(57)【要約】  光周波数コム光源の成分の干渉によって生成されるビートスペクトルを基準付けて補正するための方法が提供される。提案される方法は、光源とビートレプリカとの間のマッピングの変化の監視を可能にする。これは、その後、従来技術の精度および測定時間の限界を克服するために、フーリエ変換分光法または任意の他の干渉分光法用途において光源の小さな変化を補償するために使用できる。その結果、光源安定性に対する制約が減少される。
2010531444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビート干渉信号を補正するための方法であって、
周波数成分が光源スペクトルにおいて不均一に分布される光周波数コムを設けるステップと、
周波数成分を干渉させて、ビート成分を伴うビートスペクトルを有するビート干渉信号を生成するステップであって、光周波数コムが少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータを有するステップと、
前記ビート成分間で少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを分離するステップと、
基準ビート成分サブセットの位相および周波数のうちの少なくとも一方を監視するステップであって、位相および周波数のうちの少なくとも一方が少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータに関連付けられるステップと、
位相および周波数のうちの少なくとも一方から、ビート干渉信号に適用されるべき補正関数を決定するステップであって、補正関数は、可変光周波数コムパラメータの変化を補正するステップと、
ビート干渉信号を記録するステップと、
補正関数を使用して、記録されたビート干渉信号を補正するステップと、を含む方法。
【請求項２】
光周波数コムを設ける前記ステップは、第１の光周波数コムと第２の光周波数コムとを組み合わせるステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
光周波数コムを設ける前記ステップは、第１のモードロックレーザを使用して第１の光周波数コムを生成するとともに、第２のモードロックレーザを使用して第２の光周波数コムを生成するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを分離する前記ステップは、光周波数コムの光源スペクトルの一部をフィルタ処理するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つの基準ビート成分サブセットのうちの少なくとも１つが単一の基準ビート成分を有し、光周波数コムの光源スペクトルの一部をフィルタ処理する前記ステップは、単一の基準ビート成分を分離するために光源スペクトルの一対の周波数成分を選択するフィルタリング帯域幅を使用するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
光周波数コムを設ける前記ステップは、第１の光周波数コム光源と第２の光周波数コム光源とを組み合わせるステップを含み、
少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを分離する前記ステップは、
第１の光周波数コムの周波数成分間で第１の周波数成分サブセットをフィルタ処理するとともに、第２の光周波数コムの周波数成分間で第２の周波数成分サブセットをフィルタ処理し、第１の周波数成分サブセットおよび第２の周波数成分サブセットが光源スペクトルの既知の周波数帯域内に位置づけられるステップと、
第１の周波数成分サブセットと第２の周波数成分サブセットとを干渉させて、分離されたビート成分サブセットを与えるステップと、を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
第１の周波数成分サブセットをフィルタ処理するとともに、第２の周波数成分サブセットをフィルタ処理する前記ステップは、第１の周波数成分サブセットおよび第２の周波数成分サブセットをそれぞれ与えるために光源スペクトルの既知の周波数通過帯域を有する受動的な帯域通過フィルタを使用して第１の光周波数コムおよび第２の光周波数コムをフィルタ処理するステップであって、基準ビート成分サブセットを与えるために第１の周波数成分サブセットと第２の周波数成分サブセットとが干渉するステップを含み、
監視する前記ステップは、ビートスペクトルの基準ビート信号を与えるために基準ビート成分サブセットを検出するステップと、基準ビート信号の位相および周波数のうちの少なくとも一方を監視するステップとを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
受動的な帯域通過フィルタを使用する前記ステップは、反射型のファイバブラッググレーティングフィルタを使用するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを分離する前記ステップは、光源スペクトルの既知の周波数通過帯域を有する能動フィルタを使用して光周波数コムの光源スペクトルの一部を能動的にフィルタ処理するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
光周波数コムを設ける前記ステップは、第１の光周波数コムと第２の光周波数コムとを組み合わせるステップを含み、
能動的にフィルタ処理する前記ステップは、
第１の中間干渉信号を与えるために第１の光周波数コムを基準連続波光源と干渉させるステップと、
ビート成分を有する第１の中間基準信号を与えるために第１の中間干渉信号を検出するステップと、
第１の中間基準ビード成分サブセットを保持するために第１の中間基準信号のビート成分をフィルタ処理するステップと、
第２の中間干渉信号を与えるために第２の光周波数コムを基準連続波光源と干渉させるステップと、
ビート成分を有する第２の中間基準信号を与えるために第２の中間干渉信号を検出するステップと、
第２の中間基準ビード成分サブセットを保持するために第２の中間基準信号のビート成分をフィルタ処理するステップと、
第１の中間干渉信号と第２の中間干渉信号とを干渉させて、少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを与えるステップと、を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの基準ビート成分サブセットが第１の基準ビート成分サブセットと第２の基準ビート成分サブセットとを備え、少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータが周波数オフセットパラメータと周波数スケーリングパラメータとを備え、
決定する前記ステップは、オフセット補正位相と補正利得とを含む補正パラメータを計算するステップを含み、
ビート干渉信号を補正する前記ステップは、オフセット補正位相をビート干渉信号から差し引いて、補正利得を使用して等距離位相グリッドに関してビート干渉信号を再サンプリングするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの光周波数コムパラメータがＰ個の光周波数コムパラメータを備え、前記少なくとも１つの基準ビート成分サブセットがＱ個の基準ビート成分を含み、Ｐの値が少なくとも１であり、Ｑの値が少なくとも１である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
補正されたビート干渉信号を出力するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
補正関数が少なくとも１つの補正パラメータによって規定され、前記方法は、少なくとも１つの補正パラメータを出力するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
