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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022113342
(43)【公開日】2022-08-04
(54)【発明の名称】短パルスファイバレーザおよび多光子顕微鏡
(51)【国際特許分類】
H01S 3/067 20060101AFI20220728BHJP
H01S 3/00 20060101ALI20220728BHJP
H01S 3/10 20060101ALI20220728BHJP
G02B 6/02 20060101ALI20220728BHJP
G02B 6/024 20060101ALI20220728BHJP
G02F 1/35 20060101ALI20220728BHJP
【ＦＩ】
H01S3/067
H01S3/00 A
H01S3/10 D
G02B6/02 376B
G02B6/024
G02F1/35
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021009516
(22)【出願日】2021-01-25
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３１年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「超短赤外パルス光源を用いた顕微イメージング装置の開発と生命科学への応用」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】707001768
【氏名又は名称】ファイバーラボ株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】592032636
【氏名又は名称】学校法人トヨタ学園
(74)【代理人】
【識別番号】100146950
【弁理士】
【氏名又は名称】南 俊宏
(72)【発明者】
【氏名】後藤 龍一郎
(72)【発明者】
【氏名】藤 貴夫
【テーマコード（参考）】
2H250
2K102
5F172
【Ｆターム（参考）】
2H250AB03
2H250AB10
2H250AC41
2H250AF11
2H250AG04
2H250AG13
2H250AH33
2K102AA12
2K102BD09
2K102EB20
5F172AE15
5F172AF02
5F172AF04
5F172AM08
5F172NN17
5F172NN22
5F172NN26
5F172NN28
5F172NR28
5F172ZZ04
(57)【要約】
【課題】１３００ｎｍ帯の波長の短パルス光を形状劣化がなく、高出力で発生でき、小型かつ軽量で機械的安定性が高い短パルスファイバレーザおよびそれを光源とする多光子顕微鏡を提供する。
【解決手段】短パルスファイバレーザ１は、パルス光発生器１０と、伸長器２０と、光ファイバ増幅器３０と、圧縮器４０とを有する。パルス光発生器１０は、１２５０ｎｍと１３５０ｎｍの間の波長のパルス光を出射する。伸長器２０は、パルス光発生器１０から射出されたパルス光を、時間領域で伸長する。光ファイバ増幅器３０は、１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長の光で発光する希土類がコアに添加された希土類添加フッ化物ファイバを増幅媒体とし、伸長器２０によって伸長されたパルス光を増幅する。圧縮器４０は、光ファイバ増幅器３０によって増幅されたパルス光を時間領域で圧縮し、短パルス光に変換する。
【選択図】図１
【解決手段】短パルスファイバレーザ１は、パルス光発生器１０と、伸長器２０と、光ファイバ増幅器３０と、圧縮器４０とを有する。パルス光発生器１０は、１２５０ｎｍと１３５０ｎｍの間の波長のパルス光を出射する。伸長器２０は、パルス光発生器１０から射出されたパルス光を、時間領域で伸長する。光ファイバ増幅器３０は、１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長の光で発光する希土類がコアに添加された希土類添加フッ化物ファイバを増幅媒体とし、伸長器２０によって伸長されたパルス光を増幅する。圧縮器４０は、光ファイバ増幅器３０によって増幅されたパルス光を時間領域で圧縮し、短パルス光に変換する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
１２５０ｎｍと１３５０ｎｍの間の波長のパルス光を出射するパルス光発生器と、
前記パルス光発生器から射出されたパルス光を、時間領域で伸長する伸長器と、
１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長の光で発光する希土類がコアに添加された希土類添加フッ化物ファイバを増幅媒体とし、前記伸長器によって伸長されたパルス光を増幅する光ファイバ増幅器と、
前記光ファイバ増幅器によって増幅されたパルス光を時間領域で圧縮し、短パルス光に変換する圧縮器と、
を備える短パルスファイバレーザ。
前記パルス光発生器から射出されたパルス光を、時間領域で伸長する伸長器と、
１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長の光で発光する希土類がコアに添加された希土類添加フッ化物ファイバを増幅媒体とし、前記伸長器によって伸長されたパルス光を増幅する光ファイバ増幅器と、
前記光ファイバ増幅器によって増幅されたパルス光を時間領域で圧縮し、短パルス光に変換する圧縮器と、
を備える短パルスファイバレーザ。
【請求項2】
前記伸長器および／または前記圧縮器が、パルス光に２次分散と３次以上の分散を付与する分散付与部材を有する請求項１に記載の短パルスファイバレーザ。
【請求項3】
前記伸長器と前記光ファイバ増幅器において、パルス光が通る経路に配置されている全ての部材が直線偏波を保持する請求項１または２に記載の短パルスファイバレーザ。
【請求項4】
前記光ファイバ増幅器が前記伸長器を兼ねており、前記希土類添加フッ化物ファイバが前記パルス光を時間領域で伸長するとともに増幅する請求項１に記載の短パルスファイバレーザ。
【請求項5】
前記光ファイバ増幅器において、パルス光が通る経路に配置されている全ての部材が直線偏波を保持する請求項４に記載の短パルスファイバレーザ。
【請求項6】
前記圧縮器が、パルス光に２次分散と３次以上の分散を付与する分散付与部材を有する請求項５に記載の短パルスファイバレーザ。
【請求項7】
前記希土類が、Ｐｒおよび／またはＮｄである請求項１ないし６のいずか１項に記載の短パルスファイバレーザ。
【請求項8】
多光子顕微鏡の光源として使用可能なレベルの出力を有する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の短パルスファイバレーザ。
【請求項9】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の短パルスファイバレーザを光源とする多光子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、１２５０ｎｍと１３５０ｎｍの間の波長の短パルス光を発生する短パルスファイバレーザおよびそれを光源とする多光子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【0002】
フェムト秒レーザ（時間領域における半値全幅が１０００フェムト秒（ｆｓ）未満であるパルス光を発生するレーザ）から出射されるパルス光は、同じ平均出力を持ち、時間領域でより長い半値全幅を持つパルスレーザから射出されるパルス光と比較して、より高いピークパワーを有する。このため、このパルス光は、それを集光した際、集光点におけるピークパワー密度が非常に高く、集光点で多光子吸収過程を効率的に発生させることが可能であるという特徴を有する。この特徴を利用し、フェムト秒レーザは、多光子顕微鏡用の光源として有効に使用されている。特に、１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長の光は生体による吸収が少なく深部に到達可能である。このため、１３００ｎｍ帯のフェムト秒レーザは、三光子吸収を用いて生体内部の構造を顕微的に観測するために適した光源とされている（例えば、非特許文献１参照）。
【0003】
現在、三光子顕微鏡（三光子吸収を用いる多光子顕微鏡）で用いられる１２５０ｎｍと１３５０ｎｍの間（以下、１３００ｎｍ帯という）の波長のフェムト秒レーザとしては、主に、導波路構造を有しないバルク型光学結晶内における非線形光学現象を利用した光パラメトリック増幅器が使用されている（例えば、非特許文献２および非特許文献３参照）。
【0004】
