▶ エムピービー コミュニケーションズ インコーポレイテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-04
(54)【発明の名称】フェムト秒レーザ源及び多光子顕微鏡
(51)【国際特許分類】
G02F 1/35 20060101AFI20230627BHJP
H01S 3/067 20060101ALI20230627BHJP
H01S 3/10 20060101ALI20230627BHJP
G01N 21/64 20060101ALI20230627BHJP
G01N 21/01 20060101ALI20230627BHJP
G02B 21/06 20060101ALI20230627BHJP
【ＦＩ】
G02F1/35 502
H01S3/067
H01S3/10 D
G01N21/64 E
G01N21/01 D
G02B21/06
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022567587
(86)(22)【出願日】2020-11-03
(85)【翻訳文提出日】2022-12-23
(86)【国際出願番号】 CA2020051489
(87)【国際公開番号】W WO2021243435
(87)【国際公開日】2021-12-09
(31)【優先権主張番号】16/892,242
(32)【優先日】2020-06-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】507100373
【氏名又は名称】エムピービー コミュニケーションズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＭＰＢ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ
【住所又は居所原語表記】１４７ Ｈｙｍｕｓ Ｂｌｖｄ．， Ｐｏｉｎｔｅ Ｃｌａｉｒｅ， Ｑｕｅｂｅｃ Ｈ９Ｒ １Ｅ９， ＣＡＮＡＤＡ
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】アル － カドリー、アラー
(72)【発明者】
【氏名】カルポフ、ウラジーミル
(72)【発明者】
【氏名】クレメンツ、ウォレス
【テーマコード（参考）】
2G043
2G059
2H052
2K102
5F172
【Ｆターム（参考）】
2G043AA01
2G043BA16
2G043EA01
2G043FA01
2G043FA02
2G059AA05
2G059BB12
2G059CC16
2G059EE07
2G059FF01
2G059GG01
2G059GG08
2G059GG09
2G059HH01
2G059JJ17
2H052AA09
2H052AC18
2H052AC26
2H052AC34
2K102AA15
2K102AA34
2K102BA13
2K102BA20
2K102BB02
2K102BC01
2K102BD09
2K102DA06
2K102EB02
2K102EB08
2K102EB16
2K102EB20
5F172AM04
5F172AM08
5F172DD03
5F172DD04
5F172DD06
5F172NN17
5F172NN27
5F172NR23
5F172ZA01
5F172ZA04
5F172ZZ04
(57)【要約】
良好なフェムト秒ファイバ・レーザ性能が、自己位相変調（ＳＰＭ）を受けるのに十分な強度のピコ秒のラマン・シフトされたパルスを生成し、したがって、それらパルスを有利にはスペクトル的に広げ、これにより、次いでそれらパルスを光コンプレッサで一時的に圧縮して高ピーク・パワーを有するフェムト秒パルスを生成することを可能にすることによって、達成される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
一連のピコ秒範囲の光ポンプ・パルスを放出するポンプ・レーザ源と、少なくとも１つの連続波（ＣＷ）シード源と、
前記少なくとも１つのＣＷシード源からの放出が前記一連のピコ秒範囲の光ポンプ・パルスと共伝搬するように前記ポンプ・レーザ源及び前記少なくとも１つのＣＷシード源に結合される、ある長さの光ファイバであって、前記ポンプ・レーザ源の波長から前記少なくとも１つのＣＷシード源の波長への少なくとも１つのラマン・シフト変換が行われ、ラマン・シフトされたパルスの自己位相変調が行われて、ピコ秒範囲の持続時間光パルスのスペクトル的に広げられたパルス列を生成する、ある長さの光ファイバと、
前記ピコ秒範囲の持続時間光パルスのスペクトル的に広げられたパルス列を一連のフェムト秒範囲の持続時間パルスに圧縮する、少なくとも１つの光パルス・コンプレッサと、
を含む、フェムト秒レーザ・システムであって、
前記一連のピコ秒範囲の光ポンプ・パルスのパルス幅持続時間及びピーク・パワーは、前記ある長さの光ファイバにおける効率的なラマン変換及び前記ラマン・シフトされたパルスの自己位相変調をもたらし、それにより、前記光コンプレッサが、前記ラマン・シフトされたパルスの波長における前記一連のフェムト秒範囲の持続時間パルスを効率的に供給することができる、フェムト秒レーザ・システム。
