特表 2024-539578 レーザーモジュールを含むシステム

(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】2024-10-29

(54)【発明の名称】レーザーモジュールを含むシステム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/65 20060101AFI20241022BHJP

   H01S 3/067 20060101ALI20241022BHJP

【ＦＩ】

G01N21/65

H01S3/067

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024519473

(86)(22)【出願日】2022-10-14

(85)【翻訳文提出日】2024-03-28

(86)【国際出願番号】 JP2022038357

(87)【国際公開番号】W WO2023063415

(87)【国際公開日】2023-04-20

(31)【優先権主張番号】63/255,767

(32)【優先日】2021-10-14

(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】509339821

【氏名又は名称】アトナープ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102934

【弁理士】

【氏名又は名称】今井 彰

(72)【発明者】

【氏名】オウ ニール

(72)【発明者】

【氏名】カノルカー アンキター

(72)【発明者】

【氏名】ムルティ プラカッシ スリダラ

【テーマコード（参考）】

2G043

5F172

【Ｆターム（参考）】

2G043AA03

2G043EA04

2G043EA10

2G043HA05

2G043JA01

2G043KA01

2G043LA01

5F172AF03

5F172AF06

5F172AM08

5F172DD06

5F172EE15

5F172NQ53

5F172NR12

5F172NR14

5F172NR23

5F172ZA01

(57)【要約】

システム（１）は、ナローバンドの第１のソースレーザー光（３３）を生成するように構成された第１のレーザー光源（３６）を含むレーザーモジュール（３０）と、フリースペースを使用せずに光ファイバーによって構成された複数の経路（３１０）とを有する。複数の経路は、ストークス光パルス（５１）およびポンプ光パルス（５２）を生成するために第１のソース光パルスを分割するための第１の経路（３０１）と、ストークス光パルス（５１）を供給するために、接続された第１の増幅器（８１ｂ）、第１のＨＣＰＣＦ（８１ａ）、およびＨＮＬＰＣＦ（８５）を含む第１のトレイン（８１）により波長範囲を増幅および広帯域化するための第２の経路（３０２）と、ポンプ光パルス（５２）を供給するために、接続された第２の増幅器（８２ｂ）および第２のＨＣＰＣＦ（８２ａ）を含む第２のトレイン（８２）により増幅するための第３の経路（３０３）とを含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザーモジュールを有するシステムであって、
前記ユーザーモジュールは、ナローバンドの第１のソースレーザー光を発生するように構成された第１のレーザー光源と、
光ファイバーおよび／またはフォトニック集積回路によってフリースペースを用いずに構成された複数の経路とを有し、前記複数の経路は、
ブロードバンドの第１の光パルスとナローバンドの第２の光パルスとを生成するために前記第１のソース光パルスを分割するための第１の経路と、
前記ブロードバンドの第１の光パルスを供給するために、接続された第１の増幅器と、第１の中空コアフォトニック結晶ファイバー（ＨＣＰＣＦ）と、高非線形フォトニック結晶ファイバー（ＨＮＬＰＣＦ）とを含む第１のトレインにより増幅および波長範囲を広げるための第２の経路と、
前記ナローバンドの第２の光パルスを供給するために、接続された第２の増幅器と、第２のＨＣＰＣＦとを含む第２のトレインにより増幅するための第３の経路とを含む、システム。

【請求項2】

請求項１において、
前記複数の経路は、前記ブロードバンドの第１の光パルスと前記ナローバンドの第２の光パルスとを多重化し、時間的に重なる前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとを１つの照射ビームとしてターゲットに照射するように出力するための第４の経路をさらに含む、システム。

【請求項3】

請求項２において、
前記第４の経路は、前記第２の経路から供給される前記第１の光パルスのチャープレートおよび前記第３の経路から供給される前記第２の光パルスのチャープレートの少なくとも一方を変化させて実質的に等しくするチャープレート調整器を含む、システム。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記第１の光パルスは、第１の波長範囲を含み、前記第２の光パルスは、前記第１の波長範囲よりも短い第２の波長範囲を含む、システム。

【請求項5】

請求項４において、
前記複数の経路は、前記第２の波長範囲よりも短い第３の波長範囲を含むナローバンドの第３の光パルスを第２のソースレーザー光から生成するための第５の経路であって、前記第３の光パルスを供給するために、接続された第３の増幅器と、第３のＨＣＰＣＦと、第二高調波発生（ＳＨＧ）とを含む第３のトレインを備えた第５の経路をさらに含む、システム。

【請求項6】

請求項５において、
前記複数の経路は、前記ブロードバンドの第１の光パルス、前記ナローバンドの第２の光パルス、および前記ナローバンドの第３の光パルスを多重化し、前記第１の光パルス、前記第２の光パルス、および前記第３の光パルスを、時間遅れを持つように重ねて１つの照射ビームとして、ターゲットに照射するように出力するための第６の経路を、さらに含む、システム。

【請求項7】

請求項５において、
前記第１の光パルス、前記第２の光パルスおよび前記第３の光パルスを前記照射ビームとして前記ターゲットに供給する光モジュールをさらに有する、システム。

【請求項8】

請求項５ないし７のいずれかにおいて、
前記レーザーモジュールは、前記第１のソースレーザー光および前記第２のソースレーザー光の生成のために分割される、モードロックされたベースレーザーを出力するように構成された発振器をさらに含む、システム。

【請求項9】

請求項１ないし８のいずれかにおいて、
前記第１のソースレーザー光の波長範囲は、１０３０ｎｍを中心とする、システム。

【請求項10】

請求項５ないし８のいずれかにおいて、
前記第１のソースレーザー光の波長範囲は、１０３０ｎｍを中心とし、前記第２のソースレーザー光の波長範囲は、１５６０ｎｍを中心とする、システム。

【請求項11】

請求項１ないし１０のいずれかにおいて、
前記照射ビームによる前記ターゲットの照射の結果として、前記ターゲットによって生成される信号ビームを検出するように構成された検出器をさらに有する、システム。

【請求項12】

請求項１１において、
各画素で信号を取得するために前記照射ビームで前記ターゲットを走査するように構成されたスキャナをさらに有する、システム。

【請求項13】

請求項１１において、
各ボクセルの信号を取得するために前記照射ビームで前記ターゲットを走査するように構成されたスキャナをさらに有する、システム。

【請求項14】

請求項１において、
ＣＡＲＳ信号を生成するために、前記第１の光パルスをストークス光パルスとして供給し、前記第２の光パルスをポンプ光パルスとして供給する光学モジュールをさらに有する、システム。

【請求項15】

請求項６または７において、
前記光モジュールは、ＣＡＲＳ信号を生成するために、前記第１の光パルスをストークス光パルスとして、前記第２の光パルスをポンプ光パルスとして、前記第３の光パルスをプローブ光パルスとして供給する光路をさらに含む、システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザーモジュールを含むシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＷＯ２０１４／０６１１４７号公報には、顕微鏡が開示されている。この顕微鏡は、光源からの光の光束を第１のポンプ光束と第２のポンプ光束とに分割する第１の光分割部と、第２のポンプ光束を入力として受け、ストークス光束を出力するストークス光源と、第１のポンプ光束とストークス光束を多重化して多重化光束を生成する多重化部と、試料中の多重化光束を集める第１の光収集部と、試料から発生するＣＡＲＳ光を検出する第１の検出器（ＣＡＲＳ光は多重化光束とは異なる波長を有する）と、第２のポンプ光束およびストークス光束の少なくとも一方を部分的に参照光束として分岐させる第２の光分割部と、試料からの光束と参照光束とを多重化して干渉光を生成する第２の多重化部と、干渉光を検出する第２の検出器とを備える。

【発明の概要】

【0003】

ＣＡＲＳ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ、 コヒーレントアンチストークスラマン分光、コヒーレント反ストークスラマン分光法）のような非線形光学プロセスをモニターまたは観察するためには、コンパクトなシステムからストークス光パルスのようなブロードバンドパルス（広帯域光パルス、波長幅の広いパルス）とポンプ光パルスのようなナローバンドパルス（狭帯域光パルス、波長幅の狭いパルス）を供給し、それらを用いたプロセスによって作られた信号を取得することが必要となる。

