JP2013545974A - レーザ発光装置および試料の分光分析方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】一態様によれば、本願発明は、試料の分光分析用のレーザ発光装置に関し、ポンプビーム（Ｉ_５）および励起ビーム（Ｉ_２）を放出する、該２つのビームがパルス化され、ナノ秒またはサブナノ秒のパルス時間を有する一次レーザ発光源（４０１）と、広いスペクトルバンドを有するプローブビーム（Ｉ_４）を形成するために励起ビームが注入される非線形光ファイバ（４０６）と、同様のパルス時間を有するポンプビームおよびプローブビームを取得するために、非線形光ファイバにより生成されたプローブビームの時間広がりを補償可能な、ポンプビームまたは励起ビームのいずれかの時間プロファイル制御装置（４０５）と、試料の分光分析のためのポンプビームとプローブビームの空間的なオーバーレイ手段（４０９）とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、特に非線形イメージング用途におけるレーザ発光装置および試料の分光分析方法に関する。

全ての化学結合は、それらに特有の振動周波数を有する。これらの分子振動の情報を得るために光と物質の相互作用を利用しようとする方法は、振動光学技術と呼ばれる。このような技術で最もよく知られているのは、試料中に存在する化学結合の特異な吸収線を観察する赤外（ＩＲ）分光法である。１９２８年に発見されたラマン散乱（この効果を発見した物理学者チャンドラセカール・ヴェンカタ・ラマンに由来する）は、可視光線を用いて光線と相互作用する分子の振動スペクトルを入手することを可能とする。ラマン散乱過程では、分子に入射する角振動数ω_Ｐのポンプ波は、角振動数ω_Ｓのいわゆるストークス波（図１Ａ）と、角振動数ω_ＡＳのいわゆる反ストークス波（図１Ｂ）とに非弾性的に散乱される。生成された波とポンプ波との間の振動数の差は、（角振動数Ω_Ｒの）分子ラマン遷移の関数であり、ω_Ｐ−ω_Ｓ＝ω_ＡＳ−ω_Ｐ＝Ω_Ｒとなる。この過程を光子的に見ると、ストークス波および反ストークス波は、それぞれ基底振動準位および励起振動準位からの吸収に相当する。熱力学的平衡にある高密度媒質では、励起振動準位（Ｂ）から反ストークス波を生成する過程は、自発ラマン分光法において実際に観察される唯一の波であるストークス波を生成する過程よりもずっと起こりにくい。ストークス波のスペクトル分布を詳細に調査することで、試料中に存在する化学結合の密度に関する情報が得られる。この非弾性散乱の自発過程は、蛍光発光に比べて非常に非効率である（１０^−１６ｃｍ^２／分子まで達し得る蛍光色素分子からの１光子吸収断面積に対して、ラマン断面積は１０^−３０ｃｍ^２／分子のオーダである）。

誘導ラマン分光法のＣＡＲＳ（コヒーレント反ストークスラマン散乱）は、試料中に存在する振動性結合を対象とする四光波混合過程である。この過程は、たとえばＲ．Ｗ．Ｂｏｙｄの非線形光学（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、ボストン、１９９２年）に記載されている。角振動数ω_ｐおよびω_ｓ（または振動数ν_ｐおよびν_ｓ）の２つのレーザパルスを送出され、それらの角振動数差は、解析中の振動準位における角振動数Ωに等しい。ω_ｐ−ω_ｓ＝Ωというこの共鳴配置において、角振動数Ωの振動準位は誘導遷移により存在しており、角振動数ω_ｐのビームを角振動数ω_ａｓ＝２ω_ｐ−ω_ｓのビームへと非弾性的に散乱させることが可能であろう（図２（Ａ））。この新たな放射ω_ａｓが存在することは、試料中に角振動数Ωにて振動する結合が存在する痕跡（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）である。ＣＡＲＳの第１の実施は、２つのスペクトル的に狭いピコ秒パルスを試料上に送ることから成る。これらのパルスの角振動数差は、特異的な振動性結合に対処するだけである。最適同定のために、試料中に存在する振動性結合の全てが探し求められる。これのために、いわゆる「多重ＣＡＲＳ」モードが用いられる（例えば、Ｍ．ＭｕｌｌｅｒおよびＪ．Ｓｃｈｉｎｓの「多重ＣＡＲＳ分光法を用いた脂質膜の熱力学的状態の画像化」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｂ１０６巻、３７１５〜３７２３頁（２００２年）を参照）。ここではスペクトル的に狭いパルスω_ｐとスペクトル的に広いパルスω_ｓとが試料上に送られる。（図２（Ｂ））。従って、試料中に存在する振動準位Ω_ｉの全てに対処でき、生じた信号ω_ａｓのスペクトルを得ることができ、顕微分光法の用途に供することができる。

