KR102478187B1 - 레이저 디바이스 - Google Patents

레이저 디바이스 Download PDF

Info

Publication number
KR102478187B1
KR102478187B1 KR1020197036725A KR20197036725A KR102478187B1 KR 102478187 B1 KR102478187 B1 KR 102478187B1 KR 1020197036725 A KR1020197036725 A KR 1020197036725A KR 20197036725 A KR20197036725 A KR 20197036725A KR 102478187 B1 KR102478187 B1 KR 102478187B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical
optical cavity
cavity
light
filter
Prior art date
Application number
KR1020197036725A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200014783A (ko
Inventor
다니엘 포파
쥴리오 세룰로
튤리오 스코피그노
다리오 폴리
안드레아 페라리
Original Assignee
캠브리지 엔터프라이즈 리미티드
폴리테크니코 디 밀라노
폰다치오네 이스티튜토 이탈리아노 디 테크놀로지아
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 캠브리지 엔터프라이즈 리미티드, 폴리테크니코 디 밀라노, 폰다치오네 이스티튜토 이탈리아노 디 테크놀로지아 filed Critical 캠브리지 엔터프라이즈 리미티드
Publication of KR20200014783A publication Critical patent/KR20200014783A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102478187B1 publication Critical patent/KR102478187B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06791—Fibre ring lasers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/082—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors defining a plurality of resonators, e.g. for mode selection or suppression
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10053—Phase control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/105—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • H01S3/1118—Semiconductor saturable absorbers, e.g. semiconductor saturable absorber mirrors [SESAMs]; Solid-state saturable absorbers, e.g. carbon nanotube [CNT] based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements
    • H01S3/2391—Parallel arrangements emitting at different wavelengths
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N2021/653—Coherent methods [CARS]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1608—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth erbium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

샘플(42)에서 가간섭성 라만 산란을 유발하기 위해 필터링된 광 펄스를 출력하기 위한 레이저 디바이스(10)가 제공된다. 레이저 디바이스(10)는 제1 이득 매체(24a)를 포함하는 제1 광학 공동부(20a); 및 제1 이득 매체와는 상이한 제2 이득 매체(24b)를 포함하는 제2 광학 공동부(20b)를 포함한다. 제1 이득 매체(24a) 및 제2 이득 매체(24b)는 각각의 상이한 범위의 파장에서 광을 생성하도록 펌프 광원(22a, 22b)에 의해 각각 여기 가능하다. 동기화 장치(30)는 제1 광학 공동부(20a)와 제2 광학 공동부(20b) 둘 다에 광학적으로 연결된다. 동기화 장치(30)는 제1 광학 공동부(20a)와 제2 광학 공동부(20b)로부터 광을 동기화하고 그리고 모드-로킹하도록 구성된다. 레이저 디바이스(10)는 또한 제1 광학 필터(34a) 및 제2 광학 필터(34b)를 포함한다. 제1 광학 필터(34a) 및 제2 광학 필터(34b)는 파장의 제1 미리 결정된 범위에서 제1 필터링된 광 펄스 그리고 파장의 제2 미리 결정된 범위에서 제2 필터링된 광 펄스를 출력하기 위해서 제1 광학 공동부(20a) 및 제2 광학 공동부(20b)로부터 광을 각각 필터링하도록 구성된다.

Description

레이저 디바이스
본 발명은 레이저 디바이스, 구체적으로, 가간섭성 라만 분광법을 사용하는 레이저 디바이스에 관한 것이다.
라만 분광법(Raman spectroscopy)은 조직 및 세포의 무표지 화학 기호를 가능하게 한다. 이것은 단일의 연속파 레이저의 사용에 의한 분자의 라만 산란 효과에 기초한다. 이러한 자연적인 라만 산란은 약하고, 따라서 라만 분광법은 일반적으로 느리다. 가간섭성 반-스토크스 라만 산란(coherent anti-Stokes Raman scattering: CARS), 및 유도 라만 산란(stimulated Raman scattering: SRS)을 포함하는, 가간섭성 라만 분광법(Coherent Raman spectroscopy: CRS)은 분자의 비선형 여기를 필요로 하고, 그리고 그 규모로 인해 라만 강도를 향상시킬 수 있다. 이론상으로, 라만 강도의 이러한 증가는 측정이 비디오-레이트 이미징 속도로 이루어지게 하고, 이는 이론상으로, CRS가 많은 상이한 분야의 많은 적용에 사용될 수 있는 것을 의미한다.
CRS는 2개의 레이저 공급원으로부터 동기화된 초고속의 적어도 피코초 레이저의 사용을 필요로 하고, 라만 주파수와 대역폭을 매칭시키는 펌프 펄스 및 스토크스 펄스가 샘플 내에서 진동 가간섭성을 설정 및 검출하기 위해 사용된다. 최근에, 광학 매개변수 발진기를 펌핑하는 고체-상태 레이저는 이 레이저 공급원이 전체 라만 스펙트럼(0 내지 4000㎝- 1)에 대한 접근을 허용하므로, CRS를 위한 레이저 공급원으로서 폭넓게 사용되어 왔다. 이러한 고체-상태 레이저 디바이스는 이득 매체로서 도핑된 결정체 또는 유리의 대량 부분을 포함하고 그리고 부피가 큰 광학 기기의 사용을 필요로 한다. 따라서, 고체-상태 레이저 디바이스는 오정렬되기 쉽고 불안정할 뿐만 아니라, 이들의 사용은 또한 높은 자본 비용을 발생시킨다. 게다가, 이들의 비교적 큰 점유 공간은 이들이 임상 환경에서 효과적으로 배치되는 것을 방지하고, 예를 들어, 이들은 병원 내 상이한 병동 주위에서 쉽게 이동될 수 없거나, 이들은 편리하게 다뤄질 수 없다.
섬유-포맷 레이저의 사용은 이러한 레이저 디바이스가 더 작은 점유 공간과 함께 더 간단하고, 더 비용 효율적인 여기 공급원을 제공하므로, 최근에 인기를 얻게 되었다. 이들은 또한 광학 매개변수 발진기를 펌핑하는 고체-상태 레이저와 비교할 때, 더 신뢰할 수 있고 그리고 정렬을 필요로 하지 않는다.
미국 특허 제US 7,372,880호는 초단 광 펄스를 생성할 수 있는 펄싱된 섬유 레이저를 개시한다. 펄싱된 섬유 레이저는 이득 매체로서 희토류 도핑된 섬유의 길이를 가진 광학 링 공진기를 포함한다. 사용 시, 이득 매체가 펌핑된 광원에 응답하여 공진기에서 광학 이득을 생성한다. 펄스 생성을 용이하게 하기 위해서, 탄소 나노튜브(carbon nanotube: CNT)가 비선형 광학 또는 가포화 흡수체 물질(saturable absorber material)로서 채용되어 연속파 레이저를 초고속 광 펄스 트레인으로 변환한다. 가포화 흡수체는 특정한 광학 손실을 가진 광학 컴포넌트이고, 광학 손실은 높은 광학 강도에서 감소된다. 펄스가 광학 링 공진기를 순환시킬 때 펄스가 가포화 흡수체와 부딪칠 때마다, 펄스는 가포화 흡수체의 흡수를 포화시키고, 따라서 일시적으로 손실을 감소시킨다. 각각의 공진기 왕복에서, 가포화 흡수체는 이 광이 더 낮은 강도를 가진 광보다 약간 더 많은 흡수를 포화할 수 있으므로, 다소 더 높은 강도를 가진 광을 선호할 것이다. 많은 왕복 후, 단일의 펄스가 남아 있을 것이다.
