JP2022540869A - 全ファイバ広域調整可能な超高速レーザ源 - Google Patents

Abstract

本発明は、Erドープ偏光維持超大モード領域 (PM VLMA) ファイバにおけるソリトン自己周波数シフトに基づく、使用が容易な全ファイバ波長可変超高速レーザを提供する。超高速レーザシステムは、前置増幅器を有する全偏光維持（ＰＭ）ファイバモードロックシードレーザと、カスケードラマン共振器およびイッテルビウム（Ｙｂ）ファイバレーザキャビティを備えるラマンレーザと、ラマンレーザによってコアポンピングされた増幅器であって、前記増幅器は、エルビウム（Ｅｒ）ドープ偏光維持超大モード領域（ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡ）光ファイバと、前記ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡに続く受動ＰＭ ＶＬＭＡファイバとを含み、前記受動ＰＭ ＶＬＭＡは、より長い波長へのスペクトルシフトをサポートする、増幅器とを備える。【選択図】図１Ａ

Description

本出願は、米国特許仮出願６２／８７２，５６３（“Ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ ｗｉｄｅｌｙ ｔｕｎａｂｌｅ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅ”、２０１９年７月１０日）に対する優先権を主張し、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本開示の実施形態は、概して、超高速光学部品に関する。

可視スペクトル範囲内の超高速光パルスを使用する生物医学的用途の急速成長の開発は、改善された超高速光学技術を開発する強い必要性を生み出す。超高速光学および撮像は、生物医学界において興味深い診断のための安全な非侵襲的な技術を提供する。超高速光学実験は、モードロックレーザを用いて生成される超短パルスを含み得る。一般に、超短パルスの光とは、その持続時間がピコ秒以下のオーダーである電磁パルスである。

超高速光学の新たな用途では、ファイバから直接出る単一空間モードパワーレベルをアップスケーリングする必要がある。非線形顕微鏡法、２光子重合、電気光学サンプリング、およびテラヘルツ撮像は、超高速レーザシステムがかさばらず複雑でない場合、非常に有益であろう、いくつかの用途にすぎない。

本開示の実施形態は、概して、全ファイバで、使いやすく波長調整可能な、超高速レーザシステムに関する。本開示の実施形態による超高速レーザシステムは、前置増幅器を有する全偏光維持（ＰＭ）ファイバモードロックシードレーザと、カスケードラマン共振器およびイッテルビウム（Ｙｂ）ファイバレーザキャビティを備えるラマンレーザと、前記ラマンレーザによってコアポンピングされた増幅器であって、前記増幅器は、エルビウム（Ｅｒ）ドープ偏光維持超大モード領域（ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡ）光ファイバと、前記ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡに続く受動ＰＭ ＶＬＭＡファイバとを含み、前記受動ＰＭ ＶＬＭＡは、より長い波長へのスペクトルシフトをサポートする、増幅器とを備え、１６２０ｎｍから１９９０ｎｍまでのスペクトルカバレッジを提供する。前記受動ＰＭ ＶＬＭＡファイバおよび前記ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡファイバは、同じ基本モード有効領域を有するように構成される。前記受動ＰＭ ＶＬＭＡは、前記受動ＰＭ ＶＬＭＡの長さに沿って減少する有効領域を達成するために、徐々に減少するコイル直径で螺旋状に巻かれる。

したがって、本開示の上記で挙げた特徴を詳細に理解することができるように、本開示の実施形態のより具体的な説明は、添付の図面を参照することによって得ることができる。しかしながら、添付の図面は、本開示の範囲内に含まれる例示的な実施形態のみを示し、限定的であると見なされるべきではなく、本開示が他の等価な効果的な実施形態を認め得ることに留意されたい。

本開示の実施形態による、全ＰＭファイバモードロックシードレーザ、ラマンファイバレーザ、ＰＭ ＶＬＭＡ増幅器を備えるレーザシステムを示すブロック図である。 本開示の実施形態による、全ＰＭファイバモードロックシードレーザ、ラマンファイバレーザ、ＰＭ ＶＬＭＡ増幅器を備えるレーザシステムを示すブロック図である。 本開示の実施形態による、曲げ直径、有効領域（Ａｅｆｆ）、非線形パラメータ（ガンマ）の間の関係を示すチャートである。 本開示の実施形態によるビーム半径および位置の関係を示すチャートである。 本開示の実施形態による、１４８０ｎｍポンプパワーの変動による出力のスペクトル同調を示すチャートである。 本開示の実施形態による赤外線出力の自己相関トレースを示す。 本開示の実施形態による、ポンプパワーの変動による第２の高調波生成（ＳＨＧ）出力のスペクトル同調を示すチャートである。 本開示の実施形態によるスペクトル同調波長に関する平均出力パワーおよびパルスエネルギーを示すチャートである。 本開示の実施形態による第２の高調波生成（ＳＨＧ）出力の自己相関トレースの図である。 本開示の実施形態に従って撮像された免疫染色線維芽細胞アクチン細胞骨格およびミオシンの画像である。 本開示の実施形態に従って撮像された、Ｌｉｆｅａｃｔ－ｇｒｅｅｎ蛍光タンパク質（ＧＦＰ）でトランスフェクトされた線維芽細胞におけるアクチンの２光子励起蛍光（ＴＰＥＦ）の画像である。 本開示の実施形態に従って撮像された前方検出信号および後方検出信号を有するマウス腱コラーゲン原線維の第２の高調波生成（ＳＨＧ）画像である。 本開示の実施形態に従って撮像された、染色シグナルを伴わない、高分解能における原線維の組織化の第２の高調波生成（ＳＨＧ）画像である。 本開示の実施形態に従って撮像された、励起されたマウス脂肪組織の第３の高調波生成（ＴＨＧ）画像である。 本開示の実施形態によるコヒーレント・アンチ・ストークス・ラマン分光法（ＣＡＲＳ）レーザセットアップを示すブロック図である。 本開示の実施形態に従って撮像されたマウス脂肪組織のＳｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＦ－ＣＡＲＳ）画像である。 本開示の実施形態に従って撮像されたマウス脂肪組織のＳｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＦ－ＣＡＲＳ）画像である。

本明細書で使用される見出しは、編成目的のみのためであり、説明または請求項の範囲を限定するために使用されることを意味しない。本出願を通して使用される場合、であって、用語「あり得る」は、必須の意味（すなわち、必要とされる意味）ではなく、許容的な意味（すなわち、潜在性を有する意味）で使用される。同様に、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という用語は、これらに限定されないが含むことを意味する。理解を容易にするために、可能な場合、図面に共通の同様の要素を示すために同様の参照番号が使用されている。

本明細書に記載される例示的な実施形態は、非線形顕微鏡法などにおけるマルチモーダル撮像の必要性に適合する全ファイバ多用途レーザシステムを開示する。本開示の実施形態は、第２の高調波生成（ＳＨＧ）、第３の高調波生成（ＴＨＧ）、２光子励起蛍光（ＴＰＥＦ）、および和周波数コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（Ｓｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＦ－ＣＡＲＳ））などを簡単な構成で実行する柔軟性を提供する。４０ｄＢより良好な偏光消光比および１．１のＭ^２を有することにより、本開示の実施形態によるコンピュータ制御レーザシステムは、ロバストかつコンパクトなレーザ源を提示する。本開示のパラメータにより、レーザシステムは、非線形顕微鏡法などにおけるマルチモーダル撮像に適している。本開示によるエルビウム（Ｅｒ）ドープ偏光維持超大モード領域（ＰＭ ＶＥＭＡ）ファイバにおけるソリトン自己周波数シフトに基づく全ファイバで、容易に使用でき、波長調整可能な、超高速レーザの技術的構成および効果は、本開示の例示的な実施形態が示される添付の図面を参照しながら提供される以下の詳細な説明によって明確に理解されるであろう。

図の簡単化及び明瞭化のために、添付の図面には一般的な構成スキームが示され、本開示の例示的な実施形態の議論が不必要に不明瞭になることを避けるために、当該技術分野において周知の特徴及び技術についての詳細な説明は省略されることがある。さらに、添付の図面における構成要素は、必ずしも縮尺どおりに描かれていない。例えば、大きさは、本開示の例示的な実施形態の理解を助けるために誇張されている場合がある。異なる図面上の同じ参照番号は、同様の構成要素を示し、異なる図面上の同じ参照番号は、同様の構成要素を示すが、必ずしもそれらに限定されない。

本開示の実施形態は、全ファイバで使いやすい波長調整可能な超高速レーザシステムを含むことができる。システムは、Ｅｒドープ偏光維持超大モード領域（ＰＭ ＶＥＭＡ）ファイバにおけるソリトン自己周波数シフトを含むことができる。例えば、システムは、大きなスペクトルカバレッジを示すことができ、１６２０ｎｍから始まる３７０ｎｍで、平均出力は最大１．５Ｗで調整可能とすることができ、この平均出力は、かさばるパルス圧縮光学系を使用することなく、融合スプライスファイバから直接１２０ｆｓの短いレーザパルスを放出する。追加の第２の高調波生成（ＳＨＧ）では、出力は、その後、８００ｎｍ～１０００ｎｍをカバーする波長範囲に周波数が倍増され、５００ｍＷを超える平均パワーおよび１２０ｆｓパルス幅で２．５ｎｊのパルスエネルギーをカバーし得る。

本開示の実施形態は、短いファイバ長においてより高い利得をもたらすより高いドーピングレベルを達成することができる。Ｅｒドープファイバレーザによってカバーされる約１．５μｍの波長範囲に対して、負および正の分散を有するステップインデックスファイバを利用できることは、かさばる圧縮光学系を使用しない全ファイバ融合スプライスレーザを設計する上で大きなメリットとなる。１．５μｍの波長範囲の大モード領域ファイバの場合、材料分散は導波路分散よりも優勢であり、増幅プロセスは異常分散レジームで起こり得る。これは、自己位相変調と異常分散との間の相互作用が、ファイバに沿った伝搬中にパルスを圧縮するソリトンパルス圧縮に対して有益である。しかしながら、超短パルスの場合、緊密モード閉じ込めは、非線形効果によりモードロックファイバ発振器のパルスピークパワーを約１ｋＷに制限する。

本開示の実施形態によるシステムは、増幅器内にＥｒドープ超大モード領域偏波保持（ＰＭ ＶＬＭＡ）ファイバを備えることができる。Ｅｒ系ファイバレーザを用いて１．５μｍで開始し、１．６μｍから２μｍまでの波長領域は、自由空間圧縮光学系を使用せずに、マスタ発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）ベースのソリトン圧縮増幅と組み合わせたソリトン自己周波数シフト（ＳＳＦＳ）によって都合よくアクセスされ得る。非常に短いソリトンについては、スペクトルは、より長い波長のテールが、スペクトルのより短い波長のテールのパワーによって生成されるラマン増幅を受ける程度まで広がり、ソリトンのより長い波長への全体的なスペクトルシフトを引き起こす。より短いソリトンパルスはより高いピークパワーおよびより広い光スペクトルを示すので、この効果はパルス幅に強く依存する。

マルチモーダル撮像アプローチは、非線形プロセスの全てのファセットをカバーするために、柔軟かつスペクトル的に調整可能な短パルス源を必要とする。２光子励起蛍光（ＴＰＥＦ）顕微鏡法は、７００ｎｍ～１０００ｎｍのスペクトルカバレッジを有するＴｉ：Ｓａレーザを用いて広く普及している。生体内の深部組織撮像は、１６５０ｎｍから１８５０ｎｍまでの組織における低減衰窓を利用する第３の高調波生成（ＴＨＧ）を用いる。概して、６８０ｎｍから１６５０ｎｍまでのスペクトル範囲全体は、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）システムが対応できるマルチモーダル撮像にとって興味深い。これらのレーザシステムは、極めて複雑で高感度の自由空間設定に依存する。

代わりにファイバレーザを使用すると、約１．６５μｍ～１．８５μｍのＴＨＧのスペクトルウィンドウは、Ｅｒドープファイバレーザ源から開始するＳＳＦＳによって容易にアクセスすることができる。この窓の小さな拡張により、調整可能な波長は、ＴＰＥＦ顕微鏡法に必要とされる８００ｎｍ～１０００ｎｍをカバーするように周波数倍増され得る。例示的な実施形態は、超短パルス用のＰＭ ＶＦＭＡファイバ増幅器と、それに続く受動ＰＭ ＶＦＭＡファイバ片とを用いたＭＯＰＡアプローチを使用するＳＳＦＳに基づく波長調整可能全ファイバレーザシステムを示す。出力に受動ＰＭ ＶＦＭＡファイバがない設計は、最大１６５０ｎｍまで調整可能な２１ｎｊパルスエネルギーおよび８６ｆｓパルス幅を生成し得る。２５ｎｊを超える増加したエネルギーで２０００ｎｍまで拡張された可変性と、それに続くコンパクトな調整可能な第２の高調波生成段により、本開示の実施形態は、出力を８００ｎｍ～１０００ｎｍのスペクトル範囲を有する短いパルスに変換し得る。１０５０ｎｍでの時間的に同期した第２の出力と組み合わせて、２色２光子（２Ｃ２Ｐ）励起顕微鏡検査ならびにコヒーレント・アンチ・ストークス・ラマン散乱（ＣＡＲＳ）顕微鏡検査は、ラマンフィンガープリント領域だけでなく芳香族ＣＨ基、脂肪族ＣＨ２および脂肪族ＣＨ３基にも対応する５００ｃｍ－１から３１００ｃｍ－１までの範囲の極めて広いスペクトルカバレッジを有し得る。

ここで図１Ａを参照すると、本開示の実施形態による、全ＰＭファイバモードロックシードレーザ１０２を備えるレーザシステム１００を図示する、ブロック図が提供される。例示的な実施形態によれば、レーザシステム１００は、シードレーザ１０２、ラマンレーザ１０４、アイソレータ１２０、ビームスプリッタ１２２、ＰＭ ＶＬＭＡ増幅器１０６などを含むことができる。例示的な実施形態では、システム１００はまた、第１のレンズ１２８、ロングパスフィルタ（ＬＰＦ）１３０、フリップミラー１３２、第２のレンズ１３４、周期的に分極されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）ファンアウト１３６、第３のレンズ１３８、ショートパス（ＳＰ）フィルタ１４０、第２のミラー１４２などを備え得る。ラマンレーザ１０４の光増幅機構は、誘導ラマン散乱であってもよい。例示的な実施形態によれば、ラマンレーザ１０４は、１４８０ｎｍなどで出力を提供することができる。ラマンレーザ１０４は、カスケードラマン共振器１１６およびイッテルビウム（Ｙｂ）ファイバレーザキャビティ１１８などを含むことができる。

例示的な実施形態によれば、シードレーザ１０２は、半導体可飽和吸収体ミラー（ＳＥＳＡＭ）１１０と、ポンプダイオード１１２と、分極維持エルビウムドープファイバ（ＰＭ Ｅｒファイバ）１０８と、スプリッタ１１３と、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１１４とを備えることができる。一般に、ＳＥＳＡＭ１１０は、レーザキャビティ内に挿入された非線形ミラーである。その反射率は、非線形材料として半導体を使用することによって得られる吸収退色に起因して、より高い光強度においてより高くなる。ＳＥＳＡＭ１１０は、底部ミラーおよび可飽和吸収体構造を備え得る。ＳＥＳＡＭ１１０はまた、スペーサ層および／または追加の反射防止または反射コーティングを上面などに備えてもよい。

図１Ａおよび図１Ｂに示されるレーザ設定では、ＰＭ ＶＬＭＡ増幅器１０６、１０７の構成が異なる。図１Ａに示す例示的なレーザシステム１００では、ＰＭ ＶＬＭＡ増幅器１０６は、ＷＤＭ１２３、ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡファイバ１２４、およびＰＭ ＶＬＭＡファイバ１２６などを含むことができる。これに対し、図１Ｂに示されるレーザシステム２００では、ＰＭ ＶＬＭＡ増幅器１０７は、ＷＤＭ１２９、ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡファイバ１３１、螺旋状ＰＭ ＶＬＭＡ１２７等を含むことができる。図１Ａおよび図１Ｂならびに本明細書で説明される他の実施形態の各々内の様々な構成要素は、通信方式、電気的方式、または非電気的方式で直接的または間接的に接続され得る。

図１Ａ及び図１Ｂの両方に示すレーザセットアップは、エルビウムドープ偏光維持超大モード領域（ＥｒドープＰＭ ＶＬＭＡ）ファイバ１２４、１３１を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＥｒドープＰＭ ＶＬＭＡファイバ１２４、１３１は、３ｍの長さ、または本開示の実施形態に合致する好適な長さであり得る。ＥｒドープＰＭ ＶＬＭＡファイバ１２４、１３１は、１５３０ｎｍにおけるＥｒ吸収が５０ｄＢ／ｍであり、コア径が５０μｍなどであってもよい。いくつかの実施形態では、ＰＭ ＶＬＭＡファイバ１２６、１２７は、約９５０μｍ^２等の有効領域をもたらす、２５ｃｍ直径にコイル化されてもよい。増幅器１０６、１０７は、１４８０ｎｍで最大５０Ｗのシングルモード出力を有する非ＰＭラマンファイバレーザ１０４によってコアポンピングされ得、したがって、信号レーザとポンプレーザの両方は、高オーバーラップを伴う基本モードでの伝搬であり、差動利得によって高次モード（ＨＯＭ）が出現することを防止する。特に超短パルスの場合、コアポンピングの効果は、クラッドポンピングと比較して利得ファイバを短く保つのに役立ち、したがって非線形効果をさらに減少させる。

例示的な実施形態によれば、１４８０ｎｍラマンレーザシステム１０４でポンピングされたＰＭ ＶＬＭＡファイバ増幅器１０６、１０７が後に続く前置増幅器を有する全ＰＭファイバモードロックシードレーザ１０２のレーザセットアップが図１Ａおよび図１Ｂに示されている。出力は、基本ソリトンスペクトル範囲（１．６μｍ～２μｍ）から８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲の第２高調波出力に容易に切り替えることができる。この実施形態によれば、受動ＰＭ ＶＬＭＡファイバ１２６は、１５ｍの長さを有することができ、より長い波長へのスペクトルシフトをさらにサポートするために使用することができる。

ここで図１Ｂを参照すると、ブロック図は、本開示の実施形態による、全ＰＭファイバモードロックシードレーザ１０２を備えるレーザシステム１０７を図示する。例示的実施形態では、前置増幅器を有する全ＰＭファイバモードロックシードレーザ１０２の後に、１４８０ｎｍラマンレーザシステム１０４で励起されるＰＭ ＶＬＭＡファイバ増幅器１０６コアが続いてもよい。出力は、基本ソリトンスペクトル範囲（１．６μｍ～２μｍ）から８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲の第２高調波出力に容易に切り替えることができる。この実施形態によれば、受動ＰＭ ＶＬＭＡファイバ１２７は、１５ｍの長さを有してもよく、２５ｃｍから６ｃｍまでの特別に設計された螺旋によって巻かれてもよい。螺旋は、コイル直径に影響を及ぼし、したがって、ファイバのモード場領域をゆっくりと減少させ得る。

ここで図２Ａを参照すると、本開示の実施形態による、曲げ直径と有効領域（Ａｅｆｆ）と非線形パラメータ（ガンマ）との間の関係を示すチャートが示されている。真っ直ぐにされたファイバは、約１０５０μｍ^２の基本モードに対する有効領域を表すが、２５ｃｍのコイルは、９５０μｍ^２まで有効領域を減少させる。例示的な実施形態によれば、これは、伝搬長中にガンマが減少するファイバの非線形性を増大させる。ファイバ非線形性が永久的に増加することで、受動ＰＭ ＶＬＭＡを介した伝搬中にピークパワーと帯域幅が失われることによって引き起こされるソリトン自己周波数シフトの減速が防止される。図２Ａは、非線形パラメータが減少している間にファイバの曲げ直径がＡｅｆｆを減少させ、その結果、螺旋状ファイバコイルを介した伝搬中にファイバの非線形性が増加することをさらに示す。

ここで図２Ｂを参照すると、本開示の実施形態による１４８０ｎｍポンプパワーの変動による出力のスペクトル調整を示すチャートが示されている。ソリトン出力およびＭ^２測定のビームプロファイル、Ｍｘ^２＝１，１０；Ｍｙ^２＝１，０６。例示的な実施形態によれば、ビームプロファイルは、１．４Ｗの平均パワーおよびλ＝１６８０ｎｍの波長で蛍光体被覆ＣＣＤカメラを用いて測定することができる。Ｍｘ^２は１．１０であり得、Ｍｙ^２は１．０６であり得、１．０８の平均Ｍ^２に対応する。Ｍ^２値は、調整範囲によって大きく変化することがない。本明細書に記載の例示的な実施形態によれば、動作範囲にわたるモーダル不安定性の兆候は見られない。

調整可能な出力は、コリメーションレンズ（ｆ＝１５．３ｍｍ）を通過し、波長に応じて１ｍｍ（１／ｅ^２）以下のビーム直径をもたらす。ビーム経路に挿入されたロングパスフィルタ（Ｓｅｍｒｏｃｋ ＢＬＰ０１－１５５０Ｒ）は、基本波およびポンプレーザスペクトルをカットオフするように構成され得る。出力のスペクトル調整は、１４８０ｎｍラマンレーザのポンプパワーを変更することによって達成することができ、これは、ポンプ電流を変えることによって容易に行うことができる（例えば、図３参照）。調整プロセス全体を通して、常に１２０ｆｓ（ｓｅｃｈ^２）の範囲のパルス幅で、教科書のような干渉自己相関トレースが得られた。

ここで図３Ａを参照すると、本開示の実施形態による、１４８０ｎｍポンプパワーの変動による出力のスペクトル調整を図示するチャートが示されている。より具体的には、チャートは、１４８０ｎｍのポンプパワーの変化による１６１８ｎｍから１９８５ｎｍまでの出力のスペクトル調整を示す。図３Ｂを参照すると、１１６ｆｓ（ｓｅｃｈ^２）パルス幅を有する１８００ｎｍでの赤外線出力の典型的な自己相関トレースが示されている。干渉自己相関はペデスタルを示さず、パルスエネルギーは１８ｎｊである。

図３Ａおよび図３Ｂのチャートによって示されるように、フリップミラーをセットアップに交換することによって、出力は、調整可能赤外線スペクトルから第２の高調波（ＳＨＧ）近赤外線出力に変更され得る。その構成では、ビームは、レンズ（ｆ＝３６ｍｍ）を介して、ファンアウト構造を有する周期的に５モル%のＭｇＯがドープされた周期的に分極されたニオブ酸リチウム結晶（ＰＰＬＮ）に集束され得る。ＰＰＬＮファンアウト結晶は、１９．５μｍ～３４μｍから始まり、したがって１５５０ｎｍ～２３５０ｎｍの基本スペクトルをカバーする準位相整合分極周期（ＱＰＭ）を有し得る。ＰＰＬＮ結晶は、受容帯域幅を維持し、第２高調波出力の短いパルス幅を生成するために、０．５ｍｍの厚さを備えてもよい。結晶は、ファンアウト構造のＱＰＭ位置を基本波長に整合させるために、焦点を介して水平に移動するように電動スライド上に搭載されてもよい。ｆ＝３６ｍｍレンズを使用して、結晶の後にビームをコリメートし、続いてショートパスフィルタを導入して、第２高調波出力からの残留基本波スペクトルを遮断することができる。

図４Ａ～図４Ｃは、例示的な実施形態によるＳＨＧ出力の調整特性を示す。図４Ａは、本開示の実施形態による、ポンプパワーの変動による第２の高調波生成（ＳＨＧ）出力のスペクトル調整を図示するチャートである。具体的には、図４Ａは、１４８０ｎｍのポンプパワーの変化による８０８ｎｍから９９０ｎｍまでのＳＨＧ出力のスペクトル調整を示す。

ここで図４Ｂを参照すると、本開示の実施形態によるスペクトル調整波長に関する平均出力パワーおよびパルスエネルギーを示すチャートが示されている。図４Ｃは、本開示の実施形態による第２の高調波生成（ＳＨＧ）出力の自己相関トレースを示すチャートである。より具体的には、図４Ｃは、１１４ｆｓ（ｓｅｃｈ^２）パルス幅を有する９００ｎｍにおけるＳＨＧ出力の自己相関トレースを示す。例示的な実施形態によれば、干渉自己相関はペデスタルを示さず、パルスエネルギーは６．８ｎｊである。

本開示の実施形態によるレーザシステムは、マルチモーダル顕微鏡法などに使用することができる。本明細書に記載される例示的な実施形態は、高い３Ｄ分解能で様々な生物学的試料を撮像することによる非線形顕微鏡法のためのＰＭ ＶＬＭＡレーザシステムの汎用性を実証する。本開示のマルチモーダルアプローチによれば、２つの光子励起蛍光（ＴＰＥＦ）、第２の高調波生成（ＳＨＧ）、第３の高調波生成（ＴＨＧ）、およびスペクトル集束コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（ＳＦ－ＣＡＲＳ）が、コントラストメカニズムとして採用され得る。ＴＰＥＦは外因性マーカーに依存するが、他のコヒーレント技法は、標識がなく、漂白効果、人工標識によって導入されるアーチファクト、および扱いにくい試料の準備の影響を受けない場合がある。しかしながら、順方向の位相整合による改善された信号対雑音比（ＳＮＲ）のために、コヒーレント信号の検出は、収集が両方向で生じ得るＳＨＧを除いて集束対物レンズの反対側に配置することができる。

本開示の実施形態によるＰＭ ＶＬＭＡシステムは、蛍光タンパク質を含む全ての共通マーカーの励起を可能にする広いスペクトル範囲をカバーし得る。最適な励起のために波長を調整することは、ファンアウト結晶のみが動かされるので、ビーム経路において非常にわずかな変化を示し得る。ＴＰＥＦを実証するために、全青色～赤色スペクトル範囲をカバーする３つの異なるフルオロフォアを使用することができる。

図５Ａ～５Ｅは、本開示の例示的な実施形態によるＰＭ ＶＬＭＡレーザシステムの例示的な用途を示す。図５Ａは、免疫染色された線維芽細胞のアクチン細胞骨格およびミオシンの捕捉画像を示す。より具体的には、標準的な蛍光標識プロトコルに従ってＡＴＴ０４２５を用いて免疫染色されたアクチンおよびＡｌｅｘａＦｌｕｏｒ５９４を用いて免疫染色されたミオシンを有する単一のＮＩＨ３Ｔ３マウス線維芽細胞が示されている。図５Ａは、免疫染色された線維芽細胞のアクチン細胞骨格およびミオシンの多色ＴＰＥＦ画像を示す。図５Ａの白いボックスに示される挿入図は、アクチンに対するミオシンの組織化を高分解能で明らかにする拡大された領域である。

図５Ｂは、本開示の実施形態に従って捕捉された２Ｃ２Ｐを用いた、ライフアクト緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）でトランスフェクトされた線維芽細胞におけるアクチンのＴＰＥＦの画像を示す。図５Ｃは、本開示の実施形態に従って捕捉された前方検出信号および後方検出信号を有するマウス腱コラーゲン原線維の第２の高調波生成（ＳＨＧ）画像を示す。図５Ｄは、染色を伴わない高分解能での原線維の組織化の第２の高調波生成（ＳＨＧ）画像を示す。図５Ｅは、本開示の実施形態に従って捕捉された、１６２０ｎｍで励起されたマウス脂肪組織の第３の高調波生成（ＴＨＧ）画像を示す。図５Ｅにおいて、ＸＺ投影は、深さ５５μｍを超える脂肪組織中の脂質液滴の境界を示す。図５Ａ～５ＣおよびＥのスケールバーは１０μｍであり、図５Ｄのスケールバーは１μｍである。ＮＩＨ３Ｔ３線維芽細胞を、アクチンに結合するライフアクト緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰ）でトランスフェクトし、図５Ｂに示した。

例示的な実施形態によれば、ＳＨＧは、５８週齢のＣ５７ＢＬ／６マウスの腱コラーゲン原線維に適用され得る（図５Ｃおよび図５Ｄを参照のこと）。図５Ｅは、ＳＨＧ出力の代わりに基本波長１６２０ｎｍを使用した、Ｃ５７ＢＬ／６マウス脂肪組織上のＸＺ平面におけるＴＨＧ画像を示す。図５Ｅは、５５μｍの深度に撮像され得る。ＴＨＧは非線形屈折率の変化に敏感であるため、脂質液滴の境界を画像化するために使用することができる。特に、ＳＨＧおよびＴＨＧ組織切片は、余分な染色手順なしでカバースリップ上に直接準備することができる。スペクトル集束（ＳＦ）コヒーレント・アンチストークス・ラマン分光法（ＣＡＲＳ）は、本開示のマルチモーダル撮像アプローチの別の例示的な実施形態である。ラマン散乱に基づいて、分子の振動指紋領域において化学的に特異的である。ＣＡＲＳは、異なる中心周波数を有する２つのレーザパルスに依拠することができ、周波数差が対象の分子の振動モードに整合するように調整される場合、大幅に強化されることがある。

ここで図６を参照すると、本開示の実施形態によるコヒーレント・アンチストークス・ラマン分光法（ＣＡＲＳ）レーザシステム３００を示すブロック図が示されている。ＣＡＲＳシステム３００の場合、ＰＭ ＶＬＭＡレーザシステム３１０は、１０５０ｎｍで動作するＹｂドープファイバフェムト秒（Ｙｂ－ｆｓ）増幅器３２０などで拡張され得る。図６は、ＰＭ ＶＬＭＡレーザシステム３１０と、７０％シードレーザ出力を介してシードされた１０５０ｎｍのＹｂｆｓ増幅器システム３２０とを含む例示的なＣＡＲＳレーザセットアップ３００を示す。例示的実施形態によれば、ＰＭ ＶＬＭＡレーザシステム３１０は、シードレーザ３０２およびラマンレーザ３１４と、それに続く、アイソレータ３０４と、ビームスプリッタ３０６と、ＰＭ ＶＬＭＡ増幅器３０８と、周期的複リチウムニオブ酸（ＰＰＬＮ）第２の高調波生成（ＳＨＧ）３１２とを備えてもよい。両方の出力は、ダイクロイックミラーＤＣ３２４と、それに続くピックアップミラーＰＭ ３２６と、ストークスとポンプレーザとの間のパルス遅延を測定するために使用される光検出器ＰＤ３２８とによって結合され得る。遅延制御３１８は、顕微鏡焦点面において２つのパルスを同期させるために使用され得る。

ＣＡＲＳシステム３００はまた、タイミング制御３１６と、遅延３１８と、Ｙｂｆｓ増幅器３２０と、ミラー３２２と、ダイクロイックミラーＤＣ３２４と、ピックアップミラーＰＭ３２６と、光検出器ＰＤ３２８とを備え得る。ＣＡＲＳシステム３００はまた、レーザ走査顕微鏡３３０、ミラー３３２、フィルタ３３４、第２の光検出器３３６、ロックイン増幅器３３８、およびコンピューティングデバイス３４０などを備え得る。コンピューティングデバイス３４０は、レーザ走査顕微鏡３３０およびレーザシステム３１０等の動作を制御するように構成されてもよく、そこから捕捉された画像を表示するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイスは、少なくとも、プロセッサと、入力デバイスと、出力デバイスと、顕微鏡３３０およびレーザシステム３１０を制御し、そこから捕捉されたデータおよび画像等を表示するように構成および適合される、ディスプレイとを備えてもよい。

例示的な実施形態によれば、増幅器３２０は、８０ＭＨｚ発振器の７０％出力でシードされ得、約１００ｆｓ（ｓｅｃｈ^２）パルス幅などで最大３Ｗの平均パワーの出力を生成し得る。出力のスペクトル幅は、１０５０ｎｍを中心とするほぼ帯域幅制限されたパルスを提供する１０ｎｍ半値全幅（ＦＷＨＭ）であってもよい。ＣＡＲＳにおけるスペクトル選択性を改善するために、例示的な実施形態は、スペクトル集束技法を利用する２つのレーザパルスの各々に格子ストレッチャを適用し得る。したがって、図７に示すように、マウス脂肪組織を２８５０ｃｍ－１で脂肪族Ｃ－Ｈ２バンドをプロービングして画像化し、ＴＰＥＦ画像化のために細胞核をＤＡＰＩで対比染色することができる。

図７Ａおよび図７Ｂは、本開示の実施形態に従って捕捉されたマウス脂肪組織の和周波数コヒーレント・アンチストークス・ラマン分光法（ＳＦ－ＣＡＲＳ）画像を示す。例示的な実施形態では、脂質液滴は、２８５０ｃｍ－１でのＳＦ－ＣＡＲＳプロービングなどで画像化され得る。細胞核をＤＡＰＩ（青色）で染色し、ＴＰＥＦで画像化することができる。図７において、スケールバーは１０μｍである。レーザパルスの同期のために、２段階のタイミング遅延が、１０５０ｎｍのＹｂ増幅器をシーディングする出力ブランチに実装され得る。このモジュールは、粗い調整処理のためのファイバピグテール機械的遅延段と、３０ｃｍのＰＭ９８０ファイバのスプールの温度調整に基づくファイバコイル遅延段とを備えることができる。同期パルスは、ＣＡＲＳのために使用され得るだけでなく、２Ｃ２Ｐ励起を可能にし得る。例えば、緑色蛍光タンパク質は、２つの９２０ｎｍの光子の同時吸収によって、または１つの８２０ｎｍおよび別の１０５０ｎｍの光子の合計によって励起され得る。９２０ｎｍの仮想２光子波長に対応するこの２Ｃ２Ｐ励起は、図５Ｂにおいて実証されており、原則として、３つの波長が異なるフルオロフォアの励起のために同時に存在するという利点を有し得る。

本明細書に記載の例示的な実施形態は、非線形顕微鏡法におけるマルチモーダル撮像の必要性に理想的に適合する全ファイバ多用途レーザシステムを示した。本明細書に開示される実施形態は、最大６．８ｎｊの高いパルスエネルギーとファイバから直接出る１２０ｆｓのパルス長とを組み合わせて、１６２０ｎｍから始まり１９９０ｎｍに至る３７０ｎｍにわたる大きなスペクトルカバレッジを示す。追加のＳＨＧを用いると、出力スペクトルカバレッジは、８００ｎｍから開始して１μｍまで、２．５ｎｊパルスエネルギーおよび１２０ｆｓパルス幅のスペクトルウィンドウで拡張することができる。したがって、本開示の実施形態は、簡単な構成で、しかし優れた結果で、ＳＨＧ、ＴＨＧ、ＴＰＥＦおよびＳＦ－ＣＡＲＳを実行する柔軟性を提供する。

上記の開示および特許請求の範囲において、「第１」、「第２」、「第３」などの用語は、同様の構成要素を互いに区別するために使用され、特定の順序を説明するために使用され得るが、必ずしもそれに限定されない。これらの用語は、本明細書に記載される本開示の例示的実施形態が、本明細書に図示または説明される順序とは異なる順序で動作され得るように、適切な環境下で互いに互換性があることが理解されるであろう。同様に、方法が一連のステップを含むと本明細書で説明される場合、本明細書で提案されるこれらのステップのシーケンスは、必ずしもこれらのステップが実行され得るシーケンスではない。

本開示において使用される用語は、本開示を限定するのではなく、例示的な実施形態を説明するためのものである。本開示において、単数の表現は、特に明示的な記載がない限り、複数の表現を含む。本開示で使用される「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および／または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語によって言及される構成要素、ステップ、動作、および／または要素は、１つまたは複数の他の構成要素、ステップ、動作、および／または要素の存在または追加を排除しない。

上記であって、本開示は、その例示的な実施形態を参照して説明されている。本開示に開示される全ての例示的な実施形態及び条件付き説明は、本開示が属する技術分野の当業者による本開示の原理及び概念の理解を助けることを意図して説明された。したがって、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を変形して実施できることを理解できるであろう。種々の特徴を有する多数の実施形態が本明細書に説明されているが、本明細書に議論されない他の組み合わせにおけるそのような種々の特徴の組み合わせは、本開示の実施形態の範囲内であると想定される。

Claims (10)

1. 前置増幅器を有する全偏光維持（ＰＭ）ファイバモードロックシードレーザと、
   カスケードラマン共振器およびイッテルビウム（Ｙｂ）ファイバレーザキャビティを備えるラマンレーザと、
   前記ラマンレーザによってコアポンピングされた増幅器であって、前記増幅器は、エルビウム（Ｅｒ）ドープ偏光維持超大モード領域（ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡ）光ファイバと、前記ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡに続く受動ＰＭ ＶＬＭＡファイバとを含み、前記受動ＰＭ ＶＬＭＡは、より長い波長へのスペクトルシフトをサポートする、増幅器とを備え、
   １６２０ｎｍから１９９０ｎｍまでのスペクトルカバレッジを提供する、超高速レーザシステム。
2. 前記受動ＰＭ ＶＬＭＡファイバおよび前記ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡファイバは、同じ基本モード有効領域を有するように構成される、請求項１に記載の超高速レーザシステム。
3. 前記受動ＰＭ ＶＬＭＡは、前記受動ＰＭ ＶＬＭＡの長さに沿って減少する有効領域を達成するために、徐々に減少するコイル直径で螺旋状に巻かれる、請求項１に記載の超高速レーザシステム。
4. １．５μｍから開始して、前記システムは、ソリトン自己周波数シフト（ＳＳＦＳ）によって１．６μｍから２μｍまでの波長領域にアクセスするように構成される、請求項１に記載の超高速レーザシステム。
5. 前記システムは、６．８ｎＪの高パルスエネルギーおよび１２０ｆｓのパルス長を提供する、請求項１に記載の超高速レーザシステム。
6. 前記ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡ光ファイバの長さは３ｍであり、１５３０ｎｍでのＥｒ吸収は５０ｄＢ／ｍであり、コア直径は５０μｍである、請求項１に記載の超高速レーザシステム。
7. 前記増幅器は、マスタ発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）である、請求項１に記載の超高速レーザシステム。
8. 前記ラマンレーザは、非偏光維持（ＰＭ）であり、前記増幅器は、１４８０ｎｍで最大５０Ｗのシングルモード出力を有する前記非ＰＭラマンレーザによってコアポンピングされる、請求項１に記載の超高速レーザシステム。
9. コアポンピングは前記利得ファイバを維持し、前記非ＰＭラマンレーザはオーバーラップを伴う基本モードで伝搬することにより、差動利得に応じて高次モード（ＨＯＭ）が出現することを実質的に防止する、請求項８に記載の超高速レーザシステム。
10. 全偏光維持（ＰＭ）ファイバモードロックシードレーザと、
    カスケードラマン共振器とイッテルビウム（Ｙｂ）キャビティとを備えるポンプレーザと、
    偏光維持超大モード領域（ＰＭ ＶＬＭＡ）増幅器であって、前記増幅器はラマンレーザによってコアポンピングされ、エルビウム（Ｅｒ）ドープ偏光維持超大モード領域（ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡ）光ファイバと、前記ＰＭ Ｅｒ ＶＬＭＡに続く受動ＰＭ ＶＬＭＡファイバとを備え、前記受動ＰＭ ＶＬＭＡは、より長い波長へのスペクトルシフトをサポートする、偏光維持超大モード領域増幅器と、
    イッテルビウムドープファイバフェムト秒（Ｙｂ－ｆｓ）増幅器と、
    ピックアップミラー（ＰＭ）が続くダイクロイックミラー（ＤＣ）と、
    パルス遅延を測定するための光検出器（ＰＤ）と、
    顕微鏡焦点面において２つのパルスを同期させるための遅延制御と、
    前記ＰＭに続くレーザ走査顕微鏡とを備え、
    １６２０ｎｍから１９９０ｎｍまでのスペクトルカバレッジを提供する、
    超高速レーザシステム。

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