JP2006518866A - 可視スペクトル領域の調整可能なピコ秒光パルスの生成 - Google Patents

Abstract

本発明は、可視スペクトル領域の調整可能な光パルスを生成するための装置に関する。この装置は赤外スペクトル領域のフェムト秒光パルスを放出するレーザシステム（ＬＳ）と、光パルスの波長を可視スペクトル領域に変換する光学的な周波数変換器（ＦＣ）を有している。時間分解蛍光分光用の光源として使用可能なこのような装置を提供するために、本発明では、レーザシステムから放出される光パルスの波長が調整可能であり、光学的なエキスパンダが設けられており、当該光学的なエキスパンダによって、周波数変換された光パルスのパルス持続時間が少なくとも１ｐｓまで拡張可能であることが提案される。

Description

本発明は、可視スペクトル領域の調整可能な光パルスを生成する装置に関する。この装置は、赤外スペクトル領域のフェムト秒光パルスを放射するレーザシステムと、可視スペクトル領域の光パルスの波長を変換する光学的な周波数変換器を有する。

フェムト秒光パルスを生成することができるレーザシステムは、物理的な基礎研究および他の研究領域においてもますます使用されている。この種のレーザシステムによって、迅速な物理的、化学的および生物学的なプロセスをほぼ「リアルタイム」で観測することができる。フェトム秒光パルスを形成するレーザシステムの商業的な使用領域は、材料分析および材料処理の領域、医療分野並びにいわゆる「ライフサイエンス」領域を要求する。具体的な使用例としては例えば、マルチフォトンマイクロスコープ並びに光学的なコヒーレンストモグラフィが挙げられる。

最近では、この他に、いわゆる時間分解蛍光分光（zeitaufgeloeste Fluoreszenzspektroskopie）が、化学、生物化学、物理化学の領域で、および半導体テクノロジーの領域上での重要な検査方法に発達した。時間分解蛍光分光では通常、使用されている蛍光体の励起された状態の寿命が突き止められる。これは、蛍光フォトンを放射して基本状態に戻る前の、個々の蛍光体分子を励起状態にさせておく中間時間である。寿命は各蛍光体および各蛍光体の局地的な周囲に対して固有のものであるので、蛍光体分子は有る程度ゾンデとして、検査対象の顕微鏡プロセスの検査に使用される。種々異なる寿命に基づいて、例えば、重畳している光学的な吸収スペクトルおよび放出スペクトルを有する２つまたはそれより多い種々異なる蛍光体を区別することもできる。これによって使用可能性がさらに改善される。この種の検査は例えば自動化された作用物質検索（ＨＴＳ：英語では「high throughput screening」）で使用される。

いわゆるマーカーとしては、時間分解蛍光分光の場合には、今日では主に蛍光体が使用されている。蛍光体の寿命は数１００ｐｓから数１００ｎｓの間の領域である。短い寿命は通常有利である。なぜなら繰り返し測定および平均化によって、信号ノイズが少なくなるからである。同時に短い寿命から、蛍光体の励起のために放射される光パルスのパルス長に対する高い要求が生じる。パルス長はいずれにせよ蛍光体の寿命に比べて短くなければならない。さらに注目すべき点は、実際に問題になる蛍光体の励起スペクトルが実質的に可視スペクトル領域にあることである。特定の検査対象物で時間分解蛍光分光に使用可能な蛍光体の数は通常、実験環境および検査対象物との特有の相互作用によって著しく制限されている。従って、光パルスの波長に関する制限が生じる。

従って本発明の課題は、ピコ秒領域のパルス持続時間を有する光パルスを供給する光源、殊に時間分解蛍光分光用の光源を提供することである。ここでこの光パルスの波長は、実質的に可視スペクトル領域全体にわたって調整可能である。

上述の課題は、冒頭に記載した形式の装置から出発して、レーザシステムによって放出された光パルスの波長が調整可能であり、光学エキスパンダが設けられており、この光学エキスパンダによって、周波数変換された光パルスのパルス持続時間が少なくとも１ｐｓまで拡張可能であることによって、本発明によって解決される。