2개의 상이한 레이저 공급원으로부터 동기화된 광 펄스를 생성하기 위해서, 수동 모드-로킹 기법(passive mode-locking technique)을 사용하는 이중-파장 초고속 레이저 공급원의 동기화에 관한 분야에서 최근의 연구가 있다. 이 기법은 2개의 레이저 공급원에 의해 공유된 공통 가포화 흡수체의 사용을 필요로 하고, 예를 들어, 공통 가포화 흡수체를 상이한 희토류 물질이 도핑된 2개의 섬유 공동부(fiber cavity)에 광학적으로 연결시킨다.
장(Zhang) 등의, 문헌["Passive synchronization of all-fiber lasers through a common saturable absorber", Optics Letter, (2011) (Zhang)]은 공유된 단일의-벽 탄소 나노튜브 흡수체의 사용을 통해 연결된, 1㎛ 및 1.54㎛에서 작동되는, 2개의 전-섬유 모드-로킹된 레이저(all-fiber mode-locked laser)의 동기화를 개시한다. 게다가, 장(Zhang) 등의 문헌["Ultrafast fibre laser sources: Example of recent developments", Optical Fiber Technology, (2014)]은 초고속의 소형 전-섬유 레이저의 분야의 최근의 개발을 요약한다. 더 구체적으로, 장(Zhang)은 2개의 연결된 광학 공동부에서 레이저 펄스의 동기화 및 수동 모드-로킹을 수행하도록 수동 소자로서 그래핀 및 단일의-벽 탄소 나노튜브의 사용을 개시한다. 광학 공동부는 펌프 프로브 분광을 위해 이중-파장 광 펄스를 생성하기 위한 이테르븀 또는 에르븀 도핑된 섬유 이득 매체를 포함한다.
소터(Sotor) 등의 문헌["Passive synchronization of erbium and thulium doped fiber mode-locked lasers enhanced by common graphene saturable absorber", Optics Express (2014) (Sotor)]은 각각 에르븀 및 툴륨 도핑된 섬유 이득 매체 중 하나를 포함하는, 2개의 루프 공진기로부터 광 펄스를 동기화하기 위한 공통 그래핀 가포화 흡수체의 사용을 개시한다. 소터(Sotor)에서, 1569㎚ 레이저 다이오드는 2㎛에서 광 펄스를 생성하도록, 툴륨 이득 매체를 여기시키기 위해 사용된다. 파장 분할 다중화기(wavelength division multiplexer: WDM) 필터는 1569㎚의 파장에서 임의의 비흡수된 펌프 광을 필터링하도록 제공되고, 상기 비흡수된 펌프 광은 1.5㎛ 광 펄스를 출력하도록 에르븀 루프 공진기에 퍼지(purge)된다.
섬유 레이저, 구체적으로, 전-섬유 레이저의 사용은 CRS를 위한 레이저 공급원의 소형화를 발생시키고, 따라서 모바일 또는 쉽게 휴대 가능한 측정 시스템을 가능하게 한다. 이러한 레이저는 또한 정렬을 필요로 하지 않는다. 중요하게, 이것은 섬유 레이저의 잠재적인 사용을 상이한 분야로 확장시킨다. 그러나, 섬유 레이저에서 생성되는 동기화된, 모드-로킹된 이중 레이저 펄스는 보통 파장의 넓은 범위에 걸쳐 퍼지거나, 또는 소터의 경우에, 레이저 펄스는 목적하지 않은 파장에서 최고조에 달하는 비흡수된 펌프 광을 포함한다. 결과적으로 CRS에서 섬유 레이저의 사용은 측정 정확도를 상당히 감소시킨다.
수(Su) 등의 문헌["Single-fiber-laser-based wavelength tunable excitation for coherent Raman spectroscopy", J. Opt. Soc. Am. B (2013) (Su)]은 가간섭성 라만 분광법을 위한 단일의-레이저 광원을 개시한다. 수(Su)에서, 펌프 펄스와 스토크스 펄스 간의 주파수 차는 비선형 광섬유 내 솔리톤 자기-주파수 이동에 의해 생성되었다(솔리톤은 일정한 속도로 전파되면서 형상을 유지하는 파속임). CRS 스펙트럼 해상도를 증가시키기 위한 하나의 다른 가능한 방식이 펌프 빔과 스토크스 빔 둘 다에 협대역 광학 필터를 적용하는 것임이 개시된다. 그러나, 이것이 펌프 빔과 스토크스 빔 둘 다에 대한 광 전력을 상당히 감소시킬 것이고 따라서, 처핑(chirping)(신호의 주파수가 시간에 따라 변화되는 경우)이 광학 필터링보다 더 좋은 선택으로서 고려된다는 것이 또한 개시된다.
본 출원은 샘플에서 가간섭성 라만 산란을 유발시키기 위해 필터링된 광 펄스를 출력하기 위한 레이저 디바이스를 제공함으로써 CRS의 측정의 정확도를 개선시키는 위의 문제점을 경감시키고, 레이저 디바이스는 제1 이득 매체를 포함하는 제1 광학 공동부; 및 제1 이득 매체와는 상이한 제2 이득 매체를 포함하는 제2 광학 공동부를 포함한다. 제1 이득 매체 및 제2 이득 매체는 각각의 상이한 범위의 파장에서 광을 생성하도록 펌프 광원에 의해 각각 여기 가능하다. 즉, 2개의 광학 공동부가 제공된다. 레이저 디바이스는 또한 제1 광학 공동부와 제2 광학 공동부 둘 다에 광학적으로 연결된 동기화 장치(synchronizer)로서, 제1 광학 공동부와 제2 광학 공동부로부터 광을 동기화하고 그리고 모드-로킹하도록 구성되는, 동기화 장치; 및 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터로서, 파장의 제1 미리 결정된 범위에서 제1 필터링된 광 펄스 그리고 파장의 제2 미리 결정된 범위에서 제2 필터링된 광 펄스를 출력하기 위해서 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부로부터 광을 필터링하도록 구성되는, 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터를 포함한다.
이 방식으로, 중요하게, 비-침습적 이미징을 위해 충분히 고속으로 CRS를 가능하게 하는 레이저 디바이스가 제공된다. 즉, CRS에 의해 검출되는 진동 응답을 통해 상세한 분자 조성을 측정함으로써, 조직의 객관적이고 정량적인 정보를 획득하기 위해서. 레이저 디바이스의 예는 또한 펌프-프로브 실험을 위한 편리한 도구를 제공하고, 그리고 매개변수 혼합 및 주파수 상향/하향 변환을 위한 적합한 펌프 공급원을 제공한다.