【請求項2】
前記ポンプ・レーザ源は、少なくとも１つの光ファイバ増幅器を含む、請求項１に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項3】
前記ポンプ・レーザ源は、モード同期レーザを含む、請求項１又は２に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項4】
スイッチによってフェムト秒範囲の持続時間パルスの放出を制御することができるように前記少なくとも１つのＣＷシード源を制御する前記スイッチをさらに含む、請求項１、２又は３に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項5】
前記フェムト秒レーザ・システムは、２つの前記ＣＷシード源を含み、前記一連のフェムト秒範囲の持続時間パルスは、２つのラマン・シフトに対応する２つの波長での放出を含む、請求項４に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項6】
前記ラマン・シフトに対応する波長での放出を含む前記一連のフェムト秒範囲の持続時間パルスについて可変繰り返し率を選択するために前記少なくとも１つのＣＷシード源を一時的に変調する、前記スイッチのための制御装置をさらに含む、請求項４に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項7】
前記２つの波長間で交番するパルスを放出するために前記ＣＷシード源を一時的に変調する、前記スイッチのための制御装置をさらに含む、請求項５に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項8】
前記一連のフェムト秒範囲の持続時間パルスにあるゼロ、１つ及び２つの前記ラマン・シフト波長間で選択するために、前記ＣＷシード源を一時的に変調する、前記スイッチのための制御装置をさらに含む、請求項５に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項9】
前記ポンプ・レーザ源は、バイパス光ファイバ増幅器を含み、前記バイパス光ファイバ増幅器を前記一連のピコ秒範囲の光ポンプ・パルスのみが通過し、前記バイパス光ファイバ増幅器の出力は、前記少なくとも１つのラマン・シフト変換が行われる前記ある長さの光ファイバを迂回し、代わりに、別個の長さの光ファイバにおいて自己位相変調スペクトル広がりを受ける、請求項１から８までのいずれか一項に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項10】
前記少なくとも１つのラマン・シフト変換が行われる前記ある長さの光ファイバは、リン・ドープされたシリカ光ファイバを含む、請求項１から９までのいずれか一項に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項11】
前記少なくとも１つのラマン・シフト変換が行われる前記ある長さの光ファイバは、シリカ光ファイバを含む、請求項１から９までのいずれか一項に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項12】
前記少なくとも１つのＣＷシード源は、前記少なくとも１つの光ファイバ増幅器のうちの前記少なくとも１つに送り出されて、前記一連のピコ秒範囲の光ポンプ・パルスとともに伝搬し、次いで、前記少なくとも１つのラマン・シフト変換が行われる前記ある長さの光ファイバに送り出される、請求項２から１１までのいずれか一項に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項13】
前記少なくとも１つの光パルス・コンプレッサは波長可変である、請求項１から１２までのいずれか一項に記載のフェムト秒レーザ・システム。
【請求項14】
請求項１から１３までのいずれか一項に記載のレーザ・システムと、ラマン・シフトされたパルスの少なくとも１つの波長、及び、少なくとも１つの定められた波長におけるラマン・シフトされたパルスの繰り返し率のうちの少なくとも一方を定めるために、少なくとも１つのＣＷシード源の動作を定める、ユーザ入力を受ける制御装置と、
を備える、多光子顕微鏡。
【請求項15】
ユーザ入力を受ける前記制御装置は、前記ラマン・シフトされたパルスの前記波長、及び、前記制御装置によって定められた前記少なくとも１つの波長における前記ラマン・シフトされたパルスの前記繰り返し率の双方を定めることができる、請求項１４に記載の多光子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、レーザ源、より詳細にはフェムト秒パルス持続時間レーザ源、及び多光子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【0002】