ビート干渉信号を与えるために光周波数コムの少なくとも一部を用いてサンプルを精査するステップを更に含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１６】
サンプル形跡を有するサンプルを解析するための干渉方法であって、
周波数成分が光源スペクトルにおいて不均一に分布される光周波数コムを設けるステップと、
周波数成分を干渉させて、ビート成分を伴うビートスペクトルを有するビート干渉信号を生成するステップであって、ビートスペクトルの少なくとも一部が光源スペクトルの少なくとも一部との関連を有し、光周波数コムが少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータを有し、少なくとも１つの光周波数コムパラメータの変化が関連の変化を引き起こすステップと、
サンプル形跡を保持するサンプル干渉信号を与えるために、解析されるべきサンプルを用いて光周波数コムの少なくとも一部をフィルタ処理するステップと、
サンプル干渉信号を記録するステップであって、サンプル干渉信号が、少なくとも１つの光周波数コムパラメータの変化に起因するエラーを示すステップと、
前記ビート成分間で少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを選択するステップと、
基準ビート成分サブセットの位相および周波数のうちの少なくとも一方を監視するステップであって、位相および周波数のうちの少なくとも一方が少なくとも１つの光周波数コムパラメータに関連付けられるステップと、
位相および周波数のうちの少なくとも一方から、サンプル干渉信号に適用されるべき補正関数を決定するステップであって、補正関数は、少なくとも１つの光周波数コムパラメータの変化を補正するステップと、
補正関数を使用して、記録されたサンプル干渉信号を補正するステップと、を含む干渉方法。
【請求項１７】
光周波数コムを設ける前記ステップは、第１の光周波数コムと第２の光周波数コムとを組み合わせるステップを含む、請求項1６に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを選択する前記ステップは、光周波数コムの光源スペクトルの一部をフィルタ処理するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの基準ビート成分サブセットのうちの少なくとも１つが単一のビート成分を含み、光周波数コムの光源スペクトルの一部をフィルタ処理する前記ステップは、単一の基準ビート成分を分離するために光源スペクトルの一対の周波数成分を選択するフィルタリング帯域幅を使用するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
光周波数コムを設ける前記ステップは、第１の光周波数コム光源と第２の光周波数コム光源とを組み合わせるステップを含み、
少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを選択する前記ステップは、
第１の光周波数コムの周波数成分間で第１の周波数成分サブセットをフィルタ処理するとともに、第２の光周波数コムの周波数成分間で第２の周波数成分サブセットをフィルタ処理し、第１の周波数成分サブセットおよび第２の周波数成分サブセットが光源スペクトルの既知の周波数帯域内に位置づけられるステップと、
第１の周波数成分サブセットと第２の周波数成分サブセットとを干渉させて、分離されたビート成分サブセットを与えるステップと、を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
第１の周波数成分サブセットをフィルタ処理するとともに、第２の周波数成分サブセットをフィルタ処理する前記ステップは、第１の周波数成分サブセットおよび第２の周波数成分サブセットをそれぞれ与えるために光源スペクトルの既知の周波数通過帯域を有する受動的な帯域通過フィルタを使用して、第１の光周波数コムおよび第２の光周波数コムをフィルタ処理するステップであって、基準ビート成分サブセットを与えるために第１の周波数成分サブセットと第２の周波数成分サブセットとが干渉するステップを含み、
監視する前記ステップは、ビートスペクトルの基準ビート信号を与えるために基準ビート成分サブセットを検出するステップと、基準ビート信号の位相および周波数のうちの少なくとも一方を監視するステップとを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを分離する前記ステップは、光源スペクトルの既知の周波数通過帯域を有する能動フィルタを使用して光周波数コムの光源スペクトルの一部を能動的にフィルタ処理するステップを含む、請求項1６に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも１つの基準ビート成分サブセットが第１の基準ビート成分サブセットと第２の基準ビート成分サブセットとを備え、少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータが周波数オフセットパラメータと周波数スケーリングパラメータとを備え、
決定する前記ステップは、オフセット補正位相と補正利得とを含む補正パラメータを計算するステップを含み、
ビート干渉信号を補正する前記ステップは、オフセット補正位相をビート干渉信号から差し引いて、補正利得を使用して等距離位相グリッドに関してビート干渉信号を再サンプリングするステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
補正されたビート干渉信号を出力するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
補正関数が少なくとも１つの補正パラメータによって規定され、少なくとも１つの補正パラメータを出力するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
ビート干渉信号を生成する前記ステップは、フーリエ変換分光（ＦＴＳ）インターフェログラムおよびその対応するスペクトルを生成するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
光学低コヒーレンス反射率測定法（ＯＬＣＲ）、光学コヒーレンス反射率測定法（ＯＣＲ）、および、光検出・測距（ＬＩＤＡＲ）のうちの少なくとも１つにしたがって補正されたサンプル干渉信号を解析するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２８】
ビート干渉信号を補正するためのシステムであって、
周波数成分が光源スペクトルにおいて不均一に分布される光周波数コムを生成するための光源系であって、周波数成分を干渉させて、ビート成分を伴うビートスペクトルを有するビート干渉信号を生成し、ビートスペクトルの一部が光源スペクトルの一部との関連を有し、光周波数コムが少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータを有する、光源系と、
周波数成分間で周波数成分のサブセットを分離するために、光周波数コムを受けるとともに、光源スペクトルの既知の周波数通過帯域を有する少なくとも１つの狭帯域フィルタであって、周波数成分のサブセットが干渉して基準ビート成分サブセットを与える、少なくとも１つの狭帯域フィルタと、
基準ビート成分サブセットの位相および周波数のうちの少なくとも一方を監視するための位相／周波数解析器と、
ビート干渉信号に適用されるべき補正関数を決定するために位相および周波数のうちの少なくとも一方を受けるモデル計算機であって、補正関数が少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータを補正する、モデル計算機と、
ビート干渉信号を記録するための取得ユニットと、
記録されたビート干渉信号を補正関数を使用して補正するために、記録されたビート干渉信号と補正関数とを受ける補正ユニットと、を備えるシステム。