ＣＡＲＳ顕微分光法を実施するための装置は、例えば、Ｈ．Ｋａｎｏ等（「スーパーコンティニュームベースの多重コヒーレント反ストークスラマン散乱顕微分光法による単一生細胞の振動共鳴画像」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．４，１３２２貢（２００５年））に記載されている。この記載された装置では、フォトニック結晶ファイバまたはＰＣＦを用いていわゆる「スーパーコンティニューム」（ＳＣ）光源を生成することにより、スペクトル的に広いパルスが得られる。これらのファイバの内部には、フェムト秒パルス、ここではチタンサファイアレーザ発振器により放出された１００フェムト秒パルスが注入される。類似の装置は、米国特許第７，０９２，０８６号明細書に記載されている。しかしながら、これらの例では、フェムト秒ポンプビームの使用は、ＣＡＲＳ放射の分析におけるスペクトル分解能を制限する。

ＣＡＲＳ顕微分光法を実施するための他の装置は、Ｍ．Ｏｋｕｎｏ等（サブナノ秒のスーパーコンティニューム光源を用いた超広帯域（＞２０００ｃｍ^−１）多重コヒーレント反ストークスラマン散乱分光法」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．２０（２００７年））に記載されている。この論文に記載された装置の略図が図３に図示されている。１．０６４μｍのＱスイッチマイクロレーザ１０から放出された波１は、倍加結晶を通して送られ、入射波１の第２高調波である５３２ｎｍの波２を生成する。波２は、ビームスプリッタ１２を用いて２つのビームに分割される。エネルギーの約１０％は、ＣＡＲＳ過程においてポンプビーム３を形成するのに用いられ、９０％は、フォトニック結晶ファイバ中に注入され、ＣＡＲＳ過程においてストークスビーム４を形成するスーパーコンティニュームを発生させる。２つのビームは、一つの同じレンズ１５を用いて試料１４上に焦点が合わせられる。ポンプビーム３の光路に沿ったディレイライン２３は、試料内部で同期されるポンプおよびストークスビームの焦点調節を可能とする。ダイアフラム１６は、試料の下流においてポンプおよびストークスビームを遮断し、試料から生じる蛍光放射を抑制するために挿入される。試料の下流における波長阻止フィルタおよびバンドパスフィルタ（それぞれ１７および１８）の組み合わせは、ポンプおよびストークスビームを阻止するために用いられる。放出されたＣＡＲＳビーム（符号５）は、レンズ１９によりコリメートされ、スペクトルグラフ２１の入射スリット上に焦点合わせされ（レンズ２０）、その後マトリクス検出器２２、例えばＣＣＤカメラにより検出される。いわゆるピコ秒またはフェムト秒パルスレーザ光源とは対照的に、いわゆるナノ秒またはサブナノ秒レーザ光源のパルス状のレーザ持続時間は、典型的にはナノ秒の数分の一（数百ピコ秒）と数十ナノ秒との間から成る。この装置では、ナノ秒パルスを放出する１．０６４μｍのＱスイッチマイクロレーザは、多くの利点を有する。マイクロレーザは、数Ｈｚから１００ｋＨｚ超の繰り返し率および２０ｋＷを超えるピークパワーを備える実に低コストな光源である。前述したように、これらのパルスは、ＣＡＲＳ顕微分光法用のポンプビームとしての機能を果たし、フォトニック結晶ファイバ中に注入され、スーパーコンティニュームを発生する。これらのサブナノ秒光源を使用しているので、非常によい分解能（３ｃｍ^−１のオーダ）が得られる。

しかしながら、本出願人は、図３に記載されるような装置において、ＣＡＲＳメカニズムにおけるポンプとプローブとの間の相互作用効率を制限する、フォトニック結晶ファイバ中で生じたスーパーコンティニュームパルスの非線形な時間広がりを指摘する。

本発明の一つの目的は、特に従来技術の限界を克服することのできる、試料の分光分析に適したレーザ発光装置を提供することである。

第１の態様によれば、本発明は、試料の分光分析用のレーザ発光装置に関する。この装置は、ポンプビームおよび励起ビームの一次レーザ発光源であって、ナノ秒またはサブナノ秒のパルス持続時間で２つのビームがパルス化される一次レーザ発光源と、広いスペクトルバンドを有するプローブビームを形成するために前記励起ビームが注入される非線形光ファイバと、前記ポンプビームまたは前記励起ビームの一方の時間プロファイル制御装置であって、時間エンベロープに関して実質的に等しい持続時間を有するポンプビームおよびプローブビームを取得するために、非線形光ファイバにより生成されたプローブビームの非線形な時間広がりを補償可能な時間プロファイル制御装置と、試料の分光分析を考慮した、前記ポンプビームおよび前記プローブビームの空間的なオーバーラップ手段とを備える。