【0004】

この発明の一態様は、レーザーモジュールを含むシステムであり、レーザーモジュールは、ナローバンドの第１のソースレーザー光を発生（生成）するように構成された第１のレーザー光源と、光ファイバーおよび／またはフォトニック集積回路により、フリースペース（自由な空間）を使用せずに構成された複数の経路とを含む。これらの複数の経路は（ｉ）ブロードバンドの第１の光パルスおよびナローバンドの第２の光パルスを生成するために第１のソース光パルスを分割するための第１の経路（第１のルート、第１のセクション、第１のステージ）と、（ｉｉ）ブロードバンドの第１の光パルスを供給するために、スプライスされた（継ぎ合わされた、接続された）第１の増幅器と、第１の中空コアフォトニック結晶ファイバー（ＨＣＰＣＦ）と、高非線形フォトニック結晶ファイバー（ＨＮＬＰＣＦ）とを含む第１のトレイン（第１の系列）により増幅および波長範囲を広げるための第２の経路（第２のルート、第２のセクション、第２のステージ）と、（ｉｉｉ）ナローバンドの第２の光パルスを供給するために、スプライス（継ぎ合わされた、接続された）第２の増幅器と、第２のＨＣＰＣＦとを含む第２のトレイン（第２の系列）により増幅するための第３の経路（第３のルート、第３のセクション、第３のステージ）とを含む。第２の経路では、ＨＣＰＣＦとＨＮＬＰＣＦとの２種類のフォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ）を直接（フリースペースなしで）増幅器とスプライス（継ぎ合わせ、接続）することにより、ＨＣＰＣＦが備えるコンプレッション機能（圧縮機能）と、ＨＮＬＰＣＦが備えるスーパーコンティニウム（ＳＣ）発生機能とを、増幅器（アンプ）とともに、ファイバーまたはフォトニック集積回路の１つの系列（１つの系統、１つのシリーズ）に集積（統合）することができ、１つまたは複数のフリースペースの回折格子を用いたコンプレッサーや、他のフリースペースの光学素子を省略することで、レーザーモジュールを含むシステムをコンパクトにすることができる。また、第３の経路では、ナローバンドの第２の光パルス用の第２のＨＮＬＰＣＦ（第１のＨＮＬＰＣＦとは異なる）と増幅器とを直接（フリースペースなしで）スプライス（継ぎ合わせ、接続）することにより、ＨＣＰＣＦが提供する圧縮機能と増幅器とを、ファイバーまたはフォトニック集積回路の１つの系列（１つの系統、単一のシリーズ）に集積（統合）することができ、さらなるフリースペースの回折格子を用いたコンプレッサーやフリースペースの光学素子を省略することにより、レーザーモジュールを含むシステムをさらにコンパクトにすることができる。

【0005】

複数の経路は、ブロードバンドの第１の光パルスとナローバンドの第２の光パルスとを多重化し、時間的に重なる第１の光パルスと第２の光パルスとを１つの照射ビームとしてターゲットに照射するため出力する第４の経路を含んでもよい。第４の経路は、第２の経路から供給される第１の光パルスのチャープレート（チャープ率）および第３の経路から供給される第２の光パルスのチャープレート（チャープ率）の少なくとも一方を変化させて実質的に等しくなるように調整するチャープレート調整器を含んでもよい。第１の光パルスは第１の波長範囲を含み、第２の光パルスは第１の波長範囲よりも短い第２の波長範囲を含んでもよい。本システムでは、第１の光パルスおよび第２の光パルスを、フリースペースの光学素子を用いずに、集積された光ファイバーまたはフォトニック集積回路（光集積回路）から、照射光として第４の経路を介して出射でき、コンパクトなシステムを提供できる。

【0006】

複数の経路は、第２の波長範囲よりも短い第３の波長範囲を有するナローバンドの第３の光パルスを、第２のソースレーザー光から生成するための第５の経路であって、第３の光パルスを供給するようにスプライスされた（継ぎ合わされた、接続された）第３の増幅器と、第３のＨＣＰＣＦと、第２高調波発生（ＳＨＧ）とを含む第３のトレイン（系列）を備える第５の経路を含んでもよい。複数の経路は、ブロードバンドの第１の光パルス、ナローバンドの第２の光パルス、およびナローバンドの第３の光パルスを多重化し、第１の光パルス、第２の光パルス、および第３の光パルスを、時間遅れを持つように重ねて（オーバーラップさせて）、１つの照射ビームとして、ターゲットに照射するために出力する第６の経路をさらに含んでもよい。このシステムは、第１の光パルス、第２の光パルス、および第３の光パルスを照射ビームとしてターゲットに供給するための光モジュールをさらに含んでもよい。このレーザーモジュールは、第１のソースレーザー光と第２のソースレーザー光の生成のために分割される、モードロックされたベースレーザーを出力するように構成された発振器を含んでいてもよい。第１のソースレーザー光の波長の典型的な範囲の１つは１０３０ｎｍを中心とし、第２のソースレーザー光の波長の典型的な範囲の１つは１５６０ｎｍを中心とするものである。

【0007】

本システムは、照射ビームによるターゲットを照射した結果として、ターゲットによって生成される信号ビームを検出するように構成された検出器を含んでいてもよい。本システムは、二次元のマイクロスコピイメージング（２Ｄ顕微鏡画像化）を実行するために、各画素で信号を取得するように照射ビームでターゲットをスキャン（走査）するように構成されたスキャナを含んでもよい。このシステムは、三次元のマイクロスコピイメージング（３Ｄ顕微鏡画像化）を実行するために、各ボクセルで信号を取得するように照射ビームでターゲットをスキャンするように構成されたスキャナを含んでもよい。

【0008】

本システムの典型的な用途の一つは、ターゲットからのＣＡＲＳ信号の検出および／または分析を含むシステムである。本システムは、ＣＡＲＳ信号を生成するために、第１の光パルスをストークス光パルスとして供給し、第２の光パルスをポンプ光パルスとして供給する光学モジュールを含んでもよい。光モジュールは、ＣＡＲＳ（ＴＤ－ＣＡＲＳ）信号を生成するために、第１の光パルスをストークス光パルスとして、第２の光パルスをポンプ光パルスとして、第３の光パルスをプローブ光パルスとして供給する光学モジュール（光路）を含んでもよい。

【図面の簡単な説明】

【0009】

以下の図面を参照した詳しい説明により、幾つかの実施形態をより理解できるであろう。

【図1】図１は、この発明のシステムの一実施形態を示す。

【図2】図２は、上記システムの波長プランを示す。

【図3】図３は、参照用の光学モジュールのブロック図を示す。

【図4】図４は、この発明のレーザーモジュールの一実施形態のブロック図を示す。

【図5】図５は、この発明の異なるシステムの一実施形態を示す。

【図6】図６は、上記システムの波長プランを示す。

【図7】図７は、この発明の異なるレーザーモジュールの一実施形態のブロック図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本明細書における実施形態ならびにその様々な特徴および有利な詳細は、添付図面に図示され、以下の説明において詳述される非限定的な実施形態を参照して、より十分に説明される。周知の構成要素および処理技術の説明は、本明細書における実施形態を不必要に不明瞭にしないように省略する。本明細書で使用される例は、単に、本明細書の実施形態が実施され得る方法の理解を容易にし、当業者が本明細書の実施形態を実施することをさらに可能にすることを意図している。したがって、実施例は、本明細書における実施形態の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