【請求項２９】
光源系は、それぞれが不均一に分布される周波数成分を有し且つ光周波数コムを与えるために組み合わされる第１の光周波数コム光源と第２の光周波数コム光源とを備える、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
第１の光周波数コム光源および第２の光周波数コム光源がそれぞれモードロックレーザを備える、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
狭帯域フィルタは、基準ビート成分サブセットを与えるために光周波数コムを受けてフィルタ処理する受動的な帯域通過フィルタを備える、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３２】
前記受動的な帯域通過フィルタは、反射で使用されるファイバブラッググレーティングフィルタを備える、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
狭帯域フィルタが能動フィルタを備える、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３４】
光源系は、それぞれが不均一に分布される周波数成分を有し且つ光周波数コムを与えるために組み合わされる第１の光周波数コム光源と第２の光周波数コム光源とを備え、
能動フィルタは、
基準連続波光源と、
第１の中間干渉信号を与えるために基準連続波光源と第１の光周波数コムとを組み合わせて干渉させるコンバイナと、
ビート成分を有する第１の中間基準信号を与えるために第１の中間干渉信号を検出するための第１の検出器と、
第２の中間干渉信号を与えるために基準連続波光源と第２の光周波数コムとを組み合わせて干渉させるコンバイナと、
ビート成分を有する第２の中間基準信号を与えるために第２の中間干渉信号を検出するための第２の検出器と、
ビートスペクトルにおいて、第１の基準ビート成分サブセットを保持するために第１の中間基準信号のビート成分をフィルタ処理するとともに、第２の基準ビート成分サブセットを保持するために第２の中間基準信号のビート成分をフィルタ処理するフィルタであって、第１の基準ビート成分サブセットと第２の基準ビート成分サブセットとが干渉して基準ビート成分サブセットが与えられるフィルタと、を備える、請求項３３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コム光源の基準付けに関する。より具体的には、本発明は、１つ以上の光周波数コム光源の干渉によって発生されるビートスペクトルの基準付けに関する。
【背景技術】
【０００２】
分光法は、放射線と材料サンプルとの相互作用を使用して、スペクトル特徴付けを行なう。フーリエ変換分光法は、そのスペクトル精度およびエネルギ効率のため、多くの用途の中で環境モニタリングや法医学的分析において長い間使用された解析方法である。光周波数コム分光法は、解析のための幅広い周波数レンジを与える電磁パルスを使用する。光周波数コム分光法は、一般に、光周波数コムを生成するパルス光源を必要とする。
【０００３】
関連出願の相互参照
本出願は、その明細書が参照により本明細書に組み込まれる２００７年６月２６日に出願された米国仮特許出願第６０／９４６，２３９号の優先権を主張する。
【０００４】
米国特許第５，７４８，３０９号では、２つの光周波数コムを組み合わせるフーリエ変換分光（ＦＴＳ）方法が提案されている。提案された方法は、光学ドメイン内で、僅かに離調された繰り返し率ｆrを有する２つの光周波数コム、すなわち、モードロックレーザを組み合わせて、無線周波数（ＲＦ）ドメインのビートスペクトル、すなわち、特徴付けられるべき光学ドメインスペクトルのＲＦビートレプリカを測定する。ビートスペクトルは、考慮されたＲＦ帯域で光源干渉信号（インターフェログラム）の測定された時間応答のフーリエ変換を行なうことによって得られる。コム光源の安定性は、ＲＦビートレプリカが全測定区間中に一定であることを保証するために重要である。ｆrの小さな変化であっても、また、モードロックレーザのうちのいずれかのキャリアエンベロープオフセット（ＣＥＯ）ｆOの小さな変化であっても、ＲＦビートレプリカと光学ドメインスペクトルとの間のマッピングが変化し、したがって、インターフェログラムのフーリエ変換の精度が大幅に制限される。ＲＦビートレプリカと光学ドメインスペクトルとの間のマッピングを一定に維持するためには、両方のモードロックレーザのキャリアエンベロープオフセット周波数の安定性および繰り返し率の安定性に対する制約が極めて高い。
【０００５】
I. Coddington, W. C. Newbury and N. R. Newbury, “Coherent multiheterodyne spectroscopy using stabilized optical frequency combs”, Physical Review Letters 100, 013902 (2008)は、２つの狭い連続波ファイバレーザに対して安定化されたモードロックファイバレーザを使用する高分解能複合分光法を報告している。この方法は、光周波数コムビート周波数で連続波レーザ安定性を変えるが、連続波レーザの任意の残りの不安定性にも影響される。
【０００６】
モードロックレーザの任意のラインの周波数は、レーザ繰り返し率ｆrおよびキャリアエンベロープオフセット周波数ｆ0によって十分に表わされる。光学的な基準付けは、ｆrおよびｆ0の安定化された値に関して達成される。D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Randa, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall and S. T. Cundiff, “Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis”, Science Vol. 288, pp. 635-639 (2000)では、少なくとも１オクターブのスペクトル範囲を有する光源のためのいわゆる１ｆ−２ｆ技術を使用するモードロック光周波数コムの自動基準付けが提案されている。１ｆ−２ｆ技術を使用すると、キャリアエンベロープオフセット周波数がキャンセルされ、また、繰り返し率も積極的にロックされる場合には、光コムの長期の安定性および基準付けが従来技術の精度で達成される。１ｆ−２ｆ技術の幾つかの制限は、モードロックレーザのアクティブフィードバックによって引き起こされる或いは残される短期不安定性、および、構造の全体的な複雑さである。
【０００７】
デュアルコムフーリエ変換技術に関して、国際公開第２００７／０４５４６１Ａ１号は、測定継続時間にわたる光源の安定性に依然として依存しつつ相互相関機能の所望の部分だけを走査するために、レーザのうちの１つの繰り返し率を定期的に変えることによって測定デューティサイクルを向上させるための方法を提供する。米国特許出願公開第２００７／０１８２９６６Ａ１号は、連続波レーザを用いた光周波数コムヘテロダイン分光法を行なうための装置および方法を提供する。この方法を用いると、ＲＦビートレプリカと光学ドメインスペクトルとの間のマッピングを規定するために、３つ以上のパラメータが必要とされる可能性が高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，７４８，３０９号
【特許文献２】国際公開第２００７／０４５４６１Ａ１号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０１８２９６６Ａ１号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】I. Coddington, W. C. Newbury and N. R. Newbury, “Coherent multiheterodyne spectroscopy using stabilized optical frequency combs”, Physical Review Letters 100, 013902 (2008)