すなわち本発明では、適切なレーザシステムによって、まずは充分に高いパルスエネルギー（ナノジュールのオーダ）を有する、赤外スペクトル領域のフェムト秒光パルスが形成される。従って光パルスの波長は周波数変換器によってそれ自体公知の方法で、相応の非線形光学作用を用いて、所望の可視スペクトル領域に変換される。周波数変換された光パルスはその後、本発明に相応して、光学エキスパンダによって、１０００ｐｓまでの所望のパルス持続時間にされる。時間分解された蛍光分光の場合には、１ｐｓから１０００ｐｓまでの領域におけるパルス持続時間を有する光パルスが必要である。多くの用途には、１０〜１００ｐｓの間の領域のパルス持続時間を有する光パルスが必要である。光パルスの繰り返し率は２５０ＭＨｚまでの領域にある。

本発明による装置は、当然ながら、調節可能な光源としても適している。これは、実質的に連続的レーザ光を、通常の、すなわち時間分解されない蛍光分光用に供給する。

本発明に相応して組み込まれる周波数変換器は、通常の形式の１つまたは複数の周波数倍増器を含む。周波数倍増器としては例えば市場で入手可能なＳＨＧ結晶（英語では「second harmonic generation」またはいわゆる周期的に極性が与えられる結晶または適切な導波構造が使用される。

さらに本発明の方法では、光学周波数フィルタが設けられる。これは周波数変換器に前置接続されるか、または後置接続される。可視スペクトル領域の光パルスの周波数変換のための、使用ケースに応じて使用される非線形光学素子は、その他に、光学エキスパンダの機能および周波数フィルタの機能を満たす。周波数倍増のために守られるべき位相整合条件のために、周波数変換は通常は幅が狭い。これは、周波数変換された光のスペクトルフィルタリングに匹敵する。幅が狭いことによって、多くのの場合には、光パルスが時間的に伸ばされる。

これに相応して周波数変換のために使用される非線形光学素子に依存して、本発明の装置では、光学エキスパンダの機能を満たす別個の光学素子が必ずしも設けられる必要はない。

有利には、レーザシステムから放出された光パルスの波長は、充分に大きい領域で、可能な限り少なくとも１μｍから２μｍの間で調整可能であるべきである。これによって充分に大きい調整可能性が、可能な限り全可視スペクトル領域において、周波数変換された光パルスに対して生じる。理想的にはレーザシステムは次のように調整可能である。すなわち本発明に相応する周波数変換によって、全可視スペクトル領域が、接している紫外（ＵＶ）スペクトル領域および近赤外（ＮＲ）スペクトル領域を加えてカバーされるように調整可能である。本発明に相応して周波数変換器として簡易な周波数倍増器が使用されるとき、レーザシステムから放出される光パルスの波長の調整可能性が８００ｎｍから２μｍである場合、本発明による装置の出力側でのスペクトルカバーは例えば４００ｎｍから１μｍの間である。従って近赤外スペクトル領域を含む、ほぼ完全な可視スペクトル領域がカバーされる。

本発明による装置の光学エキスパンダは、有利には少なくとも１つの分散性光学素子によって構成されている。これは周波数変換器に後置接続されている。光学エキスパンダは多段式に構成されてもよく、例えば分散性ガラスファイバーが後置接続されているガラス棒から構成されていてもよい。第１の段階では、周波数変換された約１００ｆｓの光パルスのパルス持続時間が約１ｐｓまで拡大される。第２段階ではパルス持続時間がさらに１ｐｓから、所望の１０〜１００ｐｓまで拡大される。全体的に時間分解周波数分光の場合には、周波数変換された光パルスのパルス持続時間が上述の領域において調整可能である。ここで次のことが考慮されるべきである。すなわち時間分解蛍光分光に対しては通常、ナノメータあたり１ｍＷを上回る平均スペクトル出力密度、有利にはナノメータあたり１０ｍＷを上回る平均スペクトル出力密度が必要とされることが考慮されるべきである。

本発明では、次のようなレーザシステムが必要とされる。すなわち、赤外スペクトル領域における、強力であり、かつスペクトル可変な光パルスを放出するレーザシステムが必要とされる。このようなレーザシステムは、殊に時間分解蛍光分光の領域で使用する場合には、低コストであり、容易に操作可能であるべきである。

これまでに実験では、高い出力を有するフェムト秒光パルスが通常はチタンサファイアレーザシステムによって形成されてきた。このシステムの欠点は非常に高価であること、アライメントが面倒であること、操作が困難であることである。形成された光パルスの光学スペクトルの完全調整性もこのようなレーザシステムでは満足に得られない。