光パラメトリック増幅器は、可視から赤外までの広い波長範囲において高出力かつ高ピークパワーの短パルスを発生させることができるという利点を有する。光パラメトリック増幅器は、多光子顕微鏡の研究を実施する段階においては優れた装置である。その一方で、光パラメトリック増幅器は大型であり、また、振動や温度変化の少ない環境で動作させる必要があるという欠点を有する。
【0005】
一方、ファイバレーザが近年急速に普及しつつある。ファイバレーザは、上記光パラメトリック増幅器のようなバルク型の増幅媒体を使用する光源と比較し、小型軽量、振動や温度変化といった環境変化に対して安定といった利点を有する。今後、１３００ｎｍ帯の波長の光を利用した多光子顕微鏡が普及するためには、１３００ｎｍ帯の高出力フェムト秒ファイバレーザが望まれる。
非特許文献４によれば、多光子顕微鏡の光源として求められる１３００ｎｍ帯の高出力フェムト秒ファイバレーザの出力は、数１００ｎＪのパルスエネルギー（平均出力／繰り返し周波数）を必要とする。
非特許文献４によれば、多光子顕微鏡の光源として求められる１３００ｎｍ帯の高出力フェムト秒ファイバレーザの出力は、数１００ｎＪのパルスエネルギー（平均出力／繰り返し周波数）を必要とする。
【0006】
しかしながら現在、１３００ｎｍ帯においてフェムト秒パルスを発生するファイバレーザのパルスエネルギー（平均出力／繰り返し周波数）は１０ｎＪ程度に留まっている。例えば、非特許文献５には、このファイバレーザは平均出力４ｍＷ、繰り返し周波数７００ｋＨｚと記載されている。従って非特許文献５に記載されているファイバレーザのパルスエネルギーはおよそ５．７ｎＪである。また、非特許文献６には、このファイバレーザは平均出力６．８ｍＷ、繰り返し周波数４１．３ＭＨｚと記載されている。従って、非特許文献６に記載されているファイバレーザのパルスエネルギーはおよそ０．１６ｎＪである。また、非特許文献７には、平均出力３．４ｍＷ、繰り返し周波数４２．４ＭＨｚと記載されている。従って、非特許文献６に記載されているファイバレーザのパルスエネルギーはおよそ０．０８ｎＪである。
【0007】
１３００ｎｍ帯のフェムト秒ファイバレーザのパルスエネルギーが低い主要な原因は、１３００ｎｍ帯の波長の光の増幅に適した高出力の光ファイバ増幅器の入手が困難なためである。また、光ファイバ増幅器の入手が困難であることに伴い、その他の技術課題も明確でない。
【0008】
高出力のパルス増幅に使用される光ファイバ増幅器は、一般的にコアに希土類元素を添加した光ファイバ（以下、希土類添加ファイバという。）を増幅媒体とする。そのような光ファイバ増幅器は、希土類元素を添加した光ファイバのコアに信号光と励起光が入射される。励起光によって、希土類元素の電子はある励起準位に励起される。そして、光ファイバ増幅器は、励起された電子が励起準位とは別の下位準位へ遷移する際に起こる発光を利用することで信号光を増幅する。
【0009】
また、光ファイバのコアだけでなくクラッドにも励起光を入射することで信号光の増幅度を高める手法も一般的である。これは、いわゆるクラッド励起と呼ばれる。光ファイバ増幅器はクラッド励起を用いて光増幅することもできる。
【0010】
希土類元素の発光波長はその希土類元素に固有のものである。希土類元素の発光波長と信号光波長が一致するように適切な希土類元素を選択することで、信号光の増幅を実現することができる。１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長で発光する希土類元素としてはプラセオジミウム（Ｐｒａｓｅｏｄｙｍｉｕｍ、Ｐｒ）やネオジミウム（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ、Ｎｄ）が知られている。
【0011】
また、希土類が添加されるホストガラスとしては、石英ガラスが一般的である。石英ガラスは、きわめて化学的に安定な材質である。希土類添加石英ファイバを使用したチャープパルス増幅（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ、ＣＰＡ）の例として、イッテルビウム（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ、Ｙｂ）が添加されたコアにより１０００ｎｍと１１００ｎｍの間の光を増幅する例、エルビウム（Ｅｒｂｉｕｍ、Ｅｒ）が添加されたコアにより１５００ｎｍ帯の光を増幅する例、ツリウム（Ｔｈｕｌｉｕｍ、Ｔｍ）が添加されたコアにより１９５０ｎｍと２０５０ｎｍの間の光を増幅する例が一般的に知られている。希土類添加石英ファイバは、機械的・化学的に非常に安定である。例えば、非特許文献８には、希土類添加石英ファイバを使用したチャープパルス増幅によって１００Ｗ以上の高い平均出力が得られたことが記載されている。
【0012】
しかしながら、石英ガラスにＰｒやＮｄを添加しても１３００ｎｍ帯の波長の光における発光効率は著しく低いことが知られている。これは、石英ガラスのフォノンエネルギーが１０００ｃｍ－１と大きいため、１３００ｎｍ帯の発光に対応する励起準位に励起された希土類元素の電子の下位準位への遷移では、発光による遷移ではなく、ホストガラスの熱振動による遷移（多フォノン緩和による、発光を伴わない非輻射遷移）が支配的となってしまうためである。
【0013】
このため、１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長において高効率な発光を実現する希土類添加ファイバを得るためには、フォノンエネルギーの小さなホストガラスにＰｒやＮｄを添加し、光ファイバとする必要がある。フォノンエネルギーが小さく、かつ、光ファイバに使用されるホストガラスとしては、フッ化物ガラスが好適に使用されている。代表的なフッ化物ガラスであるＺＢＬＡＮ系ガラス（ＺｒＦ４－ＢａＦ２－ＬａＦ３－ＡｌＦ３－ＮａＦ）のフォノンエネルギーは５００ｃｍ－１程度と石英ガラスの半分程度である。フッ化物ガラスをホストとすると、上述したフォノン緩和が低減されるため、石英ガラスをホストとした場合と比較して、１３００ｎｍ帯において大幅に高い発光効率を得ることができる。
【0014】
フッ化物ガラスは主成分としてフッ化物を使用したガラスの総称であり、その組成は様々である。フッ化物ファイバに使用されるフッ化物ガラスとしては、例えば、上述したＺＢＬＡＮ系ガラスや、ＩｎＦ３系ガラス（ＩｎＦ３－ＺｎＦ２－ＳｒＦ２－ＢａＦ２）、ＡｌＦ３系ガラス（ＡｌＦ３－ＢａＦ２－ＳｒＦ２－ＣａＦ２－ＭｇＦ２－ＹＦ３）といった組成のものがよく知られている。
【0015】
フッ化物ファイバに希土類が添加された光ファイバ（以下、希土類添加フッ化物ファイバという。）を増幅媒体として用い、１３００ｎｍ帯の光を増幅する光ファイバ増幅器として、非特許文献９には、Ｐｒ添加フッ化物ファイバを増幅媒体として用い、連続波を入力した時に、およそ２５０ｍＷの出力を有する光ファイバ増幅器が記載されている。また、本発明の発明者は、Ｐｒ添加フッ化物ファイバを増幅媒体として用い、連続波を入力した時に、４００ｍＷを超える出力を有する光ファイバ増幅器を作成した（例えば、非特許文献１０参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0016】
【非特許文献1】Tianyu Wang and Chris Xu, "Three-photon neuronal imaging in deep mouse brain", Optica, Optical Society of America, August 2020, Vol.7, No.8, p.947-960
【非特許文献2】Chao J. Liu, Arani Roy, Anthony A. Simons, Deano M. Farinella & Prakash Kara, "Three-photon imaging of synthetic dyes in deep layers of the neocortex", [online] Scientific Reports, [retrieved on 2021-01-12]. Retrieved from the Internet:<URL:https://www.nature.com/articles/s41598-020-73438-w>
【非特許文献3】Dimitre G Ouzounov, Tianyu Wang, Mengran Wang, Danielle D Feng, Nicholas G Horton, Jean C Cruz-Hernandez, Yu-Ting Cheng, Jacob Reimer, Andreas S Tolias, Nozomi Nishimura & Chris Xu1, "In vivo three-photon imaging of activity of GCaMP6-labeled neurons deep in intact mouse brain", [online] nature methods, [retrieved on 2021-01-12]. Retrieved from the Internet:<URL:https://www.nature.com/articles/nmeth.4183>
