(57)【要約】  光学的撮像のためのスキャニング・パルス・レーザシステムに関し、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）とその幾つかのアプリケーションを開示する。具体例の様々な代替構成が示されている。少なくとも１つの実施例では、ＣＤＳＬは、２つの受動モード同期ファイバ発振器を含んでいる。或る実施例では、高効率ＣＤＳＬは１つのレーザだけ備えて構成している。少なくとも１つの実施例は、時間変動する時間遅延を伴ったパルス対を生成するコヒーレント走査型レーザシステム（ＣＳＬ）を含んでいる。ＣＤＳＬ、高効率ＣＤＳＬ、又はＣＳＬは、光学的撮像、顕微鏡検査、顕微鏡分光、及び／又はＴＨｚ撮像の１つ又は複数のための撮像システムに配置できる。
2013507005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成された第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器であって、前記繰り返し周波数の差δｆｒが前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さく、前記第１受動モード同期発振器は第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成し、前記第２受動モード同期発振器は第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器と、
それぞれｃｗ基準周波数ｆｘ及びｆｙで動作する第１ｃｗ基準レーザ及び第２ｃｗ基準レーザであって、前記第１ｃｗ基準レーザ及び第２ｃｗ基準レーザのそれぞれは、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器のそれぞれと光学的に接続され、前記受動モード同期発振器のそれぞれの発光包絡線内に位置する出力をつくる、前記第１ｃｗ基準レーザ及び第２ｃｗ基準レーザとを備え、
前記第１ｃｗ基準レーザが、前記第１受動モード同期発振器の周波数ラインからｆb1だけ分離し且つ前記第２受動モード同期発振器の周波数ラインからｆb2だけ分離した、周波数ラインを有し、
前記第２ｃｗ基準レーザが、前記第１受動モード同期発振器の周波数ラインからｆb3だけ分離し且つ前記第２受動モード同期発振器の周波数ラインからｆb4だけ分離した、周波数ラインを有し、
前記ｃｗ基準レーザと前記受動モード同期発振器が△ｆ２＝ｆb1−ｆb2と△ｆ１＝ｆb3−ｆb4に対応するＲＦビート周波数を生成するように配置され、
前記ＲＦビート周波数が、位相同期回路を介して外部ＲＦ基準信号にロックしていることを特徴とする、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）。
【請求項２】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器のそれぞれに光学的に接続された非線形周波数変換部を更に備え、前記非線形周波数変換部は、発振器スペクトルより実質的に広い帯域幅を有する広帯域スペクトルを生成する非線形光学素子を備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項３】
前記非線形周波数変換部が、多重入力周波数を受信して結合するとともにスペクトル出力をその異なる周波数で生成する出力部を備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項４】
前記ＣＤＳＬが、ＦＴＳの一部として配置され、前記ＦＴＳを用いて、前記発光包絡線内にスペクトル要素をもつ試験試料の物理的特性をプローブ測定する、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項５】
光学的撮像、顕微鏡検査、分光、顕微分光、ＴＨｚ撮像、発光分光、ラマン分光、誘導ラマン分光、ラマン分光撮像、多次元分光の１つ又は複数を、測定する測定装置又は撮像する撮像装置を更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項６】
前記測定装置又は撮像装置が、光学的スキャニング素子を備える、請求項５に記載のＣＤＳＬ。
【請求項７】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の一方の繰り返し周波数を制御するための位相同期回路を更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項８】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の一方の搬送波包絡線オフセット周波数を制御する、位相同期回路及びｆ−２ｆ干渉計を更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項９】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器が、モード同期固体レーザ発振器、モード同期ファイバレーザ発振器、又はモード同期ダイオードレーザ発振器を備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項１０】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器が、Ｎｄファイバ発振器、Ｙｂファイバ発振器、Ｔｍファイバ発振器、又はＥｒファイバ発振器を備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項１１】
前記システムが、１つ又は複数の受動モード同期発振器の出力を増幅する少なくとも１つのファイバ増幅器を備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項１２】
前記非線形周波数変換部が差周波発生器を備える、請求項２に記載のＣＤＳＬ。
【請求項１３】
前記システムが、少なくとも１つの受動モード同期発振器の下流側に設けたスーパーコンティニューム発生器を有する前記非線形周波数変換部を備える、請求項２に記載のＣＤＳＬ。
【請求項１４】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の少なくとも一方の搬送波包絡線オフセット周波数の絶対値をモニターする手段を更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項１５】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の一方又は両方の少なくとも繰り返し周波数をモニターする手段を更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項１６】
前記ビート周波数△ｆb1と△ｆb2を用いて、光領域の周波数グリッドに１対１の対応を有する、ＲＦ領域の周波数グリッドを生成する、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項１７】
前記第１ｃｗ基準レーザ及び第２ｃｗ基準レーザの周波数制御のために２つの基準共振器を更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項１８】
共振器に挿入した微量ガスの検出感度を改善するために、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の一方の繰り返し周波数に、往復時間が整合したエンハンスメント共振器を更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項１９】
請求項１に記載のＣＤＳＬと、
前記ＣＤＳＬの出力に応答して、ＴＨｚ放射を放出する物質と、
前記ＴＨｚ放射に応答する検出器
とを備える、システム。
【請求項２０】
前記ＣＤＳＬが、短い光パルス列を生成し、
前記光パルス列を空間的に結合し、下流側の共通光学的通路に向かって伝搬させるビーム結合器と、
前記共通光学的通路に沿って伝搬する前記光パルス列の少なくとも１つの列をスペクトル拡大する非線形光学素子と、
前記光パルス列が入る前のタイミングであって、前記光パルス列のパルスが時間的にオーバーラップしないときに、前記光パルス列間の干渉を検出するように、異なるアーム長を備えるデュアル・アーム干渉計
とを更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項２１】
前記アーム長の差が、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の共振器往復時間のほぼ１／３に対応する、請求項２０に記載のＣＤＳＬ。
【請求項２２】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の出力を結合するビームスプリッタと、
前記結合された受動モード同期発振器の出力が生成したビート信号を検出する、少なくとも１つの検出器と、
前記ビート信号が、前記ビームスプリッタの上流側、並びに、前記第１受動モード同期発振器の出力側及び前記第２受動モード同期発振器の出力側の光学的通路の少なくとも１箇所に挿入された試料の吸収スペクトル、発光スペクトル、又は位相スペクトルを表す場合において、前記ビート信号を受信して処理する信号プロセッサ
とを更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項２３】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の出力を結合するビームスプリッタと、
前記結合された受動モード同期発振器出力が生成したビート信号を検出する、少なくとも１つの検出器と、
前記ビート信号が、前記ビームスプリッタの下流側、並びに、前記第１受動モード同期発振器の出力側及び前記第２受動モード同期発振器の出力側の光学的通路の少なくとも１箇所に挿入された試料の吸収スペクトル、発光スペクトル、又は位相スペクトルを表す場合において、前記ビート信号を受信して処理する信号プロセッサ
とを更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項２４】
前記検出器は、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器間で繰り返し周波数の差の逆数を越える期間の、ビートスペクトルを記録するように配置されている、請求項２２に記載のＣＤＳＬ。         
【請求項２５】
基準スペクトルを記録する第２の検出器を更に備える、請求項２２に記載のＣＤＳＬ。
【請求項２６】
前記試料の吸収スペクトル若しくは発光スペクトル又は位相応答を記録する第２の検出器を更に備え、
検出感度が、前記２つの検出器間における検出電流の差を記録することにより更に高められる、請求項２２に記載のＣＤＳＬ。
【請求項２７】
偏光軸を有し、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の下流側に設けられた増幅器と、
前記増幅器の前記偏光軸に対応する偏光軸を有し、前記増幅器の出力に光学的に接続され、前記増幅器の出力を増幅及び周波数変換した出力を生成し、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器が、前記増幅器の異なる偏光軸に沿って、且つ前記増幅器の前記偏光軸に対応する前記偏光軸に沿って、それぞれの受動モード同期発振器の出力を伝搬する、非線形周波数変換部と、
増幅及び周波数変換した前記出力を前記２つの偏光軸に沿って分割する偏光ビームスプリッタと、
前記試料の下流側に設けられ、増幅及び周波数変換した前記出力を前記２つの偏光軸に沿って干渉的に結合するビームスプリッタと、
前記干渉的に結合する前記ビームスプリッタの２つの出力に沿って、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器間のビート信号を検出する複数の検出器と、
前記２つの検出器間における検出電流の差を記録する信号プロセッサ
とを更に備える、請求項２６に記載のＣＤＳＬ。
【請求項２８】
透過と反射の少なくとも１つにおいて、試料の吸収、発光、及び位相応答の１つ又は複数を記録する、二重平衡型検出配置を更に備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項２９】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の両方が、共通のポンプ・レーザでポンプ励起される、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項３０】
前記ＣＤＳＬが、前記ポンプ・パルス及び前記プローブ・パルス間の可変時間遅延を伴って、前記第１受動モード同期発振器から強いポンプビーム及び弱いプローブビームを発生し、
前記第２受動モード同期発振器が信号ビームをつくり、
前記ポンプビーム及び前記プローブビームが試料に結合し、
前記第２受動モード同期発振器が、前記プローブビームの伝搬特性の変更の検出に用いられ、前記変更は前記ポンプビームが誘導する、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項３１】
前記伝搬特性は位相又は吸収の変更を含む、請求項３０に記載のＣＤＳＬ。
【請求項３２】
前記伝搬特性は、時間依存性の位相又は吸収の変更を含む、請求項３０に記載のＣＤＳＬ。
【請求項３３】
前記システムが、前記試料の光学的撮像、又は前記試料の顕微鏡検査のための測定システム又は撮像システムを備える、請求項３０に記載のＣＤＳＬ。
【請求項３４】
互いに僅かに異なる繰り返し周波数で動作する第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器であって、前記繰り返し周波数の差δｆｒが前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さい、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器を備え、
前記第１受動モード同期発振器は第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成し、前記第２受動モード同期発振器は第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成し、
フーリエ変換分光技術を用いる発光測定用に構成されたことを特徴とするシステム。
【請求項３５】
前記システムが、反射及び透過の少なくとも一方において、自然ラマン発光スペクトル及び誘導ラマン発光スペクトルの少なくとも一方をプローブ測定する、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記システムが、電磁放射出射装置のスペクトル出力をプローブ測定する、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３７】
前記システムが自然ラマン顕微鏡検査用に構成されていることを特徴とする、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３８】
前記システムが誘導ラマン顕微鏡検査用に構成されていることを特徴とする、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３９】
前記システムが誘導コヒーレント・アンチストークス・ラマン顕微鏡検査用に構成されていることを特徴とする、請求項３４に記載のシステム。
【請求項４０】
前記発光は共鳴して増強される、請求項３４に記載のシステム。
【請求項４１】
前記自然ラマンの放出は、表面増強ラマン散乱又は共鳴ラマン散乱で増強される、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４２】
互いに僅かに異なる繰り返し周波数で動作する第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器であって、前記繰り返し周波数の差δｆｒが前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さく、前記第１受動モード同期発振器が、第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成し、前記第２受動モード同期発振器が、第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器と、
試験試料
とを備え、前記第２受動モード同期発振器からの放出光が前記試験試料に結合し、前記試験試料は前記試験試料から発する前記第２受動モード同期発振器からの放出光をコヒーレントに加工処理し、前記第１受動モード同期発振器が前記試験試料から出射する光をサンプル抽出する局部発振器として機能することを特徴とするシステム。
【請求項４３】
受動モード同期発振器の出力をスペクトル拡大してフィルタリングする手段を更に備える、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
互いに僅かに異なる繰り返し周波数で動作する第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器であって、前記繰り返し周波数の差δｆｒが前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さく、前記第１受動モード同期発振器が第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成し、前記第２受動モード同期発振器が第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器を備え、
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の出力が試験試料に結合し、記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の出力によって生じる、前記試験試料から発した放出光を加工処理し、
前記加工処理した前記放出光のスペクトル特性、スペクトル位相特性、時間特性及び時間位相特性の１つ又は複数を試験することを特徴とするシステム。
【請求項４５】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の出力をスペクトル拡大してフィルタリングする手段を更に備える、請求項４４に記載のシステム。
【請求項４６】
ポンプ・パルス及びプローブ・パルス間の可変時間遅延を伴って、前記第１受動モード同期発振器から強いポンプビーム及び弱いプローブビームを発生し、
前記第２受動モード同期発振器は信号ビームをつくり、
前記ポンプビーム及び前記プローブビームは光学的試料に結合し、
前記第２受動モード同期発振器が、前記ポンプビームによって前記プローブビームの伝搬特性に誘導された変化を示す出力を生成する、請求項４４に記載のシステム。
【請求項４７】
ポンプ・パルスが光学的試料を伝搬中に、前記ポンプ・パルスが誘導したプローブ・パルスの位相摂動を測定し、
前記ポンプ・パルス及び前記プローブ・パルスを第１モード同期信号レーザが生成し、前記位相摂動の測定は、局部発振器として動作する第２モード同期レーザが生成した信号を用いて行われ、前記第１モード同期信号レーザ及び前記第２モード同期レーザは僅かに異なる繰り返し周波数で動作することを特徴とする、光学的試料からラマン・スペクトルを得る方法。
【請求項４８】
ポンプ・パルスが光学的試料を伝搬中に、前記ポンプ・パルスが誘導した前記光学的試料からの発光を測定し、
前記ポンプ・パルスは第１モード同期信号レーザが生成し、前記発光の測定は第１干渉信号及び第２干渉信号を乗算して求められ、前記第１干渉信号は前記光学的試料からの発光で前記ポンプ・パルスを光学的に干渉して導かれ、前記第２干渉信号は局部発振器レーザとして動作する第２モード同期レーザが生成した信号で前記光学的試料からの発光を光学的に干渉して導かれ、前記第１及び第２のレーザは僅かに異なる繰り返し周波数で動作することを特徴とする、光学的試料から発光スペクトルを得る方法。
【請求項４９】
互いに僅かに異なる繰り返し周波数で動作する第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器であって、前記繰り返し周波数の差δｆｒが前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さく、前記第１受動モード同期発振器が第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成し、前記第２受動モード同期発振器が第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器を備え、
２次元の発光／吸収スペクトル測定用に構成されたことを特徴とするシステム。
【請求項５０】
前記システムが、２次元発光／吸収スペクトル情報の抽出のために２次元フーリエ変換分光技術が実施可能なように構成されていることを特徴とする、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
多次元分光が更に実施可能なように構成されていることを特徴とする、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５２】
前記システムがデジタル位相同期回路及び／又はアナログ位相同期回路を備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項５３】
前記撮像装置は、焦点面アレイ型検出器を備える、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項５４】
少なくとも１つのモード同期発振器を有し、時間変動する繰り返し周波数で光パルスを発生する光源と、
特定の変調率で前記繰り返し周波数を変調し、前記光源がパルス対を含む出力を生成できるようにする、繰り返し周波数変調器と、
時間の関数として、前記パルス対の２つのパルス間で、少なくとも時間遅延を測定するための基準信号を発生する、少なくとも１つの光学素子を有する基準光源
とを備え、時間変動する前記時間遅延を伴う前記パルス対を生成することを特徴とするコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項５５】
前記光源が、
前記モード同期発振器の下流側に設けられ、異なる伝搬長を有する２つの光学的通路に沿って前記モード同期発振器の出力を伝搬させる第１ビーム分割器と、
前記２つの光学的通路に沿って伝搬する前記パルスを再結合させるビーム結合器
とを更に備える、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項５６】
前記第１ビーム分割器とビーム結合器は同じ構成要素から形成されている、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項５７】