今日では、１ナノジュールおよびそれを上回るパルスエネルギーを有するフェムト秒光パルスを、単なるファイバーに基づくレーザシステムによって形成することに移行している。このようなシステムは通常、１００ピコジュールのエネルギー領域においてフェムト秒光パルスを放出するパルス状レーザ光源から成る。このような光パルスはこの場合、光学的にポンピングされた増幅ファイバーによって増幅される。これによって所望のパルスエネルギー領域の光パルスが使用可能になる。

例えばＥＰ１１１８９０４Ａ１号から、調整可能な光パルスを形成する装置が公知である。この公知の装置は、特別な非線形光ファイバーとともに作動する。この光ファイバーによって、適切なパルス状レーザ光源によって供給されるフェムト秒光パルスの光学スペクトルがソリトン効果およびラーメン効果を使用して所期のように変調される。形成された光パルスのスペクトルを変えるために、上述の文献に記載されたシステムでは、非線形光ファイバーに入力結合した光の強度が変えられる。ここから直接的に以下のような欠点が生じる。すなわち、公知のシステムでは、形成された光パルスの所望の光学スペクトルがパルスエネルギーに依存してしまうという欠点が生じる。従って、パルスエネルギーおよび光パルスの波長の独立した変化は既知のシステムでは不可能である。さらなる欠点は、公知のシステムでは、使用されている非線形光ファイバーが１０ｍを上回る長さを有していなければならず、これによって所望のラーメン効果が充分に効果的であることである。走行距離が長いので、形成された光パルスの不所望な可干渉性損失が生じ得る。

上述の欠点を回避するために、本発明の装置ではレーザシステムが使用される。このレーザシステムは、調整可能な光パルスを形成するために、非線形の光ファイバーを有している。この光ファイバーによって、フェムト秒光パルスの光学スペクトルが、単なるソリトン効果を用いて変調される。ここでは光学コンプレッサがこの非線形光ファイバーの前に接続されている。

上述したように、本発明による装置のレーザシステムで光パルスが入力結合されるファイバー内の非線形プロセスによって、ファイバー内に２つの別個の光パルスが形成される。これらの光パルスのスペクトルは、入力結合された光パルスのスペクトルに対して、長波ないし短波のスペクトル領域へシフトされる。ここで、本発明による装置では非線形光ファイバーの前に接続されている光学コンプレッサを用いて光パルスのスペクトル分割が調整可能である。光学コンプレッサによって、入力結合された光パルスの時間的な周波数特性（チャープ：英語では「chirp」）に所期のように影響を与えることができる。非線形光ファイバーによって変調された光学スペクトルはこの場合、敏感に所定の「チャープ」に依存する。従って光パルスの所望の調整可能性が得られる。有利には殊に、本発明の装置によって形成された光パルスの光学的スペクトルは、パルスエネルギーに依存しないで変化する。

実験では次のことが明らかになっている。すなわち、有利には僅か数センチメートルの長さを有する非常に短い非線形光ファイバーを有する本発明による装置のレーザシステムで、光パルスの光学スペクトルの所望の変調が行われることが明らかになっている。これによって、形成された光パルスの可干渉性損失が効果的に回避される。

レーザシステムの非線形光ファイバーに入力結合される光パルスは、少なくとも１ナノジュールのパルスエネルギーを有しているべきである。このような高いパルスエネルギーによって、必要な程度に非線形光ファイバー内で調整可能な光パルスが形成されるソリトン光学効果が生じることが望まれる。

有利には、本発明による装置のレーザシステムの光学コンプレッサは位置調整可能であるように構成されており、非線形光ファイバーに入力結合する光パルスの時間的な周波数特性が変化可能である。これによって、形成された光パルスを所望の波長に調整することが快適かつ容易に実現される。これは、光学コンプレッサ（例えばプリズムまたは光学格子）の位置調整可能な素子を、適切にアライメントすることによって行われる。

本発明による装置の有利な構成では、非線形光ファイバーは偏波保持性および分散シフト性に構成される。このようなファイバーは例えば雑誌IEEE 「Journal of Selected Topics of Quantum Electronics（T.Okuno等の記事、第５巻、１３８５頁、１９９９年）」に記載されている。本発明と相応に光パルスのスペクトルの所望の変調へ導く、言及したソリトン光学効果は、ファイバーに入力結合された光パルスの波長がファイバーの零分散波長領域にある場合に非線形光ファイバー内で生じる。実験では、調整可能な光パルスを形成するために、非線形光ファイバーが使用されている。このファイバーの零分散波長は１．５２μｍの領域にある。