【0011】

本明細書では、ファイバーレーザーおよび非線形光学で使用される多くの用語が示され、その略語が使用される。以下のリストは、本明細書で使用される略語である。
ＦＬ Fiber Laser ファイバーレーザー
ＯＳＣ Oscillator 発振器（オシレーター）
ＬＤ Laser Diode レーザーダイオード
ＰＤ Photo Diode フォトダイオード
ＥＶＯＡ Electronically Controlled Variable Optical Attenuator
電子制御式可変光減衰器
ＳＡＭ Saturable Absorber Mirror 可飽和吸収ミラー
ＦＣ／ＡＰＣ Ferrule Connecter/Angled Physical Contact
フェルール継手／斜めフィジカルコンタクト（平面研磨接合）
Ｅｒ Erbium エルビウム
ＥＤＦＡ Erbium Doped Fiber Amplifier エルビウム添加ファイバー増幅器
Ｙｂ Ytterbium イッテルビウム
ＹＤＦＡ Ytterbium Doped Fiber Amplifier イッテルビウム添加ファイバー増幅器
ＳＭＦ Single Mode Fiber シングルモードファイバー
ＰＭ Polarization Maintaining 偏波保持
ＨＮＬＦ Highly Nonlinear Fiber 高非線形ファイバー
ＰＣＦ Photonic Crystal Fiber フォトニック結晶ファイバー
ＨＣＰＣＦ Hollow‐Core Photonic Crystal Fiber
中空コアフォトニック結晶ファイバー
ＨＮＬＰＣＦ Highly Non-Liner Photonic Crystal Fiber
高非線形フォトニック結晶ファイバー
ＳＣＰＣＦ Supercontinuum Photonic Crystal Fiber
スーパーコンティニウムフォトニック結晶ファイバー
ＷＤＭ Wavelength Division Multiplexing 波長分割多重方式
ＣＩＲ Optical Circulator 光サーキュレーター
ＳＣ Super Continuum スーパーコンティニウム
ＳＨＧ Second Harmonic Generation 第二高調波発生
ＦＷＨＭ Full Width Half Maximum 半値幅
ＣＡＲＳ Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy
コヒーレント反ストークスラマン分光法
ＣＰＡ Chirped Pulse Amplification チャープパルス増幅（器）
ＣＦＢＧ Chirped Fiber Bragg Grating
チャープファイバーブラッググレーティング（チャープファイバーブラッグ格子）
ＩＷ Isolator/WDM Hybrid アイソレーター／ＷＤＭハイブリッド
ＴＷ Tap/WDM Hybrid タップ／ＷＤＭハイブリッド
ＴＩＷ Tap/Isolator/WDM Hybrid タップ／アイソレーター／ＷＤＭハイブリッド
ＮＰＤ Non-photon Power Dissipation ノンフォトンパワー損失（消費）

【0012】

図１は、この発明の実施形態によるシステム１を示す。システム１は、ストークス光パルス５１を第１の光パルスとして、ポンプ光５２を第２の光パルスとして、さらにプローブ光５３を第３の光パルスとして供給し、ストークス光パルス５１、ポンプ光パルス５２およびプローブ光パルス５３を含むビーム（光束）により照射されたターゲット（物体、試料）５の点５ａにおいてＣＡＲＳ光（ＣＡＲＳ信号、信号ビーム）５５を生成する（発生させる）ための光学モジュール１０を有する。光学モジュール１０は、ストークス光パルス５１とポンプ光パルス５２とが時間的に重なった第１のビーム３１と、プローブ光５３とを供給するためのレーザーモジュール３０と、ストークス光パルス５１、ポンプ光パルス５２およびプローブ光パルス５３を照射ビーム５４として合波または結合（一本化）するための複数の光学素子２９を含む光学プレート２０とを含む。システム１は、レンズ４５および他の光学素子を介して、ストークス光パルス５１、ポンプ光パルス５２およびプローブ光パルス５３によってターゲット５を走査（スキャン）し、ターゲット５からのＣＡＲＳ光５５を取得するように構成された走査モジュール（スキャナー、スキャンニングモジュール）４０と、解析のためにＣＡＲＳ光５５を検出するように構成された検出器（ディテクタ―）６５とを含んでもよい。システム１は、システム１全体を制御するためのコントローラー（プロセッサー）６０を含んでもよい。コントローラー６０は、レーザー制御モジュール（レーザーコントローラー）６１、分析器（アナライザー）６２などの他の機能を含んでもよい。

【0013】

スキャニングモジュール（スキャナー）４０は、指先スキャニングインターフェースモジュール、非侵襲サンプラー、侵襲サンプラー、流路（フローパス）、またはウェアラブルスキャニングインターフェースであってもよい。各タイプの走査インターフェース（スキャンニングインターフェース）は交換可能であってもよい。走査モジュール（スキャンニングモジュール、スキャナ）４０は、照射ビーム５４でターゲット５を走査し、２次元ＣＡＲＳ顕微鏡画像化（２ＤＣＡＲＳマイクロスコピイメージング）を実行するために、各画素（ピクセル、点）５ａでＣＡＲＳ信号５５を取得するように構成されてもよい。スキャナ４０は、照射ビーム５４でターゲット５を走査し、三次元ＣＡＲＳ顕微鏡画像化（３ＤＣＡＲＳマイクロスコピイメージング）を実行するために、各ボクセル５ａでＣＡＲＳ信号５５を取得するように構成されてもよい。

【0014】

レーザーモジュール３０の実施形態の１つは、ファイバーレーザーモジュール（フルファイバーレーザーモジュール）である。ファイバーレーザーモジュール３０は、ナローバンド（狭帯域、狭いバンド幅）の第１のソースレーザー光３３を生成するように構成された１μｍレーザー生成ステージ（第１のレーザー光源）３６と、第１のソースレーザー光３３からストークス光パルス５１およびポンプ光パルス５２を生成するためのストークス－ポンプパルス生成ステージ３７と、第２のソースレーザー光３４からプローブ光パルス５３を生成するためのプローブパルス生成ステージ３８と、モードロックされたベースレーザー３５ａを出力するように構成された発振器（オッシレーター、ＯＳＣ）３５とを含んでもよく、ベースレーザー３５ａは、第１のソースレーザー光３３および第２のソースレーザー光３４の生成のために分割される。

【0015】

図２は、ＣＡＲＳ光学システム１の波長プランの１つを示す。ストークス光パルス（第１の光パルス）５１は、波長１０８５～１２３０ｎｍ（４００ｃｍ^－１～１５００ｃｍ^－１）の第１の範囲Ｒ１を有し、ポンプ光パルス（第２の光パルス）５２は、波長１０４０ｎｍの第２の範囲Ｒ２を有し、プローブ光パルス（第３の光パルス）５３は、波長７８０ｎｍの第３の範囲Ｒ３を有し、ＴＤ－ＣＡＲＳ光パルス（ＣＡＲＳ光、時間依存ＣＡＲＳ、時間遅延ＣＡＲＳ）５５は、波長６８０～７６０ｎｍの範囲Ｒ５を有する。ストークス光パルス５１およびポンプ光パルス５２は、数１０～数１００ｍＷで、１～数１００ｆＳ（フェムト秒）オーダーのパルス幅を含んでもよい。プローブ光パルス５３は、数１０～数１００ｍＷで、１～数１０ｐＳ（ピコ秒）オーダーのパルス幅を含んでもよい。時間分解コヒーレント反ストークスラマン散乱または時間遅延コヒーレント反ストークスラマン散乱（ＴＤ－ＣＡＲＳ）マイクロスコピ（顕微鏡法）は、仮想電子遷移とラマン遷移の時間応答の差（異なり）を利用することにより、非共鳴バックグラウンドを抑制する技術としても知られている。このような測定手法を、様々な用途に容易に適用できるシステムが求められている。

【0016】

光学プレート２０上には、光学プレート２０のフリースペース（自由空間）に幾つかの光路を構成するためのミラー、プリズム、ダイクロイックミラー等の複数の光学素子（フリースペース光学素子）２９が搭載されている。これらの光路の１つは、プローブ光パルス５３を供給する光路２３であり、ポンプ光５２とプローブ光５３との間の時間遅延を制御するための遅延モジュール（ディレイ、変調モジュール）２３ａを含む。ストークス光５１、ポンプ光５２およびプローブ光５３のビームを結合し、ＣＡＲＳビーム５５を分離するために、他のフリースペース光学素子が設けられてもよい。

【0017】

図３は、ファイバーレーザーモジュール（ファイバーレーザーセンブリ）９３および光学プレート９２を含む光学モジュール９０の参考例の１つを示す。このファイバーレーザーモジュール９３は、ストークス光パルス５１、ポンプ光パルス５２およびプローブ光パルス５３を供給するための２つの基本的な光源９５および９６を提供する。一方は１０３２ｎｍを中心とする波長を含み、他方は１５６０ｎｍを中心とする波長を含む。これら２つの出力９５および９６は光学プレート９２への入力となり、光学プレート９２の入力要件に一致する。１０３２ｎｍの出力９５は、１２ＭＨｚでパルス時間のＦＷＨＭが約６６ｐｓの光パルスを供給する。スペクトルのＦＷＨＭバンド幅（帯域幅）は約１４ｎｍであり、コリメーターに接続されたＦＣ／ＡＰＣコネクターから直接出力される平均出力パワーは４５０ｍＷ～５２０ｍＷの範囲である。この出力は、パルスコンプレッション（圧縮）のためにフリースペース（自由空間）回折格子コンプレッサー（圧縮器）７１に送られる。コンプレッサー７１の後、ビームはそれぞれＣＡＲＳストークスとＣＡＲＳポンプとの発生用に２つのアーム２１および２２に分割される。１０３２ｎｍのファイバーレーザーの出力９６におけるパワーは、フリースペースにおける伝搬による損失を補償するためのものであり、パワーレベルは光学プレート上の更なるステージにおける入力の要求を満たすものである必要がある。