【非特許文献２】D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Randa, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall and S. T. Cundiff, “Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis”, Science Vol. 288, pp. 635-639 (2000)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、サンプルを解析するときの光周波数コム光源などの光源の安定性問題を扱う必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
光周波数コム光源の成分の干渉によって生成されるビートスペクトルを基準付けて補正するための方法が提供される。提案された方法は、光源とビートレプリカとの間のマッピングの変化の監視を可能にする。これは、その後、従来技術の精度および測定時間の限界を克服するために、フーリエ変換分光法または任意の他の干渉分光法用途において光源の小さな変化を補償するために使用できる。その結果、光源安定性に対する制約が減少される。
【００１２】
本明細書中で説明される基準付け・補正方法は、異なる一定の周波数付近の光源の狭帯域部分における平均ビート周波数の決定と、ビートスペクトルを光源スペクトルに関連付けるマッピングモデルにおけるこの知識の使用とに基づいている。
【００１３】
なお、明細書全体にわたって、表現「ビート周波数」は、ビート位相の経時的な分布が測定され或いは決定される時にそれによってビート周波数も検索されて測定され或いは決定されると見なされるように、ビート位相の経時的分布を含むことを意図していることに留意されたい。
【００１４】
第１の態様によれば、ビート干渉信号を補正するための方法が提供される。本方法は、１）周波数成分が光源スペクトルにおいて不均一に分布される光周波数コムを設けるステップと、２）周波数成分を干渉させて、ビート成分を伴うビートスペクトルを有するビート干渉信号を生成するステップであって、光周波数コムが少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータを有するステップと、３）上記ビート成分間で少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを分離するステップと、４）基準ビート成分サブセットの位相および周波数のうちの少なくとも一方を監視するステップであって、位相および周波数のうちの少なくとも一方が少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータに関連付けられるステップと、５）位相および周波数のうちの少なくとも一方から、ビート干渉信号に適用されるべき補正関数を決定するステップであって、補正関数は、可変光周波数コムパラメータの変化を補正するステップと、６）ビート干渉信号を記録するステップと、７）補正関数を使用して、記録されたビート干渉信号を補正するステップとを含む。
【００１５】
第２の態様によれば、サンプル形跡を有するサンプルを解析するための干渉方法が提供される。本方法は、１）周波数成分が光源スペクトルにおいて不均一に分布される光周波数コムを設けるステップと、２）周波数成分を干渉させて、ビート成分を伴うビートスペクトルを有するビート干渉信号を生成するステップであって、ビートスペクトルの少なくとも一部が光源スペクトルの少なくとも一部との関連を有し、光周波数コムが少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータを有し、少なくとも１つの光周波数コムパラメータの変化が関連の変化を引き起こすステップと、３）サンプル形跡を保持するサンプル干渉信号を与えるために、解析されるべきサンプルを用いて光周波数コムの少なくとも一部をフィルタ処理するステップと、４）サンプル干渉信号を記録するステップであって、サンプル干渉信号が、少なくとも１つの光周波数コムパラメータの変化に起因するエラーを示すステップと、５）上記ビート成分間で少なくとも１つの基準ビート成分サブセットを選択するステップと、６）基準ビート成分サブセットの位相および周波数のうちの少なくとも一方を監視するステップであって、位相および周波数のうちの少なくとも一方が少なくとも１つの光周波数コムパラメータに関連付けられるステップと、７）位相および周波数のうちの少なくとも一方から、サンプル干渉信号に適用されるべき補正関数を決定するステップであって、補正関数は、少なくとも１つの光周波数コムパラメータの変化を補正するステップと、８）補正関数を使用して、記録されたサンプル干渉信号を補正するステップとを含む。
【００１６】
第３の態様によれば、ビート干渉信号を補正するためのシステムが提供される。本システムは、１）周波数成分が光源スペクトルにおいて不均一に分布される光周波数コムを生成するための光源系であって、周波数成分を干渉させて、ビート成分を伴うビートスペクトルを有するビート干渉信号を生成し、ビートスペクトルの一部が光源スペクトルの一部との関連を有し、光周波数コムが少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータを有する、光源系と、２）周波数成分間で周波数成分のサブセットを分離するために、光周波数コムを受けるとともに、光源スペクトルの既知の周波数通過帯域を有する少なくとも１つの狭帯域フィルタであって、周波数成分のサブセットが干渉して基準ビート成分サブセットを与える、少なくとも１つの狭帯域フィルタと、３）基準ビート成分サブセットの位相および周波数のうちの少なくとも一方を監視するための位相／周波数解析器と、４）ビート干渉信号に適用されるべき補正関数を決定するために位相および周波数のうちの少なくとも一方を受けるモデル計算機であって、補正関数が少なくとも１つの可変光周波数コムパラメータを補正する、モデル計算機と、５）ビート干渉信号を記録するための取得ユニットと、６）記録されたビート干渉信号を補正関数を使用して補正するために、記録されたビート干渉信号と補正関数とを受ける補正ユニットとを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】［図１Ａ］二重光周波数コム光源の一例の光周波数スペクトルの一例を示すグラフである。［図１Ｂ］二重光周波数コム光源の一例の光周波数スペクトルの一例と対応するビートスペクトルを示すグラフである。
【図２】サンプルの分光特性を解析するとともに基準付け技術を使用して光周波数コム光源を基準付けるための光周波数コムフーリエ変換分光法（ｃＦＴＳ）システムの一例を示すブロック図である。
【図３】２つのモードロックレーザと共に使用される際の基準付け技術にしたがったオフセット効果およびスケール効果を示すグラフである。
【図４】光周波数コム光源のスケールファクタおよびオフセットパラメータの変化に関するインターフェログラムを補正するための処理ユニットを示すブロック図である。
【図５】［図５Ａ］補正前のサンプルビートスペクトル（ｉ）および２つの基準ビートスペクトル（ｉｉ）および（ｉｉｉ）を示す３つのグラフを含む。［図５Ｂ］補正後のサンプル光スペクトル（ｉ）および２つの基準光スペクトル（ｉｉ）および（ｉｉｉ）を示す３つのグラフを含む。
【図６】均等目盛（上側のグラフ）および対数目盛（下側のグラフ）で与えられた２つの他の同様の測定値が重ね合わされた図５Ｂの補正されたサンプル光スペクトルを示す２つのグラフを含む。
【図７】図２のシステムの一般例に係る基準付け方法を使用する干渉システムを示すブロック図である。
