JP2012204372A - 短パルス光源およびレーザ走査顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】高出力であり、且つビーム重心の変動が少なく、高次モードのパルス光の混入を抑制した短パルス光源を提供する。
【解決手段】利得スイッチ駆動されたＬＤ２からのパルス光を、コアの少なくとも一部に利得媒質を含むダブルクラッドファイバ１２の、コアを伝播させる。ダブルクラッドファイバ１２から出射したパルス光をシングルモードファイバ７に入力し、このパルス光に自己位相変調効果を発生させるとともに群速度分散を与える。さらに、シングルモードファイバ７から出射したパルス光の群速度分散を圧縮器９により補償して、パルス光のパルス幅を圧縮する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非線形パルス圧縮を用いた短パルスレーザ光源およびこれを用いたレーザ走査顕微鏡システムに関するものである。

従来の短パルスレーザ光源およびこれを用いたレーザ顕微鏡システムを、図６〜図８を用いて説明する。

図６は、短パルスレーザ光源の従来例を示す概略構成図である。図６において、電気パルサー１００による電気パルスが印加され、利得スイッチ動作により半導体レーザ１０１よりチャープした種光パルスが生成される。種光パルスは分散補償ファイバ１０２でチャープが補償され、数ピコ秒の光パルスとなる。微弱な種光パルスは複数直列に配置したシングルモードファイバによる光増幅器１０３〜１０５で所望の光パルスエネルギーまで増幅される。光増幅器１０３と１０４との間にはバンドパスフィルタ１０６が設けられ、種光パルスの光スペクトルの一部分のみ選択的に透過させる。

光増幅器１０５を出た数ピコ秒の光パルスは、正常分散を持つシングルモードファイバ１０７に入射され自己位相変調により光スペクトルが拡大し、正常分散によりチャープが与えられる。シングルモードファイバ１０７を出てレンズ１０８でコリメートされた光パルスビームは、圧縮器１０９で異常分散が与えられ、数百フェムト秒に圧縮されレーザ光１１０として外部に出力される。

このように、正常分散を持つシングルモードファイバ１０７を透過することにより、非線形光学効果である自己位相変調により光パルスの光スペクトルを拡大させるとともに、シングルモードファイバ１０７の正常分散により適度なチャープを光パルスに与え、最後に異常分散を持つ圧縮器でパルス圧縮を行う方法を、非線形パルス圧縮と呼んでいる。また、この従来例では光ファイバ全てをシングルクラッドのシングルモードファイバ１１１で構成している。

図７は、短パルスレーザ光源の他の従来例を示す概略構成図である。図７では、図６の光増幅器１０５に代えて、シングルモードファイバでなくダブルクラッドファイバ１１４を最終段光増幅器１１２に使用する。シングルモードファイバの光増幅器では信号光と励起光は同じコア部を伝播するが、ダブルクラッドファイバでは信号光はコア部を、励起光はコア外周にあるインナークラッド部を伝播するようになっている。ダブルクラッドファイバのコア部はシングルモードファイバのコア部より大口径だが、開口数を低く抑えてほぼシングルモード動作するようになっている。

また、非線形パルス圧縮を行うため図６のシングルモードファイバ１０７に代えて、同じく正常分散のダブルクラッドファイバ１１３を使用する。ダブルクラッドファイバ１１３を透過する光パルスは、自己位相変調と正常分散とが与えられ、さらに、圧縮器１０９で異常分散が与えられパルス圧縮されたレーザ光１１０として外部に出力される。

図８は、レーザ走査顕微鏡システムの従来例を示す概略構成図である。図８では、チタンサファイアレーザ１１８から空間に光パルスが出力され、強度変調器１１９で光パルスのエネルギーが調整される。エネルギーが調整された光パルスは光伝送路１２０を伝播し、レーザ走査顕微鏡１２１に入力する。

レーザ走査顕微鏡１２１に入力した光パルスは、スキャナ１２２により伝播の指向が二次元で制御され、瞳投影レンズ１２３および結像レンズ１２４を順次伝播しビーム径が調整され、対物レンズ１２５により試料Ａに集光される。試料Ａには例えば蛍光材料が含まれており、この蛍光材料を光パルスで励起して蛍光を発生させる。試料Ａから発生した蛍光は、対物レンズ１２５を通り、ダイクロイックミラー１２６で光パルスの伝播経路から分離され、集光レンズ１２７で光検出器１２８に集光して入力され、電気信号に変換される。

図示しない制御装置で、スキャナ１２２の動作および光パルスの指向（試料Ａ上の光パルスの集光位置）に対応した光検出器１２８の電気信号を対応させ、その電気信号強度（＝蛍光強度）に応じた二次元イメージを表示部１２９に表示する。これにより、使用者が試料Ａの蛍光材料の分布を認識することが出来る。

図６の従来例に係る短パルスレーザ光源によれば、光増幅器にシングルクラッドのシングルモードファイバを用いているので、信号光と励起光とを同じコアを伝播させる必要がある。このため、高出力（高エネルギー）の光パルスを得るには、同時に高出力な励起光が必要となる。シングルモードファイバのコアに結合できる励起光源は、横（空間分布）モードがシングルモード（基本モード＝ガウスビーム）である必要がある。しかし、出力がワット級のシングルモードの励起光源が半導体レーザでは存在していない。このため、ワット級出力を有する短パルスレーザ光源を実現することは出来ない。

一方、図７の従来例では、最終段の光増幅器にシングルクラッドのシングルモードファイバに代えて、ダブルクラッドファイバを使用している。ダブルクラッドファイバでは、信号光はコアを伝播し、励起光はコア外周のコアより大口径でマルチモードのインナークラッドを伝播する。これにより、マルチモードの励起光源が使用可能になる。大口径のマルチモード光ファイバに結合するワット級の出力を有する半導体レーザは容易に入手出来、ワット級まで短パルスレーザを増幅することが可能になっている。