前記第１ビーム分割器及び／又はビーム結合器が、光ファイバ結合器、バルク型ビームスプリッタ、又はその組み合わせを備える、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項５８】
前記光源は、第２繰り返し周波数で動作する第２モード同期発振器を備え、前記パルス対の第１パルスは第１の光源で生成し、前記パルス対の第２パルスは前記第２の光源で生成する、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項５９】
前記第２受動モード同期発振器の前記第２繰り返し周波数は、ほぼ一定である、請求項５８に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６０】
前記パルス対の２つのパルス間における搬送波包絡線位相の差の測定をするための、少なくとも１つの光学素子を更に備える、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６１】
前記繰り返し周波数変調器は、対応する受動モード同期発振器の共振器長を変調する、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６２】
前記変調率は約１０Ｈｚより大きい、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６３】
前記繰り返し周波数変調器は、圧電トランスジューサー上に搭載した共振器ミラー、ＭＥＭＳ、ＭＯＥＭＳミラー、音響光学的変調器、電気機械的変調器、又は共振器内の電気光学変調器の１つを備える、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６４】
前記基準光源は、前記モード同期発振器の共振器内素子の位置を測定する干渉計を備える、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６５】
前記共振器内素子は、前記モード同期発振器の共振器ミラーを備える、請求項５に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６６】
前記基準光源は、少なくとも１つの狭帯域バンドパス・スペクトルフィルタを備え、前記パルス対をフィルタリングする、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６７】
前記基準光源は、前記パルス対と前記少なくとも１つの基準レーザの間のビート信号を記録する少なくとも１つのｃｗ基準レーザを備える、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６８】
前記異なる伝搬長を能動的に安定化する安定器を更に備える、請求項５５に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６９】
前記異なる伝搬長を測定する基準レーザを更に備える、請求項５５に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項７０】
前記光源又は前記モード同期発振器の下流側に設けたスペクトル拡大ステージを更に備える、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項７１】
前記異なる伝搬通路に沿う分散を等化する素子を更に備える、請求項５５に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項７２】
前記パルス対間の干渉図形を検出する検出器を更に備える、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項７３】
前記パルス対を備えるパルス間において一定光路長差間隔でサンプリング点を生成する手段を更に備える、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項７４】
前記コヒーレント走査型レーザシステムは、フーリエ変換分光システムの一部として構成されていることを特徴とする、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項７５】
前記変調率は約１ｋＨｚより大きい、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項７６】
前記一定光路長差間隔でサンプリング点を生成する手段が、
基準干渉図形を検出し、
第２の干渉図形のサンプル抽出のために、前記基準干渉図形のゼロ・クロス点の使用をする、請求項７３に記載のスキャニング・レーザシステム。
【請求項７７】
前記コヒーレント走査型レーザシステムは、２次元フーリエ変換分光システムの一部として構成されていることを特徴とする、請求項５４に記載のＣＤＳＬ。
【請求項７８】
互いに僅かに異なる繰り返し周波数で動作する第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器であって、前記繰り返し周波数の差δｆｒは前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さい、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器と、
少なくとも１つの受動モード同期発振器の繰り返し周波数を整数倍に増大処理する、少なくとも１つのエンハンスメント共振器と、
少なくとも１つの受動モード同期発振器の繰り返し周波数と位相を少なくとも１つのエンハンスメント共振器にロックする手段と、
前記１つの受動モード同期発振器の繰り返し周波数の増大処理後に、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器間の干渉図形を検出する手段と
を備える、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）。
【請求項７９】
前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器に光学的に接続され、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器のスペクトル範囲を越えるスペクトル範囲で周波数変換したスペクトルを生成する非線形光学素子を更に備える、請求項７８に記載のＣＤＳＬ。
【請求項８０】
前記基準光源は、較正信号を発生し、且つ、前記較正信号を受信すると共に前記繰り返し周波数変調器の２つ以上の変調サイクルのための時間の関数として前記時間変動するパルス遅延を較正する、信号プロセッサを更に備える、請求項５４に記載のＣＳＬ。
【請求項８１】
更に、ポンプ・プローブ測定のために構成されていることを特徴とする、請求項５４に記載のＣＤＳＬ。
【請求項８２】
前記２つの伝搬通路の少なくとも一部に沿って、パルスを増幅する素子を更に備える、請求項５５に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項８３】
前記光学的通路は、バルク型光学的要素と特定の長さの光ファイバの少なくとも一方を備える、請求項５５に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項８４】
変調される繰り返し周波数を有する光パルスを出力する光源を備え、
前記光源が、前記出力の上流側に少なくとも１つのモード同期発振器と、異なる伝搬長を有する２つの光学的通路に前記出力を分割する第１ビームスプリッタとを有し、
前記２つの光学的通路に沿って伝搬する前記パルスが第２ビームスプリッタで再結合することを特徴とする、時間変動する時間遅延を伴ったパルス対を生成するコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項８５】
前記第１ビームスプリッタ及び前記第２ビームスプリッタは同じである、請求項８４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項８６】
フーリエ変換分光用に構成されていることを特徴とする、請求項８４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項８７】
互いに僅かに異なる繰り返し周波数ｆｒ１及びｆｒ２で動作する第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器であって、前記繰り返し周波数の差δｆｒ＝ｆｒ１−ｆｒ２が、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比べると小さく、前記第１受動モード同期発振器が第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成し、前記第２受動モード同期発振器が第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成し、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器が、それぞれ２つの搬送波包絡線オフセット周波数ｆceo1及びｆceo2で動作し、前記搬送波包絡線オフセット周波数の差は、△ｆceo＝ｆceo1−ｆceo2であり、△ｆceoは必ずしもゼロと異なる必要は無い、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器と、
それぞれのｃｗ基準周波数ｆｘで動作し、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器のそれぞれと光学的に接続され、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器のそれぞれの発光包絡線内に出力し、前記第１受動モード同期発振器の周波数ラインからｆb1だけ分離し且つ前記第２受動モード同期発振器の周波数ラインからｆb2だけ分離した周波数を有する、少なくとも１つのｃｗ基準レーザと、
任意の△ｆ２＝ｆb1−ｆb2、ｆb1、ｆb2、δｆｒ、ｆｒ１、ｆｒ２、△ｆceo、ｆceo1、ｆceo2に比例する少なくとも１つのＲＦ信号を発生し、該ＲＦ信号が外部ＲＦ基準信号に安定化される、手段と、
前記ＲＦ信号と前記ＲＦ基準信号との間の残留位相差を検出する手段と、
任意の△ｆ２、ｆb1、ｆb2、δｆｒ、ｆｒ１、ｆｒ２、△ｆceo、ｆceo1、ｆceo2の値に対する補正値を得るために前記検出した位相差を適用する、信号プロセッサを有する手段
とを備えることを特徴とする、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）。
【請求項８８】
前記ＲＦ信号は、位相同期回路又は周波数同期スキームを介して前記外部ＲＦ基準信号に安定化される、請求項８７に記載のコヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）。
【請求項８９】
互いに僅かに異なる繰り返し周波数で動作する第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器であって、前記繰り返し周波数の差δｆｒが前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さく、前記第１受動モード同期発振器が第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成し、前記第２受動モード同期発振器が第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器と、
ビート周波数△ｆ２と△ｆ１を検出する検出手段
とを備え、前記ビート周波数が、発光包絡線内の２つの異なる位置に存在する、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器から出力された２つの次隣接コムライン間の差に対応し、
前記検出手段が、前記第１受動モード同期発振器及び前記第２受動モード同期発振器の出力を光学的に結合し、結合した出力を２つの分離した狭帯域バンドパスの光フィルタに送り、
前記ビート周波数が、位相同期回路を経由して外部ＲＦ基準信号にロックしていることを特徴とする、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）。
【請求項９０】
前記コヒーレント走査型レーザシステムが、スペクトル分解能＜１ｃｍ−１であるフーリエ変換分光システムの一部として構成されていることを特徴とする、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項９１】
前記コヒーレント走査型レーザシステムが、スペクトル分解能＜０．１ｃｍ−１であるフーリエ変換分光システムの一部として構成されていることを特徴とする、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項９２】
前記非線形周波数変換部が、光パラメトリック発振器を備える、請求項２に記載のＣＤＳＬ。
【請求項９３】
前記光パラメトリック発振器が、微量ガス検出用のガス・セルを更に備える、請求項９２に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項９４】
前記スペクトル拡大ステージが、光パラメトリック発振器を備える、請求項７０に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項９５】
前記光パラメトリック発振器が、微量ガス検出用のガス・セルを更に備える、請求項９４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項９６】
前記干渉図形の振幅雑音を制限する、二重平衡型検出配置を更に備える、請求項５４に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項９７】
前記干渉図形の振幅雑音を制限する、二重平衡型検出配置を更に備える、請求項７２に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正確な検出とサンプル抽出と分光とのために、モード同期レーザに、光信号処理を適用することに関している。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願の参照）
本出願は、「モード同期レーザによる光信号処理」という発明の名称で、２０１０年７月１５日付けにて出願された米国仮特許出願の出願番号第６１／３６４，５４５号明細書を基礎として優先権を主張する。出願番号第６１／３６４，５４５号明細書の内容は、この明細書に記載された内容の全体を取り込んで、本願発明の内容の一部として包含している。本出願は、「モード同期レーザによる光信号処理」という発明の名称で、２０１０年２月５日付けにて出願された米国仮特許出願の出願番号第６１／３０１，７２２号明細書を基礎として優先権を主張する。出願番号第６１／３０１，７２２号明細書の内容は、この明細書に記載された内容の全体を取り込んで、本願発明の内容の一部として包含している。本出願は、「二重パルス・レーザシステムに基づく光学式走査・撮像システム」という発明の名称で、２００９年１２月１４日付けにて出願された米国仮特許出願の出願番号第６１／２８６，１７９号明細書を基礎として優先権を主張する。出願番号第６１／２８６，１７９号明細書の内容は、この明細書に記載された内容の全体を取り込んで、本願発明の内容の一部として包含している。本出願は、「モード同期レーザによる光信号処理」という発明の名称で、２００９年１０月２日付けにて出願された米国仮特許出願Ｎｏ．６１／２４８，２０７号明細書を基礎として優先権を主張する。出願番号第６１／２４８，２０７号明細書の内容は、この明細書に記載された内容の全体を取り込んで、本願発明の内容の一部として包含している。
【０００３】
本出願は、「二重パルス・レーザシステムに基づく光学式走査・撮像システム」という発明の名称で、２００９年３月６日付けにて出願された米国特許出願番号第１２／３９９，４３５号明細書に関連しており、以下において‘４３５号明細書と呼ぶことにする。出願番号第１２／３９９，４３５号明細書の内容は、この明細書に記載された内容の全体を取り込んで、本願発明の内容の一部として包含している。
【０００４】
本出願は、「レーザベースの周波数基準とそれらの応用」という発明の名称で、２００６年１０月１３日付けにて出願された米国特許出願番号第１１／５４６，９９８号明細書に関連しており、以下において‘９９８号明細書と呼ぶことにする。出願番号第１１／５４６，９９８号明細書の内容は、この明細書に記載された内容の全体を取り込んで、本願発明の内容の一部として包含している。‘９９８号明細書は、２００７年４月９日に米国特許出願公開第２００７／００８６７１３号明細書として公開された。
【０００５】
本出願は、「パルス・レーザ光源」という発明の名称で、２００６年３月１０日付けにて出願された米国特許出願番号第１１／３７２，８５９号明細書に関連しており、以下において‘８５９号明細書と呼ぶことにする。出願番号第１１／３７２，８５９号明細書の内容は、この明細書に記載された内容の全体を取り込んで、本願発明の内容の一部として包含している。‘８５９号明細書は、２００６年９月７日に米国特許出願公開第２００６／０１９８３９８号明細書として公開された。
【０００６】
（背景技術の説明）
モード同期レーザと周波数コムレーザは、分光と正確な検出において長所を提供してきた。スペクトル吸収測定の信号雑音比を改善するために、最近、モード同期レーザが従来のフーリエ変換分光計（ＦＴＳ）と組み合わせられた（Ｊ．マンドン（Mandon)らの非特許文献１、及びＮ．ピケ(Picque）らの特許文献１参照）。分光に周波数コムレーザを使用することは、ヘンシュ(Haensch)らが示唆していた（特許文献２参照。）。
【０００７】
‘４３５号明細書で述べたように、最新技術では、周波数コムレーザは、モード同期レーザのサブ・クラス（下位概念）を構成すると理解できる。モード同期レーザと周波数コムレーザは、共に、対応する出力周波数スペクトルをもつ或る繰り返し周波数ｆrepで出力パルス列をつくり、出力パルス列は、個々の周波数ラインをもつライン・スペクトルと特徴付けることができる。
【０００８】
ｆ＝ｆceo＋ｍｆrep
ここで、ｍは整数であり、ｆceoは搬送波包絡線オフセット周波数である。整数ｍはコムラインの次数とも呼ばれる。しかし、モード同期レーザと対照的に、周波数コムレーザでは、繰り返し周波数と搬送波包絡線オフセット周波数を正確に制御することが必要になる。
【０００９】
実際に、周波数コムレーザの幅広い使用を制限することになる難点は、安定した周波数コムとするために、少なくとも２つの外部基準周波数に個々のコムラインを正確に光学的に位相同期することにある。しかし、少なくとも光学的な計量に対して、周波数測定は、置換発振器としてモード同期レーザを使用するので、個々のコムラインを安定にしなくても実施できる（非特許文献２参照。）。モード同期レーザを置換発振器として使用すると、光スペクトルの広く分離した領域に位置する２つの基準周波数間における周波数比又は周波数差（モード同期レーザのスペクトル範囲のスペクトルの度合いだけで限定される）を正確に測定できる。この技術は、置換レーザとしてｃｗレーザを（モード同期レーザの代わりに）用いるときに、差の周波数の測定に適用するので、計測学では周知のことである（非特許文献３参照。）。ｃｗ置換発振器は、時々、基準発振器とも呼ばれる。
【００１０】
‘４３５号明細書にも示したように、ｃｗ基準レーザを用いると、２つのモード同期レーザの搬送波包絡線オフセット周波数の差を効果的に安定化できる。この情報は、モード同期レーザの繰り返し周波数にほぼ対応して、分解能限界をもつ２つのモード同期レーザから構成したスペクトル吸収測定に適したＦＴＳのスペクトル較正に使用できる。‘４３５号明細書で述べたように、このような２つのモード同期レーザは、コヒーレント・デュアル走査型レーザ又はＣＤＳＬと呼ばれる。更に、高い繰り返し周波数に基づいたＣＤＳＬは、高速信号取得に有益な高い走査速度を可能にする。ファイバ・スーパーコンティニューム光源に基づくＣＤＳＬは、ＦＴＳと他のアプリケーションに適した非常に広いスペクトル範囲を更に可能にする。
【００１１】
更に全体的に、２つの狭いライン幅のｃｗ基準レーザを用いると、搬送波包絡線オフセット周波数を制御する必要が無い状態で、Ｐ．ジアッカリ(Giacarri)らが開示しているように、２つのモード同期レーザの搬送波包絡線オフセット周波数と繰り返し周波数との差を追求できる（特許文献３参照。）。しかし、フーリエ変換吸収分光に応用するときに、このスキームの分解能は、例えば、基準レーザが２つのコムライン間に位置し且つ基準レーザの正確な周波数又はコムラインの正確な次数ｍが既知でない場合は、モード同期レーザの繰り返し周波数にも限定される。その結果、比較的低い繰り返し周波数のレーザが構成され、ゆっくりしたデータ取得率になる。
【００１２】
別のスキームでは、２つの離れたコムレーザからの２つのコムライン間のビート信号を、ｃｗ置換発振器を構成することにより、直接測定できる。２つのコムレーザ間の繰り返し周波数の変動が記録できるので、記録した繰り返し周波数の変動を用いると、一定光路長差間隔により、新たなサンプリング・グリッドを構成することにより、２つのコムレーザ間の干渉図形（インターフェログラム）を同時に補正できる（Ｇ．グラッチビリィ(Guelachvili)らの特許文献４参照。）。しかし、このスキームでは、２つのコムレーザの搬送波包絡線オフセット周波数の測定を理想的に用いるか、又は、２つの他のコムラインがロックした異なる周波数で発信する第２のｃｗレーザを構成する。
【００１３】
ＦＴＳのヘルツ−レベルの分解能は、Ｉ．コディングトン(Coddington)らが非特許文献４で開示しているように、２つの高フィネスの基準共振器に順にロックしている、２つのｃｗレーザに更に位相同期した２つの周波数コムレーザを用いて達成されていた。しかし、このようなスキームでは、基準共振器に対するｃｗレーザの安定化のためには、２つのｃｗ光クロック・レーザに周波数コムレーザをロックするために、更に位相同期回路を追加する必要があるので、少なくとも４つの位相同期回路が必要になる。更に、達成したＨｚレベルの分解能は、実際の光学的分光において通常は要求されない。実際の光学的分光では、ｖｘの周波数でライン幅が△ｖ≒５×１０−７ｖｘのドップラー広がり幅の吸収線が一般的である。例えば、可視スペクトル領域では、△ｖ≒３００ＭＨｚになる。
【００１４】
更なるニーズが、高スペクトル分解能だけでなく高走査速度も許容するＣＤＳＬに基づいた単純なＦＴＳスキームにも存在する。更に、吸収スペクトルだけでなく放出量も測定できる、レーザ・ベースのＦＴＳスキームのニーズもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０１０４３７号パンフレット
【特許文献２】米国特許第７，２０３，４０２号明細書
【特許文献３】国際公開第２００９／００００７９号パンフレット
【特許文献４】国際公開第２０１０／０１０４４４号パンフレット
