JP2019528468A - フェムト秒レーザー源 - Google Patents

Abstract

所与の材料がドープされている光ファイバーを有する注入レーザー発振器（２１１）であって、出力光ファイバー（２１２）を介して第１の波長λ１で第１のピコ秒パルスを送出するのに適している注入レーザー発振器（２１１）、第１のパルスに対して増幅されているエネルギーを有する第２のパルスを第１の波長で第１のパルスから生成する増幅光ファイバー（２２９）を有する電力増幅器（２２０）であって、増幅光ファイバー（２２９）は、注入発振器の光ファイバー（２１２）と同じ材料がドープされており、及びソリトン圧縮点からの距離以下であり、且つ増幅光ファイバーが非線形モードで動作する距離よりも大きい長さを有する、電力増幅器（２２０）、第２のパルスを受信し、且つ第１の波長λ１よりも厳密に大きい第２の波長λ２で基本ソリトンをラマン自己シフトによって発生させるのに適している周波数シフトファイバー（２３２）を含むフェムト秒レーザー源。

Description

本明細書は、フェムト秒レーザー源及びフェムト秒レーザーパルスを発生させる方法に関する。より詳細には、本明細書は、生物組織を撮像する多光子顕微鏡法に適したフェムト秒レーザー源に関する。

多光子顕微鏡法は、生物組織の画像を生体内又は生体外で生成することができ、例えば神経科学、胎生学又は腫瘍学の分野における用途を有する。従って、商用多光子顕微鏡では、有機媒質の分子との２つの光子の相互作用を使用して、有機媒質中の細胞小器官の動的マップ、放出蛍光を収集することにより、これらの細胞小器官の位置を特定し且つ追跡する。最良の商用多光子顕微鏡により、組織を組織の表面下において２００μｍで視覚化することができる。組織との３つの光子の相互作用を用いて、同じ信号対雑音比において、より深部（＞８００μｍ）に位置する組織を視覚化することができる。

図１は、レーザーパルスの存在下における大脳皮質の組織などの解体水性組織の反応の様々な特性長を例示する。これらの特性長は、パルスの波長に左右される。図１において、曲線１２は、入射信号の光出力が係数ｅ（ここで、ｅは、オイラー数である）によって減衰されるのに必要な長さとして定義される水中の特性吸収長（ｌ_ａ）を表し、曲線１３は、特性散乱長（ｌ_ｄ）を表し、曲線１１は、吸収及び散乱を考慮する有効減衰長（ｌ_ｅｆｆ）を表す（ｌ_ｅｆｆ ^−１＝ｌ_ａ ^−１＋ｌ_ｄ ^−１）。これらの様々な曲線、特に曲線１１は、約１６７５ｎｍ（例えば、１６７５ｎｍ±２５ｎｍ）の波長の範囲１４において、レーザーパルスが水性組織に一層深く浸透するという事実を例示する。

生物媒質内の深部で撮像する場合、１６７５ｎｍに近い最適波長に加えて、生物媒質などの解体水性組織の特性のために、高ピーク電力（典型的には、約１００ｋＷ以上）及び２００フェムト秒よりも短い持続時間のレーザーパルスを可能にするレーザー源が理想的に必要であることを本出願人はより正確に観測している。顕微鏡に連結されたこのようなレーザー源により、優れた信号対雑音比において画像を生物媒質内の深部で取得することができる。

このようなピーク電力を有する超短パルスを可能にするレーザー源は、実際に存在する。これらのレーザー源は、例えば、発振器−注入器、伸張器、１つ又は複数の増幅器、圧縮機及び波長変換要素を含む一連の要素からなる。

従って、Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓに２０１３年１月２０日に公開された文献“Ｉｎ ｖｉｖｏ ｔｈｒｅｅ−ｐｈｏｔｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｓｕｂｃｏｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈｉｎ ａｎ ｉｎｔａｃｔ ｍｏｕｓｅ ｂｒａｉｎ”，Ｈｏｒｔｏｎ ｅｔ ａｌ．は、生体内撮像に適用され得る、特にマウス脳の生体内画像を生成する顕微鏡技法を記載している。１５５０ｎｍの波長の入力レーザー源パルスからの自己周波数シフトによるフォトニック結晶ロッドにより、高エネルギーパルスを１６７５ｎｍの波長で生成する。出口において、各パルスは、１メガワット（ＭＷ）のピーク電力及び１１４フェムト秒の強度の半値全幅を有する。パルス列は、１メガヘルツ（ＭＨｚ）の繰り返し率を有し、これは、６７ミリワット（ｍＷ）の平均電力に対応する。

しかし、既知の先行技術のレーザー源において、レーザービームが１つの要素から次の要素に通過する場合、自由空間経路のために、要素が非線形結晶又はファイバーからなるか否かを問わず、増幅要素及び／又は波長変換要素の各々でこのレーザービームを視準して集束する必要がある。従って、このようなレーザー源のメンテナンス及び調整を定期的に実行する必要があり、特にこれらのレーザー源のユーザが時間若しくは機器又は更にこのようなメンテナンスを実行する知識を必ずしも有していない場合、これは、場合により、これらのレーザー源のユーザにとって制約となる。

"Ｉｎ ｖｉｖｏ ｔｈｒｅｅ−ｐｈｏｔｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｓｕｂｃｏｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈｉｎ ａｎ ｉｎｔａｃｔ ｍｏｕｓｅ ｂｒａｉｎ"，Ｈｏｒｔｏｎ ｅｔ ａｌ．

従って、生物組織内の深部で画像を生成するのに適した性能を与えることができ、そのメンテナンスが単純化されるレーザー源が必要であることは明らかである。

第１の態様による本明細書の主題は、フェムト秒レーザー源であって、
− 所与のドーパントがドープされている光ファイバーに基づく注入レーザー発振器であって、出口光ファイバーを介して第１の波長λ_１で第１のピコ秒パルスを送出するのに適している注入レーザー発振器と、
− 第１のパルスに対して増幅されているエネルギーを有する第２のパルスを第１の波長で第１のパルスから生成する増幅光ファイバーに基づく電力増幅器であって、増幅光ファイバーは、注入レーザー発振器の光ファイバーと同じドーパントがドープされており、及びソリトン圧縮点の距離以下であり、且つ増幅光ファイバーが非線形領域で動作する距離よりも長い長さを有する、電力増幅器と、
− 第２のパルスを受信し、且つ第１の波長λ_１よりも厳密に長い第２の波長λ_２で基本ソリトンをラマン自己シフトによって発生させるのに適している周波数シフトファイバーと
を含むフェムト秒レーザー源である。