대체로, 설명된 레이저 디바이스에서, 레이저 디바이스의 각각의 광학 공동부는 이득 소자(gain element), 및 등방성, 단일 모드 섬유를 포함한다. 광학 공동부 길이는 1/2에 삽입된 섬유-피그테일형 광학 지연 라인(fiber-pigtailed optical delay line)을 사용하여 매칭된다. 가포화 흡수체는 강도 의존적 손실을 통해 강한 공동부-내 펄싱을 개시 및 촉진시키고, 그리고 흡수성 비선형 연결을 통해 동기성을 조정하도록 사용되고, 즉, 펄스(프로브)는 더 높은 에너지 펄스(펌프)에 의해 유발되는 손실 감소를 나타낸다. 주파수 조정은 광학 공동부 내에 또는 광학 공동부의 출력부에 위치되는 조정 가능한 필터 스테이지에 의해 가능하게 된다. 동기화된 발진기에 따라서, 섬유 증폭기는 2개의 분기부의 평균 전력을 적용을 위해 요구되는 수백 ㎽ 레벨로 증가시킨다. 즉, 2개의 독립된 레이저 매체는 CRS를 위한 펄스의 멀티 컬러 시퀀스를 제공하도록 동기적으로 모드-로킹된다. 수동 동기화는 나노물질 가포화 흡수체의 공유 사용에 의해 달성된다. 주파수 이조(frequency detuning)는 공동부 내에 또는 공동부의 외부에 위치된 조정 가능한 필터 스테이지에 의해 달성된다.
구체적으로, 설명된 실시예에서, 레이저 디바이스는 CRS를 위한 나노물질-동기화된 초고속 섬유 레이저를 사용한다. 2개의 독립된 모드-로킹된 섬유 레이저는 예를 들어, 그래핀, 탄소 동소체, 적층형 결정체 및 하이브리드 나노물질을 포함하는, 나노물질에 기반한 가포화 흡수체 또는 동기화 장치의 공유된 상호작용을 통해 동기식으로(즉, 펄스가 동일한 반복률을 가짐) 로킹된다.
상이한 주파수의 2개의 필요한 독립된 피코초 펄스 중 하나가 매개변수 증폭을 통해 생성되는, CRS의 공지된 구현예와 대조적으로, 본 명세서에 설명된 레이저 디바이스에서, 상이한 주파수에서 방사하는 상이한 레이저 매체는 나노물질을 사용함으로써, 수동적으로 동기화되고, 따라서 CRS를 위해 필요한 멀티 컬러(다주파수) 펄스 시퀀스의 생성을 크게 단순화한다.
설명된 실시예에서, 공통 공동부 부분에서 그래핀-기반 폴리머-복합재 가포화 흡수체(graphene-based polymer-composite saturable absorber: GSA)의 형태인 가포화 흡수체의 공유된 상호작용을 통해 동기화되는, 2개의 독립된 모드-로킹된 발진기 또는 광학 공동부가 제공된다. GSA는 약한 초음파처리에 의해 대량의 그래파이트를 벗겨냄으로써 준비된다. 이어서 단일의 층 그래핀 및 수개의 층 그래핀이 농축된 분산액은 폴리비닐 알콜의 수용액과 혼합되어, 폴리머 복합재를 발생시킨다. 각각의 발진기는 이득 소자, Yb 및 Eb, 광절연체, 및 조정 가능한 대역통과 필터를 포함한다. 퓨즈를 단 섬유 연결기는 독립적으로 30% 출력을 각각의 공동부에 제공한다. 광학 공동부 길이는 Er 절반부에 삽입된 섬유-피그테일형 광학 지연 라인을 사용하여 매칭되고, 레이저 디바이스의 암 또는 루프는 동기 상태에서 ~18㎒ 펄스 반복률에 대응한다.
설명된 실시예에서, GSA는 모드-로킹된 작동을 개시 및 촉진시키고 그리고 동기성을 조정하도록 둘 다를 위해 사용되고, 그래핀의 고유한 초-광대역 비선형 응답을 이용한다. Yb(펌프) 파장 및 Er(스토크스) 파장에서, 동기식의, 2-컬러 레이저의 이중 출력은 Yb-도핑된 섬유 증폭기 및 Er-도핑된 섬유 증폭기에서 100㎽ 평균 전력으로 독립적으로 증폭된다. 이어서 2개의 빔은 CARS 검출을 위해 메탄올 테스트 샘플에 포커싱되고 그리고 대역통과 필터링되기 전에, 색선별 거울 장치를 사용하여 시준되고, 동기화되고 그리고 결합된다. 공동부-내 지연 라인의 광학 거리를 조정하여, 레이저 특성은 수동적으로 동기화된 모드-로킹으로 전환된다. 레이저 작동 파장은 1040 내지 1080㎚(Yb) 및 1535 내지 1560㎚(Er) 범위(~2750 내지 3200㎝-1 주파수 이조에 대응함)에서 레이저 디바이스의 각각의 암 또는 루프를 위한 공동부-내 조정 가능한 필터에 의해 조정될 수도 있다.
본 명세서에 설명된 레이저 디바이스는 섬유 레이저를 수동적으로 동기화하여, CRS를 위한 매우 간단하고 저비용의 레이저 공급원을 제공한다. 섬유 레이저는 단순한, 소형의, 그리고 비용 효율적인 디자인에 기인하여, 단단하고 안정한 공급원, 및 부피가 큰 광학 장비를 필요로 하지 않는 정렬 없는 작동을 가능하게 한다.
아래에 설명된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 레이저 디바이스의 예는 CARS에 적용되고, 따라서 개념을 입증한다. 압축성 및 전-광학 동기화에 기인하여, 설명된 예는 고-파수 구역에서 CRS를 위한 우수한 공급원이다.
본 발명은 다양한 양상에서 참조가 이제 이루어져야 하는 아래의 독립된 청구범위에 규정된다. 광학 특징이 인용항에 제시된다. 장치가 아래에 더 상세히 설명되고 그리고 샘플에서 가간섭성 라만 산란을 유발하기 위해 필터링된 광 펄스를 출력하기 위한 레이저 디바이스의 형태를 취한다. 레이저 디바이스는 제1 이득 매체를 포함하는 제1 광학 공동부; 및 제1 이득 매체와는 상이한 제2 이득 매체를 포함하는 제2 광학 공동부를 포함한다. 제1 이득 매체 및 제2 이득 매체는 각각의 상이한 범위의 파장에서 광을 생성하도록 펌프 광원에 의해 각각 여기 가능하다. 동기화 장치는 제1 광학 공동부와 제2 광학 공동부 둘 다에 광학적으로 연결된다. 동기화 장치는 제1 광학 공동부와 제2 광학 공동부로부터 광을 동기화하고 그리고 모드-로킹하도록 구성된다. 레이저 디바이스는 또한 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터를 포함한다. 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터는 파장의 제1 미리 결정된 범위에서 제1 필터링된 광 펄스 그리고 파장의 제2 미리 결정된 범위에서 제2 필터링된 광 펄스를 출력하기 위해서 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부로부터 광을 각각 필터링하도록 구성된다.
임의로, 레이저 디바이스는 섬유 레이저이다. 임의로, 레이저 디바이스는 전-섬유 레이저이다. 임의로, 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부는 등방성 광섬유를 포함한다. 임의로, 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부의 각각은 단일 모드 광섬유를 포함한다.
동기화 장치는 초고속 레이저 펄스의 동기화 및 위상-로킹을 허용하고, 이는 섬유 레이저 공급원으로부터 2개의 레이저 펄스의 결합을 허용하여, 가간섭성 라만 분광법을 위해 필요한 총 점유 공간의 감소를 발생시킨다. 광 펄스가 필터링되어 파장의 규정된 범위 내의 광 펄스만이 가간섭성 라만 분광법으로 출력되고, 이는 더 정확한 측정을 발생시킨다. 게다가, 2개의 동기화된 그리고 모드-로킹된 레이저 공급원의 사용이 펌프 펄스 및 스토크스 펄스의 광 전력에 대한 광학 필터의 영향을 크게 감소시켜서, 이것을 CRS를 위한 다용도 선택으로 만든다.