【非特許文献4】C. Xu and F. W. Wise, “Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy,” Nature Photonics, Nov. 2013, Vol.7, No.11, p.875-882
【非特許文献5】M. J. Guy, D. U. Noske, A. Boskovic, and J. R. Taylor, "Femtosecond soliton generation in a praseodymium fluoride fiber laser", Optics Letters, Optical Society of America, June 1994, Vol.19, No.11, p.828-830
【非特許文献6】Jun Takayanagi, Toshiharu Sugiura, Makoto Yoshida, and Norihiko Nishizawa, "1.0-1.7-μm Wavelength-Tunable Ultrashort-Pulse Generation Using Femtosecond Yb-Doped Fiber Laser and Photonic Crystal Fiber", IEEE Photonics Technology Letters, November 2006, Vol.18, No.21, p.2284-2286
【非特許文献7】Hao Luo, Li Zhan, Zhiqiang Wang, Liang Zhang, Cheng Feng, and Xuehao Shen, "All-Fiber Generation of Sub-30 fs Pulses at 1.3-μm via Cherenkov Radiation With Entire Dispersion Management", Journal of Lightwave Technology, June 2017, Vol.35, No.11, p.2325-2330
【非特許文献8】Z. Zhao and Y. Kobayashi, “Ytterbium fiber-based, 270 fs, 100 W chirped pulse amplification laser system with 1 MHz repetition rate,” Appl. Phys. Express, Dec. 2015, Vol.9, No.1, p.012701
【非特許文献9】Tim Whitley, Richard Wyatt, Daryl Szebesta, Steve Davey, and Jhon R. Williams, " Quarter-watt output at 1.3 μm from a praseodymium-doped fluoride fiber amplifier pumped with a diode-pumped Nd:YLF laser", IEEE Photonics Technology Letters, April 1993, Vol.4, No.4, p.399-401
【非特許文献10】Applicability of high-power PDFA for 400GBASE-LR8 and CWDM4 wavelength range、[online]、ファイバーラボ株式会社ホームページ、[令和３年１月１２日検索]、インターネット<URL:https://www.fiberlabs.com/blog/high-power-pdfa-for-lr8-and-cwdm4/>
【非特許文献11】Yigit Ozan Aydin, Frederic Maes, Vincent Fortin, Souleymane T. Bah, Real Vallee, and Martin Bernier, "Endcapping of high-power 3 μm fiber lasers", Optics Express, July 2019, Vol.27, No.15, p.20659-20669
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
しかし、ＰｒやＮｄが添加された希土類添加フッ化物ファイバによる１３００ｎｍ帯の光の増幅は、上述したＥｒ、Ｙｂ、Ｔｍといった希土類が添加されたフッ化物ファイバによる光の増幅よりも効率が悪い。従って、１３００ｎｍ帯の波長で高いエネルギーの光パルスを得るためには、小さなコアに信号光と励起光を強く閉じ込めることで、増幅効率を高める必要がある。
小さなコアに信号光と励起光を閉じ込めた場合、コアが大きな場合と比較して、非線形光学効果が顕著となる。また、非線形光学効果はピークパワーが大きいほど顕著となる。従って、同じ平均パワーの連続波とパルス光を入射した場合を比較すると、連続波を増幅する場合より、パルス光を増幅する場合のほうが、非線形光学効果が顕著となる。連続波の場合、平均パワーとピークパワーは同一の値である。
このため、ＰｒやＮｄが添加された希土類添加フッ化物ファイバによって１３００ｎｍ帯のパルス光の増幅を行う場合、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍといった希土類が添加されたフッ化物ファイバによってパルス光の増幅を行う場合よりも、希土類添加フッ化物ファイバでの非線形光学効果がより顕著となる。その結果、増幅されたパルス光の形状劣化とピークパワーの低下がより顕著になる。
小さなコアに信号光と励起光を閉じ込めた場合、コアが大きな場合と比較して、非線形光学効果が顕著となる。また、非線形光学効果はピークパワーが大きいほど顕著となる。従って、同じ平均パワーの連続波とパルス光を入射した場合を比較すると、連続波を増幅する場合より、パルス光を増幅する場合のほうが、非線形光学効果が顕著となる。連続波の場合、平均パワーとピークパワーは同一の値である。
このため、ＰｒやＮｄが添加された希土類添加フッ化物ファイバによって１３００ｎｍ帯のパルス光の増幅を行う場合、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍといった希土類が添加されたフッ化物ファイバによってパルス光の増幅を行う場合よりも、希土類添加フッ化物ファイバでの非線形光学効果がより顕著となる。その結果、増幅されたパルス光の形状劣化とピークパワーの低下がより顕著になる。
【0018】
本発明の目的は、１３００ｎｍ帯の波長の短パルス光を形状劣化がなく、高出力で発生でき、小型かつ軽量で機械的安定性が高い短パルスファイバレーザおよびそれを光源とする多光子顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0019】
上記目的を達成するために、本発明の短パルスファイバレーザは、
１２５０ｎｍと１３５０ｎｍの間の波長のパルス光を出射するパルス光発生器と、
前記パルス光発生器から射出されたパルス光を、時間領域で伸長する伸長器と、
１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長の光で発光する希土類がコアに添加された希土類添加フッ化物ファイバを増幅媒体とし、前記伸長器によって伸長されたパルス光を増幅する光ファイバ増幅器と、
前記光ファイバ増幅器によって増幅されたパルス光を時間領域で圧縮し、短パルス光に変換する圧縮器と、
を備える。
１２５０ｎｍと１３５０ｎｍの間の波長のパルス光を出射するパルス光発生器と、
前記パルス光発生器から射出されたパルス光を、時間領域で伸長する伸長器と、
１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長の光で発光する希土類がコアに添加された希土類添加フッ化物ファイバを増幅媒体とし、前記伸長器によって伸長されたパルス光を増幅する光ファイバ増幅器と、
前記光ファイバ増幅器によって増幅されたパルス光を時間領域で圧縮し、短パルス光に変換する圧縮器と、
を備える。
【0020】
好ましくは、本発明の短パルスファイバレーザは、
前記伸長器および／または前記圧縮器が、パルス光に２次分散と３次以上の分散を付与する分散付与部材を有する。
前記伸長器および／または前記圧縮器が、パルス光に２次分散と３次以上の分散を付与する分散付与部材を有する。
【0021】
好ましくは、本発明の短パルスファイバレーザは、