しかしながら、ダブルクラッドファイバの信号光が伝播するコアはシングルクラッドのシングルモードファイバのコア径より大きく、開口数を小さくしているが完全なシングルモードファイバではない。このため、ダブルクラッドファイバのコアから出力した光パルスには、高次横（空間分布）モードが混ざる。また、ダブルクラッドファイバのコアから洩れてインナークラッドを伝播した高次モードも混ざる。更に、ダブルクラッドファイバの応力によってコアの基本モードのビーム重心が変動し、かつ高次モード成分比も変動する。

このため、ダブルクラッドファイバをレーザ走査顕微鏡システムに用いた場合、ビーム重心の変動により高い空間分解能が得られなくなる。また、高次モードが混ざることで集光径が大きくなるために高い空間分解能が得られなくなる。更に、高次モードが混ざることで短パルスレーザ光源の平均光出力に占める基本モード成分が低下し、光パルス当りの基本モード成分のエネルギーが低下することでピーク光強度が低下して明るい蛍光を得られなくなるという課題がある。

さらに、図８に係るレーザ走査顕微鏡システムでは、短パルスレーザ光源（チタンサファイアレーザ）は内部が空間光学系から構成されているので、空間ビームとしてパルス光が出力される。そして、その光出力は同じく空間光学系によってレーザ走査顕微鏡に入力する構成となっている。このため、短パルスレーザ光源とレーザ走査顕微鏡とは出来るだけ近接して配置する必要があり、レーザ走査顕微鏡システムの配置の自由度が制約される。また、空間光学系を用いるため短パルスレーザ光源とレーザ走査顕微鏡とは同一のテーブルに配置する必要があり、望ましくは除震機能を有するテーブルを用いる必要がある。更には、ワット級の光出力を出力する短パルスレーザ光源を用いるため、安全のため空間光学系は全て外部と遮光する対策が必要である。チタンサファイアレーザなど空間光学系を用いたモードロックによるレーザ発振方式の短パルスレーザ光源の場合、前記のような配置や対策を行ったとしても日々光パルスの指向の調整を行う必要がある。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、高出力が可能なマルチクラッドファイバを使用しながら、ビーム重心の変動が少なく、高次モードのパルス光の混入を抑制した短パルスレーザ光源を提供することにある。

上記目的を達成する第１の観点に係る短パルスレーザ光源の発明は、
パルス光を発生するパルス光源と、
該パルス光源で発生した前記パルス光をコア中に伝播させるダブルクラッドファイバと、
前記ダブルクラッドファイバから出射した前記パルス光を入力し、該パルス光に自己位相変調効果を発生させるとともに群速度分散を与えるシングルモードファイバと、
前記シングルモードファイバから出射した前記パルス光の群速度分散を補償して該パルス光のパルス幅を圧縮するパルス圧縮部と
を備えることを特徴とするものである。

このようにすることによって、ダブルクラッドファイバのコアから出射する高出力のパルス光をシングルモードファイバに入力して、このシングルモードファイバを透過する際に非線形光学効果である自己位相変調効果により光スペクトル幅を拡大し、同時にこのファイバの正常分散を付加する。シングルモードファイバの長さを最適にすることにより、異常分散を与え分散を補償するパルス圧縮手段で非線形パルス圧縮をすることができる。ダブルクラッドファイバから出力するパルス光をシングルモードファイバに入力することで、ダブルクラッドファイバのコアから出力する光の課題であった、高次モードが含まれることや、応力によるビームの重心変動が無くなる。

第２の観点に係る発明は、第１の観点に係る短パルスレーザ光源において、
前記パルス光源と前記シングルモードファイバとの間に前記パルス光を増幅する光増幅手段を備えることを特徴とするものである。

第１の観点に係る発明の作用効果に加え、光増幅手段を用いることで、パルス光源から出射されるパルス光が、微弱なパルス光であっても、光増幅によって高出力化することが出来る。

第３の観点に係る発明は、第２の観点に係る短パルスレーザ光源において、
前記光増幅手段は、複数段の光増幅器を備え、該複数段の光増幅器うちの最終段の光増幅器は、前記ダブルクラッドファイバを含み、該ダブルクラッドファイバの少なくとも一部において前記コアに利得媒質が添加され、インナークラッド内に励起光を伝播可能に構成したことを特徴とするものである。

第２の観点に係る発明の作用効果に加え、最終段の光増幅器にダブルクラッドファイバを用いることで励起光を増大することができる。これにより、シングルクラッドのシングルモードファイバのみを用いて増幅を行った場合よりも大出力化を図ることが出来る。

第４の観点に係る発明は、第３の観点に係る短パルスレーザ光源において、
前記最終段の光増幅器は、前記励起光を前記インナークラッドから除去するポンプストリッパを備えることを特徴とするものである。

第３の観点に係る発明の作用効果に加え、最終段の光増幅器のダブルクラッドファイバにポンプストリッパを用いたので、インナークラッドを伝播する不要な光による、光ファイバ接続部品等の損傷を避けることができる。

第５の観点に係る発明は、第４の観点に係る短パルスレーザ光源において、
前記ダブルクラッドファイバの前記コアを伝播するパルス光を、前記シングルモードファイバのコアに結合するモードフィールドアダプタを備えることを特徴とするものである。

第４の観点に係る発明の作用効果に加え、ダブルクラッドファイバとシングルモードファイバとの結合にモードフィールドアダプタを用いることで、異なるファイバ間を結合することによる光パルスの強度損失を小さくすることができる。また、モードフィールドアダプタは、ダブルクラッドファイバのコアおよびインナークラッドを伝播する励起光やコアからインナークラッドに洩れた信号光を除去することができ、さらに、耐熱性があるのでこの中で光から熱へと変換し廃熱させることができる。

第６の観点に係る発明は、第４の観点に係る短パルスレーザ光源において、
前記ダブルクラッドファイバの前記コアから空間に出射されたパルス光を、前記シングルモードファイバのコアに結合させる空間光学系を備えたことを特徴とするものである。