有利には、一次レーザ光源は、ナノ秒またはサブナノ秒レーザ発光源と、前記ポンプビームおよび前記励起ビームを形成するために、放出波を２つの制御されたパワーのビームに分離する装置とを備える。例えば、一次光源はマイクロレーザであり、例えばマイクロレーザは１．０６４μｍで発光する。

第１の変形例によれば、時間プロファイル制御装置は、励起ビームのパルス持続時間を低減可能である。

例えば、時間プロファイル制御装置は、複屈折材料と、偏光子とを備える。励起ビームは、時間プロファイルの制御装置の入力において、前記複屈折材料の複屈折軸と異なる方向に沿って偏光している。偏光子の所定の回転角に付随する、複屈折材料の非線形効果に起因する偏光の非線形回転は、パルスのエッジをカットして、パルスの持続時間を低減することを可能とする。例えば、時間プロファイル制御装置は、複屈折ファイバを備える。

別の例によれば、時間プロファイル制御装置は、可飽和吸収体材料を備える。

あるいは、時間プロファイル制御装置は、ポンプビームのパルス持続時間を広げることを可能にする。

一例によれば、時間プロファイル制御装置は、分散光ファイバを備える。

有利には、レーザ発光装置は、前記非線形光ファイバより上流に、パルスを再生して、ファイバ中で求められるスペクトル広がりを提供することを可能とする光ファイバをさらに備える。

有利には、レーザ発光装置は、ポンプビームおよびプローブビームの光路を調整して、試料内部でのポンプビームとプローブビームの時間オーバーラップを可能とするための光ディレイラインをさらに備える。

一変形例によれば、レーザ発光装置は、少なくとも第１のポンプビームとは異なる波長の第２のポンプビームを生成するためにポンプビームが注入される高調波発生用の非線形光学装置をさらに備える。例えば、非線形光学装置は、周波数倍増装置である。これは、例えば、赤外光中および可視光中に一つまたは二つのポンプビームを有することを可能とする。有利には、スペクトル選択器は、２つのポンプビームの一方および／または他方とともに働くことを可能にしてもよい。

第２の態様によれば、本発明は、試料の分光分析システムに関する。このシステムは、第１の態様に係るレーザ発光装置と、前記レーザ発光装置から放出されたポンプビームおよびプローブビームの試料内部での非線形相互作用によって生じる波のスペクトルおよび／または時間分析装置とを備える。

第３の態様によれば、本発明は、試料の分光分析用のレーザ発光方法に関する。この方法は、ポンプビームおよび励起ビームの発光であって、ナノ秒またはサブナノ秒のパルス持続時間で２つのビームがパルス化される発光と、広いスペクトルバンドを有するプローブビームを形成するための、非線形光ファイバ中への前記励起ビームの注入と、前記ポンプビームまたは前記励起ビームの一方の時間プロファイルの制御であって、時間エンベロープに関して実質的に等しい持続時間を有するポンプビームおよびプローブビームを取得するために、前記非線形光ファイバにより生成されたプローブビームの非線形な時間広がりを補償可能とする制御と、試料の分光分析を考慮した、前記ポンプビームおよび前記プローブビームの空間的なオーバーラップとを備える。