フェムト秒レーザ・パルスの波長可変源の一般的な用途は、生体イメージングのための多光子顕微鏡（ＭＰＭ：ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）におけるものである。ＭＰＭは、サブマイクロメートルの空間分解能を用いて、生きている組織における深層をイメージングするために使用される非線形顕微鏡技術である。この技術では、パルス・レーザの高ピーク・パワー・パルスを高強度に集光させて、蛍光標識として用いられる分子における多光子吸収を誘起する。組織における最適な侵入深さはレーザの励起波長に応じて決まることが報告されている。したがって、種々の波長における２つ以上のパルスを用いて、組織、例えば脳組織の種々の構造部を同時にイメージングすれば、分析の際に有利である。
【0003】
様々な蛍光インジケータ、特に、蛍光タンパク質に基づいた遺伝子操作されたプローブの開発により、ＭＰＭの能力がさらに高まっている。電磁スペクトルの近赤外線（ＮＩＲ：ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ）領域における多光子吸収によって励起されることができるいくつかの蛍光タンパク質がある。これらは、９００ｎｍ～１３００ｎｍの範囲の中心波長を有するパルス・レーザによって励起されることができる、緑色蛍光タンパク質及び赤色蛍光タンパク質を含む。いずれの場合にも、蛍光物質の吸収帯域は十分に広く、蛍光物質が効果的に励起されることができる公称ピーク近くの約±３０ｎｍ又はそれによりも大きい公差がある。
【0004】
固体利得媒体を採用する超高速レーザが、この用途のための最も一般的に使用される源である。これは主として、かかるレーザの非常に広い利得帯域幅によるものである。約６５０ｎｍ～１０８０ｎｍの間の波長範囲にわたってレーザ発振を達成することができるチタン・ドープされたサファイア（Ｔｉ：サファイア）・レーザが、最も一般的に使用されるレーザである。これらレーザ源は、利得媒体が高価な可視連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）レーザによってポンピングされることに起因して比較的高価である。レーザは、約１００ＭＨｚで、２０～３０ｎＪ範囲のパルス・エネルギーにより動作する。光パラメトリック発振器（ＯＰＯ：ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）とともにポンプとしてＴｉ：サファイア・レーザを用いることによって、より広い波長調整範囲を達成することができる。しかしながら、これらレーザは大きく、さらにより高価である。
【0005】
ファイバ・レーザは、その全ファイバ構成により、正確な光学アライメントの必要がなく、良好なビーム品質が確保され、内視鏡器具との統合に本来的に適したものとなるため、イメージング用途にとって魅力的である。さらに、これらレーザは、そのファイバ利得媒体が効率的であるため、バイオイメージングに必要とされるパワーを容易に供給することができる。
【0006】
最近実証されたフェムト秒イッテルビウム（Ｙｂ）系ファイバ・レーザが、１つの波長での固体レーザの性能に適応し、またその性能を上回ることさえできる。しかしながら、現在、ファイバ・ベースのシステムには固体レーザの波長可変特性がない。
【0007】
上述したＮＩＲ範囲にわたる波長を有するパルスは、超高速ファイバ・レーザ又はファイバ主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ：ｍａｓｔｅｒ－ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いてＯＰＯをポンピングすることによって供給されることができる。しかしながら、これにより、レーザ・システムに対するコスト及び複雑さの度合いが増す。さらに、常に１つの波長のみしか生成されることができない。
【0008】
ラマン・ファイバ・レーザは、Ｙｂ系ファイバ・レーザの出力波長範囲を拡張して１１００ｎｍ～１３００ｎｍの間の領域をカバーする優れた選択肢である。ドープされたファイバ利得領域からの出力パワーを１１００～１３００ｎｍの範囲の波長に変換するために様々な手法が提案されてきた。これを達成する１つのやり方は、ファイバ自体において誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いることである。これは、１つの波長に対して共振器が構築される、ラマン・ファイバ・レーザにより、又は、シード信号が高強度パルス・ポンプとの相互作用を介してＳＲＳによって増幅される、シングル・パス・ラマン・ファイバ増幅器により達成される。後者の構成を用いる場合、Ｙｂファイバ増幅器を用いてＹｂ利得帯域におけるパルス源を増幅して、高強度ポンプをもたらすことによって、次いで、これをラマン・シフトされた波長における低パワー・シードと組み合わせて、ドープされていないラマン光ファイバ又はリンケイ酸塩（ｐドープされた）ラマン・ファイバで伝搬することによって、狭い線幅のラマン・パルスが生成されている。これらの実証のすべてにおいて、システムの出力は、一度に単波長から構成され、出力パルスが倍増周波数である場合、高効率の第２高調波発生（ＳＨＧ：ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）を達成するために可能な限り狭いパルスのスペクトル帯域幅を保つことに特別な注意が払われた。実証されたパルスの一時的な持続時間は、数百ピコ秒～約ナノ秒の範囲であった。