第４の観点に係る発明の作用効果に加え、ダブルクラッドファイバとシングルモードファイバとの結合に空間光学系を用いたので、異なるファイバ間の結合による光パルスの強度損失を小さくすることが出来る。また、ダブルクラッドファイバのコア径やシングルモードファイバのコア径を変更する際、コリメートレンズと集光レンズの変更で容易に対応することができる。

第７の観点に係る発明は、第６の観点に係る短パルスレーザ光源において、
前記空間光学系は、前記コアから出射された前記パルス光を選択的に透過させる波長選択手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の短パルスレーザ光源。

第６の観点に係る発明の作用効果に加え、ダブルクラッドファイバとシングルモードファイバとの結合のための空間光学系内に波長選択手段を用いることで、非線形パルス圧縮に悪影響を与える光パルスの光スペクトル成分以外の成分を、非線形光学効果を発生させるシングルモードファイバの前で除去でき、高品質なパルス圧縮が可能となる。

第８の観点に係る発明は、第１〜７の観点に係る短パルスレーザ光源において、
前記パルス光源が利得スイッチ半導体レーザであり、該パルス光源から出射される前記光パルスの群速度分散を補償する分散補償部と、前記光パルスの光スペクトルを整形するパルス整形部とを備えることを特徴とするものである。

第１〜７の観点に係る発明の作用効果に加え、利得イッチ半導体レーザと分散補償部、光スペクトル整形部を用いることにより、光パルスの繰返し周波数を容易に変更することができる。また、チタンサファイアレーザなどのように、モードロック方式でないため温度や振動に影響されず、安定した光パルスの発生が可能となる。

上記目的を達成する第９の観点に係るレーザ走査顕微鏡システムの発明は、
パルス光をコア中に伝播させるダブルクラッドファイバと、
前記ダブルクラッドファイバから出射した前記パルス光を入力し、該パルス光に自己位相変調効果を発生させるとともに群速度分散を与えるシングルモードファイバと、
前記シングルモードファイバから出射した前記パルス光の群速度分散を補償して該パルス光のパルス幅を圧縮するパルス圧縮部と、
前記パルス圧縮部から出射された前記パルス光を試料に集光させる光学系と、
前記パルス光を前記試料に対して走査させる走査部と、
前記パルス光の前記試料への照射により得られる信号光を検出する光検出部と、
前記走査部の操作と前記光検出部により検出した信号光強度に基づいて画像データを生成する制御部と、
前記パルス圧縮部、前記光学系、前記走査部および前記光検出器を内蔵する筐体と
を備え、
前記筐体は前記シングルモードファイバを着脱可能な導入ポートを備えることを特徴とするものである。

このようにすることによって、高次モードが含まれず、応力によるビームの重心変動が無い短光パルスを用いて試料の観察を行うことができる。さらに、シングルモードファイバを介して、レーザ走査顕微鏡の筐体とパルス光源とが接続されるので、パルス光源とレーザ走査顕微鏡の筐体とを近接させる必要がなくなり、レーザ走査顕微鏡システムの配置に自由度ができる。また、空間光学系を伝送路としないためパルス光源とレーザ走査顕微鏡とを同一テーブルに配置する必要が無くなる。さらには、安全のための外部との遮光が容易になる。また、空間光学系を伝送路としていないため、日々の光パルスの指向調整が不要となる。

本発明によれば、高出力が可能なマルチクラッドファイバを使用しながら、ビーム重心の変動が少なく、高次モードのパルス光の混入を抑制した短パルスレーザ光源を提供することができる。

第１実施形態に係る短パルスレーザ光源の構成を示す図である。 図１の最終段光増幅器から圧縮器までの詳細な構成を説明する図である。 第２実施形態に係る短パルスレーザ光源の最終段光増幅器から圧縮器までの詳細な構成を説明する図である。 第３実施形態に係るレーザ走査顕微鏡システムの概略構成を示す図である。 第４実施形態に係るレーザ走査顕微鏡システムの概略構成を示す図である。 従来のシングルモードファイバのみで構成された短パルスレーザ光源の構成を示す図である。 従来のダブルクラッドファイバを含む構成の短パルスレーザ光源の構成を示す図である。 従来のレーザ走査顕微鏡システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１に第１実施形態に係る短パルスレーザ光源の構成を示す。短パルスレーザ光源は、電気パルサー１、半導体レーザ（ＬＤ）２、分散補償ファイバ３、第１の光増幅器４、第２の光増幅器５、第３の光増幅器（最終段の光増幅器）６、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２５、シングルモードファイバ７、レンズ８、およびパルス圧縮部である圧縮器９を含んで構成される。ここで、パルス光源は、電気パルサー１およびＬＤ２を含んで構成される。また、分散補償部は分散補償ファイバ３を、パルス整形部は、ＢＰＦ２５を含んで構成される。さらに、増幅手段は、第１の光増幅器４、第２の光増幅器５、第３の光増幅器６を含んで構成される。

電気パルサー１は、１ナノ秒以下の電気パルスを生成し、この電気パルスをＬＤ２に印加する。ＬＤ２は、利得スイッチ動作により短波長成分が先行するチャープした、時間幅数十ピコ秒で光スペクトル幅が０．５ナノメートルから数ナノメートルの光パルスを発振する。この光パルスは正常分散を持つ分散補償ファイバ３でチャープが補償され、フーリエ限界（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｌｉｍｉｔ：ＴＬ）パルスである、数ピコ秒の光パルスとなる。