또 다른 실시형태에서, 샘플에서 가간섭성 라만 산란을 유발시키기 위해 필터링된 광 펄스를 출력하기 위한 레이저 디바이스가 제공된다. 레이저 디바이스는 제1 이득 매체를 포함하는 제1 광학 공동부; 및 제1 이득 매체와는 상이한 제2 이득 매체를 포함하는 제2 광학 공동부로서, 제1 이득 매체 및 제2 이득 매체는 각각의 상이한 범위의 파장에서 광을 생성하도록 펌프 광원에 의해 각각 여기 가능한, 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부; 제1 광학 공동부와 제2 광학 공동부 둘 다에 광학적으로 연결된 동기화 장치로서, 제1 광학 공동부와 제2 광학 공동부로부터 광을 동기화하고 그리고 모드-로킹하도록 구성되는, 동기화 장치; 및 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터로서, 파장의 제1 미리 결정된 범위에서 제1 필터링된 광 펄스 그리고 파장의 제2 미리 결정된 범위에서 제2 필터링된 광 펄스를 출력하기 위해서 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부로부터 광을 각각 필터링하도록 구성되는, 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터를 포함한다.
임의로, 제1 광학 필터 또는 제2 광학 필터 중 적어도 하나는 조정 가능한 광학 필터이고 그리고 파장의 제1 미리 결정된 범위 또는 파장의 제2 미리 결정된 범위 각각을 변경하도록 구성된다.
임의로, 제1 광학 필터 또는 제2 광학 필터 둘 다는 조정 가능한 광학 필터이고 그리고 파장의 제1 미리 결정된 범위 및 파장의 제2 미리 결정된 범위 각각을 변경하도록 구성된다. 조정 가능한 광학 필터가 파장의 범위를 사용자에 의해 지정되게 하여 펌프 광 펄스 및 스토크스 광 펄스의 파장의 범위가 측정되는 샘플에 대하여 변경될 수 있다.
임의로, 조정 가능한 광학 필터는 에탈론 기반의 광섬유 조정 가능한 필터를 포함한다. 에탈론은 특정한 두께 및 굴절률이 각각의 투과 피크의 대역폭을 결정하고, 단 하나의 파장이 최대 투과율로 투과되는 유전체 물질이다. 에탈론 기반 광섬유 조정 가능한 필터는 특정한 공진 파장을 선택하도록 물질의 매체의 굴절률을 선택함으로써 작용된다. 공동부의 광학 길이에 대한 공진 시 파장이 투과되고 반면에 다른 파장은 반사된다.
임의로, 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터는 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부 내에 각각 배치되고, 그리고 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부는 제1 광학 유출부 및 제2 광학 유출부에서 필터링된 광 펄스를 각각 출력한다. 광학 필터가 광학 공동부 내부에 피팅되는 것은 목적하지 않은 범위의 파장을 가진 광 펄스가 광 펄스의 생성 후 즉시 필터링되는 것을 보장한다.
임의로, 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터는 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부의 외부에 각각 배치되고, 그리고 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부는 제1 광학 유출부 및 제2 광학 유출부에서 광 펄스를 각각 출력한다. 광학 필터를 광학 공동부의 외부에 배치하는 것은 재순환되는 필터링된 광 펄스를 반복적으로 필터링하는 필요성을 감소시키고, 뿐만 아니라 간단하고 소형의 광학 공동부의 구성을 허용한다.
임의로, 레이저 디바이스는 광 펄스 또는 필터링된 광 펄스를 증폭시키기 위해 제1 광학 유출부에서 제1 이득 매체로 도핑된 제1 섬유 증폭기 및 제2 광학 유출부에서 제2 이득 매체로 도핑된 제2 섬유 증폭기를 더 포함한다. 이것은 증폭된 광 펄스가 적절한 파장에서 증폭되는 것을 보장한다. 증폭기의 사용은 광학 필터가 제자리에 있을 때 광 전력의 감소를 완화한다.
임의로, 동기화 장치는 그래핀 또는 탄소 동소체, 예를 들어, 탄소 나노튜브를 포함한다. 임의로, 동기화 장치는 그래핀이 적외선 내 임의의 파장에서 레이저를 동기화할 수 있다는 사실에 기인하여, 그래핀을 포함한다.
임의로, 동기화 장치는 가포화 흡수체를 포함하고 그리고 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부로부터 광 펄스의 동기화 및 수동 모드 로킹을 수행하도록 구성된다. 가포화 흡수체의 사용은 상이한 레이저 공급원으로부터 동기화된 초고속 모드-로킹된 레이저 펄스의 생성을 가능하게 한다.
임의로, 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부 중 하나는 제1 광학 공동부의 길이와 제2 광학 공동부의 길이를 매칭시키기 위한 광학 지연 라인을 포함한다. 임의로, 광학 지연 라인은 섬유-피그테일형 광학 지연 라인을 포함한다. 광학 공동부 중 하나의 광학 공동부 내 지연 라인의 사용은 이들의 길이를 동일하게 함으로써 동일하지 않은 광학 공동부의 페어링(pairing)을 허용한다.
임의로, 레이저 이득 매체는 이테르븀 또는 에르븀을 포함하고, 임의로, 상기 레이저 이득 매체에 의해 생성된 파장의 미리 결정된 범위는 0 내지 4000㎝-1의 전체 라만 스펙트럼에 대응한다.
임의로, 파장의 미리 결정된 범위는 1040㎚ 내지 1080㎚ 및/또는 1535㎚ 내지 1600㎚의 범위를 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 필터링된 광 펄스를 시준하도록 구성된 2개의 시준기 및 광학 디바이스가 제공된다. 이것은 필터링된 광 펄스의 발산을 제한한다. 임의로, 시준기 중 하나의 시준기는 측정된 샘플에서 중첩을 달성하도록 구성된 지연 스테이지를 포함한다.
임의로, 광학 디바이스는 2개의 시준기 둘 다로부터 시준된 광 펄스를 결합하도록 구성된 2개의 색선별 거울을 더 포함한다.
임의로, 레이저 디바이스는 CARS 검출 전에 필터링된 광 펄스의 쌍을 제거하기 위해 대역통과 또는 단거리 통과 필터를 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 샘플에서 가간섭성 라만 산란을 유발하기 위해 레이저 디바이스로부터 필터링된 광 펄스를 출력하는 방법이 제공되고, 방법은 제1 이득 매체를 포함하는 제1 광학 공동부 및 제1 이득 매체와는 상이한 제2 이득 매체를 포함하는 제2 광학 공동부를 사용하여 각각의 상이한 범위의 파장에서 광을 생성하는 단계를 포함하고, 제1 이득 매체 및 제2 이득 매체는 펌프 광원에 의해 각각 여기 가능하다. 즉, 2개의 광학 공동부는 샘플에서 가간섭성 라만 산란을 유발하기 위해 필터링된 광 펄스를 출력할 때 필요하다. 방법은 제1 광학 공동부와 제2 광학 공동부 둘 다에 광학적으로 연결된 동기화 장치를 사용하여, 제1 광학 공동부와 제2 광학 공동부로부터 광을 동기화하고 그리고 모드-로킹하는 단계; 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터를 사용하여, 제1 광학 공동부 및 제2 광학 공동부로부터 광을 각각 필터링하는 단계; 제1 광학 필터로부터 파장의 제1 미리 결정된 범위에서 제1 필터링된 광 펄스를 출력하고 그리고 제2 광학 필터로부터 파장의 제2 미리 결정된 범위에서 제2 필터링된 광 펄스를 출력하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여, 실시예를 통해, 더 상세히 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 양상을 구현하는 섬유 레이저 장비(fiber laser setup)의 개략도;
도 2는 도 1의 섬유 레이저 장비로부터 필터링되지 않은 동기식으로 로킹된 Er 레이저 펄스 출력의 펄스 지속기간 및 스펙트럼을 도시하는 그래프;
도 3은 도 1의 섬유 레이저 장비로부터 동기식으로 로킹된 Yb 레이저 펄스 출력의 스펙트럼을 도시하는 그래프;
도 4는 도 1의 섬유 레이저 장비로부터 동기식으로 로킹된 Er 레이저 펄스 출력의 스펙트럼을 도시하는 그래프; 및
도 5는 도 1에 도시된 바와 같은 섬유 레이저 장비를 사용하여 메탄올 샘플의 측정된 CARS 스펙트럼을 도시하는 그래프.