前記伸長器と前記光ファイバ増幅器において、パルス光が通る経路に配置されている全ての部材が直線偏波を保持する。
前記伸長器と前記光ファイバ増幅器において、パルス光が通る経路に配置されている全ての部材が直線偏波を保持する。
【0022】
好ましくは、本発明の短パルスファイバレーザは、
前記光ファイバ増幅器が前記伸長器を兼ねており、前記希土類添加フッ化物ファイバが前記パルス光を時間領域で伸長するとともに増幅する。
前記光ファイバ増幅器が前記伸長器を兼ねており、前記希土類添加フッ化物ファイバが前記パルス光を時間領域で伸長するとともに増幅する。
【0023】
好ましくは、本発明の短パルスファイバレーザは、
前記光ファイバ増幅器において、パルス光が通る経路に配置されている全ての部材が直線偏波を保持する。
前記光ファイバ増幅器において、パルス光が通る経路に配置されている全ての部材が直線偏波を保持する。
【0024】
好ましくは、本発明の短パルスファイバレーザは、
前記圧縮器が、パルス光に２次分散と３次以上の分散を付与する分散付与部材を有する。
前記圧縮器が、パルス光に２次分散と３次以上の分散を付与する分散付与部材を有する。
【0025】
好ましくは、本発明の短パルスファイバレーザは、
前記希土類が、Ｐｒおよび／またはＮｄである。
前記希土類が、Ｐｒおよび／またはＮｄである。
【0026】
好ましくは、本発明の短パルスファイバレーザは、
多光子顕微鏡の光源として使用可能なレベルの出力を有する。
多光子顕微鏡の光源として使用可能なレベルの出力を有する。
【0027】
また、本発明の多光子顕微鏡は、
上述した短パルスファイバレーザを光源とする。
上述した短パルスファイバレーザを光源とする。
【発明の効果】
【0028】
本発明によれば、１３００ｎｍ帯の波長の短パルス光を形状劣化がなく、高出力で発生でき、小型かつ軽量で機械的安定性が高い短パルスファイバレーザおよびそれを光源とする多光子顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る短パルスファイバレーザの一例を示す図である。
【図2】本発明の第１の実施形態における第１の変形例である短パルスファイバレーザを示す図である。
【図3】本発明の第１の実施形態における第２の変形例である短パルスファイバレーザを示す図である。
【図4】本発明の第２の実施形態に係る短パルスファイバレーザの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
本発明の実施形態に係る１３００ｎｍ帯のファイバレーザとは、増幅媒体に光ファイバを用いた１３００ｎｍ帯の光増幅器によって、レーザ発振器の出力を増幅するものを含むものとする。従って、いわゆるＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）構造を採用し、１３００ｎｍ帯の光増幅器の増幅媒体として光ファイバを用いたものは、１３００ｎｍ帯のファイバレーザに含まれるものとする。
以下、本発明の実施形態に係る短パルスファイバレーザについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において共通の構成要素には同一の符号を付し、以下では繰り返しの説明を省略する。
以下、本発明の実施形態に係る短パルスファイバレーザについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において共通の構成要素には同一の符号を付し、以下では繰り返しの説明を省略する。
【0031】
図１は、本発明の実施形態に係る短パルスファイバレーザ１の一例を示す。
短パルスファイバレーザ１は、パルス光発生器１０と、伸長器２０と、光ファイバ増幅器３０と、圧縮器４０とを有する。短パルスファイバレーザ１は、希土類添加フッ化物ファイバを使用してパルス光をチャープパルス増幅する。
パルス光発生器１０は、１２５０ｎｍと１３５０ｎｍの間（１３００ｎｍ帯）の波長のパルス光を出射する。伸長器２０は、パルス光発生器１０から射出されたパルス光を、時間領域で伸長する。光ファイバ増幅器３０は、１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長の光で発光する希土類がコアに添加された希土類添加フッ化物ファイバを増幅媒体とし、伸長器２０によって伸長されたパルス光を増幅する。圧縮器４０は、光ファイバ増幅器３０によって増幅されたパルス光を時間領域で圧縮し、時間領域における半値全幅が１０００ｆｓ未満である短パルス光に変換する。
短パルスファイバレーザ１は、パルス光発生器１０と、伸長器２０と、光ファイバ増幅器３０と、圧縮器４０とを有する。短パルスファイバレーザ１は、希土類添加フッ化物ファイバを使用してパルス光をチャープパルス増幅する。
パルス光発生器１０は、１２５０ｎｍと１３５０ｎｍの間（１３００ｎｍ帯）の波長のパルス光を出射する。伸長器２０は、パルス光発生器１０から射出されたパルス光を、時間領域で伸長する。光ファイバ増幅器３０は、１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまでの波長の光で発光する希土類がコアに添加された希土類添加フッ化物ファイバを増幅媒体とし、伸長器２０によって伸長されたパルス光を増幅する。圧縮器４０は、光ファイバ増幅器３０によって増幅されたパルス光を時間領域で圧縮し、時間領域における半値全幅が１０００ｆｓ未満である短パルス光に変換する。
【0032】
次に、各部の詳細な構成について説明する。
パルス光発生器１０は、パルス光源１０１と、レンズ１１１と、レンズ１１２と、フォトニック結晶ファイバ１２１と、光バンドパスフィルタ１３１とを有する。
パルス光源１０１は、例えば、中心波長１０３０ｎｍ、平均出力１９３ｍＷ、繰り返し周波数７８ＭＨｚ、時間領域でのパルスの半値全幅が８６ｆｓ、直線偏光であるパルス光を出射する。レンズ１１１は、パルス光源１０１からの出射光を集光する。
パルス光発生器１０は、パルス光源１０１と、レンズ１１１と、レンズ１１２と、フォトニック結晶ファイバ１２１と、光バンドパスフィルタ１３１とを有する。
パルス光源１０１は、例えば、中心波長１０３０ｎｍ、平均出力１９３ｍＷ、繰り返し周波数７８ＭＨｚ、時間領域でのパルスの半値全幅が８６ｆｓ、直線偏光であるパルス光を出射する。レンズ１１１は、パルス光源１０１からの出射光を集光する。
【0033】
レンズ１１１によって集光されたパルス光は、例えば、長さ１５ｍのフォトニック結晶ファイバ１２１に入射され、１０３０ｎｍの入射パルス光が、非線形光学効果であるソリトン自己周波数シフトによって１３００ｎｍに波長変換される。フォトニック結晶ファイバ１２１は、例えば、ＦＯＲＣ－Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ製、ＨＮ－ＰＣＦ－１０４０である。
フォトニック結晶ファイバ１２１は、直線偏波を保持し、入射偏光方向とフォトニック結晶ファイバの複屈折軸方向とを揃えることで、フォトニック結晶ファイバからの出射偏光を直線偏光とすることが可能である。
フォトニック結晶ファイバ１２１は、直線偏波を保持し、入射偏光方向とフォトニック結晶ファイバの複屈折軸方向とを揃えることで、フォトニック結晶ファイバからの出射偏光を直線偏光とすることが可能である。
【0034】
そして、フォトニック結晶ファイバ１２１からの出射光は、レンズ１１２によって平行光とされる。平行光は、光バンドパスフィルタ１３１に入射される。光バンドパスフィルタ１３１は、波長１３００ｎｍ帯に波長変換された光のみを透過させる。これにより、例えば、中心波長１３００ｎｍ、平均出力１３ｍＷ、パルスの半値全幅３００ｆｓ、直線偏光であるパルス光が得られる。バンドパスフィルタ１３１から出射されるパルス光は、例えば、繰り返し周波数が７８ＭＨｚであるから、そのパルスエネルギーはおよそ０．１７ｎJである。
【0035】
伸長器２０は、レンズ１１３と、石英ファイバ１２２と、石英ファイバ１２３と、石英ファイバ１２４と、アイソレータ１５１と、波長合分波カプラ１７１とを有する。
光バンドパスフィルタ１３１を透過した１３００ｎｍ帯のパルス光は、レンズ１１３によって集光され、石英ファイバ１２２に入射される。石英ファイバ１２２に入射されたパルス光は、石英ファイバ１２２と、アイソレータ１５１と、石英ファイバ１２３と、波長合分波カプラ１７１と、石英ファイバ１２４とを通じて光ファイバ増幅器３０のＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５に入射され、増幅される。
