die eine oder mehr der Eigenschaften: hohe Auflösung, hohe Aufnahmerate, hohe Empfindlichkeit, niedriges Rauschen und hohes Integrationsniveau bereitstellen. Nicht-lineare Spektralerzeugung und verschiedene Implementierungen für eine Phasenkontrolle führen zu stabilen Output-Signalen im nahen Infrarot-Bereich, wodurch Vorteile für Infrarot-Absorptions- und -Emissionsspektroskopie, THz-Abbilden und Abstandsmessungsanwendungen bereitgestellt werden.
  • 1 zeigt schematisch ein kohärentes duales Abtastlasersystem (100) (CDSL) gemäß einer Ausführungsform für Fouriertransformations-Absorptionsspektroskopie. In diesem Beispiel wird der Output des CDSL 100 auf eine Probe, die gemessen werden soll, gerichtet. Ein Fouriertransformationsspektrometer (FTS) untersucht eine physikalische Eigenschaft der Probe unter Verwendung von spektraler Information in der Emissionseinhüllenden (emission envelope) des CDSL.
  • Wie in 1 gezeigt wird, umfasst das CDSL 100 zwei modengekoppelte Laser (Oszillator O1 und Oszillator O2) und zwei Dauerstrich-Referenzlaser (R1 und R2). Jeder Oszillator erzeugt Outputs, die mit Outputs von jedem der Referenzlaser, die Dauerstrich-Laser sein können, kombiniert werden. 1B zeigt schematisch einen Teil der Spektren 110, 120, der zu den Outputs von O1 bzw. O2 korrespondiert. O1 und O2 haben leicht verschiedene Wiederholungsraten fR1, fR2, und die Frequenzlinien von O1 und O2 werden durch die entsprechen den Wiederholungsraten getrennt. Bestimmte Frequenzlinien von O1, O2 haben einen Abstand von den unmittelbar benachbarten Frequenzen fx, fy der Dauerstrich-Referenzlaser wie zu sehen ist. Beispielsweise werden von O1 und O2 und benachbarten Frequenzlinien des R1 und R2 Schwebungs-Frequenzen fb1, fb2, fb3 und fb4 und Differenzfrequenzen Δf2 und Δf1 derselben abgeleitet. Die Signale werden mit Photodetektoren detektiert, um das CDSL zu überwachen und/oder zu stabilisieren. Ein Steuersystem, welches eine phasengekoppelte Schleife und analoge und/oder digitale Signalprozessoren umfassen kann, kann verwendet werden, um das CDSL zu überwachen und/oder zu stabilisieren.
  • Wie es in dem Beispiel der 1 dargestellt wird, werden die Outputs der Oszillatoren O1, O2 und des Dauerstrich-Referenzlasers R1 über zwei faseroptische Koppler C1 bzw. C2 kombiniert. Ein zusätzlicher faseroptischer Koppler C3 teilt den Output des Referenzlasers R1 auf und leitet den R1-Output zu den Kopplern C1 und C2. Die Schwebungsfrequenz zwischen einer Frequenzlinie des Oszillators O1 und des Dauerstrich-Lasers R1, fb1 wird mit dem Detektor D1 detektiert. Die Schwebungs-Frequenz zwischen einer Frequenzlinie des Oszillators O2 und des Dauerstrich-Lasers R1, fb2 wird mit dem Detektor D2 detektiert. Die Outputs der Detektoren D1 und D2 werden weiterhin gemischt und tiefpassgefiltert, um ein Schwebungs-Frequenzsignal Δf2 = fb1 – fb2 zu erzeugen, welches zu der Differenz zwischen den Schwebungsfrequenzen fb1 und fb2 korrespondiert. Δf2 kann weiterhin stabilisiert werden durch ein entsprechendes Variieren der Resonator-Länge von O2 über ein Phasen-Koppeln von Δf2 an eine externe Radiowellen-Referenz (nicht gezeigt). Hier können analoge oder digitale phasengekoppelte Schleifen implementiert werden. Wenn digitale phasengekoppelte Schleifen verwendet werden, werden die Schwebungs-Frequenzen fb1 bis fb4 ebenfalls digitalisiert. Alternativ können fb1 und fb2 beide einzeln an externe Radiowellen-Referenzen gekoppelt werden unter Verwendung von z. B. einer Steuerung der Resonator-Länge oder der Oszillator-Pumpleistung des einen oder des anderen Oszillators, was ebenfalls Δf2 stabilisiert. Das Koppeln eines Dauerstrich-Referenzlasers an zwei modengekoppelte Laser für die Konstruktion eines CDSL wurde z. B. in der '435 diskutiert.
  • In 1A können Schwebungssignale beobachtet werden, wenn die Kammlinien auf einer der beiden Seiten von fx bzw. fy liegen. Diese Unbestimmtheit kann eliminiert werden durch die Verwendung von optischen Ein-Seitenband(single side-band, SSB)-Mischern, die die Schwebungssignale auf einer Seite von fx und fy unterdrücken. Z. B. kann ein optischer SSB-Mischer fb1 und fb3 in 1A unterdrücken, während er fb2 und fb4 durchlässt. Um die Schwebungssignal fb1 und fb3 zu beobachten, müssen die Kammlinien demnach auch die rechte Seite von fx bzw. fy verschoben werden. SSB-Mischer vereinfachen die erforderliche Kopplungs-Elektronik und die Interpretation der beobachteten Schwebungssignale.
  • Optische SSB-Mischer sind wohlbekannt im Stand der Technik und werden z. B. in 10.4 von „Building Electro-Optical Systems" von P. C. D. Hobbs, John Wiley&Sons (2000) gezeigt und werden hier nicht weiter beschrieben. Die Integration von SSB-Mischern in 1 erfordert die Ersetzung von jedem der vier Detektoren D1–D4 in 1 durch einen Satz von zwei Paaren von balancierten Detektoren (resultierend in einer Gesamtzahl von 8 balancierten Detektorpaaren) für die In-Phasen-Detektion und die Quadratur-Detektion der entsprechenden Schwebungssignale.
  • Verschiedene Schemata für die Steuerung der Resonatorlänge von modengekoppelten Lasern wurden in der '435 diskutiert. Eine ähnliche Anordnung, welche den Referenz-Oszillator R2, die Oszillatoren O1 und O2 und die Detektoren D3 und D4 umfasst, erzeugt die Schwebungs-Frequenzen fb3, fb4 und Δf1, wobei das Koppeln von fb3 und fb4 an eine externe Radiowellen-Referenz für die Stabilisierung von Δf1 auch verwendet werden kann. Faseroptische Strahlwege und Koppler stellen einen hohen Grad von Integration bereit. In einigen Ausführungsformen können Strahlwege im freien Raum und Strahlteiler implementiert werden, allein oder in Kombination mit Fasertechnologie. Vorzugweise werden modengekoppelte Faser-Laser als Oszillatoren O1 und O2 implementiert, obwohl Festkörper-Laseroszillatoren und Dioden-Laser in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden können, allein oder in Kombination mit Faseroszillatoren.
  • Ein Probe und eine FTS-Detektionseinheit, wie sie in 1 gezeigt wird, wird in größerem Detail in dem Beispiel der 2 gezeigt. In der Anordnung der 2 werden die Outputs von zwei Oszillatoren O1 und O2 über den Strahl-Teiler B1 (oder einen gleichwertigen faseroptischen Teiler) kombiniert, um ein FTS für die Absorptionsspektroskopie zu konstruieren. Ein zweiter Strahl-Teiler B2 erlaubt die Detektion eines Referenzspektrums über den Detektor D5. Das Absorptionsspektrum einer Probe, die vor dem Detektor D6 eingesetzt wird, wird gemessen unter Verwendung des Outputs des Detektors D6. Signalverarbeitungsausrüstung SP kann in dem FTS verwendet werden, um Signale aus den Detektoren aufzubereiten und die Information die von den Detektoren erhalten wird, zu verarbeiten. Schemata zum Erhalten des Absorptionsspektrums über ein FTS, welches auf einem CDSL basiert, wurden auch in der '435 diskutiert.
  • Die Beziehung zwischen dem Frequenz-Output der Oszillatoren O1 und O2 und dem Schwebungssignalen fb1 bis fb4 wie auch zu den optischen Referenzfrequenzen fx und fy der Referenzlaser R1 und R2 kann geschrieben werden als: nfrep + fceo1 = fx + fb1 (1) n(frep + δ) + fceo2 = fx + fb2, (2) mfrep + fceo1 = fy + fb3 (3) m(frep + δ) + fceo2 = fy + fb4, (4) wobei frep, frep + δ und fceo1, fceo2 sind die Widerholungsraten und Phasenschlupffrequenzen der beiden modengekoppelten Laser sind, n und m sind ganze Zahlen, und es wird angenommen, dass die optischen Frequenzen fx, fy schwebend sind zu den Frequenzlinien der Ordnung n bzw. m von den beiden modengekoppelten Lasern. Es kann dann leicht gezeigt werden, dass die Differenz in den Wiederholungsraten δ und die Differenz in den Phasenschlupffrequenzen Δfceo zwischen den beiden modengekoppelten Lasern gegeben ist durch
    Figure 00160001
  • Demnach stabilisiert die Stabilisierung von Δf1 und Δf2 wiederrum δ und Δfceo. Wie in der '435 erklärt wird, kann mit der Kenntnis von δ und Δfceo (und der Laser-Wiederholungsrate) die Kalibrierung der Frequenzskala eines FTS, welches auf einem CDSL basiert, durchgeführt werden. Jedoch ist die erzielbare Auflösung dann vergleichbar mit der Wiederholungsrate der modengekoppelten Laser. Die Kammlinien-Ordnungen, n und m, können z. B. erhalten werden über absolute Frequenzmessung unter Verwendung eines separaten Kammlasers. Wie in der '435 gezeigt wird, werden, um eine verbesserte Auflösung zu erhalten, entweder fceo1 oder fceo2 gemessen. In mindestens einer Ausführungsform kann dies mit einem f-2f-Interferometer durchgeführt werden. Alternativ kann fceo1 erhalten werden durch
    Figure 00170001
  • Ein ähnlicher Ausdruck kann für fceo2 geschrieben werden. Demnach kann fceo1 erhalten werden durch das Aufzeichnen von fb3 und fb1 zusätzlich zum Stabilisieren von Δf1 und Δf2. Für eine tatsächliche Wellenlängen-Kalibrierung kann fceo1 während der Aufnahmezeit τ eines Interferogramms erhalten werden und das Interferogramm kann dann mit einem Phasenkorrektur-Term multipliziert werden.
  • Figure 00170002
  • Eine Fouriertransformation des korrigierten Interferogramms liefert dann das Radiowellenspektrum, welches zu dem optischen Spektrum über einem Umwandlungsfaktor fopt = [frf – Δfceo]frep/δ (9) in Beziehung steht, wie ebenfalls in der '435 erklärt wird. Alternativ kann die benutzbare Signal-Aufnahmezeit bei dem FTS als begrenzt durch die Kohärenzzeit der Dauerstrich-Referenzen angesehen werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, frep an eine externe Frequenz-Referenz zu koppeln, was z. B. getan werden kann durch das Modulieren des Pumpstroms an einen der modengekoppelten Laser. Alternativ kann frep aufgezeichnet werden und ein zusätzlicher Phasenkorrektur-Term kann zu Gleichung (8) addiert werden. Da die Dauerstrich-Laser an optische Uhren gekoppelt werden können und Kohärenzzeiten von der Ordnung von Sekunden erreicht werden können, kann eine Frequenzauflösung in der Ordnung von Hz erreicht werden. Demnach kann eine Frequenzauflösung, die viel kleiner als die Widerholungsrate der modengekoppelten Laser ist, erhalten werden.
  • Im Allgemeinen können Δf1 und Δf2 stabilisiert werden durch das Koppeln von optischen Schwebungssignalen, welche durch den Überlapp zwischen individuellen Kammlinien und einem Dauerstrich-Referenzlaser erzeugt werden, an externe Radiowellen-Referenzen stabilisiert werden. Alternativ können Δf1 und Δf2 stabilisiert werden durch Verwenden von Dauerstrich-Referenzlasern als Transferoszillatoren und das Koppeln der Differenzfrequenz der beiden Kammlinien von zwei verschiedenen modengekoppelten Lasern an externe Radiowellen(RF)-Referenzen. Eine Kombination dieser beiden Verfahren ist auch möglich.
  • Δf1 und Δf2 können weiterhin direkt gemessen und stabilisiert werden durch das Isolieren von zwei individuellen Kammlinien von den beiden Kammlasern über optisches Filtern und Messen des resultierenden Schwebungssignals. Optische Filter können z. B. bequem aus Faser-Bragg-Gittern oder Fabry-Perot-Etalons oder einer Kombination von beiden konstruiert werden. Ein Beispiel eines Schemas zum Koppeln von Δf1 und Δf2 mit optischen Filtern wird in 1B gezeigt. Hier stellen F1 und F2 zwei optische Filteranordnungen dar. Z. B. kann F1 ein Faser-Bragg-Gitter umfassen, das in Reflektion betrieben wird in Verbindung mit einem optischen Zirkulator (optical circulator) und einem hochauflösenden Fabry-Perot-Etalon. Der freie Spektralbereich des Etalons wird dann so ausgewählt, dass er kleiner als die Bandbreite des Faser-Bragg-Gitters ist. Solch eine Anordnung wird nicht separat gezeigt. Die restlichen Komponenten wurden mit Bezug auf 1 beschrieben. Optische Verstärker können weiterhin vor den optischen Filtern eingesetzt werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis für die Δf1 und Δf2-Messungen zu erhöhten. Für die beste Auflösung ist die Gesamt-Bandbreite der optischen Filter vergleichbar oder kleiner als die Wiederholungsrate der beiden Kammlaser. Jedoch können auch größere Filter-Bandbreiten implementiert werden, wenn eine niedrigere spektrale Auflösung ausreichend ist.
  • Die Details der Phasenkopplungstechniken sind gut bekannt im Stand der Technik und werden hier nicht beschrieben. Phasenkopplungsverfahren verwenden allgemein einen Phasen-/Frequenz-Detektor, der über eine Analogelektronik als ein Frequenzmischer oder über digitale Elektronik, digitale Frequenzzähler oder über digitale Signalverarbeitung implementiert werden kann. Der Phasen/Frequenz-Detektor erzeugt einen Output, der proportional zu der Phasen/Frequenz-Differenz zwischen dem zu stabilisierenden Schwebungssignal und einer externen Radiowellen-Referenz ist. Die Rückkopplungsschleife der phasengekoppelten Schleife wird so implementiert, dass die Phasendifferenz zwischen dem Schwebungssignal und der Radiowellen-Referenz minimiert wird. Eine restliche Phasen-Differenz verbleibt noch wegen der begrenzten Kopplungsbandbreite und Mängeln der Rückkopplungsschleife. Diese restliche kleine Phasendifferenz ist noch bei Δfceo und δ vorhanden und wird demnach gemäß Gleichung (9) auf die rekonstruierte optische Frequenz fopt übertragen. In einigen Ausführungsformen wird das Phasen-Rauschen des Outputs der Phasen-Detektoren bei geschlossenen phasengekoppelten Schleifen, z. B. das Fehlersignal in der Schleife, aufgezeichnet und verwendet, um Korrektur-Terme für das Interferogramm oder für das rekonstruierte optische Spektrum zu erhalten. Alternativ können Frequenzkopplungs-Schemata implementiert werden und das Fehlersignal von den Frequenzkopplungen kann aufgezeichnet und verwendet werden für die Berechnung von Korrektur-Termen.
  • Mit anderen Worten erhalten wir angemessene Korrekturen zu Δfceo und δ durch Aufzeichnen der Differenz in der Phase eines Radiowellensignals S1 und der Differenzfrequenz S2 von zwei Kammlinien, während die Phase oder Frequenz von S1 und S2 gekoppelt sind. Alternativ kann S2 auch direkt aus der Differenz zwischen den Wiederholungsraten der beiden Frequenz-Kämme erhalten werden. Allgemeiner kann ein Signal S2 auch aus den individuellen Wiederholungsraten der beiden modengekoppelten Laser, den individuellen Phasenschlupffrequenzen der beiden Laser oder ihrer Differenz wie auch aus irgendeinem Schwebungssignal zwischen einem Dauerstrich-Referenzlaser und einer individuellen Kammlinie der modengekoppelten Laser enthalten werden, und das Fehlersignal von der phasengekoppelten Schleife oder einer Frequenzkopplung kann verwendet werden, um Korrekturen für den Wert von S2 zu erhalten.
  • Darüber hinaus kann in CDSLs die Frequenzauflösung weiter verbessert werden durch das aufeinanderfolgende Aufzeichnen von mehr als einem Interferogramm wie in 3 gezeigt, wobei N = 3 aufeinanderfolgende Interferogramme gezeigt werden. In erster Ordnung ist die erhältliche Auflösung dann umgekehrt proportional zu der Anzahl von aufgezeichneten Interferogammen und durch die Kohärenzzeit der Dauerstrich-Referenzlaser begrenzt. Tatsächlich ist es oft bevorzugt, die Auflösung eines FTS, welches auf einem CDSL basiert durch Erhöhen der Anzahl von aufgezeichneten Interferogrammen zu erhöhen statt durch das Einfügen eines Lasers mit niedrigerer Wiederholungsrate, da modengekoppelte Laser und insbesondere modengekoppelte Faserlaser typischerweise stabiler und weniger empfindlich bezüglich von Umwelt-Fluktuationen sind, wenn sie bei höheren Wiederholungsraten betrieben werden.
  • Jedoch sogar mit der Hinzunahme eines Phasenkorrekturterms oder einer vergrößerten Signalaufnahmezeit kann nur eine Verbesserung in der Frequenzauflösung relativ zu den Dauerstrich-Referenzlasern erhalten werden. Es ist manchmal vorteilhaft, ein FTS auf den universell verfügbaren Global-Positioning-Frequenzstandard (GPS) zu referenzieren. In mindestens einer Ausführungsform kann dies erreicht werden mit einer zu 1 ähnlichen Anordnung mit einem zusätzlichen f-2f-Interferometer welches – wie z. B. in der '859 offenbart ist – über einen Strahlteiler an den Output von einem der beiden Oszillatoren O1 oder O2 eingefügt wird. Zusätzliche frequenzverbreiternde Stufen werden eingeschlossen, um ein Spektrum zu erhalten, welches eine Oktave umfasst, wie in der '435 offenbart wird. Das f-2f-Interferometer kann dann verwendet werden, um die Phasenschlupffrequenz eines der beiden Oszillatoren, z. B. fceo1, mit einer zusätzlichen phasengekoppelten Schleife zu koppeln, was durch eine Modulation des Pumpstroms des relevanten modengekoppelten Lasers implementiert werden kann. Die Modulation des Pumpstroms kann außerdem verwendet werden, um die Wiederholungsrate frep + δ des zweiten Lasers an das GPS zu koppeln. Sobald fceo1 und frep + δ gekoppelt sind, kann frep und Δfceo zu der GPS-Referenzfrequenz in Beziehung gesetzt werden, was eine absolute Frequenzkalibrierung (mit Bezug auf GPS) erlaubt. Alternativ können wir auch nur das fceo1-Schwebungssignal koppeln und die Wiederholungsrate frep + δ aufzeichnen, um die Kalibrierung mit GPS zu erhalten. Gleichermaßen können sowohl fceo1 und frep + δ aufgezeichnet werden, um GPS-Kalibrierung über ein optisches Referenzieren zu erhalten.
  • Die frequenzverbreiterten Stufen, die nach den Oszillatoren O1 und O2 eingeschlossen sind, können weiterhin optische parametrische Oszillatoren (OPOs) umfassen, um spektroskopische Messungen im mittleren Infrarotbereich zu erlauben. Solche OPOs können z. B. aus periodisch gepolten LiNbO3 oder optisch strukturierten GaAs-Kristallen erhalten werden, obwohl irgendein anderer nichtlinearer Kristall ebenfalls verwendet werden kann. Sowohl die Wiederholungsrate als auch die Phasenschlupffrequenz der OPOs kann an die Oszillatoren O1 und O2 gekoppelt werden; bei einer kleinen Differenz in der Wiederholungsrate kann somit ein FTS, welches im mittleren Infrarot-Bereich arbeitet, konstruiert werden. OPOs, bei denen die Phasenschlupffrequenz an einen Pumplaser gekoppelt wird, sind bekannt und werden hier nicht weiter beschrieben.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann das Signal-Rausch-Verhältnis eines FTS, welches auf einem CDSL basiert, weiterhin verbessert werden durch Implementieren einer dual balancierten Detektionstechnik (dual balanced detection technique), wie in 4 gezeigt wird. Die Output-Pulse der Oszillatoren O1 und O2 werden mit einem Polarisations-Strahlteiler kombiniert und aneinander ausgerichtet, um entlang zweier orthogonaler Polarisationsachsen eines Faserverstärkers und einer optionalen, das Spektrum verbreiternden Einheit 405 sich auszubreiten, welche eine hochgradig nichtlineare Faser (highly nonlinear fiber, HNLF), einen nichtlinearen Faserverstärker oder verschiedene Kombinationen derselben umfassen kann. Im Beispiel der 4 durchlaufen die Pulse dann eine optische Probe und die zwei orthogonalen Polarisationen werden über einen zweiten Polarisationsstrahlteiler, welcher unterhalb der Probe angeordnet ist, in zwei Ausbreitungswege, Weg 1 und Weg 2, aufgeteilt. Eine Halbe-Wellen-Platte (half-wave plate) (λ/2), die in den Weg 2 eingesetzt wird, bringt die beiden Polarisationsrichtungen wieder in Übereinstimmung. Die Pulse werden dann über einen optischen Strahlteiler BS kombiniert, und das Signal, welches aus der Interferenz zwischen den beiden Oszillatoren resultiert, wird dann detektiert unter Verwendung der Detektoren D1 und D2. Da das Interferenzsignal, welches bei den Detektoren D1 und D2 detektiert wird, außer Phase (out of phase) ist, kann durch die Subtraktion des Signals, welches in D1 und D2 gemessen wird, irgendein Dauerstrich-Hintergrund (cw background) in dem detektierten Signal eliminiert werden, was zu einer Erhöhung im Signal-Rausch-Verhältnis des detektierten Interferenzsignals führt. In einigen Ausführungsformen ist es, um ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis für das Interferenzsignal zu erhalten, vorteilhaft, denselben Pumplaser für beide Oszillatoren zu verwenden (dies kann z. B. unter Verwendung eines Strahlteilers zum angemessenen Teilen des Pumplasers durchgeführt werden, wie gezeigt) und die Dispersion entlang beider Ausbreitungswege zu balancieren.
  • In dem Beispiel von 4 wird ein dual balanciertes Detektionsschema unter Verwendung von einem Verstärker und einem nichtlinearen spektralen Verbreiterungselement gezeigt. In verschiedenen Ausführungsformen können duale balancierte Detektionsschemata auch direkt angewendet werden unter Verwendung von zwei Oszillatoren und zwei Verstärkern wie auch zwei nichtlinearen spektralen Verbreiterungselementen. In einigen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, denselben Pumplaser für beide Oszillatoren und denselben Pumplaser für beide Verstärker zu verwenden. Solche Schemata werden nicht separat gezeigt. Ebenfalls kann ein dual balanciertes Detektionsschema verwendet werden in Verbindung mit der Anordnung von 1 und 2, d. h. Subtrahieren des Stroms von den Detektoren D5 und D6, um in dem Detektionsschema die erreichbaren Signal-Rausch-Verhältnisse zu verbessern. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Probe zwischen die Strahlteiler B1 und B2 in 2 zu bewegen. Zusätzlich zu Mach-Zehnder-Konfigurationen kann auch irgendein anderes geeignetes Dualstrahl-Interferometer (dual beam interferometer) implementiert werden. Die duale balancierte Detektion ist anwendbar, um das Amplitudenrauschen in irgendeinem dieser Dualstrahl-Interferometer zu reduzieren, sogar dann wenn das Amplitudenrauschen von beiden Strahlen nicht korreliert ist. Es ist jedoch erforderlich, den Signalpegel an beiden Detektoren zu balancieren. Je besser die Balance zwischen den Signalen ist, desto mehr Reduktion des Amplitudenrauschens ist erreichbar. Für breitbandige Signale kann man außerdem anpassbare Abschwächer verwenden, die verwendet werden können, um irgendwelche wellenlängenabhängigen Signaldifferenzen zu kompensieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann Signalverarbeitungsausrüstung (nicht gezeigt) auch verwendet werden, um die Outputsignale der Detektoren zu verarbeiten und die Information kann in einem Mess- oder Abbildungssystem verwendet werden. Zahlreiche Kombinationen sind möglich.
  • Schemata zum Messen der Phasenantwort von Proben bei einem Absorptions-FTS, welches mit Frequenzkammlasern konstruiert wird, sind wohlbekannt (S. Schiller et al., „Spectrometry with frequency combs", Opt. Lett., vol. 27, S. 766–768 (2002)). Ähnlich kann die Phasenantwort von Proben auch gemessen werden, wenn ein Absorptions-FTS, welches auf einem CDSL basiert, verwendet wird. Eine beispielhafte Anordnung eines FTS-Detektors und einer Probe für Phasenmessungen, welche auf einem Mach-Zehnder-Interferometer basiert, ist in 5 gezeigt. Hier sind O1 und O2 die modengekoppelten Oszillatoren, und die Outputs werden über den Strahlteiler B1 kombiniert. In einigen Ausführungsformen können O1 und O2 weiterhin mit Dauerstrich-Lasern verbunden werden, um ihre Phasenschlupffrequenzen und Wiederholungsraten zu steuern, wie es mit Bezug auf 1 beschrieben wird. Das Referenzspektrum der Oszillatoren O1 und O2 wird mit dem Detektor D1 gemessen. Zusätzliche Stufen für Verstärkung und spektrales Verbreitern 505 können außerdem zwischen den Strahlteilern B1 und B2 implementiert werden, wie in der '435 diskutiert wird (nicht gezeigt). Z. B. kann eine Kombination 405 eines linearen Faserverstärkers und einer HLNF, wie sie hier in 4 gezeigt wird, und/oder eines nichtlinearen Faserverstärkers zum Verstärken und Verbreitern verwendet werden.