ＬＤ２は、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）や面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）、量子ドット半導体レーザ（ＱＤ−ＬＤ）が使用可能であり、望ましくはＶＣＳＥＬである。ＶＣＳＥＬは、発振する光パルスの空間への発散角が水平方向と垂直方向とで同一であり、光ファイバとの結合が容易かつ高効率で可能である。分散補償ファイバ３は、ＬＤ２の発振波長に対してシングルモードのみ伝播するファイバである。分散補償ファイバとしては、シングルクラッドファイバや、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を使用することができる。分散補償ファイバ３の長さは、ＬＤ２が発振する光パルスのチャープ量（フーリエ限界との差）を補償するように設定され、典型的には数百メートルから１キロメートルの長さとなる。

ＬＤ２の利得スイッチ動作で発振する光パルスのエネルギーは、サブピコジュールから数ピコジュールであり、レーザ走査顕微鏡システムなどのアプリケーションで必要とされる数十ナノジュールと比べて３桁以上微弱である。この微弱な光パルスは直列に配置した第１から第３の光増幅器４〜６で所望の光パルスエネルギーまで３桁以上増幅される。なお、光増幅器は３段構成に限られず、任意の段数の光増幅器を設けることができる。

第１の光増幅器４は、光パルスエネルギーを１桁台（１０倍以上）光増幅する。第１の光増幅器４は、増幅される微弱な光パルスが入射する側から順に、それぞれ図示しないアイソレータ、波長分割多重カプラ（以下、ＷＤＭカプラ）、利得ファイバ、およびＷＤＭカプラから構成されており、ＷＤＭカプラには利得ファイバに利得を与える励起光源からのファイバが入力する。また、これらファイバはシングルモードの光のみ伝播するシングルモードファイバ１３から構成されている。

励起光源からの励起光はＷＤＭカプラで合波して利得ファイバに入力される。利得ファイバには利得媒質である希土類元素（例えば、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｐｒ，Ｈｏなどの単体かこれらの混合物）が添加されており、この利得媒質が励起光を吸収することで利得が生まれる。利得ファイバ後のＷＤＭカプラで、吸収されなかった励起光が除去される。ＷＤＭカプラはファイバデバイスであるが、これの代わりに光入出力がファイバで内部の空間光学系内に光フィルタを配したカプラも使用可能である。第１の光増幅器４に入射した微弱な光パルスは、利得を持つ利得ファイバ内で光増幅される。

第１の光増幅器４を出た光パルスは、ＢＰＦ２５でその光スペクトルの短波長側と長波長側の両方が除去される。これにより、ＬＤ２の利得スイッチ動作で発生した光パルスのペデスタル（時間波形上のゆっくりと光強度がゼロに落ちていく波尾成分）や、サブパルス（時間波形上に意図した光パルスとは時間間隔があり更に微弱な光パルス）を除去し、理想的な光パルスとすることが出来る。

ＢＰＦ２５は、光学基板上に誘電体多層膜を多数成膜して形成され、各層の屈折率に応じて厚さが設計されている。これによって、特定の波長帯で設計した帯域を透過し、その他の帯域は反射する特性を有する。透過する帯域は１ナノメール以下であり、ＬＤ２の利得スイッチ動作で発振した光パルスの光スペクトル幅が約１．５ナノメートルのとき、ＢＰＦ２５の透過する帯域は約０．６ナノメートル程度である。

ＢＰＦ２５を出た光強度が約１ミリワットの光パルスは、第２の光増幅器５に入射し光パルスエネルギーを１桁台（１０倍以上）光増幅する。第２の光増幅器５は、第１の光増幅器４と同様な構成である。

第１の光増幅器４および第２の光増幅器５に用いられる励起光源は、シングルモード半導体レーザを使用する。シングルモード半導体レーザの光出力は最大でも２００ミリワット程度であり、更に励起光強度を高くするために複数台のシングルモード半導体レザーザを用いる。複数のシングルモード半導体レーザの光を利得ファイバに入力するため、一つの方法としては、偏光方向が互いに９０度異なるシングルモード半導体レーザの光を結合する偏波結合カプラを用いて、ＷＤＭカプラで利得ファイバに結合する。また、他の方法としては、利得ファイバに添加した希土類の光吸収波長帯内で、波長の異なるシングルモード半導体レーザの光をＷＤＭカプラや、光フィルタを配したカプラで利得ファイバに結合する。このようにして、増幅したい光パルスの光強度に応じて励起光源のシングルモード半導体レーザの光強度を設定することができる。しかしながら、これらの方法を用いてもシングルモード半導体レーザでは、１ワット弱の励起光強度が限界である。また、前述したように多数のシングルモード半導体レーザを用いると構成が煩雑となる。

第２の光増幅器５で光増幅された光パルスは、最終段の光増幅器である第３の光増幅器６で光パルスエネルギーが数十ナノジュール台（光強度で数ワット台）に更に光増幅される。図２は、第３の光増幅器６から圧縮器９までの詳細な構成を説明する図である。

第３の光増幅器６は、増幅される光パルスの入射側から順に、アイソレータ１４、波長分岐モジュール（ＷＤＭ）１５、ポンプコンバイナ（ＰＣ）１６、励起光源１７、利得ファイバ１８、および、ポンプストリッパ（ＰＳ）１９を含んで構成されている。また、第３の光増幅器６の後段には、モードフィールドアダプタ（ＭＦＡ）２４があり、シングルモードファイバ７が接続されている。なお、ＰＣ１６からＭＦＡ２４までの光路は、ダブルクラッドファイバ１２で構成されている。

ダブルクラッドファイバ１２は、中心にコアがあり、コアの外周にインナークラッドがあり、インナークラッドの外周にアウタークラッドが構成されている。このダブルクラッドファイバ１２は、コアを伝播する光と、コアを含むインナークラッドを伝播する光を伝播させることが出来る。ダブルクラッドファイバのコア径はシングルモードファイバのコア径より大きいが、開口数をシングルモードファイバのコアより小さくすることでシングルモードが優先的に伝播するよう設計されている。インナークラッドを伝播する光はシングルモードではなくマルチモードである。