본 발명의 실시예에 따른, 샘플(42)에서 가간섭성 라만 산란을 유발하기 위해 레이저 디바이스로부터 필터링된 광 펄스를 출력하는 레이저 디바이스(10) 및 방법이 도 1 내지 도 5를 참조하여 아래에 설명된다.
먼저 도 1을 참조하면, 대체로, 레이저 디바이스(10)는 CRS에 적합한 파장의 상이한 범위에서 피코초 지속기간의 순으로 광 펄스의 2개의 세트를 생성하기 위해, 2개의 독립된 모드-로킹된 광학 공동부, 발진기 또는 공진기(20a, 20b)를 갖는다. 레이저 디바이스(10)뿐만 아니라, 도 1의 장치(14)는 또한 레이저 디바이스로부터 광 펄스를 지향시켜서 가간섭성 라만 산란이 수행되는 샘플(42)을 조명하는 광학 소자(12)를 포함한다. 샘플로부터의 산란은 분광기(46)에 진입하기 전에 단거리 통과(shortpass) 또는 대역통과 필터(44)에 의해 필터링된다.
더 상세하게, 도 1의 레이저 디바이스(10)를 계속해서 참조하면, 도 1의 레이저 디바이스의 2개의 광학 공동부(20a, 20b)의 각각은 루프의 형태로 배열된다. 광학 공동부를 이루는 광섬유의 단부가 임의의 적합한 연결기를 사용하여 광학적으로 연결되어, 각각의 광학 유출부(26a, 26b)에서 광학 공동부로부터 광 펄스의 배출까지 루프에서 광 펄스를 순환시킨다. 게다가, 광학 유출부의 각각은 대략 30%의 출력을 각각의 공동부에 제공하도록 퓨즈를 단 섬유 연결기를 포함한다. 모드-로킹된 광학 공동부 각각이 광학 공동부(20a, 20b)의 각각에 대해 펌프 광원(22a, 22b)을 포함해서 광학 공동부(20a, 20b) 내부에 위치 또는 배치되는 이득 소자(24a, 24b)를 여기시킨다. 이 실시예에서, 이득 소자(24a, 24b)는 희토류 이득 소자가 도핑된 광섬유이다. 이러한 이득 소자를 사용하는 레이저 디바이스는 흔히 섬유 레이저로서 지칭된다.
펌프 광원(22a, 22b) 및 이득 소자(24a, 24b)의 선택은 CRS가 필요로 하는 광 스펙트럼에 좌우된다. 도 1에 도시된 실시예는 이득 소자로서 2개의 상이한 광섬유를 사용한다. 이테르븀(Yb)의 형태인 희토류 이득 소자(24a)가 하나의 광섬유에 도핑된다. 에르븀(Er)의 형태인 희토류 이득 소자(24b)가 다른 광섬유에 도핑된다. 이 실시예에서, 이득 소자를 여기시키기 위한 펌프 광원은 Yb 도핑된 섬유를 여기시키기 위한 976㎚ 파장의 펌프 광원(22a); 및 Er 도핑된 섬유를 여기시키기 위한 980㎚ 파장의 펌프 광원(22b)이다. Yb 및 Er 이득 매체로부터 생성된 광 펄스는 목적하는 펌프 및 스토크스 파장의 범위 내에 있다.
광절연체(28a, 28b)는 광학 공동부(20a, 20b)의 각각 내 각각의 이득 매체(22a, 22b)의 유출부에 광학적으로 연결된다. 이것은 광학 공동부 내 이득 매체(22a, 22b)에 의해 생성된 광 펄스가 광학 공동부를 형성하는 루프에서 단일의 또는 하나의 그리고 단 하나의 방향으로 이동하는 것을 보장하기 위한 것이다. 즉, 이득 매체(22a, 22b)로부터 생성된 광 펄스는 광학 유출부를 향하여 지향된다. 이 실시예에서, 광절연체(28a, 28b)는 섬유 기반의 패러데이 절연체(Faraday isolator)이다.
광학 공동부(20a, 20b)의 각각에서 생성된 광 펄스의 쌍은 적합한 동기화 장치(30)를 사용하여 동기화된다. 동기화 장치는 광학 공동부(20a, 20b)를 형성하는 루프 둘 다에 의해 공유된다. 동기화 장치는 루프 둘 다의 일부를 형성한다. 이 실시예에서, 동기화 장치는 가포화 흡수체(30)의 형태를 취한다. 가포화 흡수체의 기능은 위의 배경기술 부분에서 설명된다. 가포화 흡수체는 흡수 정도가 높은 광학 강도에서 감소되는 광 흡수체이다. 레이저 디바이스(10)에서, 이것은 수동 모드-로킹된 펄스가 광학 공동부의 각각에서 순환하게 한다. 더 구체적으로, 가포화 흡수체는 모드-로킹된 작동을 개시 및 촉진하고 그리고 광 펄스의 동기화를 조정하도록 기능한다. 즉, 수동 모드-로킹은 펨토초 광 펄스의 생성을 허용한다. 포화 흡수체는 충분히 짧은 회복 시간을 가져서 빠른 손실 조정을 달성한다.
도 1의 가포화 흡수체(30)는 초고속 회복 시간 및 광대역 작동을 가진, 그래핀 기반 폴리머-복합재 가포화 흡수체 그래핀은 그래핀이 디랙 점(Dirac point)에서 점 밴드갭을 가진 전자의 선형 분산을 가지므로, 적외선 내 임의의 파장에서 레이저를 동기화하도록 수동 소자로서 사용된다. 본 명세서에 적용된 그래핀 가포화 흡수체(30)는 약한 초음파처리에 의해 대량의 그래파이트를 벗겨냄으로써 준비되고, 획득된 단일의 층 그래핀 및 수개의 층 그래핀에이 먼저 농축된 분산액은 폴리비닐 알콜의 수용액과 혼합되어, 폴리머 복합재를 발생시킨다. 다른 가포화 흡수체는 대안적으로 광 펄스의 수동 모드 로킹 및 동기화를 수행하기 위해 사용될 수도 있고, 예를 들어, 가포화 흡수체는 단일의-벽 탄소 나노튜브(CNT)를 포함한다.