  • Bezugnehmend wieder auf das Beispiel der 5 wird ein Mach-Zehnder-Interferometer konfiguriert durch das Aufteilen der kombinierten Outputs von O1 und O2, wobei sich die Probe in einem Pfad des Interferometers befindet. Eine Differenz der Weglänge kann außerdem in den beiden Armen des Mach-Zehnder-Interferometers hinzugefügt werden, um Signalstörungen aus einer Kreuzphasenmodulation (cross phase modulation) in irgendeiner der nichtlinearen spektralen Verbreiterungsstufen zu vermeiden, wie ebenfalls in der '435 diskutiert wird. Die Probentransmission wird weiterhin beim Detektor D2 gemessen, und die Phasenantwort wird mit den Detektoren D3 und D4 gemessen. Wenn die Phasenverzögerung entlang des oberen und unteren Arms des Mach-Zehnder Interferometers richtig angepasst wird und die Photodetektor-Ströme von D3 und D4 abgezogen werden, wird eine Signalantwort proportional zu t(ω) × cos(φ(ω)) erhalten, wobei t2(ω) die Transmission der Probe ist und φ(ω) die Phasenantwort der Probe als eine Funktion der Frequenz ist.
  • Alternativ kann die Phasen- und Absorptionsantwort der Probe erhalten werden unter Verwendung einer Proben- und Detektoranwendung, wie sie in 6 gezeigt wird. Solch ein Schema ist von Coddington diskutiert worden und wird hier nicht weiter beschrieben.
  • Ebenfalls kann die Empfindlichkeit eines Absorptions-FTS vergrößert werden durch Verwendung eines Verstärkungsresonators, bei dem die Resonator-Umlaufzeit (cavity round-trip time) zu der Wiederholungsrate von einem Oszillator (z. B. dem Oszillator O1) passt wie in 7 gezeigt. Der Verstärkungsresonator wird in einen Arm des Interferometers eingesetzt und wird vorzugsweise in einer langen Röhre montiert und mit Spiegeln M1 und M2 abgeschlossen. Die Röhre enthält weiterhin ein Ventil für den Gaseinlass und kann ebenfalls ein Ventil für den Gasauslass umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Empfindlichkeit weiter gesteigert werden durch das Anpassen der Resonator-Umlaufzeit des Oszillators O1 zu der Umlaufzeit des Verstärkungsresonators, wie in der '998 diskutiert wird. Zusätzlich wird eine Phasenanpassung zwischen dem Resonator und dem Oszillator O1 implementiert. Ein Phasenanpassung kann erhalten werden durch Anpassung der Phasenschlupffrequenz des Oszillators O1, wie in der '998 diskutiert wird oder durch Frequenzverschiebung der Oszillatorpulse mit einem eingesetzten optischen Modulator, wie in 7 gezeigt wird.
  • Wenn OPOs in Verbindung mit den Oszillatoren O1 und O2 verwendet werden, kann eine Erhöhung in der Empfindlichkeit bei spektralen Messungen ohne einen separaten Verstärkungsresonator erhalten werden. In diesem Fall kann eine Gas-Zelle direkt in einen der OPOs eingesetzt werden. Für die spektrale Absorptionsmessung kann demnach eine hohe Empfindlichkeit bei der Detektion von Spurengasen erhalten werden. Solch eine Anordnung wird nicht separat gezeigt.
  • Beispielhaft wird in 8 ein CDSL, welches für ein Emissions-FTS konfiguriert ist, gezeigt. In diesem Beispiel erzeugen die Oszillatoren O1 und O2 Femtosekundenpulse, die weiter verstärkt und spektral verbreitert werden können, wie oben diskutiert wurde (nicht gezeigt). Wie oben diskutiert, arbeiten die Oszillatoren bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten und die Phasenschlupffrequenz beider Oszillatoren kann weiter gesteuert werden. Die Outputs der Oszillatoren werden vorzugsweise zu einer Pulsbreite von weniger als 1 ps komprimiert. Der Output des Oszillators O1 wird über den Strahlteiler B1 in zwei Ausbreitungswege aufgeteilt. Pulse, die sich in dem oberen Ausbreitungsweg ausbreiten, werden dann durch einen schmalbandigen Bandpassfilter F1 geleitet, um die Bandbreite des Pulses zu verringern. Idealerweise verbreitert der Bandpassfilter diese Pulse temporär zu einer Breite von ungefähr 1–100 ps. Die verbreiterten Pulse können in einem anderen Verstärker weiter verstärkt werden (nicht gezeigt). In diesem Beispiel werden die verbreiterten Pulse dann durch einen optischen Abtaster geleitet und über ein Mikroskopobjektiv MO auf eine Probe fokussiert, was eine spektrale Emission in der Probe hervorruft. Z. B. werden verschiedene Proben einer Raman-Antwort besitzen und ein schwaches Raman-Spektrum emittieren. Die Raman-Antwort kann weiterhin vergrößert werden durch Techniken der Oberflächenvergrößerung, die bekannt sind als oberflächenvergrößertes Raman-Streuen (surface enhanced Raman scattering, SERS) oder resonantes Raman-Streuen (resonant Raman scattering, RRS) oder irgendeine der Verstärkungstechniken, die in der Fachwelt bekannt sind. Das Emissionsspektrum wird dann mit dem Mikroskopobjektiv gesammelt und über die Strahlteiler B2, B3 und B4 auf die Detektoren D1 und D2 geleitet. Der Notch- oder Hochpassfilter (notch or high-pass filter) F2 filtert die Pumppulse, die auf die Probe treffen, heraus und wird konfiguriert, um die spektrale Emission oder Raman-Emission von der Probe zu übertragen. Weiterhin werden das Emissionssignal und die Pulse aus den Oszillatoren O1 und O2 durch die Strahlteiler B3 bzw. B4 kombiniert und durch die Detektoren D1 und D2 detektiert. In verschiedenen Ausführungsformen wird eine spektrale Überlappung zwischen den Emissionsspektren und den Oszillatorspektren bereitgestellt.
  • Tatsächlich tasten die kurzen Oszillatorpulse die lang andauernde spektrale Emission, die von der Probe emittiert wird, als eine Funktion der Zeit ab. Der Output der Detektoren D1 und D2 entspricht dem optischen Interferenzsignal zwischen der Probenemission und dem Output aus den Oszillatoren O1 bzw. O2. Der nicht konstante Teil (non-DC part) des Outputs der Detektoren D1 und D2 ist proportional zu einer Faltung der entsprechenden Pulseinhüllenden mit der Probenemission Eem(t) – abgesehen von einem Phasenfaktor. Der nicht konstante Teil des Outputs der Detektoren D1 und D2 wird dann elektronisch multipliziert und – weiterhin berücksichtigend, dass die Pulse viel kürzer als die Probenemission sind – wird abgesehen von einem Phasenfaktor ein Signal Eem(t)Eem(t – τ) erzeugt, wobei Eem(t) das Emissionssignal als eine Funktion der Zeit ist und τ die Zeitverzögerung zwischen den beiden Pulsen ist, die von den Oszillatoren O1 und O2 emittiert werden. Zwischen jedem Abtastpunkt vergrößert sich die Zeitverzögerung τ um einen kleinen Betrag, wobei ein Abtast-Ereignis z. B. mit dem Oszillator O2 getriggert wird und der Detektor-Output bei diesem Abtast-Ereignis aufgezeichnet wird mit einer Rate, welche der Wiederholungsrate des Oszillators O2 entspricht. Die Kenntnis der Differenz zwischen den Wiederholungsraten der beiden Oszillatoren oder eine Aufzeichnung der Differenz zwischen den Wiederholungsraten der beiden Oszillatoren erlaubt es dann, einen präzisen Wert von τ für jeden Abtastpunkt zu erhalten. Der Durchschnittswert von Eem(t)Eem(t – τ) ist weiterhin äquivalent zu einer Summierung über die gesamte Zeit und demnach können wir schreiben Γ(τ) = ΣEem(t)Eem(t – τ)
  • Γ(τ) ist demnach äquivalent zu der Autokorrelationsfunktion von Eem(t) und das Emissionsspektrum kann demnach durch eine Fouriertransformation von T(τ) erhalten werden. Da das Produkt Eem(t)Eem(t – τ) von der Phase der Trägerwelle- Einhüllenden (carrier envelope phase) der abtastenden Pulse abhängt, wird die Phasenschlupffrequenz (carrier envelope offset frequency) der beiden Oszillatorpulse stabilisiert. Alternativ kann ein angemessener Phasenkorrekturterm über das Aufzeichnen von Δfceo erhalten werden. In gleicher Weise können Fluktuationen in der Differenz δ zwischen den beiden Wiederholungsraten der beiden Oszillatoren überwacht werden, um präzise Werte von τ als eine Funktion der Zeit zu erhalten. Δfceo und δ können erhalten werden unter Verwendung von zwei Dauerstrich-Lasern, wie mit Bezug auf 1 diskutiert wird, was hier nicht weiter erklärt wird. In diesem Beispiel wird eine Anordnung für die Detektion von Emissionsspektren bei Reflektion gezeigt. Jedoch könnte eine ähnliche Anordnung verwendet werden bei Transmission, welche nicht separat gezeigt wird.
  • Als noch ein weiteres Beispiel wird ein CDSL, das für die Messung von stimulierten Emissionsspektren konfiguriert ist, in 9 gezeigt. Hier erzeugen die Oszillatoren O1 und O2 breitbandige Pulse, die weiter verstärkt und spektral verbreitert werden können (nicht gezeigt). Wie oben diskutiert, sind die Oszillatoren konfiguriert, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, und die Phasenschlupffrequenz von beiden Oszillatoren kann ebenfalls gesteuert werden. Der Output der Oszillatoren O1 und O2 wird über die Strahlteiler B1 und B2 auf den Detektor D1 geleitet, um ein Referenzspektrum zu erhalten. Im Folgenden bezeichnen wir die ungefilterten Pulse vom Oszillator O2 als Testpulse. Ein Teil des Testpuls-Outputs des Oszillators O2 wird weiterhin durch ein schmalbandiges Filter F1 geschickt, um Pumppulse zu erzeugen. Die Pumppulse können weiterhin verstärkt werden, was nicht separat gezeigt wird. Die Pumppulse aus O2 und die Testpulse aus O2 werden weiterhin kombiniert mit einem Strahlteiler 4 und über ein Mikroskopobjektiv auf den Testkörper gerichtet, wobei die zeitliche Überlappung auf dem Testkörper gewährleistet ist. Ein Notch-Filter (notch filter) F2 filtert dann die schmalbandigen Pumppulse heraus, die von einem anderen Mikroskopobjektiv gesammelt werden, sodass breitbandige Testpulse zum Detektor D2 übertragen werden, wo sie auch über den Strahlteiler B5 mit dem Output vom Oszillator O1 kombiniert werden. Für starke Pumppulse führt die Emission von stimulierter Raman-Streuung (stimulated Raman scattering emission) zu einer Verstärkung (oder Abschwächung) von bestimmten Spektralbanden innerhalb der Testpulse. Durch Subtrahieren der Spektren, die mit den Detektoren D1 und D2 aufgenommen werden, kann eine genaue Messung des Spektrums der stimulierten Raman-Emission (stimulated Raman emission spectrum) direkt erhalten werden. Räumlich aufgelöste Information wird durch das Verändern der Position des Testkörpers zwischen den beiden Mikroskopobjektiven erzeugt. In 9 wird eine Anordnung für eine Transmissionsmessung gezeigt. Eine ähnliche Anordnung kann auch für Reflektionsmessungen verwendet werden, wenn man Modifikationen des optischen Systems durchführt. In einigen Ausführungsformen können sowohl Reflektions- als auch Transmissionsmessungen erhalten werden. Beide Oszillatoren können weiterhin durch denselben Pumplaser gepumpt werden zur Verringerung von Rauschen, und verbesserte Signal-Rausch-Verhältnisse können erhalten werden durch die Implementierung von dual balancierten Detektionsschemata.
  • Ein CDSL für die Messung von kohärenter Anti-Stokes-Ramanstreuungs(coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS)-Mikroskopie wird in 10 gezeigt. Die Oszillatoren O1 und O2 werden konfiguriert, um einen breitbandigen Output mit einer spektralen Breite zu erzeugen, die der Breite des Raman-Spektrums der Probe entspricht. In einer spezifischen Implementierung wird der Oszillator O2 verwendet, um sowohl Pikosekunden-Raman-Pulse als auch rotverschobene Signalpulse zu erzeugen. Z. B. können Pump- und Signalpulse über spektrales Filtern (unter Verwendung der Filter F1 und F2) aus breitbandigen Pulsen erhalten werden. Sowohl Pump- als auch Signalpulse werden dann durch die Probe transmittiert, was zur Erzeugung eines blauverschobenen Anti-Stokes-Outputs führt. Das Signal- und Pumplicht wird nachfolgend durch einen Kurzpassfilter (short pass filter) F4 unterdrückt, welcher den Anti-Stokes-Output überträgt. Der Output des Oszillators O1 wird dann vorzugsweise so gewählt, dass er mit dem Anti-Stokes-Spektrum, welches in der Probe erzeugt wird, überlappt, wobei z. B. ein Filter F3 verwendet wird. Der Anti-Stokes-Output von der Probe wird dann über den Strahlteiler B3 mit dem Output des Oszillators O1 kombiniert und mit den Detektoren D1 und D2 abgetastet, wobei eine dual balancierte Detektion ebenfalls implementiert werden kann. Dieses Schema ist effektiv äquivalent zur heterodynen Detektion von Anti-Stokes-CARS-Output mit einem Oszillator O1, welcher als Lokaloszillator (local oscillator) wirkt und kann eine sehr hohe Empfindlichkeit liefern. Darüber hinaus kann ein hoher Grad von Selektivität bezüglich der Vibrationen erhalten werden, wenn relativ schmalbandige Signal- und/oder Lokaloszillator-Pulse verwendet werden. Wenn optische Abtaster und geeignete bildgebende Geräte verwendet werden, ist die Konstruktion eines CARS-Mikroskops ebenfalls möglich.
  • Das in 10 gezeigte Detektionsschema ist tatsächlich ein Beispiel eines generischen Abtast- oder kohärenten Detektionsverfahrens, wie es in 11 gezeigt wird. Hier umfasst der Oszillator und das Signal zwei modengekoppelte Laser, die bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten arbeiten, die wiederum an externe Dauerstrich-Referenzlaser phasengekoppelt werden können für eine verbesserte Phasenstabilität der Trägerwelle. In diesem Schema wird das Signal in der Signalmodifizierungsstufe kohärent modifiziert und das modifizierte Signal wird dann mit den Oszillatorpulsen abgetastet. Eine geeignete Fourier-Transformation der abgetasteten Detektor-Outputs aus den Detektoren D1 und D2 liefert dann das Produkt des Spektrums des Oszillators O1 mit dem modifizierten Signalspektrum. Wenn die Oszillatorpulse und Signalpulse vor der Signalmodiflkation mit vernünftiger Genauigkeit bekannt sind, kann die inverse Fourier-Transformation dann die Impulsantwort der Signalmodifizierungseinheit liefern.
  • Eine Anwendung des generischen Abtastverfahrens der 11 wird in 12 für Anrege-Abfrage-Messungen (pump probe measurements) gezeigt. Wie oben diskutiert, werden Lokaloszillator-Pulse und Signalpulse von zwei modengekoppelten Oszillatoren abgeleitet, die bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten arbeiten, welche wiederum an Dauerstrich-Laser gekoppelt werden – oder von ihnen referenziert werden – zur Steuerung der Wiederholungsrate und der Phasenschlupffrequenz (carrier envelope offset frequency) oder die andere Mittel zur Steuerung der Phasenschlupffrequenz umfassen. Eine zusätzliche spektrale Verbreiterung, Verstärkung und Kompression der Oszillatorpulse kann weiterhin umfasst sein wie oben erläutert. Die Signalpulse werden weiterhin verwendet, um Pumppulse hoher Leistung zu erzeugen, die sich in dem Pumparm ausbreiten und ein Teil der Signalpulse wird über den Strahlteiler B1 abgeteilt, um Proben-Pulse, die sich im Probenarm ausbreiten, zu erzeugen. Die Proben- und Pumppulse werden mit dem Strahlteiler B2 wieder vereinigt. Die Zeitverzögerung zwischen Proben- und Pumppulsen kann frei angepasst werden durch Verschiebung der Spiegel M1 und M2. Die Pulse, die sich im Pumparm ausbreiten, können weiterhin über eine Pump-Modifizierungseinheit modifiziert werden; diese Modifizierung kann z. B. umfassen: Frequenzverdopplung, Frequenzverschiebung, Drehen der Polarisation, optisches Filtern, optische Phasen- und Amplitudenmodulationen und Puls-Chirpen. Alternativ können auch die Pulse, die sich im Probenarm ausbreiten, modifiziert werden. Die Pump- und Probenpulse werden weiterhin in eine Probe fokussiert, wobei die starken Pumppulse zu Veränderungen in der Pulsausbreitungscharakteristik der Probenpulse führen. Z. B. können die Pumppulse Raman-Oszillationen in der Probe induzieren, die zeitabhängige Phasenmodulationen Φ(τ) bei den sich in der Probe ausbreitenden Probenpulsen erzeugen, vorausgesetzt, dass die Probenpulse so angepasst werden, dass sie nach den Pumppulsen ankommen. Die zeitabhängigen Phasenmodulationen Φ(τ) und das entsprechende Phasenmodulationsspektrum können analysiert werden durch das Abtasten der Probenpulse mit den Lokaloszillator-Pulsen unter Verwendung der Detektoren D1 und D2, was zu einer Messung des elektrischen Felds der Probenpulse führt. Der Absolutwert der Phasenmodulationen wird dann erhalten durch Vergleichen des Felds der Probenpulse bei angeschalteten und ausgeschalteten Pumppulsen. Von der gemessenen Phasenmodulation Φ(τ), welche durch die starken Pumppulse erzeugt wird, kann das Raman-Spektrum R(Ω) der Probe aus einer Fourier-Transformation von F[Φ(τ)] berechnet werden, wie es beschrieben wird in Schlug et al., 'Sensitive and selective detection of low-frequency vibrational modes through a phase-shifting Fourier-Transform Spectroscopy', IEEE J. Quantum Electronics, vol. 45, No. 7, S. 777–782 (2009). Es sollte bemerkt werden, dass im Gegensatz zu konventionellen Messungen des Raman-Spektrums, wie sie bei Schlug beschrieben werden, keine Variation der Zeitverzögerung zwischen den Pump- und Probenpulsen erforderlich ist, das heißt das Timing zwischen den. Pump- und Probenpulsen kann fixiert sein. Die Probenpulse sollten weiterhin hinreichend lang sein, um das Aufzeichnen von Phasenfluktuationen über einen bestimmten Zeitraum zu ermöglichen.
  • Obwohl wir die Bedeutung von Phasenmodulationen diskutiert haben, können in verschiedenen Ausführungsformen auch Absorptionsmodulationen, die durch die Pumppulse bei den Probenpulsen induziert werden, gemessen werden. Darüber hinaus kann auch die Zeitabhängigkeit der Proben-Phasenmodulation Φ(τ) als eine Funktion der Proben-Spektralfrequenz gemessen werden. Solch eine Messung wird bereitgestellt durch Einsetzen eines Etalons hoher Güte (high finesse etalon) in den Probenarm der 12, was nicht separat gezeigt wird. Das Etalon hoher Güte erlaubt den Durchgang einer bestimmten Zahl von ausgewählten Probe-Spektral-Frequenzen (Etalon-Zähne). Die Analyse der Phasenmodulation bei jedem dieser Etalon-Zähne ermöglicht somit das Messen von Phasenmodulation sowohl als eine Funktion der Zeit als auch der Spektralfrequenz Φ(τ, ω). Dies ist ein Beispiel einer zweidimensionalen spektroskopischen Messung ohne sich bewegende Teile. Solche zweidimensionalen spektralen Messungen sind sehr nützlich für die detaillierte Charakterisierung von Molekülen wie ebenfalls in Schlug et al. diskutiert wird. Z. B. erlaubt die Kenntnis von Φ(τ, ω) die Berechnung des zeitaufgelösten Raman-Spektrums R(Ω, t) über eine zweidimensionale Fourier-Transformation, wie ebenfalls von Schlug et al. diskutiert wird.
  • Andere Arten von zweidimensionaler Spektroskopie sind ebenfalls möglich. Z. B. ist eine zweidimensionale Absorptionsspektroskopie, wie sie von P. Hamm et al., in 'The twodimensional IR nonlinear spectroscopy of a cyclic penta-peptide in relation to its three-dimensional structure', Proc. Nat. Acad. Sci., 96, 2036 (1999) diskutiert wird, ebenfalls möglich mit Anrege-Abfrage-Messungen, wie sie mit Bezug auf 9, 10 und 12 diskutiert werden.
  • Z. B. kann die in 12 gezeigte Anordnung für eine zweidimensionale Absorptionsspektroskopie verwendet werden durch Einschluss eines abstimmbaren optischen Filters in die Pump-Modifizierungseinheit. Das induzierte Absorptionsspektrum eines Probenpulses kann dann als eine Funktion der Pumppuls-Frequenz gemessen werden, wie es für die zweidimensionale Absorptionsspektroskopie erforderlich ist. Eine wichtige Anforderung ist weiterhin, dass ein spektraler Überlapp existiert zwischen den Oszillator- und Probenpulsen in dem gesamten „untersuchten” spektralen Absorptionsbereich. Solch eine zweidimensionale spektroskopische Messung wird in diesem Fachgebiet als Doppelresonanzexperiment bezeichnet.
  • Obwohl wir die Probenpuls-Modifikation durch nur einen Pumppuls in einer kollinearen Anordnung diskutiert haben, kann im Prinzip eine beliebige Zahl von Pumppulsen verwendet werden und eine kollineare Anordnung zwischen Proben- und Oszillatorpulsen ist nicht erforderlich, um Probenmodifikationen mit einem Lokaloszillator-Referenzpuls bei einer CDSL-Anordnung zu beobachten. Insbesondere kann ein CDSL auch für allgemeine zweidimensionale Spektroskopie implementiert werden. Eine mögliche Konfiguration für die zweidimensionale Fouriertransformations-Spektroskopie wird in 12A gezeigt. Hier werden wieder Signal- und Oszillatorquellen verwendet, die bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten arbeiten, wie mit Bezug auf 12 diskutiert wird. Die Pulse von der Signalquelle werden mit einer Anordnung von zwei optischen Verzögerungsleitungen in eine Drei-Puls-Sequenz aufgeteilt (die nicht notwendigerweise kollinear ist, das heißt eine geometrische Konfiguration in der Form eines Vierecks (boxcar geometric configuration), wie sie im Stand der Technik wohlbekannt ist, kann verwendet werden). Solche Drei-Puls-Sequenzen für die zweidimensionale Spektroskopie wurden z. B. in R. M. Hochstrasser et al., 'Two-dimensional spectroscopy at infrared and optical frequencies', in Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 104, S. 1490 (2007) diskutiert. Hier erlaubt die erste optische Verzögerung einen anpassbaren zeitlichen Zeitabstand τ zwischen den ersten beiden Pulsen, die sog. Anpassung der Kohärenzzeit τ bei Hochstrasser. Die zweite optische Verzögerungsleitung erlaubt eine Anpassung des zeitlichen Abstands des dritten Pulses mit Bezug auf die ersten beiden Pulse, die sog. Anpassung der Wartezeit T bei Hochstrasser. Diese drei Pulse können dann einen Photonenecho-Signalpuls (photon echo signal pulse) erzeugen, welcher mit den Oszillatorpulsen optisch abgetastet wird als eine Funktion der Zeit t (die sog. Detektionszeit bei Hochstrasser) und mit den Detektoren D1 und D2 detektiert wird. Das resultierende Interferogramm in der Zeit kann dann Fourier-transformiert werden bezüglich der Variablen t und τ, um ein zweidimensionales Absorptionsspektrum zu ergeben. Statt eines einzelnen Auslesepulses 3 kann eine Sequenz von Auslesepulsen ebenfalls verwendet werden. Ebenfalls können die ersten beiden Pulse moduliert werden, um die Empfindlichkeit der Messung zu erhöhen. Zusätzlich kann die Transmission des Pulses 3 direkt gemessen werden, wenn die beiden ersten Pulse an- und ausgeschaltet werden.
  • Solche zweidimensionalen Absorptionsspektren sind hochgradig nützlich für die Analyse von komplexen Molekularstrukturen wie z. B. bei Hochstrasser diskutiert wird. Wegen der großen Verbesserung der möglichen Aufnahmegeschwindigkeiten für die zweidimensionale Spektroskopie bei der in 12A gezeigten Anordnung verglichen mit konventioneller zweidimensionaler Spektroskopie, wie sie bei Hochstrasser diskutiert wird, ist die Anrege-Ablese-Anordnung, wie sie mit Bezug auf die Beispiele der 12 und 12A diskutiert wird, weiterhin anpassbar für optische Bildgebungsanwendungen und Mikroskopie indem eine angemessene Fokussier- und optische Abtast-Anordnung vor der Probe und hinter der Probe implementiert werden. Weitere Modifizierungen der tatsächlichen Pulse wie auch ihrer räumlichen und zeitlichen Anordnung und Abfolge sowie auch die Implementierung einer größeren Zahl von Pulssequenzen sind ebenfalls möglich, was im Allgemeinen mehrdimensionale spektroskopische Messungen möglich macht.