光バンドパスフィルタ１３１を透過した１３００ｎｍ帯のパルス光は、レンズ１１３によって集光され、石英ファイバ１２２に入射される。石英ファイバ１２２に入射されたパルス光は、石英ファイバ１２２と、アイソレータ１５１と、石英ファイバ１２３と、波長合分波カプラ１７１と、石英ファイバ１２４とを通じて光ファイバ増幅器３０のＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５に入射され、増幅される。
【0036】
アイソレータ１５１は、１３００ｎｍ帯の光を一方向（石英ファイバ１２２から石英ファイバ１２３に向かう方向）にのみ伝搬させる特性を有し、反対方向に伝搬する光を遮断することで、光増幅器の動作を安定させる。
石英ファイバ１２２と石英ファイバ１２３と石英ファイバ１２４とは、例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ社のＨＩ１０６０ファイバを使用することができる。ＨＩ１０６０ファイバは１３００ｎｍ帯で正常分散を有するため、石英ファイバ１２２に入射した１３００ｎｍ帯のパルス光は、石英ファイバ１２２と石英ファイバ１２３と石英ファイバ１２４との正常分散によって時間的に伸長されて、光ファイバ増幅器３０のＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５に入射される。
石英ファイバ１２２と石英ファイバ１２３と石英ファイバ１２４とは、例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ社のＨＩ１０６０ファイバを使用することができる。ＨＩ１０６０ファイバは１３００ｎｍ帯で正常分散を有するため、石英ファイバ１２２に入射した１３００ｎｍ帯のパルス光は、石英ファイバ１２２と石英ファイバ１２３と石英ファイバ１２４との正常分散によって時間的に伸長されて、光ファイバ増幅器３０のＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５に入射される。
【0037】
光ファイバ増幅器３０は、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５と、石英ファイバ１２６と、石英ファイバ１２７と、石英ファイバ１２８と、連続波光源１４１と、アイソレータ１５２と、３ｄＢカプラ１６１と、波長合分波カプラ１７２とを有する。
Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５の長さは、例えば、１０ｍである。Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５は、例えばファイバーラボ製ＺＳＦ－２．４／１２５－１．５Ｐである。このＰｒファイバーラボ製の添加フッ化物ファイバ１２５は、直径２．４μｍ、コアＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ：開口数）０．２４のステップ型屈折率分布を有する。また、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５へのＰｒの添加濃度はモル濃度で０．１５％である。
Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５の長さは、例えば、１０ｍである。Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５は、例えばファイバーラボ製ＺＳＦ－２．４／１２５－１．５Ｐである。このＰｒファイバーラボ製の添加フッ化物ファイバ１２５は、直径２．４μｍ、コアＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ：開口数）０．２４のステップ型屈折率分布を有する。また、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５へのＰｒの添加濃度はモル濃度で０．１５％である。
【0038】
ここで、コアＮＡは、コアの屈折率をｎｃｏｒｅ、クラッドの屈折率をｎｃｌａｄとして、次の（１）式で定義される。
（ｎｃｏｒｅ２－ｎｃｌａｄ２）１／２ （１）
（ｎｃｏｒｅ２－ｎｃｌａｄ２）１／２ （１）
【0039】
また、添加濃度は、次の（２）式で定義される。
フッ化物希土類のモル数／（ホストガラスを構成するフッ化物のモル数＋フッ化物希土類のモル数） （２）
例えば、Ｐｒ添加ＺＢＬＡＮ系ガラスファイバであれば、次の（３）式で定義される。
（ＰｒＦ３のモル数）／（ＺｒＦ４のモル数＋ＢａＦ２のモル数＋ＬａＦ３のモル数＋ＡｌＦ３のモル数＋ＮａＦのモル数＋ＰｒＦ３のモル数） （３）
フッ化物希土類のモル数／（ホストガラスを構成するフッ化物のモル数＋フッ化物希土類のモル数） （２）
例えば、Ｐｒ添加ＺＢＬＡＮ系ガラスファイバであれば、次の（３）式で定義される。
（ＰｒＦ３のモル数）／（ＺｒＦ４のモル数＋ＢａＦ２のモル数＋ＬａＦ３のモル数＋ＡｌＦ３のモル数＋ＮａＦのモル数＋ＰｒＦ３のモル数） （３）
【0040】
Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５に入射されたパルス光は、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５内でＰｒによる１３００ｎｍ帯の発光により増幅される。Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５での１３００ｎｍ帯のパルス光の増幅に必要な励起光は、連続波光源１４１から供給される。連続波光源１４１は、例えば、波長１０４０ｎｍで最大２Ｗの出力を有し、３ｄＢカプラ１６１によって出力が最大１Ｗずつに等分割される。その後、分割された光は、波長合分波カプラ１７１から石英ファイバ１２４を通過する経路と、波長合分波カプラ１７２から石英ファイバ１２６を通過する経路の２つの経路によって、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５に励起光を供給する。
【0041】
Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５で増幅されたパルス光は、石英ファイバ１２６と、波長合分波カプラ１７２と、石英ファイバ１２７と、アイソレータ１５２と、石英ファイバ１２８とを通過し、圧縮器４０に入射される。
アイソレータ１５２は、アイソレータ１５１と同様に、１３００ｎｍ帯の光を一方向（石英ファイバ１２７から石英ファイバ１２８に向かう方向）にのみ伝搬させる特性を有し、反対方向に伝搬する光を遮断することで、光増幅器の動作を安定させる。
石英ファイバ１２６と石英ファイバ１２７と石英ファイバ１２８とは、石英ファイバ１２２、１２３、１２４と同様に、例えばＣｏｒｎｉｎｇ社のＨＩ１０６０ファイバを使用することができる。
アイソレータ１５２は、アイソレータ１５１と同様に、１３００ｎｍ帯の光を一方向（石英ファイバ１２７から石英ファイバ１２８に向かう方向）にのみ伝搬させる特性を有し、反対方向に伝搬する光を遮断することで、光増幅器の動作を安定させる。
石英ファイバ１２６と石英ファイバ１２７と石英ファイバ１２８とは、石英ファイバ１２２、１２３、１２４と同様に、例えばＣｏｒｎｉｎｇ社のＨＩ１０６０ファイバを使用することができる。
【0042】
圧縮器４０は、レンズ１１４と、１／４波長板１８１と、１／２波長板１８２と、パルス圧縮器１９１とを有する。
伸長され、増幅されたパルス光はレンズ１１４によって平行光とされる。その平行光は、１／４波長板１８１と１／２波長板１８２によって偏光状態を直線偏波に変換される。直線偏波に変換されたパルス光は、透過型回折格子対からなるパルス圧縮器１９１によって時間領域で圧縮され、時間領域における半値全幅が１０００ｆｓ未満である短パルス光に変換される。これは、パルス圧縮器１９１の多くが直線偏光の入射時に透過率が最大になるため、パルス圧縮器１９１の出射パワーを最大にすることができるからである。偏波コントローラ（１／４波長板１８１と１／２波長板１８２）は、例えば、複屈折率媒質である水晶板を使用することができる。
変換された短パルス光は空間に出射される。出射される短パルス光の偏光状態は直線偏波である。
なお、パルス圧縮器１９１としては、チャープパルス増幅で一般的に使用されるパルス圧縮器を使用することができる。上述した実施形態では、透過型回折格子からなるパルス圧縮器を用いているが、例えば、プリズム対を使用したもの、反射型回折格子を使用したもの、体積型ホログラフィック回折格子を使用したものがよく知られており、これらをパルス圧縮器１９１として使用することもできる。
伸長され、増幅されたパルス光はレンズ１１４によって平行光とされる。その平行光は、１／４波長板１８１と１／２波長板１８２によって偏光状態を直線偏波に変換される。直線偏波に変換されたパルス光は、透過型回折格子対からなるパルス圧縮器１９１によって時間領域で圧縮され、時間領域における半値全幅が１０００ｆｓ未満である短パルス光に変換される。これは、パルス圧縮器１９１の多くが直線偏光の入射時に透過率が最大になるため、パルス圧縮器１９１の出射パワーを最大にすることができるからである。偏波コントローラ（１／４波長板１８１と１／２波長板１８２）は、例えば、複屈折率媒質である水晶板を使用することができる。
変換された短パルス光は空間に出射される。出射される短パルス光の偏光状態は直線偏波である。
なお、パルス圧縮器１９１としては、チャープパルス増幅で一般的に使用されるパルス圧縮器を使用することができる。上述した実施形態では、透過型回折格子からなるパルス圧縮器を用いているが、例えば、プリズム対を使用したもの、反射型回折格子を使用したもの、体積型ホログラフィック回折格子を使用したものがよく知られており、これらをパルス圧縮器１９１として使用することもできる。
【0043】
図２は、本発明の第１の実施形態における第１の変形例である短パルスファイバレーザ２を示す。
第１の変形例の短パルスファイバレーザ２は、パルス光発生器１０と、伸長器２０Ａと、光ファイバ増幅器３０と、圧縮器４０とを有する。
短パルスファイバレーザ２は、伸長器２０Ａの構成が短パルスファイバレーザ１における伸長器２０と異なる。伸長器２０Ａでは、アイソレータ１５１の代わりに、サーキュレータ２０１と非線形チャープファイバグレーティング２１１とが配置されている。
その他の点では、短パルスファイバレーザ１と短パルスファイバレーザ２は同一である。
第１の変形例の短パルスファイバレーザ２は、パルス光発生器１０と、伸長器２０Ａと、光ファイバ増幅器３０と、圧縮器４０とを有する。
短パルスファイバレーザ２は、伸長器２０Ａの構成が短パルスファイバレーザ１における伸長器２０と異なる。伸長器２０Ａでは、アイソレータ１５１の代わりに、サーキュレータ２０１と非線形チャープファイバグレーティング２１１とが配置されている。
その他の点では、短パルスファイバレーザ１と短パルスファイバレーザ２は同一である。
【0044】
次に、伸長器２０Ａの詳細な構成について説明する。
石英ファイバ１２２に入射されたパルス光は、サーキュレータ２０１を通じて非線形チャープファイバグレーティング２１１に入射される。そして、パルス光は、非線形チャープファイバグレーティング２１１によって、２次の波長分散と３次の波長分散を付与されて伸長された後に反射され、サーキュレータ２０１を通じて、石英ファイバ１２３に入射される。
非線形チャープファイバグレーティング２１１は、石英ファイバ、Ｐｒ添加フッ化物フイバ、パルス圧縮器と比較して、２次分散と３次分散を遥かに高い自由度で設計、製造することができる。非線形チャープファイバグレーティング２１１は、パルス圧縮器１９１から出射されたパルス光の２次分散と３次分散が両方とも最小となるように設計、製造されている。
石英ファイバ１２２に入射されたパルス光は、サーキュレータ２０１を通じて非線形チャープファイバグレーティング２１１に入射される。そして、パルス光は、非線形チャープファイバグレーティング２１１によって、２次の波長分散と３次の波長分散を付与されて伸長された後に反射され、サーキュレータ２０１を通じて、石英ファイバ１２３に入射される。
非線形チャープファイバグレーティング２１１は、石英ファイバ、Ｐｒ添加フッ化物フイバ、パルス圧縮器と比較して、２次分散と３次分散を遥かに高い自由度で設計、製造することができる。非線形チャープファイバグレーティング２１１は、パルス圧縮器１９１から出射されたパルス光の２次分散と３次分散が両方とも最小となるように設計、製造されている。
【0045】
短パルスファイバレーザ２では、伸長器２０Ａによって２次の波長分散だけでなく、３次の波長分散も制御されている。このため、短パルスファイバレーザ２の出力は、短パルスファイバレーザ１の出力と同じパルスエネルギーで、より短いパルスの半値全幅を有している。すなわち、短パルスファイバレーザ２の出力は、短パルスファイバレーザ１の出力と同じパルスエネルギーで、短パルスファイバレーザ１よりも高いピークパワーを有している。
なお、短パルスファイバレーザ２においては、伸長器２０Ａにおいて２次分散と３次分散を両方とも制御する構成としたが、圧縮器で２次分散と３次分散を両方とも制御する構成であってもよい。また、伸長器と圧縮器の両方で２次分散と３次分散を両方とも制御する構成であってもよい。更に、伸長器および／または圧縮器で２次分散と３次分散の制御に加えて、４次以上の分散を制御する構成であってもよい。
なお、サーキュレータ２０１と非線形チャープファイバグレーティング２１１は、本発明の分散付与部材の例である。
なお、短パルスファイバレーザ２においては、伸長器２０Ａにおいて２次分散と３次分散を両方とも制御する構成としたが、圧縮器で２次分散と３次分散を両方とも制御する構成であってもよい。また、伸長器と圧縮器の両方で２次分散と３次分散を両方とも制御する構成であってもよい。更に、伸長器および／または圧縮器で２次分散と３次分散の制御に加えて、４次以上の分散を制御する構成であってもよい。
なお、サーキュレータ２０１と非線形チャープファイバグレーティング２１１は、本発明の分散付与部材の例である。
【0046】
図３は、本発明の第１の実施形態における第２の変形例である短パルスファイバレーザ３の一例を示す。
第２の変形例の短パルスファイバレーザ３は、パルス光発生器１０と、伸長器２０Ａと、光ファイバ増幅器３０と、圧縮器４０Ａとを有する。
第２の変形例の短パルスファイバレーザ３は、レンズ１１３と、石英ファイバ１２２と、サーキュレータ２０１と、非線形チャープファイバグレーティング２１１と、石英ファイバ１２３と、波長合分波カプラ１７１と、石英ファイバ１２４と、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５と、石英ファイバ１２６と、波長合分波カプラ１７２と、石英ファイバ１２７と、アイソレータ１５２と、石英ファイバ１２８とが、すべて直線偏波保持機能を有している点が第１の変形例である短パルスファイバレーザ２と異なる。
また、圧縮器４０Ａにおいて、１／４波長板１８１と１／２波長板１８２とが不要である点が第１の変形例である短パルスファイバレーザ２の圧縮器４０と異なる。
その他の点では、第１の変形例の短パルスファイバレーザ２と第２の変形例の短パルスファイバレーザ３は同一である。
第２の変形例の短パルスファイバレーザ３は、パルス光発生器１０と、伸長器２０Ａと、光ファイバ増幅器３０と、圧縮器４０Ａとを有する。
第２の変形例の短パルスファイバレーザ３は、レンズ１１３と、石英ファイバ１２２と、サーキュレータ２０１と、非線形チャープファイバグレーティング２１１と、石英ファイバ１２３と、波長合分波カプラ１７１と、石英ファイバ１２４と、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５と、石英ファイバ１２６と、波長合分波カプラ１７２と、石英ファイバ１２７と、アイソレータ１５２と、石英ファイバ１２８とが、すべて直線偏波保持機能を有している点が第１の変形例である短パルスファイバレーザ２と異なる。
また、圧縮器４０Ａにおいて、１／４波長板１８１と１／２波長板１８２とが不要である点が第１の変形例である短パルスファイバレーザ２の圧縮器４０と異なる。
その他の点では、第１の変形例の短パルスファイバレーザ２と第２の変形例の短パルスファイバレーザ３は同一である。
【0047】
短パルスファイバレーザ３では、伸長器２０Ａと光ファイバ増幅器３０において、パルス光が通る経路に配置されている全ての部材がパルス光の直線偏波を保持する。すなわち、レンズ１１３と、石英ファイバ１２２と、サーキュレータ２０１と、非線形チャープファイバグレーティング２１１と、石英ファイバ１２３と、波長合分波カプラ１７１と、石英ファイバ１２４と、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５と、石英ファイバ１２６と、波長合分波カプラ１７２と、石英ファイバ１２７と、アイソレータ１５２と、石英ファイバ１２８とが全てパルス光の直線偏波を保持する。このため、短パルスファイバレーザ３では、石英ファイバ１２８から出射された１３００ｎｍ帯の短パルス光は直線偏波を有している。この構成により、圧縮器４０Ａでは、レンズ１１４によって平行光とされた短パルス光を、偏波コントローラ（１／４波長板１８１と１／２波長板１８２）を介することなく、パルス圧縮器１９１に直接入射させることができる。
なお、上記では第１の実施形態にかかる短パルスファイバレーザ１に含まれるＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５の例としてファイバーラボ製ＺＳＦ－２．４／１２５－１．５Ｐを示したが、これは直線偏波を保持する機能を有していない。第２の変形例の短パルスファイバレーザ３に含まれるＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５は、上述した通り直線偏波保持機能を有するものが用いられる。
なお、上記では第１の実施形態にかかる短パルスファイバレーザ１に含まれるＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５の例としてファイバーラボ製ＺＳＦ－２．４／１２５－１．５Ｐを示したが、これは直線偏波を保持する機能を有していない。第２の変形例の短パルスファイバレーザ３に含まれるＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５は、上述した通り直線偏波保持機能を有するものが用いられる。
【0048】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る短パルスファイバレーザ４の一例を示す。
短パルスファイバレーザ４は、パルス光発生器１０と、光ファイバ増幅器３０Ａと、圧縮器４０Ｂとを有する。短パルスファイバレーザ４は、光ファイバ増幅器３０Ａが伸長器を兼ねており、希土類添加フッ化物ファイバがパルス光を時間領域で伸長するとともに増幅する。
パルス光発生器１０は、第１の実施形態に係る短パルスファイバレーザ１のものと同一である。光ファイバ増幅器３０Ａは、パルス光発生器１０から射出されたパルス光を時間領域で伸長するとともに増幅する。圧縮器４０Ｂは、光ファイバ増幅器３０Ａによって伸長されて増幅されたパルス光を時間領域で圧縮し、時間領域における半値全幅が１０００ｆｓ未満である短パルス光に変換する。
短パルスファイバレーザ４は、パルス光発生器１０と、光ファイバ増幅器３０Ａと、圧縮器４０Ｂとを有する。短パルスファイバレーザ４は、光ファイバ増幅器３０Ａが伸長器を兼ねており、希土類添加フッ化物ファイバがパルス光を時間領域で伸長するとともに増幅する。
パルス光発生器１０は、第１の実施形態に係る短パルスファイバレーザ１のものと同一である。光ファイバ増幅器３０Ａは、パルス光発生器１０から射出されたパルス光を時間領域で伸長するとともに増幅する。圧縮器４０Ｂは、光ファイバ増幅器３０Ａによって伸長されて増幅されたパルス光を時間領域で圧縮し、時間領域における半値全幅が１０００ｆｓ未満である短パルス光に変換する。
【0049】
次に、光ファイバ増幅器３０Ａと圧縮器４０Ｂの詳細な構成について説明する。
光ファイバ増幅器３０Ａは、レンズ１１５と、レンズ１１６と、レンズ１１７と、レンズ１１８と、連続波レーザ光源１４１と、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５と、アイソレータ１５１と、アイソレータ１５２と、３ｄＢカプラ１６１と、ダイクロイックプリズム３０１と、ダイクロイックプリズム３０２とを有する。
アイソレータ１５１は、光バンドパスフィルタ１３１を透過した１３００ｎｍ帯のパルス光を一方向（光バンドパスフィルタ１３１からダイクロイックプリズム３０１に向かう方向）にのみ伝搬させる特性を有し、反対方向に伝搬する光を遮断する。
光ファイバ増幅器３０Ａは、レンズ１１５と、レンズ１１６と、レンズ１１７と、レンズ１１８と、連続波レーザ光源１４１と、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５と、アイソレータ１５１と、アイソレータ１５２と、３ｄＢカプラ１６１と、ダイクロイックプリズム３０１と、ダイクロイックプリズム３０２とを有する。
アイソレータ１５１は、光バンドパスフィルタ１３１を透過した１３００ｎｍ帯のパルス光を一方向（光バンドパスフィルタ１３１からダイクロイックプリズム３０１に向かう方向）にのみ伝搬させる特性を有し、反対方向に伝搬する光を遮断する。
【0050】
アイソレータ１５１を通ったパルス光は、連続波レーザ光源１４１からの励起光と、ダイクロイックプリズム３０１によって空間的に合成され、レンズ１１５によって集光される。集光された光は、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５の一方の端面に入射される。
Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５の長さは、例えば、１０ｍである。Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５の両端面には、高出力の光（増幅されたパルス光および励起光）による端面損傷を防ぐためにエンドキャップ加工３１１とエンドキャップ加工３１２とが施されている。
Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５に入射した１３００ｎｍ帯のパルス光は、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５の正常分散によって時間的に伸長されるとともにＰｒによる１３００ｎｍ帯の発光により増幅される。
Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５の長さは、例えば、１０ｍである。Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５の両端面には、高出力の光（増幅されたパルス光および励起光）による端面損傷を防ぐためにエンドキャップ加工３１１とエンドキャップ加工３１２とが施されている。
Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５に入射した１３００ｎｍ帯のパルス光は、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５の正常分散によって時間的に伸長されるとともにＰｒによる１３００ｎｍ帯の発光により増幅される。
【0051】
Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５での１３００ｎｍ帯のパルス光の増幅に必要な励起光は、連続レーザ波光源１４１から供給される。連続波光源１４１は、例えば、波長１０４０ｎｍで最大２Ｗの出力を有する。３ｄＢカプラ１６１によって連続波光源１４１の出力は最大１Ｗずつに等分割される。
分割された励起光の一方は、レンズ１１７によって平行光とされ、ダイクロイックプリズム３０１に入射される。上述したように、この一方の励起光とアイソレータ１５１を通ったパルス光とはダイクロイックプリズム３０１によって空間的に合成される。
分割された励起光の他方は、レンズ１１８によって平行光とされ、ダイクロイックプリズム３０２に入射される。この他方の励起光はダイクロイックプリズム３０２を通り、レンズ１１６によって集光されてＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５の他方の端面に入射される。
分割された励起光の一方は、レンズ１１７によって平行光とされ、ダイクロイックプリズム３０１に入射される。上述したように、この一方の励起光とアイソレータ１５１を通ったパルス光とはダイクロイックプリズム３０１によって空間的に合成される。
分割された励起光の他方は、レンズ１１８によって平行光とされ、ダイクロイックプリズム３０２に入射される。この他方の励起光はダイクロイックプリズム３０２を通り、レンズ１１６によって集光されてＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５の他方の端面に入射される。
【0052】
Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１２５で伸長されて増幅されたパルス光は、レンズ１１６によって平行光とされ、ダイクロイックプリズム３０２を通って、アイソレータ１５２に入射される。
アイソレータ１５２は、１３００ｎｍ帯のパルス光を一方向（ダイクロイックプリズム３０２からパルス圧縮器１９１に向かう方向）にのみ伝搬させる特性を有し、反対方向に伝搬する光を遮断する。
アイソレータ１５２を通ったパルス光は、圧縮器４０Ｂに入射される。
アイソレータ１５２は、１３００ｎｍ帯のパルス光を一方向（ダイクロイックプリズム３０２からパルス圧縮器１９１に向かう方向）にのみ伝搬させる特性を有し、反対方向に伝搬する光を遮断する。
アイソレータ１５２を通ったパルス光は、圧縮器４０Ｂに入射される。
【0053】
圧縮器４０Ｂは、パルス圧縮器１９１を有する。
圧縮器４０Ｂに入射されたパルス光は、透過型回折格子対からなるパルス圧縮器１９１によって時間領域で圧縮され、時間領域における半値全幅が１０００ｆｓ未満である短パルス光に変換される。
圧縮器４０Ｂに入射されたパルス光は、透過型回折格子対からなるパルス圧縮器１９１によって時間領域で圧縮され、時間領域における半値全幅が１０００ｆｓ未満である短パルス光に変換される。