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ｊ．マンドン（Mandon)他著、『レーザ周波数コムによるフーリエ変換分光(Fourier transform spectroscopy with a laser frequency comb)』ネーチャー・フォトニクス(Nature Photonics)、２００９年、第３巻、ｐ．９９〜１２２
【非特許文献２】Ｊ．ステンジャー(Stenger)他著、フィジカル・レビュー・レターズ(Phys.Rev.Lett)、２００２年、第７巻、ｐ．073601-1〜073601-4
【非特許文献３】Ｃ．Ｏ．ワイス(Weiss)他著、『周波数測定と制御：優れた技術と将来の傾向(Frequency Measurement and Control: Advanced Techniques and Future Trends）』、シュプリンガー・フェアラーク（Springer-Verlag)、２０００年、応用物理の話題(Topics in Applied Physics)第７９巻、ｐ．２１５〜２４７
【非特許文献４】Ｉ．コディングトン(Coddington）他著、『安定化コム光源を用いるコヒーレント・マルチヘテロダイン分光』、フィジカル・レビュー・レターズ，２００８年、第１００巻、ｐ．０１３９０２
【発明の概要】
【００１７】
モード同期レーザに基づいて、例えば、高分解能・高感度ＦＴＳ、高分解能・高感度顕微分光、光学的撮像、光サンプリング、ＬＩＤＡＲ（光検出と距離測定）等の様々な応用が可能な高速走査ＣＤＳＬが開示されている。
【００１８】
様々な高分解能ＣＤＳＬの実施例は、僅かに異なる繰り返し周波数で動作する第１モード同期発振器及び第２モード同期発振器を含み、各モード同期発振器は搬送波包絡線オフセット周波数を有する。第１モード同期発振器及び第２モード同期発振器の出力は、２つの基準レーザからの出力と結合し、両方の搬送波包絡線オフセット周波数の差と、２つのモード同期発振器の繰り返し周波数の差とを安定化する信号を発生するために用いる。或る実施例では、少なくとも１つの発振器の搬送波包絡線オフセット周波数も信号から派生し、基準レーザの少なくとも帯域幅に対応する分解能になるので、ヘルツ・レベルの周波数の分解能が更に可能になる。
【００１９】
様々な高分解能のＣＤＳＬは、位相測定システム、吸収測定システム、発光測定システム、及び／又はスペクトル測定システムに使用できる。様々な実施例は、光学的基準設定（基準付け）と光学的位相同期を組み合わせて高分解能のＦＴＳを提供する。少なくとも１つの実施例では、２つのモード同期レーザからの２つの次隣接コムラインの差周波数は、２つのｃｗ基準レーザを用いて、少なくとも２つの位相同期回路で位相がロックする。代わりに、周波数同期スキームも実施できる。個々のコムラインで２つのｃｗ基準レーザのビート周波数を追跡すると、ＦＴＳの絶対周波数較正が更に可能になる。様々な実施例は、多重の隣接する干渉図形を記録して、高分解能のＦＴＳを提供するので、信号取得時間に比例してＦＴＳの分解能が高まる。
【００２０】
このようなＣＤＳＬの分解能は、位相同期回路の位相エラー出力を用いて、高分解能ＦＴＳの補正を計算すると更に最適になる。概して、位相同期回路又は周波数ロックの位相エラー出力を用いると、モード同期レーザの動作を定める様々な周波数パラメータに相応した補正信号をつくることができる。
【００２１】
様々な実施例は、雑音抑制のために二重平衡型検出方法と、スペクトル範囲を広げる周波数変換スキームとを実施して、高感度で低雑音のＦＴＳを広いスペクトル範囲で提供する。少なくとも１つの実施例では、このような二重平衡型検出方法は、ビームスプリッタで組み合わされる、２つのモード同期レーザの干渉を活用できる。代わりに、２つのモード同期レーザは、光ファイバ・システムにおいて２つの直交する偏光軸に沿って増幅してスペクトル的に拡大できて、次にビームスプリッタを介して組み合わせることができる。
【００２２】
様々な実施例は、１つのモード同期レーザのビーム通路に組み込まれたエンハンスメント共振器の適応により、高感度のＦＴＳを提供する。エンハンスメント共振器にロックすることは、適切な光周波数シフタでレーザ・スペクトルを周波数シフトして又は共振器を調節して行うことができる。
【００２３】
ＦＴＳは、２つのモード同期レーザのビーム通路の内部に位置する光学的試料の位相、吸収、発光スペクトルを測定するために設置できる。
【００２４】
発光スペクトル測定は光学的試料からの自然誘導ラマン発光スペクトルの測定に使用できて、ラマン放出の増強は信号雑音比の改善に実施できて、光学的撮像と光学的スキャニングは空間的に分解したラマン・スペクトルの測定に実施できる。
【００２５】
ＣＤＳＬは、線形光サンプリングを介して信号の特徴付けにも使用できる。
【００２６】
ＣＤＳＬは、ポンプ・プローブ構成において、強いポンプ・パルスに対する試験試料の位相応答の測定に更に使用できる。
【００２７】
ＣＤＳＬは、試験試料の２次元及び多次元の放出と吸収分光とに更に使用できる。ＣＤＳＬは、試料からの時間依存性の反射を測定することにより光断層撮影技術で実施できて、好都合に、測定は２つのモード同期レーザの基本的な干渉法的にビート周波数で行われる。
【００２８】
深さ分解イメージングは、ポンプ・プローブ配置において２つのモード同期レーザを用いて、ＴＨｚドメインで実施できる。
【００２９】
少なくとも１つの実施例において、ＣＤＳＬの搬送波包絡線オフセット周波数と繰り返し周波数の差は、２つのモード同期レーザからの２つの次隣接コムラインを少なくとも１つのｃｗ基準レーザにロックして制御する。
【００３０】
少なくとも１つの実施例において、ＣＤＳＬに基づいたＦＴＳの分解能は、信号取得時間中に有効走査速度の変動を最小限にすると、信号取得時間に比例して増加する。
【００３１】
少なくとも１つの実施例では、二重平衡型検出は、ＦＴＳの信号雑音比を改善する。
【００３２】
少なくとも１つの実施例では、ＣＤＳＬに基づいたＦＴＳの感度は、外部の共振器を使用すると改善する。
【００３３】
少なくとも１つの実施例では、位相と吸収スペクトルは、ＣＤＳＬに基づいたＦＴＳを用いて測定する。
【００３４】
実施例は、ＯＣＴ（光コヒーレンストモグラフィ）、ＴＨｚ撮像、又は類似のアプリケーションに適応できる。ＣＤＳＬは、プローブ測定すべき試料の位置決め装置の１つ又は複数を含むことができる従来のＦＴＳ装置、検出装置、及び、デジタル及び／又はアナログ信号プロセッサ、コンピュータ、及び／又は様々な信号処理ソフトウェア・アルゴリズムを含むことができる信号処理装置と共に一体化している。
【００３５】
或る実施例では、コストを下げるために、高効率ＣＤＳＬを１つだけのレーザで構成できる。
【００３６】
少なくとも１つの実施例は、時間変動する時間遅延を伴ったパルス対を生成する、コヒーレント走査型レーザシステム（ＣＳＬ）を含んでいる。システムは、時間変動する繰り返し周波数で光パルスを発生する光源と、或る変調率で繰り返し周波数を変調する繰り返し周波数変調器とを含んでいる。光源は、パルス対を含んでいる出力を生成する。システムは、時間の関数としてパルス対の２つのパルス間で少なくとも時間遅延を測定するための基準信号を発生する基準光源も含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ＣＤＳＬに基づいた高分解能のＦＴＳを概略的に示す図である。
【図１Ａ】２つのモード同期レーザと２つの基準発振器のスペクトルの一部と、ＣＤＳＬをモニターする及び／又は安定化するために、そこから導かれたビート周波数を概略的に示す図である。
【図１Ｂ】ＣＤＳＬに基づいた高分解能ＦＴＳの配置を概略的に示す図である。
【図２】ＣＤＳＬによる試料吸収測定のための試料と検出器の位置を表す略図である。
【図３】ＣＤＳＬで実現可能な３つの隣接する干渉図形を示すプロットである。
【図４】ＣＤＳＬに基づいたＦＴＳで二重平衡型検出を示す略図である。
【図５】ＣＤＳＬに基づいたＦＴＳで試料の吸収と位相応答を測定するための配置の略図である。
【図６】ＣＤＳＬに基づいたＦＴＳで試料の吸収と位相応答を測定するための別の配置の略図である。
【図７】ＣＤＳＬに基づいたＦＴＳを用いる吸収と位相測定の感度を改善する、エンハンスメント共振器の略図である。
【図８】空間的に分解した発光スペクトルを試料から得るために用いる配置の略図である。
【図９】空間的に分解して誘導ラマン発光スペクトルを得るための配置の略図である。
【図１０】コヒーレント・アンチストークス・ラマン分光の配置の略図である。
【図１１】線形光サンプリングで用いるＣＤＳＬの略図である。
【図１２】ポンプ・プローブ構成におけるＣＤＳＬの略図である。
【図１２Ａ】２次元分光測定におけるＣＤＳＬの使用を示す略図である。
【図１３】光断層撮影技術におけるＣＤＳＬの使用を示す略図である。
【図１４】ＴＨｚ距離測定におけるＣＤＳＬを示す略図である。
【図１５】ＴＨｚ分光と分光撮像におけるＣＤＳＬを示す略図である。
【図１６】１つのレーザだけで構成した高効率ＣＤＳＬを示す略図である。
【図１６Ａ】基準光源を含んでいるＣＳＬの一般的な設計を示す略図である。
【図１７Ａ】外部レーザによる基準光源が組み込まれているＣＳＬでの使用に適したモード同期発振器の設計を概略的に示す図である。
【図１７Ｂ】外部レーザによる基準光源が組み込まれているＣＳＬでの使用に適した別のモード同期発振器の設計を概略的に示す図である。
【図１８】同相（上向き三角形）と直交位相（下向き三角形）の基準信号と、繰り返し周波数で変調してモード同期発振器のミラー位置をプローブ測定するように構成した基準干渉計から入手できる、それらの比（正方形）を示す図である。
【図１９】光学的基準設定を含んでいるＣＳＬに基づくＦＴＳの略図である。
【図１９Ａ】繰り返し周波数のディザリング中にゼロ−遅延点をセンタリングする電子スキームの略図である。
【図１９Ｂ】実際の共振器長変調に関連した繰り返し周波数のディザリング中にゼロ遅延点をセンタリングする様々な信号を示すシリーズのプロットである。
【図２０】ＦＴＳのために構成した基準光源を含んでいるＣＤＳＬの略図である。
【図２１】繰り返し周波数の増大処理を行うＣＤＳＬの略図である。
【図２２】繰り返し周波数の増大処理を行うポンプ・プローブ実験と撮像のためのＣＤＳＬの略図である。
【図２３】２次元分光アプリケーションのためのＣＳＬの略図である。
【図２４】光学的基準設定を含んでいる１つのレーザだけで構成した有効なＣＳＬの別の実施例を示す略図である。
【図２５】ＣＳＬで記録した干渉図形の測定を示すプロットである。
【図２６】ＣＳＬで記録した干渉図形の周波数スペクトル（細い線）の測定結果と、共振器内のミラー速度の変動を考慮して補正した周波数スペクトル（太い線）の測定結果を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
ＣＤＳＬシステムとアプリケーションの幾つかの事例を次に開示する。高分解能、高取得率、高感度、低雑音、高レベル、高集積密度の中で１つ又は複数を含んで提供する具体例を説明する。非線形スペクトル生成と位相制御のための様々な具体例は、近赤外領域で安定した出力信号を導くので、ＩＲ吸収と発光分光とＴＨｚ撮像と距離測定アプリケーションとに利益を提供する。
【００３９】
図１は、フーリエ変換吸収分光のための実施例によるコヒーレント・デュアル走査型レーザシステム１００（ＣＤＳＬ）を概略的に示す。本例では、ＣＤＳＬ１００の出力は測定すべき試料に送られる。フーリエ変換分光計は（ＦＴＳ）は、ＣＤＳＬの発光包絡線のスペクトル情報を用いて、試料の物理的特性をプローブ測定する。
【００４０】
図１に示すように、ＣＤＳＬ１００は、２つのモード同期レーザ（発振器Ｏ１と発振器Ｏ２）と２つのｃｗ基準レーザ（Ｒ１とＲ２）を備える。各発振器は、各基準レーザからの出力と結合した出力をつくり、基準レーザはＣＷレーザでよい。図１Ｂは、それぞれ、発振器Ｏ１と発振器Ｏ２からの出力に対応する、スペクトル１１０、１２０の一部を概略的に示す。発振器Ｏ１と発振器Ｏ２は僅かに異なる繰り返し周波数ｆｒ１、ｆｒ２を有し、発振器Ｏ１と発振器Ｏ２の周波数ラインはそれぞれの繰り返し周波数だけ分離している。発振器Ｏ１、発振器Ｏ２の或る周波数ラインは、図示するように、ｃｗ基準レーザの直近する周波数ｆｘ、ｆｙから離れている。事例から、ビート周波数ｆb1、ｆb2、ｆb3、ｆb4とその差周波数△ｆ２と△ｆ１は、発振器Ｏ１と発振器Ｏ２及びＲ１とＲ２の隣接周波数ラインから導かれる。信号は、ＣＤＳＬをモニター及び／又は安定化するように、光検出器が検出する。位相同期・ループとアナログ及び／又はデジタル信号プロセッサを含むことができる、制御システムを用いて、ＣＤＳＬをモニター及び／又は安定化できる。
【００４１】
図１の事例で示すように、発振器Ｏ１、発振器Ｏ２とｃｗ基準レーザＲ１の出力は、それぞれ、２つの光ファイバ結合器Ｃ１とＣ２を介して結合する。更なる光ファイバ結合器Ｃ３は、基準レーザＲ１の出力を分割し、Ｒ１出力を光ファイバ結合器Ｃ１とＣ２に送る。発振器Ｏ１の周波数ラインとｃｗレーザＲ１の間のビート周波数ｆb1は、検出器Ｄ１で検出する。発振器Ｏ２の周波数ラインとｃｗレーザＲ１の間のビート周波数ｆb2は、検出器Ｄ２で検出する。周波数ｆb1とｆb2間の差に対応するビート周波数信号△ｆ２＝ｆb1−ｆb2をつくるように、検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２の出力は更に混合し、ローパスフィルタで濾過される。ローパスフィルタで濾過したビート周波数は、外部ＲＦレファレンス（図示せず）に対する△ｆ２の位相同期を介して発振器Ｏ２の共振器長を適切に変えることにより更に安定化できる。ここで、アナログ又はデジタル位相同期のループが実現できる。デジタル位相同期のループを用いると、ビート周波数ｆb1〜ｆb4もデジタル化できる。代わりに、ｆb1及びｆb2は、共に、例えば、共振器長、又は、１つ又は他の発振器の発振器用ポンプ電源制御装置を用いて、外部ＲＦレファレンスに個々にロックし、△ｆ２も安定にすることができる。ＣＤＳＬの構造のために２つのモード同期レーザにｃｗ基準レーザをロックすることは、例えば、‘４３５号明細書に論述されている。
【００４２】
図１Ａで、ビート信号は、コムラインが、それぞれ、ｆｘ及びｆｙの何れかの側にあるときに観察できる。この不明瞭さは、ｆｘ及びｆｙの一方の側でビート信号を抑制する、光学的な単側波帯（ＳＳＢ）ミキサを用いて除去できる。例えば、光ＳＳＢミキサは、ｆb2及びｆb4を通過しながら、図１Ａのｆb1及びｆb3を抑制できる。ビート信号ｆb1及びｆb3を観察するために、したがって、コムラインは、それぞれ、ｆｘ及びｆｙの右側でシフトしなければならない。ＳＳＢミキサは、必要なロッキング用電子回路技術を単純にし、観察されるビート信号の解明を単純にする。
【００４３】
光ＳＳＢミキサは、最新の技術において周知であり、例えば、Ｐ．Ｃ．Ｄ．ホッブス(Hobbs)著、『エレクトロオプティカルシステムズの構築(Building Electro-Optical Systems)』、 ジョンワイリーアンドサンズ(John Wiley&Sons)、２０００年の図１０．４に図示してあるので、ここでは更に説明しない。図１にＳＳＢミキサを組み込むためには、それぞれのビート信号の同相検出と直交位相検出のために、２ペアの平衡検出器のセット（合計で八つの平衡検出器のペアになる）で、図１の４つの検出器Ｄ１〜Ｄ４のそれぞれを置換する必要がある。
【００４４】
モード同期レーザの共振器長制御の様々なスキームについて‘４３５号明細書に記載されている。基準発振器Ｒ２、発振器Ｏ１と発振器Ｏ２、検出器Ｄ３及び検出器Ｄ４を用いる類似の配置でビート周波数ｆb3、ｆb4、△ｆ１を生成し、そこでは、ｆb3及びｆb4を外部ＲＦレファレンスにロックすることも、△ｆ１の安定化のために採用できる。ファイバ光ビーム通路と光ファイバ結合器は、高集積密度の構成を実現する。或る実施例では、自由空間ビーム通路とビームスプリッタが、単独で又はファイバ技術の組み合わせで構成できる。好都合に、モード同期したファイバレーザは、固体レーザ発振器とダイオードレーザが単独又はファイバ発振器との組み合わせで様々な実施例で使用できるが、発振器Ｏ１と発振器Ｏ２として構成している。
【００４５】
図１に示すような試料とＦＴＳ検出ユニットが、図２の事例で更に詳細に図示されている。図２の配置では、２つの発振器Ｏ１と発振器Ｏ２の出力は、吸収分光に適したＦＴＳとするために、ビームスプリッタＢ１（又は等価な光ファイバ結合器）を介して結合している。第２ビームスプリッタＢ２は、検出器Ｄ５を介する基準スペクトルの検出を可能にする。検出器Ｄ６の前方に挿入した試料の吸収スペクトルは、検出器Ｄ６の出力を用いて測定する。信号処理装置ＳＰをＦＴＳに用いて、検出器からの信号を条件設定して、検出器から得られた情報を処理できる。ＣＤＳＬに基づいてＦＴＳを介する吸収スペクトルを得るスキームについても‘４３５号明細書に記載されている。
【００４６】
基準レーザＲ１及び基準レーザＲ２の光学的基準周波数ｆｘ及びｆｙだけでなく発振器Ｏ１と発振器Ｏ２の周波数出力とビート信号ｆb1〜ｆb4の関係は、それぞれ、次のように記すことができる：
ｎｆrep＋ｆceo1              ＝  ｆｘ＋ｆb1        （１）
ｎ（ｆrep＋δ）＋ｆceo2  ＝  ｆｘ＋ｆb2              （２）
ｍｆrep＋ｆceo1              ＝  ｆｙ＋ｆb3        （３）
ｍ（ｆrep＋δ）＋ｆceo2  ＝  ｆxy＋ｆb4              （４）
ここで、ｆrep、ｆrep＋δ及びｆceo1、ｆceo2は、それぞれ２つのモード同期レーザの繰り返し周波数及び２つのモード同期レーザの搬送波包絡線オフセット周波数である。ｎとｍは、整数であり、基準光源ｆｘ、ｆｙは、それぞれ、同じオーダーのｎとｍの２つのモード同期レーザからの周波数ラインでビートしていると仮定する。２つのモード同期レーザ間の繰り返し周波数の差δと搬送波包絡線オフセット周波数の差△ｆceoは、下記の式から与えられる：
δceo2  ＝  （△ｆ２−△ｆ１）／（ｎ−ｍ）           （５）
△ｆceo  ＝  （ｎ△ｆ１−ｍ△ｆ２）／（ｎ−ｍ）    （６）
したがって、△ｆ１と△ｆ２が安定すると、δと△ｆceoが順に安定する。‘４３５号明細書で述べたように、δと△ｆceo（及びレーザ繰り返し周波数）の認識から、ＣＤＳＬに基づいたＦＴＳの周波数の尺度を較正できる。しかし、達成可能な分解能は、モード同期レーザの繰り返し周波数と同程度である。コムラインの次数ｎとｍは、例えば、別個のコムレーザを用いて絶対周波数測定から得ることができる。‘４３５号明細書で示すように、分解能を改善するために、ｆceo1又はｆceo2の何れかを測定する。少なくとも１つの実施例では、これは、ｆ−２ｆ干渉計で測定できる。代わりに、ｆceo1は、下記の式から得ることができる：
ｆceo1  ＝｛ｎ(ｆy＋ｆb3)−ｍ(ｆx＋ｆb1)｝／（ｎ−ｍ）  （７）
類似の式もｆceo2に対して表すことができる。したがって、ｆceo1は、△ｆ１と△ｆ２を安定にすることに加えて、ｆb3及びｆb1を記録することからも入手できる。実際の波長に対して、較正ｆceo1は、干渉図形の取得時間τ中に記録できて、干渉図形は位相補正項と乗算できる。
【数１】
2013507005.tif 000003
【００４７】
補正した干渉図形のフーリエ変換は、‘４３５号明細書でも説明したように、変換ファクタを介して光スペクトルに関連付けできる、ＲＦスペクトルをつくる。
【００４８】
ｆopt  ＝  ［ｆrf−△ｆceo］ｆrep／δ                  （９）
代わりに、ＦＴＳで使用可能な信号取得時間は、ｃｗレファレンスのコヒーレンス時間で制限されると見なすことができる。様々な実施例において、ｆrepを外部周波数レファレンスにロックできることは有益なことであり、例えば、モード同期レーザの１つにポンプ電流を変調すると可能になる。代わりに、ｆrepは記録できて、更なる位相補正項を式（８）に追加できる。ｃｗレーザを光クロックにロックできて、秒の単位のコヒーレント時間を実現できるので、ヘルツ・レベルの周波数分解能を実現できる。したがって、モード同期レーザの繰り返し周波数より非常に小さい周波数分解能を得ることができる。
【００４９】
概して、△ｆ１と△ｆ２は、個々のコムラインとｃｗ基準レーザとの間のオーバーラップで生成した光学的ビート信号を外部ＲＦレファレンスにロックすることにより安定化できる。代わりに、△ｆ１と△ｆ２は、ｃｗ基準レーザを置換発振器として使用し、２つの異なるモード同期レーザからの２つのコムラインの差周波数を外部ＲＦレファレンスにロックすると安定にできる。これらの２つの方法の任意の組み合わせも可能である。
【００５０】
△ｆ１と△ｆ２は、２つの個々のコムラインを２つのコムレーザから光フィルタリングを介して隔離し且つ最終的なビート信号を測定すると、直接測定して安定にできる。光フィルタは、例えば、ファイバブラッグ格子又はファブリペロー・エタロン又は両方の組み合わせから都合良く構成できる。図１Ｂは、△ｆ１と△ｆ２を光フィルタでロックするスキームの一例を示す。ここで、Ｆ１とＦ２は、２つの光フィルタの配置を表している。例えば、Ｆ１は、光サーキュレータと高分解能のファブリペロー・エタロンと連結して反射型動作するファイバブラッグ格子を具備できる。エタロンの自由スペクトル間隔（自由スペクトル・レンジ）は、ファイバブラッグ格子の帯域幅より狭くなるように選択している。このような配置は、別に図示してない。残りの構成部品は、図１で説明した。光増幅器は、△ｆ１と△ｆ２っの測定時に信号雑音比を高めるために、光フィルタの前に更に挿入できる。ベストの分解能とするために、光フィルタの全体的な帯域幅は、２つのコムレーザの繰り返し周波数と同等に又は小さくする。しかし、より大きなフィルタ帯域幅も、低いスペクトル分解能で十分な場合に実施できる。
【００５１】
位相同期技術の詳細は従来技術で周知なので、ここでは説明しない。位相をロックする方法は、アナログ・エレクトロニクスを介して周波数ミキサとして、又はデジタル・エレクトロニクス、デジタル周波数カウンタを介して、又はデジタル信号処理を介して実施できる、位相／周波数検出器を一般的に用いている。位相／周波数検出器は、安定にすべきビート信号と外部ＲＦレファレンスとの間の位相／周波数差に比例する出力をつくる。位相同期回路の帰還ループは、ビート信号とＲＦレファレンスとの間の位相差が最小限になるようにつくられる。残留位相差は、帰還ループの限定されたロック帯域幅と不完全さのために依然として残っている。この残留する小さな位相差は△ｆceoとδに依然として存在するので、式（９）により、再構成した光周波数ｆoptに加えられる。或る実施例では、閉じた位相同期・ループの位相検出器の出力の位相雑音、例えば、ループ内エラー信号を記録して、干渉図形に又は再構成した光スペクトルに対する補正項の計算に使用する。代わりに、周波数同期スキームが実施できる。又、周波数ロックからのエラー信号を記録して、補正項の計算に使用できる。
【００５２】
言い換えれば、我々は、２つのコムラインのＲＦ信号Ｓ１と差周波数Ｓ２の位相の差を、Ｓ１とＳ２の位相又は周波数をロックしながら記録して、△ｆceoとδに対する適正な補正値を得る。代わりに、Ｓ２は、２つの周波数コムの繰り返し周波数の差から直接導くこともできる。更に一般的に、信号Ｓ２は、２つのモード同期レーザの個々の繰り返し周波数、２つのレーザの個々の搬送波包絡線オフセット周波数。又はそれらの差から導くこともできて、更に、ｃｗ基準レーザとモード同期レーザの個々のコムラインとの間の任意のビート信号と位相同期回路又は周波数ロックからのエラー信号を用いて、Ｓ２の値に対する補正値を得ることができる。