  • In 13 wird ein CDSL gezeigt, wie es für ein FTS implementiert wird, welches bei der Reflektions- oder in der optischen Kohärenztomographie betrieben wird. Die Oszillatoren können mit zusätzlichen Dauerstrich-Lasern verbunden werden, wie es mit Bezug auf 1 beschrieben wird. Zusätzliche frequenzverbreiternde Stufen können auch implementiert werden, um den spektralen Output der Oszillatoren zu verbreitern. Der Output des Oszillators O1 wird auf die Probe gerichtet und das von der Probe reflektierte Licht wird über den Strahlteiler B1 zum Strahlteiler B2 gerichtet. Über den Strahlteiler B2 wird das von der Probe reflektierte Licht dann mit dem Output aus dem Oszillator O2 kombiniert. Das kombinierte Licht wird dann mit den Detektoren D1 und D2 detektiert. Da das Interferenzsignal, das auf die Detektoren auftrifft, mindestens in einem schmalbandigen Bereich außer Phase ist, kann eine Verbesserung der Empfindlichkeit durch die Implementierung eines dual balancierten Detektionsschemas erreicht werden, bei dem der Output der Detektoren D1 und D2 subtrahiert wird. Um eine dual balancierte Detektion über einen breitbandigen Bereich zu implementieren, wird in mindestens einer Ausführungsform eine genaue Balance der Dispersion entlang der beiden Ausbreitungswege der beiden Oszillatoren implementiert. Wenn es als ein FTS bezüglich Reflektion betrieben wird, kann sowohl die Absorptions- als auch die Phasenantwort einer Probe erhalten werden.
  • Wenn es für die optische Kohärenztomographie eingesetzt wird, wird das detektierte Signal vorzugsweise bei der fundamentalen interferometrischen Schwebungsfrequenz, das heißt der äquivalenten dopplerverschobenen Frequenz, die sich bei Reflektion von einem mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegten Spiegel ergibt, gefiltert. Für eine Differenz der Wiederholungsraten zwischen den beiden Oszillatoren von δ ist die äquivalente Doppler-Frequenz fD gegeben durch fD = (δ/frep)vo, wobei vo die mittlere optische Frequenz des Outputsignals aus den Oszillatoren ist. Bei OCT-Anwendungen ist es nicht erforderlich, die Phasenschlupffrequenz zu stabilisieren und deswegen ist ein Phasenkoppeln der Differenz bei den Wiederholungsraten zwischen den beiden Oszillatoren ausreichend. Dauerstrich-Laser können in Ausführungsformen verwendet werden, wenn eine ultrahohe Auflösung wünschenswert ist. Eine ähnliche Anordnung kann auch in Anwendungen für eine optische Abstandsmessung (optical ranging applications) verwendet werden.
  • Als ein anderes Beispiel wird in 14 ein CDSL für THz-Abstandsmessungen gezeigt. Die Anordnung ist ähnlich zu der von 13, jedoch wird ein zusätzlicher THz-Ausstrahler nach dem Oszillator O1 eingefügt. Das THz-Signal, das von der Probe reflektiert wird, wird dann über Strahlteiler B1 und B2 auf den THz-Detektor gerichtet, wobei ein Anrege-Abfrage-Detektionsschema implementiert wird, um ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Photoleitende Abstrahler oder optische Gleichrichtung bei elektro-optischen Kristallen sind wohlbekannt im Stand der Technik und können für die THz-Abstrahlung und -Detektion implementiert werden. Ebenfalls wie bei OCT-Anwendungen ist eine Stabilisierung der Differenz bei den Wiederholungsraten zwischen den beiden Oszillatoren ausreichend für das THz-Abstandsmessen.
  • Wenn die in 14 gezeigte Anordnung als ein THz-Spektrometer verwendet wird, das in Reflektion betrieben wird, kann eine photoleitende Antenne als ein THz-Detektor verwendet werden, um das Radiowellen-Schwebungssignal, das aus dem reflektierten THz-Spektrum erzeugt wird, zu überwachen. Das THz-Reflektionsspektrum und die THz-Phasenantwort können dann von einer Radiowellenanalyse des Radiowellen-Schwebungssignals abgeleitet werden, wie in der '435 diskutiert wird. Auch für THz-Anwendungen wird eine Kontrolle der Phasenschlupffrequenzen nicht benötigt, da der THz-Erzeugungsprozess automatisch die Verschiebung der Phasenschlupffrequenz (carrier envelope offset frequency shift) verschwinden lässt.
  • Das in 1 gezeigte System kann weiterhin in der THz-Spektroskopie, Mikrospektroskopie und beim optischen Abbilden verwendet werden, z. B. wie in 15 gezeigt. Hier werden die beiden Oszillatoren weiter an zwei Dauerstrich-Laser angeschlossen zur Steuerung der Differenz bei den Wiederholungsraten und Phasenschlupffrequenzen zwischen den beiden Lasern. Die beiden Oszillatoren werden kombiniert und verstärkt und zusätzliche Frequenzwandlungsabschnitte basierend auf einer Superkontinuum-Erzeugung in hochnichtlinearen Fasern oder einer Differenzfrequenz-Erzeugung wie in der '435 können implementiert werden. Das frequenzgewandelte Signal wird über einen optischen Abtaster geleitet und nachfolgend auf eine optische Probe fokussiert. Das transmittierte Signal wird dann über den Detektor D1 oder eine Anordnung in der fokalen Ebene detektiert. Der Detektor D2 wird verwendet, um ein Referenzspektrum zu erhalten. Die spektral und räumlich aufgelöste Probentransmission wird dann erhalten über das Berechnen der Fourier-Transformation des Signals aus dem Detektor D1 als eine Funktion der räumlichen Position. Die Verwendung einer Detektoranordnung in der Fokalebene hat den Vorteil, dass das Spektrum gleichzeitig an vielen Punkten gemessen werden kann, was die Zeit minimiert, die benötigt wird, um ein Bild zu erhalten.
  • Durch das Verwenden eines Detektors, um von der Probe reflektiertes Licht zu messen, können auch spektral aufgelöste Reflektionsdaten erhalten werden. Solch ein Schema wird nicht separat gezeigt.
  • Verschiedene Anwendungen von CDSLs werden im Allgemeinen kostensensibel sein und demnach kann die Verwendung von zwei Frequenzkammlasern eine Barriere sein bezüglich potentieller Produkteinführungen. Jedoch kann man die Kohärenz der erzeugten Frequenzkämme verwenden, um ein Interferogramm zwischen einem Puls und einer verzögerten Kopie mit einer zeitvariablen Verzögerung zu erzeugen, um einen Kammlaser zu eliminieren, während man noch das Aufzeichnen eines Interferogramms zwischen zwei Pulsen erlaubt. Solch eine Implementierung wird in 16 gezeigt. In diesem Beispiel wird nur ein Kammlaser O1 verwendet, wobei die Resonatorlänge dieses Oszillators bei einer hohen Frequenz moduliert wird. Der Strahlteiler B1 lenkt dann einen Teil des Pulses in eine lange optische Verzögerungsleitung ab. Nach der Ausbreitung durch die optische Verzögerungsleitung treten optisch verzögerte Pulse auf; wir bezeichnen diese Pulse als verzögerte Pulse. Die optische Verzögerungsleitung ist bequemerweise ein langes Stück Faser 160 mit einer Länge im Bereich von 10 m–mehrere 10 km oder in dem Bereich von 100 m–10 km; jedoch können auch andere optische Verzögerungsleitungen implementiert werden, wie z. B. eine Herriott-Zelle. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Länge der optischen Faser im Bereich von ungefähr 5 m bis zu ungefähr 100 m oder ähnlichen Bereichen liegen. Die zeitverzögerten Pulse interferieren beim Strahlteiler B2 mit Oszillatorpulsen, die aus O1 ohne optische Verzögerung ankommen; wir bezeichnen diese Pulse als direkte Pulse. Darüber hinaus ist wegen der schnellen Modulation der Oszillatorwiederholungsraten die Zeitverzögerung zwischen den direkten und verzögerten Pulsen zeitabhängig, was zu einer kontinuierlichen Abtastung des Pulsabstands am Strahlteiler B2 führt.
  • Im Wesentlichen erzeugt die Verzögerungsleitung einen effektiven zweiten Oszillator O2. Alle früher diskutierten Anwendungen von CDSLs sind demnach anwendbar, wenn nur ein Kammlaser mit einer zeitverzögerten Kopie, das heißt solch ein effektiver zweiter Oszillator, verwendet wird. Jedoch sind irgendwelche andere Anwendungen, bei denen eine Abtast-Verzögerungsleitung erforderlich ist, ebenfalls möglich; solche anderen Anwendungen wurden z. B. in WO 2009/000079 und dem US-Patent 5,778,016 diskutiert. Z. B. werden hier Detektoren D5 und D6 implementiert für die Messung der optischen Absorption einer Probe ähnlich zu dem, was schon mit Bezug auf 2 diskutiert wurde.
  • Die beispielhaften CDSLs, die den 5–15 entsprechen, können auch mit einem Frequenzkammlaser mit seiner zeitverzögerten Kopie für die Konstruktion eines effektiven CDSL oder allgemeiner mit einem kohärenten Abtastlasersystem (CSL) konfiguriert werden. Verstärkungsstufen und spektrale Verbreiterungsstufen können ebenfalls implementiert werden, um das optische Spektrum des implementierten Oszillators stromaufwärts des Strahlteilers B1 oder stromabwärts des Strahlteilers B2 oder irgendwo anders außerhalb des Oszillators O1 zu verbreitern.
  • In der in 16 gezeigten Implementierung wird eine optische Verzögerungsleitung mit einem Durchlauf gezeigt; gleicherweise kann eine optische Verzögerungslinie mit zweifachem Durchlauf verwendet werden in Verbindung mit einem Faraday-Rotator nach dem ersten Durchlauf, um Polarisationsfluktuation in der optischen Verzögerungsleitung zu minimieren. In diesem Fall kann ein Strahlteiler B1 auch verwendet werden, um die direkten und verzögerten Pulse interferometrisch zu kombinieren. Solch eine Konfiguration wird nicht separat gezeigt. Ebenfalls kann ein tatsächlich absorbierendes Medium in die optische Verzögerungsleitung eingesetzt werden, um die Empfindlichkeit einer Absorptionsmessung zu erhöhen. Z. B. kann ein gasförmiges Medium in eine Herriott-Zelle für die ultraempfindliche Detektion von Spurengasen eingeführt werden.
  • Für kleine Modulationen der Resonatorlänge ist der maximal erreichbare Abtastbereich der Abtastverzögerungsleitung proportional zu der Oszillator-Wiederholungsrate. Es ist demnach bevorzugt, Oszillatoren zu implementieren, die bei einer Wiederholungsrate von 100 MHz oder sogar mehr, vorzugsweise bei 500 MHz oder höher, arbeiten. Hohe Oszillatorwiederholungsraten erlauben im Allgemeinen auch höhere Abtastfrequenzen.
  • Eine Grenze ist die möglicherweise große Absorption von Silikatfasern, insbesondere für Wellenlängen > 1800 nm. Kleinere bertragungsverluste können z. B. erhalten werden, wenn photonische Kristallfasern (photonic crystal fibers) aus Silikat oder photonische Kristallfasern, die aus Fluorid- oder Chalkogenid-Fasern gemacht werden, verwendet werden oder großvolumige optische Verzögerungslinien wie eine Herriott-Zelle, eine White-Zelle oder eine andere geeignete optische Verzögerungsanordnung.
  • Eine andere Begrenzung erwächst aus der Dispersion der optischen Verzögerungsleitung. Jedoch kann ein Pulskompressor an dem Ende der optischen Verzögerungsleitung implementiert werden zur Kompensation der Dispersion. Alternativ können Fasern mit niedriger Dispersion ebenfalls verwendet werden. In gleicher Weise kann die Dispersion in der optischen Verzögerungsleitung minimiert werden, wenn eine großvolumige optische Verzögerungsleitung wie eine Herriott-Zelle, eine White-Zelle oder eine andere geeignete optische Verzögerungsanordnung implementiert wird.
  • Eine andere Begrenzung resultiert aus umweltbedingten Variationen der Länge der Verzögerungsleitung. Solche Variationen können z. B. ausgeschaltet werden durch Verwendung einer aktiven Längenstabilisierung, wie sie im Stand der Technik bekannst ist und z. B. beschrieben wird in K. Holman et al., 'Precise frequency transfer through a fiber network by use of 1.5-μm mode-locked sources', Opt. Lett., vol. 29, S. 1554–1556 (2004) und J. Kim et al., 'Long-term femtosecond timing link stabilization using a single-crystal balanced cross-correlator', Optics Letters, 32, S. 1044–1046 (2007). Im Allgemeinen führen Variationen der Verzögerungsleitungslänge zu langsamen spektralen Verschiebungen zwischen einzelnen aufgezeichneten Fouriertransformationsspektren. Demnach können diese spektralen Verschiebungen durch Kalibrierung berücksichtigt werden bei gleichzeitigem Aufzeichnen einer optischen Referenz wie z. B. eines optischen Filters.
  • Eine andere Begrenzung ist die Timing-Ungenauigkeit (timing jitter) der Oszillatorpulse, die langsame zufällige Timing-Fluktuationen zwischen den direkten und den verzögerten Pulsen erzeugt. Deswegen sind Oszillatorpulse mit niedriger Timing-Ungenauigkeit vorteilhaft für die Implementierung.
  • Jedoch können zufällige Fluktuationen in dem Interferogramm, das zwischen den direkten und den verzögerten Pulsen aufgezeichnet wird, weiter unterdrückt werden durch das Verwenden von optischen Referenziertechniken (optical referencing techniques), wie schon mit Bezug auf 1 beschrieben wurde. Wie oben diskutiert, können zwei Referenzlaser R1 und R2 verwendet werden, die gemacht sind, um über die Detektoren D1–D4 mit den Outputs der direkten und verzögerten Pulse zu interferieren, um die Differenz zwischen den. Wiederholungsraten und den Phasenschlupffrequenzen von direkten bzw. verzögerten Pulsen zu detektieren. Ein Aufzeichnen der Fluktuationen der Wiederholungsrate und der Phasenschlupffrequenz kann dann verwendet werden, um ein korrigiertes Interferogramm zu erzeugen. Eine Fouriertransformation des korrigierten Interferogramms erzeugt dann das tatsächliche Radiowellen-Spektrum, das dann verwendet werden kann, um das optische Spektrum zu berechnen.
  • Ähnlich kann, da die ungefähre Länge der optischen Verzögerungsleitung bekannt ist, Information aus den Detektoren D2 und D3 verwendet werden, um die Differenzen bei den Phasenschlupffrequenzen und Puls-Wiederholungsraten am zweiten Strahlteiler zu berechnen, da in erster Ordnung die optische Verzögerungsleitung nicht die Phasenschlupffrequenz oder die Puls-Wiederholungsrate beeinflusst. Außerdem kann die Phasenschlupffrequenz stromaufwärts von der optischen Verzögerungsleitung gemessen werden, um die Phasenschlupffrequenz am Output der optischen Verzögerungsleitung vorherzusagen.
  • Um die Interpretation des gemessenen Interferogramms zu vereinfachen, können optische SSB-Mischer ebenfalls anstelle der Detektoren D1–D4 implementiert werden, wobei zwei Paare von balancierten Detektoren (für die In-Phasen- und Quadratur-Detektion) jeden der Detektoren D1–D4 ersetzt, wie schon mit Bezug auf 1 diskutiert wurde.
  • Alternativ kann mit einer längenstabilisierten optischen Verzögerungsleitung die Differenz bezüglich der Wiederholungsrate und bezüglich der Phasenschlupffrequenz zwischen den direkten und verzögerten Pulsen separat gemessen werden ohne irgendein Referenzieren, um geeignete Korrektur- und Kalibrierungsfaktoren für die gemessenen Interferogramme zu erhalten. Als noch eine andere Alternative kann nur die Differenz bei den Phasenschlupffrequenzen (oder Wiederholungsraten) aufgezeichnet werden, während die Differenz bei den Wiederholungsraten (oder Phasenschlupffrequenzen) zwischen den Pulsen von einer anderen Messung abgeleitet werden kann.
  • Eine beispielhafte Konfiguration eines generischen kohärenten Abtastlasersystems einschließlich Modulation der Wiederholungsrate wird in 16a gezeigt. In diesem Beispiel wird eine Quelle für die Modulation der Wiederholungsrate konfiguriert. Die Modulationsfrequenz ist vorzugsweise größer als 1 Hz, sie kann größer als 10 Hz und sogar größer als 1 kHz sein, abhängig von der Anwendung. In einigen Anwendungen können auch Modulationsfrequenzen, die so niedrig wie 10 mHz (Millihertz) sind oder sogar noch niedriger, implementiert werden. Bei solch niedrigen Modulationsfrequenzen kann das optische Referenzieren, wie es mit Bezug auf 16 diskutiert wird, bequem verwendet werden, um zufällige Variationen von Wiederholungsrate und Phasenschlupffrequenz zu messen und zu korrigieren. Solche kohärenten Abtast-Verzögerungsleitungen können bei der Fouriertransformationsspektroskopie und anderen Anwendungen verwendet werden. Die Oszillatorwiederholungsraten können im Bereich von 5 MHz–10 GHz sein und in einigen Ausführungsformen einige 10 MHz oder höher. Der Oszillator ist Teil einer optischen Quelle, die weiterhin konfiguriert werden kann, um Pulspaare zu erzeugen. Diese Pulspaare können z. B. erzeugt werden durch das Verwenden einer optischen Verzögerungsleitung innerhalb der Quelle (nicht gezeigt) mit verschiedenen Ausbreitungslängen. Alternativ kann ein zweiter Oszillator zu der Quelle hinzugefügt werden, wie schon mit Bezug auf 1 diskutiert wurde. Die Wiederholungsrate des zweiten Oszillators kann näherungsweise konstant sein. Mindestens eine optische Referenz wird dann konfiguriert, um die Pulspaar-Verzögerung (die Zeitdauer zwischen den beiden Pulsen, aus denen das Pulspaar besteht) zu messen und in einigen Ausführungsformen kann sie auch verwendet werden, um die Differenz der Phasenschlupffrequenz zwischen den beiden Pulsen zu messen. Z. B. in 16 kann solch eine optische Referenz ein oder zwei Dauerstrich-Referenzlaser umfassen, obwohl irgendeine andere Art von optischer Referenz ebenfalls implementiert werden kann. Das Interferogramm, das durch die Pulspaare erzeugt wird, wird weiterhin detektiert durch mindestens einen Detektor (nicht gezeigt), abgetastet und verwendet, um ein optisches Spektrum wie bei der konventionellen Fourier-Transformationsspektroskopie zu berechnen. Die Information von der Wechselwirkung der optischen Referenz mit entweder dem Wiederholungsraten-Modulator oder dem Pulspaar oder mit beiden wird weiterverwendet für eine Analyse des Interferogramms. In einigen Konfigurationen kann die optische Referenz nur für Kalibrierungszwecke verwendet werden und die Analyse des Interferogramms kann voranschreiten ohne die fortgesetzte Verwendung der optischen Referenz.
  • 17A zeigt schematisch ein Oszillator-Design 1700 für ein kohärentes Abtastlasersystem gemäß einer Ausführungsform. Der Oszillator basiert auf einem Fabry-Perot-Resonator und umfasst eine Gain-Faser, die z. B. mit Er, Yb, Tm, Ho oder Bi dotiert ist und durch eine Pumpquelle gepumpt wird. Der Oszillator umfasst einen sättigbaren Absorber-Spiegel (SA), der an einem Ende des Resonators eingefügt ist, um ein Modenkoppeln zu starten und einen Reflektionsspiegel (M1) an dem zweiten Ende des Resonators. Dispersionskompensierende Elemente wie voluminöse Gitter-Paare (bulk grating pairs) können ebenfalls in den Resonator eingesetzt werden, z. B. vor den sättigbaren Absorber. Die Modifikation der Lichtausbreitung durch solche Gitter-Paare kann weiterhin verwendet werden für eine schnelle Steuerung der Phasenschlupffrequenz von solchen Oszillatoren. Das Pumplicht und der Oszillator (Signal-Output) werden erhalten durch den Einbau von geeigneten Faserkopplern, wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist. Die räumliche Position des Spiegels M1 und die Wiederholungsrate des Resonators kann durch das Montieren von M1 z. B. auf einen piezoelektrischen Aufnehmer (piezo-electric transducer) oder durch Verwenden eines reflektiven M(O)EMS[micro-(opto)-electromechanical system, mikro(opto)-elektromechanisches System]-Elements. Jedoch kann irgendeine andere geeignete Anordnung auch für die Modulation der Wiederholungsrate verwendet werden, z. B. kann ein akustooptischer oder elektro-optischer Modulator ebenfalls in den Resonator eingefügt werden. Außerdem kann der Referenzlaser auf den Spiegel M1 von der zum Resonator hin gelegenen Seite gerichtet werden unter Verwendung von geeigneten dichroitischen Strahlteilern, wobei verschiedene Wellenlängen für das Oszillatorsignal und den Referenzlaser gewählt werden.
  • Das Oszillatorsystem dieses Beispiels umfasst weiterhin ein Messsystem zum Messen der räumlichen Position von M1. Z. B. kann M1 mit einem zweiten stationären Spiegel M2 kombiniert werden, um einen Fabry-Perot-Referenzresonator zu konstruieren. Wenn die Reflektion eines Einzelfrequenzlasers R1 von dem Referenzresonator beobachtet wird, kann die räumliche Position des Spiegels M1 genau gemessen werden, wie es wohlbekannt im Stand der Technik ist. Alternativ kann ein Referenz-Michelson-Interferometer konstruiert werden durch Entfernen von M2 und Einfügen eines anderen unbeweglichen Spiegels, um ein Interferenzmuster am Referenz-Output zu beobachten. Solch ein Referenzsystem wird nicht separat gezeigt. Solche Referenzsysteme zum Messen der Position der Spiegel sind bekannt aus der Standard-Fouriertransformationsspektroskopie und werden hier nicht weiter diskutiert.
  • Ein Referenzoutput aus einem Referenz-Michelson-Interferometer wird als eine Funktion der Zeit in 18 gezeigt, wobei eine sinusförmige Modulation des Spiegels M1 angenommen wird. Hier wird der konstante Teil des Signals (DC part of the signal) abgezogen, was erreicht werden kann durch die Verwendung einer dual balancierten Detektion, wie sie im Stand der Technik wohlbekannt ist. Zusätzlich zu dem gezeigten beispielhaften In-Phase-Signal kann ein Quadratur-Signal, eine Signalphase, die um 90° verschoben ist, gleichzeitig gemessen werden durch Einführung eines geeigneten Phasenplättchens in einen Arm des Michelson-Interferometers. Ein beispielhaftes Quadratursignal wird auch in der 18 gezeigt. Solche Detektionsschemata sind im Stand der Technik wohlbekannt und werden z. B. in 10.4 aus 'Building Electro-Optical Systems' von P. C. D. Hobbs, John Wiley&Sons (2000) beschrieben und werden hier nicht weiter diskutiert.
  • In 17B gibt es eine alternative Konfiguration für ein Oszillatordesign 1750 für ein kohärentes CSL gemäß einer anderen Ausführungsform. Hier wird ein Fabry-Perot-Resonator, der unter Verwendung eines Faser-Bragg-Gitters als ein Resonatorspiegel und eines sättigbaren Absorber-Spiegels als zweiten Resonatorspiegel konstruiert wird, gezeigt. Solche Oszillatordesigns wurden z. B. im U.S.-Patent 7,190,705 von Fermann et al. beschrieben und werden hier nicht weiter diskutiert. In diesem Beispiel kann die räumliche Position des sättigbaren Absorber-Spiegels moduliert werden und die Position des sättigbaren Absorber-Spiegels kann gemessen werden unter Verwendung von ähnlichen Schemata, wie mit Bezug auf 17A beschrieben wurde. Andere Anordnungen für eine Resonatorlänge-Modulation, wie sie mit Bezug auf 17A diskutiert wurden, können auch implementiert werden. Andere Oszillatordesigns können auch verwendet werden. Zusätzlich können frequenzverbreiternde, pulskomprimierende und dispersionskompensierende Stufen nach dem Oszillator-Output implementiert werden, wie z. B. mit Bezug auf die 1 und 16 und in '435 diskutiert wird. Solch eine frequenzverbreiternde Stufe kann z. B. ebenfalls einen synchron gepumpten optischen parametrischen Oszillator (OPO) umfassen. Wenn ein CSL verwendet wird, kann die Resonatorlänge des OPOs synchron mit der Wiederholungsrate des (Input-)Oszillators moduliert werden. Wie mit Bezug auf 7 diskutiert wird, kann solch ein OPO auch eine Gaszelle für empfindliche Gasmessungen umfassen.
  • 19 zeigt eine andere beispielhafte Konfiguration eines FTS, das auf Oszillator-Designs basiert, wie sie mit Bezug auf die 17A und 17B diskutiert werden. Andere Oszillator-Designs können auch verwendet werden. Zusätzlich können frequenzverbreiternde (über einen OPO), pulskomprimierende und dispersionskompensierende Stufen nach dem Oszillatoroutput implementiert werden, wie mit Bezug auf 1 und 16 diskutiert wurde. Ein FTS untersucht eine physikalische Eigenschaft der Probe unter Verwendung von spektraler Information der Emissionseinhüllenden des CSL. Hier wird eine optische Verzögerungsleitung, die eine Zeitverzögerung Td erzeugt, eingeschlossen, welche zwei zeitverzögerte Pulse am Strahlteiler B2 erzeugt.