【図８】図２のシステムに類似するがサンプルが反射で精査されるｃＦＴＳシステムを示すブロック図である。
【図９】図２のシステムに類似するが、反射で精査されるサンプルと共に差分分光方式が使用されるｃＦＴＳシステムを示すブロック図である。
【図１０】図２のシステムに類似するが、複合分光で用いられるようになっており、サンプルが透過で精査される干渉システムを示すブロック図である。
【図１１】図１０のシステムに類似するがサンプルが反射で精査される干渉システムを示すブロック図である。
【図１２】図２のシステムに類似するが、受動的な光学フィルタリングの代わりに能動的なフィルタリングを使用するｃＦＴＳシステムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本明細書中で与えられる基準付け技術は、図１〜図６を参照して最初に説明される光周波数コムフーリエ変換分光法（ｃＦＴＳ）の例示的な実施例を考慮すれば最も良く理解されるが、基準付け技術を本明細書で説明される用途の域を超えて使用することもできることに留意されたい。例えば、本明細書中で説明される基準付け技術は、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）で使用されるべく適合させることができる。例えば、図１１は、ＯＣＴに対して更に適合される構成を示している。本明細書中で具体的に説明されない他の干渉用途が基準付け技術から利益を享受してもよい。
【００１９】
本明細書中で説明される技術は、ｃＦＴＳシステムで使用される光源に関する厳格な要件を緩和するために使用される。ビートスペクトルの直接的な測定は、光源の僅かな変化が許容される条件で行なわれる。ＲＦビート周波数の結果として生じる変化を補正するため、本技術は、２つの既知の光周波数のビート変動を記録するとともに、この情報から、測定されたインターフェログラムのための新たなサンプリンググリッドおよび補正位相を決定する。
【００２０】
図１は、２つの僅かに離調された光周波数コム光源を干渉させることによって得られるｃＦＴＳビートスペクトル、および、光源スペクトルの光周波数成分とビートスペクトルのビート成分との間の瞬間的な関係を示している。各光周波数コムの周波数成分は、２つのパラメータ、すなわち、繰り返し率ｆｒとキャリアエンベロープオフセット周波数ｆ０とを用いて決定される。したがって、ｋ番目のコムラインの周波数は、第１のコム光源におけるｆｋ，１＝ｆ０，１＋ｋ・ｆｒ，１と第２のコム光源におけるｆｋ，２＝ｆ０，２＋ｋ・ｆｒ，２とによって与えられる。完全光源は、図１（Ａ）に示されるように両方のコムのインターリービングである。図１（Ａ）において、実線は第１のコムからの成分を表わしており、また、点線は第２のコムからの成分を表わしている。この例示的な実施例において、ｆｒ，１＝１、ｆｒ，２＝１．０２、ｆ０，１＝１０００、および、ｆ０，２＝１０００．１であり、また、直線的な振幅変化が選択される。考慮すべき事項のビート成分ｂｍは、図１（Ｂ）に与えられており、光源周波数成分ｆｋ，１およびｆｋ，２のビーティングに対応する成分である。ビーティングプロセスにおける乗算に起因して、光源周波数成分の振幅が直線的に増大する場合には、ビート成分の振幅は二次である。ビート成分ｍの周波数はｂｍ＝ｆ０＋ｍ・Δｆｒによって与えられる。ここで、ｆ０＝ｆ０，２−ｆ０，１（＝０．１）およびΔｆｒ＝ｆｒ，２−ｆｒ，１（＝０．０２）である。周波数ｆｍ１が単に第１のコム光源のｍ番目のラインである（ｆｍ１＝ｆ０，１＋ｍ・ｆｒ，１）という事実を使用すると、ｂｍとｆｍ１との間のマッピング関数を決定することができ、また、このマッピングは簡単なアフィン関数である。すなわち、ｂｍ＝Ｇｆ・ｆｍ１＋Ｏｆである。ここで、Ｇｆはスケールファクタであり、Ｏｆはオフセットである。他のビートサブセットが、例えば光源成分ｆｋ，２およびｆｋ−１，１に対応する或いはｆｋ，１およびｆｋ−１，２を有するビート成分として使用されてもよい。繰り返し率差（|ｆｒ，１−ｆｒ，２|）の十分に小さい値を使用して、オフセット周波数（ｆ０，１およびｆ０，２）を調整すると、ビート成分のサブセットと光源レンジ全体における光源ドメインとの間の有効なマッピング関数が確保される。適切な繰り返し率差Δｆｒおよびオフセット周波数ｆ０を選択する際には、ビート周波数モジュロｆｒ／２がゼロに近いときに達する屈曲点を考慮すべきである。
【００２１】
ここで、図２は、サンプル２１６の分光特性を解析するための光周波数ｃＦＴＳシステム２００の一例を示している。ｃＦＴＳシステム２００は、第１のコム光源２１０と第２のコム光源２１２との間の周波数ドリフトに関して検出器Ｄｓで測定されたビート干渉信号を補正するために本明細書中で説明される技術を使用する。後述するように、２つの既知の光基準周波数ｆ１、ｆ２におけるビート変動が記録され、この情報から、図４に示される後述するアルゴリズムを使用して、測定されたインターフェログラムのための新たなサンプリンググリッドおよび補正位相が決定される。図２のシステムにおいて、コム光源２１０、２１２は、僅かに異なる繰り返し率ｆｒを有する２つのオールファイバモードロックレーザに基づいている。両方のレーザの中心波長は約１５５０ｎｍである。レーザは、増幅のためのエルビウム添加媒体を使用するオールファイバソリトンリングレーザ形態に基づいている。レーザの熱安定化だけが一般に使用される場合であって、与えられた基準付け技術を使用して、両方のレーザの繰り返し率の残存する緩慢な変動が補償される。
【００２２】
図２のｃＦＴＳシステム２００において、２つのコム光源２１０、２１２は、光カプラ２１３を使用して干渉するように組み合わされる。２つのコム光源２１０、２１２は、無線周波数（ＲＦ）ビートスペクトルにおける両方のコムのモード間のビートスペクトルが光源スペクトルにおける光学ドメインスペクトルのレプリカとなるように（実際には、ＲＦスペクトルが両方のコムスペクトルの乗算である）調整される２つの略同一周波数のコム光源である。それぞれのレーザ毎にここで考慮される主なパラメータは、繰り返し率ｆｒおよびキャリアエンベロープオフセット（ＣＥＯ）周波数ｆ０である。
【００２３】
組み合わされた光源は、光カプラ２１３の出力で２つの光学経路２１４、２１５に分割される。光学経路２１４において、光信号は、試験用の所与のサンプル２１６を精査し、したがって、検出器Ｄｓに到達する前にスペクトルフィルタリングを受ける。結果として得られるインターフェログラムは、検出器Ｄｓで測定されるとともに、ＲＦドメインのビート信号Ｄｓ（ｔ）を供給するために３チャンネル５０ＭＳ／ｓ取得システム２５０の第１のチャンネルを使用して取得される。
【００２４】
光学経路２１５で伝播する光信号の第２の部分は、１秒毎に、光カプラ２２０を使用して、２つの光基準付け経路２２２、２２４へと分割され、それぞれの光基準付け経路は、既知の光基準周波数ｆ１、ｆ２に対応する光信号の特定のビート成分を分離するために使用される狭帯域通過フィルタ２２６、２３２をそれぞれが備える。各帯域通過フィルタ２２６、２３２は、既知の光基準周波数ｆ１、ｆ２にそれぞれ中心付けられる狭帯域反射型ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）２３０、２３６と、反射ＦＢＧフィルタ２３０、２３６を狭帯域通過透過フィルタへと変換するための光サーキュレータ２２８、２３４とからなる。検出器Ｄ１およびＤ２は、取得システム２５０の２つの残りのチャンネルを使用して取得される２つの基準信号Ｄ１（ｔ）、Ｄ２（ｔ）を測定するために使用される。ビート信号Ｄｓ（ｔ）は、図４を参照して以下で更に説明される処理ユニット４００で、２つの基準信号Ｄ１（ｔ）、Ｄ２（ｔ）を使用して補正される。
【００２５】