【0009】
しかしながら、タンパク質蛍光はパルスのピーク・パワーに比例することが知られており、効果的な蛍光を有するために１０～１００ｋＷを必要とする。この範囲のピーク・パワーを有するピコ秒レーザの個別のパルス・エネルギーは高く、数ＭＨｚの繰り返し率で動作する場合、高い平均パワー値となる。しかしながら、これにより、システムの平均パワーに比例する組織損傷が引き起こされかねない。ピコ秒レーザの繰り返し率をｋＨｚ範囲に下げることは、組織損傷を回避するのに役立つが、これにより、画像を収集するのに必要とされる時間が増す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
したがって、ＭＨｚ繰り返し率で低い平均パワー値を維持しつつ高ピーク・パワー・パルスを達成することができることによる、ＭＰＭのためのフェムト秒レーザ・システムを使用することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本出願人は、良好なフェムト秒ファイバ・レーザ性能が、自己位相変調（ＳＰＭ：ｓｅｌｆ－ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を受けるのに十分な強度のピコ秒のラマン・シフトされたパルスを生成し、したがって、それらパルスを有利にはスペクトル的に広げ、これにより、次いでそれらパルスを光コンプレッサで一時的に圧縮して高ピーク・パワーを有するフェムト秒パルスを生成することを可能にすることによって、達成されることができることを見出した。
【0012】
いくつかの実施例では、フェムト秒レーザ・システムは、一連のピコ秒範囲の光ポンプ・パルスを放出するポンプ・レーザ源を有し得、これらパルスが次いで、少なくとも１つのファイバ増幅器において増幅される。ポンプ源の波長よりも長い波長を有する、少なくとも１つのＣＷシード源が、この少なくとも１つのＣＷシード源からの放出が一連のピコ秒範囲の光ポンプ・パルスと共伝搬するようにある長さの光ファイバにポンプ・レーザ源の増幅された出力とともに結合され、少なくとも１つのラマン・シフト変換がある長さのファイバにおいて行われて、有利には、ピコ秒範囲の光パルスのスペクトル的に広げられたパルス列を生成するために、ラマン・シフトされたパルスのＳＰＭがある長さのファイバにおいて行われる十分なピーク強度のピコ秒パルスをＣＷシード源の波長において生成する。少なくとも１つの光パルス・コンプレッサを用いて、ピコ秒範囲の光パルスのスペクトル的に広げられたパルス列を一連のフェムト秒範囲の持続時間パルスに一時的に圧縮する。このように、一連のピコ秒範囲の光ポンプ・パルスのピーク・パワーは、ある長さの光ファイバにおいて効率的なラマン変換及びラマン・シフトされたパルスのＳＰＭをもたらし、そのため、光コンプレッサは、ラマン・シフトされたパルスの波長における一連のフェムト秒範囲のパルスを効率的にもたらすことができる。
【0013】
ポンプ・レーザ源は、少なくとも１つの光ファイバ増幅器を含み得る。ポンプ・レーザ源は、モード同期レーザを含み得る。レーザ・システムは、スイッチによってフェムト秒範囲のパルスの放出を制御することができるようにＣＷシード源を制御するスイッチをさらに含み得る。
【0014】
レーザ・システムは、前記ラマン・シフトに対応する波長での放出を含む一連のフェムト秒範囲のパルスについて可変繰り返し率を選択するためにＣＷシード源を一時的に変調する、前記スイッチのための制御装置をさらに含み得る。
【0015】
レーザ・システムは、２つのＣＷシード源を有し得、一連のフェムト秒範囲のパルスは、２つのラマン・シフトに対応する２つのＣＷシード波長での放出を含み得る。
【0016】
制御装置は、２つのシード源波長間で交番するフェムト秒パルスを放出するためにＣＷシード源を一時的に変調するようにスイッチを制御し得る。
【0017】
制御装置は、前記一連のフェムト秒範囲のパルスにあるゼロ、１つ及び２つのラマン・シフト波長間で選択し得る。
【0018】
少なくとも１つの光ファイバ増幅器は、バイパス光ファイバ増幅器を含み得、バイパス光ファイバ増幅器の出力は、少なくとも１つのラマン・シフト変換が行われるある長さの光ファイバを迂回し、第２の長さの光ファイバにおいて伝搬されてＳＰＭを介してスペクトル的に広げられる。
【0019】
少なくとも１つのラマン・シフト変換が行われるある長さの光ファイバは、リン・ドープされたシリカ光ファイバを含み得る。
【0020】
少なくとも１つのラマン・シフト変換が行われるある長さの光ファイバは、シリカ光ファイバを含み得る。
【0021】