【0018】

１５６０ｎｍの出力９６は、１０３２ｎｍの出力９５と全く同じパルス繰り返し率である１２ＭＨｚで提供される。ＦＷＨＭパルス幅は約３５ｐｓであり、ＦＷＨＭスペクトルバンド幅は約７ｎｍである。平均出力は１３０ｍＷから１８０ｍＷの範囲である。この出力９６は、パルスコンプレッションのためにフリースペース回折格子コンプレッサー７２に送られる。コンプレッサー７２の後、ビーム９６は非線形結晶を介してＳＨＧ２３ｓで使用され、波長７８０ｎｍのＣＡＲＳプローブビーム５３を提供する。ＳＨＧ２３ｓは、プローブパルス形状制御機能を有するＰＰＬＮ（周期的に分極されたニオブ酸リチウム）２３ｓを含んでもよい。プローブ光５３として供給されるプローブパルスには、相反する２つの要件がある。すなわち、ナローバンドのプローブパルスは、システムにおける高いスペクトル分解能のために必要であり、鋭いエッジを有するプローブパルスは、共振ＣＡＲＳ信号５５を抑制するために時間遅延を使用する場合、システムの時間分解能のために必要である。ＰＰＬＮ２３ｓを用いることで、単純に結晶を貼り合わせたものと比較して、より高い変換効率と広いバンド幅とを得ることができる。同時に、ＰＰＬＮの周期構造を使用することで、同じバンド幅の等価なガウスパルスよりもはるかに急峻なプローブエッジを生成するという前向きな干渉結果が得られる。このモジュール９３の詳細は、本出願人のＰＣＴ／ＪＰ２０２１／０３３３８４に開示されており、このＰＣＴ出願の全内容は参照により本明細書に組み込まれる。

【0019】

ファイバーレーザーモジュール９３は（１）第１のライトソース（光源）９５および第２のライトソース（光源）９６の生成のために分割される、モードロックされたベースレーザー３５ａを出力するように構成された発振器（オッシレーター、ＯＳＣ）３５と、（２）ベースレーザー３５ａの波長範囲を引き伸ばすことによって第１のソースレーザー光３３を生成するように構成されたジェネレーター（発生装置、生成ステージ、ジェネレーションステージ）３２０と、（３）第１のライトソース９５のための第１のプリアンプ３４０および第１のチャープパルス増幅（ＣＰＡ）ユニット３５０を含む第１の増幅器３３０と、（４）第２のライトソース９６のための第２のプリアンプ３７０および第２のチャープパルス増幅（ＣＰＡ）ユニット３８０を含む第２の増幅器３６０と、（５）発振器３５の発振源として、ジェネレーター３２０のポンプ電力（※１）として、第１のプリアンプ３４０のポンプ電力（※２）として、および第２のプリアンプ３７０のポンプ電力（※３）として、第１のレーザーダイオード（ＬＤ０）３９５からのレーザー電力を分配するように構成されたＬＤパワー分配器３９０とを含む。

【0020】

ＬＤパワー分配器は、発振器３５に供給されるレーザーパワーを安定化させるための第１のＥＶＯＡ（電子制御式可変光減衰器）３９１と、ジェネレーター３２０に供給されるレーザーパワーを安定化させるための第２のＥＶＯＡ３９２とを含む。このファイバーレーザーモジュール９３では、ソースライト９５および９６のための各増幅器３３０および３６０にプリアンプ３４０および３７０をそれぞれ設け、ＬＤパワー分配器３９０が共通のレーザーダイオードＬＤ０３９５からのレーザーパワーを、発振器３５およびジェネレーター３２０に加えて、各プリアンプ３４０および３７０に分配する。この構成により、ＬＤの数を削減できるだけでなく、動作可能なレーザーダイオード（共通ＬＤ）３９５を、ＬＤの設計出力レベルの９０％～１００％で動作させることができる。

【0021】

レーザーモジュール９３全体として４つのサブアッセンブリ（ステージ）を含み、それらは発振器ステージ（ＯＳＣ）３５と、１μｍ生成ステージ（ジェネレーター）３２０と、１０３２ｎｍＣＰＡステージ３５０と、１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０とである。以下、各ステージについて説明する。

【0022】

ファイバーレーザーモジュール９３は、ポンプＬＤおよび電力分配３９０として機能するＦＬモジュールを含む。３つのＬＤ３９５～３９７があり、ＬＤ０（３９５）、ＬＤ１（３９６）、およびＬＤ２（３９７）はそれぞれ９８０ｎｍにおいて６００ｍＷ、８５０ｍＷ、および８５０ｍＷの最大出力が得られる。ＬＤ０（３９５）は、発振器３５、１μｍジェネレーター３２０の増幅器、ＣＰＡステージ３５０および３８０の前のプリアンプステージ３４０および３７０にポンプ電力を供給する。まず、ＬＤ０（３９５）からの出力（レーザーパワー）は、２０／８０カプラ（ＦＬ１４）に直接接続（スプライス）される。その後、２０％アームはＥＶＯＡ１（３９１）に接続され、電子的に制御される。ソフトウェアループは、このコンポーネントと連動して、発振器３５からの出力電力を正確に制御することができる。ＦＬ１４からの８０％アームは、次にカプラ（ＦＬ１５）で５０／５０の比率に分割される。ＦＬ１５からの片方のアームはＥＶＯＡ２（３９２）に送られ、ジェネレーター３２０で安定した１μｍを発生させるためのアンプ出力制御に使用される。ＦＬ１５からのもう一方の５０％アームは再び５０／５０に分割され、各アームはＣＰＡステージ３３０および３６０のプリアンプポンプ入力に接続（スプライス）される。

【0023】

ファイバーレーザーＯＳＣ３５は、Ｅｒドープ活性ファイバーで構築され、Ｃバンド範囲（１５３０ｎｍ～１５６５ｎｍ）の出力波長を提供し、分配器３９０のレーザーダイオードＬＤ０（３９５）は９７６ｎｍで動作する。この発振器３５に使用されているファイバーには、Ｃバンド波長で異常分散と通常分散を持つＰＭ－ＳＭＦが含まれている。これは、共振器内の不要な非線形効果を最小化するよう、共振器分散を管理するためである。ファイバー長は、出力仕様の繰り返し周波数（１２ＭＨｚ）に合わせて正確に調整されている。レーザー出力３５ａはＳＡＭでモードロックされ、ＦＷＨＭスペクトル帯域幅は６～８ｎｍ、平均出力は１～１．５ｍＷであるが、ＳＡＭとＥｒファイバーの特性による。出力３５ａの１０％はファイバーカプラで分割され、発振器パワーモニター用にフォトダイオードＰＤ０に送られる。このＯＳＣパワーモニターは、ＯＳＣ３５の出力パワーを一定に制御するために、ＥＶＯＡ１（３９１）への印加電圧を制御する電子基板にフィードバックされる。残りの９０％は５０／５０に分割され、それぞれ１μｍジェネレーターステージ３２０と、１５６０ｎｍＣＰＡステージ（第２の増幅器）３６０とに送られる。

【0024】

ステージ３２０の機能は、１５６０ｎｍベースレーザー３５ａから、波長１μｍのナローバンドの第１のソースレーザー光３３を第１のレーザー光源として生成することである。その目的は、１μｍアームと、１．５μｍアームとの両方で全く同じ繰り返し率（反復率、リピティションレート）を得ることである。このステージ３６０では、このステージ３６０内に組み込まれたＥＤＦＡ（Ｅｒ０２）でパワー増幅が行われ、増幅器からの平均出力は約１８ｍＷである。パワーの１％はカップリングされ、アンプ出力直後のパワーモニター用のＰＤ１に送られる。ＰＤ１からの信号は、ＥＶＯＡ２（３９２）を制御する基板へのフィードバックとなるため、このＥＤＦＡからの出力電力を一定に保つことができる。ＥＤＦＡの出力パルスは、負の分散を持つファイバーの一部によって直にコンプレス（圧縮）される。ＨＮＬＦ３２５へのスプライスポット（接続スポット、接合スポット）では、ＦＷＨＭパルスの持続時間は約６０ｆｓに圧縮され、それは約２５ｋＷのピークパワーに対応する。このピークパワーを持つ光パルスを短いＨＮＬＦに送ると、波長は１５６０ｎｍから拡張され（延び）、最終的には１μｍから１．７μｍの範囲をカバーする。これがいわゆるＳＣ（スーパーコンティニウム）発生プロセスである。すなわち、このピークパワーで、パルスは強い非線形効果を伴ってＨＮＬＦ３２５中を伝搬し、スペクトルは１５６０ｎｍから短波長側にも長波長側にも広がり、最終的には１μｍから１．７－１．８μｍに及ぶスーパーコンティニウムスペクトルを形成することができる。この１μｍの部分が、次の増幅ステージ３３０のために採取されるターゲットである。