【0054】
なお、第２の実施形態に係る短パルスファイバレーザ４では、光ファイバ増幅器３０Ａにおいて、パルス光が通る経路に配置されている全ての部材がパルス光の直線偏波を保持する。すなわち、アイソレータ１５１と、ダイクロイックプリズム３０１と、レンズ１１５と、エンドキャップ加工３１１とエンドキャップ加工３１２を含むＰｒ添加フッ化物ファイバ１２５と、レンズ１１６と、ダイクロイックプリズム３０２と、アイソレータ１５２とが全てパルス光の直線偏波を保持する。従って、光ファイバ増幅器３０Ａから出射される短パルス光の偏光状態は直線偏波である。このため、圧縮器４０Ｂでは、入射された短パルス光を、偏波コントローラ（１／４波長板と１／２波長板）を介することなく、パルス圧縮器１９１に直接入射させることができる。
また、第２の実施形態に係る短パルスファイバレーザ４は、第１の実施形態における第１の変形例の短パルスファイバレーザ２と同様に、パルス光の２次分散と３次以上の分散を付与する分散付与部材を圧縮器が有していてもよい。
また、第２の実施形態に係る短パルスファイバレーザ４は、第１の実施形態における第１の変形例の短パルスファイバレーザ２と同様に、パルス光の２次分散と３次以上の分散を付与する分散付与部材を圧縮器が有していてもよい。
【0055】
また、本発明の短パルスファイバレーザに用いるパルス光発生器１０として、平均パワー、ピークパワーの小さな１３００ｎｍ帯の短パルスレーザを用いることができる。例えば、非特許文献５、非特許文献６、非特許文献７に示されるようなファイバレーザを用いることができるが、必ずしもこれらに限定されず、１３００ｎｍ帯の短パルスレーザであればどのようなものでも使用できる。
【0056】
また、本発明の短パルスファイバレーザに用いる伸長器２０、２０Ａとしては、チャープパルス増幅で一般的に使用されるパルス伸長器を使用することができる。例えば、光ファイバを使用したり、チャープ型ファイバブラッググレーティングを使用したりできる。また、プリズム対や回折格子、体積型ホログラフィック回折格子といった光学部品を使用することもできる。
【0057】
また、本発明の短パルスファイバレーザにおいては、増幅媒体である希土類添加フッ化物ファイバの２つの端面のうち少なくとも一方の端面、好ましくは両端面に、高出力の光（増幅されたパルス光および励起光）による端面損傷を防ぐためのエンドキャップ加工が施されていることが好ましい。どちらか一方の端面にのみエンドキャップ加工を施す際は、増幅後の出射端面側にエンドキャップ加工が施されていることが好ましい。例えば非特許文献１１に、フッ化物ファイバへのエンドキャップ加工の例が記載されている。
また、上述した実施形態では本発明の短パルスファイバレーザの励起光源として用いる連続波光源１４１の波長を１０４０ｎｍとしたが、９５０ｎｍから１１００ｎｍの間の波長のものであれば連続波光源１４１として使用することができる。
また、上述した実施形態では本発明の短パルスファイバレーザの励起光源として用いる連続波光源１４１の波長を１０４０ｎｍとしたが、９５０ｎｍから１１００ｎｍの間の波長のものであれば連続波光源１４１として使用することができる。
【0058】
また、本発明の短パルスファイバレーザを多光子顕微鏡の光源として用いる場合、本発明の短パルスファイバレーザから出射されたパルス光は、多光子顕微鏡に使用されるレンズやミラーといった光学部品が有する波長分散によってパルス形状が変化する。したがって、多光子顕微鏡に使用されるレンズやミラーといった光学部品を通過したのちにパルス光の２次分散と３次以上の波長分散がいずれも最小となるように、圧縮器から出射されるパルス光の２次分散と３次以上の波長分散が制御されていることが好ましい。つまり、圧縮器から出射されるパルス光の波長分散は、多光子顕微鏡に使用される光学部品の波長分散とは逆の符号、同じ絶対値をもつように制御されていることが好ましい。
このように、圧縮器から出射されるパルス光の波長分散を、多光子顕微鏡に使用される光学部品の波長分散を考慮して制御することを、プリチャープを付与すると呼ぶ。そして、必要な波長分散の制御量（プリチャープ量と呼ぶ）は、多光子顕微鏡に使用される光学部品の構成によって異なる。このため、付与するプリチャープ量の最適値は常に一定ではない。従って、本発明の短パルスファイバレーザは、圧縮器から出射されるパルス光に付与されるプリチャープの量を可変とできるよう、波長分散値を動的に変化させることができる可変分散補償器を有する構成が好ましい。
このように、圧縮器から出射されるパルス光の波長分散を、多光子顕微鏡に使用される光学部品の波長分散を考慮して制御することを、プリチャープを付与すると呼ぶ。そして、必要な波長分散の制御量（プリチャープ量と呼ぶ）は、多光子顕微鏡に使用される光学部品の構成によって異なる。このため、付与するプリチャープ量の最適値は常に一定ではない。従って、本発明の短パルスファイバレーザは、圧縮器から出射されるパルス光に付与されるプリチャープの量を可変とできるよう、波長分散値を動的に変化させることができる可変分散補償器を有する構成が好ましい。
【0059】
また、本発明の短パルスファイバレーザにおいては、２次分散と３次分散を独立に制御できることが好ましい。具体的には、２次分散と３次分散の変動比が異なる２個以上の可変分散補償器を有する構成とすることで実現することができる。
【0060】
以上説明したように、本発明の短パルスファイバレーザによれば、希土類添加フッ化物ファイバを使用してパルス光をチャープパルス増幅することによって、増幅媒体である希土類添加フッ化物ファイバのコア直径が小さい場合であっても、非線形光学効果の低減と高効率な増幅とを両立することができる。
【0061】
また、非特許文献４によれば、多光子顕微鏡の光源として求められる１３００ｎｍ帯の高出力フェムト秒ファイバレーザの出力は、数１００ｎＪのパルスエネルギー（平均出力／繰り返し周波数）を必要とする。本発明の短パルスファイバレーザは、時間領域における半値全幅が１０００ｆｓ未満である短パルスを射出する。多光子顕微鏡の光源として用いられる場合、本発明の短パルスファイバレーザの出力は、例えば１００ｎＪ以上のパルスエネルギー（平均出力／繰り返し周波数）を有する。望ましくは、本発明の短パルスファイバレーザの出力は、例えば２００ｎＪ以上のパルスエネルギー（平均出力／繰り返し周波数）を有する。もっと望ましくは、本発明の短パルスファイバレーザの出力は、例えば３００ｎＪ以上のパルスエネルギー（平均出力／繰り返し周波数）を有する。更に望ましくは、本発明の短パルスファイバレーザの出力は、例えば５００ｎＪ以上のパルスエネルギー（平均出力／繰り返し周波数）を有する。更にもっと望ましくは、本発明の短パルスファイバレーザの出力は、例えば７００ｎＪ以上のパルスエネルギー（平均出力／繰り返し周波数）を有する。更にそれ以上に望ましくは、本発明の短パルスファイバレーザの出力は、例えば１μＪ（１０００ｎＪ）以上のパルスエネルギー（平均出力／繰り返し周波数）を有する。
そして、本発明に係る短パルスファイバレーザが多光子顕微鏡の光源に必要なレベル（大きさ）の出力を達成できた場合、それを光源として使用することにより、１３００ｎｍ帯の高出力フェムト秒レーザを光源として用いる多光子顕微鏡を小型化することができる。
そして、本発明に係る短パルスファイバレーザが多光子顕微鏡の光源に必要なレベル（大きさ）の出力を達成できた場合、それを光源として使用することにより、１３００ｎｍ帯の高出力フェムト秒レーザを光源として用いる多光子顕微鏡を小型化することができる。
【0062】
以上、本発明の実施形態について説明したが、設計または製造上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0063】
１，２，３，４…短パルスファイバレーザ、１０…パルス光発生器、２０，２０Ａ…伸長器、３０，３０Ａ…光ファイバ増幅器、４０，４０Ａ、４０Ｂ…圧縮器、１０１…パルス光源、１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８…レンズ、１２１…フォトニック結晶ファイバ、１２２，１２３，１２４…石英ファイバ、１２５…Ｐｒ添加フッ化物ファイバ、１２６，１２７，１２８…石英ファイバ、１３１…光バンドパスフィルタ、１４１…連続波レーザ光源、１５１，１５２…アイソレータ、１６１…３ｄＢカプラ、１７１，１７２…波長合分波カプラ、１８１…１／４波長板、１８２…１／２波長板、１９１…パルス圧縮器、２０１…サーキュレータ、２１１…非線形チャープファイバグレーティング、３０１，３０２…ダイクロイックプリズム、３１１，３１２…エンドキャップ加工
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】