  • Für eine sinusförmige Spiegel-Modulation bei einer Frequenz fM = 1/TM
    Figure 00460001
    und weiterhin annehmend TM = 2Td, wobei Td die Ausbreitungszeit durch die optische Verzögerungsleitung ist, erhalten wir eine räumliche Pulsverzögerung beim Strahlteiler B2 als eine Funktion der Zeit, die ungefähr gegeben ist durch
    Figure 00460002
    wobei TL die Umlaufzeit des Oszillators ist. Demnach wird jede Bewegung des Resonatorspiegels durch einen Faktor (2/π)TD/TL verstärkt. In diesem Fall sind die Spiegel-Modulation und die erzeugte Zeitverzögerung zwischen den beiden Pulsen 90° außer Phase. Hier wurde angenommen, dass x(t) = 0, das heißt die Pulse überlappen perfekt in Zeit und Phase am Strahlteiler B2.
  • Wie in der traditionellen Fourier-Transformationsspektroskopie bekannt ist, ist ein gleichmäßiges Abtasten des Interferogramms bevorzugt, um spektrale Information aus einem Interferogramm zu erhalten. Ein gleichförmiges Abtasten bedeutet, dass die Zeitverzögerung zwischen den beiden interferierenden Signalen sich um einen konstanten Faktor zwischen zwei Abtastpunkten erhöht. In der konventionellen Fourier-Transformationsspektroskopie wird dies manchmal als Abtasten bei äquidistanten optischen Weglängendifferenzen bezeichnet. In Ausführungsformen von CSLs, die sinusförmige Spiegel-Modulation verwenden, trifft dieses Kriterium nicht zu.
  • Jedoch kann in einer CSL-Konfiguration, die sinusförmige oder andere ähnliche Funktionen verwendet, eine gleichmäßige Zeitverzögerung zwischen den beiden Pulsen beim Strahlteiler B2 erhalten werden durch die Implementierung eines nicht gleichmäßigen Abtastgitters, um die Modulation zu kompensieren. Solch ein nicht gleichmäßiges Abtastgitter kann z. B. aus dem Referenz-Interferogramm erhalten werden, welches beim Referenz-Output der Oszillatoren von 17A und 17B erhalten wird. Für sinusförmige Variationen der Spiegelposition erzeugt das Referenz-Interferogramm einen Output cos(x(t) + φ), wobei x(t) zeitabhängig ist und φ eine Phasenverschiebung ist, die durch die Position des unbeweglichen Spiegels in dem Referenz-Interferometer bestimmt wird. Durch Messen der In-Phase- und Quadratur-Phasen-Outputs kann tan(x(t) + φ) berechnet werden und x(t) + φ geschätzt werden; darüber hinaus nehmen wir der Einfachheit halber an, dass der unbewegliche Spiegel so angepasst wird, dass φ = o; alternativ kann φ aufgezeichnet und kompensiert werden. Eine exemplarische Funktion tan(x(t) + φ), die aus beispielhaften In-Phasen- und Quadratur-Signalen erhalten wird, wird in 18 ebenfalls gezeigt. Die Pulsverzögerung beim Strahlteiler B2 kann dann erhalten werden, was die Berechnung eines geeigneten Abtast-Gitters mit der Anforderung von gleichmäßigen Inkrementen der Pulsverzögerung zwischen den Abtastpunkten erlaubt. Irgendein anderes geeignetes Verfahren zum Erhalten eines gleichmäßigen Abtastgitters kann ebenfalls implementiert werden. Einige Beispiele von Verfahren für ein Abtasten mit äquidistanter optischer Weglänge wurden z. B. in S. A. Roy et al., 'Hybrid sampling approach for imaging Fourier-transform spectrometry', Applied Optics, vol. 46, S. 8482–8487 (2007) beschrieben.
  • Für den Fall TM = 2Td, wenn die Spiegelposition nahe o ist, sind die bevorzugten Abtastpunkte weit auseinanderliegend, wohingegen ein kleiner Abstand der Abtastpunkte erforderlich ist, wenn die Spiegelposition am Ende des Modulationsbereichs ist. Optimale Abtastpunkte als eine Funktion der Zeit für die beispielhaften In-Phase- und Quadratur-Signale und ihr Verhältnis werden durch die Symbole in 18 dargestellt.
  • In einigen Implementierungen, z. B. wenn schnell modulierte Spiegel, ein MEMS- oder MOEMS-Element verwendet werden oder wenn elektrooptische Resonatorlängenmodulation verwendet wird, können die Variationen der Spiegelposition, die mit einem bestimmten angelegten Modulationssignal erreicht werden, einmal kalibriert werden, um ein Abtastgitter zu erzeugen, das dann wiederholt für ein genaues Abtasten der Interferogramme, welche zwischen zwei Pulsen erzeugt werden, verwendet werden kann. Demnach ist ein kontinuierliches Überwachen der Variationen von Wiederholungsrate und der Einhüllenden der Trägerwelle (carrier envelope) der Pulse nicht erforderlich. In einigen Ausführungsformen können solche Variationen einmal gemessen werden (oder bei bestimmten Zeitintervallen) und für die Interpretation von vielen nachfolgend aufgenommenen Interferogrammen verwendet werden. Dies reduziert die erforderlichen Signalverarbeitungszeiten deutlich. Ebenfalls kann die Genauigkeit der erhaltenen Variationen der Spiegelposition überprüft und kalibriert werden durch die Verwendung von Proben mit bekannten Absorptionslinien oder Transmissions- oder Reflektionseigenschaften.
  • Ein besonders einfaches Verfahren zum Erhalten eines gleichmäßigen Abtastgitters besteht darin, das Quellenspektrum mit einem schmalbandigen optischen Bandpassfilter zu filtern. Solches Filtern kann durchgeführt werden nach dem Ausbreiten durch die optische Verzögerungsleitung und dem Rekombinieren bei einem optischen Strahlteiler, z. B. wie in 16 dargestellt wird. Die Phase der optischen Schwebungsfrequenz, die durch den schmalbandigen optischen Bandpassfilter gemessen wird, ist direkt proportional zu der optischen Weglängendifferenz zwischen den beiden interferierenden Pulsen. Die optische Schwebungsfrequenz kann demnach elektronisch abgetastet werden und ein digitales Abtastgerät kann direkt getriggert werden, wann immer die sinusförmige Wellenform, die durch die optische Schwebungsfrequenz erzeugt wird, durch Null hindurchläuft. Solche Schemata zum Erhalten eines gleichmäßigen Abtastgitters sind auch aus der konventionellen Fourier-Transformationsspektroskopie bekannt. Darüber hinaus kann der schmalbandige optische Bandpassfilter auch zur absoluten Frequenzkalibrierung der aufgezeichneten Interferogramme dienen. Zusätzliche Verschiebungen in der Zeitverzögerung zwischen den Pulsen können auch auftreten wegen durch Temperatur induzierter und akustisch induzierter Verzögerungsmodifikationen. Im Prinzip kann die Länge der optischen Verzögerungsleitung stabilisiert werden mit bekannten Techniken wie mit Bezug auf 16 und in K. Holman, D. Hudson, J. Ye and D. J. Jones., Opt. Lett., vol. 30, S. 1225–1227 (2005) disktuiert wird. Die Faserlängenstabilisierung, wie sie in Holman et al. diskutiert wird, beinhaltet einen Vergleich des Pulszuges vor und nach der Übertragung durch die optische Verzögerungsleitung unter Verwendung von zwei Detektoren. Ein geeignetes Mischen der Detektorsignale erlaubt die Messung von Phasenfluktuationen zwischen den Detektoren; das detektierte Phasenrauschen wird dann an Faserlängenmodulatoren für eine aktive Faserlängenstabilisierung rückgekoppelt. Alternativ kann ein zweiter Referenzlaser (Referenzlaser 2), wie er in 19 gezeigt wird, in das unbalancierte Mach-Zehnder-Interferometer über B1 angekoppelt werden und Weglängenvariationen können aufgezeichnet und kompensiert werden über das Beobachten eines Interferenzsignals des zweiten Referenzlasers am Strahlteiler B2 durch den Detektor D4. Irgendeine andere Art eines Längenstabilisierers zum Aufzeichnen der Weglängenvariation der optischen Verzögerungsleitung kann ebenfalls implementiert werden. In erster Ordnung beeinflusst die Modulation des am Resonator angebrachten Spiegels nicht die Phasenschlupffrequenz des Lasers, was die Implementierung von solchen Resonatorlänge-Modulationsschemata in kohärenten Abtast-Verzögerungsleitungen (coherent scanning delay lines) erleichtert.
  • Zusätzlich zur Verwendung von Referenzlasern, wie es hier für die Erzeugung eines optimalen Abtastgitters beschrieben wird, kann weiterhin ein f-2f-Interferometer eingeschlossen werden, um mögliche Fluktuationen der Phasenschlupffrequenz während der Spiegelfluktuation zu messen und zu korrigieren. Darüber hinaus werden in '859 verschiedene Techniken und Rückkopplungssysteme zum Kontrollieren von Fluktuationen der Phasenschlupffrequenz diskutiert.
  • Ebenfalls kann, wie mit Bezug auf 1, 16 und '435 erklärt wurde, zusätzlich die Schwebung des modengekoppelten Lasers mit zwei Referenzlasern implementiert werden, um Fluktuationen der Phasenschlupffrequenz und der Zeitverzögerung nach dem Strahlteiler B2 zu messen und zu kompensieren. Diese Referenzlaser können konfiguriert werden, um mit den Laserpulsen entweder vor oder nach der optischen Verzögerungsleitung oder beides zu interferieren und können auch konfiguriert werden, um mit den Laserpulsen nach dem Strahlteiler B2 zu interferieren. Zusätzlich kann das Interferogramm, das am Strahlteiler B2 erhalten wird, mit zwei schmalbandigen Filtern wie z. B. Faser-Gittern gefiltert werden, um Fluktuationen der Phasenschlupffrequenz und der Zeitverzögerung zu messen und zu kompensieren. Optische Referenzfilter können ebenfalls vor oder nach der optischen Verzögerungsleitung oder beides eingeführt werden. Optisches Referenzieren mit optischen Filtern wurde diskutiert in Giacarri et al., 'Referencing of the beating spectra of frequency combs' (Internationale Patentanmeldung, Veröffentlichung WO 2009/000079 ) und wird hier nicht weiter beschrieben.
  • Zusätzlich zur Verwendung eines Einzellaser-CSL kann eine kohärente Abtastverzögerungsleitung (CDSL) mit dualen Lasern (a dual laser coherent scanning delay line (CDSL)) ebenso für ein Präzisions-FTS implementiert werden, wie in 20 gezeigt wird. Solche CDSLs wurden auch mit Bezug auf 1 diskutiert. Um die Leistung von solchen CDSLs zu optimieren, ist es oft wünschenswert, die Wiederholungsraten des einen Lasers gegenüber dem anderen zu modulieren oder zu verwackeln (dithering), wie z. B. in den US-Patenten 5,778,016 und 6,393,856 von G. Sucha et al. diskutiert wird. Bei sinusförmiger Modulation der Resonatorlänge gelten dieselben Überlegungen für eine optimale Abtastpunkt-Verteilung wie für ein CSL.
  • Optisches Referenzieren, wie es mit Bezug auf 1 diskutiert wurde, kann dann implementiert werden, um die Modulationen der Wiederholungsrate und der Phasenschlupffrequenz der beiden modengekoppelten Laser zu verfolgen. Alternativ können externe Referenzlaser implementiert werden, wie sie mit Bezug auf 16 diskutiert wurden. Ein CDSL einschließlich Verwackeln der Wiederholungsrate (repetition rate dithering) und optischem Referenzieren wird in 20 gezeigt. Hier wird O1 mit einem modulierten Resonatorspiegel konstruiert, wohingegen O2 mit einem festen Resonatorspiegel konstruiert wird. Für schnelle Modulationsraten können zufällige Fluktuationen der Laserwiederholungsrate und der Phasenschlupffrequenz vernachlässigt werden, was bedeutet, dass die Variationen in der relativen Pulsverzögerung am Strahlteiler B3 von einer Messung der Spiegelposition abgeleitet werden kann. Die Modulation der Laserwiederholungsraten und die Fluktuationen der Phasenschlupffrequenz kann weiterhin verfolgt und kompensiert werden mit der Implementierung von Dauerstrich-Referenzlasern und/oder schmalbandigen Bandpassfiltern, wie es mit Bezug auf 19 und mit Bezug auf 1 diskutiert wird.
  • Wenn das Verwackeln der Wiederholungsrate implementiert wird, ist es vorteilhaft sicherzustellen, dass die Zeitverzögerung zwischen den Pulsen um denselben Bezugspunkt wackelt. Die Zeitintervalle zwischen pulskreuzenden Ereignissen werden ungefähr konstant gehalten werden.
  • 19A zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Rückfuhrkreises, der für das Zentrieren des Punkts mit Verzögerung Null während des Verwackelns der Wiederholungsrate verwendet wird. Die einzelnen Signale werden in 19B schematisch gezeigt. Die Verzögerung zwischen O1 und O2 während des Verwackelns der Wiederholungsrate wird in 19B, Kurve A als eine Funktion per Zeit gezeigt. In dem dargestellten Beispiel ist die Abtastung nicht symmetrisch zum Punkt mit Verzögerung Null, der durch die gestrichelte Horizontallinie angezeigt wird. An allen Punkten mit Verzögerung Null wird ein Interferogramm detektiert (19B, Kurve B), das in einem Einhüllenden-Detektor (19B, Kurve C) weiterverarbeitet wird. Ein Trigger-Schaltkreis detektiert alle Überquerungen der Einhüllenden mit positiver Flanke für ein eingestelltes Trigger-Niveau (19B, Kurve C). Diese Trigger-Ereignisse ändern den Zustand eines Flipflops (19B, Kurve D). Der Output Q wie auch der invertierte Output Q des Flipflops werden tiefpassgefiltert und verglichen, was ein Fehlersignal erzeugt. Dieses Fehlersignal kann verwendet werden, um den Arbeitszyklus des Verwackelns zu verändern, was einen Oszillator, z. B. O1, mit Bezug auf den anderen (O2) vorschiebt und deswegen den Verwackelungsbereich mit Bezug auf die Verzögerung Null zentriert. Wenn der Verwackelungsbereich zentriert ist, ist das Fehlersignal Null. Es gibt eine Vorzeichen-Doppeldeutigkeit in dem Rückkopplungssignal, die aufgelöst werden kann durch Ändern des Vorzeichens, wenn die Größe des Fehlersignals nach dem Schließen der Schleife nicht abnimmt. In verschiedenen Ausführungsformen können andere Techniken für die Stabilisierung der Zeitintervalle zwischen den pulskreuzenden Ereignissen implementiert werden. Einige Techniken für die Stabilisierung dieser Zeitintervalle wurden z. B. im US-Patent 6,396,836 diskutiert.
  • Wenn die frequenzverbreitenden Stufen in verschiedenen Ausführungsformen von CSLs und CDSLs implementiert werden, sollten nichtlineare Wechselwirkungen zwischen den beiden interferierenden Pulsen beachtet werden. Eine Art, um nichtlineare Wechselwirkungen zu vermeiden, wurde schon in der '436 diskutiert, in der Frequenz-Verbreiterung von zwei zeitverzögerten Pulsen beschrieben wurde, welche nachfolgend in der Zeit mit einem unbalancierten Mach-Zehnder-Interferometer überlappt werden; solch ein Schema ist hier nicht separat gezeigt. Dasselbe Prinzip ist auch auf CSL und CDSLs anwendbar, die eine Modulation der Wiederholungsrate umfassen. Alternativ können die beiden Pulse zeitverzögert sein und entlang von zwei verschiedenen Polarisationssachen in der Frequenzverbreiterungsstufe ausgebreitet werden und durch die Einführung einer polarisationsabhängigen Gruppenverzögerung später rekombiniert werden. Irgendwelche anderen Verfahren für die Einführung und Kompensation einer Gruppenverzögerung zwischen den beiden interferierenden Pulsen können implementiert werden.
  • Wieder bezugnehmend auf 19 können bei der Implementierung eines CSL nichtlineare Frequenzverbreiterungsstufen bequem eingeführt werden, bevor die Pulse am Strahlteiler B1 geteilt werden. Demnach werden nichtlineare Wechselwirkungen zwischen den interferierenden Pulsen vermieden. In verschiedenen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, eine optische Verzögerungsleitung mit niedriger Dispersion zu verwenden wie eine Herriot-Zelle, wie es oben z. B. mit Bezug auf 16 diskutiert wurde. um bezüglich der Zeit variierende Verzögerungen des optischen Wegs zu erzeugen. Wenn Differenzfrequenz-Mischen in den nichtlinearen Frequenzverbreiterungsstufen implementiert wird, kann die Phasenschlupffrequenz auf Null gesetzt werden, was die Interpretation der gemessenen Interferogramme stark vereinfacht.
  • CSLs und CDSLs können in vielen verschiedenen Anwendungen verwendet werden, welche Anrege-Abfrage-Spektroskopie, optische Kohärenz-Tomographie (optical coherence tomography, OCT), LIDAR und optisches Abtasten und irgendwelche anderen Anwendungen umfassen, die zwei Pulse mit einer variablen Zeitverzögerung erfordern, wie z. B. in G. Sucha et al., US-Patent 5,778,016 beschrieben wird.
  • Als eine Alternative zu Modulationen der Laser-Wiederholungsrate kann die Signalaufnahmerate auch vergrößert werden durch die Implementierung einer Wiederholungsraten-Multiplikation über die Verwendung von Verstärkungsresonatoren. Ein Beispiel eines Verstärkungsresonators wurde mit Bezug auf 7 diskutiert. Ein beispielhaftes Systemdesign einschließlich Wiederholungsraten-Multiplikation wird in 21 gezeigt. Wiederholungsraten-Multiplikation, die Verstärkungsresonatoren verwendet, wurde z. B. von T. Sizer in 'Increase in laser repetition rate by spectral selection', IEEE J. Quantum Electronics, vol. 25, S. 97–103 (1989) diskutiert, und die Anwendung von solchen Resonatoren bei einem FTS wurde auch hier mit Bezug auf 7 diskutiert, wo geeignete Verfahren zur Stabilisierung der Phasenschlupffrequenzen und Wiederholungsraten von beiden Oszillatoren ebenfalls diskutiert wurden. In 21 wird die Umlaufzeit des Verstärkungsresonators Tc, welcher durch die Spiegel M1 und M2 begrenzt ist, so ausgewählt, dass sie ein Bruchteil der Umlaufzeit TO1 des Oszillators O1 ist, wobei TO1 = N × T. Wie mit Bezug auf 7 und auch in der US-Patentanmeldung Nr. 11/546,998 diskutiert wird, kann eine geeignete Phasensteuerung und Wiederholungsratensteuerung beim Oszillator O1 implementiert werden, um seine Phase und Wiederholungsrate an den Verstärkungsresonator anzupassen.
  • Hier wird ein Fabry-Perot-Verstärkungsresonator gezeigt, aber irgendein anderes Resonator-Design kann ebenfalls implementiert werden. Außerdem können Frequenzverbreiterungs- und Pulskompressionsstufen stromabwärts des Oszillators implementiert werden. Der Resonator ehöht effektiv die Wiederholungsrate des Oszillators O1, was in einer Puls-Wiederholungsrate von 1/Tc resultiert. Demnach wird die mögliche Signalaufnahmerate von Interferogrammen, die mit dem balancierten Detektoren D1 und D2 detektiert werden, um einen Faktor To1/Tc erhöht im Vergleich zu dem Fall ohne einen Verstärkungsresonator. Obwohl hier die Wiederholungsraten-Multiplikation nur für einen Oszillator gezeigt wird, kann ins Prinzip die Wiederholungsraten-Multiplikation für beide Oszillatoren unter Verwendung von z. B. zwei Verstärkungsresonatoren implementiert werden.
  • Ein CDSL, das für die Messung von stimulierten Emissionsspektren konfiguriert ist, wurde mit Bezug auf 12 diskutiert. Eine alternative Konfiguration eines CDSL, welches Wiederholungsraten-Multiplikation umfasst, wird in 22 gezeigt. Hier erzeugen die Oszillatoren O1 und O2 breitbandige Pulse, die einen signifikanten Anteil einer Oktave aufspannen können. Die breitbandigen Pulse können weiterhin verstärkt und spektral verbreitert werden (nicht gezeigt). Die Oszillatoren werden konfiguriert, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten und die Phasenschlupffrequenz von beiden Oszillatoren kann außerdem gesteuert werden. In diesem Beispiel wird der Output der beiden Oszillatoren O1 und O2 über Strahlteiler B1 und B2 auf den Detektor D1 geleitet, um ein Referenzspektrum zu erzeugen. Im Folgenden bezeichnen wir die ungefilterten Pulse aus dem Oszillator O2 als Testpulse. Ein Teil des Testpuls-Outputs des Oszillators O2 wird weiterhin durch einen schmalbandigen Bandpassfilter F1 geleitet, um Pumppulse zu erzeugen. Die Pumppulse können weiterhin verstärkt werden, was nicht separat gezeigt wird. Die Wiederholungsrate der Testpulse aus O2 wird dann durch den gezeigten Resonator multipliziert, wobei bequemerweise ein Multiplikationsfaktor von 2 ausreichend ist. Wiederholungsraten-Multiplikation kann auch vor dem Frequenzverbreitern auftreten. Die Pumppulse aus O2 und die Testpulse aufs O2 werden weiterhin mit dem Strahlteiler 4 kombiniert und über ein Mikroskopobjektiv auf den Testkörper gerichtet, wobei der zeitliche Überlapp auf dem Testkörper gewährleistet ist. Ein Notch-Filter F2 filtert dann die schmalbandigen Pumppulse, die von einem anderen Mikroskopobjektiv gesammelt werden, heraus, sodass breitbandige Testpulse zum Detektor D2 übertragen werden, wo sie auch über den Strahlteiler B5 mit dem Output vom Oszillator O1 kombiniert werden. Für starke Pumppulse führt die Emission von stimulierter Ramanstreuung zu einer Verstärkung (oder Abschwächung) von bestimmten Spektralbanden innerhalb der Testpulse. Eine räumlich aufgelöste Information wird erzeugt durch das Ändern der Position des Testkörpers innerhalb der beiden Mikroskopobjektive.
  • In 22 wird eine Anordnung für Transmissionsmessungen gezeigt. Eine ähnliche Anordnung kann bei Modifikationen des optischen Systems auch für Reflektionsmessungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können sowohl Reflektions- als auch Transmissionsmessungen erhalten werden. Beide Oszillatoren können weiterhin durch denselben Pumplaser gepumpt werden zur Rauschreduzierung, und verbesserte Signal-Rausch-Verhältnisse können durch die Implementierung von dual balancierten Detektionsschemata erhalten werden.
  • Die Verwendung des Verstärkungsresonators verdoppelt effektiv die mögliche Signalaufnahmerate, da nur jeder zweite Testpuls durch die Pumppulse gestört wird. Durch Abziehen der Testpulsspektren, die mit an- und abgeschalteten Pumppulsen detektiert werden, kann eine genaue Messung des Spektrums der stimulierten Raman-Emission direkt erhalten werden.
  • Obwohl wir mit Bezug auf 22 eine Probenpuls-Modifikation (probe pulse modification) durch nur einen Pumppuls in einer kollinearen Anordnung diskutierten, kann im Prinzip irgendeine Anzahl von Pumppulsen verwendet werden und eine kollineare Anordnung zwischen Pump- und Oszillatorpulsen ist nicht erforderlich, um Proben-Modifikationen mit einem Lokaloszillator-Referenzpuls in einer CDSL- oder einer CSL-Anordnung zu beobachten. Insbesondere kann ein CSL auch für eine allgemeine zweidimensionale Spektroskopie implementiert werden. Eine mögliche Konfiguration für zweidimensionale Fouriertransformationsspektroskopie, die auf einem CSL basiert, wird in 23 gezeigt. Hier kann ein Oszillator, wie er mit Bezug auf 17A oder 17B beschrieben wird, oder irgendein anderer modengekoppelter Oszillator mit einer modulierten Wiederholungsrate implementiert werden.
  • Die Pulse aus dem Oszillator oder allgemein aus der Signalquelle werden mit einer Anordnung von zwei optischen Verzögerungsleitungen DL1 und DL2 in eine Drei-Puls-Sequenz aufgeteilt (die nicht notwendigerweise kollinear ist, d. h. eine Viereck(boxcar)-Geometriekonfiguration, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, kann ebenfalls implementiert werden). Um die Verzögerung zwischen diesen Pulsen zu fixieren, werden die Pulse aus einem Oszillatorpuls erzeugt. Solche Drei-Puls-Sequenzen für die zweidimensionale Spektroskopie wurden mit Bezug auf 12A diskutiert. Hier erlaubt die erste optische Verzögerung einen anpassbaren Zeitabstand τ zwischen den ersten beiden Pulsen, die sogenannte Kohärenzzeit-Anpassung τ bei Hochstrasser. Die zweite optische Verzögerungsleitung erlaubt eine Anpassung des Zeitabstandes des dritten Pulses mit Bezug auf die beiden ersten Pulse, die sogenannte Wartezeit-Anpassung T bei Hochstrasser. Diese drei Pulse können dann einen Photonecho-Signalpuls (photon echo signal pulse) erzeugen, der mit den durch die Verzögerungsleitung DL3 verzögerten Oszillatorpulsen als eine Funktion der Zeit t (der sogenannten Detektionszeit t bei Hochstrasser) optisch abgetastet wird und mit den Detektoren D1 und D2 detektiert wird.
  • Die Verzögerungsleitung DL3 ist konfiguriert, um einen Puls 4 zu erzeugen, der konfiguriert ist, um mit Pulsen 1–3 nach einer Zeit, die mindestens einigen Oszillatorumlaufzeiten entspricht, zu interferieren, um eine bezüglich der Zeit variable Pulsverzögerung zu erzeugen. Im Prinzip können beliebige andere Verzögerungsleitungen in solch einer Weise konfiguriert werden, was die Erzeugung von zeitabhängigen Pulsverzögerungen zwischen Pulsen 1–3 ohne sich bewegende Teile erlaubt.