注入レーザー発振器のファイバーと同じドーパントがドープされている増幅ファイバーと、周波数シフトファイバーとの併用のために、高い繰り返し率（例えば、０．１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ）で超短（例えば、１００フェムト秒よりも短い持続時間）及び高ピーク電力（例えば、１００ｋＷよりも高い）の両方であるパルスの列を得ることができる。本明細書の残りの部分では、１００フェムト秒よりも短い持続時間のパルスを参照する場合、フェムト秒パルスについて述べる。

更に、第２の波長は、ドーパントと周波数シフトファイバーの長さとに左右され、所与の用途、例えば序文に記載の撮像用途に適している第２の波長でパルスを得ることができる。

様々な光学構成要素（レーザー発振器、電力増幅器及びシフトファイバー）は、一体化され、光ファイバーを介して接続され、調整を必要としないモノリシックデバイスの形態でレーザー源自体が製造に役立つという点で、このようなレーザー源の使用及びメンテナンスを単純化する。更に、レーザー源は、経時的に安定しており、機械的振動などの環境変動に影響されない。

レーザー源の少なくとも１つの実施形態において、増幅光ファイバーは、２００λ_１ ^２以上のモード面積を有する。このようなモード面積により、増幅光ファイバーによって生成されたパルスのピーク電力が増加する。

レーザー源の少なくとも１つの実施形態において、増幅光ファイバーは、増幅光ファイバーが非線形領域で動作する距離よりも長い長さを有する。従って、自己位相変調などの非線形効果により、パルスを時間的に圧縮することができ、増幅ファイバーからの出力として得ることができるピーク電力を更に増加させることができる。

レーザー源の少なくとも１つの実施形態において、周波数シフトファイバーは、増幅ファイバーのモード面積よりも大きいモード面積を有する。このようなモードの組み合わせにより、レーザー源からの出力として得られるパルスのピーク電力を著しく増加させることができる。

レーザー源の少なくとも１つの実施形態において、注入レーザー発振器は、色分散管理を用いたファイバー発振器であって、周波数チャープパルスを発生させるように構成されているファイバー発振器である。このようなパルスは、大幅な周波数分散を有しており、従ってチャープされていないパルスよりも多く増幅され得る。

レーザー源の少なくとも１つの実施形態において、注入レーザー発振器は、周波数チャープされていないパルスを送出するソリトン発振器を含む。

レーザー源の少なくとも１つの実施形態において、ソリトン発振器の後に、発振器によって発生されたパルスを時間的に伸張するように構成されている正常分散光ファイバーが続いている。

レーザー源の少なくとも１つの実施形態において、ドーパントは、イッテルビウム、プラセオジム、エルビウム、ツリウム及びホルミウムから選択される希土類元素である。ドーパントは、ビスマスであり得る。これらの材料により、周波数シフトファイバーからの出力として、上述の撮像用途に適している波長を有するパルスを得ることができる。

レーザー源の少なくとも１つの実施形態において、増幅光ファイバー及び周波数シフトファイバーは、互いに接続されている。更に、注入レーザー発振器の出力光ファイバーと増幅ファイバーとは、互いに接続されている。従って、レーザー源は、モノリシックであり、調整を必要としない。更に、大気経路が回避される。

少なくとも１つの実施形態において、レーザー源は、第１の波長λ_１におけるパルス残留物を除去する高域フィルターを更に含む。これにより、上述の撮像用途でレーザー源によって生成されたパルスの有効性を増加させることができる。

第２の態様による本明細書の主題は、本明細書によるフェムト秒レーザー源であって、生物媒質内の深部に位置する物体に向かってパルスを放出するのに適しているフェムト秒レーザー源と、物体によって後方散乱された蛍光から物体の画像を形成及び取得する顕微鏡とを含む撮像システムである。

第３の態様による本明細書の主題は、フェムト秒レーザーパルスを発生させる方法であって、所与のドーパントがドープされている光ファイバーに基づく注入発振器を用いて、第１の波長λ_１で第１のピコ秒パルスを生成するステップと、増幅光ファイバーに基づく電力増幅器を用いて、第１のパルスに対して増幅されているエネルギーを有する第２のパルスを第１の波長で第１のパルスから生成するステップであって、増幅光ファイバーは、注入発振器の光ファイバーと同じドーパントがドープされており、及びソリトン圧縮点の距離以下の長さを有する、ステップと、第２のパルスを受信するのに適している周波数シフトファイバーにより、第１の波長λ_１よりも厳密に長い第２の波長λ_２で基本ソリトンをラマン自己シフトによって生成するステップとを含む方法である。

上述の技法／技術の他の利点及び特徴は、図面を参照して詳細に後述される明細書を読むことで明瞭になるであろう。

既述されている、レーザー源の存在下における水性組織の反応の特性を例示するグラフである。 本明細書によるレーザー源の実施形態を例示する。 本明細書によるレーザー源の実施形態を例示する。 本明細書によるレーザー源によって発生されるレーザーパルスの特性を例示する。 本明細書によるレーザー源によって発生されるレーザーパルスの特性を例示する。 本明細書によるレーザー源によって発生されるレーザーパルスの特性を例示する。 ソリトン圧縮効果の様々な態様を例示する。 ソリトン圧縮効果の様々な態様を例示する。 ソリトン圧縮効果の様々な態様を例示する。 ソリトン圧縮効果の様々な態様を例示する。 ソリトン圧縮効果の様々な態様を例示する。 ソリトンのラマン自己シフト効果の様々な態様を例示する。 ソリトンのラマン自己シフト効果の様々な態様を例示する。 ソリトンのラマン自己シフト効果の様々な態様を例示する。 本明細書によるレーザー源の特性を例示する。 本明細書によるレーザー源の特性を例示する。 本明細書によるレーザー源の特性を例示する。 本明細書によるレーザー源の特性を例示する。 本明細書による撮像システムを用いて得られる画像である。