【００５３】
更に、ＣＤＳＬでは、周波数分解能は、図３に示すように、２つ以上の干渉図形を連続して記録すると更に改善できる。ここでは、Ｎ＝３連続する干渉図形が図示されている。まず、実現可能な分解能は、記録した干渉図形の数に逆比例し、ｃｗ基準レーザのコヒーレンス時間で制限される。実際に、低い繰り返し周波数のレーザを備えるよりも、記録した干渉図形の数を増やして、ＣＤＳＬに基づくＦＴＳの分解能を高めるほうが、多くの場合に好ましい。なぜならば、モード同期レーザ及び特にモード同期したファイバレーザは、より高い繰り返し周波数で動作するときに、一般的により安定し、且つ環境的な変動に対して敏感でないからである。
【００５４】
しかし、位相補正項又は増加した信号取得時間の包含により、ｃｗ基準レーザに相応する周波数分解能の改善が達成する。ＦＴＳの基準として、世界中で入手可能な全地球測位周波数基準（ＧＰＳ）を参照することは時々有益になる。少なくとも１つ実施例では、これは、例えば‘８５９号明細書に開示するように、発振器Ｏ１又は発振器Ｏ２の何れかの出力でビームスプリッタを経由して挿入した、更なるｆ−２ｆ干渉計により、図１と同様な配置で達成できる。更なる周波数拡大ステージが、‘４３５号明細書に開示するようにオクターブ幅を有するスペクトルを生成するために含まれている。そこで、ｆ−２ｆ干渉計を用いると、関連するモード同期レーザのポンプ電流の変調により実施できる、更なる位相同期回路により、２つの発振器の１つの搬送波包絡線オフセット周波数、例えば、ｆceo1をロックできる。ポンプ電流の変調を更に用いると、第２のレーザの繰り返し周波数ｆrep＋δをＧＰＳにロックできる。一度ｆceo1及びｆrep＋δをロックすると、ｆrepと△ｆceoをＧＰＳ基準周波数に関連付けることができるので、絶対周波数の較正（ＧＰＳに関して）が可能になる。代わりに、我々は、ＧＰＳに相応する較正とするために、ｆceo1ビート信号だけロックして、ｆrep＋δの繰り返し周波数を記録できる。同様に、ｆceo1及びｆrep＋δを共に記録して、光学的基準設定によるＧＰＳ較正とすることができる。
【００５５】
発振器Ｏ１と発振器Ｏ２の後に含まれている周波数拡大ステージは、中間のＩＲで分光測定を可能にするために、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を更に具備できる。このようなＯＰＯは、任意の他の非線形結晶も使用できるが、例えば、周期的分極反転ＬｉＮｂＯ３又は光学的にパターニングされたＧａＡｓ結晶から構成できる。ＯＰＯの繰り返し周波数と搬送波包絡線オフセット周波数は、共に、発振器Ｏ１と発振器Ｏ２にロックできるので、繰り返し周波数の僅かな差により、中間のＩＲスペクトル領域で動作するＦＴＳを構成できる。ポンプ・レーザにロックした搬送波包絡線オフセット周波数をもつＯＰＯは、周知なので、ここで更に説明しない。
【００５６】
様々な実施例では、ＣＤＳＬに基づくＦＴＳの信号雑音比は、図４に示すように、二重平衡検出技術を実施すると更に改善できる。発振器Ｏ１と発振器Ｏ２の出力パルスは、偏光ビームスプリッタで結合し、高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）、非線形ファイバ増幅器、又はその様々な組み合わせを含むことができる、随意的なスペクトル拡大ユニット４０５とファイバ増幅器の２つの直交する偏光軸に沿って伝搬するように配列されている。図４の事例では、パルスが光学的試料を通過し、２つの直交する偏光は、試料から下流側に設けた第２の偏光ビームスプリッタを介して２つの伝搬通路１及び伝搬通路２とに分割される。伝搬通路２に挿入した半波長板（λ／２）が偏光方向を再び揃える。パルスは、光ビームスプリッタＢＳを介して結合し、２つの発振器間の干渉に起因する信号が、検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２を用いて検出される。検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２で検出した干渉信号は位相が不一致なので、検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２で測定した信号の減算により、検出した信号の任意のｃｗバックグラウンドを除去できるので、検出した干渉信号の信号雑音比が増加することになる。或る実施例では、干渉信号に対して非常に高い信号雑音比を得るために、両方の発振器に対して同じポンプ・レーザを使用して（これは、例えば、図示するように、ポンプを適正に分割するビームスプリッタを用いて実施できる）両方の伝搬通路に沿う分散のバランスをとると効果的である。
【００５７】
図４の事例では、１つの増幅器と非線形スペクトル拡大素子とを用いる二重平衡型検出方法を示す。様々な実施例では、二重平衡検出スキームは、２つの非線形スペクトル拡大素子だけでなく、２つの発振器と２つの増幅器を用いて容易に採用できる。或る実施例では、両方の発振器に同じポンプ・レーザ及び両方の増幅器に同じポンプ・レーザを用いると効果的である。但し、このようなスキームの別途の図示は省略している。又、二重平衡型検出方法は、図１と２の配置と連結して、即ち、検出器Ｄ５及び検出器Ｄ６からの電流を差し引いて使用すると、検出スキームで実現可能なＳ／Ｎ比を改善できる。この場合、図２のビームスプリッタＢ１及びビームスプリッタＢ２の間で試料を移動することは効果的である。マッハツェンダー構成に加えて、任意の他の適切な二重ビーム干渉計も使用できる。二重平衡型検出は、両方のビームからの振幅雑音に関連性が無いときでも、任意のこのような二重ビーム干渉計の振幅雑音低減するために適用できる。しかし、両方の検出器の信号レベルのバランスをとることが必要になる。信号のバランスがとれればとれるほど、振幅雑音を低減できる。広帯域信号に対して、任意の波長依存性の信号差を補償するために使用できる、可変減衰器も使用できる。様々な実施例において、信号処理装置（図示せず）は検出器の出力信号の処理にも活用できるとともに、情報は計測システム又は撮像システムで活用できる。数多くの組み合わせが可能である。
【００５８】
周波数コムレーザで構成した吸収ＦＴＳの試料の位相応答を測定するスキームは、周知である（Ｓ．シラー（Schiller）著、『周波数コムによる分光分析(Spectrometry with frequency combs)』、米国光学会誌オプティックス・レターズ(Opt.Lett.)，２００２年、第２７巻、ｐ．７６６〜７６８，）。同様に、試料の位相応答は、ＣＤＳＬに基づいた吸収ＦＴＳを用いるときにも測定できる。図５は、マッハツェンダー干渉計に基づく位相測定のためのＦＴＳ検出器と試料配置の代表的な実施例を示す。ここで、発振器Ｏ１と発振器Ｏ２はモード同期発振器であり、出力はビームスプリッタＢ１を介して結合する。或る実施例では、発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２は、図１で述べたように、それらの搬送波包絡線オフセット周波数と繰り返し周波数とを制御するためにｃｗレーザに更に接続している。発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２の基準スペクトルは、検出器Ｄ１で測定する。更なる増幅とスペクトル拡大ステージ５０５は、‘４３５号明細書（図示せず）で述べたようにビームスプリッタＢ１及びビームスプリッタＢ２との間に更に設置できる。例えば、線形ファイバ増幅器と、ここで図４に示すようなＨＮＬＦ、及び／又は非線形ファイバ増幅器のコンビネーション４０５を、増幅と拡大のために活用できる。
【００５９】
再び図５の事例を見ると、マッハツェンダー干渉計は、干渉計の１つの伝搬通路の試料で発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２の結合出力を分割して構成している。通路長の差は、‘４３５号明細書でも述べたように、任意の非線形スペクトル拡大ステージにおける相互位相変調から信号歪みを回避するために、マッハツェンダー干渉計の２つのアームに更に包含できる。試料の透過率を検出器Ｄ２で更に測定し、位相応答を検出器Ｄ３及び検出器Ｄ４で測定する。マッハツェンダー干渉計の最上部と最下部のアームに沿う位相遅延を適切に調整して、Ｄ３とＤ４の光検出器の電流をマイナスして、ｔ（ω）×cos（ψ（ω））に比例する信号応答を得る、ここで、ｔ２（ω）は試料の透過率であり、ψ（ω）は周波数の関数としての試料の位相応答である。
【００６０】
代わりに、試料の位相と吸収応答は、図６に示すように、試料と検出器の配置から実現できる。このようなスキームは、非特許文献４が論じていたので、ここでは更に説明しない。
【００６１】
又、吸収ＦＴＳの感度は、図７に示すように、１つの発振器（例えば、発振器Ｏ１）の繰り返し周波数に整合する共振器往復時間で、エンハンスメント共振器を用いると増加できる。エンハンスメント共振器を干渉計の一方のアームに挿入し、それを、好都合に長い共振器管に組み込んでミラーＭ１及びミラーＭ２とで終端する。共振器管は、ガス吸気弁を更に備え、ガス排気弁も具備できる。様々な実施例で、感度は、‘９９８号明細書で述べたように、エンハンスメント共振器往復時間に発振器Ｏ１の共振器往復時間を整合すると更に増加できる。その上、共振器と発振器Ｏ１の間の位相整合も実現する。位相整合は、‘９９８号明細書で述べたように発振器Ｏ１の搬送波包絡線オフセット周波数を調整、又は図７に示すように挿入した光学的変調器で発振器パルスの周波数をシフトすると実現できる。
【００６２】
発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２と連結してＯＰＯを用いると、スペクトル測定の感度を、別のエンハンスメント共振器が無くても増加できる。この場合、ガス・セルは、ＯＰＯの一方に直接挿入できる。スペクトル吸収測定では、したがって、超高度の感度を微量ガス検出に対して実現できる。このような配置は別個に図示してない。
【００６３】
図８は、放出ＦＴＳのために構成したＣＤＳＬを、事例を用いて示す。本例では、発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２は、前述のように更に増幅できてスペクトル拡大できる、フェムト秒のパルスを生成する（図示せず）。前述のように、発振器は僅かに異なる繰り返し周波数で動作しているので、両方の発振器の搬送波包絡線オフセット周波数を更に制御できる。発振器の出力は、約１ｐｓ未満のパルス幅に好都合に圧縮される。発振器Ｏ１の出力は、２つの伝搬通路にビームスプリッタＢ１を介して分割される。上方伝搬通路を伝搬するパルスは、パルス帯域幅を減少するために狭帯域バンドパスフィルタＦ１に送られる。理想的には、帯域通過フィルタは、パルスを約１〜１００ｐｓの幅に一時的に拡大する。拡大したパルスは、別の増幅器（図示せず）で更に増幅できる。本例では、拡大したパルスは、光学的スキャナに送られ、試料に顕微鏡対物レンズＭＯを介して集束されて、試料のスペクトル放出を誘導する。例えば、様々な試料が、ラマン応答を有して、弱いラマン・スペクトルを放出することになる。ラマン応答は、従来技術で周知である、表面増強ラマン散乱、ＳＥＲＳ又は共鳴ラマン散乱、ＲＲＳ、又は任意の増強技術として知られる、表面増強技術を用いると更に増強できる。発光スペクトルは、顕微鏡対物レンズで集められ、ビームスプリッタＢ２、Ｂ３、Ｂ４を経由して検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２に送られる。ノッチフィルタ又はハイパス・フィルタＦ２は、試料に照射されるポンプ・パルスをフィルタリングすると共に、試料からのスペクトル放出又はラマン放出を透過するように構成している。放出信号と発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２からのパルスは、それぞれ、ビームスプリッタＢ３及びビームスプリッタＢ４を介して更に結合し、検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２で検出する。様々な実施例において、スペクトルは発光スペクトル間でオーバーラップして、発振器スペクトルが提供される。
【００６４】
実際に、短い発振器パルスが、時間の関数として試料から放出される長く続くスペクトル放出をサンプル抽出する。検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２の出力は、それぞれ、発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２からの出力と試料からの放出との間の光干渉信号に対応している。検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２の出力の非ＤＣ部分は、位相ファクタとは別に、試料からの放出Ｅｅｍ（ｔ）によるそれぞれのパルス・包絡線のコンボリューションに比例している。検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２の出力の非ＤＣ部分が、電子的に乗算される。更に、パルスが試料からの放出より非常に短いことを考慮して、位相ファクタとは別に信号Ｅｅｍ（ｔ）Ｅｅｍ（ｔ−τ）を生成する。ここで、Ｅｅｍ（ｔ）は時間の関数としての放出信号であり、τは発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２から放出された２つのパルス間の時間遅延である。時間遅延τは各サンプリング点の間で僅かだけ進む、ここで、サンプリングイベントは、例えば、発振器Ｏ２でトリガーし、検出器出力は、発振器Ｏ２の繰り返し周波数に対応する率であり、このサンプリングイベント時に記録される。２つの発振器間の繰り返し周波数の差を把握すると、又は両方の発振器間の繰り返し周波数の差を記録すると、各サンプリング点に適したτの正確な値を求めることができる。Ｅｅｍ（ｔ）Ｅｅｍ（ｔ−τ）の平均値は、全時間の総和と更に等価になるので、我々は下記の式のように記すことができる：
Γ（τ）＝ΣＥｅｍ（ｔ）Ｅｅｍ（ｔ−τ）
Γ（τ）は、したがって、Ｅｅｍ（ｔ）の自己相関関数と等価になり、発光スペクトルは、したがって、Γ（τ）のフーリエ変換から得られる。積Ｅｅｍ（ｔ）Ｅｅｍ（ｔ−τ）はサンプリングパルスの搬送波包絡線位相に依存するので、２つの発振器パルスの搬送波包絡線オフセット周波数が安定する。代わりに、適切な位相補正項を、△ｆceoの記録から得ることができる。同様に、２つの発振器の２つの繰り返し周波数の差δの変動は、時間の関数としてτの正確な値を得るためにモニターできる。△ｆceoとδは、ここで更に説明しないが、図１で述べたように、２つのｃｗレーザを用いて得ることができる。本例では、反射の発光スペクトルを検出する配置が図示されている。しかし、類似の配置も、別個に図示してないが、透過に使用できる。
【００６５】
更に別の事例として、図９は、誘導した発光スペクトルを測定するために構成したＣＤＳＬを示す。ここで、発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２は、更に増幅してスペクトル拡大できる、広帯域幅のパルスを生成する（図示せず）。前述のように、発振器は僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成しているので、両方の発振器の搬送波包絡線オフセット周波数を更に制御できる。発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２の出力は、基準スペクトルを得るために、検出器Ｄ１にビームスプリッタＢ１及びビームスプリッタＢ２を経由して送られる。次に記すように、我々は、発振器Ｏ２からの未濾過のパルスを、試験パルスと呼ぶ。発振器Ｏ２の試験パルス出力の一部は、狭帯域バンドパスフィルタＦ１を経由して更に送られて、ポンプ・パルスを生成する。ポンプ・パルスは、別途の図示を省略しているが、更に増幅できる。発振器Ｏ２からのポンプ・パルスと発振器Ｏ２からの試験パルスは、ビームスプリッタ４で更に結合して、顕微鏡対物レンズを介して試験試料に送られる。ここで、試験試料上の時間的オーバーラップが保証される。ノッチフィルタＦ２は、別の顕微鏡対物レンズが集めた狭いポンプ・パルスをフィルタリングするので、広帯域幅の試験パルスが検出器Ｄ２に送られ、そこで、それらはビームスプリッタＢ５を介して発振器Ｏ１からの出力と結合する。強いポンプ・パルスのために、誘導ラマン散乱の放出は、試験パルス内の或るスペクトル帯域を増幅（又は減衰）することになる。検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２で検出されたスペクトルを差し引くと、誘導ラマン発光スペクトルの正確な測定を容易に実現できる。空間的に分解した情報が、２つの顕微鏡対物レンズ間の試験試料の位置を変えることにより生成する。図９は透過測定の配置を示す。類似の配置が、光学的システムの修正により反射測定のためにも使用できる。或る実施例では、反射と透過の両方を測定できる。両方の発振器は、雑音低減のために同じポンプ・レーザで更にポンプできるので、信号雑音比の改善が、二重平衡型検出方法の構成から実現できる。
【００６６】
図１０は、コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱顕微鏡検査（ＣＡＲＳ）を測定するためのＣＤＳＬを示す。発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２は、試料のラマン・スペクトルの幅に対応するスペクトル幅で広いスペクトル出力をつくるように条件設定される。特定の実施形態では、発振器Ｏ２を用いて、赤にシフトした信号パルスだけでなくピコ秒のラマン・パルスの両方を生成する。例えば、ポンプパルス及び信号パルスは、広帯域幅のパルスからスペクトルフィルタリング（フィルタＦ１及びフィルタＦ２を使用）により得ることができる。ポンプパルス及び信号パルスは、共に、試料を透過して、青にシフトしたアンチストークス出力を生成することになる。信号とポンプは、アンチストークス出力を透過する、ショートパス・フィルタＦ４で次に抑制される。発振器Ｏ１の出力は、例えば、フィルタＦ３を用いて、試料から発生したアンチストークス・スペクトルとオーバーラップするように好都合に選定される。試料からのアンチストークス出力は、発振器Ｏ１の出力とビームスプリッタＢ３を介して結合し、検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２でサンプル抽出され、そこでは、二重平衡型検出も実施できる。このスキームは、局部発振器として作用する発振器Ｏ１によりアンチストークスＣＡＲＳ出力のヘテロダイン検出と効果的に等価であり、非常に良好な感度をつくることができる。更に、高度な振動モードの選択が、比較的狭い信号及び／又は局部的な発振器のパルスを用いると可能になる。光学的スキャナと適切な撮像デバイスを用いると、ＣＡＲＳ顕微鏡の構成が更に可能になる。
【００６７】
図１０に示す検出スキームは、図１１に示すように、一般的なサンプル抽出又はコヒーレント検出方法の有効な一例である。ここで、発振器と信号は、キャリア位相の安定性を改善するために外部ｃｗ基準レーザに順に位相同期できる、僅かに異なる繰り返し周波数で動作する２つのモード同期レーザを備える。このスキームでは、信号が、信号加工ステージでコヒーレントに加工処理され、加工処理された信号は発振器パルスでサンプル抽出される。検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２からサンプル抽出した検出器出力の適切なフーリエ変換により、発振器Ｏ１のスペクトルと加工処理された信号スペクトルの積が生じる。信号の加工処理前の発振器パルスと信号パルスが妥当な精度で周知ならば、フーリエ変換の逆数に応じて、信号加工ユニットのインパルス応答を導くことができる。
【００６８】
図１２は、図１１の一般的なサンプル抽出方法の応用を、ポンプ・プローブ測定のために示す。前述のように、局部発振器のパルスと信号パルスは、僅かに異なる繰り返し周波数で動作する２つのモード同期発振器から導かれ、それらは、繰り返し周波数と搬送波包絡線オフセット周波数の制御のために、ｃｗレーザに順にロック又は基準設定（基準付け）されるか、又は搬送波包絡線オフセット周波数を制御する他の手段を包含している。発振器パルスを更にスペクトル拡大し、増幅し、圧縮することを、前述のように更に包含できる。信号パルスを更に用いてポンプ・アームを伝搬する高パワーのポンプ・パルスを生成し、信号パルスの一部は、ビームスプリッタＢ１で分割されて、プローブ・アームを伝搬するプローブ・パルスを生成する。プローブ・パルス及びポンプ・パルスは、ビームスプリッタＢ２で再結合する。プローブ・パルス及びポンプ・パルス間の時間遅延は、ミラーＭ１及びミラーＭ２の移動に応じて自由に調整できる。ポンプ・アームを伝搬するパルスは、ポンプ光加工装置を介して更に加工処理できる。この加工処理には、例えば、周波数逓倍、周波数シフト、偏光回転、光フィルタリング、光学的な位相と振幅の変調、パルス・チャーピングが含まれる。又、プローブ・アームを伝搬するパルスも加工処理できる。ポンプ・パルス及びプローブ・パルスは、試料に更に集束され、そこでは、強いポンプ・パルスがプローブ・パルスのパルス伝搬特性を変えることになる。例えば、ポンプ・パルスは、ラマン発振を試料に誘導できるので、プローブ・パルスがポンプ・パルスの後に現れるように調整すると、試料を伝搬するプローブ・パルスに時間依存性の位相変調Φ（τ）が生じる。時間依存性の位相変調Φ（τ）と対応する位相変調スペクトルは、検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２を用いて局部発振器のパルスでプローブ・パルスをサンプル抽出すると分析できるので、これはプローブ・パルスの電界を測定することになる。位相変調の絶対値は、ポンプ・パルスをオン／オフしながら、プローブ・パルスの電界を比較して得る。強いポンプ・パルスが誘導して測定した位相変調Φ（τ）から、試料のラマン・スペクトルＲ（Ω）を、シュルプ(Schlup)他著、『位相シフト・フーリエ変換分光による低周波振動モードの高感度・選択的な検出(Sensitive and selective detection of low-frequency vibrational modes through a phase-shifting Fourier-Transform Spectroscopy)』、米国電子電気学会（ＩＥＥＥ）、ジャーナル・オブ・クウォンタムエレクトロニクス(J.Quantum Electronics)、第４５巻、第７号、２００９年、ｐ．７７７〜７８２に記載しているように、Ｆ「Φ（τ）」のフーリエ変換から計算できる。シュルプが述べていたように、従来のラマン・スペクトル測定と対照的に、ポンプ・パルス及びプローブ・パルス間の時間遅延の変動は要求されない、即ち、ポンプ・パルス及びプローブ・パルス間の時間を固定できる。プローブ・パルスは、或る期間の全体で位相変動の記録を可能にするために、更に十分に長くすべきである。
【００６９】
我々は位相変調の効果を論じたが、様々な実施例において、プローブ・パルス上でポンプ・パルスが誘導する吸収変調も測定できる。更に、プローブ・スペクトル周波数の関数としてのプローブ位相変調Φ（τ）の時間依存性も測定できる。このような測定は、別途の図示を省略しているが、図１２のプローブ・アームに高フィネスのエタロンを挿入することによって提供される。高フィネスのエタロンにより、所定数の選択されたプローブ・スペクトル周波数（エタロン歯）が透過可能になる。したがって、これらのエタロン歯の、それぞれにおける位相変調を分析することにより、プローブ・スペクトル周波数Φ（τ、ω）と時間の関数として共に位相変調が測定可能になる。これは、構成部品を移動させない２次元分光測定の一例である。このような２次元分光測定は、シュルプらも論じたように、分子の詳細な特性評価に非常に役立つ。例えば、Φ（τ、ω）が分かると、シュルプらも論じたように、２次元フーリエ変換で時間的に分解したラマン・スペクトルＲ（Ω、ｔ）の計算が可能になる。
【００７０】
他の形態の２次元分光も可能である。例えば、Ｐ．ハム(Hamm)他著、『三次元構造に関連した環状ペンタペプチドの２次元ＩＲ非線形分光(The two-dimensional IR nonlinear spectroscopy of a cyclic penta-peptide in relation to its three-dimensional structure)』、プロシーディングス・オブ・ザ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンス(Proc.Nat.Acad.Sci.)，１９９９年、第９６巻，ｐ．２０３６−２０４１で論じたような２次元吸収分光も、図９、図１０及び図１２を参考にして述べたようなポンプ・プローブ測定で可能である。
【００７１】
例えば、図１２に示す配置は、ポンプ光加工装置に波長可変光フィルタを含めることにより、２次元吸収分光に使用できる。プローブ・パルスの誘導吸収スペクトルは、２次元吸収分光に対して要求されるポンプ・パルス周波数の関数として測定できる。重要なことは、スペクトルのオーバーラップが、全体的に「プローブ測定された」スペクトル吸収範囲においてプローブ・パルスと発振器との間に存在することである。このような２次元分光測定は、最新の技術では二重共鳴実験と呼ばれている。
【００７２】
我々はコリニア構成で１つだけのポンプ・パルスによるプローブ・パルス加工処理を論じたが、原則として、任意の数のポンプ・パルスが使用可能であり、プローブと発振器のパルス間のコリニア構成は、ＣＤＳＬ配置の局部発振器基準パルスによるプローブ加工処理を観察する際に必要でない。特に、ＣＤＳＬは通例の２次元分光にも使える。図１２Ａは２次元フーリエ変換分光に対して可能な構成を示す。ここでは再び、図１２で述べた、僅かに異なる繰り返し周波数で動作する信号源及びびと発振器を使用する。信号源からのパルスは、２つの光遅延線の配置により、３つのパルス・シーケンス（必ずしもコリニアでなくてもよい、即ち、最新の技術で周知のように、ボックスカーの幾何学的構成が実現できる）に分割される。このような２次元分光のための３つのパルス・シーケンスは、例えば、Ｒ．Ｍ．ホッホシュトラッサー(Hochstrasser）他著、『赤外線及び光周波数における２次元分光(Two-dimensional spectroscopy at infrared and optical frequencies)』、プロシーディングス・オブ・ザ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンス、２００７年、第１０４巻、ｐ．１４９０、で論じていた。ここで、最初の光遅延が、最初の２つのパルス間で調整可能時間分離τ、ホッホシュトラッサーのいわゆるコヒーレンス時間調整τを可能にする。第２の光遅延線は、最初の２つのパルスに対する第３のパルスの時間的分離の調整、ホッホシュトラッサーのいわゆる待機時間調整Ｔを可能にする。これらの３つのパルスは、発振器パルスにより時間ｔ（ホッホシュトラッサーのいわゆる検出時間）の関数として光学的にサンプル抽出され且つ検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２で検出される、フォトン・エコー信号パルスを生成できる。最終的な時間ドメイン干渉図形は、２次元吸収スペクトルをつくるために、変数ｔ及び変数τに沿ってフーリエ変換できる。単独で読み出したパルス３に代わって、読み出したパルスのシーケンスも可能である。又、最初の２つのパルスを変調して、測定の感度を高めることができる。その上、パルス３の透過は、最初の２つのパルスをオン・オフしながら直接測定できる。
【００７３】
このような２次元吸収スペクトルは、例えば、ホッホシュトラッサーが論じたような複雑な分子構造の分析に特に有用である。ホッホシュトラッサーが論じたように従来の２次元分光に匹敵する図１２Ａに示す配置の２次元分光に対して可能な捕捉速度が大幅に改善したので、図１２と図１２Ａの事例に関して述べたようなポンプ・プローブ配置は、試料の前方と試料の後方に適切な集束と光学的走査用の配置を実施することにより、光学的撮像アプリケーションと顕微鏡検査に更に適応できる。それらの空間的で且つ時間的な配置だけでなく実際のパルスの更なる加工処理と、大きな数のパルス・シーケンスの構築だけでなくシーケンス化も可能なので、通例の多次元分光測定も可能になる。
【００７４】
図１３は、反射又は光断層撮影技術（光コヒーレンストモグラフィ：ＯＣＴ）で動作するＦＴＳ用の構成としてのＣＤＳＬを示す。発振器は、図１を参考にして述べたように、更なるｃｗレーザに接続できる。更なる周波数拡大ステージは、発振器のスペクトル出力を拡大するために構築できる。発振器Ｏ１の出力は試料に送られ、試料から反射した光はビームスプリッタＢ１を経由してビームスプリッタＢ２に送られる。試料から反射した光は、次にビームスプリッタＢ２を経由して発振器Ｏ２からの出力と結合する。結合した光は、検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２で検出する。検出器に入射する干渉信号は少なくとも小さい帯域幅で位相が外れるので、検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２の出力が減算される二重平衡型検出方法を構築することで、感度の改善を達成できる。大きな帯域幅で二重平衡型検出方法を構築するために、少なくとも１つの実施例では、２つの発振器の２つの伝搬通路に沿う分散の正確なバランスが確立する。反射時にＦＴＳで動作するときに、試料の吸収と位相応答が共に可能になる。
【００７５】
光断層撮影技術（ＯＣＴ）に使用するときに、検出した信号は、基本的な干渉的なビート周波数、即ち、均一の速度で移動するミラーからの反射になる等価的なドップラー・シフト周波数で好都合に濾過される。２つの発振器の繰り返し周波数の差δに対して、等価ドップラー周波数ｆＤは、ｆＤ＝（δ／ｆrep）ｖ０から与えられる。ここで、ｖ０は発振器の出力信号の中間的な光周波数である。ＯＣＴアプリケーションに対して、搬送波包絡線オフセット周波数を安定にすることは要求されない。したがって、２つの発振器間の繰り返し周波数の差の位相同期は十分である。ＣＷレーザは、超高分解能が望ましいときに実施例で使用できる。類似の配置も光学的距離測定アプリケーションで使用できる。
【００７６】
別の事例として、図１４は、ＴＨｚ距離測定用のＣＤＳＬを示す。配置は図１３と似ているが、更なるＴＨｚエミッタを発振器Ｏ１の後に挿入している。試料から反射したＴＨｚ信号は、ＴＨｚ検出器にビームスプリッタＢ１及びビームスプリッタＢ２を経由して送られ、そこでは、ポンプ・プローブ検出スキームが最適の信号雑音比を達成するために行われる。最新の技術で周知の電気光学結晶の光検波又は光伝導性のエミッタが、ＴＨｚの放出と検出に対して実施できる。又、ＯＣＴアプリケーションでは、２つの発振器間の繰り返し周波数の差の安定化が、ＴＨｚ距離測定のために必須である。
【００７７】
反射型動作するＴＨｚ分光計として図１４に示す配置を用いると、光伝導性のアンテナを、反射したＴＨｚスペクトルから生成したＲＦビート信号をモニターするＴＨｚ検出器として使用できる。ＴＨｚ反射スペクトルとＴＨｚ位相応答は、‘４３５号明細書で述べたように、ＲＦビート信号のＲＦ分析から推測できる。又、ＴＨｚアプリケーションに対して、搬送波包絡線オフセット周波数の制御は要求されない。なぜならば、ＴＨｚ生成プロセスは、搬送波包絡線オフセット周波数のシフトを自動的に無効にするからである。
【００７８】
図１に示すシステムは、例えば、図１５に示すように、ＴＨｚ分光、顕微分光、、光学的撮像で更に使用できる。ここで、２つの発振器は、２つのレーザ間の繰り返し周波数と搬送波包絡線オフセット周波数の差を制御するために、２つのｃｗレーザに更に接続できる。２つの発振器が結合されて増幅される。‘４３５号明細書で述べたように、特に非線形ファイバ又は差周波数生成におけるスーパーコンティニューム生成に基づく更なる周波数変換部が構築できる。周波数変換した信号は、光学的スキャナを経由して送られ、次に光学的試料に集束される。透過した信号は、検出器Ｄ１又は焦点面アレイで検出する。検出器Ｄ２を用いて基準スペクトルを得る。スペクトル的に且つ空間的に分解した試料の透過率は、空間的な位置の関数としての検出器Ｄ１からの信号のフーリエ変換を計算して得る。焦点面アレイ検出器の使用には、スペクトルを数多くのポイントで同時に測定できるという長所があるので、時間を最小限にして、画像を得ることができる。
【００７９】
検出器を用いて、試料から反射した光を測定することにより、スペクトル分解した反射データも得ることができる。このようなスキームの別途図示は省略する。
【００８０】
ＣＤＳＬの様々なアプリケーションは一般的にコストを重視しているので、２つの周波数コムレーザを使用することは、将来性のある生産段階への導入に対しては障害になるかも知れない。しかし、２つのパルス間の干渉図形を記録することを可能にしながら、１つのコムレーザを除去するために、時間変動する遅延のもとで遅延レプリカとパルスとの間で干渉図形を生成するように、生成した周波数コムのコヒーレンスを使用することができる。このような構成を図１６に示す。本例では、１つのコムレーザＯ１だけ用いるが、前記発振器の共振器長は、高周波で変調する。ビームスプリッタＢ１は、次に、パルスの一部を長い光遅延線に向けて偏向する。光遅延線を経由した伝搬した後、光学的に遅延したパルスが現れる。我々は、これらのパルスを遅延パルスと呼ぶ。光遅延線は、適度の長さを有するファイバ１６０、即ち、１０ｍ〜数十ｋｍの範囲、又は１００ｍ〜１０ｋｍの範囲の長さを有するファイバ１６０である。しかし、他の光遅延線も、例えば、エリオットセルのように構成できる。様々な実施例において、光ファイバの長さは、約５ｍ〜約１００ｍの範囲、又は他の類似の範囲になる。時間的に遅延したパルスは、光遅延の無いコムレーザＯ１から到着する発振器パルスにビームスプリッタＢ２で干渉する。我々は、これらのパルスを直接パルスと呼ぶ。更に、発振器繰り返し周波数の急速な変調のために、直接パルスと遅延パルスの間の時間遅延が時間依存性になる。したがって、ビームスプリッタＢ２におけるパルス分離が連続走査になる。
【００８１】
本質的に、遅延線は有効な第２発振器Ｏ２をつくる。前述のＣＤＳＬのアプリケーションのすべてが、したがって、時間的に遅延したレプリカ、即ち、有効な第２発振器のような１つだけのコムレーザを用いるときに適用可能になる。しかし、スキャニング遅延線が必要となる任意の他のアプリケーションも可能である。このような他のアプリケーションは、例えば、特許文献３と米国特許第５，７７８，０１６号明細書で論じられていた。例えば、ここで、検出器Ｄ５及び検出器Ｄ６は、図２を参考にして既に述べたものと同様に、試料の光学的吸収の測定に使用できる。
【００８２】
図５〜図１５に対応する事例のＣＤＳＬは、１つの周波数コムレーザが、高効率ＣＤＳＬの構造のためにその時間的に遅延したレプリカをもつか、又は更に一般的なコヒーレント走査型レーザシステム（ＣＳＬ）となるように構成できる。アプリケーション・ステージとスペクトル拡大ステージとを設けて、ビームスプリッタＢ１の上流側又はビームスプリッタＢ２の下流側又は発振器Ｏ１の外部のどこかに設けた発振器の光スペクトルを拡大できる。
【００８３】
図１６に示す構成に、シングル・パスの光遅延線が図示されている。同様に、ダブル・パス光遅延線は、光遅延線の偏光変動を最小限にするために、第１のパスの後にファラデー回転子と連結して使用できる。この場合、ビームスプリッタＢ１を用いて、直接パルスと遅延パルスを干渉的に結合することもできる。このような構成の別途図示は省略する。又、実際の吸収媒体を、吸収測定の感度を高めるために光遅延線に挿入できる。例えば、ガス媒体を、微量ガスの超高感度検出のためにエリオットセルに導入できる。
【００８４】
小さな共振器長変調に対して、このスキャニング遅延線の達成可能な最大走査範囲は、発振器の繰り返し周波数に比例する。したがって、１００ＭＨｚ又は更に好ましくは５００ＭＨｚ以上の繰り返し周波数で動作する発振器を備えることが好ましい。通常は、発振器の高い繰り返し周波数は、高い走査周波数を可能にする。
【００８５】
特定の制限が、特に波長＞１８００ｎｍの場合に、シリカ・ファイバの大きな吸収に対して考えられる。より低い透過損失が、例えば、フッ化物、又はカルコゲナイド・ファイバ、又は、エリオットセル、ホワイトセル、又は他の適切な光遅延配置のような、バルク型光遅延線から構成した石英フォトニック結晶ファイバ又はフォトニック結晶ファイバを用いると実現できる。
【００８６】
別の制限が光遅延線の分散から生じる。しかし、パルス圧縮器を、分散補償のために光遅延線の末端に設置できる。代わりに、低分散のファイバも設置できる。同様に、光遅延線の分散は、エリオットセル、ホワイトセル、又は他の適切な光遅延配置のようなバルク型光遅延線を設置すると最小限にできる。
【００８７】
別の制限が遅延線長の環境的な変動から生じる。このような変動は、例えば、最新技術で周知の能動的な長さの安定化技術を用いると除去できる。この技術は、例えば、Ｋ．ホルマン(Holman)他著、『１．５μｍのモード同期光源の使用によるファイバ・ネットワークを経由する正確な周波数伝達(Precise frequency transfer through a fiber network by use of 1.5-μｍ mode-locked sources)』、オプティックス・レターズ(Opt.Lett.)、２００４年、第２９巻、ｐ．１５５４〜１５５６，及びＪ．キム(Kim)他著、『単結晶平衡相互相関器を用いる長期のフェムト秒タイミング・リンクの安定化(Long-term femtosecond timing link stabilization using a single-crystal balanced cross-correlator)』、オプティックス・レターズ、２００７年、第３２巻、ｐ．１０４４〜１０４６，で述べている。概して、遅延線長の変動は、個々に記録したフーリエ変換スペクトル間でゆっくりしたスペクトル・シフトを導く。したがって、これらのスペクトル・シフトは、光フィルタのような光学的基準の同時記録による較正をすることにより説明できる。
【００８８】
別の制限は、直接パルスと遅延パルスとの間で、ゆっくりとしたランダムなタイミングの変動を生じる、発振器パルスのタイミング・ジッターである。したがって、低いタイミング・ジッターの発振器パルスを設置すると有益である。
【００８９】
しかし、直接パルスと遅延パルスの間で記録した干渉図形のランダムな変動は、図１を参考にして既に述べたように、光学的基準設定技術を用いると更に抑制できる。前述のように、２つの基準レーザＲ１及び基準レーザＲ２は、検出器Ｄ１〜Ｄ４を介して直接パルスと遅延パルスの出力に干渉するように構成してあるので、それらを用いると、それぞれ、直接パルスと遅延パルスの繰り返し周波数と搬送波包絡線オフセット周波数との間の差を検出できる。繰り返し周波数と搬送波包絡線オフセット周波数の変動の記録を用いると、補正した干渉図形を生成できる。補正した干渉図形のフーリエ変換は実際のＲＦスペクトルをつくるので、それを用いると、光スペクトルを計算できる。
【００９０】
同様に、光遅延線の適切な長さが分かっているので、検出器Ｄ２及び検出器Ｄ３からの情報を用いると、第２ビームスプリッタにおける搬送波包絡線オフセット周波数とパルス繰り返し周波数の差を計算できる。なぜならば、まず、光遅延線は搬送波包絡線オフセット周波数又はパルス繰り返し周波数に関与しないからである。又、搬送波包絡線オフセット周波数は、光遅延線の出力の搬送波包絡線オフセット周波数を予測するために、光遅延線の上流側で測定できる。
【００９１】
測定した干渉図形の解明を単純にするために、光学的ＳＳＢミキサを検出器Ｄ１〜Ｄ４の代わりに設置できる、即ち、２ペアの平衡検出器（同相位相検出用及び直交位相検出用）が、図１を参考にして既に述べたように、検出器Ｄ１〜Ｄ４のそれぞれの代わりになる。
【００９２】
代わりに、長さ的に安定した光遅延線により、直接パルスと遅延パルスとの間の繰り返し周波数と搬送波包絡線オフセット周波数との間の差は、測定した干渉図形に対して適切な補正と較正のファクタとするために、任意の基準設定なしに別途に測定できる。更に別の代替案では、搬送波包絡線オフセット周波数（又は繰り返し周波数）の差だけ記録できるし、パルス間の繰り返し周波数（又は搬送波包絡線オフセット周波数）の差も別の測定から推測できる。
【００９３】
図１６Ａは、繰り返し周波数変調を含んでいる一般的なコヒーレント走査型レーザシステムの事例の構成を示す。本例では、光源を繰り返し周波数変調を意図して構成している。変調周波数は、好都合に１Ｈｚより高く、１０Ｈｚより高くできて、アプリケーションによっては１ｋＨｚよりも高くできる。或るアプリケーションでは、変調周波数は１０ｍＨｚ（ミリヘルツ）という低さになり、それよりも低くても設置できる。このような低い変調周波数でも、光学的基準設定は、図１６を参考にして述べたように、ランダムな繰り返し周波数と搬送波包絡線オフセット周波数の変動を測定して補正するために好都合に使用できる。このようなコヒーレント・スキャニング遅延線は、フーリエ変換分光と他のアプリケーションに使用できる。発振器の繰り返し周波数は、５ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲で可能であり、或る実施例では、数十ＭＨｚ以上になる。発振器は光源の一部をなし、パルス対を生成するように更に構成されている。これらのパルス対は、例えば、異なる伝搬長をもつ光源（図示せず）内で光遅延線を用いると生成できる。代わりに、第２発振器を、図１を参考にして既に述べたように、光源に追加できる。第２発振器の繰り返し周波数はほぼ一定にできる。少なくとも１つ基準光源は、パルス対の遅延（パルス対をもつ２つのパルス間の期間）を測定するように構成できて、且つ、或る実施例では、２つのパルス間の搬送波包絡線位相の差を測定するためにも使用できる。例えば、図１６では、このような基準光源は１つ又は２つのｃｗ基準レーザを具備できるが、任意の他の形態の基準光源も設置できる。パルス対が生成した干渉図形は、少なくとも１つの検出器（図示せず）で更に検出し、サンプル抽出して、従来のフーリエ変換分光のように光スペクトルを計算するために用いる。繰り返し周波数変調器とパルス対の何れか／又は両方による基準光源の相互作用からの情報を更に用いて、干渉図形を分析する。或る構成では、基準光源は、較正のためにだけ使用できて、干渉図形の分析は、基準光源を連続して使用しなくても進めることができる。
【００９４】
図１７Ａは、或る実施例によるコヒーレント走査型レーザシステムのための発振器デザイン１７００を概略的に示す。発振器は、ファブリペロー共振器に準じていて、例えば、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｈｏ、又はＢｉでドープし、ポンプ光源でポンプした利得ファイバを備える。発振器は、モード・ロッキングを始動するために共振器の一端に設けた可飽和吸収ミラー（ＳＡ）と、共振器の第２の末端に設けた反射ミラー（Ｍ１）とを含んでいる。バルク型グレーティング・ペアのような分散補償エレメントが、例えば、可飽和吸収体の前の共振器にも挿入できる。このようなグレーティング・ペアを経由する光伝搬の加工処理は、このような発振器の搬送波包絡線オフセット周波数を高速制御するために更に使用できる。ポンプ光と発振器（信号）出力は、最新の技術で周知のように、適切なファイバ・光ファイバ結合器を介して得る。ミラーＭ１の空間的な位置と共振器の繰り返し周波数は、例えば、ミラーＭ１を圧電トランスジューサーに実装することにより、又は、反射性Ｍ（Ｏ）ＥＭＳ「微少（光）電気機械システム」素子を用いることにより変調できる。しかし、繰り返し周波数の変調に適した任意の他の適切な配置も使用できる。例えば、音響光学的又は電気光学的な変調器も共振器に組み込むことができる。又、発振信号の波長と基準レーザの波長が異なるように選定され、基準レーザの光は適切なダイクロイックビームスプリッタを用いて、共振器内部からミラーＭ１に向けて出射することができる。
【００９５】
本例の発振器システムは、ミラーＭ１の空間的な位置を測定する測定システムを更に含んでいる。例えば、ミラーＭ１は、第２の固定ミラーＭ２と組み合わせて、ファブリペロー基準共振器を形成できる。単一の周波数レーザＲ１の基準共振器からの反射を観察すると、ミラーＭ１の空間的な位置は、最新技術で周知のように、正確に測定できる。代わりに、基準マイケルソン干渉計は、ミラーＭ２を除去し、別の固定ミラーを組み込んで、干渉パターンを基準信号出力で観察することにより形成できる。このような基準設定システムの別途図示は省略する。このようなミラーの位置を測定する基準設定システムは、標準フーリエ変換分光から分かることなので、ここでは更に論述しない。
【００９６】
図１８は、ミラーＭ１の正弦波変調を想定して、時間の関数として基準マイケルソン干渉計からの基準信号出力を示す。ここで、信号のＤＣ部分が差し引かれるので、これは、最新技術で周知のように、二重平衡型検出を用いると達成できる。図示した典型的な同相信号に加えて、直交位相信号、９０度だけシフトした位相の信号は、マイケルソン干渉計の一方のアームにおける適切な位相プレートの包含により同時に測定できる。図１８は典型的な直交位相信号も示す。このような検出スキームは、最新技術で周知のことであり、例えば、上述したホッブスの図１０．４に記載しているので、ここでは更に説明しない。
【００９７】
図１７Ｂは、別の実施例によるコヒーレントＣＳＬのための発振器デザイン１７５０の代替構成を示す。ここでは、１つの共振器ミラーとしてファイバブラッグ格子と第２の共振器ミラーとして可飽和吸収ミラーとを用いて構成したファブリペロー共振器を示す。このような発振器の設計は、例えば、ファーマン(Ferman)らの米国特許第７，１９０，７０５号明細書に記載しているので、ここでは更に論述しない。本例では、可飽和吸収ミラーの空間的な位置が変調できて、可飽和吸収ミラーの位置は、図１７Ａを参考にして論じたように、類似のスキームを用いて測定できる。図１７Ａを参考にして論じたように、共振器長変調のための他の配置も設置できる。他の発振器デザインも使用できる。その上、周波数拡大、パルス圧縮、分散補償ステージも、例えば、図１と１６と‘４３５号明細書を参考にして論じたように、発振器出力の後に設置できる。このような周波数拡大ステージは、例えば、同期してポンプした光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）も具備できる。ＣＳＬを用いると、ＯＰＯ共振器長を、（速度）発振器の繰り返し周波数と同期して変調できる。図７を参考にして述べたように、このようなＯＰＯは、敏感なガス測定のためにガス・セルも含むことができる。
【００９８】
図１９は、図１７Ａと図１７Ｂを参考にして述べた発振器デザインに基づいたＦＴＳの別の典型的な構成を示す。他の発振器デザインも使用できる。その上、ＯＰＯを介した周波数拡大、パルス圧縮、分散補償ステージが、図１と図１６を参考にして述べたように、発振器信号の後に設置できる。ＦＴＳは、ＣＳＬの発光包絡線のスペクトル情報を用いて、試料の物理的特性をプローブ測定する。ここで、時間遅延Ｔｄをつくる光遅延線があるので、２つの時間的に遅延したパルスがビームスプリッタＢ２でつくられる。
【００９９】
周波数ｆＭ＝１／ＴＭにおける正弦波のミラー変調は：
ｘ（ｔ）＝（Δｘ／２）sin（２πｔ／ＴＭ），
となり、更に、ＴＭ＝２Ｔｄと想定し、Ｔｄは光遅延線を経由する伝搬時間なので、我々は、ほぼ下記の式から与えられる、時間の関数としてのビームスプリッタＢ２における空間的なパルス遅延を得る：
ｘtot（ｔ）＝（２Δｘ／π）（ＴＤ／ＴＬ）cos（πｔ／ＴＤ），
ここで、ＴＬは、発振器の往復時間である。したがって、共振器ミラーの任意の動きは、（２／π）ＴＤ／ＴＬのファクタで増幅される。本例では、ミラー変調と２つのパルス間で生じた時間遅延は、位相が９０度ずれている。ここで、ｘ（ｔ）＝０の場合、パルスは、ビームスプリッタＢ２で時間と位相において完全にオーバーラップしている。
【０１００】
従来のフーリエ変換分光で周知のように、干渉図形からスペクトル情報を得るために、干渉図形の均一なサンプル抽出が好ましい。均一なサンプル抽出は、２つの干渉信号間の時間遅延が、２つのサンプリング点間で一定のファクタだけ増加することを意味する。従来のフーリエ変換分光では、これは、「一定光路長差間隔でのサンプル抽出」と時々呼ばれる。正弦関数のミラー変調を用いるＣＳＬの実施例では、この規準は適用しない。
【０１０１】
しかし、正弦関数又は他の類似の関数を用いるＣＳＬでは、ビームスプリッタＢ２の２つのパルス間の均一な時間遅延は、変調を補償するために非均一なサンプリング・グリッドを設定することにより得ることができる。このような非均一なサンプリング・グリッドは、例えば、図１７Ａと図１７Ｂの発振器の基準信号出力で得られた基準干渉図形から生成できる。正弦関数のミラー位置変動に対して、基準干渉図形は、出力cos（ｘ（ｔ）＋ψ）をつくる。ここで、ｘ（ｔ）は時間依存性の関数であり、ψは基準干渉計の固定ミラーの位置で決まる位相オフセットである。同相出力及び直交位相出力を測定すると、tan（ｘ（ｔ）＋ψ）を計算して、ｘ（ｔ）＋ψを推定できる。更に、単純にするために、我々は、固定ミラーはψ＝０となるように調整すると更に想定している。又、代わりに、ψを記録して補償してもよい。図１８は、典型的な同相信号及び直交位相信号から得られた典型的な関数tan（ｘ（ｔ）＋ψ）を示す。ビームスプリッタＢ２のパルス遅延を得ることができるので、サンプリング点間のパルス遅延の均一な増分の必要性から、適切なサンプリング・グリッドを計算できる。均一なサンプリング・グリッドを取得する任意の他の適切な方法も採用可能である。一定光路長差間隔でのサンプル抽出のための方法の幾つかの事例が、例えば、Ｓ．Ａ．ロイ(Roy）他著、『フーリエ変換分光分析を撮像するためのハイブリッドなサンプリング・アプローチ(Hybrid sampling approach for imaging Fourier-transform spectrometry)』、アプライド・オプティックス(Applied Optics)、２００７年、第４６巻、ｐ．８４８２〜８４８７に記載されている。
【０１０２】
ＴＭ＝２Ｔｄの場合において、ミラー位置がゼロに近いときには、好ましいサンプリング点の間隔は広いが、ミラー位置が変調範囲の末端であるときに、サンプリング点の間隔は狭いことが要求される。図１８中のシンボルは、典型的な同相信号及び直交位相信号とそれらの比に適した時間の関数として最適のサンプリング点を表している。
【０１０３】
或る具体例では、例えば、高速変調したミラー，ＭＥＭＳ素子又はＭＯＥＭＳ素子を用いるとき、又は電気光学的共振器長変調を用いるときに、所定の変調信号を印加して得られたミラー位置の変動を一度較正すると、２つのパルス間で生じる干渉図形の正確なサンプル抽出に繰り返し使用できる、サンプリング・グリッドをつくることができる。したがって、パルスの繰り返し周波数と搬送波包絡線の変動とを連続してモニターすることは要求されない。或る実施例では、このような変動は、一度（又は所定の時間間隔で）測定すると、数多くの、後に取得される干渉図形の解明のために使用できる。これは、必要な信号処理時間を大幅に減少する。又、得られたミラー位置変動の精度は、周知の吸収線又は透過特性若しくは反射特性をもつ試料を用いてチェックして、較正できる。
【０１０４】
均一なサンプリング・グリッドを取得する特に単純な方法は、狭帯域バンドパス光フィルタを用いて光源スペクトルをフィルタリングすることである。このような濾過作用は、例えば、図１６に示すように、光遅延線を経由する伝搬と光ビームスプリッタでの再結合の後で実施できる。狭帯域バンドパス光フィルタを介して測定した光学的ビート周波数の位相は、２つの干渉パルス間の光路長差に直接比例する。光学的ビート周波数は、したがって、電子的にサンプル抽出され、デジタル・サンプリング装置は、光学的ビート周波数が生成する正弦波形がゼロを通るときに必ず直接トリガーできる。このような均一なサンプリング・グリッドを取得するスキームは、従来のフーリエ変換分光からも周知のことである。更に、狭帯域バンドパス光フィルタは、記録した干渉図形の絶対周波数較正のためにも使用できる。パルス間の時間遅延の更なるドリフトも、温度及び音響的作用で誘導された遅延の変化のために生じる。原則として、光遅延線の長さは、図１６で説明し、且つＫ．ホルマン（Holman)，Ｄ．ハドソン（Hudson）、Ｊ．イェ(Ye）及びＤ．Ｊ．ジョーンズ(Jones)著、米国光学会誌オプティックス・レターズ、２００５年、第３０巻、ｐ．１２２５〜１２２７で論じているように、周知の技術で安定にできる。ホルマンらが論じているファイバ長の安定化には、２つの検出器を用いて光遅延線を介する透過前後のパルス列の比較が伴う。検出器信号を適切に混合することにより、検出器間の位相変動の測定が可能になる。検出した位相雑音は、能動的なファイバ長の安定化のためにファイバ長変調器に帰還される。代わりに、図１９に示す第２の基準レーザ（基準レーザ２）を、ビームスプリッタＢ１を介して非平衡マッハツェンダー干渉計に結合できる。したがって、通路長の変動は、検出器Ｄ４のビームスプリッタＢ２の第２の基準レーザの干渉信号を観察することにより、記録し、補償することができる。光遅延線の通路長の変動を記録する長さ安定器に関して、任意の他の形態も設置できる。まず、共振器の末端のミラー位置の変調は、レーザの搬送波包絡線オフセット周波数に影響しないので、コヒーレント・スキャニング遅延線の共振器長変調スキームの設置が単純になる。
【０１０５】
最適のサンプリング・グリッドを生成するために、ここで説明した基準レーザを使用することに加えて、ｆ−２ｆ干渉計を更に備えると、ミラー変調中に搬送波包絡線オフセット周波数に関して考えられる変動を測定して補正できる。更に、搬送波包絡線オフセット周波数の変動を制御する様々な技術と帰還システムが、‘８５９号明細書に開示されている。
【０１０６】
又、図１と図１６と‘４３５号明細書を参考にして述べたように、更に、２つの基準レーザをもつモード同期レーザのビートを、ビームスプリッタＢ２の後に、搬送波包絡線オフセット周波数と時間的に遅延の変動を測定して補償するために設置できる。これらの基準レーザは、光遅延線の前か後ろの一方に又は両方でレーザ・パルスに干渉するように構成できて、ビームスプリッタＢ２の後でレーザ・パルスと干渉するようにも構成できる。その上、ビームスプリッタＢ２で得られた干渉図形は、搬送波包絡線オフセット周波数と時間遅延の変動を測定して補償するために、ファイバ・グレーティングのような２つの狭帯域のフィルタで濾過できる。光学的な基準レーザを、光遅延線の前か後ろ或いは両方に導入できる。光フィルタによる光学的基準設定は、特許文献３で論じていたので、ここで更に説明しない。
【０１０７】
単独のレーザＣＳＬの使用に加えて、コヒーレント・デュアル走査型レーザ（ＣＤＳＬ）遅延線は、図２０に示すように、正確なＦＴＳのために設置できる。このようなＣＤＳＬは、図１で述べた。このようなＣＤＳＬの性能を最適にするために、例えば、スハ(Sucha）らの米国特許第５，７７８，０１６号明細書と米国特許第６，３９３，８５６号明細書で論じているように、一方のレーザと他方のレーザの繰り返し周波数を変調又はディザ−することが、しばしば望まれる。正弦曲線の共振器長変調に対して、ＣＳＬについての最適なサンプリング点分布と同じ考えも適用される。
【０１０８】
図１を参考にして述べた光学的基準設定は、２つのモード同期レーザの繰り返し周波数と搬送波包絡線オフセット周波数の変調を追従するように設置できる。代わりに、外部基準レーザを、図１６を参考にして述べたように設置できる。図２０は、繰り返し周波数ディザリングと光学的基準設定とを含んでいるＣＤＳＬを示す。ここで、発振器Ｏ１は変調した共振器ミラーを備えて構成しているが、発振器Ｏ２は固定した共振器ミラーを備えて構成している。高速の変調率とするために、レーザの繰り返し周波数と搬送波包絡線オフセット周波数のランダムな変動を無視できるので、これは、ビームスプリッタＢにおける相対的なパルス遅延の変動をミラー位置の測定から推測できることを意味する。レーザ繰り返し周波数の変調と搬送波包絡線オフセット周波数の変動は、図１９と図１を参考にして述べたｃｗ基準レーザ及び／又は狭帯域バンドパスフィルタの設置により更に追従して補償することができる。
【０１０９】
繰り返し周波数ディザリングを設定するときに、パルス間の時間遅延が同じ基準点の周辺でディザー処理することを確認することは有益なことである。パルス・クロッシング・イベント間の時間間隔は、ほぼ一定に保持される。
【０１１０】
図１９Ａは、繰り返し周波数のディザリング中にゼロ遅延点をセンタリングするために用いる帰還回路の好ましい実施例を示し、図１９Ｂは個々の信号を概略的に示す。繰り返し周波数のディザリング中における発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２の間の遅延は、図１９Ｂで時間の関数であるプロットＡとして図示されている。図示する事例において、スキャンは、破線の水平線で示したゼロ遅延点の線に関して対称でない。すべてのゼロ遅延点で、干渉図形が、検出されて（図１９ＢのプロットＢ）、更にエンベロープ検出器で処理される（図１９ＢのプロットＣ）。トリガー回路は、設定したトリガー・レベルが包絡線の立ち上がりエッジを交差する点のすべてを検出する（図１９ＢのプロットＣ）。これらのトリガー・イベントが、フリップフロップの状態を変える（図１０ＢのプロットＤ）。フリップフロップの反転出力Ｑバーだけでなく出力Ｑも、ローパスフィルタで濾過され、比較され、エラー信号を発生させる。このエラー信号を用いて、ディザリングのデューティ−比を変更できる。したがって、一方の発振器、例えば、発振器Ｏ１を、他方（発振器Ｏ２）に対して進めることができるので、ディザ−範囲をゼロ遅延を基準にして中心に設定できる。ディザ−範囲を中心に設定すると、エラー信号がゼロになる。エラー信号の大きさがループのクローズ後に減少しないならば、符号を変えると分解できる帰還信号に符号の曖昧さが存在する。様々な実施例において、パルスの交差イベント間の時間間隔を安定にする他の技術も設けることができる。これらの時間間隔を安定にする幾つかの技術が、例えば、米国特許第６，３９６，８５６号明細書に論じられていた。
【０１１１】
ＣＳＬとＣＤＳＬの様々な実施例で周波数拡大ステージを設けるときに、２つの干渉パルス間の非線形相互作用を考慮すべきである。非線形相互作用を回避する１つの方式は‘４３５号明細書で既に述べたが、その際に、２つの時間的に遅延したパルスの周波数拡大について記した。それらは、非平衡マッハツェンダー干渉計で時間的にオーバーラップしていた。本発明におけるこのようなスキームの別途図示は省略する。同じ原理を、繰り返し周波数変調を伴うＣＳＬとＣＤＳＬにも適用できる。代わりに、２つのパルスは、周波数拡大ステージで２つの異なる偏光軸に沿って時間的に遅延して伝搬し、後で偏光依存性のグループ遅延の導入により再結合できる。２つの干渉パルス間にグループ遅延を導入して補償する任意の他の方法も設けることができる。
【０１１２】
再び図１９を参照すると、ＣＳＬを設置するときに、非線形周波数拡大ステージは、パルスをビームスプリッタＢ１で分割する前に好都合に導入できる。したがって、非線形相互作用が干渉パルス間で回避される。様々な実施例において、例えば、図１６に対して既に述べた、エリオットセルのような小分散の光遅延線を用いて、時間変動する光学的な通路遅延をつくることは有意義なことである。非線形周波数拡大ステージで異なる周波数の混合を行うときに、搬送波包絡線オフセット周波数をゼロに設定すると、測定した干渉図形の解明を大幅に単純にできる。
【０１１３】
ＣＳＬとＣＤＳＬは、ポンプ・プローブ分光、光断層撮影技術（ＯＣＴ）、ＬＩＤＡＲ、光サンプリング、及び、例えば、前述した米国特許第５，７７８，０１６号明細書に記載されているように、変動する時間遅延をもつ２つのパルスを要求する任意の他のアプリケーションを含めた、数多くの異なるアプリケーションで使用できる。
【０１１４】
レーザ繰り返し周波数の変調の代わりに、信号捕捉率も、エンハンスメント共振器を用いて、繰り返し周波数の増大処理を行うことにより高めることができる。エンハンスメント共振器の一例は、図７を参考にして既に述べた。図２１は、繰り返し周波数の増大処理を含めた典型的なシステムの設計を示す。エンハンスメント共振器を用いる繰り返し周波数の増大処理は、例えば、Ｔ．シゼル（Sizer)が『スペクトル選択によるレーザ繰り返し周波数の増大(Increase in laser repetition rate by spectral selection)』、米国電子電気学会、ジャーナル・オブ・クウォンタムエレクトロニクス、１９８９年、第２５巻、ｐ．９７〜１０３で述べていた。このような共振器のＦＴＳへの応用も図７を参考にして、ここで述べたが、両方の発振器の搬送波包絡線オフセット周波数と繰り返し周波数を安定化する適切な方法も論じた。図２１で、ミラーＭ１及びミラーＭ２で拡大したエンハンスメント共振器ＴＣの往復時間Ｔｃは、発振器Ｏ１の往復時間ＴＯ１の一部となるように選択される。ここで、ＴＯ１＝Ｎ×ＴＣである。図７と米国特許出願番号第１１／５４６，９９８号明細書を参考にして述べたように、適切な位相制御と繰り返し周波数制御は、その位相と繰り返し周波数をエンハンスメント共振器に最適に整合させるために、発振器Ｏ１で設けることができる。
【０１１５】
ここで、ファブリペロー・エンハンスメント共振器を図示しているが、任意の他の共振器の設計も採用できる。又、周波数拡大とパルス圧縮ステージも発振器の下流側に設置できる。共振器は、発振器Ｏ１の繰り返し周波数を効果的に高めるので、パルス繰り返し周波数が１／ＴＣになる。したがって、平衡検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２が検出した干渉図形に関して可能性のある信号捕捉率は、エンハンスメント共振器の無い状態と比べるとＴＯ１／ＴＣのファクタだけ増加する。ここでは、１つだけの発振器のための繰り返し周波数の増大処理を図示しているが、原則として、両方の発振器の繰り返し周波数の増大処理も、例えば、２つのエンハンスメント共振器を用いて行うことができる。
【０１１６】
誘導した発光スペクトルを測定するために構成したＣＤＳＬについて、図１２を参考にして述べた。図２２は、繰り返し周波数の増大処理を行うＣＤＳＬの代替構成を示す。ここで、発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２は、オクターブというかなり広い範囲をスパンできる、広い帯域幅のパルスを生成する。広い帯域幅のパルスは、更に増幅してスペクトルを拡大できる（図示せず）。発振器は僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成し、両方の発振器の搬送波包絡線オフセット周波数を更に制御できる。本例では、発振器Ｏ１及び発振器Ｏ２の出力は、基準スペクトルを得るために、ビームスプリッタＢ１及びビームスプリッタＢ２を経由して検出器Ｄ１に送られる。以下において、我々は、発振器Ｏ２からの未濾過のパルスを試験パルスと呼ぶ。発振器Ｏ２の試験パルス出力の一部は、狭帯域バンドパスフィルタＦ１を経由して更に通過して、ポンプ・パルスを生成する。ポンプ・パルスは、本発明において別途の図示を省略しているが、更に増幅できる。発振器Ｏ２からの試験パルスの繰り返し周波数は図示した共振器によって増大処理され、そこでは都合良く、増大率２で十分である。繰り返し周波数の増大処理は、周波数の拡大前にも行うことができる。発振器Ｏ２からのポンプ・パルスと発振器Ｏ２からの試験パルスは、ビームスプリッタＢ４で更に結合し、顕微鏡対物レンズを介して試験試料に送られ、そこでは、試験試料上での時間的オーバーラップが保証されている。ノッチフィルタＦ２は、別の顕微鏡対物レンズが集めた狭いポンプ・パルスをフィルタリングするので、広帯域幅の試験パルスが検出器Ｄ２に送信され、そこで、それらはビームスプリッタＢ５を介して発振器Ｏ１からの出力と結合する。強いポンプ・パルスの場合、誘導ラマン散乱の放出が、試験パルス内の或るスペクトル帯域を増幅（又は減衰）することになる。空間的に分解した情報は、２つの顕微鏡対物レンズ間の試験試料の位置を変更して生成する。
【０１１７】
図２２は透過測定用の配置を示す。反射測定も、透過測定用と類似の配置で、光学的システムを修正すれば実現できる。或る実施例は反射と透過の両方を測定できる。両方の発振器は、雑音を低減するために同じポンプ・レーザを用いて、更にポンプ励起を行うことができる。信号雑音比の改善は、二重平衡型検出方法を設けることにより達成できる。
【０１１８】
エンハンスメント共振器を使用すると、予想される信号捕捉率が効果的に倍増する。なぜならば、１つおきの試験パルスだけがポンプ・パルスによって乱れるからである。ポンプ・パルスのオン・オフによって検出した試験パルス・スペクトルを差し引くことによって、誘導ラマン発光スペクトルの正確な測定を簡単に行うことができる。
【０１１９】
我々は、図２２において、コリニア構成で１つだけのポンプ・パルスを用いるプローブ・パルスの加工処理を論じたが、原則として、任意の数のポンプ・パルスを使用できて、且つ、プローブと発振器のパルス間のコリニア構成は、ＣＤＳＬ又はＣＳＬ配置における局部発振器の基準パルスによるプローブ加工処理を観察するために要求されない。特に、ＣＳＬは、通例の２次元分光用に設置できる。図２３は、ＣＳＬに基づく２次元フーリエ変換分光に対して予想される構成を示す。ここで、図１７Ａ又は１７Ｂで述べた発振器、又は変調した繰り返し周波数をもつ任意の他のモード同期発振器も設置できる。
【０１２０】
発振器又は通例の信号源からのパルスは、２つの光遅延線ＤＬ１及び光遅延線ＤＬ２の構成をもつ３つのパルス・シーケンスに分割される（必ずしもコリニアである必要は無い、即ち、最新技術で周知のようなボックスカーの幾何学的構成も設置できる）。これらのパルス間の遅延を固定するために、パルスは１つの発振器パルスから生成する。このような２次元分光のための３つのパルス・シーケンスは、図１２Ａを参考にして述べた。ここで、最初の光遅延が、最初の２つのパルス間で調整可能時間分離τ、即ち、ホッホシュトラッサーのいわゆるコヒーレンス時間調整τを可能にする。第２の光遅延線は、最初の２つのパルスに対する第３のパルスの時間分離の調整、ホッホシュトラッサーのいわゆる待機時間調整Ｔを可能にする。これらの３つのパルスは、遅延線ＤＬ３で遅延した発振器パルスによる時間ｔ（ホッホシュトラッサーのいわゆる検出時間）の関数として光学的にサンプル抽出され且つ検出器Ｄ１及び検出器Ｄ２で検出される、フォトン・エコー信号パルスを生成できる。
【０１２１】
遅延線ＤＬ３は、時間変動するパルス遅延をつくるために、少なくとも幾つかの発振器の往復時間に対応する時間の後に、パルス１〜３と干渉するパルス４を生成するように構成している。特に、任意の他の遅延線もこのような形式で構成できるので、任意の移動部品なしにパルス１〜３の間で時間依存性のパルス遅延を生成することができる。
【０１２２】
遅延線でつくられた最終的な時間ドメイン干渉図形は、２次元吸収スペクトルとするために、変数ｔ及び変数τに沿ってフーリエ変換できる。単独で読み出したパルス３の代わりに、読み出したパルスのシーケンスも設けることができる。又、最初の２つのパルスを変調して、測定の感度を高めることができる。その上、パルス３の透過は、オン・オフする最初の２つのパルスで直接測定できる。
【０１２３】
このような２次元吸収スペクトルは、例えば、ホッホシュトラッサーが述べているように、複雑な分子構造の分析に特に役立つ。ホッホシュトラッサーが述べている従来の２次元分光と比べると、図２３に示す配置による２次元分光に対して予想される捕捉速度の大幅な改善により、図２３の事例を参考にして述べたポンプ・プローブの配置は、試料の前方と試料の後方とに適切な集束機能と光学的操作機能を配置することにより、光学的撮像アプリケーションと顕微鏡検査に更に適応できる。非常に数多くのパルス・シーケンスの実現だけでなく、実際のパルスの更なる加工処理、実際のパルスの空間的・時間的構成の設定やシーケンスの設定も可能になるので、多様な多次元分光測定も可能になる。
【０１２４】
事例に示すとおり、光学的基準設定を含めたＣＳＬを、発明者が実現した。図２４は設計例を示す。ここで、コムレーザを図１７Ａに示すようにして構成したが、次に述べる幾つかの例外がある。第１に、別途の基準レーザＲ１を用いなかった。むしろ、ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を、光学的基準設定に使用し、コムレーザから下流側に設けた。図１７Ａのミラー対Ｍ１−Ｍ２は、移動範囲の限界（矢印で示す）のために、図２４においては、単独で共振器内を移動するミラーと交換した。又、高度にＹｂをドープしたファイバを、長さが６ｃｍの利得ファイバとして使用し、９８０ｎｍレーザ・ダイオードでポンプ作用を行った。その上、分散補償素子（図示せず）を、図１７Ａに対応する発振器の内部の可飽和吸収ミラー（ＳＡ）の前方に挿入した。本例では、分散補償素子は、溝密度（グルーブ密度）が６００ｌ／ｍｍの２つのバルク型透過グレーティングを具備していた。利得ファイバ、ポンプ、アイソレータ、集光系光学部品の配置等の他の点では、図１７Ａに概略的に示した通りである。
【０１２５】
図２４でＦＢＧとして示すファイバブラッグ格子は、サーキュレータＣに接続している。固定した遅延線からの出力は、サーキュレータに結合し、次にＦＢＧから反射して、検出器Ｄで検出される。レーザは、繰り返し周波数が６０ＭＨｚで出力が１０ｍＷである、ゼロ分散点の近くでレーザを作動するときに、スペクトル帯域幅が２０ｎｍで、ほぼ１００ｆｓのパルスをつくっていた。中心波長は１０３０ｎｍだった。共振器内で移動するミラーを、約１０μｍの絶対移動範囲を有する圧電トランスジューサー（ＰＺＴ）に実装したが、ここでは僅か１．２５μｍの移動範囲を１ｋＨｚの変調周波数で用いた。移動ミラーを図２４で概略的に示しているが、移動ミラーは２つの長方形で示され、移動ミラーの下方には矢印が位置している。２つの長方形の周囲の、矩形の囲いの内部には、前述のものを除いて、図１７Ａの構成部品のすべてが備えられている。共振器長変調は、２つの固定ミラー（図示せず）だけでなく移動ミラーＭ１を用いて、光学的に折り返す往復構造にしたことにより、±５μｍの全共振器長変調の８倍に増加した。光遅延線は長さが約２６０ｍだった。したがって、伝搬通路の長さ変調により、予想したパルス分離は、共振器長変調に比べると、約５０倍だけ増加した。したがって、ファイバブラッグ格子で最大達成可能なパルス遅延は約０．２５ｍｍだった。光遅延線の分散はファイバブラッグ格子の使用で更に補償されたが、光遅延線の分散補償は必ずしも必要とされない。
【０１２６】
図２５は、光学的サンプリング装置により検出器Ｄで記録した干渉図形を示す。干渉図形の始点は、ＰＺＴの回転点と一致する。干渉図形の振幅は、ローパスＲＦフィルタの存在のために始点で低い。ＰＺＴ発振中にリニア軸から離れる傾斜移動から生じる任意の振幅変調を最小限にする必要がある。このような振幅変調は、緩和発振を発振器に誘導し、搬送波包絡線オフセット周波数に大きな変動をもたらす。実際の干渉図形を記録するために、図示した基準干渉図形のゼロ点交差を用いて、実際のサンプリング装置をトリガーできる。基準パルスの周波数逓倍を更に行うと、サンプリング点の精度を高めることができる。
【０１２７】
図２６は、干渉図形から得られたフーリエ変換を示す。ここで、広いスペクトルは未補正の干渉図形のフーリエ変換に対応しているが、狭いスペクトルはサンプリング点間で一定光路長差間隔に対して補正した干渉図形のフーリエ変換に対応する。フーリエ変換補正の帯域幅は、１μｍにおける５００フリンジの記録から予想できるように、中心周波数（４ＭＨｚ）の１／５００ｔｈに対応している。光学的周波数では、したがって、分解能は２０ｃｍ−１又は約２ｎｍに対応する。１つの干渉図形で得られたミラー移動の較正が、他の干渉図形の補正に使用できることを更に確認した。この理由はＰＺＴの高周波数発振によるものである。ＰＺＴの高周波数発振を用いることにより、１つの発振周期から他の発振周期にかけての再現性の高く、２又は３個のかなり低い振幅の高調波しか伴わない、機械的振動の選択的な正弦波をＰＺＴに励起することが可能になる。最新技術のＰＺＴステージにより、２０μｍまでの共振器長変調が、数ｋＨｚまでの発振周波数で期待できる。最新技術の電気機械的な音声コイルを使用するので、ｋＨｚの繰り返し周波数で１００μｍのトラベルまでのミラー移動が可能になる。したがって、ＭＥＭＳミラーは１ｋＨｚで１ｍｍの移動範囲にまで到達できる。数百ＭＨｚの繰り返し周波数と数百メータの光学的な遅延長で動作するモード同期発振器を用いるので、１ｃｍ−１未満の光周波数分解能を達成できる。０．１ｃｍ−１未満と０．０１ｃｍ−１未満の光周波数分解能が、最適に設計したシステムで達成できる。１０〜１００Ｈｚの走査速度では、１ｍｍまでのミラー移動範囲が妥当であり、数百ＭＨｚの繰り返し周波数で動作する発振器を用いるので、ｍの範囲で広げた走査範囲が、これらの低い走査周波数では妥当である。ファイバブラッグ格子ＦＢＧを介して干渉図形を記録することにより、２つの干渉パルス間のタイミング・ジッターだけでなく遅延線の長さの変動も記録できることに注目すべきである。なぜならば、干渉図形のゼロ・クロス点が、２つの光パルス間で同じ光路長差のポイントに対応するからである。同じ発振器から出力された２つの干渉パルスを用いることにより、干渉パルスが強く関連付けられるので、こられらの２つのパルス間の任意の搬送波包絡線の変動を大幅に減少できる。したがって、基準光源として用いる１つのファイバブラッグ格子だけで高いスペクトル分解能の測定が可能になる。この分解能は、ファイバブラッグ格子と連結してエタロンを用いることにより、又は図１６を参考にして以前に述べた光学的基準設定用の１つ又は２つのｃｗ基準レーザを用いることにより更に向上できる。
【０１２８】
以上のように、発明者は、ＣＤＳＬ、高効率ＣＤＳＬと、ＣＳＬと、その一部の応用事例と、高度に一体化した構成を含んでいる具体的な実例の様々な代替方式を説明した。
【０１２９】
少なくとも１つの実施例は、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）を含んでいる。システムは第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器を含み、発振器は僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成しているので、繰り返し周波数の差δｆｒは第１発振器及び第２発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さい。第１発振器は、第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。第２発振器は、第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。システムは、それぞれのｃｗ基準周波数ｆｘ及びｆｙで動作する第１ｃｗ基準レーザ及び第２ｃｗ基準レーザも含み、第１ｃｗ基準レーザ及び第２ｃｗ基準レーザのそれぞれは、第１発振器及び第２発振器のそれぞれと光学的に接続して、発振器のそれぞれの発光包絡線内に位置する出力をつくる。第１ｃｗ基準レーザは、第１発振器の周波数ラインからｆb1だけ分離し且つ第２発振器の周波数ラインからｆb2だけ分離した周波数ラインを有する。第２ｃｗ基準レーザは、第１発振器の周波数ラインからｆb3だけ分離し且つ第２発振器の周波数ラインからｆb4だけ分離した周波数ラインを有する。ｃｗ基準レーザと発振器は、△ｆ２＝ｆb1−ｆb2、及び△ｆ１＝ｆb3−ｆb4に対応するＲＦビート周波数を生成するように配置されている。ＲＦビート周波数は、例えば、位相同期回路を介して外部ＲＦ基準信号にロックしている。
【０１３０】
様々な実施例において、ＣＤＳＬは、各発振器に光学的に接続した非線形周波数変換部を含むことができて、非線形周波数変換部は、発振器スペクトルより実質的に大きい帯域幅を有する広帯域のスペクトルを生成する非線形光学素子を含むことができる。
【０１３１】
様々な実施例において、非線形周波数変換部は、光パラメトリック発振器を含むことができる。
【０１３２】
様々な実施例において、光パラメトリック発振器は、微量ガス検出のためにガス・セルを含むことができる。
【０１３３】
様々な実施例において、周波数変換部は、多重入力周波数を受信して結合し、その異なる周波数でスペクトル出力を生成する、出力部を含んでいる。
【０１３４】
様々な実施例において、ＣＤＳＬはＦＴＳの一部として配置され、そこでは、ＦＴＳを用いて、発振器発光包絡線内にスペクトル要素をもつ試験試料の物理的特性をプローブ測定する。
【０１３５】
様々な実施例において、ＣＤＳＬは、１つ又は複数の光学的撮像、顕微鏡検査、分光、顕微鏡分光、ＴＨｚ撮像、発光分光、ラマン分光、誘導ラマン分光、ラマン分光撮像、多次元分光のための測定又は撮像装置を備えて配置されている。
【０１３６】
様々な実施例において、測定又は撮像装置は、光学的スキャニング用の素子を備える。
【０１３７】
様々な実施例において、ＣＤＳＬは、位相同期回路を含んで、一方の発振器の繰り返し周波数を制御している。
【０１３８】
様々な実施例において、ＣＤＳＬは、位相同期回路及びｆ−２ｆ干渉計を含んで、第１発振器及び第２発振器の一方の搬送波包絡線オフセット周波数の値を制御している。
【０１３９】
様々な実施例において、モード同期発振器は、モード同期した固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器又はダイオードレーザ発振器を含んでいる。
【０１４０】
様々な実施例において、モード同期発振器は、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、又はＢｉファイバ発振器を含んでいる。
【０１４１】
様々な実施例において、少なくとも１つのファイバ増幅器は、１つ又は複数の発振器出力を増幅する。
【０１４２】
様々な実施例において、非線形周波数変換部は、差周波発生器を含んでいる。
【０１４３】
様々な実施例において、非線形周波数変換部は、少なくとも１つ発振器の下流側に設けたスーパーコンティニューム発生器を含んでいる。
【０１４４】
様々な実施例において、２つの発振器の少なくとも１つの搬送波包絡線オフセット周波数の絶対値をモニターする手段が与えられていて、その手段は、例えば、検出装置と信号処理装置を含むことができる。
【０１４５】
様々な実施例は、一方又は両方の発振器で少なくとも１つの繰り返し周波数をモニターする手段を含み、その手段は、例えば、検出手段と信号処理手段を含むことができる。
【０１４６】
様々な実施例において、ビート周波数、△ｆb1と△ｆb2を用いて、光領域の周波数グリッドに対して１対１の対応を有する、ＲＦ領域に周波数グリッドを生成する。
【０１４７】
様々な実施例において、２つの基準共振器が、ｃｗレーザの周波数制御のために設けられている。
【０１４８】
様々な実施例は、一方の発振器の繰り返し周波数が往復時間に整合したエンハンスメント共振器を含んで、共振器に挿入した微量ガスの検出感度を改善する。
【０１４９】
少なくとも１つ実施例は、ＣＤＳＬと、ＣＤＳＬの出力に応答してＴＨｚ放射を放出する物質と、ＴＨｚ放射に応答する検出器とを有するシステムを含んでいる。
【０１５０】
様々な実施例において、ＣＤＳＬは短い光パルス列を生成し、システムは、ビーム結合器の下流側で共通光学的通路に沿って伝搬するように短い光パルス列を空間的に結合するビーム結合器と、共通の光学的通路に沿って伝搬する短い光パルスの少なくとも１つの列をスペクトル拡大する非線形光学素子と、パルスが干渉計に入る前に時間的にオーバーラップしないときに、パルス列間の干渉を検出するように、異なるアーム長を備えるデュアル・アーム干渉計とを含んでいる。
【０１５１】
様々な実施例において、アーム長の差は、第１発振器及び第２発振器の共振器往復時間の約１／３に対応している。
【０１５２】
様々な実施例において、ＣＤＳＬは、第１発振器及び第２発振器の出力を結合するビームスプリッタと、結合した発振器出力で生成したビート信号を検出する少なくとも１つの検出器と、ビート信号、ビームスプリッタの上流側で、何れかの発振器出力の光学的通路の少なくとも１つに挿入した試料の吸収スペクトル、発光スペクトル、又は位相スペクトルを表すビート信号を受信して処理する信号プロセッサとを含んでいる。
【０１５３】
様々な実施例において、ＣＤＳＬは、発振器の出力を結合するビームスプリッタと、結合した発振器出力で生成したビート信号を検出する少なくとも１つの検出器と、ビート信号、ビームスプリッタの下流側で、結合した発振器出力の光学的通路に挿入した試料の吸収、位相、又は発光スペクトルを表すビート信号を受信して処理する信号プロセッサとを含んでいる。
【０１５４】
様々な実施例では、検出器は、第１発振器及び第２発振器間における繰り返し周波数の差の逆数を超越する期間のビートスペクトルを記録するように配置している。
【０１５５】
様々な実施例では、第２の検出器は、基準スペクトルを記録するために含まれている。
【０１５６】
様々な実施例において、ＣＤＳＬは、試料の吸収スペクトル若しくは発光スペクトル又は位相応答を記録する第２の検出器を含み、検出感度は２つの検出器間における検出電流の差を記録することにより更に向上する。
【０１５７】
様々な実施例において、ＣＤＳＬは、偏光軸と、第１発振器及び第２発振器から下流側に設けた増幅器とを有する光増幅器を含んでいる。ＣＤＳＬは、増幅器の軸と対応する偏光軸を有する非線形周波数変換部も含み、非線形周波数変換部は、増幅器の出力に光学的に接続し且つ増幅し周波数変換した出力を生成する。発振器は、増幅器の異なる偏光軸に沿い且つ非線形周波数変換部の対応する偏光軸に沿って、それぞれの発振器出力を伝搬するように配置されている。偏光ビームスプリッタは、２つの偏光軸に沿って増幅し周波数変換した出力を分割する。増幅し周波数変換した出力を２つの偏光軸に沿って干渉的に結合するビームスプリッタが含まれている。干渉的に結合するビームスプリッタが試料から下流側に設けられている。検出器は、干渉的に結合するビームスプリッタの２つの出力に沿う２つの発振器間のビート信号を検出する。信号プロセッサは、２つの検出器間の検出電流の差を記録する。
【０１５８】
様々な実施例は、１つ又は複数の透過と反射における試料の吸収、発光、位相応答の１つ又は複数を記録する二重平衡型検出配置を含んでいる。
【０１５９】
様々な実施例では、２つの発振器は、共通のポンプ・レーザでポンプ励起される。
【０１６０】
様々な実施例において、ＣＤＳＬは、ポンプ・パルス及びプローブ・パルス間の可変時間遅延で、第１発振器からの強いポンプビーム及び弱いプローブビームを発生するように構成し、そこでは、第２発振器は、信号ビームと、試料に結合したポンプビーム及びプローブビームとをつくるように構成し、なおかつ、第２発振器を用いて、プローブビームの伝搬特性で誘導した変更を検出し、変更はポンプビームによって誘導される。
【０１６１】
様々な実施例で、伝搬特性に位相又は吸収の変更が含まれている。
【０１６２】
様々な実施例で、伝搬特性には、時間依存性の位相又は吸収の変更が含まれている。
【０１６３】
様々な実施例では、ＣＤＳＬは、試料の光学的撮像又は試料の顕微鏡検査のために構成した測定システム又は撮像システムを備えて配置されている。
【０１６４】
少なくとも１つの実施例は、第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器を有するシステムを含み、発振器は僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成しているので、繰り返し周波数の差δｆｒは第１発振器及び第２発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さい。第１発振器は、第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。第２発振器は、第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。システムは、フーリエ変換分光技術を用いる発光測定のために構成できる。
【０１６５】
様々な実施例で、システムは、１つ又は両方の反射又は透過において、自発的なものと誘導ラマン発光スペクトルの中で１つ又は両方をプローブ測定するように構成している。
【０１６６】
様々な実施例で、システムは、電磁放射出射装置のスペクトル出力をプローブ測定するように構成している。
【０１６７】
様々な実施例で、システムは、自然ラマン顕微鏡検査のために構成している。
【０１６８】
様々な実施例で、システムは、誘導ラマン顕微鏡検査のために構成している。
【０１６９】
様々な実施例で、システムは、誘導コヒーレント・アンチストークス・ラマン顕微鏡検査のために構成している。
【０１７０】
様々な実施例で、放出は、共鳴して拡大できる。
【０１７１】
様々な実施例で、ラマン放出は、表面増強ラマン散乱又は共鳴ラマン散乱によって拡大できる。
【０１７２】
少なくとも１つの実施例は、第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器を有するシステムを含み、発振器は僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成しているので、繰り返し周波数の差δｆｒは第１発振器及び第２発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さい。第１発振器は、第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。第２発振器は、第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。システムは試験試料を含んでいる。システムは、第２発振器からの放出光が、試験試料に結合するように構成しているので、試験試料は試験試料を経由した、第２発振器からの放出光をコヒーレントに加工処理する。第１発振器は、試験試料から出射する光をサンプル抽出する局部発振器として作用する。
【０１７３】
様々な実施例は、発振器出力をスペクトル拡大してフィルタリングする手段を含み、その手段は、例えば、高非線形ファイバ及び／又は光ファイバを含むことができる。
【０１７４】
少なくとも１つの実施例は、第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器を有するシステムを含み、発振器は僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成しているので、繰り返し周波数の差δｆｒは第１発振器及び第２発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さい。第１発振器は、第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。第２発振器は、第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。１つの発振器の出力は試験試料に結合している。試験試料は、試験試料から発する発振器出力から生じる放出光を加工処理する。システムは、加工処理した放出光のスペクトル、スペクトル位相、時間的な及び時間的な位相特性の１つ又は複数を試験するように構成している。
【０１７５】
様々な実施例で、システムは、発振器の出力をスペクトル拡大してフィルタリングする手段を含んでいる。
【０１７６】
様々な実施例で、システムは、ポンプ・パルス及びプローブ・パルス間の可変時間遅延で、第１発振器からの強いポンプビーム及び弱いプローブビームを発生するように構成しており、そこでは、第２発振器は光学的試料に結合したポンプビーム及びプローブビームから試験ビームをつくるように構成し、なおかつ、第２発振器はポンプビームによってプローブビームの伝搬特性に誘導した変化を示す出力を生成する。
【０１７７】
少なくとも１つの実施例は、光学的試料からラマン・スペクトルを得る方法を含んでいる。この方法は、試料を経由する伝搬中にポンプ・パルスが誘導したプローブ・パルスの位相摂動を測定することを含み、そこでは、ポンプ・パルス及びプローブ・パルスを第１モード同期信号レーザが生成し、位相測定は、局部発振器として動作する第２モード同期レーザが生成した信号から行われ、そこでは、第１モード同期信号レーザ及び第２モード同期レーザは僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成している。
【０１７８】
少なくとも１つの実施例は、光学的試料から発光スペクトルを得る方法を含んでいる。この方法は、試料を経由する伝搬中にポンプ・パルスが誘導した試料からの放出光を測定することを含み、ポンプ・パルスは第１モード同期信号レーザが生成する。放出光の測定は第１干渉信号及び第２干渉信号を乗算して求められる。第１干渉信号は、試料からの放出によりポンプ・パルスを光学的に干渉してつくられる。第２干渉信号は、局部発振器レーザとして動作する第２モード同期レーザが生成した信号で試料からの放出を光学的に干渉してつくられる。第１モード同期信号レーザ及び第２モード同期レーザは僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成している。
【０１７９】
少なくとも１つの実施例はシステムを含んでいる。システムは第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器を含み、第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器は僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成しているので、繰り返し周波数の差δｆｒは第１発振器及び第２発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さい。第１発振器は第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。第２発振器は第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。システムは、２次元の発光／吸収スペクトル測定のために構成できる。
【０１８０】
様々な実施例で、２次元フーリエ変換分光技術は、２次元発光／吸収スペクトル情報の抽出のために設けられている。
【０１８１】
様々な実施例で、システムは多次元分光のために構成できる。
【０１８２】
様々な実施例において、発振器の繰り返し周波数と第１発振器及び第２発振器の繰り返し周波数の差との比は、約１０６〜約１０９の範囲になる。
【０１８３】
様々な実施例で、第１発振器及び第２発振器は、実質的に類似の発光包絡線を有することができる。
【０１８４】
様々な実施例で、ＣＤＳＬは、デジタル位相同期回路及び／又はアナログ位相同期回路を含むことができる。
【０１８５】
様々な実施例で、撮像装置は、焦点面アレイ型検出器を含むことができる。
【０１８６】
少なくとも１つの実施例は、時間変動する時間遅延を伴ったパルス対を生成するコヒーレント走査型レーザシステムを含んでいる。システムは、特定の繰り返し周波数を有する光パルスを含んでいる出力を生成する光源を含み、そこでは、光源の繰り返し周波数が変調される。光源は、出力の上流側で少なくとも１つのモード同期発振器と、異なる伝搬長を有する２つの光学的通路に出力をビーム分割するように構成した第１ビームスプリッタとを含んでいる。２つの光学的通路に沿って伝搬するパルスは、第２ビームスプリッタで再結合する。
【０１８７】
様々な実施例において、１つの光学的通路は、特定の長さの光ファイバを含んでいる、光遅延線を含んでいる。特定の長さは、約１０ｍ〜約数十ｋｍの範囲になる。或る実施例で、特定の長さは、約１００ｍ〜１０ｋｍ、約５ｍ〜１００ｍの範囲、又は他の類似の範囲でよい。
【０１８８】
様々な実施例で、第１ビームスプリッタ及び第２ビームスプリッタは同じである。
【０１８９】
様々な実施例で、コヒーレント走査型レーザシステムは、フーリエ変換分光のために構成している。
【０１９０】
少なくとも１つの実施例は、時間変動する時間遅延を伴ったパルス対を生成するコヒーレント走査型レーザシステムを含んでいる。システムは、少なくとも１つのモード同期発振器を有する光源を含んでいる。光源は、時間変動する繰り返し周波数で光パルスを発生する。繰り返し周波数変調器は、特定の変調率で繰り返し周波数を変調するように構成している。光源は、パルス対を含んでいる出力を生成する。システムは、時間の関数として、パルス対の２つのパルス間において、少なくとも時間遅延を測定するための基準信号を発生するように構成した、少なくとも１つの光学素子を有する基準光源を含んでいる。
【０１９１】
様々な実施例で、パルス対間の時間遅延の変更の比率は、変調率及び／又は変調率の関数と同じになる。
【０１９２】
様々な実施例で、光源は、モード同期発振器の下流側に設けられ、異なる伝搬長を有する２つの光学的通路に沿ってモード同期発振器の出力を伝搬するように構成した第１ビーム分割器と、２つの光学的通路に沿って伝搬するパルスを再結合するように構成したビーム結合器とを含んでいる。
【０１９３】
ビーム分割器及び／又はビーム結合器は、バルク型光学的要素、例えば、バルク型光ビーム分割器を含むことができる。或る実施例で、ファイバ・光ファイバ結合器及び／又は任意の適切に一体化した光学的デバイスは単独で又はバルク型光学的要素と組み合わせて使用できる。
【０１９４】
様々な実施例で、ビーム分割器とビーム結合器は、同じ構成要素から構成している。
【０１９５】
様々な実施例で、ビーム分割器及び／又はビーム結合器は、ファイバ・光ファイバ結合器、バルク型光ビーム分割器、又はその組み合わせを含むことができる。
【０１９６】
様々な実施例で、光源は、第２繰り返し周波数で動作する第２モード同期発振器を含んでいる。パルス対の第１パルスは第１の光源で生成する。パルス対の第２パルスは第２の光源で生成する。
【０１９７】
第２発振器の第２繰り返し周波数は、ほぼ一定になる。
【０１９８】
様々な実施例で、少なくとも１つの光学素子は、パルス対の２つのパルス間で搬送波包絡線位相の差を測定するように構成している。
【０１９９】
様々な実施例で、繰り返し周波数変調器は、発振器の共振器長を変調する。
【０２００】
繰り返し周波数変調器は、圧電トランスジューサー上、ＭＥＭＳミラー上、ＭＯＥＭＳミラー上、音響光学的変調器上又は共振器内電気光学変調器上に搭載した共振器ミラーの１つ共振器ミラーを含むことができる。
【０２０１】
基準光源は、モード同期発振器の共振器内素子の位置を測定する干渉計を含むことができる。
【０２０２】
共振器内素子は、モード同期発振器の共振器ミラーを含むことができる。
【０２０３】
基準光源は、少なくとも１つの狭帯域バンドパス・スペクトルフィルタを含んで、パルス対をフィルタリングすることができる。
【０２０４】
基準光源は、パルス対と少なくとも１つの基準レーザとの間のビート信号を記録するように構成した少なくとも１つのｃｗ基準レーザを含むことができる。
【０２０５】
様々な実施例で、安定器は、異なる伝搬長の能動的な安定化のために含まれている。
【０２０６】
基準レーザは、異なる伝搬長を測定するように構成できる。
【０２０７】
様々な実施例で、スペクトル拡大ステージは、光源又はモード同期発振器の下流側に設けることができる。
【０２０８】
様々な実施例で、スペクトル拡大ステージは光パラメトリック発振器を含むことができる。
【０２０９】
様々な実施例で、光パラメトリック発振器は、微量ガス検出のためにガス・セルを含むことができる。
【０２１０】
スペクトル拡大ステージは、光源に含める及び／又は光源から下流側に設けることができる。
【０２１１】
様々な実施例で、分散補償のための光学的要素を含めることができて、異なる伝搬長に沿う分散を等化するように構成できる。
【０２１２】
様々な実施例で、検出器は、パルス対間の干渉図形を検出するように設けられている。様々な実施例は、パルス対を含むパルス間において、一定光路長差間隔のサンプリング点を生成する手段を含むことができる。
【０２１３】
サンプリング点を生成する手段は、デジタル及び／又はアナログの信号プロセッサを含むことができて、なおかつプログラム設定できる。
【０２１４】
様々な実施例で、コヒーレント走査型レーザシステムは、フーリエ変換分光システムの一部として構成できる。
【０２１５】
様々な実施例で、繰り返し周波数変調器の変調率は、約１Ｈｚよりも大きくできる。
【０２１６】
様々な実施例で、繰り返し周波数変調器の変調率は、約１０Ｈｚよりも大きくできる。様々な実施例で、繰り返し周波数変調器の変調率は、約１ｋＨｚよりも大きくできる。
【０２１７】
様々な実施例は、第１繰り返し周波数の平均を第２繰り返し周波数と等しくなるように安定化する手段を含み、２つの発振器からのパルスの間におけるパルス交差の時間間隔が、時間の関数としてほぼ一定であることを特徴とする。
【０２１８】
様々な実施例で、一定光路長差間隔のサンプリング点を生成する手段は、基準干渉図形を検出することと、第２の干渉図形をサンプル抽出するために基準干渉図形のゼロ・クロス点を用いることとを含んでいる。
【０２１９】
様々な実施例で、コヒーレント走査型レーザシステムは、２次元フーリエ変換分光システムの一部として構成できる。
【０２２０】
少なくとも１つの実施例は、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）を含んでいる。システムは、僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成した第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器を含むことができるので、繰り返し周波数の差δｆｒは第１発振器及び第２発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さい。システムは、少なくとも１つの発振器の繰り返し周波数を整数倍に増大処理する少なくとも１つのエンハンスメント共振器と、少なくとも１つの発振器の繰り返し周波数と位相を少なくとも１つのエンハンスメント共振器にロックする手段とを含んでいる。システムは、１つの発振器の繰り返し周波数の増大処理後に２つの発振器間の干渉図形を検出する手段を更に含んでいる。
【０２２１】
様々な実施例は、各発振器に光学的に接続した非線形周波数変換部を含み、非線形周波数変換部は、発振器のスペクトル範囲を超越するスペクトル範囲で周波数変換したスペクトルを生成する非線形光学素子を備える。
【０２２２】
様々な実施例で、基準光源は較正信号を発生し、システムは、較正信号を受信し、繰り返し周波数変調器の２つ以上の変調サイクルに対して時間の関数として時間変動するパルス遅延を較正する、信号プロセッサを更に含んでいる。
【０２２３】
様々な実施例で、ＣＤＳＬはポンプ・プローブ測定のために構成している。
【０２２４】
様々な実施例は、２つの伝搬通路の少なくとも一部、例えば、少なくとも１つのファイバ増幅器に沿って、パルスを増幅する素子を含んでいる。
【０２２５】
光伝搬通路は、バルク型光学的要素と特定の長さの光ファイバの一方又は両方を含むことができる。
【０２２６】
少なくとも１つの実施例は、時間変動する時間遅延を伴ったパルス対を生成するコヒーレント走査型レーザシステムを含んでいる。このコヒーレント走査型レーザシステムは、出力を生成する光源を含んでいる。出力は、特定の繰り返し周波数を有する光パルスを含んでいる。繰り返し周波数は変調される。光源は、第１ビームスプリッタと前記光源の出力の上流側に少なくとも１つのモード同期発振器とを含んでいる。ビームスプリッタは、異なる伝搬長を有する２つの光学的通路に光を分割し、２つの光学的通路に沿って伝搬するパルスは第２ビームスプリッタで再結合する。
【０２２７】
様々な実施例で、第１ビームスプリッタ及び第２ビームスプリッタは同じである。
【０２２８】
様々な実施例で、システムはフーリエ変換分光のために構成している。
【０２２９】
少なくとも１つの実施例は、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）を含んでいる。システムは、第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器を含み、第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器は、それぞれ、僅かに異なる繰り返し周波数ｆｒ１及びｆｒ２で動作するように構成しているので、繰り返し周波数の差δｆｒ＝ｆｒ１−ｆｒ２は、第１発振器及び第２発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比べると小さい。第１発振器は、第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。第２発振器は、第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。第１モード同期発振器及び第２モード同期発振器は、それぞれ、２つの搬送波包絡線オフセット周波数ｆceo1及びｆceo2で動作するように更に構成し、搬送波包絡線オフセット周波数の差は、△ｆceo＝ｆceo1−ｆceo2であり、△ｆceoは必ずしもゼロと異なる必要は無い。システムは、それぞれのｃｗ基準周波数ｆｘで動作する少なくとも１つのｃｗ基準レーザを更に含み、ｃｗ基準レーザは、第１発振器及び第２発振器のそれぞれと光学的に接続して、発振器のそれぞれの発光包絡線内に位置する出力を有している。ｃｗ基準レーザは、第１発振器の周波数ラインからｆb1だけ分離し且つ第２発振器の周波数ラインからｆb2だけ分離した周波数を有する。システムは、任意の△ｆ２＝ｆb1−ｆb2、ｆb1、ｆb2、δｆｒ、ｆｒ１、ｆｒ２、△ｆceo、ｆceo1、ｆceo2に比例する少なくとも１つのＲＦ信号を発生する手段であって、ＲＦ信号は外部ＲＦ基準信号に安定化される、前述の手段と、ＲＦ信号とＲＦ基準信号の間の残留位相差を検出する手段と、任意の△ｆ２、ｆb1、ｆb2、δｆｒ、ｆｒ１、ｆｒ２、△ｆceo、ｆceo1、ｆceo2の値に対する補正値を得るために検出した位相差を適用する信号プロセッサを備える手段とを含んでいる。
【０２３０】
コヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）の様々な実施例において、ＲＦ信号は、位相同期回路又は周波数同期スキームを介して前記ＲＦ基準信号に安定化される。
【０２３１】
様々な実施例で、信号プロセッサは、基準信号と△ｆ２、ｆb1、ｆb2、δｆｒ、ｆｒ１、ｆｒ２、△ｆceo、ｆceo1、ｆceo2からきた任意の情報信号を処理するように動作的に接続できて、位相同期回路を経由して補正値を提供できる。少なくとも１つの実施例は、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステム（ＣＤＳＬ）を含んでいる。システムは、第１受動モード同期発振器及び第２受動モード同期発振器を含んでいる。発振器は、僅かに異なる繰り返し周波数で動作するように構成しているので、繰り返し周波数の差δｆｒは第１発振器及び第２発振器の繰り返し周波数の値ｆｒ１及びｆｒ２に比して小さい。第１発振器は第１発光包絡線内でｆｒ１だけ分離した多数の周波数ラインを生成し、第２発振器は第２発光包絡線内でｆｒ２だけ分離した多数の周波数ラインを生成する。システムは、ビート周波数△ｆ２と△ｆ１を検出する手段を含み、ビート周波数は、発光包絡線内の２つの異なる位置に存在する、２つの発振器から出力された２つの次隣接コムライン間の差に対応している。ビート周波数を検出する手段は、２つのモード同期発振器の出力を光学的に結合することと、結合した出力を２つの分離した狭帯域バンドパスの光フィルタに送ることを行う。ビート周波数は、位相同期回路を経由して外部ＲＦ基準信号にロックしている。
【０２３２】
様々な実施例で、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステムは、スペクトル分解能＜１ｃｍ−１であるフーリエ変換分光システムの一部として構成している。
【０２３３】
様々な実施例で、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステムは、スペクトル分解能＜０．１ｃｍ−１であるフーリエ変換分光システムの一部として構成している。
【０２３４】
様々な実施例で、コヒーレント・デュアル走査型レーザシステムは、干渉図形の振幅雑音を制限するために、二重平衡型検出配置を含むことができる。
【０２３５】
したがって、或る実施例だけ、ここで具体的に説明してきたが、数多くの変形例を発明の精神と趣旨とから逸脱せずに実施できることは明らかである。更に、頭字語は、仕様書と請求項の可読性を高めるために単に用いている。これらの頭字語は、用いる用語の普遍性を狭めることを意図していない。それらは、ここで述べた実施例に対する請求項の趣旨を拘束するように解釈すべきでない。
【図１】
2013507005.tif 000004
【図１Ａ】
2013507005.tif 000005
【図１Ｂ】
2013507005.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2013507005.tif 000010
【図６】
2013507005.tif 000011
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2013507005.tif 000017
【図１２Ａ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2013507005.tif 000022
【図１６Ａ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2013507005.tif 000032
【図２３】
2013507005.tif 000033
【図２４】
2013507005.tif 000034
【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年5月18日(2012.5.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのモード同期発振器を有し、時間変動する繰り返し周波数で光パルスを発生する光源と、
特定の変調率で前記繰り返し周波数を変調し、前記光源がパルス対を含む出力を生成できるようにする、繰り返し周波数変調器と、
時間の関数として、前記パルス対の２つのパルス間で、少なくとも時間遅延を測定するための基準信号を発生する、少なくとも１つの光学素子を有する基準光源
とを備え、時間変動する前記時間遅延を伴う前記パルス対を生成することを特徴とするコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項２】
前記光源が、
前記モード同期発振器の下流側に設けられ、異なる伝搬長を有する２つの光学的通路に沿って前記モード同期発振器の出力を伝搬させる第１ビーム分割器と、
前記２つの光学的通路に沿って伝搬した前記パルスを再結合させるビーム結合器
とを更に備える、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項３】
前記第１ビーム分割器とビーム結合器は同じ構成要素から形成されている、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項４】
前記第１ビーム分割器及び／又はビーム結合器が、光ファイバ結合器、バルク型ビームスプリッタ、又はその組み合わせを備える、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項５】
前記光源は、第２繰り返し周波数で動作する第２モード同期発振器を備え、前記パルス対の第１パルスは第１の光源で生成し、前記パルス対の第２パルスは前記第２の光源で生成する、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項６】
前記第２受動モード同期発振器の前記第２繰り返し周波数は、ほぼ一定である、請求項５に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項７】
前記パルス対の２つのパルス間における搬送波包絡線位相の差の測定をするための、少なくとも１つの光学素子を更に備える、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項８】
前記繰り返し周波数変調器は、対応する受動モード同期発振器の共振器長を変調する、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項９】
前記変調率は約１０Ｈｚより大きい、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項１０】
前記繰り返し周波数変調器は、圧電トランスジューサー上に搭載した共振器ミラー、ＭＥＭＳミラー、ＭＯＥＭＳミラー、音響光学的変調器、電気機械的変調器、又は共振器内の電気光学変調器の１つを備える、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項１１】
前記基準光源は、前記モード同期発振器の共振器内素子の位置を測定する干渉計を備える、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項１２】
前記共振器内素子は、前記モード同期発振器の共振器ミラーを備える、請求項１１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項１３】
前記基準光源は、少なくとも１つの狭帯域バンドパス・スペクトルフィルタを備え、前記パルス対をフィルタリングする、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項１４】
前記基準光源は、前記パルス対と前記少なくとも１つの基準レーザの間のビート信号を記録する少なくとも１つのｃｗ基準レーザを備える、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項１５】
前記異なる伝搬長を能動的に安定化する安定器を更に備える、請求項２に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項１６】
前記異なる伝搬長を測定する基準レーザを更に備える、請求項２に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項１７】
前記光源又は前記モード同期発振器の下流側に設けたスペクトル拡大ステージを更に備える、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項１８】
前記異なる伝搬通路に沿う分散を等化する素子を更に備える、請求項２に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項１９】
前記パルス対間の干渉図形を検出する検出器を更に備える、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項２０】
前記パルス対を備えるパルス間において一定光路長差間隔でサンプリング点を生成する手段を更に備える、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項２１】
前記コヒーレント走査型レーザシステムは、フーリエ変換分光システムの一部として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項２２】
前記変調率は約１ｋＨｚより大きい、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項２３】
前記一定光路長差間隔でサンプリング点を生成する手段が、
基準干渉図形を検出し、
第２の干渉図形のサンプル抽出のために、前記基準干渉図形のゼロ・クロス点の使用をする、請求項２０に記載のスキャニング・レーザシステム。
【請求項２４】
前記コヒーレント走査型レーザシステムは、２次元フーリエ変換分光システムの一部として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のＣＤＳＬ。
【請求項２５】
前記基準光源は、較正信号を発生し、且つ、前記較正信号を受信すると共に前記繰り返し周波数変調器の２つ以上の変調サイクルのための時間の関数として前記時間変動するパルス遅延を較正する、信号プロセッサを更に備える、請求項１に記載のＣＳＬ。
【請求項２６】
前記２つの伝搬通路の少なくとも一部に沿って、パルスを増幅する素子を更に備える、請求項２に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項２７】
前記光学的通路は、バルク型光学的要素と特定の長さの光ファイバの少なくとも一方を備える、請求項２に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項２８】
変調される繰り返し周波数を有する光パルスを出力する光源を備え、
前記光源が、前記出力の上流側に少なくとも１つのモード同期発振器と、異なる伝搬長を有する２つの光学的通路に前記出力を分割する第１ビームスプリッタとを有し、
前記２つの光学的通路に沿って伝搬する前記パルスが第２ビームスプリッタで再結合することを特徴とする、時間変動する時間遅延を伴ったパルス対を生成するコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項２９】
前記第１ビームスプリッタ及び前記第２ビームスプリッタは同じである、請求項２８に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項３０】
フーリエ変換分光用に構成されていることを特徴とする、請求項２８に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項３１】
前記コヒーレント走査型レーザシステムが、スペクトル分解能＜１ｃｍ−１であるフーリエ変換分光システムの一部として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項３２】
前記コヒーレント走査型レーザシステムが、スペクトル分解能＜０．１ｃｍ−１であるフーリエ変換分光システムの一部として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項３３】
前記スペクトル拡大ステージが、光パラメトリック発振器を備える、請求項１７に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項３４】
前記光パラメトリック発振器が、微量ガス検出用のガス・セルを更に備える、請求項３３に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項３５】
前記干渉図形の振幅雑音を制限する、二重平衡型検出配置を更に備える、請求項１に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【請求項３６】
前記干渉図形の振幅雑音を制限する、二重平衡型検出配置を更に備える、請求項１９に記載のコヒーレント走査型レーザシステム。
【国際調査報告】
2013507005.tif 000037
2013507005.tif 000038
2013507005.tif 000039