【0025】

１０３２ｎｍのＣＰＡステージ３３０は、プリアンプ（プリアンプリフィケーション、前置増幅）、パルスストレッチ（パルス伸張）、ファイナルアップリフィケーション（最終増幅）のプロセスを含む。ディストリビュータ３９０内のどのＥＶＯＡにも接続されていない５０％のポンプ分岐は、ここで別のファイバーカプラ（ＦＬ１６）によって再び５０／５０に分岐される。一方のアームはこの１０３２ｎｍＣＰＡステージ３３０のプリアンプ３４０へ、もう一方のアームは後で説明する１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０のプリアンプ３７０へ接続される。生成された１μｍのレーザーは、１μｍＣＩＲ３３３のポート＃１へ送られる。このＣＩＲ３３３のポート＃１からポート＃２へは、構成要素の特性によりＳＣスペクトルから１μｍ部分のみが選択される。ポート＃２では、Ｙｂファイバー（Ｙｂ０１）、ＣＦＢＧ３３５、１０３０／９８０ＷＤＭ／Ｔａｐハイブリッドコンポーネント３３６が順に接続（接合、スプライス）される。選択された１μｍシードがまずＹｂファイバーと出会い、増幅される。その後、ＣＦＢＧ３３５が１０１８ｎｍ～１０５３ｎｍの波長範囲内で４０％のパワーを反射する。この範囲外の波長はＣＦＢＧ３３５を直接透過し、ＷＤＭ３３６から出力される。ＷＤＭ３３６の出力は、このプリアンプ３４０の後のスペクトラム（ｔａｐ２へ）とパワー（ＰＤ２へ）とのモニターとして使用される。反射された部分は再びＹｂファイバー（Ｙｂ０１）を通過し、ポート＃２に戻る前に２回目の増幅が行われる。ポート＃２に入ったプリアンプ（前置増幅）された１μｍパルスは、ＣＩＲ３３３のポート＃３から出力される。この時点で、１μｍパルスは伸張（ストレッチ）され、最終の増幅器３５０で増幅される準備ができた状態となる。

【0026】

ＬＤ１（３９６）は、１０３２ｎｍの最終増幅器３５０に最大８５０ｍＷのポンプパワーを供給する個別のレーザーダイオードである。最初に、ＣＩＲポート＃３からのシード（入力）はアイソレーター／ＷＤＭハイブリッドコンポーネント３３７に接合（スプライス）される。この部品は、反射光と残留したポンプによる損傷から前のステージを保護する。その後で、Ｙｂファイバー（Ｙｂ０２）とＷＤＭ３３８とが順に接続（接合）され、１０３２ｎｍＣＰＡステージ３３０の構成は完了する。最終的な出力（第１のライトソース（光源））９５として、ＦＷＨＭパルス持続時間が約６６ｐｓの１２ＭＨｚの光パルスを供給する。スペクトルＦＷＨＭ帯域幅は約１４ｎｍで、コリメーターに接続されたＦＣ／ＡＰＣコネクターから直接出力される平均出力は４５０ｍＷ～５２０ｍＷの範囲である。ＰＤ３とｔａｐ３には、それぞれ１％のＴａｐが結合され、パワーとスペクトルをモニターする。ＰＤ３はまた、１０３２ｎｍＣＰＡステージ３３０からの一定出力の制御ループを形成するためのフィードバックも提供する。

【0027】

１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０は、プリアンプ（前置増幅）、パルスストレッチ、および最終増幅のプロセスを含む。コンセプトは１０３２ｎｍＣＰＡステージ３３０と同じであるが、異なる波長領域で動作するため、構成要素が若干異なる。プリアンプ（前置増幅器）３７０のポンプ光源は、分配器３９０からのスプリットされたポンプの残り半分である。１５６０ｎｍのビーム（第２のソースパルス）３４のシード（入力）は、ＯＳＣ出力３５ａの８０％に分割されたものからさらに分割された残り半分である。１０３２ｎｍＣＰＡステージ３３０と同じ考え方が１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０にも適用されるが、１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０は、１５６０ｎｍで動作するＣＦＢＧ３６３およびＷＤＭ３６４コンポーネントを使用することによるプリアンプリフィケーションおよびパルス伸張プロセスにシードを入力するために１５６０ｎｍＣＩＲ３６１ポート＃１を使用する。ＬＤ２（３９７）は、１５６０ｎｍの最終増幅器３８０に最大８５０ｍＷのポンプパワーを供給するもう１つの独立したレーザーダイオードである。ＣＩＲ３６１のポート＃３から、プリアンプされたシードがＥｒファイバー（Ｅｒ０４）とタップ／アイソレーター／ＷＤＭハイブリッドコンポーネント３６５に送られ、１５６０ｎｍのＣＰＡステージ３６０の構成が完成する。

【0028】

最終出力は、１５６０ｎｍ出力９６として１２ＭＨｚの光パルスを提供する。ＦＷＨＭパルス持続時間は約３５ｐｓであり、ＦＷＨＭスペクトル帯域幅は約７ｎｍである。平均出力は１３０ｍＷから１８０ｍＷの範囲である。ＰＤ４とｔａｐ４にはそれぞれ１％Ｔａｐが結合され、パワーとスペクトルをモニターする。ＰＤ４はまた、１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０からの一定出力の制御ループを形成するためのフィードバックも提供する。

【0029】

図４は、本発明のレーザーモジュール３０の実施形態の１つを示す。このレーザーモジュール３０は、フルファイバーレーザーモジュール（全てがファイバーで構成されたレーザーモジュール）であり、第１のソースレーザー光（源レーザー光）３３と第２のソースレーザー光（源レーザー光）３４とに分岐される、モードロックされたベースレーザー３５ａを供給するための発振器３５と、ベースレーザー３５ａからナローバンドの（バンド幅の狭い、波長範囲の狭い、狭帯域の）第１のソースレーザー光３３を生成するための１μｍレーザー生成ステージ（第１のレーザー光源）３６と、複数の経路（ルート、光ファイバールート、光ファイバーセクション）３１０とを含む。複数の経路３１０は、（ｉ）ブロードバンドの（バンド幅の広い、波長範囲の広い、広帯域の）第１の光パルス（ストークス光パルス）５１およびナローバンドの第２の光パルス（ポンプ光パルス）５２を生成するために、第１のソース光パルス３３を分岐するための第１の経路３０１と、（ｉｉ）ブロードバンドの第１の光パルス（ストークス光パルス）５１を供給するために、直接（フリースペースなしで）接続（接合、継ぎ合わせ、スプライシング）された第１の増幅器８１ｂ、第１の中空コアフォトニック結晶ファイバー（ＨＣＰＣＦ）８１ａ、および高非線形フォトニック結晶ファイバー（ＨＮＬＰＣＦ）８５を含む第１のトレイン（第１の系列）８１により増幅およびブロードバンド化する（波長範囲を広げる）ための第２の経路３０２と、（ｉｉｉ）ナローバンドの第２の光パルス（ポンプ光パルス）５２を供給するために、直接（フリースペースなしで）接続（スプライシング）された第２の増幅器８２ｂおよび第２のＨＣＰＣＦ８２ａを含む第２のトレイン８２により増幅するための第３の経路３０３と、（ｉｖ）ストークス光パルス５１とポンプ光パルス５２とを多重化し、時間的に重なるストークス光パルス５１およびポンプ光パルス５２を、ターゲット５に照射するための１つの照射ビーム３１として出力するための第４の経路３０４と、（ｖ）直接（フリースペースなしで）接続（スプライシング）された第３の増幅器８３ｂ、第３のＨＣＰＣＦ８３ａおよびＳＨＧ２３ｓを含む第３のトレイン８３により、ナローバンドの第３の光パルス（プローブ光パルス）５３を生成し、プローブ光パルス５３を供給する第５の経路３０５とを含む。第１の経路３０１、第２の経路３０２、第３の経路３０３および第４の経路３０４は、第１のソースレーザー光３３からストークス光パルス５１およびポンプ光パルス５２を生成するためのストークス－ポンプパルス生成ステージ（発生段）３７を構成する。第５の経路３０５は、第２のソースレーザー光３４からプローブ光パルス５３を発生させるためのプローブパルス生成ステージ（発生段）３８を構成する。