광학 공동부(20a, 20b)의 쌍은 동일할 필요가 없다. 2개의 광학 공동부(20a, 20b) 간의 공동부 길이의 차는 광학 공동부 중 어느 하나에 대한 광학 지연 라인(32)의 추가에 의해 보상된다. 이 실시예에서, 광학 지연 라인(32)은 절연체(28b) 뒤에서 이득 매체로서 Er을 사용하는 광학 공동부를 포함하는 광학 공동부(20b) 또는 루프에 위치된다. 이것은 섬유-피그테일 지연 라인(32)이다. 섬유-피그테일 지연 라인은 이득 매체로서 Er을 사용하는 광학 공동부 내 절연체의 유출부에 광학적으로 연결된다. 이것은 동기화된 상태에서 대략 18㎒ 펄스의 반복률에 대응한다.
광학 공동부(20a, 20b)의 각각에서 생성되는 광 펄스의 파장의 범위는 각각의 광학 공동부에서 여기되는 이득 매체의 유형에 의해 좌우된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, Er로부터 생성되는 광 펄스는 광대역 CARS에 유용한, 대략 1500㎚ 내지 1650㎚의 비교적 넓은 스펙트럼에 걸쳐 퍼진다. 즉, 100fs 미만의 펄스가 생성될 수도 있다.
그러나, 이러한 광범위 스펙트럼을 가진 광 펄스는 광대역 레이저 펄스를 제공하지 않는 CRS의 정확도에 영향을 줄 수도 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 필터(34a, 34b)는 파장의 목적하는 범위 외부에 속하는 광 펄스를 광학적으로 필터링하도록 광학 공동부(20a, 20b)의 각각에 설치된다. 이 실시예에서, 광학 필터는 제1 (Yb) 광학 공동부(20a) 내 절연체(28a)의 하류에 또는 바로 뒤에 위치되고 그리고 광학 필터는 제2 (Er) 광학 공동부(20b) 내 광학 지연 라인(32)의 하류에 또는 바로 뒤에 위치된다. 이 실시예에서, 광학 필터가 조정 가능한 광학 필터라서, 파장의 목적하는 범위가 조정될 수 있고 그리고 라만 분광법에 적용될 수 있다. 그러나, 광학 필터(34a, 34b)는 고정된 또는 조정 불가능한 광학 필터, 또는 통과 대역 필터, 예를 들어, 리오 필터(Lyot filter)일 수도 있다.
광학 공동부(20a, 20b)의 각각은 레이저 디바이스(10)로부터 파장의 제1 미리 결정된 범위에서 제1 필터링된 광 펄스 그리고 파장의 제2 미리 결정된 범위에서 제2 필터링된 광 펄스를 함께 출력하기 위한 유출부(26a, 26b)를 갖는다. 도 1의 실시예에서, 유출부(26a, 26b)는 광학 필터(34a, 34b)의 하류에 위치된다. 광학 유출부는 상이한 섬유 증폭기(36a, 36b)에 각각 연결된다. 관련된 섬유 증폭기에는 광 펄스 생성에 책임이 있는 이득 매체(24a, 24b)에 대응하는 이득 소자가 도핑된다. 도 1의 실시예에서, Yb-도핑된 섬유 증폭기 및 Er-도핑된 섬유 증폭기(36a, 36b)가 각각 광학 공동부(20a, 20b)에 제공되어, Yb(펌프) 파장 및 Er(스토크스) 파장에서의 광 펄스를 100㎽ 평균 전력으로 증폭시킨다.
도 1에 예시된 장치 또는 장비(14)의 광학 소자(12)는 시준기(38a, 38b)를 포함한다. 레이저 디바이스(10)는 시준기를 통해 2개의 필터링된 광 펄스 각각을 출력한다. 따라서, 2개의 필터링된 광 펄스가 각각의 시준기(38a, 38b)에서 시준되어, 빔이 이하에 설명되는 색선별 거울(40a 및 40b)에 의해 후속의 결합 단계에서 결합될 때 광 펄스의 빔의 발산을 제한한다. 일부 경우에서, 샘플(42)에서 중첩을 달성하는 것이 필요하다면, 2개의 시준기 중 하나가 지연 스테이지(38c)에 배치될 수도 있다.
도 1에 예시된 장치 또는 장비(14)의 광학 소자(12)는 또한 색선별 거울(40a, 40b)을 포함한다. 색선별 거울은 시준기(38a, 38b)의 각각의 하류에 위치된다. 색선별 거울은 상이한 파장에서 상이한 반사 특성 및 투과 특성을 가진 거울이다. 상이한 공동부로부터 2개의 시준된 광 펄스는 색선별 거울(40a, 40b)을 사용하여 결합된다. 이어서 광 펄스는 샘플(42)에 포커싱된다. 단거리 통과 필터(44) 그리고 이어서 분광기(46)가 샘플의 하류에 위치된다. 샘플로부터 펌프 및 스토크스 광 펄스가 단거리 통과 필터(44)를 사용하여 제거된다. 단거리 통과 필터는 투과로부터 반사로 매우 급격한 변이를 가진 필터이다. 발생된 CARS 스펙트럼은 분광기(46)에서 측정된다.
도 1에 예시된 것에 대한 대안적인 레이저 디바이스에서, 광학 공동부(20a, 20b)의 각각으로부터 동기화된 광 펄스 및 모드-로킹된 광 펄스는 각각의 광학 공동부 내에서 필터링되지 않는다. 더 구체적으로, 필터링되지 않은, 광대역 광 펄스, 예컨대, 도 2에 도시된 광 펄스는 광학 공동부의 각각으로부터 출력될 수도 있고 그리고 광학 공동부에 대해 외부에 배치된 광학 필터를 사용하여 나중에 필터링될 수도 있다. 예를 들어, 광학 필터는 증폭 전에 생성된 광 펄스를 필터링하도록 증폭기(36a, 36b)에 대한 입력부와 광학 유출부(26a, 26b) 사이에 배치되거나, 또는 광학 필터는 증폭된 광 펄스의 필터링을 가능하게 하도록 각각의 증폭기의 유출부에 연결될 수도 있다. 광학 필터가 광학 공동부로부터 제거되면서, 이 장치는 더 간단하고/하거나 더 작은 광학 공동부의 구성을 허용한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 그리고 위에서 설명된 바와 같이, 조정 가능한 광학 필터(34a, 34b)는 Yb 광 펄스 및 Er 광 펄스의 파장을 대략 2750 내지 3200㎝-1의 주파수 이조(detuning)에 대응하는, 1040 내지 1080㎚ 및 1535 내지 1560㎚ 각각의 범위로 조정하도록 구성된다. 동기식으로 로킹된 상태에서 각각, 필터링된 Yb-광 펄스 및 Er-광 펄스에 대한 측정된 스펙트럼이 도 3 및 도 4에 각각 도시되고, 이들의 각각 반치폭(full width at half maximum: FWHM) 스펙트럼 폭은 조정 범위에 걸쳐 대략 1.2㎚ 및 2㎚이다. 도 2의 필터링되지 않은 Er-광 펄스의 스펙트럼과 비교할 때, 도 4의 필터링된 Er-광 펄스의 스펙트럼은 목적하는 파장에 포커싱되고, 따라서 CARS 측정의 정확도를 개선시킨다. 게다가, 2개의 광 펄스의 일시적인 출력이 백그라운드-없는 강도 자동 상관기(autocorrelator)에 의해 측정된다. 디콘볼루션된(deconvoluted) FWHM 펄스 지속기간은 Yb-광 펄스 및 Er-광 펄스 둘 다에 대해 대략 5 피코초이고, 1060㎚ 및 1550㎚ 각각에서 측정된다. 이것은 CH(탄소 대 수소 결합) 스트레칭 밴드에 대한 단일의-주파수 CARS 현미경 검사를 가능하게 한다.