ダブルクラッドファイバ１２の一部を利得ファイバ１８とすることで、光増幅される信号光をコアに伝播させ、励起光をインナークラッドに伝播させることが出来る。インナークラッドはマルチモードの光が伝播するので、シングルモードファイバを用いた光増幅器の場合のシングルモード半導体レーザでなく、マルチモード半導体レーザを励起光源として使用することが出来る。マルチモード半導体レーザは、数十ワット以上の出力が容易に得られる。なお、ダブルクラッドファイバの利得ファイバの利得媒質である希土類の添加はコアのみに行われる。

励起光源１７には、光出力が１ワット以上のマルチモード半導体レーザが１台または複数台が用いられる。励起光源１７からの励起光は、ＰＣ１６でダブルクラッドファイバのインナークラッドに結合する。ＰＣ１６は、シングルモードファイバの入力ファイバと、マルチモードファイバの1本または複数本の入力ファイバと、ダブルクラッドファイバの出力ファイバを持つ。シングルモードファイバの入力ファイバのコアを伝播する光は、ダブルクラッドファイバの出力ファイバのコアを伝播する光となり、マルチモードファイバの入力ファイバのコアを伝播する光は、ダブルクラッドファイバのインナークラッドを伝播する光となる。

光増幅されるパルス光は、アイソレータ１４、ＷＤＭ１５およびＰＣ１６を順次伝播し、ダブルクラッドファイバ１２の利得ファイバ１８のコアを伝播する。ＰＣ１６でダブルクラッドファイバ１２のインナークラッドを伝播する光となった励起光は、利得ファイバ１８のインナークラッドを伝播しながらコアに添加された利得媒質に光吸収され、利得ファイバ１８のコアに利得を発生させる。これにより、パルス光が増幅される。ダブルクラッドファイバ１２のコア径はシングルモードのシングルモードファイバ１３のコア径より大きく、インナークラッド径は３５マイクロメートル以上である。

ダブルクラッドファイバ１２の一部である利得ファイバ１８を巻くことで、利得ファイバ１８のコアを伝播する光の内シングルモード成分が優先的に光増幅されることが知られている。このように利得ファイバ１８のコアから出力されるパルス光は、ほぼシングルモードとなっている。

利得ファイバ１８内でパルス光が、非線形光学効果を発生しないようにパルス光とダブルクラッドファイバ１２のコア径が選択される。具体的には、パルス光に対してはピーク光強度を非線形光学効果が最小となるように時間幅とパルスエネルギーを最適にする。ダブルクラッドファイバ１２のコア径は、シングルモードファイバ１３のコア径よりも大きくする。パルス光が利得ファイバ１８内で非線形光学効果（具体的には自己位相変調）により光スペクトルの拡大が発生すると、利得ファイバ１８で発生する自然放出光（以下、ＡＳＥ光）との相互干渉によりパルス光のＳＮ比が低下する課題が発生してしまう。更に光スペクトルの拡大により利得ファイバ１８を通るパルス光のスペクトルが光増幅可能な帯域外まで拡がってしまうと、光出力の飽和や光スペクトルの非線形なチャープ（歪）により、後述する非線形パルス圧縮後の光パルスの品質（ＳＮ比，時間幅，ピーク光強度）が劣化してしまう。

利得ファイバ１８を出射したパルス光は、断面構造がほぼ等しくコアに利得媒質となる希土類が添加されていないダブルクラッドファイバを伝播し、ＰＳ１９でインナークラッドを伝播する光を除去する。これによって、インナークラッドを伝播する利得ファイバ１８で吸収されなかった励起光、利得ファイバ１８のコアで発生しインナークラッドに洩れたパルス光、ＡＳＥ光等が除去される。利得ファイバ１８で吸収されなかった励起光は、時として非常に大きい。特にパルス光を光増幅する際、低ノイズに光増幅したい場合はなるべく利得ファイバを短くし、高い励起密度を保つ必要があるためである。このため、ＰＳ１９を用いないと非常に大きいままの励起光がダブルクラッドファイバのインナークラッドを伝播し続け、光ファイバ接続部品等に火災を起こす可能性がある。

一つ目のアイソレータ１４は、光増幅器６が光増幅器ではなくレーザ発振器として動作しないようにするため、戻り光が発生しないようにするために用いる。また、ＷＤＭ１５は、利得ファイバ１８で発生したパルス光の伝播方向とは逆方向に伝播するＡＳＥ光を除去するために用いる。さらに、励起光源１７にも同様のＡＳＥ光を除去する機能（例えば、ファイバーブラッググレーティング）が設けられている。

ＭＦＡ２４は、ダブルクラッドファイバ１２のコアを伝播するパルス光を、シングルモードファイバ７のコアに結合する。ＭＦＡ２４は、内部にコア径が連続的に変化するテーパファイバまたはコア径の異なる光ファイバが段階的に接続されたファイバが組込まれており、これによりコア径の大きいダブルクラッドファイバ１２のコアを伝播するパルス光が、コア径の小さいシングルモードファイバ７のコアに結合することが出来る。このＭＦＡ２４は、通常シングルモードファイバ７からダブルクラッドファイバ１２のコアに結合するために製造、販売されている。本願発明者らは、このＭＦＡ２４を通常とは逆の方向で使用したが高い結合効率（〜８０％）で、ダブルクラッドファイバのコアのパルス光をシングルモードファイバに結合できることを確認した。

ＭＦＡ２４でシングルモードファイバ７に結合したパルス光は、非線形パルス圧縮にてピコ秒からフェムト秒にパルス圧縮する。非線形パルス圧縮は、例えば、以下の書籍にて紹介されている。
「超高速光エレクトロニクス」 培風館（１９９１） Ｐ．４７
「Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ」 Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ

シングルモードファイバ７では、光増幅によって高エネルギーとなり高ピークとなったパルス光により、非線形光学効果の自己位相変調により光スペクトル幅の拡大と、シングルモードファイバ７の正常分散によりチャープが加わる。シングルモードファイバ７を出射したスペクトル幅が拡大しチャープしたパルス光は、レンズ８で空間ビームとして出力され、波長選択手段である光フィルタ２１でＡＳＥ光を除去し、空間アイソレータ２２を透過し、圧縮器９で異常分散が与えられることによりパルス圧縮され、フェムト秒の光パルスであるレーザ光１０として出力される。

光フィルタ２１は、光学基板上に誘電体多層膜が多数成膜され、各層の屈折率に応じて厚さが設計されている。これによって、特定の波長帯で設計した帯域を透過し、その他の帯域は反射する特性を有する。透過する帯域は数ナノメールから数十ナノメートルである。空間アイソレータ２２は、光増幅器６が外部からの戻り光でレーザ発振しないように、戻り光を遮断するために用いる。

シングルモードファイバ７は、非線形パルス圧縮で最短の時間幅と最高のピーク光強度が得られるように、パルス光のエネルギーと時間幅（光スペクトル幅）に応じて最適な光スペクトル幅とチャープが加わるよう長さを調節する。通常、シングルモードファイバ７の長さは、数十ナノジュールのパルス光の場合は数メートルから１０メートル程度である。圧縮器９は、異常分散を発生する機能を有し、例えば、回折格子対を用いて構成する。このようにして、１００フェムト秒から２００フェムト秒のパルス幅である短パルス光を生成することが出来る。

以上のように、ダブルクラッドファイバのコアを伝播する高出力のパルス光をシングルモードファイバに結合して非線形パルス圧縮を行うことにより、ダブルクラッドファイバのコアから空間に出力されるビームで課題であった、シングルモード成分以外の高次モード成分が混ざることによる空間ビーム品質の低下と、これに付随する非線形パルス圧縮後の短パルス光のピーク光強度の低下を無くすことが出来る。また、ダブルクラッドファイバに応力を印加するとコアから空間に出力されるビームの重心位置が変動するが、シングルモードファイバに結合することで重心位置の変動を無くすことが出来る。

また、光増幅手器４〜６を用いることで、ＬＤ２から出射されるパルス光が、微弱なパルス光であっても、光増幅によって高出力化することができ、さらに、最終段の光増幅器６にダブルクラッドファイバを用いることで励起光をワット級まで増大することができる。これにより、シングルクラッドのシングルモードファイバのみを用いて増幅を行った場合よりも大出力化を図ることが出来る。

さらに、利得イッチ半導体レーザと分散補償ファイバ３、ＢＰＦ２５を用いることにより、光パルスの繰返し周波数を容易に変更することができる。また、チタンサファイアレーザなどのように、モードロック方式でないため温度や振動に影響されず、安定した光パルスの発生が可能となる。

また、最終段の光増幅器６のダブルクラッドファイバ１２にＰＳ１９を設けたので、インナークラッドを伝播する不要な光による、光ファイバ接続部品等の損傷を避けることができる。

さらに、ダブルクラッドファイバ１２とシングルモードファイバ７との結合にＭＦＡ２４を用いることで、異なるファイバ間を結合することによる光パルスの強度損失を小さくすることができる。また、ＭＦＡ２４は、ダブルクラッドファイバ１２のコアおよびインナークラッドを伝播する励起光やコアからインナークラッドに洩れた信号光を除去することができ、さらに、耐熱性があるのでこの中で光から熱へと変換し廃熱させることができる。

本実施形態では、パルス光源として、利得スイッチ半導体レーザを使用するものとしたが、受動モードロック方式や能動モードロック方式のパルス光源を使用することが可能である。また、シングルモードファイバはシングルモードのパルス光のみ伝播することが出来るファイバであれば良く、シングルクラッドファイバやフォトニック結晶ファイバを使用することができる。また、本実施形態では個々に記述をしなかったが、偏波保持機能を有するシングルモードファイバとダブルクラッドファイバを夫々用いている。異常分散を与える圧縮器として回折格子対としたが、望ましくは透過型回折格子であると良く、反射型回折格子やプリズム、グリズム、偏波保持の異常分散中空コアフォトニックバンドギャップファイバとしても良い。

短パルスレーザ光源の波長は、光増幅器の利得ファイバに添加された希土類の利得帯域であれば良く、９８０ナノメートル帯や１０３０ナノメートル帯、１０６４ナノメートル帯、１１００ナノメートル帯、１３００ナノメートル帯、１５５０ナノメートル帯、１６００ナノメートル帯で使用可能である。望ましくは、９８０ナノメートル帯が有用である。

また、本実施形態では、光増幅器を３段構成としたが、これに限られず光増幅器を２段以下または４段以上使用することもできる。また、最終段の光増幅器以外の光増幅器を、ダブルクラッドファイバを用いるものにすることもできる。さらに、シングルファイバを用いた第１の光増幅器および第２の光増幅器に代えて、他の光増幅手段を設けることもできる。たとえば、シングルモードで動作する半導体光増幅器や、ファイバラマン光増幅器や、ファイバ光パラメトリック光増幅器である。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る短パルスレーザ光源の最終段光増幅器から圧縮器までの詳細な構成を説明する図である。

本実施形態では、第１実施形態におけるＭＦＡ２４に代えて、空間光学系によりダブルクラッドファイバ１２のコアを伝播するパルス光を、シングルモードファイバ７に結合する。空間光学系は、レンズ２０およびレンズ２３を含んで構成される。また、第１実施の形態で、シングルモードファイバ７の後段に配置していた光フィルタ２１と、空間アイソレータ２２も、レンズ２０とレンズ２３との間の空間光学系内に配置される。これにより、ダブルクラッドファイバ１２を透過したパルス光は、レンズ２０で空間ビームとして出力する。空間ビームとなったパルス光は、光フィルタ２１でＡＳＥ光が除去され、空間アイソレータ２２を透過して、レンズ２３で集光してシングルモードファイバ７のコアに結合する。