非線形光ファイバーが５μｍ以下の特に小さいコア直径を有している場合、特に幅の広い光学スペクトルを有している光パルスが本発明による装置のレーザシステムによって形成される。実験では、３．７μｍのコア直径を有するファイバーが首尾良く使用された。ここでは僅か７ｓｍのファイバー長が充分であることが判明した。従って、約１．１μｍ〜２．０μｍまで延在する、光パルスの調整のための使用可能な波長領域が生じる。

従来の光学ガラスファイバーの他にも、本発明ではマイクロ構造化されたフォトニックファイバーが、非線形光ファイバーとして、調整可能な光パルスを形成するために用いられる。この種のファイバーはコア領域において、横マイクロ構造を有している。零分散波長の適切な整合並びに小さいコア直径ひいてはこの種の結晶ファイバーの高い非線形性によって、本発明に相応して幅広く調整可能な光パルスが形成される。

択一的に、本発明による装置のレーザシステムでは、非線形の光ファイバーには付加的な光学コンプレッサが後置接続されており、これによってレーザシステムの出力側で、最小のパルス持続時間を有する光パルスが得られる。実験では、ＳＦ１０ガラスから成るプリズムを使用して、プリズムコンプレッサが使用されるのが適切であることが実証された。これによって、２５ｆｓ以下のパルス持続時間が得られた。

本発明の実施例を以下で図面に基づいて説明する。
図１には、本発明による装置がブロックダイヤグラムとして示されており、
図２には、本発明による装置のレーザシステムが示されている。

図１に示された装置は、赤外スペクトル領域のフェムト秒光パルスを放出するレーザシステムＬＳから成る。このような光パルスは、光学的な周波数変換器ＦＣに供給される。ここでこの周波数変換器は、例えばそれ自体公知の周波数倍増結晶である。周波数変換された光パルスは、光学エキスパンダＯＳに供給される。この光学エキスパンダによって、周波数変換された光パルスのパルス持続時間が少なくとも１ｐｓまで拡大可能である。周波数変換器ＦＣには必要に応じて、図１には詳細に示されていない光学フィルタが前または後に接続される。これによって使用ケースに応じて、光パルスの光学スペクトルにおける不所望なスペクトル成分が除去される。本発明では、レーザシステムＬＳによって放出される光パルスの波長は調整可能である。ここで調整可能性は１μｍと２μｍの間、可能な限りむしろ８００ｎｍから２μｍの間で保証されるべきである。これによって、図１に示された装置の出力側で、実質的に、可視スペクトル領域全体にわたって調整可能な光パルスが供給される。光学エキスパンダＯＳは任意の分散性光学素子（例えば適切な分散を伴うガラス棒または光ファイバー）またはこの種の素子から成る多段構成である。

図２には、図１に示された装置のレーザシステムＬＳの構成が概略的に示されている。ここではパルス状レーザ光源１が設けられている。これは、１ナノジュールを上回るパルスエネルギーを有するフェムト秒光パルスを放出する。レーザ源１は有利には完全なファイバーベースのシステムのことであり、このシステムは、市場で入手可能なパルス状ファイバーレーザとこれに後置接続されている光学的なポンピング増幅ファイバーから構成される。しかし、通常の自由放射レーザをレーザ光源１として使用することもできる。レーザ光源１から放出された光パルスの時間的な周波数経過特性は、プリズムコンプレッサ２によって所期のように設定される。図示の実施例では、この目的のために光パルスのプリズム配置が二重に走行する。コンプレッサのプリズムのうちの１つが位置調整可能であり、これによって本発明に従って形成された光パルスを調整することができることが二重矢印によって示されている。プリズムコンプレッサ２には、非線形の分散シフトおよび偏波保持光ファイバー３が後置接続されている。これには、光がレンズ４によって入力結合される。ファイバー３に入力結合された光パルスは、光ファイバー３の零分散波長に実質的に相応する波長を有している。ファイバー３内に生じる非線形のソリトン効果によって、光パルスの光学スペクトルが著しく変調される。別のレンズ５によって分離される光ファイバー３から出る光パルスは次のような光学スペクトルを有する。すなわちコンプレッサ２によって設定された「チャープ」に敏感に依存する光学スペクトルを有する。コンプレッサ２における相応のプリズムを位置調整することによって、赤外波長領域におけるファイバー３から出る光パルスが１．１μｍと２．０μｍの間の赤外波長領域において調整される。上述したように光パルスの光学スペクトルは、ファイバー３の出力側で２つの別個のコンポーネントを有している。これらは、出力結合された光パルスの波長に対して、長波スペクトル領域ないし短波スペクトル領域へシフトされる。１００ＴＨｚを上回る２つのコンポーネントの調整可能なスペクトル分割は、示された構成によって実現可能である。本発明と相応に、１０ｃｍ以下の長さを有する短い非線形の光ファイバー３で充分な場合にも、ファイバー３内で光パルスの分散性発散が生じる場合がある。これは付加的なプリズムコンプレッサ６によって補償される。ＳＦ１０ガラスプリズムを使用する場合、図示された構成によって、２５ｆｓ以下のパルス持続時間を有する調整可能な光パルスが実現される。光パルスを特徴付けるために、ＦＲＯＧ構成または分光計７が設けられている。