도 5는 테스트 메탄올 샘플의 측정된 CARS 스펙트럼을 도시한다. 방출 시 급격한 공진 피크는 메탄올 내 CH3 스트레칭에 대응하는 ~2840㎝-1 이조에서 보인다. 측정은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 디바이스가 정확한 CARS 측정을 달성하는 가간섭성 라만 분광법을 위한 광 펄스를 생성하기에 적합하다는 것을 예시한다.
본 발명의 실시형태가 설명된다. 변동 및 변경이 본 발명의 범위 내에서 설명된 실시형태에 대하여 이루어질 수도 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (34)

  1. 샘플(42)에서 가간섭성 라만 산란을 유발하기 위해 필터링된 광 펄스를 출력하기 위한 레이저 디바이스(10)로서,
    제1 이득 매체(24a)를 포함하는 제1 광학 공동부(first optical cavity)(20a); 및 상기 제1 이득 매체(24a)와는 상이한 제2 이득 매체(24b)를 포함하는 제2 광학 공동부(20b)로서, 상기 제1 이득 매체(24a) 및 상기 제2 이득 매체(24b)는 각각의 상이한 범위의 파장에서 광을 생성하도록 펌프 광원(22a, 22b)에 의해 각각 여기 가능한, 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b);
    상기 제1 광학 공동부(20a)와 상기 제2 광학 공동부(20b) 둘 다에 광학적으로 연결된 동기화 장치(synchronizer)(30)로서, 상기 제1 광학 공동부(20a)와 상기 제2 광학 공동부(20b)로부터의 광을 동기화하고 그리고 모드-로킹(mode-lock)하도록 구성되는, 상기 동기화 장치(30); 및
    제1 광학 필터(34a) 및 제2 광학 필터(34b)로서, 파장의 제1 미리 결정된 범위에서 제1 필터링된 광 펄스 그리고 파장의 제2 미리 결정된 범위에서 제2 필터링된 광 펄스를 각각 출력하기 위해서 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b)로부터의 광을 필터링하도록 구성되는, 상기 제1 광학 필터(34a) 및 상기 제2 광학 필터(34b)를 포함하되;
    상기 동기화 장치(30)는 가포화 흡수체(saturable absorber)를 포함하고 그리고 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b)로부터 상기 광 펄스의 동기화 및 수동 모드 로킹을 수행하도록 구성되고,
    상기 제1 광학 필터(34a) 및 상기 제2 광학 필터(34b)는 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b)의 외부에 각각 배치되고, 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b)는 제1 광학 유출부(26a) 및 제2 광학 유출부(26b)에서 광을 각각 출력하는, 레이저 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 광학 필터(34a) 및 상기 제2 광학 필터(34b) 중 적어도 하나는 조정 가능한 광학 필터이고, 상기 조정 가능한 광학 필터는 에탈론 기반 섬유 광학 조정 가능한 필터를 포함하는, 레이저 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 또는 상기 필터링된 광 펄스를 증폭시키기 위해 상기 제1 광학 유출부(26a)에서 상기 제1 이득 매체로 도핑된 제1 섬유 증폭기(36a) 및 상기 제2 광학 유출부(26b)에서 상기 제2 이득 매체로 도핑된 제2 섬유 증폭기(36b)를 더 포함하는, 레이저 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 동기화 장치(30)는 그래핀 또는 탄소 동소체를 포함하는, 레이저 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 레이저 디바이스(10)는 섬유 레이저인, 레이저 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 레이저 디바이스(10)는 전-섬유 레이저(all-fiber laser)인, 레이저 디바이스.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b)의 각각은 등방성 광섬유를 포함하는, 레이저 디바이스.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b)의 각각은 단일-모드 광섬유를 포함하는, 레이저 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b) 중 하나는 상기 제1 광학 공동부(20a)의 길이와 상기 제2 광학 공동부(20b)의 길이를 매칭시키기 위한 광학 지연 라인(32)을 포함하는, 레이저 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광학 지연 라인(32)은 섬유-피그테일형 광학 지연 라인(fiber-pigtailed optical delay line)을 포함하는, 레이저 디바이스.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이득 매체는 이테르븀 또는 에르븀 중 어느 하나를 포함하는, 레이저 디바이스.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장의 미리 결정된 범위는 1040㎚ 내지 1080㎚ 및/또는 1535㎚ 내지 1600㎚의 범위를 포함하는, 레이저 디바이스.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 레이저 디바이스(10), 및 필터링된 광 펄스를 시준하도록 구성된 2개의 시준기(38a,38b)를 포함하는, 광학 디바이스.
  14. 제13항에 있어서, 상기 2개의 시준기(38a,38b) 둘 다로부터 시준된 광 펄스를 결합하도록 구성된 2개의 색선별 거울(40a,40b)을 더 포함하는, 광학 디바이스.
  15. 샘플(42)에서 가간섭성 라만 산란을 유발하기 위해 레이저 디바이스(10)로부터 필터링된 광 펄스를 출력하는 방법으로서,
    제1 이득 매체(24a)를 포함하는 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제1 이득 매체(24a)와는 상이한 제2 이득 매체(24b)를 포함하는 제2 광학 공동부(20b)를 사용하여 각각의 상이한 범위의 파장에서 광을 생성하는 단계로서, 상기 제1 이득 매체(24a) 및 상기 제2 이득 매체(24b)는 펌프 광원(22a, 22b)에 의해 각각 여기 가능한, 상기 광을 생성하는 단계;
    상기 제1 광학 공동부(20a)와 상기 제2 광학 공동부(20b) 둘 다에 광학적으로 연결된 동기화 장치(30)를 사용하여, 상기 제1 광학 공동부(20a)와 상기 제2 광학 공동부(20b)로부터의 광을 동기화하고 그리고 모드-로킹(mode-locking)하는 단계;
    제1 광학 필터(34a) 및 제2 광학 필터(34b)를 사용하여, 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b)로부터의 상기 광을 각각 필터링하는 단계;
    상기 제1 광학 필터(34a)로부터 제1 미리 결정된 파장 범위에서 제1 필터링된 광 펄스를 출력하고 그리고 상기 제2 광학 필터(34b)로부터 제2 미리 결정된 파장 범위에서 제2 필터링된 광 펄스를 출력하는 단계; 및
    상기 동기화 장치(30)를 사용하여, 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b)로부터의 광의 동기화 및 수동 모드 로킹을 수행하는 단계
    를 포함하되, 상기 동기화 장치(30)는 가포화 흡수체를 포함하고;
    상기 제1 광학 필터(34a) 및 상기 제2 광학 필터(34b)는 상기 제1 광학 공동부(20a) 및 상기 제2 광학 공동부(20b)의 외부에 각각 배치되고,
    상기 방법은 상기 제1 광학 공동부(20a)에서 제1 광학 유출부(26a)로부터 및 상기 제2 광학 공동부(20b)에서 제2 광학 유출부(26b)로부터 상기 광을 출력하는 단계를 더 포함하는, 레이저 디바이스로부터 필터링된 광 펄스를 출력하는 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 삭제
KR1020197036725A 2017-05-12 2018-05-11 레이저 디바이스 KR102478187B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102017000051935 2017-05-12
IT102017000051935A IT201700051935A1 (it) 2017-05-12 2017-05-12 Dispositivo laser
PCT/GB2018/051283 WO2018206980A1 (en) 2017-05-12 2018-05-11 A laser device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200014783A KR20200014783A (ko) 2020-02-11
KR102478187B1 true KR102478187B1 (ko) 2022-12-15

Family

ID=59812038

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197036725A KR102478187B1 (ko) 2017-05-12 2018-05-11 레이저 디바이스

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11936157B2 (ko)
EP (1) EP3622591B1 (ko)
JP (1) JP7194121B2 (ko)
KR (1) KR102478187B1 (ko)
CN (1) CN110870149A (ko)
IT (1) IT201700051935A1 (ko)
WO (1) WO2018206980A1 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109698459A (zh) * 2019-02-11 2019-04-30 上海应用技术大学 三色同步调q光纤激光器
JP7364840B2 (ja) * 2019-09-02 2023-10-19 国立大学法人埼玉大学 波長可変レーザー装置
US11372309B2 (en) * 2020-03-04 2022-06-28 Raytheon Company Optical system architecture