少なくとも１つのＣＷシード源は、少なくとも１つの光ファイバ増幅器のうちの少なくとも１つに送り出されて、ファイバ増幅器を介して一連のピコ秒範囲の光ポンプ・パルスとともに伝搬し、次いで、少なくとも１つのラマン・シフト変換が行われるある長さの光ファイバに送り出されることができる。
【0022】
少なくとも１つの光パルス・コンプレッサは波長可変とすることができる。
【0023】
他の実施例では、多光子顕微鏡が、上記に説明したレーザ・システムと、ラマン・シフトされたパルスの少なくとも１つの波長、及び、少なくとも１つの定められた波長におけるラマン・シフトされたパルスの繰り返し率のうちの少なくとも一方を定めるために、少なくとも１つのＣＷシード源の動作を定める、ユーザ入力を受ける制御装置と、を備える。ユーザ入力を受ける制御装置は、ラマン・シフトされたパルスの波長、及び、制御装置によって定められた少なくとも１つの波長におけるラマン・シフトされたパルスの繰り返し率の双方を定めることができる。
【0024】
本発明は、添付の図面を参照しながら本発明の実施例の以下の詳細な説明としてより良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】２つのシード源と、ラマン・ファイバ増幅器と、及びＭＯＰＡによって生成されるパルスのためのバイパスなしファイバ増幅器とを有するフェムト秒レーザの概略図である。
【図4】２つのシード源と、ラマン・ファイバ増幅器と、ＭＯＰＡによって生成されるパルスのためのバイパス・ファイバ増幅器とを有するフェムト秒レーザの概略図である。
【図5】第１の実施例によるスペクトル選択的パルス・コンプレッサを概略的に示す２次元図である。
【図7】スペクトル選択的パルス・コンプレッサを概略的に示す２次元図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
図１は、単波長又は多波長ラマン・フェムト秒レーザ源を提供する装置の好ましい実施例を概略的に示す。装置は、ピコ秒ファイバＭＯＰＡ １Ａと、１つ又は２つのＣＷシード・レーザ３及び４（２つよりも多くのＣＷシード源を用いることができる）と、ファイバ・ラマン増幅器６Ａと、スペクトル選択的パルス・コンプレッサ７とを含む。例示されているようにこのシステムは、例えば、ＣＣＤの応答時間内に、ＣＷシード波長（複数可）に対応する１つ又は複数の波長で、ターゲットにフェムト秒パルスを送達することができる。
【0027】
ファイバＭＯＰＡ １Ａは、数ＭＨｚ～約１００ＭＨｚのパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ：ｐｕｌｓｅ－ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）で、一連のシングル・モードのピコ秒パルスを送達するように配置されたポンプ・レーザ源１を含む。これらパルスを第１のファイバ増幅器２によって増幅することができ、ＣＷシード・レーザ出力（複数可）と組み合わせることができ、次いで、第２のファイバ増幅器５Ａに送達することができる。次いで、ファイバ増幅器５Ａの出力をファイバ・ラマン増幅器６Ａに送り出し、そこで、ＣＷシード・レーザ（複数可）からの光パワーとともに、増幅されたポンプ・パルスを伝搬することにより、ポンプ・パルスの誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）（スペクトル・シフト）が生じ、その結果、シード・レーザ波長（複数可）で高ピーク・パワー光パルスの形成及び成長、並びに、ファイバ・ラマン増幅器６Ａの長さに沿ってこれらラマン・シフトされたパルスの後続のＳＰＭスペクトル広がりがもたらされる。次いで、出力パルスがパルス・コンプレッサ７に方向付けられる。スペクトル選択的パルス・コンプレッサ７において、パルスの持続時間が約８０ｆｓ～約３００ｆｓの間の値に（一時的に）圧縮される。
【0028】
図１に示すように、源１からのパルスは、増幅器２によって増幅されると、幅、すなわち半値全幅（ＦＷＨＭ：ｆｕｌｌ－ｗｉｄｔｈ ｈａｌｆ－ｍａｘｉｍｕｍ）がおよそ１３ｐｓとなり得る。それらパルスのスペクトル帯域幅は、約０．２ｎｍとなり得る。ファイバ６Ａの長さでのシード波長へのラマン変換の後、パルス幅は一時的に少量だけ、例えば約１５ｐｓまで広がるが、スペクトル広がりは著しく、つまり約１０ｎｍ（５倍）まで広がる。
【0029】
ファイバ・ラマン増幅器６Ａは、シリカ又はｐドープされたシリカ・ファイバに基づき得る。シリカ及びｐドープされたファイバは、そのラマン利得特性が異なる。シリカ・ファイバは、かなり広いラマン利得帯域（～１００ｃｍ－１）及び～４４０ｃｍ－１のラマン・シフト・ピークを有する。しかしながら、ｐドープされたシリカ・ファイバのラマン・スペクトルは、シリカ・ファイバに対して、１３２０ｃｍ－１（シリカ・ファイバにおける周波数シフトよりもおよそ３倍大きい）だけシフトされた、さらなる狭帯域ピークを有する。
【0030】