特定の実施形態によれば、光周波数領域が１９３．５ＴＨｚに中心付けられ、ｆ０が約２．５ＴＨｚであり、ｆｒが１７．５８ＭＨｚに近く、２つの光周波数コム間のｆｒ離調Δｆｒが約０．３Ｈｚであり、また、レーザ光学帯域幅と同等のＲＦ帯域におけるビート帯域幅が０．５ＭＨｚであり、それにより、０．５〜８ＭＨｚの大きな動作範囲が可能になる。第１のＦＢＧフィルタ２３０は５０ＧＨｚの帯域幅においてλ１＝１５５５．５５ｎｍに中心付けられ、一方、第２のＦＢＧフィルタ２３６は３．５ＧＨｚの帯域幅においてλ２＝１５４９．８８ｎｍに中心付けられる。この例示的な実施例において、サンプル２１６は、任意に、透過で使用され且つ１５５５．５５ｎｍの中心波長を有するＦＢＧである。３つの光学経路の光路長は略等しく、そのため、補正方法の極僅かな性能低下が観察される。数十センチメートル未満の光学距離不一致が適切であることが分かった。パルスの全分散が自己相関器を使用して検出器位置で評価され、また、結果として生じるパルスの時間拡散が取得サンプリング間隔と比べて非常に小さく、したがって、この場合には無視できる。
【００２６】
本明細書中で説明される基準付け・補正技術を使用するｃＦＴＳ測定は３つのインターフェログラム信号Ｄｓ（ｔ）、Ｄ１（ｔ）、Ｄ２（ｔ）からなり、これらの信号は各経路毎に１つあって検出器Ｄｓ、Ｄ１、Ｄ２で測定される。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）後に得られるスペクトルは、コム光源２１０、２１２の繰り返し率ｆｒすなわち約１７ＭＨｚで且つその高調波（利用可能な帯域の２５ＭＨｚで折り曲げられる）で非常に狭く強い成分を有するこれらの未加工のインターフェログラムに適用される。なお、２つの光周波数コム光源２１０、２１２間の対象のビート成分をマスキングする不必要な成分を減らすため、１１ＭＨｚで６ｄＢ勾配の低域通過電気フィルタがデータ取得システム２５０の前に配置される。光源スペクトルの２つの鏡面関係のレプリカがｆｒ未満のＲＦドメインで予期され、また、電気的フィルタリングに起因して、ｆｒ／２未満の１つだけが考慮される。
【００２７】
デュアルモードロックレーザがコム光源として使用されると、光源の周波数変化をパラメータＧｆ（ｔ）およびＯｆ（ｔ）の時間変化に関して表わすことができる。ここで、Ｇｆ（ｔ）はスケールファクタ、Ｏｆ（ｔ）はオフセットである。Ｇｆ（ｔ）およびＯｆ（ｔ）はレーザコム光源のｆｒ、ｆ０に関連付けられる。図３に示されるように、レーザの小さな時間的変化（すなわち、ｆｒおよびｆ０の時間的変化）を考慮に入れると、周波数成分ｆとビート成分ｂとの間のマッピングの変化が予期され、この変化は、ＲＦドメインのビートレプリカにおける帯域幅拡散およびシフトとして見ることができる。パラメータＯｆの変化ΔＯｆはマッピング関数においてオフセット効果（並進とも呼ばれる）をもたらし、また、この効果は、主に、モードロックレーザコム光源２１０、２１２のパラメータｆ０，１およびｆ０，２の変化に起因する。パラメータＧｒの変化ΔＧｒはマッピング関数においてスケール効果（相似移動とも呼ばれる）をもたらし、また、この効果は、主に、モードロックレーザコム光源２１０、２１２のパラメータｆｒ，１およびｆｒ，２の変化に起因する。フーリエ変換の観点において、並進は、時間依存性の位相寄与をもたらし、一方、相似移動は、取得されたインターフェログラムの時間遅延間隔を変える。折り曲げ問題が予期されない所与の光周波数レンジにおいては、ビートスペクトルｂ（ｆ，ｔ）を光源スペクトルの並進された相似移動として表わすことができる。
【数１】
2010531444.tif 000003
【００２８】
ｃＦＴＳの特定の場合において、光学基準付け技術はＧｆおよびＯｆを決定することができる。前述した技術によれば、光源ドメインにおける２つの固定された別個の所定の光源基準周波数ｆ１、ｆ２が考慮される。光源基準周波数ｆ１、ｆ２は、システム２００の選択された光学フィルタ２２６、２３２によって規定される。ビート成分サブセット、すなわち、ＲＦドメインのこの場合ではビート周波数ｂ１（ｔ）およびｂ２（ｔ）は、２つの固定された光源基準周波数ｆ１、ｆ２に関して測定され（ｔは測定時間）、また、ビート周波数は、検出器Ｄｓで測定されたインターフェログラムを補正するための基準として使用される。関数Ｇｆ（ｔ）およびＯｆ（ｔ）は、以下のように２つの基準ビート周波数ｂ１（ｔ）およびｂ２（ｔ）の知識を用いて決定できる。
【数２】
2010531444.tif 000004
および
【数３】
2010531444.tif 000005
【００２９】
Ｇｆ（ｔ）およびＯｆ（ｔ）を使用して、ビート成分のサブセット全体の基準付けがマッピング関数の反転によって達成される。
【数４】
2010531444.tif 000006
【００３０】
しかしながら、ｃＦＴＳの場合においては、ビート周波数ではなくビート位相で表わされるビート成分と共に機能することが更に都合良い。経時的光周波数とビート周波数を結びつける関係を積分することにより、
【数５】
2010531444.tif 000007
が得られる。
この場合、Ｇφ（ｔ）およびＯφ（ｔ）はそれぞれ以下のように規定される。
【数６】
2010531444.tif 000008
および
【数７】
2010531444.tif 000009
【００３１】
したがって、位相利得およびオフセットがそれらの周波数対応物として計算される。
【数８】
2010531444.tif 000010
および
【数９】
2010531444.tif 000011
ここで、φ１（ｔ）およびφ２（ｔ）はそれぞれ、光源基準周波数ｆ１、ｆ２に対応するビート位相である。
【００３２】
これは、以下の逆位相関係を使用して基準付けを行なうことができることを示している。
【数１０】
2010531444.tif 000012
【００３３】
提供された技術のこの適用において、ｐ１（ｔ）＝Ｏφ（ｔ）およびｐ２（ｔ）＝Ｇφ（ｔ）は、ビートスペクトルに対するコム光源変動の影響を探知して補正するために必要とされる２つの補正パラメータである。
【００３４】
ｃＦＴＳの結果として生じる生成物は、補正されたインターフェログラムである。したがって、この場合では、モデルを厳格に反転させることが必要とされない。Ｇφ（ｔ）およびＯφ（ｔ）は、補正されたインターフェログラムを直接に計算するためだけに使用される。
【００３５】
関数Ｇφ（ｔ）の変化は、当初の信号が等距離位相グリッドに関してではなく等距離時間グリッドに関してサンプリングされたという事実を浮き彫りにする。定位相グリッドは、通常、干渉分光法、特にフーリエ変換分光法において望まれる。その結果、ビート干渉信号Ｄｓ（ｔ）を補正するため、新たな位相等距離グリッドがＧφ（ｔ）の範囲で規定される。新たなグリッドに関するｃＦＴＳインターフェログラムの再補間を適用できる前に、補正位相関数ｅ−ｊＯφ（ｔ）との乗算によってＯφ（ｔ）の寄与が除去される。これは、マッピング関数が存在する限り有効である。
【００３６】
図４は、処理ユニット４００で一般に行われるこの基準付け技術を示している。処理ユニット４００は、補正されるべきインターフェログラムのビート干渉信号Ｄｓ（ｔ）と、図２のシステム２００においてＤ１およびＤ２で取得された基準信号Ｄ１（ｔ）、Ｄ２（ｔ）とを受ける。前述したように、２つの基準信号Ｄ１（ｔ）、Ｄ２（ｔ）は、特定のビート成分を分離するために既知の基準周波数ｆ１、ｆ２付近の狭帯域でフィルタ処理された光信号に対応する。ビート信号Ｄｓ（ｔ）、基準信号Ｄ１（ｔ）、および、基準信号Ｄ２（ｔ）はそれぞれ、信号調整器４１０、第１の位相解析器４１２、および、第２の位相解析器４１４で受信される。モデル計算機４１６は、ビート干渉信号を補正するための補正ユニット４２０へ供給される利得ＧφパラメータおよびオフセットＯφパラメータを計算するために２つの位相解析器４１２、４１４の出力に接続される。
【００３７】
信号調整器４１０では、ビート干渉信号Ｄｓ（ｔ）から生じる解析的インターフェログラム信号Ｓ（ｔ）を計算することができる。これは、ヒルベルト変換を使用して行なわれる。復調前に帯域通過フィルタ４１１を使用して何らかのフィルタリングが行なわれてもよい。
【００３８】