シングルモードファイバ７で、非線形光学効果の自己位相変調によりパルス光の光スペクトル幅が拡大するとともに、シングルモードファイバ７の正常分散によりチャープがパルス光に付与される。シングルモードファイバ７を出射したパルス光は、レンズ８で再び空間ビームとなり、圧縮器９でパルス光に異常分散が付与され、１００フェムト秒から２００フェムト秒のパルス幅である短パルス光を生成することが出来る。

空間光学系を用いた場合、ダブルクラッドファイバ１２のコアを伝播するパルス光の、シングルモードファイバ７との結合効率は８０％以上が得られ、高い結合効率で結合することが出来る。また、シングルモードファイバ７は、非線形パルス圧縮で最短の時間幅と最高のピーク光強度が得られるように、パルス光のエネルギーと時間幅（光スペクトル幅）に応じて最適な光スペクトル幅とチャープが加わるよう長さを調節する。シングルモードファイバ７の長さは、通常、数十ナノジュールのパルス光の場合は数メートルから１０メートル程度である。

その他の構成、作用は、第１実施形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

以上のように、ダブルクラッドファイバのコアを伝播するパルス光をシングルモードファイバに結合して非線形パルス圧縮を行うことにより、ダブルクラッドファイバのコアから空間に出力されるビームで課題であった、シングルモード成分以外の高次モード成分が混ざることによる空間ビーム品質の低下と、これに付随する非線形パルス圧縮後の短パルス光のピーク光強度の低下を無くすことが出来る。また、ダブルクラッドファイバの応力印加によるコアから空間に出力されるビームの重心位置が変動するが、シングルモードファイバを用いることでこれを無くすことが出来る。

また、ダブルクラッドファイバとシングルモードファイバとの結合に空間光学系を用いたので、異なるファイバ間の結合による光パルスの強度損失を小さくすることが出来る。さらに、ダブルクラッドファイバのコア径やシングルモードファイバのコア径を変更する際、コリメート用のレンズ２０と集光用のレンズ２３の変更で容易に対応することができる。

更に、シングルモードファイバにパルス光を入力する前に、光フィルタ２１でＡＳＥ光を除去することが出来るので、パルス光とＡＳＥ光との相互干渉によるＳＮ比の低下を低減することが可能となり、高い短パルス光の品質を得ることが出来る。このように、ダブルクラッドファイバとシングルモードファイバとの結合のための空間光学系内に波長選択手段である光フィルタ２１を用いることで、非線形パルス圧縮に悪影響を与える光パルスの光スペクトル成分以外の成分を、非線形光学効果を発生させるシングルモードファイバの前で除去でき、高品質なパルス圧縮が可能となる。

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係るレーザ走査顕微鏡システムの構成を示す図である。

このレーザ走査顕微鏡システムは、第１実施形態に係る短パルスレーザ光源と同様の短パルスレーザ光源２６のレンズ８、光フィルタ２１、空間アイソレータ２２および圧縮器９をレーザ走査顕微鏡２９に組込み、シングルモードファイバ７を介して、短パルスレーザ光源２６の光パルス発生・増幅部３８と接続したものである。光パルス発生・増幅部３８は、図１に示した第１実施形態の電気パルサー１、ＬＤ２、分散補償ファイバ３、第１の光増幅器４、第２の光増幅器５、第３の光増幅器６、および、ＢＰＦ２５を含んで構成される。また、レーザ走査顕微鏡２９は、上述の短パルスレーザ光源２６と共通の構成要素の他、強度変調器２７、整形光学系２８、走査部であるスキャナ３０、瞳投影レンズ３１、結像レンズ３２、ダイクロイックミラー３４、対物レンズ３３、集光レンズ３５、光検出部である光検出器３６および表示部３７を含んで構成される。

シングルモードファイバ７は、先端が洗浄可能な形態となっており固定可能なコネクタ形状を有している。そして、このシングルモードファイバ７は、レーザ走査顕微鏡２９とコネクタの取外しにより着脱可能となっている。シングルモードファイバ７をレーザ走査顕微鏡２９に取付けた状態で、短パルスレーザ光源２６は、第１実施形態の短パルスレーザ光源と同様に圧縮器９から短パルス光を出射できる。

圧縮器９から出力した短パルス光は、強度変調器２７で短パルス光のエネルギーが外部信号により変調される。強度変調器２７でエネルギーを変調した短パルス光は、整形光学系２８で空間ビームのビーム径が調整される。そして、走査部であるスキャナ３０で短パルス光の空間指向が二次元で制御され、瞳投影レンズ３１と結像レンズ３２を経て、対物レンズ３３で試料Ａの特定箇所に集光する。

試料Ａには、蛍光タンパクや蛍光色素などのマーカーが配されており、対物レンズ３３で集光された短パルス光によりマーカーが二光子励起され、短パルス光の波長と異なる蛍光が集光点から発する。蛍光は、再び対物レンズ３３で集光され、ダイクロイックミラー３４で短パルス光が伝播する光路から分離され、集光レンズ３３で集光され光検出器３６で光電変換される。

図示しない制御装置（制御部）で、スキャナ３０の動作および光パルスの指向（試料Ａ上の光パルスの集光位置）に対応した光検出器３６の電気信号を対応させ、その電気信号強度（＝蛍光強度）に応じた二次元イメージデータを生成し、表示部３７に表示する。これにより、使用者が試料Ａの蛍光材料の分布を認識することが出来る。

このように、シングルモードファイバ７を短パルスレーザ光源２９の光パルス発生・増幅部３８とレーザ走査顕微鏡２９との間の光パルス伝送路とすることにより、レーザ走査顕微鏡２９と光パルス発生・増幅部３８とを近接させる必要がなくなりレーザ走査顕微鏡システムの配置に自由度が出る。また、空間光学系を伝送路としないため、光パルス発生・増幅部３８とレーザ走査顕微鏡２９とを同一テーブルに配置する必要が無くなる。さらには、安全のための外部との遮光が容易になる。また、空間光学系を伝送路としていないため、日々の光パルスの指向調整が不要となる。