  • Das resultierende Interferogramm in der Zeit, welches mit den Verzögerungsleitungen erzeugt werden kann, kann bezüglich der Variablen t und τ fouriertransformiert werden, um zweidimensionale Absorptionsspektren zu erhalten. Statt eines einzelnen Auslesepulses 3 kann auch eine Folge von Auslesepulsen implementiert werden. Ebenfalls können die ersten beiden Pulse moduliert werden, um die Empfindlichkeit der Messung zu erhöhen. Zusätzlich kann die Transmission des Pulses 3 direkt gemessen werden, wobei die ersten beide Pulse an und aus sind.
  • Solche zweidimensionalen Absorptionsspektren sind sehr nützlich für die Analyse von komplexen molekularen Strukturen, wie zum Beispiel bei Hochstrasser diskutiert wird. Wegen der großen Verbesserung bei den Aufnahmegeschwindigkeiten, die für die zweidimensionale Spektroskopie mit der in 23 gezeigten Anordnung möglich ist im Vergleich mit konventioneller zweidimensionaler Spektroskopie, wie sie bei Hochstrasser diskutiert wird, ist die Anrege-Abfrage-Anordnung (pump probe arrangement), wie sie mit Bezug auf die Beispiele der 23 diskutiert wird, weiterhin anpassbar auf optische Abbildungsanwendungen und Mikroskopie, indem geeignete Fokussier- und optische Abtastanordnungen vor der Probe und hinter der Probe implementiert werden. Weitere Modifikationen der tatsächlichen Pulse wie auch ihrer räumlichen und zeitlichen Anordnung und Abfolge sowie auch die Implementierung einer größeren Anzahl von Pulssequenzen sind auch möglich, was allgemeine multidimensionale spektroskopische Messungen erlaubt.
  • Zum Beispiel wurde ein CSL einschließlich optischem Referenzieren von den Erfindern konstruiert. Ein Design-Beispiel wird in 24 gezeigt. Hier wurde der Kammlaser konstruiert, wie er in 17A gezeigt wird, mit einigen unten diskutierten Abweichungen. Zuerst wurde ein separater Referenzlaser R1 nicht verwendet, und stattdessen wurde ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) zum optischen Referenzieren verwendet und stromabwärts des Kammlasers angeordnet. Das Spiegelpaar M1–M2 der 17A wurde durch einen einzigen sich bewegenden Spiegel innerhalb des Resonators ersetzt, der in 24 bei den Grenzen seines Bewegungsbereichs (als Pfeil dargestellt) gezeigt wird. Ebenso wurde eine mit Yb hochdotierte Gain-Faser mit einer Länge von 6 cm verwendet und mit einer 980 nm Laserdiode gepumpt. Zusätzlich wurden. dispersionskompensierende Elemente (nicht gezeigt) vor dem SA innerhalb des Oszillators eingesetzt, der 17A entspricht. In diesem Beispiel umfasste das dispersionskompensierende Element zwei voluminöse (bulk) Transmissionsgitter mit einer Gitterstrichzahl von 600 Linien/mm. Die Anordnung von Gain-Faser, Pumpe, Isolator und die Strahlführungs-Optik waren ansonsten wie in 17A schematisch dargestellt.
  • Das Faser-Bragg-Gitter wird in 24 als FBG gezeigt und ist mit dem Zirkulator (circulator) C verbunden Der Output aus der festen Verzögerungsleitung wird in den Zirkulator gekoppelt und dann aus dem FBG reflektiert und mit dem Detektor D detektiert. Der Laser erzeugte Pulse mit ungefähr 100 fs und mit einer spektralen Bandbreite von 20 nm, wenn der Laser nahe dem Punkt mit verschwindender Dispersion mit einer Output-Leistung von 10 mW bei einer Wiederholungsrate von 60 MHz arbeitet. Die zentrale Wellenlänge war 1030 nm. Der innerhalb des Resonators sich bewegende Spiegel war auf einem piezoelektrischen Aufnehmer (PZT) befestigt, der einen absoluten Bewegungsbereich von ungefähr 10 μm hat, obwohl hier nur ein Bewegungsbereich von 1,25 μm bei einer Modulationsfrequenz von 1 kHz benutzt wurde. Der sich bewegende Spiegel wird schematisch in 24 durch zwei Rechtecke und einen Pfeil darunter dargestellt. Die dargestellte Umrandung der beiden Rechtecke enthält all die Komponenten aus der 17A, mit den oben diskutierten Abweichungen. Die Modulationen der Resonatorlänge wurden 8-fach erhöht zu einer Gesamtmodulation der Resonatorlänge von ± 5 μm durch optisches Falten (optical folding) unter Verwendung des sich bewegenden Spiegels M1 wie auch zweier unbeweglicher Spiegel (nicht gezeigt). Die optische Verzögerungsleitung hatte eine Länge von ungefähr 260 m, und demnach erhöhte die Weglängen-Modulation die möglichen Pulsabstände um ungefähr einen Faktor 50 im Vergleich zu den Resonatorlänge-Modulationen. Demnach war die maximal erreichbare Pulsverzögerung beim Faser-Bragg-Gitter ungefähr 0,25 mm. Die Dispersion in der optischen Verzögerungsleitung wurde ferner mit einem Faser-Bragg-Gitter kompensiert, obwohl die Dispersionskompensation der optischen Verzögerungsleitung nicht absolut notwendig ist.
  • Das Interferogramm, das mit dem Detektor D über ein optisches Abtastgerät aufgenommen wird, wird in 25 gezeigt. Der Beginn des Interferogramms fällt mit dem Umkehrpunkt des PZT zusammen. Die Amplitude des Interferogramms ist am Beginn niedriger wegen der Anwesenheit eines Tiefpass-Radiowellen-Filters (low pass RF filter). Jegliche Amplitudenmodulation, die während der PZT-Schwingung aus einer Kippbewegung weg von der linearen Achse resultieren kann, muss minimiert werden. Solche Amplitudenmodulationen können Relaxationsschwingungen in dem Oszillator induzieren und führen zu großen Variationen der Phasenschlupffrequenz. Für das Aufzeichnen eines tatsächlichen Interferogramms können die Nullpunkt-Durchgänge des abgebildeten Referenz-Interferogramms verwendet werden, um ein tatsächliches Abtastgerät zu triggern. Eine Frequenzverdopplung der Referenzpulse kann weiterhin implementiert werden, um die Genauigkeit der Abtastpunkte zu erhöhen.
  • Die Fouriertransformierte, die aus dem Interferogramm erhalten wird, wird in 26 gezeigt. Hier korrespondiert das breite Spektrum zu der Fourier-Transformierten des unkorrigierten Interferogramms, während das schmalbandige Spektrum zu der Fourier-Transformierten des Interferogramms korrespondiert, welches für äquidistante optische Weglängendifferenzen zwischen Abtastpunkten korrigiert wurde. Die Bandbreite der Fouriertransformationskorrektur korrespondiert zu 1/500 stel der zentralen Frequenz (4 MHz), wie es von der Aufnahme von 500 Streifen bei 1 μm erwartet wird. Bei der optischen Frequenz entspricht diese Auflösung demnach 20 cm–1 oder ungefähr 2 nm. Es wurde außerdem verifiziert, dass eine Kalibrierung einer Spiegelbewegung, die mit einem Interferogramm erhalten wurde, für die Korrektur von anderem Interferogrammen verwendet werden konnte. Dies hat seinen Grund in der hohen Frequenz der Oszillation des PZT, die zu einer vorzugsweise sinusförmigen Anregung von mechanischen Schwingungen in dem PZT führt mit nur 2 oder 3 höheren Harmonischen mit deutlich kleinerer Amplitude, die hochgradig reproduzierbar von Schwingungsdauer zu Schwingungsdauer sind. Mit modernen PZT-Stufen können Resonatorlänge-Modulationen von bis zu 20 μm bei Schwingungsfrequenzen von bis zu einigen kHz erwartet werden. Mit modernen elektromechanischen Schwingspulen des Standes der Technik sind Spiegelbewegungen mit 100 μm Bewegungsbereich bei kHz-Wiederholungsraten möglich, während MEMS-Spiegel einen Bewegungsbereich von bis zu 1 mm bei 1 kHz erreichen können. Mit modengekoppelten Oszillatoren, die bei einer Wiederholungsrate von wenigen hundert MHz arbeiten, und optischen Verzögerungslängen von wenigen hundert Metern können optische Frequenzauflösungen < 1 cm–1 erhalten werden. Optische Frequenzauflösungen < 0,1 cm–1 und < 0,01 cm–1 können mit optimal entworfenen Systemen erhalten werden. Bei Abtastraten von 10–100 Hz sind Bewegungsbereiche für die sich bewegenden Spiegel bis zu 1 mm geeignet; bei Oszillatoren, die bei Wiederholungsraten von einigen hundert MHz arbeiten, sind vergrößerte Abtastbereiche im m-Bereich bei diesen niedrigeren Abtastfrequenzen geeignet. Es sollte bemerkt werden, dass durch das Aufzeichnen eines Interferogramms über das Faser-Bragg-Gitter FBG Längenfluktuationen der Verzögerungsleitung wie auch Timing-Ungenauigkeiten (timing jitter) zwischen den beiden interferierenden Pulsen ebenfalls aufgezeichnet werden, da die Nullpunkt-Durchgänge des Interferogramms zu Punkten mit gleichen optischen Weglängendifferenzen zwischen den beiden optischen Pulsen korrespondieren. Durch das Verwenden von zwei interferierenden Pulsen von demselben Oszillator werden die interferierenden Pulse stark korreliert, und somit können irgendwelche Fluktuationen der Trägerwelle-Einhüllenden (carrier envelope fluctuations) zwischen diesen beiden Pulsen ebenfalls stark reduziert werden. Demnach werden Messungen mit hoher spektraler Auflösung mit nur einem Faser-Bragg-Gitter, welches als eine optische Referenz verwendet wird, möglich. Die Auflösung kann weiter gesteigert werden durch Verwenden eines Etalons in Verbindung mit dem Faser-Bragg-Gitter oder gleichfalls durch Verwenden von einem oder zwei Dauerstrich-Referenzlasern für das optische Referenzieren, wie es früher mit Bezug auf 16 diskutiert wurde.
  • Demnach haben die Erfinder CDSLs, effektive CDSLs, CSLs und einige Anwendungen derselben und verschiedene Alternativen für die Implementierung einschließlich hochgradig integrierten Konfigurationen beschrieben.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein kohärentes duales Abtast-Lasersystem (CDSL). Das System umfasst erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren ist. Der erste Oszillator erzeugt eine Mehrzahl von Frequenzlinien, die einen Abstand von fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden, und der zweite Oszillator erzeugt eine Mehrzahl von Frequenzlinien, die einen Abstand von fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emission-Einhüllenden. Das System umfasst ebenfalls erste und zweite Dauerstrich-Referenzlaser, die bei den entsprechenden Dauerstrich-Referenzfrequenzen fx und fy arbeiten, wobei jeder der ersten und zweiten Dauerstrich-Referenzlaser optisch mit jedem der ersten und zweiten Oszillatoren verbunden ist und Outputs erzeugt, die innerhalb der Emissions-Einhüllenden von jedem Oszillator liegen. Der erste Dauerstrich-Referenzlaser hat eine Frequenzlinie, die einen Abstand fb1 von einer Frequenzlinie des ersten Oszillators hat und einen Abstand fb2 von einer Frequenzlinie des zweiten Oszillators hat. Der zweite Dauerstrich-Referenzlaser hat eine Frequenzlinie, die einen Abstand fb3 von einer Frequenzlinie des ersten Oszillators hat und einen Abstand fb4 von einer Frequenzlinie des zweiten Oszillators hat. Die Dauerstrich-Referenzlaser und die Oszillatoren sind angeordnet, um Radiowellen-Schwebungsfrequenzen zu erzeugen, welche Δf2 = fb1 – fb2 und Δf1 = fb3 – fb4 entsprechen. Die Radiowellen-Schwebungsfrequenzen werden an externe Radiowellen-Referenzsignale zum Beispiel über phasengekoppelte Schleifen gekoppelt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein CDSL einen Abschnitt zur nicht-linearen Frequenzumwandlung umfassen, welcher optisch mit jedem Oszillator verbunden ist, und der Abschnitt kann ein nicht-lineares optisches Element umfassen, welches ein breitbandiges Spektrum erzeugt, das eine Bandbreite hat, die wesentlich größer als ein Oszillator-Spektrum ist.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann der Abschnitt zur nicht-linearen Frequenzumwandlung einen optischen parametrischen Oszillator umfassen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein optischer parametrischer Oszillator eine Gaszelle zur Spurengas-Detektion umfassen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann der Abschnitt zur Frequenzumwandlung einen Output-Abschnitt umfassen, welcher mehrere Input-Frequenzen empfängt und kombiniert und einen spektralen Output bei einer Differenzfrequenz derselben erzeugt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird ein CDSL als Teil eines FTS angeordnet, wobei das FTS verwendet wird, um eine physikalische Eigenschaft eines Testkörpers mit spektralen Komponenten innerhalb der Oszillatoremissions-Einhüllenden zu untersuchen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird das CDSL zusammen mit Mess- oder Abbildungsausrüstung angeordnet für eines oder mehrere der folgenden: optisches Abbilden, Mikroskopie, Spektroskopie, Mikro-Spektroskopie, THz-Abbilden, Emissionsspektroskopie, Ramanspektroskopie, stimulierte Raman-Spektroskopie, Ramanspektroskopie-Abbilden und mehrdimensionale Spektroskopie.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Mess- oder Abbildungsausrüstung ein Element zum optischen Abtasten.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein CDSL eine phasengekoppelte Schleife, um die Wiederholungsrate von einem der Oszillatoren zu steuern.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein CDSL eine phasengekoppelte Schleife und ein f-2f-Interferometer, um einen Wert einer Phasenschlupffrequenz von einem der ersten und zweiten Oszillatoren zu steuern.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein modengekoppelter Oszillator einen modengekoppelten Festkörper-, Faser- oder Diodenlaser-Oszillator.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein modengekoppelter Oszillator einen Nd-, Yb-, Tm-, Er- oder Bi-Faseroszillator.
  • In verschiedenen Ausführungsformen verstärkt mindestens ein Faserverstärker einen oder mehrere Oszillator-Outputs.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein nicht-linearer Frequenzwandlungsabschnitt einen Differenzfrequenz-Erzeuger.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein nichtlinearer Frequenzabschnitt einen Superkontinuum-Erzeuger, der stromabwärts von mindestens einem Oszillator angeordnet ist.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Mittel zum Überwachen des Absolutwerts einer Phasenschlupffrequenz von mindestens einem der beiden Oszillatoren bereitgestellt, und das Mittel kann zum Beispiel Detektions- und Signalverarbeitungsausrüstung umfassen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Mittel zum Überwachen von mindestens der Wiederholungsrate von einem oder beiden Oszillatoren umfasst, und das Mittel kann zum Beispiel eine Detektor- und Signalverarbeitungsausrüstung umfassen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen werden Schwebungsfrequenzen Δfb1 und Δfb2 verwendet, um ein Frequenzgitter in dem Radiowellen-Bereich zu erzeugen, das eine Eins-zu-Eins-Entsprechung mit einem Frequenzgitter im optischen Bereich hat.
  • In verschiedenen Ausführungsformen werden zwei Referenzresonatoren zur Frequenzkontrolle der Dauerstrich-Laser bereitgestellt.
  • Verschiedene Ausführungsformen umfassen einen Verstärkungsresonator, der bezüglich der Umlaufzeit an die Wiederholungsrate von einem der Oszillatoren angepasst ist, um die Detektionsempfindlichkeit für Spurengase, welche in den Resonator eingefügt werden, zu erhöhen.
  • Zumindest eine Ausführungsform umfasst ein System, aufweisend: ein CDSL; ein Material, welches THz-Strahlung als Antwort auf den Output des CDSL remittiert; und einen Detektor, der auf die THz-Strahlung anspricht.
  • In verschiedenen Ausführungsformen erzeugt ein CDSL Folgen von kurzen optischen Pulsen, und ein System umfasst: einen Strahlkombinierer zum räumlichen Kombinieren von Folgen von kurzen optischen Pulsen, um sie entlang eines gemeinsamen optischen Weges stromabwärts des Strahlkombinierers auszubreiten; ein nicht-lineares optisches Element zum spektralen Verbreitern von mindestens einer Folge von kurzen optischen Pulsen, die sich entlang des gemeinsamen optischen Weges ausbreiten; und ein zweiarmiges Interferometer (dual arm interferometer), welches mit verschiedenen Armlängen konfiguriert ist, um Interferenz zwischen Pulsfolgen zu detektieren, wenn die Pulse zeitlich nicht überlappen zu einem Zeitpunkt, bevor sie in das Interferometer eintreten.
  • In verschiedenen Ausführungsformen entspricht eine Armlängendifferenz ungefähr einem Drittel der Resonator-Umlaufzeit der ersten und zweiten Oszillatoren.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein CDSL: einen Strahlteiler zum Kombinieren von Outputs der ersten und zweiten Oszillatoren; mindestens einen Detektor zum Detektieren des Schwebungssignals, welches von dem kombinierten Oszillator-Outputs erzeugt wird; und einen Signalprozessor, der das Schwebungssignal empfängt und verarbeitet, wobei das Schwebungssignal repräsentativ für ein Absorptions-, Emissions- oder Phasenspektrum einer Probe ist, welche stromaufwärts des Strahlteilers in mindestens einen der optischen Wege von einem der Oszillator-Outputs eingesetzt wird.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein CDSL: einen Strahlteiler zum Kombinieren der Outputs der Oszillatoren; mindestens einen Detektor, der das Schwebungssignal, welches von den kombinierten Oszillator-Outputs erzeugt wird, detektiert; einen Signalprozessor, der das Schwebungssignal empfängt und verarbeitet, wobei das Schwebungssignal repräsentativ für ein Absorptions-, Phasen- oder Emissionsspektrum einer Probe ist, welche stromabwärts des Strahlteilers in die optischen Wege der kombinierten Oszillator-Outputs eingesetzt wird.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Detektor angeordnet, um ein Schwebungsspektrum für eine Zeitdauer aufzuzeichnen, welche das Inverse der Differenz zwischen den Wiederholungsraten von ersten und zweiten Oszillatoren übersteigt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird ein zweiter Detektor zum Aufzeichnen eines Referenzspektrums umfasst.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein CDSL einen zweiten Detektor zum Aufzeichnen des Absorptions- oder Emissionsspektrums oder der Phasenantwort einer Probe, wobei die Detektionsempfindlichkeit weiter erhöht wird durch Aufzeichnen der Differenz der Detektionsströme zwischen den beiden Detektoren.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein CDSL: einen optischen Verstärker, der Polarisationsachsen hat, wobei der Verstärker stromabwärts von den ersten und zweiten Oszillatoren angeordnet ist. Das CDSL umfasst außerdem einen nicht-linearen Frequenzwandlungsabschnitt, der Polarisationsachsen hat, die den Achsen des Verstärkers entsprechen, wobei der Abschnitt optisch mit einem Output des Verstärkers verbunden ist und verstärkte und frequenzgewandelte Outputs erzeugt. Die Oszillatoren werden angeordnet, um die jeweiligen Oszillator-Outputs entlang verschiedener Polarisationsachsen des Verstärkers und entlang entsprechender Polarisationsachsen des nicht-linearen Frequenzwandlungsabschnitts auszubreiten. Ein Polarisations-Strahlteiler teilt die verstärkten und frequenzgewandelten Outputs entlang der beiden Polarisationsachsen auf. Ein Strahlteiler zum interferometrischen Kombinieren der verstärkten und frequenzgewandelten Outputs entlang der beiden Polarisationsachsen wird umfasst, und der Strahlteiler zum interferometrischen Kombinieren wird stromabwärts der Probe angeordnet. Detektoren detektieren das Schwebungssignal zwischen den beiden Oszillatoren entlang der beiden Outputs des Strahlteilers zum interferometrischen Kombinieren. Ein Signalprozessor zeichnet die Differenz bei den Detektorströmen zwischen den beiden Detektoren auf.
  • Verschiedene Ausführungsformen umfassen eine dual balancierte Detektionsanordnung zum Aufzeichnen von einem oder mehreren von: Absorptions-, Emissions- und Phasenantwort einer Probe in einem oder mehreren von Transmission und Reflektion.
  • In verschiedenen Ausführungsformen werden zwei Oszillatoren mit einem gemeinsamen Pumplaser gepumpt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird ein CDSL konfiguriert, um einen starken Pumpstrahl und einen schwachen Probenstrahl aus einem ersten Oszillator zu erzeugen, mit einer anpassbaren Zeitverzögerung zwischen den Pump- und Probenpulsen, wobei ein zweiter Oszillator konfiguriert ist, um einen Signalstrahl zu erzeugen, wobei der Pump- und der Probenstrahl in eine Probe gekoppelt wird, und wobei ein zweiter Oszillator verwendet wird, um eine Änderung, die in einer Ausbreitungscharakteristik des Probenstrahls induziert wird, zu detektieren, wobei die Änderung durch den Pumpstrahl induziert wird.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfassen Ausbreitungscharakteristiken Phasen- oder Absorptionsänderungen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfassen Ausbreitungscharakteristiken zeitabhängige Phasen- oder Absorptionsänderungen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird ein CDSL in einem Mess- oder Abbildungssystem angeordnet, welches zum optischen Abbilden einer Probe oder für die Mikroskopie in der Probe konfiguriert ist.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein System, aufweisend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten von ersten und zweiten Oszillatoren. Der erste Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, welche den Abstand fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden. Der zweite Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden. Das System kann für Emissionsmessungen konfiguriert werden unter Verwendung von Fouriertransformations-Spektroskopietechniken.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird das System konfiguriert, um eines oder beide von spontanen und stimulierten Raman-Emissionsspektren zu untersuchen in einem oder beidem von Reflektion oder Transmission.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird das System konfiguriert, um einen spektralen Output eines Geräts zu untersuchen, das elektromagnetische Strahlung emittiert.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird das System konfiguriert für die spontane Raman-Mikroskopie.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird das System konfiguriert für die stimulierte Raman-Mikroskopie.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird das System konfiguriert für die stimulierte kohärente Anti-Stokes-Raman-Mikroskopie.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann die Emission resonant verstärkt werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann die Raman-Emission verstärkt werden mit oberflächenverstärkter Ramanstreuung (surface enhanced Raman scattering) oder resonanter Ramanstreuung.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein System, aufweisend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr der Wiederholungsraten klein ist im Vergleich mit den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren. Der erste Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden. Der zweite Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden. Das System umfasst einen Testkörper. Das System ist konfiguriert, so dass die Emission des zweiten Oszillators in den Testkörper gekoppelt wird, wobei der Testkörper die vom zweiten Oszillator resultierende Emission, welche aus dem Testkörper austritt, kohärent modifiziert. Der erste Oszillator wird konfiguriert als ein Lokaloszillator, der die Emission, die aus dem Testkörper austritt, abtastet.