位相解析器４１２、４１４では、基準光周波数ｆ１、ｆ２に対応するビート位相φ１（ｔ）、φ２（ｔ）（または、ビート周波数ｂ１（ｔ）、ｂ２（ｔ））が基準信号Ｄ１（ｔ）、Ｄ２（ｔ）から決定される。これは、基本的に、ヒルベルト変換を使用して効率的に実施され得る位相（または、周波数）復調を伴う。復調前に関連する信号を良好に分離するため、帯域通過フィルタ４１３、４１５を使用して何らかのフィルタリングが行なわれてもよい。
【００３９】
モデル計算機４１６では、決定されたビート位相φ１（ｔ）、φ２（ｔ）から、先に与えられた物理モデルによって与えられる関係を使用して利得ＧφパラメータおよびオフセットＯφパラメータが計算される。
【００４０】
計算されたパラメータＧφ（ｔ）およびＯφ（ｔ）は、インターフェログラム信号Ｓ（ｔ）を補正するための補正ユニット４２０へ供給される。補正は、オフセット補正４２２と、その後の利得補正４２４とを含む。オフセット補正４２２は、ｅ−ｊＯφ（ｔ）を乗じることによりオフセット位相Ｏφ（ｔ）を解析的インターフェログラム信号Ｓ（ｔ）から差し引くことによって行なわれる。利得補正４２４は、位相関係Ｇφ（ｔ）を使用して、等距離位相グリッドに関して（または、等距離光学的時間遅延グリッドに関しても同様に）解析的インターフェログラム信号Ｓ（ｔ）を再サンプリングする。結果は、補正された複合インターフェログラムＳｃ（φｓ）である。
【００４１】
補正された複合インターフェログラムＳｃ（φｓ）は、出力されるとともに、補正されたビートスペクトルを得るためにフーリエ変換することができる。計算されたパラメータＧφ（ｔ）、Ｏφ（ｔ）も出力される。
【００４２】
なお、レーザのＣＥＯがキャンセルされる場合など、光学ドメインとＲＦドメインとの間のマッピングが純粋な相似移動である（オフセット周波数ではない）ｃＦＴＳシステムにおいては、利得関数Ｇφ（ｔ）を与える信号基準ビート周波数ｂ１（ｆ１，ｔ）が必要とされる。２つを超えるパラメータの補正が必要とされる用途においては、２つを超える基準ビート成分を使用して２つを超えるパラメータが補正されてもよい（図７参照）。
【００４３】
干渉パターンのフーリエ変換が必要とされない用途およびその局部位相（または、周波数）だけが対象である用途では、補正処理が図４に示される補正処理と若干異なる可能性があることに留意されたい。この場合、補正は、サンプル位相の微分が抽出されれば、再サンプリングを何ら伴うことなく行なわれてもよい。このとき、補正はモデルの直接的な反転であり、また、補正された位相（または、周波数）は、反転された周波数概算値を積分することにより再構成されてもよい。そのような手法を使用すると、分散ネットワークのモニタリング受動光ファイバセンサを速い速度で且つ大きな感度で達成することができる。
【００４４】
図５Ａは、特徴付けられたサンプルに対応するビート干渉信号Ｓ（ｔ）（ｉ）および前述した図２の実施形態に係る両方の基準信号Ｄ１（ｔ）（ｉｉ）並びにＤ２（ｔ）（ｉｉｉ）の補正されていないスペクトル応答を示している。この測定値において、中心ビート周波数は約２ＭＨｚであり、帯域幅は約０．５ＭＨｚである。基準信号Ｄ１（ｔ）、Ｄ２（ｔ）の大きなスペクトル拡散は、コム光源２１０、２１２の変動に起因している。ビート干渉信号Ｓ（ｔ）の精査されたサンプルに対応するスペクトル応答も予期されるような滑らかなレーザスペクトルとはかなり異なり、また、サンプルに起因する明確なフィルタ処理された帯域は認識できない。
【００４５】
その後、サンプル経路からインターフェログラムを補正するために必要とされるオフセットＯφ（ｔ）位相および利得Ｇφ（ｔ）位相が前述のように計算され、ビート干渉信号Ｓ（ｔ）が補正される。図５Ｂは、ビート干渉信号Ｓ（ｔ）に対応する補正されたスペクトル応答（ｉ）および基準信号Ｄ１（ｔ）（ｉｉ）およびＤ２（ｔ）（ｉｉｉ）に対応する補正されたスペクトル応答を示している。基準信号の補正されたスペクトル応答は、狭帯域であり、予期されるようにｆ１、ｆ２付近に適切に位置づけられ、また、ビート干渉信号Ｓ（ｔ）の補正されたスペクトル応答は明確であり、サンプルによってフィルタ処理された帯域を明確に認識できる。
【００４６】
図６は、均等目盛（上側）および対数目盛（下側）で与えられたビート干渉信号Ｓ（ｔ）に対応する３つの補正されたスペクトル応答の重ね合わせを示している。予期されるように、補正されたスペクトルでは、１５５５．５５ｎｍでのサンプルに対応するグレーティングノッチフィルタリングが観察される。これらの測定値における標準的なＦＴＳでの光路長差等価範囲は７０ｍｍよりも大きく、これより、０．１５ｃｍ−１未満のスペクトル分解能が与えられる。
【００４７】
ここで、図７を参照すると、本明細書中で説明される基準付け技術は、必ずしも２つのモードロックレーザの組み合わせに基づかずに、様々なタイプの光周波数コム光源と共に様々な用途で用いるように一般化することができる。システム７００は、図２のシステム２００の一般化として理解され得る。
【００４８】
図７の干渉システム７００は、サンプル７１６を解析するために使用される。図２のシステム２００の場合と同様、システム７００はコム光源７１０を有し、このコム光源７１０は、システム２２０の場合と同様に、それぞれが均一に分布された周波数成分を有する２つの光周波数コム光源の組み合わせであってもよく、それにより、周波数成分が不均一に分布されるコムがもたらされる。より一般的には、不均一に分布される周波数成分を有する光周波数コムを生成する任意のコム光源７１０が使用されてもよい。コム光源７１０は複数の経路７１２、７１３、７１４、７１５に分けられ、それらの経路のうちの１つ、すなわち、経路７１２は、サンプル７１６を精査するためのものであり、また、他の経路７１３、７１４、７１５はそれぞれ、中心周波数ｆ１、ｆ２、ｆＱをそれぞれ有する狭帯域フィルタ７２６、７３２、７３６に達する。フィルタ７２６、７３２、７３６は、既知の基準周波数ｆ１、ｆ２、ｆＱに対応する周波数成分のサブセットをそれぞれ分離することによって光周波数コムの特定のビート成分を分離するために使用される。検出器Ｄｓは、サンプル７１６の出力でビート干渉信号を検出し、一方、Ｄ１、Ｄ２、ＤＱは、フィルタ７２６、７３２、７３６の出力で基準信号を測定するために使用される。検出されたビート干渉信号および基準信号は取得ユニット７５０を使用して取得される。
【００４９】
取得されたビート干渉信号および基準信号はそれぞれ信号調整器７６０およびモデル計算機７６６で受信される。モデル計算機７６６は、一般に、補正されたビート干渉信号を出力するため、ビート干渉信号を補正するための補正ユニット７７０へ供給されるパラメータｐ１、ｐ２、ｐＰを計算する。
【００５０】
光周波数コムは、Ｎ個の別個の周波数成分ｆｎ（ｎは１〜Ｎ、ｆｎ＜ｆｎ＋１）からなるものとして規定される。２つの異なるコム成分ｍ１、ｍ２（ｍ１＜ｍ２）の干渉は、それらの周波数差のビート信号ｂｍ（ｂｍ＝ｆｍ２−ｆｍ１）を生成する。基準付けは、以下の条件を満たすＭ個の連続的なビート周波数成分ｂｍ（ｍは１〜Ｍ）のサブセットに関して適用できる。
１）ｂｍ＜ｂｍ＋１
２）区間［ｆ１，ｆＮ］でビート成分ｂｍを周波数ｆｍ１に対して関連付けるマッピング関数は、場合により所与の初期時間ｔ０でのマッピング関数の知識を用いて、一組のＰ個の周波数独立パラメータｐｘ（ｐ１〜ｐｐ）を使用して表わすことができる。なお、図２に関連する本明細書中で説明される特定の実施例では、Ｐが２に等しく、２つのパラメータが利得ｐ２＝Ｇｆおよびオフセットｐ１＝Ｏｆである。
３）所与の時間ｔのパラメータｐｘ（ｔ）は、既知の別個の周波数ｆｑ付近の光源の狭帯域のフィルタ処理されたバージョンのそれぞれにおける区間［ｂ１，ｂＭ］での平均ビート周波数に対応する少なくともＱ個のビート周波数Ｂｑ（Ｂ１〜ＢＱ）から決定することができる。なお、図２に関連する本明細書中で説明される特定の実施例では、Ｑが２に等しいことに留意されたい。
【００５１】
基準付けは、ビート周波数Ｂｑを測定して、パラメータｐｘを計算する（場合により、ｔ０で初期のマッピングを測定する）とともに、最終的にマッピング関数を反転してビート周波数を光源周波数へ変換することによって得られる。
【００５２】