さらに、ファイバー３内に入力結合された光パルスの「チャープ」を所期のように設定するために、プリズムコンプレッサ２の代わりに、他の分散性光学コンポーネントも使用可能であるということを指摘しておく。これは例えばいわゆる「チャーピングされた（gechirpte）」ミラー、ファイバーブラッグ格子、付加的な分散性光学区間等である。

本発明による装置のブロックダイヤグラム 本発明による装置のレーザシステム

Claims (14)

1. 可視スペクトル領域の調整可能な光パルスを生成するための装置であって、
   赤外スペクトル領域のフェムト秒光パルスを放出するレーザシステム（ＬＳ）と、
   前記光パルスの波長を可視スペクトル領域に変換する光学的な周波数変換器（ＦＣ）を有している形式の装置において、
   前記レーザシステム（ＬＳ）から放出される光パルスの波長は調整可能であり、
   光学的なエキスパンダ（ＯＳ）が設けられており、当該光学的なエキスパンダによって、前記周波数変換された光パルスのパルス持続時間が少なくとも１ｐｓまで拡張可能である、
   ことを特徴とする、可視スペクトル領域の調整可能な光パルスを生成するための装置。
2. 前記周波数変換器（ＦＣ）は、１つまたは複数の周波数倍増器を含む、請求項１記載の装置。
3. 少なくとも１つの光学的な周波数フィルタを有しており、
   当該周波数フィルタは、前記周波数変換器（ＦＣ）の前または後に接続されている、請求項１記載の装置。
4. 前記レーザシステム（ＬＳ）から放出された光パルスの波長は、少なくとも１μｍ〜２μｍの間の領域、有利には８００ｎｍ〜２μｍの間の領域で調整可能である、請求項１記載の装置。
5. 前記光学エキスパンダ（ＯＳ）は、少なくとも１つの分散性光学素子によって構成されており、当該分散性光学素子は前記周波数変換器（ＦＣ）の後に接続されている、請求項１記載の装置。
6. 調整可能な光パルスを生成する前記レーザシステムは非線形光ファイバー（３）を有しており、当該非線形光ファイバーによって、フェムト秒光パルスの光学スペクトルがソリトン効果を用いて変調可能であり、前記非線形光ファイバー（３）の前に光学コンプレッサ（２）が接続されている、請求項１記載の装置。
7. 前記非線形光ファイバー（３）に入力結合された光パルスは、少なくとも１ナノジュールのパルスエネルギーを有している、請求項６記載の装置。
8. 前記光学コンプレッサ（２）は位置調節可能に構成されており、前記非線形光ファイバー（３）に入力結合された光パルスの時間的な周波数特性を変えることができる、請求項６記載の装置。
9. 前記非線形光ファイバー（３）は偏波保持性および／または分散シフト性である、請求項６記載の装置。
10. 前記非線形光ファイバ（３）のコアの直径は５マイクロメータよりも小さい、請求項６記載の装置。
11. 前記非線形光ファイバ（３）は、マイクロ構造化されたフォトニックファイバーとして構成されている、請求項６記載の装置。
12. 前記非線形光ファイバ（３）の長さは１メートルを下回る、請求項６記載の装置。
13. 前記非線形光ファイバ（３）の後に接続されている付加的な光学コンプレッサ（６）を有している、請求項６記載の装置。
14. 顕微鏡、共焦点顕微鏡、蛍光分光または自動化された作用物質検索に対する、請求項１から１３までのいずれか１項に記載された装置の使用。

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