以上の説明では、レーザ走査顕微鏡システムの使い方として二光子励起蛍光を用いて説明を行ったが、三光子励起蛍光やＳＨＧなどの多光子励起での使い方でも適用可能である。また、試料としては生物試料や工業試料である無機・有機材料に適用可能である。強度変調器は、音響光学素子（音響光学可変フィルタ：ＡＯＴＦ）や音響光学素子（ＡＯＭ、ＡＯＢＳ）、電気光学素子（ＥＯＭ）、ＮＤフィルタあるいはλ／２板と偏光子との組み合わせでも使用が可能である。整形光学系はケプラー型やガレリオ型が使用可能であり、スキャナ内の瞳径を満たすように倍率が調整される。

（第４実施形態）
図５は、第４実施形態に係るレーザ走査顕微鏡システムの構成を示す図である。

このレーザ走査顕微鏡システムは、第２実施形態に係る短パルスレーザ光源のレンズ８および圧縮器９をレーザ走査顕微鏡２９に組込み、シングルモードファイバ７を介して、短パルスレーザ光源２６の光パルス発生・増幅部３８と接続したものである。光パルス発生・増幅部３８は、第２実施形態の電気パルサー１、ＬＤ２、分散補償ファイバ３、第１の光増幅器４、第２の光増幅器５、第３の光増幅器６、および、ＢＰＦ２５を含んで構成される。本実施形態でも、第３実施形態と同様の効果が得られる。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して説明したが、本発明は上述した実施形態の説明に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形または変更が可能である。

１ 電気パルサー
２ 半導体レーザ（ＬＤ）
３ 分散補償ファイバ
４ 第１の光増幅器
５ 第２の光増幅器
６ 第３の光増幅器（最終段の光増幅器）
７ シングルモードファイバ
８ レンズ
９ 圧縮器
１０ 短パルスレーザ光
１２ ダブルクラッドファイバ
１３ シングルモードファイバ
１４ アイソレータ
１５ 波長分岐モジュール（ＷＤＭ）
１６ ポンプコンバイナ（ＰＣ）
１７ 励起光源
１８ 利得ファイバ
１９ ポンプストリッパ（ＰＳ）
２０ レンズ
２１ 光フィルタ
２２ 空間アイソレータ
２３ レンズ
２４ モードフィールドアダプタ（ＭＦＡ）
２５ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
２６ 短パルスレーザ
２７ 強度変調器
２８ 整形光学系
２９ レーザ走査顕微鏡
３０ スキャナ
３１ 瞳投影レンズ
３２ 結像レンズ
３３ 対物レンズ
３４ ダイクロイックミラー
３５ 集光レンズ
３６ 光検出器
３７ 表示部
３８ 光パルス発生・増幅部
Ａ 試料

Claims (9)

1. パルス光を発生するパルス光源と、
   該パルス光源で発生した前記パルス光をコア中に伝播させるダブルクラッドファイバと、
   前記ダブルクラッドファイバから出射した前記パルス光を入力し、該パルス光に自己位相変調効果を発生させるとともに群速度分散を与えるシングルモードファイバと、
   前記シングルモードファイバから出射した前記パルス光の群速度分散を補償して該パルス光のパルス幅を圧縮するパルス圧縮部と
   を備える短パルスレーザ光源。
2. 前記パルス光源と前記シングルモードファイバとの間に前記パルス光を増幅する光増幅手段を備える請求項１に記載の短パルスレーザ光源。
3. 前記光増幅手段は、複数段の光増幅器を備え、該複数段の光増幅器うちの最終段の光増幅器は、前記ダブルクラッドファイバを含み、該ダブルクラッドファイバの少なくとも一部において前記コアに利得媒質が添加され、インナークラッド内に励起光を伝播可能に構成したことを特徴とする請求項２に記載の短パルスレーザ光源。
4. 前記最終段の光増幅器は、前記励起光を前記インナークラッドから除去するポンプストリッパを備えることを特徴とする請求項３に記載の短パルスレーザ光源。
5. 前記ダブルクラッドファイバの前記コアを伝播するパルス光を、前記シングルモードファイバのコアに結合するモードフィールドアダプタを備えることを特徴とする請求項１〜４に記載の短パルスレーザ光源。
6. 前記ダブルクラッドファイバの前記コアから空間に出射されたパルス光を、前記シングルモードファイバのコアに結合させる空間光学系を備えたことを特徴とする請求項１〜４に記載の短パルスレーザ光源。
7. 前記空間光学系は、前記コアから出射された前記パルス光を選択的に透過させる波長選択手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の短パルスレーザ光源。
8. 前記パルス光源が利得スイッチ半導体レーザであり、該パルス光源から出射される前記光パルスの群速度分散を補償する分散補償部と、前記光パルスの光スペクトルを整形するパルス整形部とを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の短パルスレーザ光源。
9. パルス光をコア中に伝播させるダブルクラッドファイバと、
   前記ダブルクラッドファイバから出射した前記パルス光を入力し、該パルス光に自己位相変調効果を発生させるとともに群速度分散を与えるシングルモードファイバと、
   前記シングルモードファイバから出射した前記パルス光の群速度分散を補償して該パルス光のパルス幅を圧縮するパルス圧縮部と、
   前記パルス圧縮部から出射された前記パルス光を試料に集光させる光学系と、
   前記パルス光を前記試料に対して走査させる走査部と、
   前記パルス光の前記試料への照射により得られる信号光を検出する光検出部と、
   前記走査部の操作と前記光検出部により検出した信号光強度に基づいて画像データを生成する制御部と、
   前記パルス圧縮部、前記光学系、前記走査部および前記光検出器を内蔵する筐体と
   を備え、
   前記筐体は前記シングルモードファイバを着脱可能な導入ポートを備えることを特徴とするレーザ走査顕微鏡システム。

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