前述した特定の実施形態を発端として、様々な用途または異なるコム光源に関して幾つかの別の実施形態を記載することができる。
【００５３】
図８は、図２のシステム２００に類似するがサンプル２１６が透過ではなく反射で精査されるｃＦＴＳ適用システムを示している。サンプル２１６を精査するために光サーキュレータ８４０が使用される。単に説明を簡単にするため、図８では、図２の取得システム２５０および処理ユニット４００が信号取得・処理ボックス８５０に組み込まれる。他の構成要素は、図２のシステム２００から不変のままであり或いは等価であり、したがって、繰り返し説明しない。なお、自由空間反射サンプルにおいては逆反射方式を使用することもできることに留意されたい。
【００５４】
図９は、反射型サンプル２１６と共に使用される差分分光方式を示している。先と同様に、図９の方式は図２の方式に類似しており、そのため、類似または等価な構成要素および配置について繰り返し説明しない。図９のシステムでは、干渉ビート信号が２つの光学経路９１７、９１８に分割される。光学経路９１７はサンプル２１６を精査し、一方、光学経路９１８はフィルタ処理されないままである。平衡光検出器Ｄｓは、２つの光学経路９１７、９１８の終端で光信号の減算を行なう。これは、差動検出器への２つの経路９１７、９１８が可能な限り同一である場合には、サンプル応答の直接測定を可能にする。透過のサンプル２１６で同じ方式を使用することもできる。
【００５５】
光周波数コムを用いるフーリエ変換分光法に関する全ての議論は、コム光源のうちの１つが第２のコム光源との組み合わせ前にサンプルを精査する複合分光法にまで拡張させることができる。得られる干渉パターンは、組み合わされた光源とサンプルの複合インパルス応答との間のコンボリューションである。図１０は、サンプル２１６が透過で精査される複合分光法のために使用され得る方式を示している。そのような形態において、サンプル２１６は、コム光源２１２によって生成される光周波数コムによってのみ精査される。光源２１０によって生成される他の光周波数コムは、サンプル２１６の出力の光周波数コムと組み合わされる前にフィルタ処理されないままである。結果として得られる組み合わされた光周波数コムは、検出器Ｄｓで検出される。方式の残りの部分は図２のシステムと比べて不変のままであり或いは等価であり、そのため、そのような同様の構成要素および配置について繰り返し説明しない。この方式を使用して、サンプル２１６の振幅および位相スペクトルが測定される。これは、サンプル２１６の複合透過率（吸光度および分散）を決定するために役立ち得る。
【００５６】
図１１は、図１０に示される手法に類似するが、光サーキュレータ８４０を使用してサンプル２１６を反射で精査する手法を示している。複合分光用途の他に、この実施形態は、サンプル２１６の深さに沿う空間位相および振幅プロファイルを検索するために使用できる。光学低コヒーレンス反射率測定法および光学コヒーレンストモグラフィは、伝統的なマイケルソン干渉計またはマッハ・ツェンダー干渉計を用いて具現化される類似の原理に基づく技術である。
【００５７】
図１２は、本明細書中で説明される基準付け技術を使用する他の干渉システムを示している。図１２のシステムは、図１２のシステムの受動的なフィルタ２２６、２３２の代わりに能動的なフィルタリング技術を使用する。そのような能動的な技術は、連続波光源および電気的なフィルタリングを伴う。この場合、連続波光源１２２２、１２２４は、電気的なフィルタ１２３０、１２３２の帯域通過における各光周波数コムからの限られたラインをダウンコンバートするために使用される。
【００５８】
図１のシステム２００と同様に、２つのコム光源２１０、２１２は、光カプラ１２１３を使用して干渉するように組み合わせられ、それにより、サンプル２１６を精査する光信号が検出器Ｄsで検出される前に得られる。
【００５９】
平行して、基準付けるため、コム光源２１０、２１２はそれぞれ、第１の連続波光源１２２２および第２の連続波光源１２２４とそれぞれ組み合わせられるように光学カプラ１２１８、１２２０をそれぞれ使用して分割される。第１のコム光源２１０と第１の連続波光源１２２２との組み合わせは検出器Ｄ１＿１によって検出され、第２のコム光源２１２と第１の連続波光源１２２２との組み合わせは、検出器Ｄ１＿２によって検出され、第１のコム光源２１０と第２の連続波光源１２２４との組み合わせは、検出器Ｄ２＿１によって検出され、第２のコム光源２１２と第２の連続波光源１２２４との組み合わせは、検出器Ｄ２＿２によって検出される。Ｄ１＿１およびＤ１＿２で検出された信号は、その後、乗算器１２２６を使用して干渉するように混合されるとともに、低域通過電気フィルタ１２３０を用いてフィルタ処理されて、１つの第１の基準ビート成分サブセットが分離される。同様に、Ｄ２＿１およびＤ２＿２で検出された信号は、乗算器１２２８を使用して干渉するように混合されるとともに、低域通過電気フィルタ１２３２を用いてフィルタ処理されて、１つの第２の基準ビート成分サブセットが分離される。連続波光源を使用するこの能動的なフィルタリングは、連続波光源１２２２または１２２４の周波数に対応する中心周波数を用いた狭帯域通過フィルタリングに相当する。
【００６０】
なお、図１２の能動的なフィルタリング方式では、低域通過電気フィルタ１２３０、１２３２が、乗算器１２２６、１２２８の後ではなく前、すなわち、各検出器Ｄ１＿１、Ｄ１＿２、Ｄ２＿１、Ｄ２＿２の後に配置されてもよい。
【００６１】
他の実施形態では、コム光源が、1つ又はそれ以上の連続波レーザに置き換えられてもよい。その場合、幾つかのスペクトルモードは、非縮退ビートスペクトルを生成するように非等距離間隔を有し、そのような光源は、例えば米国特許出願公開第２００７／０１８２９６６Ａ１号において提供される。これは、例えば、レーザキャビティ内に大きな分散を伴って達成される。この場合、基準付け技術は、分散の特徴付け及びその時間的変化を許容する。
【００６２】
１つの不均一な光周波数コムまたは複数のコムは、例えばレーザキャビティ内の偏光多重またはパルス相互作用によって、単一モードロックレーザ光源を用いて生成されてもよい。この場合も依然として、基準付け技術は信頼できる光学基準付けをもたらす。
【００６３】
例えば、テラヘルツまたは音響コムなどの光とは異なる性質の光周波数コム光源を伴う実施形態も基準付け技術の利益を享受できる。全ての場合において、ビートスペクトルプロセスで起こるダウンコンバージョンは、ダウンコンバージョンファクタに比例する測定利得を与える。基準付け技術は、光周波数コム光源ではなくビート信号を基準付け、したがって、ダウンコンバージョン関連の特徴付けは、当初の光源ドメインの場合よりビートスペクトルドメインの方が正確である。
【００６４】
異なるデータ信号接続を介して互いに通信する別個の構成要素のグループとしてブロック図で示されているが、当業者であれば分かるように、好ましい実施形態がハードウェア要素とソフトウェア要素との組み合わせによって与えられてもよい。この場合、幾つかの要素は、ハードウェアシステムまたはソフトウェアシステムの所与の機能または動作によって実施され、また、例示されるデータ経路の多くは、コンピュータアプリケーションまたはオペレーティングシステム内のデータ通信によって実施される。したがって、例示される構造は、この好ましい実施形態の教示の効率のために与えられる。
【００６５】
前述した本発明の実施形態は単なる典型例である。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項のみによって限定されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【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】
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【国際調査報告】
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