【0030】

発振器３５は、図３を参照して説明したものと同一または共通の構成を有してもよい。１μｍレーザー発生ステージ３６は、発生器３２０、または上述したように発生器３２０および１μｍレーザープリアンプリフィケーション（前置増幅器）３４０を含んでいてもよい。第１の経路（ルート）３０１は、第１のソースレーザー光３３を第２の経路３０２と第３の経路３０３とに分離（分割）するための５０／５０カプラ３０９と、ナローバンドのポンプ光パルス５２の入力を調整するためのナローバンドフィルター３０１ａを含んでもよい。第１のソースレーザー光３３の波長範囲は１０３０ｎｍを中心としている。

【0031】

第２の経路３０２の第１のトレイン（第１のアーム、第１のライン、光ファイバーの第１の系列）８１は、ストレッチング（伸張するための）ファイバー８１ｄと、プリアンプ（プリアンプリファイアー）８１ｃと、増幅器（アンプリファイアー）８１ｂと、ＨＣＰＣＦ８１ａと、ＨＮＬＰＣＦ８５とをフリースペースなしで接続したものを含んでもよい。プリアンプ８１ｃおよび増幅器８１ｂはそれぞれ、上述したプリアンプ３４０および増幅器３５０と同一または共通の構成を有していてもよい。また、ストレッチング（伸張、拡張）については、ストレッチングファイバー８２ｄの代わりに、１０３２ｎｍＣＰＡステージ３３０で説明したＣＦＢＧを用いた構成を適用することができる。

【0032】

ＨＣＰＣＦ８１ａは、上述した光学モジュール９０において適用されたフリースペースコンプレッサー（自由空間圧縮器）に代わるものであり、ＨＣＰＣＦ８１ａの端部からコンプレス（圧縮）された高ピーク出力のパルスを送出する。ＨＣＰＣＦ８１ａはＨＮＬＰＣＦ８５に直接スプライス（直に接続、直に接合、継ぎ合わせ）することができ、ブロードバンドのストークス光パルス５１を生成するためのスーパーコンティニウムＰＣＦ（ＳＣＰＣＦ）として使用できる。幾つかの文献は、ＨＣＰＣＦ８１ａが卓越したファイバービーム伝送器または極めて効率的な非線形コンプレッサーとして使用できることを示唆している（例えば、Ｍａｒｔｉｎ Ｍａｕｒｅｌ， Ｍａｔｔｈｉｅｕ Ｃｈａｆｅｒ， Ｂｅｎｏｉｔ Ｄｅｂｏｒｄ， Ｆｏｕｅｄ Ａｍｒａｎｉ， Ｂｅｎｏｉｔ Ｂｅａｕｄｏｕらの「Ｓｃａｌａｂｌｅ ｈｏｌｌｏｗ ｆｉｂｅｒ ｐｕｌｓｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｆｏｒ ＮＩＲ ａｎｄ ＵＶ ｌａｓｅｒｓ．」ＳＰＩＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｗｅｓｔ ２０１９、２０１９年２月、サンフランシスコ、米国。論文１０８９９．ｈａｌ－０２３２９６９２）。

【0033】

直に接続された第１の増幅器８１ｂ、第１のＨＣＰＣＦ８１ａ、およびＨＮＬＰＣＦ８５を含む第１のトレイン８１を使用することにより、１０３０ｎｍを中心とする波長範囲を有する第１のソースレーザー光３３から全てファイバーによりストークス光を発生することができ、最終的なコリメート前に、アライメントフリーの（自由にアライメント（配列）できる）ストークス光パルス５１を供給できる。第２の経路３０２では、２つの異なるタイプのフォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ）、すなわち、ＨＣＰＣＦ８１ａおよびＨＮＬＰＣＦ８５を増幅器８１ｂと直接（自由空間なしで）スプライシング（接合、接続）することにより、ＨＣＰＣＦ８１ａによって提供される圧縮機能と、ＨＮＬＰＣＦ８５によって提供されるスーパーコンティニウム（ＳＣ）発生機能とを、増幅器８１ｂとともに単一で一連（連続した）のファイバー（第１のトレイン、第１の系列）８１に集積（統合）することができる。したがって，レーザーモジュール３０を含む光モジュール１０およびシステム１では，１つまたは複数のフリースペース回折格子コンプレッサーおよび他のフリースペースの光学素子を省略することが可能であり，コンパクトにすることができる。

【0034】

また、全てがファイバーからなる（フルファイバーの）ストークス生成システム（発生系、第２の経路）３０２を用いることにより、フリースペースを伝搬することにおける損失を低減することができるので、ストークス光パルス５１のパワーレベルを容易に向上させたり、レーザーモジュール３０における消費エネルギーを低減させたりすることができる。ＨＣＰＣＦ８１ａをコンプレッサーとして用いる場合、ブロードバンドのストークス光パルスを生成（発生）するケースでは、長さ５～１２ｍ、さらに好適には７～９ｍのＨＣＰＣＦ８１ａが必要になると考えられる。

【0035】

第３の経路（ルート）３０３における第２のトレイン（第２のアーム、第２のライン、光ファイバーの第２の系列）８２は、フリースペースなしで接続されたストレッチングファイバー（伸張ファイバー）８２ｄと、プリアンプ（プリアンプリファイアー）８２ｃと、アンプリファイアー（増幅器）８２ｂと、ＨＣＰＣＦ８２ａとを含んでいてもよい。プリアンプ８２ｃおよび増幅器８２ｂは、それぞれ、上述したプリアンプ３４０および増幅器３５０と同一または共通の構成を有していてもよい。また、ストレッチングについては、ストレッチングファイバー８２ｄの代わりに、１０３２ｎｍのＣＰＡステージ３３０で説明したＣＦＢＧを用いた構成を適用してもよい。

【0036】

第２の増幅器８２ｂと第２のＨＣＰＣＦ８２ａとを直接接続した第２のトレイン８２を用いることにより、１０３０ｎｍを中心とする波長範囲を有する第１のソースレーザー光３３から全てファイバーによりポンプ光を発生することができ、最終的なコリメート前に、アライメントフリーのポンプ光パルス５２を供給できる。第３の経路３０３では、ＨＣＰＣＦ８２ａを増幅器８２ｂと直接（フリースペースなしで）接合（接続）することにより、一体化された単一で一連の（連続した）ファイバーの系列（第２のトレイン）８２が提供される。したがって、レーザーモジュール３０を含む光モジュール１０およびシステム１では、１つまたは複数のフリースペース回折格子コンプレッサーおよび他のフリースペースの光学素子を省略することができ、コンパクトにすることができる。

【0037】

また、全てがファイバーからなる（フルファイバーの）ポンプ生成システム（発生系、第３の経路）３０３を用いることにより、フリースペースを伝搬することにおける損失を低減できるので、ポンプ光パルス５２のパワーレベルを容易に増加させたり、レーザーモジュール３０におけるエネルギー消費を低減させたりすることができる。ＨＣＰＣＦ８２ａをコンプレッサーとして用いる場合、ナローバンドのポンプ光パルスを生成する用途においては、長さ１０～２０ｍ、さらに好適には１２～１５ｍのＨＣＰＣＦ８２ａが必要になると考えられる。