ファイバＭＯＰＡ １Ａの一実例では、ポンプ・レーザ源１は、約１０３０ｎｍ±１ｎｍの波長でパルスを送達するＹｂドープされたファイバ発振器である。発振器は、約３０ＭＨｚのＰＲＦで約１３ｐｓのＦＨＷＭ持続時間を有するパルスを（図１の地点Ａにおいて）送達する。パルスは、約０．２３ｎｍのＦＷＨＭスペクトル帯域幅を有する。地点Ａにおけるパルス列の平均パワーは、約１６ｍＷである。２つのＣＷシード・レーザ３及び４は、それぞれ約１０９０ｎｍ及び１１８９．５ｎｍの波長でセンタリングされる。波長の選択は、ファイバ・ラマン増幅器６Ａを含むファイバのラマン利得ピークのシフトに基づいており、波長数は１つ又は複数とすることができる。図２は、ＣＷシード・レーザ３及び４の波長（スペクトル）の関数として測定強度を概略的に示すグラフである。
【0031】
地点Ｂにおいて、増幅器２における増幅の後、パルス列は約７０ｍＷ（４倍超の利得）の平均パワーを有する。地点Ｃにおいて、増幅器５Ａにおける増幅の後、パルス列は約１．１Ｗ（１５超の利得）の平均パワーを有し、パルス帯域幅は約１ｎｍ（これは増幅前よりも約４倍大きい）であり、パルス持続時間は約１５ｐｓ（約１５％の増加）である。シード・レーザ３及び／又は４からのＣＷパワーと組み合わせられた、増幅された光ポンプ・パルスを受け、それらパルスをＳＲＳによってＣＷシード・レーザ３及び／又は４の選択された中心波長にスペクトル変換するために、ある長さのｐドープされた光ファイバ６Ａ（例えば、約５５ｍ長）が配置される。ＣＷシード・レーザ３の波長は、ｐドープされたファイバのシリカ第１ストークス・ラマン・シフト利得ピーク（ラマン・シフト・ピーク＝４４０ｃｍ－１）の近くにセンタリングされ、ＣＷシード・レーザ４の波長は、ｐドープされたファイバのリン第１ストークス・ラマン・シフト・ピーク（ラマン・シフト・ピーク＝１３２０ｃｍ－１）の近くにセンタリングされる。ラマン・シフトされたパルスは、ファイバ・ラマン増幅器６Ａのファイバ長に沿って伝搬するにつれて高ピーク・パワーに増幅されていくため、ＳＰＭによるスペクトル広がりを受け、その結果、フェムト秒パルスの生成に十分な帯域幅を有する出力パルスをもたらす。
【0032】
図３は、図１の装置の実験バージョンから得られたラマン・パルスのスペクトルを示す、ファイバ・ラマン増幅器６Ａの出力における波長（スペクトル）の関数として測定強度を示すグラフである。１０９０ｎｍでのこのファイバＭＯＰＡから生成されたラマン・パルスの帯域幅は１３ｎｍであり、その一方、１１９０ｎｍでのラマン・パルスの帯域幅は１０ｎｍである。これは、ラマン・パルスが、およそ１０～１３倍、スペクトル的に広げられていることを意味する。全パワーの半分超が、１０９０ｎｍ及び１１８９．５ｎｍあたりの波長帯域内にある。パルス・コンプレッサ７を通過した後、パルス持続時間は約１５０ｆｓに短縮される。圧縮されたラマン・パルスのピーク・パワーは、約８０キロワット（ｋＷ）である。
【0033】
１１３０ｎｍでの中心波長を有するＣＷシード・レーザ３及び１１８９．５ｎｍの波長でのＣＷシード・レーザ４を選択し、それらレーザを、ｐドープされたファイバにおける１０３０ｎｍピコ秒パルスと組み合わせることも可能である。ＣＷシード・レーザ３は、１０３０ｎｍポンプ・レーザ源の第２ストークス・シリカ・ラマン・シフト（ラマン・シフト・ピーク＝８８０ｃｍ－１）においてセンタリングされ、ＣＷシード・レーザ４は、ｐドープされたファイバのリン第１ストークス・ラマン・シフト利得ピーク（ラマン・シフト・ピーク＝１３２０ｃｍ－１）の近くにセンタリングされる。この場合、生成されるパルスは、１１３０ｎｍ及び１１８９．５ｎｍの中心波長にある。
【0034】
図４は、多波長ラマン・フェムト秒レーザ源を提供する装置の別の好ましい実施例を概略的に示す。装置は、ピコ秒ファイバＭＯＰＡ １Ｂを含み、ＣＷシード・レーザ３及び４のうちの一方又は双方と、ファイバ・ラマン増幅器６Ａと、スペクトル選択的パルス・コンプレッサ７とを含み得る。
【0035】
スペクトル選択的パルス・コンプレッサ７は、ファイバ・ラマン増幅器６Ａから入力パルスを受けたことに応答してＮＩＲ波長のうちの１つ又は複数における出力パルスを送達するように構成されている。コンプレッサからの可能な出力パルスのうちの１つは、ＣＷシード・レーザ３と同じ中心波長を有し、２つ目は、ＣＷシード・レーザ４の中心波長と同じ可能な中心波長を有し、３つ目は、ポンプ・レーザ源１の（基本）波長と同じ可能な中心波長を有する。３つの出力パルスは、ＭＰＭ有用波長とみなされる。本明細書においてＭＰＭへのレーザの適用に言及しているが、レーザは他の用途に使用されることができることが理解されるであろう。
【0036】
３つのパルスは、例えば、ＣＣＤ又は画像センサの応答時間内に、ターゲットに送達されることができる。パルスの光路を等しくすることによって、パルスは、いずれか１つのパルスの持続時間内に達するように送達されることができる。３つのパルスは、すべてが１つの光路を進むことができるか、又は３つの異なる光路を進むことができる。
【0037】