  • Verschiedene Ausführungsformen umfassen ein Mittel zum spektralen Verbreitern und Filtern der Oszillator-Outputs, und das Mittel kann zum Beispiel eine hochgradig nicht-lineare Faser und/oder ein optisches Filter umfassen.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein System, aufweisend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr der Wiederholungsraten klein ist im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren. Der erste Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden. Der zweite Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden. Der Output von einem der Oszillatoren wird in einen Testkörper gekoppelt. Der Testkörper modifiziert die von einem Oszillator-Output resultierende Emission, die aus dem Testkörper heraustritt. Das System kann konfiguriert werden zum Testen von einem oder mehr von: spektrale, spektrale Phasen-, zeitliche und zeitliche Phasencharakteristiken der modifizierten Emission.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das System ein Mittel zum spektralen Verbreitern und Filtern der Oszillator-Outputs.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein System konfiguriert werden: um einen starken Pumpstrahl und einen schwachen Probenstrahl von dem ersten Oszillator zu erzeugen, mit einer anpassbaren Zeitverzögerung zwischen den Pump- und Probenpulsen, wobei der zweite Oszillator konfiguriert wird, um einen Signalstrahl zu erzeugen, mit Kopplung von Pump- und Probenstrahl in eine optische Probe, und wobei der zweite Oszillator einen Output erzeugt, der repräsentativ ist für eine Änderung, die bei einer Ausbreitungscharakteristik des Probenstrahls durch den Pumpstrahl induziert wird.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Erhalten von Raman-Spektren von einer optischen Probe. Das Verfahren umfasst: Messen der Phasenstörungen eines Probenpulses, die durch einen Pumppuls induziert werden, bei der Ausbreitung durch die Probe, wobei der Pump- und der Probenpuls durch einen ersten modengekoppelten Signallaser erzeugt werden, und die Phasenmessung aus einem Signal abgeleitet wird, das durch einen zweiten modengekoppelten Laser, welcher als Lokaloszillator arbeitet, erzeugt wird, wobei die ersten und zweiten Laser konfiguriert werden, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Erhalten von Emissionsspektren aus einer optischen Probe. Das Verfahren umfasst das Messen der Probenemission, welche durch einen Pumppuls induziert wird, während der Ausbreitung durch die Probe, wobei der Pumppuls mit einem ersten modengekoppelten Signallaser erzeugt wird. Die Emissionsmessung wird abgeleitet durch eine Multiplikation eines ersten und eines zweiten Interferenzsignals. Das erste Interferenzsignal wird vom optischen Interferieren des Pumppulses mit der Probenemission abgeleitet. Das zweite Interferenzsignal wird vom optischen Interferieren der Probenemission mit einem Signal abgeleitet, welches durch einen zweiten modengekoppelten Laser, welcher als Lokaloszillatorlaser arbeitet, erzeugt wird. Die ersten und zweiten Laser werden konfiguriert, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein System. Das System umfasst erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein ist im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren. Der erste Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, welche einen Abstand fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden. Der zweite Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden. Das System kann konfiguriert werden für zweidimensionale Emissions-/Absorptionsspektrums-Messungen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen werden zweidimensionale Fouriertransformation-Spektroskopietechniken implementiert für die Extraktion der zweidimensionalen Emissions-/Absorptionsspektrums-Informationen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein System für mehrdimensionale Spektroskopie konfiguriert werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verhältnis einer Wiederholungsrate eines Oszillators zu der Differenz in den Wiederholraten von ersten und zweiten Oszillatoren im Bereich zwischen ungefähr 106 bis ungefähr 109 liegen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können erste und zweite Oszillatoren im Wesentlichen ähnliche Emissions-Einhüllende haben.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein CDSL eine digitale und/oder analoge phasengekoppelte Schleife umfassen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann die Abbildungsausrüstung eine Detektoranordnung in der Fokalebene umfassen.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein kohärentes Abtast-Lasersystem zur Erzeugung von Pulspaaren mit einer variablen Zeitverzögerung. Das System umfasst eine optische Quelle, um einen Output zu erzeugen, welcher optische Pulse bei einer Wiederholungsrate umfasst, wobei eine Wiederholungsrate der optischen Quelle moduliert wird. Die Quelle umfasst: mindestens einen modengekoppelten Oszillator stromaufwärts vom Output und einen ersten Strahlteiler, der konfiguriert ist, den Output in zwei optische Wege, die verschiedene Ausbreitungslängen besitzen, aufzuspalten. Die Pulse, die sich entlang der beiden optischen Wege ausbreiten, werden bei einem zweiten Strahlteiler rekombiniert.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein optischer Weg eine optische Verzögerungsleitung umfassen, die eine Länge einer optischen Faser umfasst. Die Länge kann im Bereich von etwa 10 Metern bis mehreren 10 km reichen. In einigen Ausführungsformen kann die Länge im Bereich von ungefähr 100 m bis 10 km, ungefähr 5 m bis 100 m, oder anderen ähnlichen Bereichen sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen sind der erste und zweite Strahlteiler identisch.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird ein kohärentes Abtast-Lasersystem für Fouriertransformations-Spektroskopie konfiguriert.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein kohärentes Abtast-Lasersystem zum Erzeugen von Pulspaaren mit einer variablen Zeitverzögerung. Das System umfasst eine optische Quelle, die mindestens einen modengekoppelten Oszillator umfasst. Die Quelle erzeugt optische Pulse mit einer zeitvariablen Wiederholungsrate. Ein Wiederholungsraten-Modulator wird konfiguriert, um die Wiederholungsrate mit einer Modulationsrate zu modulieren. Die Quelle erzeugt einen Output, der die Pulspaare umfasst. Das System umfasst eine optische Referenz, welche mindestens ein optisches Element besitzt, welches konfiguriert ist für das Erzeugen eines Referenzsignals für die Messung von mindestens der Zeitverzögerung zwischen den beiden Pulsen des Pulspaares als eine Funktion der Zeit.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann die Änderungsrate der Zeitverzögerung zwischen den Pulspaaren identisch zur Modulationsrate und/oder einer Funktion der Modulationsrate sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Quelle einen ersten Strahlteiler stromabwärts von dem modengekoppelten Oszillator, wobei der Strahlteiler konfiguriert ist, um den Output des modengekoppelten Oszillators entlang von zwei optischen Wegen, welche verschiedene Ausbreitungslängen besitzen, auszubreiten; und einen Strahlkombinierer, welcher konfiguriert ist, um die Pulse, welche sich entlang von zwei optischen Wegen ausbreiten, zu rekombinieren.
  • Ein Strahlteiler und/oder Strahlkombinierer kann eine voluminöse (bulk) optische Komponente umfassen, zum Beispiel einen voluminösen optischen Strahlteiler. In einigen Ausführungsformen können Faserkoppler und/oder irgendein geeignetes integriertes optisches Gerät verwendet werden, allein oder in Kombination mit voluminösen optischen Elementen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen werden ein Strahlteiler und ein Strahlkombinierer aus identischen Komponenten konstruiert.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Strahlteiler und/oder Strahlkombinierer einen Faserkoppler, einen voluminösen optischen Strahlteiler oder eine Kombination derselben umfassen.
  • In verschiedenen. Ausführungsformen umfasst eine Quelle einen zweiten modengekoppelten Oszillator, der bei einer zweiten Wiederholungsrate arbeitet. Ein erster Puls von dem Pulspaar wird erzeugt mit der ersten Quelle. Ein zweiter Puls von dem Pulspaar wird erzeugt mit der zweiten Quelle.
  • Die zweite Wiederholungsrate des zweiten Oszillators kann ungefähr konstant sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird mindestens ein optisches Element konfiguriert, um eine Messung einer Differenz in der Phase der Trägerwellen-Einhüllenden (carrier envelope phase) zwischen den beiden Pulsen des Pulspaares bereitzustellen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen moduliert ein Wiederholungsraten-Modulator eine Resonatorlänge eines Oszillators.
  • Ein Wiederholungsraten-Modulator kann eines der folgenden umfassen: einen Resonatorspiegel, welcher auf einem piezoelektrischen Aufnehmer montiert ist, einen MEMS-, MOEMS-Spiegel, einen akusto-optischen oder einen im Resonator angeordneten elektro-optischen Modulator.
  • Eine optische Referenz kann ein Interferometer umfassen, um eine Position eines im Resonator angeordneten Elements des modengekoppelten Oszillators zu messen.
  • Ein im Resonator angeordnetes Element kann einen Resonatorspiegel des modengekoppelten Oszillators umfassen.
  • Eine optische Referenz kann mindestens einen schmalbandigen Bandpass-Spektralfilter umfassen, um die Pulspaare zu filtern.
  • Eine optische Referenz kann mindestens einen Dauerstrich-Referenzlaser umfassen, der konfiguriert ist, um Schwebungssignale zwischen den Pulspaaren und dem mindestens einen Referenzlaser aufzuzeichnen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist ein Stabilisierer eingeschlossen für die aktive Stabilisierung der unterschiedlichen Ausbreitungslänge.
  • Ein Referenz-Laser kann konfiguriert werden, um eine unterschiedliche Ausbreitungslänge zu messen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann eine spektral verbreiternde Stufe stromabwärts der Quelle oder des modengekoppelten Oszillators angeordnet werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann eine spektral verbreiternde Stufe einen optischen parametrischen Oszillator umfassen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein optischer parametrischer Oszillator eine Gaszelle zur Spurengas-Detektion umfassen.
  • Eine spektral verbreiternde Stufe kann in der Quelle eingeschlossen sein und/oder stromabwärts von der Quelle angeordnet sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können optische Komponenten für Dispersionskompensation eingeschlossen sein und können konfiguriert sein, um die Dispersion entlang der verschiedenen Ausbreitungswege anzugleichen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen werden Detektoren bereitgestellt, um ein Interferogramm zwischen den Pulspaaren zu detektieren. Verschiedene Ausführungsformen können ein Mittel zum Erzeugen von Abtastpunkten bei äquidistanten optischen Weglängendifferenzen zwischen den Pulsen, aus denen das Pulspaar besteht, umfassen.
  • Ein Mittel für das Erzeugen von Abtastpunkten kann einen digitalen und/oder analogen Signalprozessor umfassen und kann programmierbar sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein kohärentes Abtast-Lasersystem als ein Teil eines Systems für Fouriertransformations-Spektroskopie konfiguriert werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Modulationsrate eines Wiederholungsraten-Modulators größer als ungefähr 1 Hz sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Modulationsrate eines Wiederholungsraten-Modulators größer sein als ungefähr 10 Hz sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Modulationsrate eines Wiederholungsraten-Modulators größer als ungefähr 1 kHz sein.
  • Verschiedene Ausführungsformen können ein Mittel zur Stabilisierung des Durchschnitts der ersten Wiederholungsrate umfassen, so dass er gleich der zweiten Wiederholungsrate ist, dadurch charakterisiert, dass das Zeitintervall zwischen den pulskreuzenden Ereignissen zwischen den Pulsen von den beiden Oszillatoren ungefähr konstant ist als eine Funktion der Zeit.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein Mittel zum Erzeugen von Abtastpunkten bei äquidistanten optischen Weglängendifferenzen das Detektieren eines Referenz-Interferogramms und das Verwenden der die Nulllinie kreuzenden Punkte des Referenz-Interferogramms zum Abtasten eines zweiten Interferogramms.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein kohärentes Abtast-Lasersystem konfiguriert werden als ein Teil eines Systems für zweidimensionale Fouriertransformations-Spektroskopie.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein kohärentes duales Abtast-Lasersystem (CDSL). Das System kann erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren umfassen, die konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein ist im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren. Das System umfasst mindestens einen Verstärkungsresonator zum Modifizieren der Wiederholungsrate des mindestens einen Oszillators mit einem ganzzahligen Faktor; ein Mittel zum Koppeln der Wiederholungsrate und Phase des mindestens einen Oszillators an den mindestens einen Verstärkungsresonator. Das System umfasst weiterhin ein Mittel zur Detektion eines Interferogramms zwischen den beiden Oszillatoren nach der Wiederholungsraten-Multiplikation des einen Oszillators.
  • Verschiedene Ausführungsformen umfassen einen Abschnitt zur nicht-linearen Frequenzwandlung, welcher optisch mit jedem Oszillator verbunden ist, wobei der Abschnitt ein nicht-lineares optisches Element umfasst, welches ein frequenzgewandeltes Spektrum mit einer spektralen Abdeckung umfasst, welche die spektrale Abdeckung des Oszillators übersteigt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen erzeugt eine optische Referenz ein Kalibrierungssignal, und das System umfasst weiterhin einen Signalprozessor, der das Kalibrierungssignal empfängt und die zeitabhängige Pulsverzögerung als eine Funktion der Zeit für mehr als einen Modulationszyklus des Wiederholungsraten-Modulators kalibriert.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird ein CDSL konfiguriert für Anrege-Abfrage-Messungen.
  • Verschiedene Ausführungsformen umfassen ein Element zur Verstärkung von Pulsen entlang von mindestens einem Teil der beiden Ausbreitungswege, zum Beispiel mindestens einen Faserverstärker.
  • Optische Ausbreitungswege können eines oder beide umfassen von: einer voluminösen optischen Komponente und einer Länge einer optischer Faser.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein kohärentes Abtast-Lasersystem zum Erzeugen von Pulspaaren mit variabler Zeitverzögerung. Das System umfasst eine optische Quelle, die einen Output erzeugt. Der Output umfasst optische Pulse bei einer Wiederholungsrate. Die Wiederholungsrate wird moduliert. Die Quelle umfasst mindestens einen modengekoppelten Oszillator stromaufwärts des Outputs der Quelle und einen ersten Strahlteiler. Der Strahlteiler teilt den Output in zwei optische Wege auf, welche verschiedene Ausbreitungslängen haben, und die Pulse, die sich entlang der beiden optischen Wege ausbreiten, werden bei einem zweiten Strahlteiler rekombiniert.
  • In verschiedenen Ausführungsformen sind der erste und zweite Strahlteiler identisch.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird das System für Fouriertransformations-Spektroskopie konfiguriert.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein kohärentes duales Abtast-Lasersystem (CDSL). Das System umfasst erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten, fr1 bzw. fr2, zu arbeiten, so dass eine Differenz bei den Wiederholungsraten δfr = fr1 – fr2 klein ist im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren. Der erste Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissionseinhüllenden. Der zweite Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissionseinhüllenden. Die ersten und zweiten modengekoppelten Oszillatoren sind ferner konfiguriert, um bei zwei Phasenschlupffrequenzen (carrier envelope Offset frequencies), fceo1 bzw. fceo2, zu arbeiten, mit einer Differenz in den Phasenschlupffrequenzen Δfceo = fceo1 – fceo2, wobei Δfceo nicht notwendigerweise verschieden von Null ist. Das System umfasst weiterhin mindestens einen Dauerstrich-Referenzlaser, der bei einer entsprechenden Dauerstrich-Referenzfrequenz fx arbeitet, wobei der Dauerstrich-Referenzlaser mit jedem der ersten und zweiten Oszillatoren optisch verbunden ist und einem Output besitzt, welcher innerhalb der Emissions-Einhüllenden von jedem der Oszillatoren liegt. Der Dauerstrich-Referenzlaser hat eine Frequenz, welche durch fb1 von einer Frequenzlinie des ersten Oszillators getrennt ist und durch fb2 von einer Frequenzlinie des zweiten Oszillators getrennt ist. Das System umfasst weiterhin: ein Mittel zum Erzeugen von mindestens einem Radiowellen-Signal, welches proportional zu irgendeinem von Δf2 = fb1 – fb2, fb1, fb2, δfr, fr1, fr2, Δfceo, fceo2, und fceo2 ist, wobei das Radiowellen-Signal bzgl. eines externen Radiowellen-Referenzsignals stabilisiert wird; ein Mittel zum Detektieren von restlicher Phasendifferenz zwischen dem Radiowellen-Signal und dem Radiowellen-Referenzsignal; und ein Mittel, welches einen Signalprozessor umfasst, zum Anwenden der detektierten Phasendifferenz, um Korrekturen für den Wert von irgendeinem von Δf2, fb1, fb2, δfr, fr1, fr2, Δfceo, fceo1, fceo2 zu erhalten.
  • In verschiedenen Ausführungsformen eines kohärenten dualen Abtast-Lasersystems (CDSL) wird das Radiowellen-Signal bezüglich der externen Radiowellen-Referenz stabilisiert über phasengekoppelte Schleifen oder ein Frequenzkopplungsschema.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann der Signalprozessor operativ verbunden werden, um irgendein Informationssignal zu verarbeiten, welches aus Δf2, fb1, fb2, δfr, fr1, fr2, Δfceo, fceo1, fceo2 und der Referenz abgeleitet wird und kann eine Korrektur(en) über eine phasengekoppelte Schleife bereitstellen. Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein kohärentes duales Abtast-Lasersystem (CDSL). Das System umfasst erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren. Die Oszillatoren sind konfiguriert, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein ist im Vergleich zu Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren. Der erste Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden, und der zweite Oszillator erzeugt mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden. Das System umfasst ebenfalls: Mittel zum Detektieren von Schwebungsfrequenzen Δf2 und Δf1, wobei die Schwebungsfrequenzen zu einer Differenz zwischen zwei nächstbenachbarten Kammlinien der beiden Oszillatoren bei zwei verschiedenen Positionen innerhalb der optischen Emissions-Einhüllenden korrespondieren. Das Mittel zum Detektieren der Schwebungsfrequenzen verwendet das optische Kombinieren des Outputs der beiden modengekoppelten Oszillatoren und das Durchlaufen des kombinierten Outputs durch zwei separate schmalbandige optische Bandpass-Filter. Die Schwebungsfrequenzen werden an externe Radiowellen-Referenzsignale über phasengekoppelte Schleifen gekoppelt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird das kohärente Abtast-Lasersystem als ein Teil eines Systems für Fouriertransformations-Spektroskopie mit einer spektralen Auflösung < 1 cm–1 konfiguriert.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird das kohärente Abtast-Lasersystem als ein Teil eines Systems für Fouriertransformations-Spektroskopie mit einer spektralen Auflösung < 0,1 cm–1 konfiguriert.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann das kohärente Abtast-Lasersystem eine dual balancierte Detektionsanordnung umfassen, um Amplitudenrauschen in einem Interferogramm zu begrenzen.
  • Demnach wird deutlich, dass, während hier nur bestimmte Ausführungsformen spezifisch beschrieben worden sind, zahlreiche Modifikationen gemacht werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Weiterhin werden Abkürzungen nur benutzt, um die Lesbarkeit der Beschreibung und der Patentansprüche zu erhöhen. Es sollte bemerkt werden, dass diese Abkürzungen nicht dazu gedacht sind, die Allgemeinheit der verwendeten Begriffe zu verringern, und sie sollten nicht so aufgefasst werden, dass der Umfang der Patentansprüche auf die hier beschriebenen Ausführungsformen begrenzt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2010/010437 [0006]
    • US 7203402 [0006]
    • WO 20091000079 [0010]
    • WO 2010/010444 [0012]
    • WO 2009/000079 [0113, 0138]
    • US 5778016 [0113, 0139, 0145]
    • US 7190705 [0129]
    • US 6393856 [0139]
    • US 6396836 [0142]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • J. Mandon et al. „Fourier transform spectroscopy with a laser frequency comb” in Nature Photonics, vol. 3, S. 99–102, 2009 [0006]
    • J. Stenger et al. Phys. Rev. Lett., vol. 7, S. 073601-1-073601-4 (2002) [0008]
    • C. O. Weiss et al., in „Frequency measurements and control, advanced techniques and future trends”, Vol. 79, S. 215–247 (2000) [0008]
    • I. Coddington et al. „Coherent multiheterodyne spectroscopy using stabilized comb sources” Phys. Rev. Lett., Vol. 100, S. 013902 (2008) [0013]
    • „Building Electro-Optical Systems” von P. C. D. Hobbs, John Wiley&Sons (2000) [0073]
    • S. Schiller et al., „Spectrometry with frequency combs”, Opt. Lett., vol. 27, S. 766–768 (2002) [0089]
    • Schlug et al., 'Sensitive and selective detection of low-frequency vibrational modes through a phase-shifting Fourier-Transform Spectroscopy', IEEE J. Quantum Electronics, vol. 45, No. 7, S. 777–782 (2009) [0100]
    • Schlug et al. [0101]
    • P. Hamm et al., in 'The twodimensional IR nonlinear spectroscopy of a cyclic penta-peptide in relation to its three-dimensional structure', Proc. Nat. Acad. Sci., 96, 2036 (1999) [0102]
    • R. M. Hochstrasser et al., 'Two-dimensional spectroscopy at infrared and optical frequencies', in Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 104, S. 1490 (2007) [0104]
    • K. Holman et al., 'Precise frequency transfer through a fiber network by use of 1.5-μm mode-locked sources', Opt. Lett., vol. 29, S. 1554–1556 (2004) [0119]
    • J. Kim et al., 'Long-term femtosecond timing link stabilization using a single-crystal balanced cross-correlator', Optics Letters, 32, S. 1044–1046 (2007) [0119]
    • 'Building Electro-Optical Systems' von P. C. D. Hobbs, John Wiley&Sons (2000) [0128]
    • S. A. Roy et al., 'Hybrid sampling approach for imaging Fourier-transform spectrometry', Applied Optics, vol. 46, S. 8482–8487 (2007) [0133]
    • K. Holman, D. Hudson, J. Ye and D. J. Jones., Opt. Lett., vol. 30, S. 1225–1227 (2005) [0136]
    • von T. Sizer in 'Increase in laser repetition rate by spectral selection', IEEE J. Quantum Electronics, vol. 25, S. 97–103 (1989) [0146]

Claims (97)

  1. Ein kohärentes duales Abtast-Lasersystem (CDSL), umfassend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein ist im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren, wobei der erste Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand von fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt, und der zweite Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt; erste und zweite Dauerstrich-Referenzlaser, die bei entsprechenden Dauerstrich-Referenzfrequenzen fx und fy arbeiten, wobei jeder der ersten und zweiten Dauerstrich-Referenzlaser optisch mit jedem der ersten und zweiten Oszillatoren verbunden ist, und Outputs erzeugen, welche innerhalb der Emissions-Einhüllenden von jedem der Oszillatoren liegen, wobei der erste Dauerstrich-Referenzlaser eine Frequenzlinie hat, die einen Abstand fb1 von einer Frequenzlinie des ersten Oszillators hat und einen Abstand fb2 von einer Frequenzlinie des zweiten Oszillators; wobei der zweite Dauerstrich-Referenzlaser eine Frequenzlinie hat, die einen Abstand fb3 von einer Frequenzlinie des ersten Oszillators hat, und einen Abstand fb4 von einer Frequenzlinie des zweiten Oszfllators hat; wobei die Dauerstrich-Referenzlaser und die Oszillatoren so angeordnet sind, dass sie Radiowellen-Schwebungsfrequenzen erzeugen, die Δf2 = fb1 – fb2 und Δf1 = fb3 – fb4 entsprechen; wobei die Radiowellen-Schwebungsfrequenzen an externe Radiowellen-Referenzsignale über phasengekoppelte Schleifen gekoppelt werden.
  2. Das CDSL gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend einen Abschnitt zur nichtlinearen Frequenzumwandlung, der optisch mit jedem Oszillator verbunden ist, wobei der Abschnitt ein nicht-lineares optisches Element umfasst, welches ein breitbandiges Spektrum erzeugt, das eine Bandbreite besitzt, die wesentlich größer als ein Oszillator-Spektrum ist.
  3. Das CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei der Frequenzumwandlungsabschnitt einen Output-Abschnitt umfasst, der mehrere Input-Frequenzen empfängt und kombiniert und einen spektralen Output bei einer Differenzfrequenz derselben erzeugt.
  4. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei das CDSL als Teil eines FTS angeordnet ist, wobei das FTS verwendet wird, um eine physikalische Eigenschaft eines Testkörpers mit spektralen Komponenten innerhalb der Emissions-Einhüllenden zu untersuchen.
  5. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei das Lasersystem zusammen mit Mess- oder Abbildungsausrüstung für eines oder mehr des Folgenden angeordnet ist: optisches Abbilden, Mikroskopie, Spektroskopie, Mikro-Spektroskopie, THz-Abbilden, Emissionsspektroskopie, Ramanspektroskopie, stimulierte Ramanspektroskopie, Ramanspektroskopie-Abbilden und mehrdimensionale Spektroskopie.
  6. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 5, wobei die Mess- oder Abbildungsausrüstung ein Element zum optischen Abtasten umfasst.
  7. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend: eine phasengekoppelte Schleife, um die Wiederholungsrate von einem der Oszillatoren zu steuern.
  8. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend: eine phasengekoppelte Schleife und ein f-2f-Interferometer, um eine Phasenschlupffrequenz von einem der Oszillatoren zu steuern.
  9. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei die modengekoppelten Oszillatoren einen modengekoppelten Festkörper-, Faser- oder Diodenlaser-Oszillator umfassen.
  10. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei der modengekoppelte Oszillator einen Nd-, Yb-, Tm-, oder Er-Faser-Oszillator umfasst.
  11. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei das System mindestens einen Faserverstärker zum Verstärken von einem oder mehr Oszillator-Outputs umfasst.
  12. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 2, wobei der Abschnitt zur nicht-linearen Frequenzumwandlung einen Differenzfrequenz-Erzeuger umfasst.
  13. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 2, wobei das System umfasst: einen nicht-linearen Frequenzabschnitt, welcher einen Superkontinuum-Erzeuger umfasst, der stromabwärts von mindestens einem Oszillator angeordnet ist.
  14. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend: Mittel zum Überwachen des Absolutwerts einer Phasenschlupffrequenz von mindestens einem der beiden Oszillatoren.
  15. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend: Mittel zum Überwachen von mindestens der Wiederholungsrate von einem oder beiden der zwei Oszillatoren.
  16. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei die Schwebungsfrequenzen Δfb1 und Δfb2 verwendet werden, um ein Frequenzgitter in dem Radiowellen-Bereich zu erzeugen, das eine Eins-zu-Eins-Entsprechung mit einem Frequenzgitter im optischen Bereich hat.
  17. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend zwei Referenzresonatoren zur Frequenzsteuerung der Dauerstrich-Laser.
  18. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend einen Verstärkungsresonator, der bezüglich der Umlaufzeit an die Wiederholungsrate von einem der Oszillatoren angepasst ist, um die Detektionsempfindlichkeit für Spurengase, die in den Resonator eingeführt werden, zu erhöhen.
  19. Ein System, umfassend: ein CDSL gemäß Patentanspruch 1; ein Material, welches THz-Strahlung als Antwort auf einen Output des CDSL emittiert; einen Detektor, der auf die THz-Strahlung anspricht.
  20. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei das CDSL Folgen von kurzen optischen Pulsen erzeugt, weiterhin umfassend: ein Strahl-Kombinierer zum räumlichen Kombinieren der Folgen von kurzen optischen Pulsen, um sie entlang eines gemeinsamen optischen Weges stromabwärts von dem Strahl-Kombinierer auszubreiten; ein nicht-lineares optisches Element zum spektralen Verbreitern von mindestens einer Folge von den kurzen optischen Pulsen, die sich entlang des gemeinsamen optischen Weges ausbreiten; ein zweiarmiges Interferometer, das mit verschiedenen Armlängen konfiguriert ist, um so eine Interferenz zwischen den Pulsfolgen zu detektieren, wenn die Pulse nicht zeitlich überlappen zu einem Zeitpunkt vor dem Eintreten in das Interferometer.
  21. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 20, wobei die Armlängendifferenz ungefähr einem Drittel der Resonator-Umlaufzeit der Oszillatoren entspricht.
  22. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend: einen Strahlteiler zum Kombinieren der Outputs der Oszillatoren; mindestens einen Detektor zum Detektieren des Schwebungssignals, welches von den kombinierten Oszillator-Outputs erzeugt wird; einen Signalprozessor, der das Schwebungssignal empfängt und verarbeitet, wobei das Schwebungssignal repräsentativ für ein Absorptions-, Emissions- oder Phasenspektrum einer Probe ist, welche stromaufwärts des Strahlteilers in mindestens einen der optischen Wege von einem der Oszillator-Outputs eingefügt wird.