【0038】

第４の経路３０４は、第１の経路３０２により供給されるストークス光パルス（第１の光パルス）５１のチャープレート（チャープ率）と、第３の経路３０３により供給されるポンプ光パルス（第２の光パルス）５２のチャープレート（チャープ率）との少なくとも一方を、それらが実質的に等しくなるように変化させるためのチャープレート調整器３０８を含んでもよい。この第４の経路３０４には、ストークス光パルス５１のチャープレートを制御するためのチャープレート調整器（コンディショナ）３０８が含まれる。チャープレート調整器３０８は、ＣＩＲ３０８ａと、ＣＩＲ３０８ａに接続されたＣＦＢＧ３０８ｂとを含んでもよい。第２の経路３０２からの出力は、ＣＩＲ３０８ａを介してＣＦＢＧ３０８ａに入力され、ＣＦＢＧ３０８ａからの反射光がＣＩＲ３０８ａに入力され、補正されたストークス光パルス５１がＣＩＲ３０８ａから出力され、ＷＤＭ３０７によりポンプパルス５２と重ねられる。ストークス光パルス５１およびポンプ光パルス５２のチャープレート（複数のチャープレート、ＣＲ）は、分光集光技術と同様に処理してもよい。本システム１では、第２の経路３０２および第３の経路３０３と統合された（一体となった、集積された）第４の経路３０４を用いることにより、ストークス光パルス５１およびポンプ光パルス５２を集めるためのフリースペースの光学素子を用いることなく、ストークス光パルス５１およびポンプ光パルス５２を、それらが結び付いた照射ビーム３１として出射することができる。したがって、よりコンパクトなシステム１を提供することができ、フリースペースを伝搬することにおけるパワーの損失を低減することができる。

【0039】

第５の経路３０５における第３のトレイン（第３のアーム、第３のライン、光ファイバーの第３の系列）８２は、フリースペースなしで接続されたストレッチングファイバー（伸張ファイバー）８３ｄと、プリアンプ（プリアンプリファイアー、前置増幅器）８３ｃ、アンプ（アンプリファイアー、増幅器）８３ｂと、ＨＣＰＣＦ８３ａと、ＳＨＧ２３ｓとを含んでもよい。プリアンプ８３ｃおよびアンプ８３ｂは、それぞれ、上述した１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０のプリアンプ３７０およびアンプ３８０と同一または共通の構成を有していてもよい。また、ストレッチングについては、ストレッチングファイバー８３ｄの代わりに、１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０で説明したＣＦＢＧを用いた構成を適用してもよい。

【0040】

直に接続（接合）された第２の増幅器８３ｂ、第２のＨＣＰＣＦ８３ａおよびＳＨＧ２３ｓを含む第３のトレイン８３を用いることにより、１５６０ｎｍを中心とする波長範囲を有する第２のソースレーザー光３４からの全てがファイバーによりプローブ光を生成（発生）することができ、最終的なコリメート前に、波長の第２の範囲Ｒ２とは異なり、波長の第２の範囲Ｒ２よりも短い波長の第３の範囲Ｒ３を有するアライメントフリーのプローブ光パルス５２を提供することができる。したがって、レーザーモジュール３０を含む光学モジュール１０およびシステム１において、１５６０ｎｍのベース光パルスから７８０ｎｍのプローブ光パルス５３を生成するための１つまたは複数のフリースペース回折格子コンプレッサーおよび他のフリースペース光学素子を省略することが可能となり、システム１および光学モジュール１０をコンパクトにすることができる。また、フリースペースを伝搬することにおける損失を低減できる。コンプレッサーとしてＨＣＰＣＦ８３ａを用いる場合、長さ５～１２ｍ、さらに好適には７～９ｍのＨＣＰＣＦ８３ａが必要になると考えられる。ＳＨＧ２３ｓは、上述したようにＰＰＬＮを含んでいてもよい。

【0041】

本システム１では、レーザーモジュール３０は、波長域Ｒ１に圧縮されたストークス光パルス５１と、波長域Ｒ２に圧縮されたポンプ光パルス５２と、波長域Ｒ３に圧縮されたプローブ光パルス５３とを含む複合ビーム３１を出射する。したがって、レーザーモジュール３０を含む光学モジュール１０は、フリースペース光学素子２９を用いたレンズまたはレンズ系４５によるプローブパルス５３の遅延および変調を制御するための光路２３と、ターゲット５に照射するためのビーム３１およびプローブパルス５３を合波するための光路のみを有していればよい。このため、光学プレート２０上にフリースペース光学素子２９を配置する空間を最小限に抑えることができ、フリースペースを伝搬することにおける損失を低減できる。これにより、コンパクトなＣＡＲＳ信号の生成および検出システム１を提供することが可能となる。また、フリースペース（フリーエアー、自由な空気空間）上に実装する領域や素子数を最小限に抑えることで、振動、温度および他の環境変化の影響を抑制でき、信頼性の高いシステム１を提供することが可能となる。なお、遅延モジュール２３ａおよび変調モジュール２３ｄが不要であれば、ストークス光パルス５１およびポンプ光パルス５２だけでなく、プローブ５３をも含む（オーバーラップさせた）レーザー光を供給するレーザーモジュール３０を、第４の経路３０４と同様の経路を含めて提供することが可能であり、フリースペース光学素子を必要としないシステム１を提供してもよい。

【0042】

図５は、システム１の他の実施形態を示す。このシステム１は、ストークス光パルス５１とポンプ光パルス５２とを含む２ビームによりＣＡＲＳを取得する方式に基づくものであり、ポンプ光パルス５２はプローブ光パルスとしても機能する。図６に２ビームＣＡＲＳの波長プランの一例を示す。ストークス光パルス５１は波長１０８５～１２３０ｎｍ（４００ｃｍ^－１～１５００ｃｍ^－１）の第１の範囲Ｒ１を有し、ポンプ光パルス５２は第１の範囲Ｒ１より短い波長１０４０ｎｍの第２の範囲Ｒ２を有する。波長範囲約９００～１０００ｎｍのＣＡＲＳ信号５５が生成される。このシステム１では、レーザーモジュール３０を含む光学モジュール１０は、フリースペース光学素子２９を用いた経路としては、レンズ４５を介した戻り光からＣＡＲＳ信号５５を分離するための光路のみを有していればよい。なお、システム１が、エピ（後方）ＣＡＲＳ信号を検出するシステムではなく、前方ＣＡＲＳ信号を検出するシステムである場合には、フリースペース光学素子を用いない構成としてもよい。

【0043】

本システム１のレーザーモジュール３０は、オールファイバーソリューション（全てファイバーにより構成）によるレーザーモジュール（オールファイバーソリューションによるレーザー光供給ユニット、フルファイバーレーザーモジュール）であり、ナローバンドのソースレーザー光３３を発生するように構成されたレーザー光源１００と、フリースペースを用いずに光ファイバーによって構成された複数の経路３１０とを含む。複数の経路３１０を含むレーザーモジュール３０は、フリースペースを使用せずにフォトニック集積回路によって構成されてもよい。複数の経路３１０は、（ｉ）ブロードバンドの第１のレーザー光（ストークス光）５１およびナローバンドの第２のレーザー光（ポンプ光）５２を生成するために、ソースレーザー光３３を分割するための第１の経路３０１と、（ｉｉ）ブロードバンドの第１のレーザー光５１の波長範囲を広げるとともに増幅するための第２の経路３０２と、（ｉｉｉ）ナローバンドの第２のレーザー光５２を増幅するための第３の経路３０３と、（ｉｖ）ブロードバンドの第１のレーザー光５１とナローバンドの第２のレーザー光５２とを多重化（オーバーラップ）し、ブロードバンドの第１のレーザー光５１とナローバンドの第２のレーザー光５２とを時間的に（経路においては空間的に）少なくとも部分的にオーバーラップさせて照射ビームとして出力し、ターゲット５に照射するための第４経路３０４とを含んでいてもよい。第２の経路３０２は、上記で説明した第１のトレイン８１を含んでもよく、第３の経路３０３は、上記で説明した第２のトレイン８２を含んでもよい。第３の経路３０３は、第２の経路３０２においてＰＣＦ８５を通過するのに要する時間を補償するための遅延ステージ（遅延線）８２ｅを含んでもよく、ポンプ光パルス５２をストークス光パルス５１と重ねてスキャンするようにできる。遅延ステージ８２ｅは、例えば、ある長さの光ファイバーを備えるものであってもよい。

【0044】

レーザー光源１００は、発振器３５と１μｍレーザー発生ステージ３６とを含んでもよい。第１の経路３０１とレーザー光源１００の間には、パルスピッカー（ＰＰ）１０１とプリアンプ１０２を設けることができる。ＰＰ１０１は、プリアンプ１０２の前後のいずれかの位置に設けることができる。ＰＰ１０１は、平均電力を低減するために設けられてもよい。