ファイバＭＯＰＡ １Ｂは、数メガヘルツ（ＭＨｚ）～約１００ＭＨｚのＰＲＦで、一連のシングル・モードのピコ秒パルス持続時間をもたらすために配置されたポンプ・レーザ源１を含む。これらパルスは、第１のファイバ増幅器２によって増幅され、５０／５０カプラに送達される。増幅されたパルスは、カプラによって第２のファイバ増幅器５Ａ及びファイバ増幅器５Ｂに方向付けられる。ファイバ増幅器５Ａに入る前に、増幅されたポンプ・パルスはＣＷシード・レーザ３及び４のうちの一方又は双方の出力と組み合わされる。ファイバ増幅器５Ａからの増幅されたパルスは、ＳＲＳ（シード・レーザ３の波長及び／又はシード・レーザ４の波長へのスペクトル・シフト）を受け、有利には、ラマン・シフトされたパルスは、ファイバ・ラマン増幅器６Ａの定められた長さに沿ってＳＰＭ（スペクトル広がり）を受ける。ファイバ６Ａの終わりに、ポンプ・レーザ源１の基本波長よりも長い放射線を送るファイバ波長分割多重（ＷＤＭ：ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が用いられる。ファイバ増幅器５Ｂからの増幅されたパルスは、シングル・モード・ファイバ６Ｂの定められた長さに沿ってＳＰＭによるスペクトル広がりを受け、次いで、別のファイバＷＤＭによってファイバ・ラマン増幅器６Ａからの長波長の出力パルスと組み合わせられる。次いで、出力パルスはパルス・コンプレッサ７に方向付けられる。
【0038】
本明細書において説明されるフェムト秒範囲のレーザ・システムは、１つ又は複数の波長で駆動される能力を有する。図４におけるＣＷシード源３及び４は、スイッチ及び制御装置８及び９によって制御されて、どのような波長及び繰り返し率がレーザ・システム１０によって出力されるかを制御することができる。制御装置９は、１つ又は複数のＣＷシード源のそれぞれについての高周波駆動信号源とすることができる。制御装置９は、ポンプ源１と同じ周波数で動作する必要はなく、ポンプ源１によって生成される多数のパルスについてシード源がオン又はオフになることを可能にする。波長選択器８は、制御装置９における各それぞれの駆動信号源について駆動信号をオン又はオフにすることができる。パルス幅変調をシード源とともに用いて有効デューティ・サイクルを変え、したがって、所望の波長においてレーザ・システムの出力パワーを変更することができる。
【0039】
波長選択器８が駆動信号をオンにして特定のシード源を作動させると、シード源の波長におけるパワーがファイバ６Ａにおけるラマン変換を介して生成される。レーザ・システム１０が、ポンプ源波長における出力を遮断するように構成されている（これは図４に示された典型的な構成ではなく、図１の実施例の典型的な構成とすることができる）場合、レーザ・システム出力は、シード源の作動によって制御され、つまり、レーザは、シード源がオフになると出力がなくなる。したがって、選択器８を用いて、どの波長（１つ又は複数）がレーザから発せられるべきなのかを制御装置９に信号で伝えることができる。
【0040】
２つの波長が生成されることになる場合、２つのシードを同時に作動させることは、２つのシード波長に、ポンプ・レーザ源波長での利用可能なＳＲＳポンプ・パワーを取り合いさせることになる。ファイバ・ラマン増幅器を含むファイバがｐドープされたファイバであり、２つのシード波長が一次シリカ及びリン・ラマン・シフトに対応する場合、２つのラマン・シフトされた波長におけるパルスの相対パワーは、個別のシード源のパワーを制御することによって制御されることができる。しかしながら、シード波長がシリカ・ファイバにおける一次及び二次ラマン・シフトに対応する特別な場合では、二次ラマン・シフトされたパルスは、一次ラマン・パルスのパワーのラマン変換（すなわち、減少）を介して成長する。これにより、２つのシード波長のそれぞれにおけるパワーの不均衡が生じる可能性があり、個別のシード源のパワーを制御することによってさえも制御することが困難になりかねない。他方で、シード源間の交番によって、レーザ・システムの出力は、所望の波長間を交番するパルスを含むことができる。この交番は、源レーザ１によって生成された一連のピコ秒パルスの周波数でのものとすることができるか、又は、より低い周波数でのものとすることができる。
【0041】
上記に説明された構成は本発明を限定するものと解釈されるべきではないことを強調しておく。当業者は、本明細書に提示した説明から、同等の出力特性の他のファイバＭＯＰＡ構成、又は、Ｙｂドープされた若しくは他のドープされた利得媒体を有するバルク固体レーザを、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく採用し得る。
【0042】
ファイバＭＯＰＡ構成がどのようなものであれ、ポンプ・レーザ源１からのパルスはシングル・モード・パルスであり、約１０ｐｓ～約２５ｐｓの間の持続時間を有することが好ましい。増幅器２からの出力パワーは、約３０ｍＷの平均パワーよりも高いことが好ましい。
【0043】