  23. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend: einen Strahlteiler zum Kombinieren der Outputs der Oszillatoren; mindestens einen Detektor zum Detektieren des Schwebungssignals, das von den kombinierten Oszillator-Outputs erzeugt wird; einen Signalprozessor, der das Schwebungssignal empfängt und verarbeitet, wobei das Schwebungssignal für ein Absorptions-, Phasen- oder Emissionsspektrum einer Probe repräsentativ ist, welche stromabwärts des Strahlteilers in mindestens einen optischen Weg der kombinierten Oszillator-Outputs eingesetzt wird.
  24. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 22, wobei der Detektor angeordnet ist, um ein Schwebungsspektrum aufzuzeichnen über eine Zeitdauer, die das Inverse der Differenz zwischen den Wiederholungsraten der Oszillatoren übersteigt.
  25. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 22, weiterhin umfassend: einen zweiten Detektor zum Aufzeichnen eines Referenzspektrums.
  26. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 22, weiterhin umfassend: einen zweiten Detektor zum Aufzeichnen des Absorptions- oder Emissionsspektrums oder der Phasenantwort der Probe, wobei die Detektionsempfindlichkeit weiterhin verstärkt wird über das Aufzeichnen der Differenz bei den Detektionsströmen zwischen den beiden Detektoren.
  27. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 26, weiterhin umfassend: einen optischen Verstärker, der Polarisationsachsen aufweist, wobei der Verstärker stromabwärts von den ersten und zweiten Oszillatoren angeordnet ist; einen Abschnitt zur nicht-linearen Frequenzumwandlung, welcher Polarisationsachsen aufweist, die den Achsen des Verstärkers entsprechen, wobei der Abschnitt optisch mit einem Output des Verstärkers verbunden ist und verstärkte und frequenzgewandelte Outputs erzeugt, wobei die Oszillatoren angeordnet sind, um entsprechende Oszillator-Outputs entlang von zwei verschiedenen Polarisationsachsen des Verstärkers und entlang von entsprechenden Polarisationsachsen des Abschnitts für die nicht-lineare Frequenzumwandlung auszubreiten; einen Polarisations-Strahlteiler zum Aufteilen der verstärkten und frequenzgewandelten Outputs entlang der beiden Polarisationsachsen; einen Strahlteiler zum interferometrischen Kombinieren der verstärkten und frequenzgewandelten Outputs entlang der beiden Polarisationsachsen, wobei der Strahlteiler zum interferometrischen Kombinieren stromabwärts von der Probe angeordnet ist; Detektoren zum Detektieren des Schwebungssignals zwischen den beiden Oszillatoren entlang der beiden Outputs des Strahlteilers zum interferometrischen Kombinieren; und einen Signalprozessor zum Aufzeichnen der Differenz bei den Detektionsströmen zwischen den beiden Detektoren.
  28. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend eine dual balancierte Detektionsanordnung zum Aufzeichnen von einem oder mehr von: Absorptions-, Emissions- und Phasenantwort einer Probe in einem oder mehr von: Transmission und Reflexion.
  29. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei beide Oszillatoren mit einem gemeinsamen Pumplaser gepumpt werden.
  30. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei das CDSL konfiguriert ist, um von dem ersten Oszillator einen starken Pumpstrahl und einen schwachen Probenstrahl mit einer anpassbaren Zeitverzögerung zwischen den Pump- und Probenpulsen zu erzeugen, wobei der zweite Oszillator konfiguriert ist, um einen Signalstrahl zu erzeugen, wobei der Pump- und Probenstrahl in eine Probe gekoppelt werden, wobei der zweite Oszillator verwendet wird, um eine Änderung in einer Ausbreitungscharakteristik des Probenstrahls zu detektieren, wobei die Änderung durch den Pumpstrahl induziert wird.
  31. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 30, wobei die Ausbreitungscharakteristiken Phasen- oder Absorptionsänderungen umfassen.
  32. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 30, wobei die Ausbreitungscharakteristiken zeitabhängige Phasen- oder Absorptionsänderungen umfassen.
  33. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 30, wobei das System zusammen mit einem Mess- oder Abbildungssystem angeordnet ist, welches zum optischen Abbilden der Probe oder für Mikroskopie in der Probe konfiguriert ist.
  34. Ein System, umfassend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein ist im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren; wobei der erste Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt, und der zweite Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt; wobei das System für Emissionsmessungen unter Verwendung von Fouriertransformations-Spektroskopietechniken konfiguriert ist.
  35. Ein System gemäß Patentanspruch 34, wobei das System konfiguriert ist, um eines oder beide von spontanen und stimulierten Raman-Emissionsspektren zu untersuchen in einem oder beidem von: Reflexion und Transmission.
  36. Ein System gemäß Patentanspruch 34, wobei das System konfiguriert ist, um einen spektralen Output eines Geräts zu untersuchen, welches elektromagnetische Strahlung emittiert.
  37. Ein System gemäß Patentanspruch 34, wobei das System für spontane Raman-Mikroskopie konfiguriert ist.
  38. Ein System gemäß Patentanspruch 34, wobei das System für stimulierte Raman-Mikroskopie konfiguriert ist.
  39. Ein System gemäß Patentanspruch 34, wobei das System für stimulierte kohärente Anti-Stokes-Raman-Mikroskopie konfiguriert ist.
  40. Ein System gemäß Patentanspruch 34, wobei die Emission resonant verstärkt wird.
  41. Ein System gemäß Patentanspruch 37, wobei die Raman-Emission durch oberflächenverstärkte Ramanstreuung oder Resonanz-Ramanstreuung verstärkt wird.
  42. Ein System, umfassend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein ist im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren; wobei der erste Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt, und der zweite Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt; einen Testkörper; wobei die Emission des zweiten Oszillators in einen Testkörper gekoppelt wird, wobei der Testkörper die aus dem zweiten Oszillator resultierende Emission, welche aus dem Testkörper heraustritt, kohärent modifiziert, wobei der erste Oszillator als ein Lokaloszillator konfiguriert ist, der die aus dem Testkörper heraustretende Emission abtastet.
  43. Ein System gemäß Patentanspruch 42, weiterhin umfassend: Mittel zum spektralen Verbreitern und Filtern der Oszillator-Outputs.
  44. Ein System, umfassend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein ist im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren; wobei der erste Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr1 haben, innerhalb der ersten optischen Emission-Einhüllenden erzeugt und der zweite Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt; wobei ein Oszillator-Output in einen Testkörper gekoppelt wird, wobei der Testkörper die aus einem Oszillator-Output resultierende Emission, welche aus dem Testkörper heraustritt, modifiziert; wobei das System konfiguriert ist zum Testen von einer oder mehr von: spektralen, spektralen Phasen-, zeitlichen und zeitlichen Phasen-Charakteristiken der modifizierten Emission.
  45. Ein System gemäß Patentanspruch 44, weiterhin umfassend: Mittel zum spektralen Verbreitern und Filtern der Oszillator-Outputs.
  46. Ein System gemäß Patentanspruch 44, wobei das System konfiguriert ist: um von dem ersten Oszillator einen starken Pumpstrahl und einen schwachen Probenstrahl mit einer anpassbaren Zeitverzögerung zwischen den Pump- und Probenpulsen, zu erzeugen, wobei der zweite Oszillator konfiguriert ist, um einen Signalstrahl zu erzeugen, wobei der Pump- und Probenstrahl in eine optische Probe gekoppelt werden, wobei der zweite Oszillator Outputs erzeugt, die repräsentativ für eine Änderung sind, die bei einer Ausbreitungscharakteristik des Probenstrahls durch den Pumpstrahl induziert wird.
  47. Ein Verfahren zum Erhalten von Raman-Spektren aus einer optischen Probe, umfassend: Messen der Phasenstörungen eines Probenpulses, die während der Ausbreitung durch die Probe durch einen Pumppuls induziert werden, wobei der Pumppuls und der Probenpuls durch einen ersten modengekoppelten Signallaser erzeugt werden, wobei die Phasenmessung aus einem Signal, welches durch einen zweiten modengekoppelten Laser, der als ein Lokaloszillator arbeitet, abgeleitet wird, wobei erste und zweite Laser konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten.
  48. Ein Verfahren zum Erhalten von Emissionsspektren aus einer optischen Probe, umfassend: Messen der Probenemission, welche während der Ausbreitung durch die Probe durch einen Pumppuls induziert wird, wobei der Pumppuls mit einem ersten modengekoppelten Signallaser erzeugt wird, wobei die Emissionsmessung abgeleitet wird durch eine Multiplikation eines ersten und eines zweiten Interferenzsignals, wobei das erste Interferenzsignal von dem optischen interferieren des Pumppulses mit der Probenemission abgeleitet wird, und das zweite Interferenzsignal vom optischen Interferieren der Probenemission mit einem Signal abgeleitet wird, welches durch einen zweiten modengekoppelten Laser, der als Lokaloszillator-Laser arbeitet, erzeugt wird, wobei die ersten und zweiten Laser konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten.
  49. Ein System, umfassend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein ist im Vergleich zu den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren; wobei der erste Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr1 haben, innerhalb der ersten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt, und der zweite Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt; wobei das System konfiguriert ist für zweidimensionale Emissions-/Absorptionsspektrums-Messungen.
  50. Ein System gemäß Patentanspruch 49: wobei das System weiterhin konfiguriert ist, um zweidimensionale Fouriertransformations-Spektroskopietechniken zu implementieren für die Extraktion von zweidimensionaler Emissions-/Absorptions-Spektralinformation.
  51. Ein System gemäß Patentanspruch 49, weiterhin konfiguriert für eine mehrdimensionale Spektroskopie.
  52. Das CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei das System eine digitale und/oder analoge phasengekoppelte Schleife umfasst.
  53. Das CDSL gemäß Patentanspruch 1, wobei die Abbildungsausrüstung ferner eine Detektoranordnung in der fokalen Ebene umfasst.
  54. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem zum Erzeugen von Pulspaaren mit einer variablen Zeitverzögerung, wobei das System umfasst: eine optische Quelle, wobei die optische Quelle umfasst: mindestens einen modengekoppelten Oszillator, wobei die Quelle optische Pulse bei einer bzgl. der Zeit variablen Wiederholungsrate erzeugt; einen Wiederholungsraten-Modulator, der konfiguriert ist, um die Wiederholungsrate bei einer Modulationsrate zu modulieren, wobei die Quelle einen Output erzeugt, welcher die Pulspaare umfasst; und eine optische Referenz, die mindestens ein optisches Element umfasst, welches zum Erzeugen eines Referenzsignals konfiguriert ist, um zumindest die Zeitverzögerung zwischen den beiden Pulsen des Pulspaares als eine Funktion der Zeit zu messen.
  55. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei die Quelle weiterhin einen ersten Strahlteiler stromabwärts des modengekoppelten Oszillators umfasst, wobei der Strahlteiler konfiguriert ist, um den Output des modengekoppelten Oszillators entlang von zwei optischen Wegen, die verschiedene Ausbreitungslängen besitzen, auszubreiten; einen Strahl-Kombinierer, der konfiguriert ist, um Pulse, welche sich entlang der beiden optischen Wege ausbreiten, zu rekombinieren.
  56. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei der Strahlteiler und der Strahl-Kombinierer aus identischen Komponenten konstruiert werden.
  57. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei der Strahlteiler und/oder der Strahl-Kombinierer einen Faserkoppler, einen voluminösen optischen Strahlteiler, oder eine Kombination derselben umfassen.
  58. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei die Quelle einen zweiten modengekoppelten Oszillator umfasst, der bei einer zweiten Wiederholungsrate arbeitet, wobei ein erster Puls von dem Pulspaar mit der ersten Quelle erzeugt wird, und ein zweiter Puls von dem Pulspaar mit der zweiten Quelle erzeugt wird.
  59. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 58, wobei die zweite Wiederholungsrate des zweiten Oszillators annähernd konstant ist.
  60. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, weiterhin umfassend mindestens ein optisches Element, welches konfiguriert ist, um eine Messung einer Differenz in der Phase der Trägerwelle-Einhüllenden zwischen den beiden Pulsen des Pulspaares zu liefern
  61. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei der Wiederholungsraten-Modulator eine Resonatorlänge des entsprechenden Oszillators moduliert.
  62. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei die Modulationsrate größer als ungefähr 10 Hz ist.
  63. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei der Wiederholungsraten-Modulator eines der folgenden umfasst: einen Resonatorspiegel, der auf einem piezoelektrischen Aufnehmer montiert ist, ein MEMS, einen MOEMS-Spiegel, einen akusto-optischen, elektro-mechanischen oder einen innerhalb des Resonators liegenden elektro-optischen Modulator.
  64. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei die optische Referenz ein Interferometer umfasst, um eine Position eines innerhalb des Resonators angeordneten Elements des modengekoppelten Oszillators zu messen.
  65. Ein kohärentes Abtast-Lasersystemn gemäß Patentanspruch 64, wobei das innerhalb des Resonators angeordnete Element einen Resonatorspiegel des modengekoppelten Oszillators umfasst.
  66. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei die optische Referenz mindestens ein schmalbandiges Bandpass-Spektralfilter umfasst, um die Pulspaare zu filtern.
  67. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei die optische Referenz mindestens einen Dauerstrich-Referenzlaser umfasst, welcher konfiguriert ist, um Schwebungssignale zwischen den Pulspaaren und dem mindestens einen Referenzlaser aufzuzeichnen.
  68. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 55, weiterhin umfassend einen Stabilisierer für die aktive Stabilisierung der unterschiedlichen Ausbreitungslängen.
  69. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 55, weiterhin umfassend einen Referenzlaser, der konfiguriert ist, um die unterschiedliche Ausbreitungslänge zu messen.
  70. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, weiterhin umfassend eine spektrale Verbreiterungsstufe stromabwärts von der Quelle oder dem modengekoppelten Oszillator.
  71. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 55, weiterhin umfassend ein Element zum Angleichen der Dispersion entlang der verschiedenen Ausbreitungswege.
  72. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, weiterhin umfassend Detektoren, um ein Interferogramm zwischen den Pulspaaren zu detektieren.
  73. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, weiterhin umfassend Mittel zum Erzeugen von Abtastpunkten bei äquidistanten optischen Weglängendifferenzen zwischen den Pulsen, aus denen das Pulspaar besteht.
  74. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei das kohärente Abtast-Lasersystem als ein Teil eines Systems zur Fouriertransformations-Spektroskopie konfiguriert ist.
  75. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei die Modulationsrate größer als etwa 1 kHz.
  76. Ein Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 73, wobei das Mittel zum Erzeugen von Abtastpunkten bei äquidistanten optischen Weglängendifferenzen weiterhin die Detektion eines Referenz-Interferogramms umfasst und die Nullpunkt-Durchgänge des Referenz-Interferogramms zum Abtasten eines zweiten Interferogramms verwendet.
  77. Ein CSL gemäß Patentanspruch 54, wobei das kohärente Abtast-Lasersystem als ein Teil eines Systems für zweidimensionale Fouriertransformations-Spektroskopie konfiguriert ist.
  78. Ein kohärentes duales Abtast-Lasersystem (CDSL), umfassend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein ist im Vergleich den Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren; mindestens einen Verstärkungsresonator zum Multiplizieren der Wiederholungsrate des mindestens einen Oszillators mit einem ganzzahligen Faktor; Mittel zum Koppeln der Wiederholrate und der Phase des mindestens einen Oszillators an den mindestens einen Verstärkungsresonator; und Mittel zur Detektion eines Interferogramms zwischen den beiden Oszillatoren nach der Wiederholungsraten-Multiplikation des einen Oszillators.
  79. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 78, weiterhin umfassend einen Abschnitt zur nicht-linearen Frequenzumwandlung, welcher mit jedem Oszillator optisch verbunden ist, wobei der Abschnitt ein nicht-lineares optisches Element umfasst, welches ein frequenzgewandeltes Spektrum erzeugt mit einer spektralen Abdeckung, die die spektrale Abdeckung der Oszillatoren übersteigt.
  80. Ein CSL gemäß Patentanspruch 54, wobei die optische Referenz ein Kalibriersignal erzeugt, und weiterhin einen Signalprozessor umfasst, der das Kalibrierungssignal empfängt und die variablen Pulsverzögerungen als eine Funktion der Zeit über mehr als einen Modulationszyklus des Wiederholungsraten-Modulators kalibriert.
  81. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 54, welches weiterhin für Anrege-Abfrage-Messungen konfiguriert ist.
  82. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 55, weiterhin umfassend ein Element zur Verstärkung der Pulse entlang von zumindest einem Teil der beiden Ausbreitungswege.
  83. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 55, wobei die optischen Wege eines oder beides umfassen von: einer voluminösen optischen Komponente und einer Länge von optischer Faser.
  84. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem zum Erzeugen von Pulspaaren mit einer variablen Zeitverzögerung, wobei das System umfasst: eine optische Quelle, die einen Output erzeugt, welcher optische Pulse bei einer Wiederholungsrate umfasst, wobei die Wiederholungsrate moduliert wird, wobei die Quelle mindestens einen modengekoppelten Oszillator stromaufwärts von dem Output und einen ersten Strahlteiler aufweist, wobei der Strahlteiler den Output in zwei optische Wege aufteilt, die unterschiedliche Ausbreitungslängen besitzen, wobei die Pulse, die sich entlang der beiden optischen Wege ausbreiten, bei einem zweiten Strahlteiler rekombiniert werden.
  85. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 84, wobei der erste und der zweite Strahlteiler identisch sind.
  86. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 84, welches für Fouriertransformations-Spektroskopie konfiguriert ist.
  87. Ein kohärentes duales Abtast-Lasersystem (CDSL), umfassend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten, fr1 bzw. fr2 zu arbeiten, so dass eine Differenz bei den Wiederholungsraten δfr = fr1 – fr2 klein ist im Vergleich zu Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren, wobei der erste Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt, und der zweite Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt; wobei die ersten und zweiten modengekoppelten Oszillatoren weiterhin konfiguriert sind, um mit zwei Phasenschlupffrequenzen, fceo1 bzw. fceo2, zu arbeiten, mit einem Unterschied bei den Phasenschlupffrequenzen von Δfceo = fceo1 – fceo2, wobei Δfceo nicht notwendigerweise verschieden von Null ist; mindestens einen Dauerstrich-Referenzlaser, der bei einer entsprechenden Dauerstrich-Referenzfrequenz fx arbeitet, wobei der Dauerstrich-Referenzlaser optisch mit jedem der ersten und zweiten Oszillatoren verbunden ist, und einen Output besitzt, welcher sich innerhalb der Emissions-Einhüllenden von jedem der Oszillatoren befindet, wobei der Dauerstrich-Referenzlaser eine Frequenz hat, die um fb1 von einer Frequenzlinie des ersten Oszillators entfernt ist und um fb2 von einer Frequenzlinie des zweiten Oszillators entfernt ist; Mittel zum Erzeugen von mindestens einem Radiowellen-Signal, welches proportional ist zu irgendeinem von: Δf2 = fb1 – fb2, fb1, fb2, δfr, fr1, fr2, Δfceo, fceo1, fceo2, wobei das Radiowellen-Signal bezüglich eines externen Radiowellen-Referenzsignals stabilisiert wird; Mittel zum Detektieren der restlichen Phasendifferenz zwischen dem Radiowellen-Signal und dem Radiowellen-Referenzsignal; Mittel, welche einen Signalprozessor umfassen, zum Anwenden der detektierten Phasendifferenz, um Korrekturen zu erhalten für den Wert von irgendeinem der Δf2, fb1, fb2, δfr, fr1, fr2, Δfceo, fceo1, fceo2.
  88. Ein kohärentes duales Abtast-Lasersystem (CDSL) gemäß Patentanspruch 87, wobei das Radiowellen-Signal bezüglich der externen Radiowellen-Referenz über phasengekoppelte Schleifen oder ein Frequenzkopplungsschema stabilisiert wird,
  89. Ein kohärentes duales Abtast-Lasersystem (CDSL), umfassend: erste und zweite passiv modengekoppelte Oszillatoren, wobei die Oszillatoren konfiguriert sind, um bei leicht verschiedenen Wiederholungsraten zu arbeiten, so dass eine Differenz δfr bei den Wiederholungsraten klein ist im Vergleich zu Werten fr1 und fr2 der Wiederholungsraten der ersten und zweiten Oszillatoren, wobei der erste Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr1 haben, innerhalb einer ersten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt, und der zweite Oszillator mehrere Frequenzlinien, die einen Abstand fr2 haben, innerhalb einer zweiten optischen Emissions-Einhüllenden erzeugt; Mittel zum Detektieren von Schwebungsfrequenzen Δf2 und Δf1, wobei die Schwebungsfrequenzen der Differenz zwischen zwei nächstbenachbarten Kammlinien von den beiden Oszillatoren an zwei verschiedenen Positionen innerhalb der optischen Emissions-Einhüllenden entsprechen; wobei die Mittel zum Detektieren von Schwebungsfrequenzen das optische Kombinieren des Outputs der beiden modengekoppelten Oszillatoren verwenden, und das Durchlaufenlassen des kombinierten Outputs durch zwei separate schmalbandige optische Bandpass-Filter; wobei die Schwebungsfrequenzen über phasengekoppelte Schleifen an externe Radiowellen-Referenzsignale gekoppelt werden.
  90. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei das kohärente Abtast-Lasersystem als Teil eines Systems für Fouriertransformations-Spektroskopie mit einer spektralen Auflösung < 1 cm–1 konfiguriert ist.
  91. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, wobei das kohärente Abtast-Lasersystem als ein Teil eines Systems für Fouriertransformations-Spektroskopie mit einer spektralen Auflösung < 0,1 cm–1 konfiguriert ist.
  92. Ein CDSL gemäß Patentanspruch 2, wobei der Abschnitt zur nicht-linearen Frequenzumwandlung einen optischen parametrischen Oszillator umfasst.
  93. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 92, wobei der optische parametrische Oszillator weiterhin eine Gaszelle zur Spurengas-Detektion umfasst.
  94. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 70, wobei die spektrale Verbreiterungsstufe einen optischen parametrischen Oszillator umfasst.
  95. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 94, wobei der optische parametrische Oszillator weiterhin eine Gaszelle zur Spurengas-Detektion umfasst.
  96. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 54, weiterhin umfassend eine dual balancierte Detektionsanordnung, um Amplitudenrauschen in dem Interferogramm zu begrenzen.
  97. Ein kohärentes Abtast-Lasersystem gemäß Patentanspruch 72, weiterhin umfassend eine dual balancierte Detektionsanordnung, um Amplitudenrauschen in dem Interferogramm zu begrenzen.