図２Ａは、例えば、多光子顕微鏡法に適した、本明細書によるレーザー源２００Ａの一実施形態を概略的に示す。図２Ｂは、本明細書によるレーザー源２００Ｂのより詳細な実施形態例を示す。レーザー源２００Ａ又は２００Ｂは、レーザーパルスを発生させるデバイスである。

図２Ａに示すレーザー源２００Ａは、３つの主な構成要素、即ち、
− 注入レーザー発振器２１１と、
− 光ファイバー２２９に基づく電力増幅器２２０と、
− 光ファイバー２３２を含む周波数シフトデバイス２３０と
を含む。

レーザー源２００Ａは、出口光学構成要素２４０により、画像を形成及び取得できる顕微鏡２５０に向かって伝えられる光パルス列を発生させる。

注入レーザー発振器２１１は、所与のドーパントがドープされている少なくとも１つの光ファイバーを含む。注入レーザー発振器２１１のドープ光ファイバーは、例えば、所与のドーパントがドープされている所与の発光材料（ガラス又はガラス状母材）から形成された光ファイバーである。ドーパントは、光学活性材料、即ち励起下において（例えば、レーザー発振器２１１の内部でレーザーを励起することにより）所与の波長でコヒーレント光を放出する材料である。１つ又は複数の実施形態において、このドープ光ファイバーは、注入レーザー発振器２１１の内部の増幅ファイバーである。１つ又は複数の実施形態において、ドーパントは、イオン、例えば希土類イオンである。希土類元素は、例えば、ネオジム（化学記号Ｎｄ）、イッテルビウム（化学記号Ｙｂ）、プラセオジム（化学記号Ｐｒ）、エルビウム（化学記号Ｅｒ）、ツリウム（化学記号Ｔｍ）、ホルミウム（化学記号Ｈｏ）又はファイバーを形成するガラス状母材に溶ける任意の他の蛍光元素（例えば、ビスマス（化学記号Ｂｉ）など）である。

注入レーザー発振器２１１は、出口光ファイバー２１２を介して第１の波長λ_１でレーザーパルスＩＬ１の第１の列を出力として生成する。レーザーパルスＩＬ１は、ピコ秒（ｐｓ）パルスである。本明細書に関連して、ピコ秒パルスは、１ｐｓ〜１００ｐｓに含まれる持続時間のパルスである。レーザーパルスＩＬ１の繰り返し率は、例えば、０．１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚに含まれる。

レーザー源２００Ａの少なくとも１つの実施形態において、注入レーザー発振器２１１は、位相モード同期ファイバーレーザー発振器である。注入レーザー発振器の縦モードのこのような同期により、ピコ秒パルスを得ることができる。他のタイプのレーザー、例えば利得スイッチレーザーでもピコ秒パルスを得ることができる。

第１の波長λ_１は、注入レーザー発振器２１１のドープ光ファイバーのドーパントに左右される。ドーパントがエルビウムである場合、第１の波長λ_１は、約１５５５ｎｍである。より一般的には、選択ドーパントにより、波長λ_１は、９００ｎｍ〜２２００ｎｍに含まれ得る。

電力増幅器２２０は、レーザーパルスＩＬ１の第１の列から第１の波長λ_１でレーザーパルスＩＬ２の第２の列を発生させる。これらのレーザーパルスＩＬ２は、レーザーパルスＩＬ１に対して増幅されているエネルギーを有する。

増幅器の利得を表す伝達関数が、発振器で生成されるパルスのスペクトルと一致し、従ってこのパルスのスペクトル成分を保存するように、電力増幅器２２０の増幅光ファイバー２２９に注入レーザー発振器２１１のドープ光ファイバーと同じドーパントがドープされている。

増幅光ファイバー２２９の内部において、パルスＩＬ２のエネルギーは、増幅光ファイバー２２９内の伝搬距離に応じて指数関数的に増加する。しかし、パルスＩＬ２の中心波長は変化しない。

少なくとも１つの実施形態において、増幅光ファイバー２２９の長さは、増幅光ファイバー２２９が非線形領域で動作する距離よりも長くなるように選択される。増幅効果を別として、増幅光ファイバー２２９は、非線形効果、即ち非線形変更（変形、不斉導入など）をパルスＩＬ１の周波数スペクトルに引き起こす効果をレーザーパルスＩＬ１の第１の列において有する。これらの非線形効果は、増幅光ファイバー２２９に入力されたパルスＩＬ１の周波数スペクトルとパルスＩＬ２の周波数スペクトルとを比較することによって検出可能である。これらの非線形効果は、例えば、自己位相変調及び誘導ラマン散乱を含む。

従って、ピーク電力（即ちパルスのエネルギーＥと半値全幅Ｔ_ＦＷＨＭとの間の比）が増加して閾値に達した場合、非線形自己位相変調効果によってパルスのスペクトルを広げる。従って、パルスは、時間的に圧縮され、即ち、パルスの持続時間は、短くなる。次に、ピーク電力は、一層急速に増加して、自己位相変調効果が増幅される。これにより、入力パルスＩＬ１に対してエネルギーが高く（＞１００ｎＪ）、持続時間が短い増幅パルスＩＬ２を得ることができる。

従って、少なくとも１つの実施形態において、異常分散領域（β_２＜０、β_２は、ｐｓ^２／ｍで表される群速度分散である）における自己位相変調効果により、注入レーザー発振器２１１から出力されたパルスＩＬ１に対して（例えば、パルスＩＬ１の持続時間の半分以下の持続時間まで）時間的に圧縮されたパルスＩＬ２が得られる非線形領域において増幅光ファイバー２２９を使用する。パルスが分裂するソリトン圧縮点に達していないことを条件として、この時間的圧縮は、増幅光ファイバー２２９で得られる。

増幅のために、増幅光ファイバー２２９で増幅されたパルスのエネルギーは、次式で決まる次数Ｎのソリトンに対応する。
Ｎ^２＝２πＥ_２Ｔ_０ｎ_２／（│β_２│λ_１Ａ_ｅｆｆ） 式１
ここで、Ｅ_２は、増幅パルスＩＬ２のエネルギーであり、Ｔ_０は、Ｔ_０＝Ｔ_ＦＷＨＭ／（１＋２ｌｎ（１＋２^１／２））によって定義されたパルスの持続時間であり、ｎ_２は、非線形カー指数であり、Ａ_ｅｆｆは、光ファイバーの有効モード面積である。高次ソリトンは、不安定であり、誘導ラマン散乱、自己急峻及び高次色分散を含む高次摂動効果のために、（Ｎ＝１の場合の式１によって与えられる）低エネルギーのＮ個の一次ソリトンに分裂する。

少なくとも１つの実施形態において、パルスのスペクトルが広い場合に重要になる高次摂動効果が増幅ファイバー２２９でパルスＩＬ２の分裂を引き起こさないように、増幅光ファイバー２２９の長さは、最大ソリトン圧縮点の距離よりも更に厳密に短い。

少なくとも１つの実施形態において、電力増幅器２２０の増幅光ファイバー２２９は、２００λ_１ ^２よりも大きい、例えばエルビウムドープファイバーの場合に５００μｍ^２よりも大きい、非常に大きい有効モード面積Ａ_ｅｆｆを有する。例えば、増幅光ファイバー２２９が単一モードファイバーである場合、増幅レーザーパルスＩＬ２が到達できる最大エネルギーは、増幅光ファイバー２２９の伝搬モードの有効モード面積に応じて増加する。固定パルス持続時間中、ピーク電力がエネルギーに比例しているときに有効モード面積が大きいほど、増幅パルスのピーク電力も高くなる。大きい有効モード面積の増幅ファイバーでは、パルスが摂動効果及び分裂の影響を受けやすいような方法で、（例えば、周波数スペクトルの広がり、変形及び／又は対称の破壊によって）自己位相変調効果が増幅パルスのスペクトルに影響を及ぼす前に非常に高いエネルギーを達成することができる。従って、ソリトン圧縮点の距離は、これらの望ましくない効果が生じる伝搬距離に対応する。従って、ソリトン圧縮点のこの距離は、増幅光ファイバー２２９の有効モード面積及び増幅ファイバーに入力されたパルスのピーク電力に左右される。

周波数シフトデバイス２３０は、レーザーパルスＩＬ２の第２の列を受信し、且つパルスＩＬ３の第３の列を発生させる。より正確には、レーザーパルスＩＬ２の第２の列の各パルスに対して、第１の波長λ_１よりも厳密に長い第２の波長λ_２における基本ソリトンは、増幅パルスＩＬ２の分裂、その後、ラマン自己シフトによって発生される。その波長におけるパルスＩＬ２のエネルギーは、Ｎ＝１の場合の式１によって与えられる。パルスＩＬ３のエネルギーが最大であるように周波数シフトファイバー２３２の有効モード面積を最適化する。

パルスＩＬ３の波長λ_２は、周波数シフトファイバー２３２におけるソリトンの周波数自己シフトの原因である誘導ラマン散乱が光エネルギーによって散逸効果を有するため、パルスを発生させる第２のパルスの第１の波長λ_１よりも厳密に長い。全エネルギーの保存の原理により、波長λ_２は、初期波長λ_１よりも短くなることができない。

従って、第２の波長λ_２は、第１の波長λ_１を決める増幅ファイバー２２９のドーパント及び周波数シフトファイバー２３２内のラマン散乱の両方に左右される。ラマン散乱は、寄与δλ＝−λ_１ ^２／ｃ δｆ（ここで、δｆは、負であり、ラマン感受性に左右される（図５Ａ及び図５Ｂを参照されたい）、及びｃは、自由空間内の光の速度である）を波長λ_１に追加する。従って、λ_２＝λ_１＋（λ_１ ^２／ｃ｜δｆ｜）である。

更に、第２の波長λ_２は、周波数シフトファイバー２３２の長さ及び周波数シフトファイバー２３２に入力されたパルスＩＬ２のピーク電力に左右される。周波数シフトファイバー２３２が長いほど、このファイバーでパルスＩＬ２が受ける周波数シフトも大きくなる。所与のファイバー長に対してパルスＩＬ２のピーク電力が高いほど、この周波数シフトファイバー２３２でパルスＩＬ２が受ける周波数シフトも大きくなる。

少なくとも１つの実施形態において、有効モード面積及び色分散を含む周波数シフトファイバー２３２のモードパラメータは、基本ソリトンＩＬ３のピーク電力を最大にしながら、増幅器から出力されたパルスＩＬ２（Ｎ＞１の場合）から少なくとも１つの基本ソリトンＩＬ３（Ｎ＝１）を発生させるように構成されている。更に、ファイバー２３２の長さは、ソリトンパルスＩＬ３の中心波長を調整するように選択される。式（１）によれば、ファイバーのモード面積及び／又は色分散を最大にした場合、周波数シフトファイバー２３２で発生されたソリトンパルスＩＬ３のエネルギーＥ３は、最大である。高い色分散は、パルスの広がりに寄与し、そのパルスは、高エネルギーを有するが、そのパルスのピーク電力の増加は、十分でない。従って、周波数シフトファイバー２３２は、第２のレーザーパルスＩＬ２のエネルギーの大部分を受信するように、増幅光ファイバー２２９のモード面積、例えば５００μｍ^２よりも大きいことがある、非常に大きいモード面積を有する。

少なくとも１つの実施形態において、増幅光ファイバー２２９は、スプライスによって周波数シフトファイバー２３２に接続される。光ファイバーを接続する任意の既知の方法を適用してこのスプライスを生成し得る。特に電気アーク融着接続を使用し得る。

少なくとも１つの実施形態において、増幅ファイバー２２９及び周波数シフトファイバー２３２は、異なるが、これらファイバー間のスプライスにおける電力の損失を回避し、従って周波数シフトファイバー２３２に入力されたパルスのエネルギーを保存するようにモード面積、及び／又は横配置、及び／又は材料の点で互いに一致している。非対称ファイバー間のスプライスの最適化について、例えば、文献“Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃｓ”，Ｌｕｃ Ｊｅｕｎｈｏｍｍｅ，ｃｈａｐｔｅｒ ３，ｐａｇｅ ９９，Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９８３）ＩＳＢＮ ０−８２４７−７０２０−Ｘでより詳細に説明されている。

少なくとも１つの実施形態において、増幅ファイバー２２９及び周波数シフトファイバー２３２は、異なり、モード面積、コア直径、コアとクラッドとの屈折率差及び／又は外径の点で非対称である。この場合、これらの２つの非対称光ファイバー間のスプライスのエネルギー効率は、断熱テーパー、即ちエネルギー損失を引き起こさないテーパーを生成することによって最適化される。接続される２つのファイバーのモード面積を一致させるために、最大コアのファイバーに局所的にテーパーを付けることにより、断熱テーパーを生成する。

少なくとも１つの実施形態において、（例えば、テーパー付きファイバーの始まりと終わりとの間で１対３以上の比で）コアの直径を大幅に増大するために、従って長さに沿ってコア直径が一定である（並進不変）ファイバーと比較してパルスＩＬ２が伝達できるエネルギーを大幅に増大するために、増幅光ファイバー２２９の長さの全部又は一部にわたって増幅光ファイバー２２９にテーパーを付ける。

少なくとも１つの実施形態において、周波数シフトファイバー２３２は、入口の幾何学的範囲が増幅ファイバー２２９の出口の幾何学的範囲と一致するテーパー付きファイバーである。

図２Ｂは、本明細書によるレーザー源２００Ｂの特定の一実施形態を例示する。

図２Ｂに示すレーザー源２００Ｂは、３つの主な構成要素、光ファイバー（ファイバーは図示せず）に基づく注入レーザー発振器２１１と、光ファイバー２２９に基づく電力増幅器２２０と、光ファイバー２３２を含む周波数シフトデバイス２３０とを含む。これらの構成要素は、例えば、図２Ａを参照して記載されるものである。

注入レーザー発振器２１１から出力された光ファイバー２１２は、レーザーパルスＩＬ１を電力増幅器２２０に伝える。

図２Ｂに例示の実施形態において、電力増幅器２２０は、入口光ファイバー２２７と、励起レーザー２２２と、多モードポンプコンバイナー２２３と、多モードポンプコンバイナー２２３の出口における光ファイバー２２８と、増幅光ファイバー２２９とを含む。

入口光ファイバー２２７は、光ファイバー２１２を介して、注入レーザー発振器２１１によって発生されたレーザーパルスＩＬ１を受信する。

励起レーザー２２２は、これらの励起レーザー２２２が生成する空間多モード赤外放射線の波長によって選択される。この波長は、希土類イオンにおける反転分布を生成するのに適しており、従って誘導放出の原理によればレーザーパルスＩＬ１の増幅を可能にするのに適している。例えば、希土類イオンがエルビウムである場合、励起レーザーから出力される放射線の波長は、９７９±３ｎｍ又は１５３２±３ｎｍであり得る。

多モードポンプコンバイナー２２３は、ダブルクラッド単一モードファイバー２２８において、励起レーザー２２２から出力された放射線と注入レーザー発振器２１１の出口ファイバー２１２から出力されたレーザーパルスＩＬ１とを結合するのに適している。従って、連続バックグラウンドをパルスＩＬ１に追加する。これらの前置増幅パルスＩＬ１は、増幅ファイバー２２９に光ファイバー２２８を介して伝送される。パルスＩＬ１からのパルスＩＬ２の発生に関して、図２Ａを参照して記載されるものと同じ方法で、増幅ファイバー２２９は、レーザーパルスＩＬ１から増幅パルスＩＬ２を発生させる。

図２Ｂに例示の実施形態において、図２Ａの周波数シフトデバイス２３０は、ファイバー部分２３５及び自由空間部分２３６を含む。ファイバー部分２３５は、周波数シフトファイバー２３２を含む。ファイバー部分は、クラッディング光ストリッパー２３１及び視準器２３３を更に含み得る。自由空間部分２３６は、例えば、フィルター２３４を含む。

クラッディング光ストリッパー２３１は、励起レーザー２２２から出力され、増幅ファイバー２２９で吸収されない任意の残留寄生放射線を除去するように構成されている。フィルター２３４は、周波数シフトファイバー２３２によって生成された光波から第１の波長λ_１におけるパルスＩＬ２の残留物を除去するように構成されている高域フィルターである。視準器２３３は、出力光波をフィルター２３４に視準する役割を果たす。

出口光学構成要素２４０は、自由空間を通ってフィルター２３４から出力された光パルスを顕微鏡２５０に伝える１つ又は複数のミラー２４１、２４２を含む。

光ファイバー２２８は、例えば、スプライス２２４によって増幅光ファイバー２２９に接続される。更に、増幅光ファイバー２２９は、スプライス２２５によって周波数シフトファイバー２３２に接続される。光ファイバーを接続する任意の既知の方法を適用してこのスプライスを生成し得る。特に電気アーク融着接続を使用し得る。

レーザー源２００Ａ又は２００Ｂの少なくとも１つの実施形態において、注入レーザー発振器２１１は、図２Ａを参照して記載されるドープ内部増幅ファイバーに加えて、色分散管理を用いたファイバーを含み、周波数チャープ分散管理ソリトン（ＤＭＳ）を発生させる発振器である。色分散管理を用いたファイバーに基づくこのような発振器によって発生されたレーザーパルスは、注入レーザー発振器２１１の高い群速度分散のために非常に時間的に伸張され、準ガウス時間的プロファイルを有する。これらのパルスは、広い準ガウススペクトルプロファイルを更に有する。従って、これらのパルスは、フーリエ限界（準ガウスパルスの場合、Ｔ_ＦＷＨＭ×Δν＞０．４４）になく、場合により増幅ファイバー２２９で非線形圧縮中に補償される（即ち減少されるか又は相殺される）高周波数分散を有する。色分散管理を用いた発振器から出力されたパルスは、ピコ秒以下の持続時間まで圧縮されてから高エネルギーパルスＩＬ３を発生させることができるように、波長λ_１で３００フェムト秒（ｆｓ）以下の理論的持続時間限界を有する。広域スペクトル周波数チャープパルスのエネルギーは、周波数チャープされていないパルスに対して得られるレベルよりも高いレベルまで増幅され得るため、例えば周波数シフトファイバー２３２の有効モード面積を増大することにより、増幅ファイバー２２９における増幅及び圧縮後に高いピーク電力を得ることができる。これにより、１パルス当たりの短い長さ及び高いエネルギーの周波数シフトファイバー２３２を用いたラマン自己シフトにより、別の波長への有効周波数シフトを得ることができる。色分散管理を用いたファイバーに基づく注入レーザー発振器２１１の場合、第２の波長λ_２は、注入レーザー発振器２１１の分散管理ファイバーの長さにも左右される。

色分散管理を用いたファイバーに基づく発振器の場合、一方では増幅ファイバー２２９の異常色分散に起因し、他方ではカー効果による自己位相変調に起因するパルスＩＬ１の周波数分散の補償によってパルスの時間的圧縮があるように増幅ファイバー２２９の長さを選択し得る。

レーザー源２００Ａ又は２００Ｂの少なくとも１つの実施形態において、発振器は、双曲割線時間的及びスペクトル形状のソリトンを発生させる。これらのソリトンは、フーリエ限界（即ち変換限界）にあり、Ｔ_ＦＷＨＭ×Δν＝０．３１を特徴とする。即ち、これらのソリトンは、所与のスペクトル強度プロファイルで発生することができる最短パルスであり、初期持続時間よりも短い持続時間まで圧縮不可能である。

レーザー源２００Ａ又は２００Ｂの少なくとも１つの実施形態において、注入レーザー発振器２１１は、周波数チャープされていないパルスを発生させる発振器であり、例えばソリトンを発生させるソリトン発振器である。少なくとも１つの実施形態において、このソリトン発振器の後に、注入レーザー発振器２１１によって発生されたパルスをピコ秒持続時間まで時間的に伸張する正常分散光ファイバーが続いている。この組立体は、色分散管理を用いた発振器から出力されたパルスと同様の周波数チャープパルスを生成する。

レーザー源２００Ａ又は２００Ｂの少なくとも１つの実施形態において、周波数シフトファイバー２３２は、周波数シフトファイバー２３２で生成された光波において、第１の波長λ_１におけるパルス残留物を吸収するように選択的に吸収性があるファイバーである。レーザー源２００Ｂの場合、高域フィルター２３４及び視準器２３３を除去し得る。

図３Ａは、増幅ファイバー２２９の長さを選択する方法を例示し、図３Ａは、この増幅光ファイバー２２９への入口点に対する伝搬距離に応じて、電力増幅器２２０の増幅光ファイバー２２９におけるレーザーパルスＩＬ１の持続時間（曲線３２）とレーザーパルスＩＬ１のピーク電力（曲線３１）とを示す。この例では、パルスのエネルギーが増加するにつれて生じるレーザーパルスの持続時間の減少が見られる。レーザーパルスの持続時間は、増幅光ファイバー２２９への入口点から、約３ｍから急激に減少し、これは、自己位相変調が時間的圧縮過程で優勢になっているという兆候である。ファイバー２２９の出口でレーザーパルスＩＬ２によって蓄積されたエネルギーは、３ｐｓの半値全幅の場合、数十ｎＪ（約１５７ｎＪ、即ち図３Ａの例で５７ｋＷのピーク電力）に達する。

図３Ｂは、増幅光ファイバー２２９への入口点から３ｍで得られるパルスの強度の時間的変動を示し、図３Ｃは、同じパルスのスペクトルを示す。図３Ｂに示すように、パルスは、依然として完全であるが、図３Ｃに示すように、パルスのスペクトルは、自己位相変調の影響下で変形される。この点を越えて、レーザーパルスＩＬ１は、上述の摂動効果の下で複数の基本ソリトン波に分裂する。従って、図３Ｃは、パルスがその完全性を失うか又は更に分裂する周波数スペクトルへの変形限界の例示である。増幅光ファイバー２２９に入力されたパルスのスペクトルは、準ガウスであるため、スペクトルの広がりの影響及び高周波数と低周波数との間の対称性を失うことが図３Ｃに見られる。

図４Ａのグラフは、増幅ファイバー２２９及び周波数シフトファイバー２３２の有効モード面積（曲線３４）が変化する方法を例示し、曲線３４におけるジャンプは、（約４ｍの伝搬距離における）増幅ファイバー２２９から周波数シフトファイバー２３２への通過に対応する。図４Ａのグラフは、多ソリトン圧縮の影響下において、レーザーパルスＩＬ２のピーク電力（曲線３３）が増幅ファイバー２２９、その後、周波数シフトファイバー２３２で増加する方法も例示する。ファイバー２２９への入口点に対して４ｍの伝搬距離まで、（図３Ａに示すように）ピーク電力が略直線的に増加することが分かる。周波数シフトファイバー２３２の始まりと、（約４ｍの距離における）この周波数シフトファイバー２３２への入口点に対して０．５ｍの伝搬距離の前後までとの間において、多ソリトン圧縮の結果としてピーク電力が５００ｋＷの値まで指数関数的に増加する。周波数シフトファイバー２３２は、完全性に近いソリトンの次数Ｎに対して値を得、従ってパルスＩＬ２の分裂後にソリトンの数を最小にするように設計されている。ここで、次数Ｎは、有効モード面積を最大にすることによって得られる例の場合、２．６（Ｅ_２＝１５７ｎＪ、Ｔ_ＦＷＨＭ＝５５ｆｓ、Ａ_ｅｆｆ＝１２５０μｍ^２、β_２＝２．９×１０^−２６ｓ^２／ｍ）の値を有する。次に、周波数シフトファイバー２３２への入口点に対して０．５ｍ後、パルスＩＬ２は、図４Ｂの右上における円で囲んだ部分に対応する、ソリトンパルスＩＬ３を含む２つの基本ソリトンに分裂する。

図４Ｃは、周波数シフトファイバー２３２から出力されたパルスＩＬ３の強度の時間的変動を示す。パルスは、１００ｆｓよりも狭い超短の半値全幅を有することが分かる。周波数シフトファイバー２３２から出力されたソリトンパルスＩＬ３のピーク電力は、決定され得、ここで、１００ｆｓの半値全幅に対して６００ｋＷに等しい。図４Ｃの曲線上の円は、パルスが実際にソリトンに対応することを示す近似曲線（この場合、正方形双曲割線）の点に対応する。図４Ｄの曲線は、周波数シフトファイバー２３２の出力スペクトルを示す。ソリトンパルスＩＬ３の中心波長は、１．７５μｍである。

図５Ａ〜図５Ｃは、ラマン自己シフト効果を例示する。図５Ａは、ラマン感受性の虚部の曲線５１Ａとの相関関係で自己シフト前のレーザーパルスの周波数スペクトル５０Ａを示す。図５Ｂは、ラマン感受性の虚部の曲線５１Ｂとの相関関係で自己シフト後のレーザーパルスの周波数スペクトル５０Ｂを示す。物理媒質で伝搬する超短パルスは、誘導ラマン散乱の影響を受けやすい。既知のように、ラマン効果は、光ファイバーのコアを形成する媒質のフォノンとのエネルギー交換により、パルスの中心周波数で連続的なドリフトを引き起こす。非弾性光物質相互作用により、波長λ_ａ、即ちエネルギーＥ_ａ＝ｈｃ／λ_ａ（ここで、ｈは、作用量子又はプランク定数（ｈ＝６．６２×１０^−３４Ｊ．ｓ）であり、ｃは、自由空間内の光の速度である）の光子は、物理媒質によって吸収される。より低いエネルギーＥ_ｂ＜Ｅ_ａにおける第２の光子は、より長い波長λ_ｂ＞λ_ａにおけるラマン媒質によって放出される。エネルギー差又は量子欠損は、フォノン又は物理媒質における音響振動に対応する粒子の形態で物理媒質に伝送される。例えば、遊びΔν＝ｃ／λ_ｂ−ｃ／λ_ａ）における２つの光子間の周波数差に応じたシリカの場合のラマン感受性の虚部を図５Ａに示す。ラマン効果による、物理媒質と広域周波数スペクトルの超短パルス（例えば、図５Ａに示すパルス）との間の相互作用中、Δν＞０に対するパルスのスペクトルの部分を吸収する一方、Δν＜０におけるパルスのスペクトルの部分を増幅する。これは、図５Ｂに示すような低周波数の方へのパルスのスペクトルのずれ、即ちパルスの中心からより長い波長へのシフトに対応する。

図５Ｃは、ラマン感受性の虚部の曲線５１Ｃとの相関関係において、ラマン媒質で伝搬する超短パルスの周波数スペクトル（曲線５２）をより正確に示す。パルスの周波数スペクトルの頂点の周波数に等しい常法により、周波数の原点（ν＝０）を設定する。この常法の下で、ラマン感受性のスペクトルの虚部をパルスのスペクトルの中心に置く。ラマン感受性のスペクトルの正の部分は、材料による吸収に対応する一方、ラマン感受性のスペクトルの負の部分は、放出に対応する。２つのスペクトルは、重なり、正の周波数におけるパルスの部分をラマン媒質によって吸収することが分かる。この例において、吸収最大は、１３．２ＴＨｚ（曲線５１Ｃ）に位置しており、このパルスのスペクトル（曲線５２）の半値全幅は、約６ＴＨｚである。最大周波数スペクトルは、吸収最大で重ならないが、周波数スペクトルの幅が比較的小さいという事実にもかかわらず、ラマン散乱は、周波数シフトを生成する。従って、これらの周波数における光子は、パルスの中心に対して負である周波数で光子の放出を引き起こす。パルスの正の周波数からパルスの負の周波数へのこのエネルギー移動は、パルスの中心の周波数ずれ、即ちパルスの周波数スペクトルの頂点のより長い波長へのシフトに対応する。

ラマン自己散乱のこの過程中、図４Ｅに観測されるように、量子欠損は、パルスのピーク電力の減少に寄与する。周波数シフトファイバー２３２への入口点までの距離の増加に伴い、及びラマン効果により、光と材料との間の相互作用に関連した量子欠損のためにより長い波長に向かってパルスの中心波長をシフトするにつれて、ピーク電力が徐々に減少する。

図６Ａは、電力利得がこのファイバーへの入口点に対する距離に応じて増幅ファイバー２２９で増加する方法を例示する。例えば、２０ｄＢの利得を得るために少なくとも２ｍのファイバー長を必要とすることが分かる。それを越えると、利得の増加は、一層小さくなり、最大利得が約２５ｄＢの漸近曲線に続く。

図６Ｂは、周波数シフトファイバー２３２の出口で測定されたパルスＩＬ３の列の平均電力のドリフトを例示する。４２５ｍＷの平均電力の場合、電力のドリフトは、非常に低く（約１０〜１５ｍＷ）、即ち３時間の使用期間にわたって約２〜３％のドリフトであることが分かる。この非常に低いドリフトは、生物医学分野における上述の用途と完全に適合する。

図７Ａは、波長λ_１に応じたパルスＩＬ１のスペクトルの例であり、このスペクトルを波長λ_１＝１５５５ｎｍの中心に置く。図７Ｂは、波長λ_２に応じたパルスＩＬ２のスペクトルの例であり、このスペクトルを、波長シフトを例示する波長λ_２＝１６７５ｎｍの中心に置く。図７Ａを図７Ｂと比較することにより、このパルスが受ける時間的圧縮も見られ、この圧縮は、この図でスペクトルの広がりに対応する。

更に、本明細書は、この文献に記載の実施形態のいずれか１つによるレーザーシステムを含む撮像システム、及び多光子顕微鏡技法を用いて、本明細書によるレーザー源によって生成される超短パルスから画像を形成して取得する顕微鏡に関する。撮像されるゾーンにパルスを送信する。撮像されるこのゾーンは、例えば、生物組織である。パルスは、生物組織内の所与の深部で分子の励起を引き起こす。撮像されるゾーンによって反応して放出された光ビームを顕微鏡内で検出する。画像を検出光ビームから取得し得る。

図８は、本明細書による撮像システムを用いて得られる画像の例である。図８は、レインボー３のトランスジェニックマウス脳幹組織（このタイプのマウスは、例えば、文献“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌ ｂｉａｓ ｉｎ ｃｌｅａｖａｇｅ−ｓｔａｇｅ ｍｏｕｓｅ ｂｌａｓｔｏｍｅｒｅｓ”，Ｉ．Ｔａｂａｎｓｋｙ ｅｔ ａｌ，Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｂｉｏｌｏｇｙ，２０１３に記載されている）のサンプルに関して先進レーザー源を用いて得られる３光子励起蛍光（３ＰＥＦ）（赤）及び三次高調波発生（ＴＨＧ）（白）に基づく３光子マルチコントラスト撮像の例を例示する。三次高調波撮像により、脳幹のこのゾーンを染色する必要なく構造画像を得ることができた。３ＰＥＦ蛍光信号は、組織を染色し、より高い発現を血管で有するマーカーによって生じた。

他の生物学的撮像用途を想定し得る。例えば、９００ｎｍ〜９５０ｎｍに含まれる波長で放出する、本明細書による完全ファイバーベースのレーザー源は、緑色蛍光タンパク質をマーカーとして使用する場合、２光子顕微鏡法のために使用され得る。このレーザー源は、場合によりネオジムドープ増幅光ファイバーを用いて構成される。

ツリウム又はホルミウムを希土類元素として使用する場合、本明細書による完全ファイバーベースのレーザー源の他の用途を想定することができる。放射線ＩＬ１は、１．９μｍ〜２．１μｍの波長で得られる一方、ＩＬ２における放射線は、２．１μｍよりも長い波長を有する。本発明によって得られる高ピーク電力の超短パルスは、場合により高次高調波の発生を介して紫外線スペクトル領域で超短二次放射線を発生させるために使用される。

本発明による完全ファイバーベースのレーザー源を使用して、本明細書によるレーザーから出力された波長の半分の波長でフェムト秒パルスを、適切な非線形結晶で２倍にした周波数によって発生させ得る。例えば、ドーパントがホルミウムである場合、パルスＩＬ１及びＩＬ２の波長は、２１５０ｎｍに近い一方、周波数シフトファイバーから出力されたパルスＩＬ３の波長は、場合により２２００ｎｍ〜２６００ｎｍに含まれる。適切な非線形結晶で２倍にした周波数により、パルスの波長は、場合により２で割られて、フェムト秒高ピーク電力ファイバーレーザーによって現在適用されていない１１００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲に達する。従って、発生された高ピーク電力パルスは、場合によりＴＨＧ及び３ＰＥＦを実施する生物学的撮像用途で使用される。

Claims (11)

1. フェムト秒レーザー源であって、
   − 所与のドーパントがドープされている光ファイバーに基づく注入レーザー発振器（２１１）であって、出口光ファイバー（２１２）を介して第１の波長λ_１で第１のピコ秒パルスを送出するのに適している注入レーザー発振器（２１１）と、
   − 前記第１のパルスに対して増幅されているエネルギーを有する第２のパルスを前記第１の波長で前記第１のパルスから生成する増幅光ファイバー（２２９）に基づく電力増幅器（２２０）であって、前記増幅光ファイバー（２２９）は、前記注入発振器の前記光ファイバー（２１２）と同じ前記ドーパントがドープされており、及びソリトン圧縮点の距離以下であり、且つ前記増幅光ファイバー（２２９）が非線形領域で動作する距離よりも長い長さを有する、電力増幅器（２２０）と、
   − 前記第２のパルスを受信し、且つ前記第１の波長λ_１よりも厳密に長い第２の波長λ_２で基本ソリトンをラマン自己シフトによって発生させるのに適している周波数シフトファイバー（２３２）と
   を含むフェムト秒レーザー源。
2. 前記増幅光ファイバー（２２９）は、２００λ_１ ^２以上のモード面積を有する、請求項１に記載のフェムト秒レーザー源。
3. 前記周波数シフトファイバー（２３２）は、前記増幅ファイバー（２２９）のモード面積よりも大きいモード面積を有する、請求項１又は２に記載のフェムト秒レーザー源。
4. 前記注入レーザー発振器は、色分散管理を用いたファイバー発振器であって、周波数チャープパルスを発生させるように構成されているファイバー発振器である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のフェムト秒レーザー源。
5. 前記注入レーザー発振器は、周波数チャープされていないパルスを送出するソリトン発振器を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のフェムト秒レーザー源。
6. ソリトン発振器の後に、前記注入レーザー発振器によって発生された前記パルスを時間的に伸張するように構成されている正常分散光ファイバーが続いている、請求項４に記載のフェムト秒レーザー源。
7. 前記ドーパントは、イッテルビウム、プラセオジム、エルビウム、ツリウム、ホルミウム及びビスマスを含む群から選択される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフェムト秒レーザー源。
8. 前記増幅光ファイバー（２２９）及び前記周波数シフトファイバー（２３２）は、互いに接続されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のフェムト秒レーザー源。
9. 前記第１の波長λ_１におけるパルス残留物を除去する高域フィルター（２３４）を更に含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のフェムト秒レーザー源。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のフェムト秒レーザー源であって、生物媒質内の深部に位置する物体に向かってパルスを放出するのに適しているフェムト秒レーザー源と、前記物体によって後方散乱された蛍光から前記物体の画像を形成及び取得する顕微鏡（２５０）とを含む撮像システム。
11. フェムト秒レーザーパルスを発生させる方法であって、
    − 所与のドーパントがドープされている光ファイバーに基づく注入発振器を用いて、第１の波長λ_１で第１のピコ秒パルスを生成するステップと、
    − 増幅光ファイバーに基づく電力増幅器を用いて、前記第１のパルスに対して増幅されているエネルギーを有する第２のパルスを前記第１の波長で前記第１のパルスから生成するステップであって、前記増幅光ファイバーは、前記注入発振器の前記光ファイバーと同じ前記ドーパントがドープされており、及びソリトン圧縮点の距離以下であり、且つ前記増幅光ファイバーが非線形領域で動作する距離よりも長い長さを有する、ステップと、
    − 前記第２のパルスを受信するのに適している周波数シフトファイバーにより、前記第１の波長λ_１よりも厳密に長い第２の波長λ_２で基本ソリトンをラマン自己シフトによって生成するステップと
    を含む方法。

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