図５は、スペクトル選択的パルス・コンプレッサ７Ａを概略的に示す２次元図である。ここでは、ラマン・ファイバ増幅器６Ａからの生成されたラマン・パルスが、反射ミラー１１によってコリメートされるとともに方向付けられる。コリメートされたスペクトルは、連続した光線シートと考えられ得るものにおける格子１２によって分散される。格子１３、１４及び１５が、格子１２から同じ又は異なる直線距離Ｌのところに配置される。最初にコリメートされたスペクトルは一度分散されると、生成されたラマン・パルスされたスペクトル、格子１２の溝密度、及び直線距離Ｌに応じて、第２の格子（１３、１４又は１５）における幅を有する。格子１２及び１５を用いて、ポンプ・レーザ源１の基本波長を圧縮する。格子１２及び１４を用いて、ＣＷシード・レーザ３の波長でセンタリングされたスペクトルを圧縮する。格子１２及び１３を用いて、ＣＷシード・レーザ４の波長でセンタリングされたスペクトルを圧縮する。格子１３、１４及び１５と再帰反射器Ｒ１、Ｒ２及びＲ３との間に配置されたスペクトル選択的アパーチャを用いて、ＣＷシード波長の周りにおけるいかなる外来放射線も排除する。これらアパーチャは、選択された波長のスペクトルを狭める。３つの色（この場合では、３つの赤外波長）が組み合わされて格子１２に戻り、反射ミラー１６によって方向付けられる。再帰反射器Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、３つの異なる波長の光路に適応する移動ステージに配置されている。この選択的コンプレッサを用いて、地点Ｆにおける同じ経路上のパルスを組み合わせることが可能であることに留意されたい。図７に示すようにコンプレッサ７Ｂを用いて、別個の経路上に、圧縮されたパルスを有することも可能である。
【0044】
引き続き図１及び図５を参照すると、スペクトル選択的パルス・コンプレッサ７Ａは、ファイバ・ラマン増幅器６Ａからコリメートされたパルスを受ける。受けたラマン・パルスは反射ミラー１１によってコンプレッサ格子１２に方向付けられ、このコンプレッサ格子からのビームが、格子１３、１４及び１５によって回折及び収集される。一実例の場合では、ポンプ・レーザ源波長が１０３０ｎｍであり、ＣＷシード波長が１０９０ｎｍ及び１１８９．５ｎｍであり、ラマン増幅器６Ａのファイバがｐドープされたファイバ（例えば、図３に示すスペクトル）である場合、格子１２及び１４を用いて、１０９０ｎｍの波長でセンタリングされたスペクトルを有するパルスを圧縮することができる。格子１２及び１３を用いて、１１８９．５ｎｍの波長でセンタリングされたスペクトルを有するパルスを圧縮することができる。格子１３及び１４と再帰反射器Ｒ１及びＲ２との間に配置されたスペクトル選択的アパーチャを用いて、上述した中心波長のそれぞれの周りのおよそ２０ｎｍのスペクトル帯域幅を選択することができる。２つの色（この場合では、１０９０ｎｍ及び１１８９．５ｎｍの波長でセンタリングされている）が組み合わされてより低い高さで格子１２に戻り、反射ミラー１６によって方向付けられる。ポンプ・レーザ源波長における残された利用可能なポンプ・パワーがＭＰＭにとって十分に高くないため、この場合ではコンプレッサ７Ａの格子１５及び再帰反射器Ｒ３は省かれる。図４に示すレーザ・システムが代わりに用いられる場合、コンプレッサ７Ａの格子１５及び再帰反射器Ｒ３を用いて、ポンプ・レーザ源波長におけるパルスを圧縮することができる。
【0045】
図６は、スペクトル選択的パルス・コンプレッサにおける圧縮の後の、図３の１１８９．５ｎｍのスペクトル帯域の２０ｎｍを選択することによって形成されたパルスの自己相関トレースの再現である。パルスは約２００ｆｓの持続時間を有する。
【0046】
図７は、スペクトル選択的パルス・コンプレッサ７Ｂを概略的に示す２次元図である。ここでは、ファイバ・ラマン増幅器６Ａからのコリメートされたスペクトルが、スペクトル選択的ビーム・スプリッタ１７、２１及び２５によってスペクトル分割される。ビーム・スプリッタは、スペクトル選択されたパルスを２格子コンプレッサ構成に方向付ける。スペクトル選択的アパーチャは、ポンプ・レーザ源１の基本波長の周り及びＣＷシード・レーザ３及び４の中心波長の周りの生成されたスペクトルの所望の領域を選択する。スペクトルの選択された領域は、再帰反射器Ｒ４、Ｒ５及びＲ６によって反射され、より低い高さでミラー２０、ミラー２４及びミラー２８にそれぞれ戻される。３つの選択されたスペクトル・ピークが、３つの異なる光路Ｊ、Ｈ、及びＫを進む。一実例として、１０３０ｎｍのポンプ・レーザ源波長、及びｐドープされたファイバ・ラマン増幅器の場合について、３つのスペクトル・ピークの中心波長は、１０３０ｎｍ、１０９０ｎｍ及び１１８９．５ｎｍであり得る。
【0047】
格子の好ましい溝密度は約１０００ｌ／ｍｍであり得るが、異なる溝密度を有する他の格子も、スペクトル選択的コンプレッサ７Ａ及び７Ｂの回路図に用いることが可能である。
【0048】
他の種類のパルス・コンプレッサ、例えばインファイバ・コンプレッサ（ｉｎ－ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）を用いることができ、それらコンプレッサは、当業者によって理解されるようにそれら自体の課題を提示し得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【国際調査報告】