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Families Citing this family (105)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7414780B2 (en) 2003-06-30 2008-08-19 Imra America, Inc. All-fiber chirped pulse amplification systems
US7486705B2 (en) 2004-03-31 2009-02-03 Imra America, Inc. Femtosecond laser processing system with process parameters, controls and feedback
JP2007110064A (ja) * 2005-09-14 2007-04-26 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd レーザアニール方法及び装置
US8571075B2 (en) 2010-11-29 2013-10-29 Imra America, Inc. Frequency comb source with large comb spacing
US9886549B2 (en) 2007-12-07 2018-02-06 Roche Diabetes Care, Inc. Method and system for setting time blocks
JP5721940B2 (ja) * 2009-11-04 2015-05-20 オリンパス株式会社 光スペクトル検出方法
US20120253721A1 (en) * 2011-03-29 2012-10-04 Georgia Tech Research Corporation Determining characteristics of ultrashort pulses
US9793673B2 (en) 2011-06-13 2017-10-17 Kla-Tencor Corporation Semiconductor inspection and metrology system using laser pulse multiplier
JP5610399B2 (ja) * 2011-08-02 2014-10-22 独立行政法人科学技術振興機構 ポンププローブ測定装置
US8411354B2 (en) 2011-08-05 2013-04-02 Coherent, Inc. Carrier-envelope-phase stabilization of a master oscillator optical amplifier system
EP2762859B1 (de) * 2011-09-30 2019-08-21 Tokyo University of Science, Educational Foundation Optisches interferometer, informationserfassungsvorrichtung und informationserfassungsverfahren
US8581643B1 (en) 2011-10-28 2013-11-12 Lightlab Imaging, Inc. Phase-lock loop-based clocking system, methods and apparatus
US9151592B2 (en) * 2012-01-03 2015-10-06 Skorpios Technologies, Inc. Method and system for multiple resonance interferometer
EP2813010B1 (de) * 2012-02-07 2016-01-13 Telefonaktiebolaget L M Ericsson (publ) Photonischer hf-generator
CN102608825B (zh) * 2012-03-02 2015-04-29 北京航空航天大学 一种实现多频光梳的方法和系统
WO2013127370A1 (zh) * 2012-03-02 2013-09-06 北京航空航天大学 一种光异步采样信号测量的方法和系统
CN102628797B (zh) * 2012-04-18 2013-08-28 山东省科学院激光研究所 基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统
US9354485B2 (en) 2012-05-01 2016-05-31 Imra America, Inc. Optical frequency ruler
US8665434B2 (en) * 2012-06-04 2014-03-04 Empire Technology Development Llc Integrated Raman spectroscopy detector
US20150223681A1 (en) * 2012-08-30 2015-08-13 The Board Of Regents Of The University Of Texas Systems Method and Apparatus for Ultrafast Multi-Wavelength Photothermal Optical Coherence Tomography (OCT)
CN102967566A (zh) * 2012-11-14 2013-03-13 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种高精密度快速痕量分析装置
US9151940B2 (en) * 2012-12-05 2015-10-06 Kla-Tencor Corporation Semiconductor inspection and metrology system using laser pulse multiplier
KR101979249B1 (ko) * 2012-12-21 2019-05-16 한국전자통신연구원 비팅 신호 모니터링 모듈, 그것을 포함하는 테라헤르츠파 발생 장치 및 광신호 모니터링 장치
WO2015045266A1 (ja) * 2013-09-24 2015-04-02 国立大学法人東京農工大学 測定装置
US20160268766A1 (en) * 2013-10-21 2016-09-15 Genia Photonics Inc. Synchronized tunable mode-locked lasers
DE112014005158B4 (de) 2013-11-12 2022-02-17 Imra America, Inc. Kompakte faserbasierte Kurzpuls-Laserquellen
US9363583B2 (en) 2013-12-27 2016-06-07 Futurewei Technologies, Inc. System and method for reducing the stimulated Raman scattering crosstalk in channel monitoring
FR3020526B1 (fr) * 2014-04-28 2016-05-27 Thales Sa Procede de generation de m signaux de demodulation
EP3155384B1 (de) * 2014-06-16 2023-08-30 ETH Zürich Verfahren zur hochauflösenden spektroskopie in einer multi-heterodyn anordnung und entsprechendes multi-heterodyn spektrometer
US9525265B2 (en) 2014-06-20 2016-12-20 Kla-Tencor Corporation Laser repetition rate multiplier and flat-top beam profile generators using mirrors and/or prisms
US9995627B2 (en) * 2014-07-31 2018-06-12 Smiths Detection Inc. Raster optic device for optical hyper spectral scanning
JP6598437B2 (ja) * 2014-08-18 2019-10-30 キヤノン株式会社 光パルス同期装置および顕微鏡システム
KR101603909B1 (ko) 2014-10-02 2016-03-16 광주과학기술원 위상잡음 보상 방법을 이용한 광혼합 방식의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치
CN104316180B (zh) * 2014-11-02 2016-06-01 华东师范大学 基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法
CN104506297A (zh) * 2014-12-16 2015-04-08 北京大学 一种基于数字补偿系统的频率传递系统及其传递方法
JP6278917B2 (ja) * 2015-03-10 2018-02-14 日本電信電話株式会社 成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法
DE102015113355B4 (de) * 2015-08-13 2019-01-24 Toptica Photonics Ag Optische Abtastung
US10126170B2 (en) * 2015-09-10 2018-11-13 Massachusetts Institute Of Technology Computationally-assisted multi-heterodyne spectroscopy
CN105092560A (zh) * 2015-09-14 2015-11-25 哈尔滨工业大学 一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置及方法
JP2017059683A (ja) * 2015-09-16 2017-03-23 国立大学法人 東京大学 レーザー発振器及びレーザー発振器を備えた分光装置、光コヒーレンストモグラフィ装置、非同期光サンプリング装置、長距離絶対距離計測装置、ｃｗレーザー高速高分解能分光装置
TWI634756B (zh) * 2015-12-15 2018-09-01 呂海涵 可見光二階注入鎖模技術所建構之１０ｍ／２５Ｇｂｐｓ無線光通訊傳輸系統
JP2017133853A (ja) * 2016-01-25 2017-08-03 株式会社リコー 測距装置
US10101600B2 (en) * 2016-02-21 2018-10-16 Flir Systems, Inc. Systems and methods for amplification of back-scattered signal by laser source cavity
US9865982B1 (en) * 2016-03-30 2018-01-09 Rockwell Collins, Inc. Environmentally robust and compact mode-locked laser
US9960843B2 (en) * 2016-04-21 2018-05-01 Ciena Corporation Nonlinear spatially resolved interferometer (NL-SRI) for characterizing optical properties of deployed telecommunication cables
WO2017222022A1 (ja) * 2016-06-23 2017-12-28 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 ファイバーレーザー回路
US10121224B2 (en) * 2016-07-28 2018-11-06 Raytheon Company Device and method of multi-dimensional frequency domain extrapolation of sensor data
WO2018044500A1 (en) * 2016-09-01 2018-03-08 Imra America, Inc. Ultra low noise photonic phase noise measurement system for microwave signal
US10533836B2 (en) 2016-09-15 2020-01-14 The Regents Of The University Of Michigan Multidimensional coherent spectroscopy using frequency combs
EP3538941A4 (de) 2016-11-10 2020-06-17 The Trustees of Columbia University in the City of New York Schnelles hochauflösendes bildgebungsverfahren für grosse proben
US10119917B2 (en) * 2016-11-11 2018-11-06 B & W Tek LLC Apparatus and method for bidirectional Raman spectroscopy
WO2018104938A1 (en) * 2016-12-05 2018-06-14 Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem Ltd. A radio-frequency (rf) system and a method thereof
CN106788761B (zh) * 2016-12-10 2019-05-07 西安电子科技大学 一种混合光编码方法及装置
CN110168822B (zh) * 2017-01-05 2021-07-20 Ipg光子公司 具有载波包络偏移频率检测的光学频率梳发生器
US10584372B1 (en) * 2017-01-19 2020-03-10 Arun Ananth Aiyer Sensor device and method for label-free detection of double strand nucleotides
US20190393671A1 (en) * 2017-01-30 2019-12-26 Ipg Photonics Corporation Tunable nonlinear solid state raman laser source
JP6963322B2 (ja) * 2017-02-28 2021-11-10 国立大学法人電気通信大学 光コムの制御方法及び光コムの制御装置
FR3066862A1 (fr) * 2017-05-23 2018-11-30 Centre National D'etudes Spatiales Dispositif de spectroscopie a distance a une source laser complexe et procede de spectroscopie a distance associe
JP7032689B2 (ja) * 2017-05-24 2022-03-09 学校法人東京理科大学 光学測定装置および光学測定方法
JP6804061B2 (ja) * 2017-06-06 2020-12-23 日本電信電話株式会社 誘電分光装置
WO2019023015A1 (en) * 2017-07-25 2019-01-31 Imra America, Inc. MULTI PULSE AMPLIFICATION
CN107706707B (zh) * 2017-10-27 2019-07-26 北方工业大学 低噪声光多频可调振荡器
CN109921275A (zh) * 2017-12-13 2019-06-21 深圳新飞通光电子技术有限公司 快速调频的外腔激光器
CN108318143B (zh) * 2017-12-18 2019-08-02 中国科学院西安光学精密机械研究所 高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统
JP7194438B2 (ja) * 2018-03-02 2022-12-22 国立大学法人電気通信大学 ２次元分光計測方法及び２次元分光計測装置
WO2019167477A1 (ja) * 2018-03-02 2019-09-06 国立大学法人電気通信大学 ２次元分光法及び２次元分光装置
WO2019167476A1 (ja) * 2018-03-02 2019-09-06 国立大学法人電気通信大学 干渉信号強度取得方法及び干渉信号強度取得装置
DE102018109250A1 (de) * 2018-04-18 2019-10-24 INOEX GmbH Innovationen und Ausrüstungen für die Extrusionstechnik Verfahren und THz-Messgerät zur Vermessung eines Messobjektes mit elektromagnetischer Strahlung
CN108896965B (zh) * 2018-04-26 2022-05-17 北京理工大学 200GHz频段信号收发测量系统
FR3081738B1 (fr) * 2018-06-05 2020-09-04 Imagine Optic Procedes et systemes pour la generation d'impulsions laser de forte puissance crete
US10401383B2 (en) * 2018-06-15 2019-09-03 Mark J. Hagmann Frequency comb feedback control for scanning probe microscopy
FR3082623B1 (fr) * 2018-06-19 2020-06-05 Office National D'etudes Et De Recherches Aerospatiales (Onera) Lidar a detection heterodyne par oscillateur local et double faisceau de sondage, a une ou plusieurs frequences simultanees, et procede de detection lidar par detection a double heterodynage.
IT201800007429A1 (it) * 2018-07-23 2020-01-23 Metodo ed apparato per mantenere la condizione di risonanza simultanea di due campi elettromagnetici distinti in una cavità
WO2020089740A1 (en) * 2018-10-31 2020-05-07 Agilent Technologies, Inc. Flash timing randomisation
JP7152761B2 (ja) * 2018-11-26 2022-10-13 株式会社Xtia 光コム発生装置
CN109612590B (zh) * 2018-12-27 2020-05-26 中国科学院半导体研究所 超快光波长测量系统
JP7014192B2 (ja) * 2019-01-25 2022-02-01 横河電機株式会社 フーリエ分光分析装置
WO2020167370A1 (en) * 2019-02-11 2020-08-20 Massachusetts Institute Of Technology High-performance on-chip spectrometers and spectrum analyzers
US11913886B2 (en) * 2019-06-17 2024-02-27 Georgia Tech Research Corporation Low-aberration high-speed-compatible optical delay lines and methods thereof
CN112114322A (zh) * 2019-06-21 2020-12-22 广州印芯半导体技术有限公司 飞时测距装置及飞时测距方法
CN110401098B (zh) * 2019-07-10 2020-07-14 中国电子科技集团公司第四十四研究所 一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制装置
CN110401099B (zh) * 2019-07-10 2020-07-14 中国电子科技集团公司第四十四研究所 一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法
CN112311468A (zh) * 2019-08-01 2021-02-02 上海交通大学 基于非脉冲信号的线性光采样方法及系统
WO2021097140A1 (en) * 2019-11-13 2021-05-20 President And Fellows Of Harvard College Widely tunable compact terahertz gas lasers
CN110927092B (zh) * 2019-11-29 2021-01-19 清华大学 一种双电光频率梳式中红外光谱仪
US20230028731A1 (en) * 2019-12-09 2023-01-26 Institut National De La Recherche Scientifique Method and system for measuring carrier-to-envelope phase fluctuations of a femtosecond laser pulse
US11681033B2 (en) * 2020-05-07 2023-06-20 Beijing Voyager Technology Co., Ltd. Enhanced polarized light collection in coaxial LiDAR architecture
EP3916365A1 (de) * 2020-05-25 2021-12-01 Aragon Photonics Labs, S.L.U. Verfahren und system zum abfragen von optischen fasern
KR102340037B1 (ko) * 2020-09-03 2021-12-20 한국원자력연구원 가스 식별 장치 및 식별 방법
CN112202044B (zh) * 2020-09-24 2022-12-16 国科光芯(海宁)科技股份有限公司 一种基于模式转换的激光系统及激光生成方法
CN112362173B (zh) * 2020-11-18 2022-08-09 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种基于差频双梳的激光波长测量装置及方法
CN114649732B (zh) * 2020-12-21 2024-07-12 北京大学 一种饱和吸收谱激光锁频方法、装置及锁频激光器
CN112782106B (zh) * 2020-12-23 2021-11-30 山西大学 一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置和方法
US11821807B2 (en) 2021-01-25 2023-11-21 Ciena Corporation Estimating nonlinear phase shift in a multi-span fiber-optic link using a coherent receiver
JP2023016496A (ja) * 2021-07-21 2023-02-02 秀俊 香取 ラムゼー分光装置、光格子時計およびラムゼー分光方法
CN114878514A (zh) * 2021-08-13 2022-08-09 北京聚恒博联科技有限公司 一种高分辨率温室气体激光外差光谱仪
US11598798B1 (en) * 2021-08-18 2023-03-07 Eagle Technology, Llc Sensor receiver having Rydberg cell and spaced apart pulsed probe beams and associated methods
US11815538B2 (en) * 2021-08-18 2023-11-14 Eagle Technology, Llc Sensor receiver having a Rydberg cell with a plurality of excitation sources and associated methods
CN113890625B (zh) * 2021-09-26 2024-02-02 中国科学院光电技术研究所 一种用于阵列光通信望远镜相位对准的装置和方法
CN114414522B (zh) * 2021-12-27 2024-06-11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 采用太赫兹光学自探测表征光频梳相干光谱的装置和方法
CN114552355B (zh) * 2022-01-27 2023-06-09 中国科学院福建物质结构研究所 一种偏振分离复合腔钬激光器
CN114544494B (zh) * 2022-02-11 2024-04-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于超连续谱光源的主动探测激光外差光谱仪大气成分探测装置
CN114460060B (zh) * 2022-02-28 2023-10-03 复旦大学 一种用于纳/微塑料快速检测的拉曼光谱成像系统及方法
WO2023243365A1 (ja) * 2022-06-14 2023-12-21 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 レーザ装置
CN114942228B (zh) * 2022-07-21 2022-10-21 中国人民解放军国防科技大学 材料瞬态特性的精准测量装置及方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1991000079A1 (en) 1989-06-26 1991-01-10 Tadashi Iura Bed
US5778016A (en) 1994-04-01 1998-07-07 Imra America, Inc. Scanning temporal ultrafast delay methods and apparatuses therefor
US6396836B2 (en) 1998-12-08 2002-05-28 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Arrangement for establishing connections through a network
US6393856B1 (en) 1998-11-20 2002-05-28 Fujitsu General Limited Air conditioner
US7190705B2 (en) 2000-05-23 2007-03-13 Imra America. Inc. Pulsed laser sources
US7203402B2 (en) 2001-04-13 2007-04-10 Menlo Biocombs, Inc. Frequency comb analysis
WO2009000079A1 (en) 2007-06-26 2008-12-31 Universite Laval Referencing of the beating spectra of frequency combs
WO2010010437A1 (en) 2008-07-25 2010-01-28 Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs Fourier transform spectrometer with a frequency comb light source

Family Cites Families (67)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US765997A (en) * 1904-02-01 1904-07-26 Apex Mfg Company Ore-roasting furnace.
JPS4619503Y1 (de) 1967-02-17 1971-07-07
US4191473A (en) 1978-01-09 1980-03-04 Hansch Theodor W Method of and apparatus for measuring the absolute wavelength of a source of unknown frequency radiation
US4451923A (en) 1980-12-01 1984-05-29 Hansch Theodor W Method of and apparatus for measuring optical frequency variations
US4700150A (en) 1985-06-14 1987-10-13 Stanford University External laser frequency stabilizer
JPH0619503B2 (ja) 1985-12-13 1994-03-16 キヤノン株式会社 カメラのデ−タ記録装置
DE3906068C2 (de) 1989-02-27 1995-03-16 Max Planck Gesellschaft Einrichtung zur Modulation einer optischen Welle mit einer Mikrowelle
US5121248A (en) * 1989-07-06 1992-06-09 Dynetics, Inc. Acousto-optic time-integrating signal processor
US5379309A (en) 1993-08-16 1995-01-03 California Institute Of Technology High frequency source having heterodyned laser oscillators injection-locked to a mode-locked laser
US5359612A (en) 1993-09-29 1994-10-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy High repetition rate, mode locked, figure eight laser with extracavity feedback
JPH07103828A (ja) * 1993-09-30 1995-04-21 Ando Electric Co Ltd 周波数可変特性評価装置
US5479422A (en) 1994-08-12 1995-12-26 Imra America, Inc. Controllabel dual-wavelength operation of modelocked lasers
DE4437575C2 (de) 1994-10-20 2000-05-25 Max Planck Gesellschaft Spektrometer mit kohärenter und periodisch gepulster Strahlung
US6249630B1 (en) * 1996-12-13 2001-06-19 Imra America, Inc. Apparatus and method for delivery of dispersion-compensated ultrashort optical pulses with high peak power
US6097741A (en) 1998-02-17 2000-08-01 Calmar Optcom, Inc. Passively mode-locked fiber lasers
US5909469A (en) 1997-08-29 1999-06-01 Telefonaktoebolaget Lm Ericsson Link adaptation method for links using modulation schemes that have different symbol rates
DE19750320C1 (de) 1997-11-13 1999-04-01 Max Planck Gesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Lichtpulsverstärkung
JP4132172B2 (ja) * 1998-02-06 2008-08-13 浜松ホトニクス株式会社 パルスレーザ加工装置
US6072811A (en) 1998-02-11 2000-06-06 Imra America Integrated passively modelocked fiber lasers and method for constructing the same
JP3378502B2 (ja) * 1998-05-15 2003-02-17 日本電信電話株式会社 光信号波形測定方法
US6252892B1 (en) 1998-09-08 2001-06-26 Imra America, Inc. Resonant fabry-perot semiconductor saturable absorbers and two photon absorption power limiters
US6192058B1 (en) 1998-09-18 2001-02-20 Sarnoff Corporation Multiwavelength actively mode-locked external cavity semiconductor laser
DE19911103B4 (de) 1999-03-12 2005-06-16 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Erzeugung stabilisierter, ultrakurzer Lichtpulse und deren Anwendung zur Synthese optischer Frequenzen
US6654394B1 (en) 1999-07-01 2003-11-25 The Research And Development Institute, Inc. Laser frequency stabilizer using transient spectral hole burning
DE19962047A1 (de) 1999-12-22 2001-06-28 Univ Karlsruhe Vorrichtung zur Stabilisierung der Dynamik von Laser-Systemen
US6885683B1 (en) 2000-05-23 2005-04-26 Imra America, Inc. Modular, high energy, widely-tunable ultrafast fiber source
US6724788B1 (en) 2000-09-06 2004-04-20 Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften E.V. Method and device for generating radiation with stabilized frequency
DE10044405C2 (de) 2000-09-08 2003-07-10 Max Planck Gesellschaft Verfahren zur Erzeugung von Radiofrequenzwellen und Radiofrequenzgenerator
DE10044404C2 (de) 2000-09-08 2002-08-14 Max Planck Gesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von stabilisierten ultrakurzen Laser-Lichtpulsen
US6590910B2 (en) 2000-09-22 2003-07-08 Calmar Optcom, Inc. Actively mode-locked fiber laser with controlled chirp output
US6570704B2 (en) 2001-03-14 2003-05-27 Northrop Grumman Corporation High average power chirped pulse fiber amplifier array
US6954575B2 (en) 2001-03-16 2005-10-11 Imra America, Inc. Single-polarization high power fiber lasers and amplifiers
CA2443504A1 (en) 2001-04-11 2002-10-24 University Of Southampton Sources of, and methods for generating, optical pulses
JP3895560B2 (ja) 2001-06-29 2007-03-22 富士通株式会社 光信号の波形を測定する方法及び装置
US6813447B2 (en) 2002-05-23 2004-11-02 Corning Incorporated Recovery of clock pulses of wavelength division multiplexed optical signals
US6814376B2 (en) 2002-08-08 2004-11-09 Triquint Technology Holding Co. Method and system for generating short pulse signals
US6775447B2 (en) 2002-09-20 2004-08-10 Fitel Usa Corp. All fiber low noise supercontinuum source
US7218443B2 (en) 2003-02-25 2007-05-15 Toptica Photonics Ag Generation of tunable light pulses
DE102004009068B4 (de) 2003-02-25 2007-05-24 Toptica Photonics Ag Faseroptische Verstärkung von Lichtimpulsen
US7224518B2 (en) 2003-02-25 2007-05-29 Toptica Photonics Ag Fiber-optic amplification of light pulses
US7414780B2 (en) 2003-06-30 2008-08-19 Imra America, Inc. All-fiber chirped pulse amplification systems
US6856737B1 (en) 2003-08-27 2005-02-15 Mesophotonics Limited Nonlinear optical device
US7027468B2 (en) 2003-09-22 2006-04-11 Corning Incorporated Phase-insensitive recovery of clock pulses of wavelength division multiplexed optical signals
US7038781B2 (en) 2003-10-01 2006-05-02 Coherent, Inc. Time correlation of ultrafast laser pulses
US20050169324A1 (en) 2004-01-30 2005-08-04 Ilday Fatih O. Self-similar laser oscillator
US7232642B2 (en) 2004-05-11 2007-06-19 Sumitomo Chemical Company, Limited Chemically amplified positive resist composition, a haloester derivative and a process for producing the same
US7586618B2 (en) * 2005-02-28 2009-09-08 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Distinguishing non-resonant four-wave-mixing noise in coherent stokes and anti-stokes Raman scattering
JP4565198B2 (ja) 2005-03-01 2010-10-20 国立大学法人大阪大学 高分解・高速テラヘルツ分光計測装置
US7672342B2 (en) 2005-05-24 2010-03-02 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method and radiation source for generating pulsed coherent radiation
DE102005035173B4 (de) 2005-07-27 2016-08-11 Menlo Systems Gmbh Interferometer, insbesondere für die Bestimmung und Stabillisierung der relativen Phase kurzer Pulse
US7809222B2 (en) 2005-10-17 2010-10-05 Imra America, Inc. Laser based frequency standards and their applications
DE102005050151B3 (de) * 2005-10-19 2006-11-02 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Abtastung von sich periodisch wiederholenden Ereignissen
FR2892511B1 (fr) 2005-10-21 2008-05-09 Centre Nat Rech Scient Dispositif d'echantillonnage optique heterodyne
US7531802B2 (en) 2005-12-27 2009-05-12 Rensselaer Polytechnic Institute Method of analyzing a remotely-located object utilizing an optical technique to detect terahertz radiation
US8120778B2 (en) 2009-03-06 2012-02-21 Imra America, Inc. Optical scanning and imaging systems based on dual pulsed laser systems
US7659977B2 (en) 2006-04-21 2010-02-09 Intel Corporation Apparatus and method for imaging with surface enhanced coherent anti-stokes raman scattering (SECARS)
DE102006023601B4 (de) 2006-05-19 2009-01-15 Menlo Systems Gmbh Lasersystem
US7450813B2 (en) 2006-09-20 2008-11-11 Imra America, Inc. Rare earth doped and large effective area optical fibers for fiber lasers and amplifiers
US7496260B2 (en) 2007-03-27 2009-02-24 Imra America, Inc. Ultra high numerical aperture optical fibers
KR100942380B1 (ko) 2007-11-23 2010-02-12 광주과학기술원 직접 잠금 방법을 적용한 레이저 펄스의 절대 위상 안정화장치 및 방법
JP4834718B2 (ja) 2008-01-29 2011-12-14 キヤノン株式会社 パルスレーザ装置、テラヘルツ発生装置、テラヘルツ計測装置及びテラヘルツトモグラフィー装置
DE102008026190B4 (de) 2008-05-30 2010-10-21 Menlo Systems Gmbh Vorrichtung zum Erzeugen oder Empfangen von Terahertz-Strahlung
DE102008026484A1 (de) 2008-06-03 2009-12-10 Skz - Kfe Ggmbh Kunststoff-Forschung Und -Entwicklung Verfahren zum Erzeugen zweier optischer Pulse mit variablem, zeitlichem Pulsabstand
AU2009273954B2 (en) 2008-07-24 2015-07-02 The Regents Of The University Of California Apparatus and method for dispersive Fourier-transform imaging
US8462427B2 (en) 2009-07-24 2013-06-11 Coherent, Inc. Carrier envelope phase stabilization of an optical amplifier
US8564785B2 (en) 2009-09-18 2013-10-22 The United States of America, as represented by the Secretary of Commerce, The National Institute of Standards and Technology Comb-based spectroscopy with synchronous sampling for real-time averaging
US8558993B2 (en) * 2010-05-21 2013-10-15 The National Institute of Standards and Technology, as Presented by the Secretary of Commerce Optical frequency comb-based coherent LIDAR

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1991000079A1 (en) 1989-06-26 1991-01-10 Tadashi Iura Bed
US5778016A (en) 1994-04-01 1998-07-07 Imra America, Inc. Scanning temporal ultrafast delay methods and apparatuses therefor
US6393856B1 (en) 1998-11-20 2002-05-28 Fujitsu General Limited Air conditioner
US6396836B2 (en) 1998-12-08 2002-05-28 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Arrangement for establishing connections through a network
US7190705B2 (en) 2000-05-23 2007-03-13 Imra America. Inc. Pulsed laser sources
US7203402B2 (en) 2001-04-13 2007-04-10 Menlo Biocombs, Inc. Frequency comb analysis
WO2009000079A1 (en) 2007-06-26 2008-12-31 Universite Laval Referencing of the beating spectra of frequency combs
WO2010010437A1 (en) 2008-07-25 2010-01-28 Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs Fourier transform spectrometer with a frequency comb light source
WO2010010444A1 (en) 2008-07-25 2010-01-28 Centre National De La Recherche Scientifique -Cnrs Interferometer with frequency combs and posteriori correction scheme

Non-Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Building Electro-Optical Systems" von P. C. D. Hobbs, John Wiley&Sons (2000)
'Building Electro-Optical Systems' von P. C. D. Hobbs, John Wiley&Sons (2000)
C. O. Weiss et al., in "Frequency measurements and control, advanced techniques and future trends", Vol. 79, S. 215-247 (2000)
I. Coddington et al. "Coherent multiheterodyne spectroscopy using stabilized comb sources" Phys. Rev. Lett., Vol. 100, S. 013902 (2008)
J. Kim et al., 'Long-term femtosecond timing link stabilization using a single-crystal balanced cross-correlator', Optics Letters, 32, S. 1044-1046 (2007)
J. Mandon et al. "Fourier transform spectroscopy with a laser frequency comb" in Nature Photonics, vol. 3, S. 99-102, 2009
J. Stenger et al. Phys. Rev. Lett., vol. 7, S. 073601-1-073601-4 (2002)
K. Holman et al., 'Precise frequency transfer through a fiber network by use of 1.5-mum mode-locked sources', Opt. Lett., vol. 29, S. 1554-1556 (2004)
K. Holman, D. Hudson, J. Ye and D. J. Jones., Opt. Lett., vol. 30, S. 1225-1227 (2005)
P. Hamm et al., in 'The twodimensional IR nonlinear spectroscopy of a cyclic penta-peptide in relation to its three-dimensional structure', Proc. Nat. Acad. Sci., 96, 2036 (1999)
R. M. Hochstrasser et al., 'Two-dimensional spectroscopy at infrared and optical frequencies', in Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 104, S. 1490 (2007)
S. A. Roy et al., 'Hybrid sampling approach for imaging Fourier-transform spectrometry', Applied Optics, vol. 46, S. 8482-8487 (2007)
S. Schiller et al., "Spectrometry with frequency combs", Opt. Lett., vol. 27, S. 766-768 (2002)
Schlug et al.
Schlug et al., 'Sensitive and selective detection of low-frequency vibrational modes through a phase-shifting Fourier-Transform Spectroscopy', IEEE J. Quantum Electronics, vol. 45, No. 7, S. 777-782 (2009)
von T. Sizer in 'Increase in laser repetition rate by spectral selection', IEEE J. Quantum Electronics, vol. 25, S. 97-103 (1989)

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