第１の変形例によれば、前記ポンプビームまたは前記励起ビームの一方の時間プロファイルの制御は、励起ビームの時間幅の低減を含む。

第２の変形例によれば、前記ポンプビームまたは前記励起ビームの一方の時間プロファイルの制御は、ポンプビームの時間幅の拡大を含む。

有利には、前記非線形光ファイバ中への注入前の励起ビームの増幅をさらに含む。

本願発明の他の利点および特徴は、以下の図を用いて説明された記載を読むことによって明らかとなるであろう。
（説明済）ラマン散乱過程におけるストークス放射および反ストークス放射の原理を示す図である。 （説明済）ラマン散乱過程におけるストークス放射および反ストークス放射の原理を示す図である。 （説明済）２つの異なるモードにおけるＣＡＲＳ散乱の原理を示す図である。 （説明済）２つの異なるモードにおけるＣＡＲＳ散乱の原理を示す図である。 （説明済）従来技術に係るレーザ発光装置の略図である。 本発明の実施形態の第１例に係るレーザ発光装置を示す略図である。 本発明の実施用の非線形ファイバの例を示す図である。 図５Ａに示す非線形ファイバに関して計算された分散曲線を示す 本発明に係る装置の実施の一例における、非線形ファイバの出力における波長の関数としてのパワースペクトル密度を表す実験曲線を示す図である。 フォトニック結晶ファイバ中の非線形時間広がりを実証する図である。 フォトニック結晶ファイバ中の非線形時間広がりを実証する図である。 フォトニック結晶ファイバ中の非線形時間広がりを実証する図である。 本発明の装置の実施に関する、時間プロファイル制御装置の実施形態の例を示す図である。 本発明に係るレーザ発光装置の実施形態の第２例を示す図である。 本発明に係る装置の実施の別の例における、非線形ファイバの出力における波長の関数としてのパワースペクトル密度を表す実験曲線を示す図である。

図４は、本発明の一実施形態に係る、試料の分光分析用のレーザ発光装置を示す。この装置は、典型的には１００ｐｓから１０ｎｓの間から成るパルス持続時間のナノ秒またはサブナノ秒パルス（Ｉ１）を放出する一次レーザ光源４０１、例えばＱスイッチレーザを備える。これは、有利には、例えばネジウムドープされた、受動的および／または能動的な可飽和吸収体により受動的にＱスイッチされるマイクロレーザである。波長の中心は例えば１．０６４μｍであり、フーリエ限界に近い狭線幅（８００ｐｓのオーダ）を有する。繰り返し率は、例えば数Ｈｚから２００ｋＨｚの間から成り、外部のＱスイッチング調整可能または不可能である。ピークパワーは、例えば数ｋＷから数十ｋＷの間から成る。図４の例では、制御パワービームスプリッタ４０２は、レーザ光源４０１から放出されたパルスＩ_１から、制御可能なエネルギーを有するパルスＩ_２およびＩ_３を形成することができる。例えば、スプリッタ４０２は、１／２波長板４０３と、偏光ビームスプリッタキューブ４０４とを備える。１／２波長板は、偏光（レーザ出力で偏光しているか、または偏光子により偏光した）一次レーザ光源により放出された波の偏光を回転させ、それによって偏光ビームスプリッタキューブの出力において二つのチャンネルのエネルギー分布を制御することができる。パルスＩ_２およびＩ_３は、それぞれ、いわゆる励起チャンネルといわゆるポンプチャンネルに送られる。各チャンネルのパワー制御は、例えば、リアルタイムで試料から来るＣＡＲＳ信号を最適化するとともに、各調査試料への信号を調整することを可能とする。図４の例では、１／２波長板４０８は、試料に入射するポンプビームの偏光を選択するよう配置することができる。励起チャンネルは、パルスＩ_２の時間プロファイル用の制御装置４０５を備え、その後にスーパーコンティニュームを発生するための非線形ファイバ４０６が続く。励起チャンネルおよびポンプチャンネルからそれぞれ来るパルスＩ４およびＩ５は、その後、結合器４０９（例えば、偏光子またはダイクロイックビームスプリッタ）により空間的にオーバーラップされ、その後、分光分析装置４１１（例えばスペクトルスコープを備える顕微鏡）に送られる。レーザ発光源および分析装置４１１のアセンブリは、従って、完全な分光分析システム４０を形成する。特定の化合物を同定することを可能とする特定の波長帯に有利に働くよう、フィルタ４１０が配置されてもよい。ポンプおよびプローブビームがオーバーラップする時間を制御するために、例えばポンプビームのチャンネルに沿って、例えばヘリオットキャビティ（Ｈｅｒｒｉｏｔｔ ｃａｖｉｔｙ）の原理に基づいた光ディレイラインが配置されてもよい。

非線形ファイバ４０６は、サブナノ秒信号を一連の相互インコヒーレントフェムト秒パルスにタイムスライシング変換するのと共に、スペクトル広がりの達成を可能とする。この変換は、ゼロ波長分散となる一つ又は複数の波長を備える非線形ファイバ中で得られる。このスペクトル広がりは、可視光および赤外線、例えば３００ｎｍから２．２ｍｍの間において、同時に達成されうる。このために、ゲルマニウム、ランタン、リンなどのイオンでドープされたまたは非ドープの微細構造ファイバを用いることができる。この非線形ファイバは、同じ特性を有さない様々なファイバ片で構成することもできるが、非線形効果により生じる波長間の群時間差を最小化することができる。

図５Ａおよび５Ｂはそれぞれ、本発明に係るレーザ発光装置の実施に適した非線形ファイバの一例である走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影された画像と、このファイバについて計算された分散曲線を示す。図５Ａに示す非線形ファイバ５０は、微細構造のシリカファイバであり、すなわち、実質的に円柱状のシリカ構造５２の内部に、この例では２．５から４μｍの間で平均約３μｍの直径を有する、実質的に円柱状の空気孔５１を有する。

このようなファイバの製造技術は当業者に公知であり、例えばＰ．Ｓｔ．Ｊ．Ｒｕｓｓｅｌｌによる論文「フォトニック結晶ファイバ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ２９９，３５８−３６２貢（２００３年）に記載されている。このファイバの分散曲線は、適切なソフトウェア、例えばＣＯＭＳＯＬ社製の「ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ」を用いて計算される。ファイバの幾何学的構造からスタートし、ｐｓ／ｎｍ／ｋｍで与えられる分散を波長の関数として計算することができる。図５Ａに示す微細構造ファイバについて得られた曲線５３は、約１μ付近でゼロ分散を示すことが明白に示されている。ゼロ分散より下では、分散値は負であり、正常分散と呼ばれる。ゼロ分散より上では、分散値は正であり、異常分散と呼ばれる。波長分散曲線は、全ての非線形効果を考慮に入れてファイバ中での入射波の伝搬をシミュレーションするために用いられる。例えば「ＦＩＢＥＲ ＤＥＳＫ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｕｌｓｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ」というソフトウェアは、このようなシミュレーションを実行する（www.fiberdesk.com）。

１．０６４μｍで励起された、図５Ａに示す非線形ファイバは、スーパーコンティニュームを発生可能である。その一つの実験スペクトルを図６に示す。概して符号６１が付されたスペクトルは、矢印６０で表される１．０６４μｍでの励起に対して、１．０６４μｍを超える超長波長に向かって生成波長の分散を示す。１０ｋＷの入力ピークパワーで、自己位相変調、ソリトン効果およびパラメータ混合などの非線形効果を発生させることができる。微細構造ファイバおよび励起波長の選択は、求められる用途に応じて既知の方法でスーパーコンティニュームスペクトルを調整することができる。

図７Ａから７Ｃは、実験から得た曲線を用いて、図５Ａに図示された微細構造ファイバ（またはフォトニック結晶ファイバ）において本出願人により実証された、非線形変換により発生した時間広がりを示す。図７Ａは、実施の一例におけるパルスＩ_２の時間エンベロープ７０を示す（横軸はｎｓであり、縦軸は任意単位）。このエンベロープは、実質的にガウス形状を有し、パルス持続時間は、縦軸と平行であり且つパルスエンベロープ７０のピーク７２の中間でパルスエンベロープ７０と交わる破線７１と７２との間のギャップによって規定される。図７Ｂは、各波長に関し、測定されたエネルギーを時間の関数として（グレースケールで）示す。この図では、ダークゾーンは最大エネルギーゾーンに相当する。この曲線は、パルスのベースにおいて（図７Ａ）、パワーが小さくなると、スーパーコンティニュームで発生した波長は励起波長（ここでは１．０６４μｍ）に近くなることを示す。一方、パルスのピークに向かって（図７Ａの符号７３）、パワーは最大となり、発生した波長はポンプ波長からより遠くなる。それ故、励起パルスの形状を実質的に再生している形状７４を有する、時間の関数としての異なる波長に関するエネルギー分布を、図７Ｂにおいて観察することができる。図７Ｃは、スーパーコンティニュームにおいて放出された異なる波長に関し、時間の関数としてのエネルギー分布を示す三次元表示により、この現象を示す。このように、例えば２０１３ｎｍでは（曲線７５）、すなわち励起波長から離れた波長では、時間の関数としてルミナスパワー（ここでは任意単位）を与えるこの曲線は、励起パルス（図７Ａ）のそれと実質的に類似した形状を示す。一方、励起波長に近い波長では（例えば１０６５ｎｍにおける曲線７６）、励起パルスのベースに対応する時間に中心がある２つの主要なピークが続くエネルギー分布が生じる。試料中において、ナノ秒パルス持続時間を有するポンプビームと、スーパーコンティニュームにより形成されたプローブビームの異なる波長における全てのパルスとが時間的に同時に発生できないということは、この効果に起因する。従って、本出願人によって実証されたこの現象は、非線形ファイバ中におけるスーパーコンティニュームの発生メカニズムに起因して、プローブビームの非線形広がりをもたらす。

従って、パルスの時間プロファイルの制御装置４０５の効果は、ポンプビームのパルス持続時間と幅（この幅は時間エンベロープの半値全幅により定義される）が実質的に類似する時間エンベロープにおいて、スーパーコンティニュームの異なる波長の全パルスを一つのグループにまとめるために、励起ビームのパルス持続時間を低減することである。従って、目標は、全ての成分が単色光源パルスと時間に関しオーバーラップした多重波長パルスＩ_４を得ることである。

図８は、パルス持続時間を低減する装置８０の実施形態の一例を示す。概して、この装置は、複屈折材料と、ファイバまたは例えば一変のガラスと、ファイバまたは非ファイバの偏光子とを備える。図８に示す例において、装置８０は、主に、２つの複屈折軸を有する複屈折光ファイバ８２と、このファイバの出力側に位置する偏光子８５とを備える。レンズ８１は、入射レーザビームＩ_２（偏光した）を光ファイバ８２内に入れることができ、コリメータレンズ８３は、ファイバ８２の出力において用いられ、偏光子８５の入力において弱い発散ビームを形成する。レーザビームＩ_２は、ビームの強度およびファイバの複屈折に起因して、光学非線形性の影響を受ける。これらの影響は、例えばカー効果に起因する自己位相変調効果である。特に、カー効果は、ファイバ入力における偏光方向が複屈折軸と同一線上にないときに、入射ビームの偏光の非線形回転を引き起こす。従って、偏光子８５がファイバ８２に対して出力信号を選択するように配置されているとき、必要ならば１／２波長板８４および偏光子８５を用いて、主にカー効果を経験したパワーのみが抽出される。偏光子８５および１／２波長板８４（そのような設けられている場合）の回転角の関数として、出力パルスＩ_３の持続時間を多かれ少なかれ長く（入射パルスＩ_２の持続時間と、所与のファクター、典型的には最大１６のファクターによって低減されたパルス持続時間との間から成る）選択することの可能性は、これに起因する。出力パルス持続時間の調整は、入射ビームの偏光軸に対してファイバの複屈折軸を回転することにより実行される。そして、ファイバより上流に１／２波長板（図８には図示せず）を挿入して、この複屈折軸に対する入射ビームの偏光方向の回転角を設定することができる。入射レーザビームＩ_２は通常、セパレータ４０２の出力で偏光される。そうでない場合には、ファイバの上流に偏光子（図８には図示せず）を設けることができる。図８に示すような装置によれば、それ故、パルスを非線形ファイバ（４０６，図４）中に送ってスーパーコンティニュームを発生させる前に、パルス持続時間を調整することができる。複屈折ファイバは、例えばＣｏｒｎｉｎｇ ＨＩ９８０またはＣｏｒｎｉｎｇ ＨＩ１０６０ファイバである。

パルス持続時間を低減する他の装置を考慮することができる。例えば、強い光度に対して吸収が少ない特性を有する可飽和吸収体材料を用いることが可能である。このような材料を横断する入射レーザパルスは、その後パルスの底部に吸収が見られるが、パルスピークは伝達され、パルス持続時間の減少をもたらす。

下記の２つの例では、パルスの時間幅の低減がパルスエネルギーの減少に付随して起こる。以下に記載されるように、パルスの時間プロファイルの制御装置（４０５，図４）より下流に光増幅器を設けることができる。

あるいは、プローブビームおよびポンプビームの時間エンベロープが同程度の幅を有するように再度ポンプビームの持続時間を広げるために、パルスの時間プロファイルの制御装置を設けることもできる。このような装置は、例えば、強力に制御された分散を有するファイバ（例：Ｍａｕｒｙ，Ｊ；Ａｕｇｕｓｔｅ，Ｊ Ｌ；Ｆｅｖｒｉｅｒ，Ｓ；Ｂｌｏｎｄｙ，Ｊ Ｍ；Ｄｕｓｓａｒｄｉｅｒ，Ｂ；Ｍｏｎｎｏｍ，Ｇ；「二重同心コア(dual-concentric-core)エルビウムドープ分散補償ファイバの理論および特性」；Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２９，７号，７００−７０２貢（２００４年））、またはＴｅｒａｘｉｏｎからの分散補償モジュール（ＣＳ−ＴＤＣＭＸモジュール）から成る。

どの場合においても、適切なソフトウェアを用いて、スーパーコンティニュームを発生させるために選択される非線形ファイバに期待される時間広がりを計算するとともに、この広がりに応じたパルスの時間プロファイル用の制御装置を形成することができる。加えて、光ディレイライン４０７は、プローブビームとポンプビームとが同時に同じ試料上に焦点合わせされるよう２つのチャンネルの光路を補償することができる。

図９は、図４に示す装置の変形例を示す。図４に関連して記述の要素は別として、図９に記載された装置は、励起チャンネルに沿って、光増幅器９０５を備える。この光増幅器９０５は、前述したように、特にパルスを低減する装置４０５を通過した後に信号を再生することを可能とする。この光増幅器は、バルク増幅器またはファイバ増幅器であってよい。それは、非線形ファイバ４０６でのスペクトル広がりを発生させるほど十分に入力信号を増幅することができるように形成される。この増幅器は、有利には、パワーを変更可能なポンプダイオードを有する。この増幅器内部で誘導ラマン効果の最小化が求められてもよい。寄生フィードバックから増幅器を保護するために、２つのアイソレータ（図９には図示せず）が、一方は入力側に、他方は出力側に設けられてもよい。この光再生システムは、増幅効果に加えて、パルス位相およびパルスエンベロープの変更を引き起こして、非線形変換工程間のスペクトルの励起を促進させるために検討されてもよい。

この装置はまた、非線形ファイバ４０６より下流に、非線形ファイバ４０６の長尺に起因するスーパーコンティニュームのスペクトル成分間の群時間差を補償するために、定められた波長分散および適切な長さを有する光ファイバ９０６を備える。目標は、光連続スペクトルを形成する全ての波長を完全に再同期することである。従って、この例では、一次光源４０１から放出されたパルスＪ_１は、スプリッタ４０２により、励起チャンネルののパルスＪ_２と、ポンプチャンネルのパルスＪ_３とに分離される。励起チャンネルでは、パルスレジューサー（pulse reducer）４０５は、スーパーコンティニュームＪ_６を形成するために非線形ファイバ４０６に送られる前に増幅される励起パルスＪ_２の持続時間を低減することを可能とする。ファイバ９０６は、非線形ファイバ４０６中の波速の差を補償することができ、これにより、分析装置４１１に送られる多色のプローブパルスＪ_７の時間プロファイルが再構成される。

ポンプチャンネルでは、図９に示す装置は、既述の要素に加えて、周波数を作り出すためのシステム９０１、例えばＬＢＯ，ＫＴＰ，ＰＰＫＴＰ，ＢＢＯ，ＰＰＬＮなどの倍増結晶９０３で生成された周波数を倍増するためのシステムを備える。変換効果を制御するために、倍増結晶の前に１／２波長板９０２が配置されてもよい。用途に応じてポンプ波長を選択するために、非線形結晶より下流にスペクトル選択器９０４が設けられてもよい。従って、一実施例によれば、パルススプリッタ４０２によりポンプチャンネルに向けて送られたパルスＪ_３は、波長変換装置９０１によって倍増され、例えば一次光源４０１が１．０６μｍで放出するときに５３２ｎｍのパルスＪ_４が形成される。スペクトル選択器９０４を用いることにより、ポンプビームまたはその後分析装置４１１内に送られるビームＪ_８の波長を選択することができる。

図１０は、５３２ｎｍおよび１．０６μｍの２つのポンプビーム（図１０において、それぞれ符号１０１，１０２で示す）が用いられるアプリケーションを示す。この例では、非線形ファイバは、１．０６μｍの励起波長の上流および下流にかけて広帯域に分散するスーパーコンティニュームを発生するよう構成される。例えばＣＡＲＳ分光法において、可視光および赤外光の２つのポンプビームの使用することで、程度の差はあるが徹底的に試料を分析することができる。実際には１．０６μｍのポンプパルスは組織のより突っ込んだ分析を可能とし、一方で試料により吸収される可視光のポンプパルスは、表面分析を可能とする。励起チャンネルのパルスレジューサーは、プローブビームおよびポンプビームのパルス持続時間を調整して、非線形プロセスのより良い効率性を確保することを可能とする。この５３２ｎｍおよび１０６４ｎｍの二重励起の使用には、ビームＪ_７のスペクトルフィルタリングが付随して起こり、２つのポンプビームにより得られるＣＡＲＳ放射を同時に分析することが可能となる。このフィルタリングは、誘電体バンドパスフィルタで実行される。

本特許出願で説明したレーザ発光装置の用途は多様であり、特に非線形光学メカニズムに基づく全ての分光法または顕微分光法の用途に関係する。特に、本発明に係る装置は、空間および時間分解能を含む複数の画像の記録を伴う細胞イメージング、血液学診断に適用される化学元素用のスクリーニングなどに適用することができる。

いくつかの詳細な実施形態を通じて説明したが、本願発明に係るレーザ発光装置および方法は、当業者に明らかな異なる変形、修正、および改良を含む。そのため、以下の特許請求の範囲に規定されるように、これらの異なる変形、修正、および改良が本願発明の範囲に含まれることが理解されるであろう。

Claims (17)

1. 試料の分光分析用のレーザ発光装置であって、
   ポンプビーム（Ｉ_５，Ｊ_３）および励起ビーム（Ｉ_２，Ｊ_２）の一次レーザ発光源（４０１）であって、ナノ秒またはサブナノ秒のパルス持続時間で２つのビームがパルス化される一次レーザ発光源（４０１）と、
   広いスペクトルバンドを有するプローブビーム（Ｉ_４，Ｊ_７）を形成するために前記励起ビームが注入される非線形光ファイバ（４０６）と、
   前記ポンプビームまたは前記励起ビームの一方の時間プロファイル制御装置（４０５）であって、時間エンベロープに関して実質的に等しいパルス持続時間を有するポンプビームおよびプローブビームを取得するために、非線形光ファイバにより生成されたプローブビームの非線形な時間広がりを補償可能な時間プロファイル制御装置（４０５）と、
   試料の分光分析を考慮した、前記ポンプビームおよび前記プローブビームの空間的なオーバーラップ手段（４０９）と、
   を備えることを特徴とするレーザ発光装置。
2. 時間プロファイル制御装置は、励起ビームのパルス持続時間を低減可能であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発光装置
3. 時間プロファイル制御装置は、複屈折材料（８２）と、偏光子（８５）とを備え、励起ビーム（Ｉ_２）は、時間プロファイルの制御装置の入力において、前記複屈折材料の複屈折軸と異なる方向に沿って偏光していることを特徴とする請求項２に記載のレーザ発光装置。
4. 時間プロファイル制御装置は、複屈折ファイバ（８２）を備えることを特徴とする請求項３に記載のレーザ発光装置。
5. 時間プロファイル制御装置は、可飽和吸収体材料を備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ発光装置。
6. 時間プロファイル制御装置は、ポンプビームのパルス持続時間を広げることを可能にすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発光装置。
7. 時間プロファイル制御装置は、分散光ファイバを備えることを特徴とする請求項６に記載のレーザ発光装置。
8. 一次レーザ光源は、ナノ秒またはサブナノ秒レーザ発光源（４０１）と、前記ポンプビームおよび前記励起ビームを形成するために、放出波を２つの制御されたパワーのビームに分離する装置（４０２）とを備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のレーザ発光装置。
9. 一次レーザ光源は、マイクロレーザであることを特徴とする請求項８に記載のレーザ発光装置。
10. 前記非線形光ファイバより上流に、光ファイバ（９０５）をさらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のレーザ発光装置。
11. ポンプビームおよびプローブビームの光路を調整するための光ディレイライン（４０７）をさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のレーザ発光装置。
12. 少なくとも第１のポンプビームとは異なる波長の第２のポンプビームを生成するためにポンプビームが注入される高調波発生用の非線形光学装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のレーザ発光装置。
13. 試料の分光分析システム（４０，９０）であって、
    請求項１から１２のいずれかに記載のレーザ発光装置と、
    前記レーザ発光装置から放出されたポンプビームおよびプローブビームの試料内部での非線形相互作用によって生じる波のスペクトルおよび／または時間分析装置（４１１）と、
    を備えることを特徴とする分光分析システム（４０，９０）。
14. 試料の分光分析用のレーザ発光方法であって、
    ポンプビームおよび励起ビームの発光であって、ナノ秒またはサブナノ秒のパルス持続時間で２つのビームがパルス化される発光と、
    広いスペクトルバンドを有するプローブビーム（Ｉ_４，Ｊ_７）を形成するための、非線形光ファイバ中への前記励起ビームの注入と、
    前記ポンプビームまたは前記励起ビームの一方の時間プロファイルの制御であって、時間エンベロープに関して実質的に等しい持続時間を有するポンプビームおよびプローブビームを取得するために、前記非線形光ファイバにより生成されたプローブビームの非線形な時間広がりを補償可能とする制御と、
    試料の分光分析を考慮した、前記ポンプビームおよび前記プローブビームの空間的なオーバーラップと、
    を備えることを特徴とするレーザ発光方法。
15. 前記ポンプビームまたは前記励起ビームの一方の時間プロファイルの制御は、励起ビームの時間幅の低減を含むことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ発光方法。
16. 前記ポンプビームまたは前記励起ビームの一方の時間プロファイルの制御は、ポンプビームの時間幅の拡大を含むことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ発光方法。
17. 前記非線形光ファイバ中への注入前の励起ビームの増幅をさらに含むことを特徴とする請求項１４から１６のいずれかに記載のレーザ発光方法。