【0045】

以上に説明したように、本発明は、一般に、レーザーモジュール３０によって生成されたレーザー光（レーザービーム）パルスを用いた分光（スペクトロスコピー）または顕微鏡用（マイクロスコピー）システム１に関するものである。上記では、レーザーモジュール３０をフルファイバーモジュールとして説明したが、素子を接続するためのフリースペースを用いないフォトニック集積回路（光集積回路）を用いて実現することも可能である。

【0046】

我々は、当初、フリースペースコンプレッサーまで行かず、ファイバーベースのＳＣを直接発生させることだけに焦点を当ており、その後、ＰＣＦに戻るようにしていた。この処理では、現在、ミラー、プリズム、フィルターなどの多くのフリースペース光学素子を使用するために光学プレート上の約６０％を占める。このような構成は非常に複雑でコストがかかる。本例のシステム１では、フルファイバータイプまたはフォトニック集積回路タイプのレーザーモジュール３０が提供でき、この問題を解決することができる。

【0047】

この発明の実施形態の一つとして上述したレーザーモジュール３０は、ターゲット５にＣＡＲＳ信号５５を発生させるための照射ビームを出射するためのレーザービーム供給装置である。本発明のシステム１は、照射ビームによるターゲットの照射の結果としてターゲットによって生成された信号ビームを検出するように構成された検出器（ディテクタ―）６５をさらに備えてもよい。信号ビーム５５は、レーザーパルス５１および５２（ならびに５３）によって生成される非線形光学プロセスの結果（共鳴成分、共振成分）を含んでもよい。非線形光学プロセスの１つは、上述のＣＡＲＳプロセスである。本システム１は、他の非線形光学プロセスにも適用可能であり、例えば、第二高調波発生（ＳＨＧ）；和周波発生（ＳＦＧ）；差周波発生（ＤＭ）；第三高調波発生（ＴＨＧ）；３次和周波発生（ＴＳＦＧ）；コヒーレント反ストークスラマン分光法（ＣＡＲＳ）；誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）（誘導ラマン利得（ＳＲＧ）、誘導ラマン損失（ＳＲＬ））；光カー効果（ＯＫＥ）；ラマン誘導カー効果（ＲＩＫＥ）；誘導レイリー散乱；誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）；誘導カー散乱；誘導レイリー－ブラッグ散乱；誘導ミー散乱；自己位相変調（ＳＰＭ）；交差位相変調（ＸＰＭ）；２光子吸収；および２光子励起蛍光（ＴＰＥＦ）などのプロセスにも適用可能である。

【0048】

図７は、異なるタイプのレーザーモジュール３０を備えたシステム１の異なる実施形態を示す。このレーザーモジュール３０の複数の経路３１０は、上述の第１の経路３０１、第２の経路３０２、第３の経路３０３、第４の経路３０４および第５の経路３０５に加えて、ストークス光パルス（ブロードバンドの第２の光パルス）５１、ポンプ光パルス（ナローバンドの第２の光パルス）５２、およびプローブ光パルス（ナローバンドの第３の光パルス）５３を多重化し、ストークス光パルス５１、ポンプ光パルス５２、およびプローブ光パルス５３を、時間遅れを含んで重ねたものを照射ビーム５４として出力し、ターゲット５に照射する第６の経路３０６を有する。第５の経路３０５の第３のトレイン８３は、ストークス光パルス５１およびポンプ光パルス５２に対するプローブ光パルス５２の遅延および変調（遅延を利用した）を制御するためのプログラマブル遅延ライン（ＰＤＬ、ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｄｅｌａｙ ｍｏｄｕｌｅ：ＰＯＰＤＭ）８６をさらに含んでもよい。第６の経路３０６は、プローブ光パルス５３のチャープレートを制御するために、第４の経路３０４のチャープレートコンディショナ（チャープレート制御装置）３０８と同一または対応する構成を有するチャープレートコンディショナ３０８を含んでもよい。このレーザーモジュール３０では、第４の経路３０４の第１のＷＤＭ３０７ａにより、ストークス光パルス５１とポンプ光パルス５２とが多重化または複合化（合波）され、第６の経路３０６の第２のＷＤＭ３０７ｂにより、時間遅れを含むプローブ光パルス５３がストークス光パルス５１とポンプ光パルス５２とに多重化または複合化（合波）された後に、照射ビーム５４として供給される。したがって、このレーザーモジュール３０を備えたシステム１では、実質的に、プローブパルス５３の遅延および変調を制御するための光路２３を含むフリースペース光学素子２９を配置するための空間が不要となり、そこに配置するフリースペース光学素子も不要となる。したがって、振動や温度等の環境変動の影響を抑制し、信頼性の高い小型のシステム１を提供することが可能となる。

【0049】

光路遅延を短時間に（実質的な遅延なく一度に）精密に制御できるＰＤＬ８６は、長さ、構造および／または媒体（光学材料）による複数の遅延を有する複数の経路の中から、電気的または光電気的にプログラムまたはコマンドを介して所望の遅延に適した経路を選択して段階的に遅延を増減させるオンチップ型のマルチチャネルセレクターを含んでもよい。ＰＤＬ８６は、一体化されたヒータまたは圧力（印加される力）を用いて光路遅延を変化させることができる光デバイス（オプトエレクトロニクスデバイス）またはファイバーを含んでもよい。レーザーモジュール３０は、第３の経路３０３によって生成されるポンプ光パルス５２のパルス幅を制御するためのパルスピッカー（ＰＰ）３０１ｂを含んでもよい。ポンプ光として作用する範囲内でポンプ光パルス５２のパルス幅を相対的に広げることにより、プローブ光パルス５３によってプローブされるベースのＣＡＲＳ信号を生成するための入力エネルギーを増大させ、プローブ光パルス５３によって生成されるＣＡＲＳ信号（ＴＤ－ＣＡＲＳ）５５のレベルを増大させることができる。

【0050】

具体的な実施形態に関する前述の説明は、本明細書における実施形態の一般的な性質を十分に明らかにするためであり、他者は、現在の知識を適用することによって、一般的な概念から逸脱することなく、そのような具体的な実施形態を様々な用途のために容易に修正および／または適合させることができ、したがって、そのような適合および修正は、開示された実施形態の意味および等価物の範囲内で理解されるべきであり、理解されることが意図される。本明細書で採用される言い回しまたは用語は、説明のためのものであり、限定するためのものではないことを理解されたい。したがって、本明細書における実施形態は、好ましい実施形態の観点から説明されているが、当業者であれば、本明細書における実施形態は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内で変更を加えて実施することができることを認識するであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2024-05-30

【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】請求項１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項1】

レーザーモジュールを有するシステムであって、
前記ユーザーモジュールは、ナローバンドの第１のソースレーザー光を発生するように構成された第１のレーザー光源と、
光ファイバーおよび／またはフォトニック集積回路によってフリースペースを用いずに構成された複数の経路とを有し、前記複数の経路は、
ブロードバンドの第１の光パルスとナローバンドの第２の光パルスとを生成するために前記第１のソースレーザー光を分割するための第１の経路と、
前記ブロードバンドの第１の光パルスを供給するために、接続された第１の増幅器と、第１の中空コアフォトニック結晶ファイバー（ＨＣＰＣＦ）と、高非線形フォトニック結晶ファイバー（ＨＮＬＰＣＦ）とを含む第１のトレインにより増幅および波長範囲を広げるための第２の経路と、
前記ナローバンドの第２の光パルスを供給するために、接続された第２の増幅器と、第２のＨＣＰＣＦとを含む第２のトレインにより増幅するための第３の経路とを含む、システム。

【手続補正2】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】請求項９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項9】

請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記第１のソースレーザー光の波長範囲は、１０３０ｎｍを中心とする、システム。

【手続補正3】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】請求項１０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項10】

請求項５ないし７のいずれかにおいて、
前記第１のソースレーザー光の波長範囲は、１０３０ｎｍを中心とし、前記第２のソースレーザー光の波長範囲は、１５６０ｎｍを中心とする、システム。

【手続補正4】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】請求項１１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項11】

請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記照射ビームによる前記ターゲットの照射の結果として、前記ターゲットによって生成される信号ビームを検出するように構成された検出器をさらに有する、システム。

【手続補正5】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】請求項１５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項15】

請求項７において、
前記光モジュールは、ＣＡＲＳ信号を生成するために、前記第１の光パルスをストークス光パルスとして、前記第２の光パルスをポンプ光パルスとして、前記第３の光パルスをプローブ光パルスとして供給する光路をさらに含む、システム。

【国際調査報告】