US11747282B2 (en) * 2020-09-11 2023-09-05 Atonarp Inc. System including a fiber laser module
GB2621150A (en) * 2022-08-03 2024-02-07 Cambridge Raman Imaging Ltd An optical circuit arrangement
CN116914543B (zh) * 2023-09-12 2023-11-28 武汉中科锐择光电科技有限公司 产生宽带连续可调谐激光系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160178439A1 (en) * 2013-06-17 2016-06-23 Invenio Imaging Inc. Methods and systems for coherent raman scattering
CN105826801A (zh) * 2016-05-06 2016-08-03 重庆邮电大学 一种双波长可调谐短脉冲光纤激光器

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6807342B2 (en) 2002-03-12 2004-10-19 Opticnet, Inc. Fiber optic tunable filter using a fabry-perot resonator
ATE376272T1 (de) 2002-12-10 2007-11-15 Nikon Corp Ultraviolett-lichtquelle, phototherapievorrichtung mit verwendung einer ultraviolett-lichtquelle und belichtungssystem mit verwendung einer ultraviolett-lichtquelle
WO2004059806A2 (en) 2002-12-20 2004-07-15 Alnaire Laboratories Corporation Optical pulse lasers
US7602825B1 (en) 2004-10-20 2009-10-13 Calmar Optcom, Inc. Tunable passively mode-locked lasers with phase-lock feedback for low timing jitters
JP2008177484A (ja) 2007-01-22 2008-07-31 Central Glass Co Ltd 可視光発光材料および可視光発光装置
WO2010039310A1 (en) 2008-06-26 2010-04-08 Cornell University Skin securable drug delivery device with a shock absorbing protective shield
JP2010026027A (ja) 2008-07-16 2010-02-04 Central Glass Co Ltd 紫外レーザ装置
US20100296527A1 (en) 2008-09-25 2010-11-25 Ofs Fitel Llc Passively modelocked fiber laser using carbon nanotubes
US8787410B2 (en) * 2011-02-14 2014-07-22 Imra America, Inc. Compact, coherent, high brightness light sources for the mid and far IR
JP2014512019A (ja) 2011-03-14 2014-05-19 イムラ アメリカ インコーポレイテッド 光ファイバを用いた中赤外コヒーレント・コンティニュームの広帯域発生
CN102623874B (zh) 2012-04-05 2014-12-24 清华大学 相干拉曼散射显微系统的激光光源装置与产生方法
JP2015158482A (ja) 2014-01-23 2015-09-03 キヤノン株式会社 誘導ラマン散乱計測装置
JP2017108017A (ja) * 2015-12-10 2017-06-15 キヤノン株式会社 レーザ装置、及びこれを用いた計測装置
JP6736874B2 (ja) * 2015-12-16 2020-08-05 凸版印刷株式会社 生体情報測定システム及び生体情報測定方法
CN106299987B (zh) * 2016-11-01 2019-08-16 深圳大学 一种基于稀土离子共掺光纤的双波长同步脉冲光纤激光器
CN209200364U (zh) * 2019-01-29 2019-08-02 上海应用技术大学 三色同步锁模光纤激光器
CN111404007A (zh) * 2020-03-27 2020-07-10 西北大学 一种同步锁模双波长光纤激光器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160178439A1 (en) * 2013-06-17 2016-06-23 Invenio Imaging Inc. Methods and systems for coherent raman scattering
CN105826801A (zh) * 2016-05-06 2016-08-03 重庆邮电大学 一种双波长可调谐短脉冲光纤激光器

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200014783A (ko) 2020-02-11
EP3622591A1 (en) 2020-03-18
US20200203911A1 (en) 2020-06-25
EP3622591C0 (en) 2023-09-06
WO2018206980A1 (en) 2018-11-15
US11936157B2 (en) 2024-03-19
IT201700051935A1 (it) 2018-11-12
JP2020520107A (ja) 2020-07-02
CN110870149A (zh) 2020-03-06
EP3622591B1 (en) 2023-09-06
JP7194121B2 (ja) 2022-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102478187B1 (ko) 레이저 디바이스
US20120062983A1 (en) Optical parametric amplification, optical parametric generation, and optical pumping in optical fibers systems
JP2014515175A (ja) 中赤外線および遠赤外線のための小型でコヒーレントで高輝度の光源
CN111711062A (zh) 一种中红外光学频率梳产生的方法及装置
Li et al. Tunable noise-like pulse and Q-switched erbium-doped fiber laser
Jiang et al. Tunable coherent Raman soliton generation with a Tm-fiber system
Awang et al. Experimental and numerical comparison Q-switched fiber laser generation using graphene as saturable absorber
Aporta et al. Switchable dual-wavelength mode-locked fiber laser source for in-PCF parametric frequency conversion applied to CARS microscopy
Aporta et al. Broadband continuously tunable all-fiber laser based on OPG for CARS imaging
Voropaev et al. All-fiber passively mode-locked ring laser based on normal dispersion active Tm-doped fiber
Zhu et al. Watt-level all-fiber 1.7-μm picosecond synchronously pumped Raman laser
Tan et al. A multi-wavelength Brillouin erbium fiber laser with double Brillouin frequency spacing and Q-switching characteristics
CN114946090A (zh) 光纤激光器系统
US20230400414A1 (en) All-fiber single-cavity dual-comb for coherent anti-stokes raman scattering spectroscopy based on spectral focusing
Popa et al. Coherent Raman spectroscopy with a grapheme-synchronized all-fiber laser
GB2621150A (en) An optical circuit arrangement
US20230223729A1 (en) Mode-lockable ring oscillator and associated methods
WO2017004473A1 (en) Multimodal imaging source based on femtosecond lasers for picosecond pulse generation
Aporta Litago et al. Broadband continuously tunable all-fiber laser based on OPG for CARS imaging
Aporta Litago et al. Switchable dual-wavelength mode-locked fiber laser source for in-PCF parametric frequency conversion applied to CARS microscopy
Krzempek et al. All-Fiber Source for Generation of Tunable Broadband f CEO-Free Mid-IR Pulses for Laser Spectroscopy Applications
Zhu et al. Supercontinuum generation with a repetition rate over 100MHz based on a picosecond pulse from a normal dispersion fiber laser
Yang et al. Low repetition rate tunable femtosecond pulses generated from a fiber optical parametric oscillator
RIFIN HARMONIC FEMTOSECOND FIBER LASER BASED ON SUPERCONTINUUM GENERATION WITH CARBON NANOTUBES SATURABLE ABSORBER
Freddi Ultrafast Yb: CALGO amplified laser for broadband mid-infrared generation

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant