KR20190033535A - 펨토초 레이저 소스 - Google Patents

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fiber
pulses
wavelength
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세바스띠앙 페브리에
레오니트 코토프
암마르 이되르
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상뜨르 나쇼날 드 라 러쉐르쉬 샹띠피끄
위니베르시떼 드 리모쥬
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Abstract

펨토초 레이저 소스는, 출력 광 파이버 (212) 를 통해, 제 1 파장 λ1 에서, 제 1 피코초 펄스를 전달하는데 적합한, 주어진 재료로 도핑된 광 파이버를 가진 인젝팅 레이저 발진기 (211); 제 1 펄스로부터, 제 1 펄스에 대하여 증폭되는 에너지로, 제 1 파장에서 제 2 펄스를 생성하기 위한 증폭 광 파이버 (229) 를 가진 전력 증폭기 (220) 로서, 증폭 광 파이버 (229) 는 인젝팅 발진기의 광 파이버 (212) 와 동일한 재료로 도핑되고 솔리톤 압축의 포인트로부터의 거리 이하이고 증폭 광 파이버가 비선형 모드에서 동작하는 거리보다 큰 길이를 갖는, 상기 전력 증폭기; 제 2 펄스를 수신하고 라만 자기-시프팅에 의해, 제 1 파장 λ1 보다 엄밀히 큰 제 2 파장 λ2 에서 기본 솔리톤을 생성하는데 적합한 주파수 시프트하는 파이버 (232) 를 포함한다.

Description

펨토초 레이저 소스
본 설명은 펨토초 레이저 소스 및 펨토초 레이저 펄스들을 생성하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 설명은 특히 생체 조직 (biological tissue) 들을 이미징하기 위한 다광자 현미경 (multi-photon microscopy) 에 적합한 펨토초 레이저 소스에 관한 것이다.
다광자 현미경은 생체 조직들의 이미지들이 생체 내 또는 생체 외에서 생성되게 하며 예를 들어 신경과학, 발생학 또는 종양학의 분야들에서 애플리케이션들을 갖는다. 따라서, 상용 다광자 현미경들은 유기 매질 (organic medium) 의 분자들과의 2 광자들의 상호작용을 사용하여 그 안에 세포기관 (organelle) 들을 위치시키고 방출된 형광 (fluorescence) 을 수집함으로써, 이들 세포기관들의 동적 맵 (dynamic map) 을 트레이싱한다. 최상의 상용 현미경들은 조직들이 그 조직들의 표면 하 200㎛ 에서 가시화되게 한다. 조직들과의 3 광자들의 상호작용을 사용하면, 동일한 신호-대-잡음비로 더 큰 깊이 (>800 ㎛) 에 위치된 조직들을 가시화하는 것이 가능하다.
도 1 은 레이저 펄스들의 존재 시에, 대뇌 피질의 조직들과 같은 비조직적인 (disorganized) 수성 조직들의 응답의 다양한 특성 길이들을 예시한다. 이들 특성 길이들은 펄스들의 파장에 의존한다. 도 1 에서, 곡선 (12) 은 입사 신호의 광 출력이 팩터
Figure pct00001
에 의해 감쇠되도록 하기 위해 요구되는 길이로서 정의되는, 물 속에서의 특성 흡수 길이
Figure pct00002
를 표현하고, 여기서
Figure pct00003
는 오일러의 수 (Euler's number) 이며; 곡선 (13) 은 특성 스캐터링 길이
Figure pct00004
를 표현하고 곡선 (11) 은 흡수 및 스캐터링을 고려
Figure pct00005
하는 유효 감쇠 길이 (effective attenuation length)
Figure pct00006
를 표현한다. 이들 다양한 곡선들, 및 특히 곡선 (11) 은, 약 1675 nm (예를 들어, 1675 nm +/- 25 nm) 파장들의 윈도우 (14) 에서, 레이저 펄스들이 수성 조직들로 더 깊이 관통한다는 사실을 예시한다.
출원인은 더 정확히 말하면, 생체 매질 (biological media) 의 깊이에서 이미징하기 위해, 고 피크 전력 (통상적으로 약 100 kW 이상) 의 그리고 200 펨토초보다 짧은 지속기간의 레이저 펄스들을 허용하는 레이저 소스가, 생체 매질과 같은 비조직적인 수성 조직들의 속성들 때문에, 1675 nm 에 가까운 최적화된 파장에 더하여, 이상적으로 요구된다는 것을 관찰하였다. 현미경에 커플링된 이러한 레이저 소스는 양호한 신호-대-잡음비로 생체 매질의 깊이에서 이미지들이 획득되게 한다.
이러한 피크 전력을 갖는 초단 (ultra-brief) 펄스들을 허용하는 레이저 소스들이 존재한다; 이들 레이저 소스들은, 예를 들어, 발진기-인젝터, 스트레처, 하나 이상의 증폭기들, 압축기 및 파장-변환 엘리먼트를 포함하는, 엘리먼트들의 연속으로 이루어진다.
「"In vivo three-photon microscopy of subcortical structures within an intact mouse brain", by Horton et al., published January 20, 2013 in Nature Photonics」 라는 제목의 문서는, 따라서 특히 마우스 브레인의 생체 내 이미지들을 생성하기 위해, 생체 내 이미징에 적용가능한, 현미경 기법을 기술한다. 고-에너지 펄스들은 1550 nm 파장의 입력 레이저-소스 펄스들로부터의 자기-주파수 시프팅에 의해 광자 결정 로드 (photonic crystal rod) 에 의하여 1675 nm 의 파장에서 생성된다. 빠져나갈 때, 각각의 펄스는 1 메가와트 (MW) 의 피크 전력 및 114 펨토초의 반치전폭을 갖는다. 펄스 트레인은 1 메가헤르츠 (MHz) 의 반복 레이트 (repetition rate) 를 갖고, 이것은 67 밀리와트 (mW) 의 평균 전력에 대응한다.
그러나, 공지된 종래 기술의 소스들에서, 레이저 빔이 자유-공간 경로들에 의하여, 하나의 엘리먼트로부터 다음 엘리먼트로 통과하는 경우, 비선형 결정들로 이루어지든 또는 파이버들로 이루어지든, 증폭 엘리먼트들 및/또는 파장-변환 엘리먼트들의 각각에서 이 레이저 빔을 콜리메이팅한 다음에 포커싱할 필요가 있다. 따라서, 이러한 레이저 소스들의 유지보수 및 조정이 정기적으로 수행되어야 하며, 이것은 어쩌면, 이들 레이저 소스들의 사용자들에게, 특히 이들 사용자들이 이러한 유지보수를 수행하기 위한 시간 또는 장비, 또는 심지어 지식을 반드시 갖는 것은 아닐 때 제약이 된다.
따라서, 생체 조직들의 깊이에서 이미지들을 생성하는데 적합한 성능을 제공 가능하고 유지보수가 단순화되는 레이저 소스의 필요성이 있는 것으로 보인다.
제 1 양태에 따른, 본 설명의 주제는, 펨토 레이저 소스이며, 이는:
- 출력 (exit) 광 파이버를 통해, 제 1 파장 λ1 에서, 제 1 피코초 펄스를 전달하는데 적합한, 주어진 도펀트로 도핑된 광 파이버에 기초한 인젝팅 레이저 발진기;
- 제 1 펄스로부터, 제 1 펄스에 대하여 증폭되는 에너지로, 제 1 파장에서, 제 2 펄스를 생성하기 위한 증폭 광 파이버에 기초한 전력 증폭기로서, 증폭 광 파이버는 인젝팅 레이저 발진기의 광 파이버와 동일한 도펀트로 도핑되고, 솔리톤 압축 포인트의 거리 이하이고 증폭 광 파이버가 비선형 레짐에서 동작하는 거리보다 큰 길이를 갖는, 상기 전력 증폭기; 및
- 제 2 펄스를 수신하고 제 1 파장 λ1 보다 엄밀히 긴 제 2 파장 λ2 에서 기본 솔리톤을 라만 자기-시프팅에 의해 생성하는데 적합한 주파수-시프팅 파이버를 포함한다.
인젝팅 레이저 발진기의 파이버와 동일한 도펀트로 도핑된 증폭 파이버와 주파수-시프팅 파이버의 결합된 사용 때문에, 높은 반복 레이트 (예를 들어, 0.1 과 100 MHz 사이) 를 가진, 초단이고 (예를 들어 100 펨토초보다 짧은 지속기간임) 고 피크 전력 (예를 들어 100 kW 보다 높음) 양자 모두인 펄스들의 트레인을 얻는 것이 가능하다. 나머지 설명에서, 펨토초 펄스들은 100 펨토초보다 짧은 지속기간의 펄스들을 언급할 때 사용될 것이다.
더욱이, 제 2 파장이 도펀트 및 주파수-시프팅 파이버의 길이에 의존하면, 주어진 애플리케이션에, 예를 들어, 도입부에서 언급된 이미징 애플리케이션들에 적합한 제 2 파장에서 펄스들을 얻는 것이 가능하다.
이러한 레이저 소스의 사용 및 유지보수는 레이저 소스가 단일체 디바이스의 형태의 생성에 적합하다는 점에서 단순화되고, 단일체 디바이스에서 다양한 광 컴포넌트들 (레이저 발진기, 전력 증폭기 및 시프팅 파이버) 은 함께 통합되고, 광 파이버들을 통해 커넥팅되고 조정들을 요구하지 않는다. 레이저 소스는 더욱이 시간의 경과에 따라 안정되고 기계적 진동들과 같은 환경 섭동들에 영향을 받지 않는다.
레이저 소스의 적어도 하나의 실시형태에서, 증폭 광 파이버는 200λ1 2 이상인 모달 면적 (modal area) 을 갖는다. 이러한 모달 면적은 증폭 광 파이버에 의해 생성된 펄스의 피크 전력을 증가시킨다.
레이저 소스의 적어도 하나의 실시형태에서, 증폭 광 파이버는 증폭 광 파이버가 비선형 레짐에서 동작하는 거리보다 큰 길이를 갖는다. 따라서, 자기-위상 변조와 같은 비선형 효과들은 펄스들이 시간 (temporally) 압축되게 하고 증폭 파이버로부터의 출력으로서 얻어지는 것이 가능한 피크 전력이 추가로 증가되게 한다.
레이저 소스의 적어도 하나의 실시형태에서, 주파수-시프팅 파이버는 증폭 파이버의 모달 면적보다 큰 모달 면적을 갖는다. 이러한 모달 결합은 레이저 소스로부터의 출력으로서 얻어진 펄스의 피크 전력이 현저히 증가되게 한다.
레이저 소스의 적어도 하나의 실시형태에서, 인젝팅 레이저 발진기는 색 분산 관리 (chromatic dispersion management) 를 하고 주파수-처프된 (frequency-chirped) 펄스들을 생성하도록 구성되는 파이버 발진기이다. 이러한 펄스들은 상당한 주파수 분산을 갖고 따라서 언처프된 (unchirped) 펄스들보다 더 증폭될 수도 있다.
레이저 소스의 적어도 하나의 실시형태에서, 인젝팅 레이저 발진기는 주파수 처프되지 않은 펄스들을 전달하는 솔리톤 발진기를 포함한다.
레이저 소스의 적어도 하나의 실시형태에서, 솔리톤 발진기 다음에는 그 발진기에 의해 생성된 펄스들을 시간적으로 스트레칭하도록 구성된 정상-분산 (normal-dispersion) 광 파이버가 후속된다.
레이저 소스의 적어도 하나의 실시형태에서, 도펀트는 이테르븀, 프라세오디뮴, 에르븀, 툴륨 및 홀뮴으로부터 선택된 희토류이다. 도펀트는 또한 비스무트일 수도 있다. 이들 재료들은, 주파수-시프팅 파이버로부터의 출력으로서, 전술한 이미징 애플리케이션들에 적합한 파장을 갖는 펄스들을 달성하는 것을 가능하게 한다.
레이저 소스의 적어도 하나의 실시형태에서, 증폭 광 파이버 및 주파수-시프팅 파이버는 서로 스플라이싱된다 (spliced). 더욱이, 인젝팅 레이저 발진기의 출력 광 파이버 및 증폭 파이버는 서로 스플라이싱된다. 레이저 소스는 따라서 단일체이며 조정을 요구하지 않는다. 에어 경로들이 또한 회피된다.
적어도 하나의 실시형태에서, 레이저 소스는 더욱이 제 1 파장 λ1 에서 펄스 잔여물 (pulse residue) 들을 제거하기 위한 고역 필터 (high-pass filter) 를 포함한다. 이것은 전술한 이미징 애플리케이션들에서의 레이저 소스에 의해 생성된 펄스들의 유효성이 증가되게 한다.
제 2 양태에 따른, 본 설명의 주제는, 생체 매질의 깊이에 위치된 오브젝트를 향하여 펄스들을 방출하는데 적합한, 본 설명에 따른 펨토초 레이저 소스 및 오브젝트에 의해 백스캐터링된 형광으로부터 오브젝트의 이미지를 형성 및 획득하기 위한 현미경을 포함하는 이미징 시스템이다.
제 3 양태에 따른, 본 설명의 주제는, 펨토초 레이저 펄스들을 생성하기 위한 방법이며, 이는, 주어진 도펀트로 도핑된 광 파이버에 기초한 인젝팅 발진기로, 제 1 파장 λ1 에서, 제 1 피코초 펄스를 생성하는 단계; 증폭 광 파이버에 기초한 전력 증폭기로, 제 1 펄스로부터, 제 1 펄스에 대하여 증폭되는 에너지로, 제 1 파장에서, 제 2 펄스를 생성하는 단계로서, 증폭 광 파이버는 인젝팅 발진기의 광 파이버와 동일한 도펀트로 도핑되고, 솔리톤 압축 포인트의 거리 이하인 길이를 갖는, 상기 제 2 펄스를 생성하는 단계; 및 제 2 펄스를 수신하는데 적합한 주파수-시프팅 파이버에 의하여, 라만 자기-시프팅에 의해, 제 1 파장 λ1 보다 엄밀히 긴 제 2 파장 λ2 에서 기본 솔리톤을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 제시된 기법/기술의 다른 이점들 및 피처들은 도면들을 참조하여 주어지는, 이하에 상세화되는 설명을 읽을 때 명백해질 것이며, 여기서:
- 도 1 (이는 이미 설명되었음) 은 레이저 소스의 존재 시의 수성 조직들의 응답의 특성들을 예시하는 그래프이다;
- 도 2a 및 도 2b 는 본 설명에 따른 레이저 소스의 실시형태들을 예시한다;
- 도 3a 내지 도 3c 는 본 설명에 따른 레이저 소스에 의해 생성된 레이저 펄스들의 속성들을 예시한다;
- 도 4a 내지 도 4e 는 솔리톤-압축 효과들의 다양한 양태들을 예시한다;
- 도 5 의 (A) 내지 (C) 는 솔리톤들에 대한 라만 자기-시프팅의 영향의 다양한 양태들을 예시한다;
- 도 6a 및 도 6b 는 본 설명에 따른 레이저 소스의 속성들을 예시한다;
- 도 7a 및 도 7b 는 본 설명에 따른 레이저 소스의 속성들을 예시한다; 그리고
- 도 8 은 본 설명에 따른 이미징 시스템으로 얻어진 이미지이다.
도 2a 는 본 설명에 따른 레이저 소스 (200A) 의 하나의 실시형태를 개략적으로 도시하며, 그 실시형태는 예를 들어 다광자 현미경에 적합하고, 도 2b 는 본 설명에 따른 레이저 소스 (200B) 의 보다 상세화된 예의 실시형태를 도시한다. 레이저 소스 (200A 또는 200B) 는 레이저 펄스들을 생성하기 위한 디바이스이다.
도 2a 에 도시된 레이저 소스 (200A) 는 3 개의 메인 컴포넌트들, 즉:
- 인젝팅 레이저 발진기 (211),
- 광 파이버 (229) 에 기초한 전력 증폭기 (220), 및
- 광 파이버 (232) 를 포함하는 주파수-시프팅 디바이스 (230) 를 포함한다.
레이저 소스 (200A) 는, 출력 광 컴포넌트 (240) 에 의하여, 이미지들이 형성 및 획득되게 하는 현미경 (250) 을 향하여 전달되는 광 펄스들의 트레인을 생성한다.
인젝팅 레이저 발진기 (211) 는 주어진 도펀트로 도핑되는 적어도 하나의 광 파이버를 포함한다. 인젝팅 레이저 발진기 (211) 의 도핑된 광 파이버는 예를 들어 주어진 도펀트로 도핑된 주어진 발광 재료 (luminescent material) (유리 또는 유리질 매트릭스) 로 제조된 광 파이버이다. 도펀트는, 광학적 활성체 (optically active material), 즉 (예를 들어, 레이저 발진기 (211) 내부 펌핑 레이저들에 의한) 여기 하에서, 주어진 파장에서 코히어런트 광을 방출하는 재료이다. 하나 이상의 실시형태들에서, 이 도핑된 광 파이버는 인젝팅 레이저 발진기 (211) 내부 증폭 파이버이다. 하나 이상의 실시형태들에서, 도펀트는 이온, 예를 들어, 희토류 이온이다. 희토류는 예를 들어, 네오디뮴 (화학 기호 Nd), 이테르븀 (화학 기호 Yb), 프라세오디뮴 (화학 기호 Pr), 에르븀 (화학 기호 Er), 툴륨 (화학 기호 Tm), 홀뮴 (화학 기호 Ho), 또는 파이버를 형성하는 유리질 매트릭스에 용해가능한 임의의 다른 형광 엘리먼트, 이를 테면 예를 들어, 비스무트 (화학 기호 Bi) 이다.
인젝팅 레이저 발진기 (211) 는 출력으로서, 출력 광 파이버 (212) 를 통해, 제 1 파장 λ1 에서, 제 1 트레인의 레이저 펄스들 (IL1) 을 생성한다. 레이저 펄스들 (IL1) 은 피코초 (ps) 펄스들이다. 본 설명의 맥락에서, 피코초 펄스는 1 과 100 ps 사이로 이루어진 지속기간의 펄스이다. 레이저 펄스들 (IL1) 의 반복 레이트는 예를 들어 0.1 과 100 MHz 사이로 이루어진다.
레이저 소스 (200A) 의 적어도 하나의 실시형태에서, 인젝팅 레이저 발진기 (211) 는 위상-방식 (phase-wise) 모드-잠금된 (mode-locked) 파이버 레이저 발진기이다. 인젝팅 레이저 발진기의 종방향 모드들의 이러한 잠금 (locking) 은 피코초 펄스들이 얻어지게 한다. 다른 타입들의 레이저들, 예를 들어, 이득-스위칭된 레이저들 또한 피코초 펄스들이 얻어지게 한다.
제 1 파장 λ1 은 인젝팅 레이저 발진기 (211) 의 도핑된 광 파이버의 도펀트에 의존한다. 도펀트가 에르븀이면, 제 1 파장 λ1 은 약 1555 nm 이다. 보다 일반적으로, 선택된 도펀트에 의존하면, 파장 λ1 은 900 과 2200 nm 사이로 이루어질 수도 있다.
전력 증폭기 (220) 는, 제 1 트레인의 레이저 펄스들 (IL1) 로부터, 제 1 파장 λ1 에서, 제 2 트레인의 레이저 펄스들 (IL2) 을 생성한다. 이들 레이저 펄스들 (IL2) 은 레이저 펄스들 (IL1) 에 대하여 증폭되는 에너지를 갖는다.
전력 증폭기 (220) 의 증폭 광 파이버 (229) 는, 증폭기의 이득을 표현하는 전달 함수가 발진기에서 생성된 펄스의 스펙트럼에 매칭되고 따라서 이 펄스의 스펙트럼 컴포넌트들이 보호되도록 인젝팅 레이저 발진기 (211) 의 도핑된 광 파이버와 동일한 도펀트로 도핑된다.
증폭 광 파이버 (229) 내에서, 펄스 (IL2) 의 에너지는 증폭 광 파이버 (229) 내의 전파 거리에 따라 기하급수적으로 증가하지만, 펄스 (IL2) 의 중심 파장은 변하지 않는다.
적어도 하나의 실시형태에서, 증폭 광 파이버 (229) 의 길이는 증폭 광 파이버 (229) 가 비선형 레짐에서 동작하는 거리보다 크도록 선택된다. 증폭 효과 외에도, 증폭 광 파이버 (229) 는, 제 1 트레인의 레이저 펄스들 (IL1) 에 대해, 비선형 효과들, 즉 펄스들 (IL1) 의 주파수 스펙트럼에 비선형 수정들 (변형들, 비대칭성들의 도입 등) 을 유도하는 효과들을 갖는다. 이들 비선형 효과들은 펄스들 (IL2) 의 주파수 스펙트럼을 증폭 광 파이버 (229) 에 입력된 펄스들 (IL1) 의 주파수 스펙트럼과 비교함으로써 검출가능하다. 이들 비선형 효과들은 예를 들어 자기-위상 변조 및 스티뮬레이팅된 라만 스캐터링을 포함한다.
따라서, 피크 전력 (즉, 펄스의 반치전폭 (TFWHM) 과 에너지 (E) 간의 비율) 이 증가하고 임계치에 도달하면, 펄스의 스펙트럼은 비선형 자기-위상 변조 효과를 통해 확장된다. 따라서, 펄스는 시간 압축된다, 즉 그 지속기간은 감소된다. 피크 전력은 그 후 점차 빠르게 성장하고, 이것은 자기-위상 변조 효과를 증폭시킨다. 이것은 입력 펄스 (IL1) 에 대한 고 에너지 (>100 nJ) 의 및 작은 지속기간의 증폭된 펄스 (IL2) 가 얻어지게 한다.
적어도 하나의 실시형태에서, 증폭 광 파이버 (229) 는 따라서, 비정상 분산 레짐 (
Figure pct00007
Figure pct00008
는
Figure pct00009
단위로 표현된 군속도 (group velociy) 에서의 분산이다) 에서의 자기-위상 변조 효과가 인젝팅 레이저 발진기 (211) 로부터 출력된 펄스들 (IL1) 에 대하여 (예를 들어, 펄스 (IL1) 의 지속기간의 절반 이하인 지속기간으로) 시간 압축되는 펄스들 (IL2) 의 입수로 이어지는 비선형 레짐에서 사용된다. 이 시간 압축은 펄스가 분열되는 솔리톤 압축 포인트에 도달하지 않았다는 것을 조건으로 하여 증폭 광 파이버 (229) 에서 얻어진다.
증폭 때문에, 증폭 광 파이버 (229) 에서 증폭된 펄스들의 에너지는 다음의 식에 의해 결정된 차수 (order) N 의 솔리톤에 대응하며:
Figure pct00010
식 1
여기서 E2 는 증폭된 펄스 (IL2) 의 에너지이고, T0 은
Figure pct00011
에 의해 정의된 펄스의 지속기간이고, n2 는 비선형 Kerr 인덱스이고 Aeff 는 광 파이버의 유효 모달 면적이다. 고차 솔리톤들은 불안정하고 스티뮬레이팅된 라만 스캐터링, 자기-스티프닝 및 고차의 색 분산을 포함하는 고차 섭동 효과들 때문에 (N = 1 을 설정하는 식 1 에 의해 주어진) 더 낮은 에너지의 N 개의 1 차 솔리톤들로 분열된다.
적어도 하나의 실시형태에서, 증폭 광 파이버 (229) 의 길이는 더욱이 최대 솔리톤 압축의 포인트의 거리보다 엄밀히 작아, 펄스의 스펙트럼이 확장될 때 중요해지는 고차 섭동 효과들이 증폭 파이버 (229) 에서의 펄스 (IL2) 의 분열을 야기하지 않는다.
적어도 하나의 실시형태에서, 전력 증폭기 (220) 의 증폭 광 파이버 (229) 는 에르븀-도핑된 파이버의 경우에 200λ1 2 보다 크고 예를 들어 500 ㎛2 보다 큰 매우 큰 유효 모달 면적 Aeff 을 갖는다. 예를 들어, 증폭 광 파이버 (229) 가 단일-모드 파이버이면, 증폭된 레이저 펄스들 (IL2) 이 획득 가능한 최대 에너지는 증폭 광 파이버 (229) 의 전파 모드의 유효 모달 면적에 따라 증가한다. 피크 전력이 고정된 펄스 지속기간에 대한 에너지에 비례하기 때문에, 유효 모달 면적이 커짐에 따라, 증폭된 펄스들의 피크 전력이 높아진다. 큰 유효 모달 면적의 증폭 파이버에서, 펄스가 섭동 효과들 및 분열의 대상이 되는 바와 같은 방식으로 (예를 들어, 주파수 스펙트럼의 대칭성의 파열, 확장, 및/또는 변형에 의해) 자기-위상 변조 효과가 증폭된 펄스들의 스펙트럼에 영향을 미치기 전에 매우 높은 에너지를 달성하는 것이 가능하다. 솔리톤 압축 포인트의 거리는 따라서 이들 바람직하지 않은 효과들이 발생하는 전파 거리에 대응한다. 솔리톤 압축 포인트의 이 거리는 따라서 증폭 광 파이버 (229) 의 유효 모달 면적에 그리고 증폭 파이버에 입력된 펄스의 피크 전력에 의존한다.
주파수-시프팅 디바이스 (230) 는 제 2 트레인의 레이저 펄스들 (IL2) 을 수신하고 제 3 트레인의 펄스들 (IL3) 을 생성한다. 더 정확히 말하면, 제 2 트레인의 레이저 펄스들 (IL2) 의 각각의 펄스에 대해, 제 1 파장 λ1 보다 엄밀히 긴 제 2 파장 λ2 에서의 기본 솔리톤은 증폭된 펄스들 (IL2) 의 분열에 의해 그 다음에 라만 자기-시프팅에 의해 생성된다. 파장에서의 펄스들 (IL2) 의 에너지는 식 1 에 의해 주어지며 여기서 N = 1 이다. 주파수-시프팅 파이버 (232) 의 유효 모달 면적은 펄스 (IL3) 의 에너지가 최대가 되도록 최적화된다.
펄스들 (IL3) 의 파장 λ2 은 제 2 펄스들의 제 1 파장 λ1 보다 엄밀히 길며, 그로부터 그들은 주파수-시프팅 파이버 (232) 에서의 솔리톤들의 주파수 자기-시프팅의 기원 (origin) 인 스티뮬레이팅된 라만 스캐터링이 광 에너지의 관점에서 소실 효과 (dissipative effect) 를 갖는다. 총 에너지의 보존의 원리들 때문에, 파장 λ2 은 초기 파장 λ1 보다 짧을 수 없다.
제 2 파장 λ2 은 따라서 제 1 파장 λ1 을 결정하는 증폭 파이버 (229) 의 도펀트에 의존하고, 또한 주파수-시프팅 파이버 (232) 내의 라만 스캐터링에 의존한다. 라만 스캐터링은 파장 λ1 에 기여도
Figure pct00012
를 더하고 여기서
Figure pct00013
는 네거티브이고 라만 자화율 (Raman susceptibility) 에 의존하고 (도 5 의 (A) 및 (B) 참조) c 는 자유 공간에서의 광의 속도이다. 따라서,
Figure pct00014
이다.
제 2 파장 λ2 은 또한 주파수-시프팅 파이버 (232) 의 길이에 그리고 주파수-시프팅 파이버 (232) 에 입력된 펄스 (IL2) 의 피크 전력에 의존한다. 주파수-시프팅 파이버 (232) 가 길어질수록, 이 파이버에서의 펄스 (IL2) 가 받는 주파수 시프트가 커진다. 주어진 파이버 길이에 대해, 펄스 (IL2) 의 피크 전력이 높아질수록, 이 주파수-시프팅 파이버 (232) 에서의 펄스 (IL2) 가 받는 주파수 시프트가 커진다.
적어도 하나의 실시형태에서, 유효 모달 면적 및 색 분산을 포함하는 주파수-시프팅 파이버 (232) 의 모달 파라미터들은, 기본 솔리톤 (IL3) 의 피크 전력을 최대화하면서 증폭기로부터 출력된 펄스 (IL2) (여기서 N > 1) 로부터 적어도 하나의 기본 솔리톤 (IL3) (N = 1) 을 생성하기 위하여 구성된다. 추가로, 파이버 (232) 의 길이는 솔리톤 펄스 (IL3) 의 중심 파장을 튜닝하기 위하여 선택된다. 식 1 에 따르면, 주파수-시프팅 파이버 (232) 에서 생성된 솔리톤 펄스 (IL3) 의 에너지 E3 는 파이버의 모달 면적 및/또는 색 분산이 최대화되면 최대가 될 것이다. 높은 색 분산은 펄스의 확산에 기여하고 그것이 그 후 높은 에너지를 갖더라도, 그 피크 전력은 충분히 증가되지 않는다. 주파수-시프팅 파이버 (232) 는 따라서 제 2 레이저 펄스 (IL2) 의 에너지 대부분을 수신하도록, 증폭 광 파이버 (229) 의 모달 면적보다 클 수도 있는, 예를 들어, 500 ㎛2 보다 클 수도 있는 매우 큰 모달 면적을 갖는다.
적어도 하나의 실시형태에서, 증폭 광 파이버 (229) 는 스플라이스에 의해 주파수-시프팅 파이버 (232) 에 스플라이싱된다. 광 파이버들을 스플라이싱하기 위한 임의의 공지된 방법이 이 스플라이스를 생성하기 위해 적용될 수도 있다. 특히, 전기-아크 퓨젼 스플라이싱 (electric-arc fusion splicing) 이 사용될 수도 있다.
적어도 하나의 실시형태에서, 증폭 파이버 (229) 및 주파수-시프팅 파이버 (232) 는 상이하지만, 이들 파이버들 간의 스플라이스들에서 전력의 손실을 회피하고 주파수-시프팅 파이버 (232) 에 입력된 펄스의 에너지를 보호하도록 모달 면적 및/또는 횡방향 지오메트리 및/또는 재료의 관점에서 서로 매칭된다. 비대칭 파이버들 간의 스플라이스의 최적화는 예를 들어, 「"Single-mode fiber optics" by Luc Jeunhomme, chapter 3, page 99, Marcel Dekker publishing, New York (1983) ISBN 0-8247-7020-X」 라는 제목의 워크(work) 에서 더 상세히 기술된다.
적어도 하나의 실시형태에서, 증폭 파이버 (229) 및 주파수-시프팅 파이버 (232) 는 모달 면적, 코어 직경, 코어-클래딩 인덱스 차이 및/또는 외측 직경의 관점에서 상이하고 비대칭이다. 이들 2 개의 비대칭 광 파이버들 간의 스플라이스의 에너지 효율은 이 경우에 단열적 테이퍼 (adiabatic taper), 즉 어떤 에너지 손실들도 생성하지 않는 테이퍼를 생성하는 것에 의해 최적화된다. 단열적 테이퍼는 스플라이싱될 2 개의 파이버들의 모달 면적들을 매칭시키기 위하여 가장 큰 코어의 파이버를 로컬로 테이퍼링하는 것에 의해 생성된다.
적어도 하나의 실시형태에서, 증폭 광 파이버 (229) 는 코어의 직경을 (예를 들어, 테어피링된 파이버의 시작과 끝 사이에 1 대 3 의 비율 또는 그 이상으로) 상당히 증가시키고, 그리고 그에 따라 펄스 (IL2) 가 파이버와 비교하여, 그 길이에 따라 일정한 (트랜슬레이션-불변 (translation-invariant)) 코어 직경을 전달 가능한 에너지를 상당히 증가시키기 위하여 그 길이의 전부 또는 일부에 걸쳐 테이퍼링된다.
적어도 하나의 실시형태에서, 주파수-시프팅 파이버 (232) 는 입력 (entrance) 의 지오메트릭 범위가 증폭 파이버 (229) 의 출력에 매칭되는 테이퍼링된 파이버이다.
도 2b 는 본 설명에 따른 레이저 소스 (200B) 의 하나의 특정한 실시형태를 예시한다.
도 2b 에 도시된 레이저 소스 (200B) 는 3 개의 메인 컴포넌트들, 광 파이버 (그 파이버는 미도시됨) 에 기초한 인젝팅 레이저 발진기 (211), 광 파이버 (229) 에 기초한 전력 증폭기 (220), 및 광 파이버 (232) 를 포함하는 주파수-시프팅 디바이스 (230) 를 포함한다. 이들 컴포넌트들은 예를 들어, 도 2a 를 참조하여 설명된 것들이다.
인젝팅 레이저 발진기 (211) 로부터 출력된 광 파이버 (212) 는 레이저 펄스들 (IL1) 을 전력 증폭기 (220) 에 전달한다.
도 2b 에 예시된 실시형태에서, 전력 증폭기 (220) 는 입력 광 파이버 (227), 펌핑 레이저들 (222), 멀티모드 펌프 컴바이너 (223), 멀티모드 펌프 컴바이너 (223) 의 출력에서의 광 파이버 (228), 및 증폭 광 파이버 (229) 를 포함한다.
입력 광 파이버 (227) 는 광 파이버 (212) 를 통해 인젝팅 레이저 발진기 (211) 에 의해 생성된 레이저 펄스들 (IL1) 을 수신한다.
펌핑 레이저들 (222) 은 이들 펌핑 레이저들 (222) 이 생성하는 공간 멀티모드 적외선 방사선의 파장에 의존하여 선택되고, 이 파장은 희토류 이온들에서의 반전 분포 (population inversion) 를 생성하고, 따라서, 스티뮬레이팅된 방출의 원리에 따라, 레이저 펄스들 (IL1) 의 증폭을 허용하는데 적합하다. 예를 들어, 희토류 이온이 에르븀인 경우에, 펌핑 레이저로부터 출력된 방사선의 파장은 979 +/- 3 nm 또는 1532 +/- 3 nm 일 수도 있다.
멀티모드 펌프 컴바이너 (223) 는 더블-클래드 단일-모드 파이버 (228) 에서 펌핑 레이저들 (222) 로부터 출력된 방사선과 인젝팅 레이저 발진기 (211) 의 출력 파이버 (212) 로부터 출력된 레이저 펄스들 (IL1) 을 결합하는데 적합하다. 연속 백그라운드는 따라서 펄스들 (IL1) 에 더해진다. 이들 프리 (pre)-증폭된 펄스들 (IL1) 은 광 파이버 (228) 를 통해 증폭 파이버 (229) 에 송신된다. 펄스들 (IL1) 로부터의 펄스들 (IL2) 의 생성에 대하여 도 2a 를 참조하여 설명된 것과 동일한 방식으로, 증폭 파이버 (229) 는 레이저 펄스들 (IL1) 로부터 증폭된 펄스들 (IL2) 을 생성한다.
도 2b 에 예시된 실시형태에서, 도 2a 의 주파수-시프팅 디바이스 (230) 는 파이버화된 부분 및 자유-공간 부분 (236) 을 포함한다. 파이버화된 부분 (235) 은 주파수-시프팅 파이버 (232) 를 포함한다. 파이버화된 부분은 클래딩 광 스트리퍼 (cladding light stripper) (231) 및 콜리메이터 (233) 를 더 포함할 수도 있다. 자유-공간 부분 (236) 은 예를 들어 필터 (234) 를 포함한다.
클래딩 광 스트리퍼 (231) 는 펌핑 레이저들 (222) 로부터 출력되고 증폭 파이버 (229) 에 흡수되지 않는 임의의 잔여 기생 방사선을 제거하도록 구성된다. 필터 (234) 는, 주파수-시프팅 파이버 (232) 에 의해 생성된 광파로부터, 제 1 파장 λ1 에서의 펄스 (IL2) 의 잔여물들을 제거하도록 구성된 고역 필터이다. 콜리메이터 (233) 는 출력 광파를 필터 (234) 에 콜리메이팅하도록 기능한다.
출력 광 컴포넌트 (240) 는 자유 공간을 통하여 필터 (234) 로부터 출력된 광 펄스들을 현미경 (250) 에 전달하기 위한 하나 이상의 미러들 (241, 242) 을 포함한다.
광 파이버 (228) 는 예를 들어 스플라이스 (224) 에 의해 증폭 광 파이버 (229) 에 스플라이싱된다. 증폭 광 파이버 (229) 는 또한, 스플라이스 (225) 에 의해 주파수-시프팅 파이버 (232) 에 스플라이싱된다. 광 파이버들을 스플라이싱하기 위한 임의의 공지된 방법이 이 스플라이스를 생성하기 위해 적용될 수도 있다. 특히, 전기-아크 퓨전 스플라이싱이 사용될 수도 있다.
레이저 소스 (200A 또는 200B) 의 적어도 하나의 실시형태에서, 인젝팅 레이저 발진기 (211) 는, 도 2a 를 참조하여 설명된 도핑된 내부 증폭 파이버에 더하여, 색 분산 관리를 하고 주파수-처프된 분산-관리된 솔리톤들 (DMS) 을 생성하는 파이버들을 포함하는 발진기이다. 색 분산 관리를 하는 파이버들에 기초한 이러한 발진기에 의해 생성된 레이저 펄스들은 인젝팅 레이저 발진기 (211) 의 고 군속도 분산 때문에 시간적으로 크게 스트레칭되고 준-가우시안 (quasi-Gaussian) 시간 프로파일을 갖는다. 이들 펄스들은 더욱이 넓은 및 준-가우시안 스펙트럼 프로파일을 갖는다. 이들 펄스들은 따라서 푸리에 한계 (준-가우시안 펄스들의 경우
Figure pct00015
) 에 있지 않고 따라서 증폭 파이버 (229) 에서의 비선형 압축 동안 어쩌면 보상될 (즉, 감소 또는 심지어 상쇄될) 고 주파수 분산을 갖는다. 색 분산 관리를 하는 발진기로부터 출력된 펄스들은 피코초보다 적은 (sub-picosecond) 지속기간으로 압축되고, 그 후 고-에너지 펄스 (IL3) 가 생기게 하는 것이 가능하도록, 파장 λ1 에서, 300 fs 보다 적은 이론적 지속기간 한계를 갖는다. 넓은 스펙트럼 주파수-처프된 펄스의 에너지가 주파수 처프되지 않은 펄스에 대해 얻어진 레벨들보다 높은 레벨들로 증폭될 수도 있기 때문에, 증폭 파이버 (229) 에서의 증폭 및 압축 후에, 예를 들어, 주파수-시프팅 파이버 (232) 의 유효 모달 면적을 증가시킴으로써, 고 피크 전력을 얻는 것이 가능하다. 이것은 펄스 당 더 높은 에너지 및 작은 길이의 주파수-시프팅 파이버 (232) 에 의한 라만 자기-시프팅에 의해 다른 파장으로의 유효 주파수 시프트를 얻는 것을 가능하게 할 것이다. 색 분산 관리를 하는 파이버들에 기초한 인젝팅 레이저 발진기 (211) 의 경우에, 제 2 파장 λ2 은 또한 인젝팅 레이저 발진기 (211) 의 분산-관리 파이버들의 길이들에 의존한다.
색 분산 관리를 하는 파이버들에 기초한 발진기의 경우에, 증폭 파이버 (229) 의 길이는, 한편으로는 증폭 파이버 (229) 의 비정상 색 분산으로 인한 것이고 다른 한편으로는 Kerr 효과로 인한 자기-위상 변조로 인한 것인 펄스들 (IL1) 의 주파수 분산의 보상에 의해 펄스들의 시간 압축이 그 안에 존재하도록 선택될 수도 있다.
레이저 소스 (200A 또는 200B) 의 적어도 하나의 실시형태에서, 발진기는 쌍곡 시컨트 시간 및 스펙트럼 형상의 솔리톤들을 생성한다. 이들 솔리톤들은 푸리에 한계에 있고 (즉 변환-제한됨)
Figure pct00016
을 특징으로 하며, 즉 그들은 주어진 스펙트럼 세기 프로파일로 생성하는 것이 가능한 가장 짧은 펄스들이고 그들은 그들의 초기 지속기간보다 짧은 지속기간으로 압축될 수 없다.
레이저 소스 (200A 또는 200B) 의 적어도 하나의 실시형태에서, 인젝팅 레이저 발진기 (211) 는 주파수 처프되지 않은 펄스들을 생성하는 발진기이고, 예를 들어 솔리톤들을 생성하는 솔리톤 발진기이다. 적어도 하나의 실시형태에서, 이 솔리톤 발진기 다음에는 인젝팅 레이저 발진기 (211) 에 의해 생성된 펄스들을 피코초 지속기간으로 시간적으로 스트레칭하는 정상-분산 광 파이버가 후속된다. 이 어셈블리는 색 분산 관리를 하는 발진기로부터 출력된 것들과 유사한 주파수-처프된 펄스들을 생성한다.
레이저 소스 (200A 또는 200B) 의 적어도 하나의 실시형태에서, 주파수-시프팅 파이버 (232) 는, 주파수-시프팅 파이버 (232) 에서 생성된 광파에서, 제 1 파장 λ1 에서의 펄스 잔여물들을 흡수하도록 선택적으로 흡수성이 있는 파이버이다. 레이저 소스 (200B) 의 경우에, 고역 필터 (234) 및 콜리메이터 (233) 가 제거될 수도 있다.
증폭 파이버 (229) 의 길이가 선택되는 방식이 도 3a 에 의해 예시되며, 도 3a 는 이 증폭 광 파이버 (229) 로의 입력의 포인트에 대한 전파 거리에 따른 전력 증폭기 (220) 의 증폭 광 파이버 (229) 에서의 레이저 펄스 (IL1) 의 지속기간 (곡선 (32)) 및 레이저 펄스 (IL1) 의 피크 전력 (곡선 (31)) 을 도시한다. 이 예에서, 펄스의 에너지가 증가할 때 발생하는 레이저 펄스의 지속기간의 감소가 보여질 수도 있다. 레이저 펄스의 지속기간은 증폭 광 파이버 (229) 로의 입력의 포인트로부터 약 3 m 에서 갑자기 감소하고, 이것은 자기-위상 변조가 시간 압축 프로세스에서 두드러지게 되는 사인이다. 파이버 (229) 를 빠져나올 때 레이저 펄스 (IL2) 에 의해 어큐뮬레이팅된 에너지는 반치전폭 3 ps 에 대해 수십 (several tens) nJ (약 157 nJ, 즉 도 3a 의 예에서 57 kW 의 피크 전력) 에 도달한다.
도 3b 는 증폭 광 파이버 (229) 로의 입력의 포인트로부터 3 m 에서 얻어진 펄스의 세기에 있어서의 시간 변동을 도시하고 도 3c 는 동일한 펄스의 스펙트럼을 도시한다. 펄스는 도 3b 에 도시된 바와 같이 여전히 인테그랄 (integral) 이지만, 그 스펙트럼은 도 3c 에 도시된 바와 같이 자기-위상 변조의 영향 하에서 변형된다. 이 포인트를 넘어서, 레이저 펄스 (IL1) 는 전술한 섭동 효과들 하에서 복수의 기본 솔리톤 파들로 분열된다. 도 3c 는 따라서 펄스가 그 인테그리티를 손실하고 심지어 분열되는, 주파수 스펙트럼에 대한 변형 한계의 예시적인 예이다. 스펙트럼의 확산 및 고 주파수와 저 주파수 간의 대칭성의 손실의 영향은 증폭 광 파이버 (229) 로 입력된 펄스의 스펙트럼이 준-가우시안이기 때문에 도 3c 에서 보여질 수도 있다.
도 4a 의 그래프는 증폭 파이버 (229) 및 주파수-시프팅 파이버 (232) 의 유효 모달 면적 (곡선 (34)) 이 변하는 방식을 예시하며, 곡선 (34) 에서의 점프는 증폭 파이버 (229) 로부터 주파수-시프팅 파이버 (232) 로의 (약 4 m 의 전파 거리에서의) 통과에 대응한다. 도 4a 의 그래프는 또한, 레이저 펄스 (IL2) 의 피크 전력 (곡선 (33)) 이 멀티-솔리톤 압축의 영향 하에서 증폭 파이버 (229) 에서 그 후 주파수-시프팅 파이버 (232) 에서 증가하는 방식을 예시한다. 파이버 (229) 로의 입력의 포인트에 대한 4 m 의 전파 거리까지, 피크 전력은 (도 3a 에서와 같이) 거의 선형으로 증가한다는 것이 보여질 수도 있다. 주파수-시프팅 파이버 (232) 의 처음과 이 주파수-시프팅 파이버 (232) 로의 (약 4 m 의 거리에서의) 입력의 포인트에 대한 대략 0.5 m 의 전파 거리까지의 사이에서, 피크 전력은 멀티-솔리톤 압축의 결과로서, 500 kW 의 값으로 기하급수적으로 증가한다. 주파수-시프팅 파이버 (232) 는 1 에 가까운 솔리톤의 차수 N 에 대한 값을 얻고 따라서 펄스 (IL2) 의 분열 후 솔리톤들의 수를 최소화하도록 설계된다. 차수 N 은 여기서 예를 들어 유효 모달 면적을 최대화함으로써 달성된 2.6 의 값
Figure pct00017
Figure pct00018
을 갖는다. 다음에, 주파수-시프팅 파이버 (232) 로의 입력의 포인트에 대한 0.5 m 후에, 펄스 (IL2) 는, 도 4b 의 우측 상부의 원표시된 부분에 대응하는 솔리톤 펄스 (IL3) 를 포함하는 2 개의 기본 솔리톤들로 분열된다.
도 4c 는 주파수-시프팅 파이버 (232) 로부터 출력된 펄스 (IL3) 의 세기에서의 시간 변동을 도시한다. 펄스는 100 fs 보다 좁은, 초단 반치전폭을 갖는다는 것이 보여질 수도 있다. 주파수-시프팅 파이버 (232) 로부터 출력된 솔리톤 펄스 (IL3) 의 피크 전력이 결정될 수도 있고 여기서 반치전폭 100 fs 에 대해 600 kW 와 동일하다. 도 4c 의 곡선 상의 원들은 펄스가 실제로 솔리톤에 대응한다는 것을 도시하는 피팅된 곡선 (본 경우에는, 정사각형 모양의 쌍곡 시컨트) 의 포인트들에 대응한다. 도 4d 의 곡선은 주파수-시프팅 파이버 (232) 의 출력 스펙트럼을 도시한다. 솔리톤 펄스 (IL3) 의 중심 파장은 1.75 ㎛ 이다.
라만 자기-시프팅 효과는 도 5 의 (A) 내지 (C) 에 의해 예시된다. 도 5 의 (A) 는 라만 자화율의 허수 부분의 곡선 (51A) 과의 상관에서 자기-시프팅 전의 레이저 펄스의 주파수 스펙트럼 (50A) 을 도시하고, 도 5 의 (B) 는 라만 자화율의 허수 부분의 곡선 (51B) 과의 상관에서, 자기-시프팅 후의 레이저 펄스의 주파수 스펙트럼 (50B) 을 도시한다. 물리적 매질에서 전파되는 초단 펄스는 스티뮬레이팅된 라만 스캐터링의 대상이다. 공지된 바와 같이, 라만 효과는 광 파이버의 코어를 형성하는 매질의 음자 (phonon) 들과의 에너지의 교환을 통해 펄스의 중심 주파수에 있어서 연속 드리프트를 야기한다. 이 비탄력성 광-물질 상호작용을 통해, 즉, 에너지
Figure pct00019
의 파장 λa 의 광자 (여기서 h 는 작용 양자 또는 플랭크 상수이며 (
Figure pct00020
) c 는 자유 공간에서의 광의 속도이다) 는 물리적 매질에 의해 흡수된다. 더 낮은 에너지
Figure pct00021
에서의 제 2 광자는 더 긴 파장
Figure pct00022
에서 라만 매질에 의해 방출된다. 에너지 차이, 또는 양자 결손은 음자, 또는 물리적 매질에서의 음향 진동에 대응하는 입자의 형태로 물리적 매질에 송신된다. 라만 자화율의 허수 부분은, 예를 들어 실리카의 경우에, 플레이 (
Figure pct00023
) 에서의 2 개의 광자들 간의 주파수 차이에 따라, 도 5 의 (A) 에 도시된다. 넓은 주파수 스펙트럼의 초단 펄스, 이를 테면 도 5 의 (A) 에 도시된 펄스와 물리적 매질 사이의 라만 효과를 통한 상호작용 동안,
Figure pct00024
에 대한 펄스의 스펙트럼의 부분은 흡수되는 반면
Figure pct00025
에서의 펄스의 스펙트럼의 부분은 증폭된다. 이것은 도 5 의 (B) 에 도시된 바와 같이, 저 주파수들을 향하는 펄스의 스펙트럼의 하락 (splippage), 즉 펄스의 중심으로부터 더 긴 파장들로의 시프트에 대응한다.
도 5 의 (C) 는 더 정확히 말하면, 라만 자화율의 허수 부분의 곡선 (51C) 과의 상관에서 라만 매질에 전파되는 초단 펄스의 주파수 스펙트럼 (곡선 (52)) 을 도시한다. 주파수들의 원점
Figure pct00026
은 조약에 의해 펄스의 주파수 스펙트럼의 정점의 주파수와 동일하게 설정된다. 이 조약 하에서, 라만 자화율의 스펙트럼의 허수 부분은 펄스의 스펙트럼에 센터링된다. 라만 자화율의 스펙트럼의 포지티브 부분은 재료에 의한 흡수에 대응하는 반면 라만 자화율의 스펙트럼의 네거티브 부분은 방출에 대응한다. 2 개의 스펙트럼들이 겹쳐지고 포지티브 주파수들에서의 펄스의 부분이 라만 매질에 의해 흡수될 수도 있다는 것이 보여질 수도 있다. 이 예에서, 흡수 최대는 13.2 THz 에 위치되고 (곡선 (51C)) 이 펄스의 스펙트럼의 반치전폭 (곡선 (52)) 은 약 6 THz 이다. 주파수 스펙트럼의 최대가 흡수 최대와 중첩되지 않을지라도 그리고 주파수 스펙트럼의 폭이 상대적으로 작다는 사실에도 불구하고, 라만 스캐터링은 그럼에도 불구하고 주파수 시프트를 생성한다. 이들 주파수들에서의 광자들은 따라서 펄스의 중심에 대하여 네거티브인 주파수들에서의 광자들의 방출이 생기게 할 것이다. 펄스의 포지티브 주파수들로부터의 펄스의 네거티브 주파수들로의 에너지의 이 전송은 펄스의 중심의 주파수방향 (frequencywise) 하락, 즉 펄스의 주파수 스펙트럼의 정점의 더 긴 파장들을 향하는 시프트에 대응한다.
라만 자기-스캐터링의 이 프로세스 동안, 양자 결손은 도 4e 에서 관측된 바와 같이, 펄스의 피크 전력의 감소에 기여한다. 피크 전력은 주파수-시프팅 파이버 (232) 로의 입력의 포인트까지의 거리의 증가에 따라 그리고 펄스의 중심 파장이 라만 효과를 통해 광과 재료 간의 상호작용에 관련된 양자 결손 때문에 더 긴 파장들을 향하여 시프트됨에 따라 점차 감소한다.
도 6a 는 전력 이득이 증폭 파이버 (229) 에서 이 파이버로의 입력의 포인트에 대한 거리에 따라 증가하는 방식을 예시한다. 예를 들어, 20 dB 의 이득을 얻기 위해, 적어도 2 m 의 파이버 길이가 요구된다는 것이 보여질 수도 있다. 그것을 넘어, 이득의 증가는 점차 덜 중요해진다: 그것은 약 25 dB 의 이득 최대를 가진 점근선 곡선을 추종한다.
도 6b 는 주파수-시프팅 파이버 (232) 의 출력에서 측정된 펄스들 (IL3) 의 트레인의 평균 전력의 드리프트를 예시한다. 전력의 드리프트는 425 mW 의 평균 전력에 대해 약 10 내지 15 mW 로 매우 낮은, 즉 3 시간의 사용 주기에 걸쳐 약 2 내지 3% 의 드리프트라는 것이 보여질 수도 있다. 이 매우 낮은 드리프트는 생체의학 분야에서 전술한 애플리케이션들과 완벽하게 양립가능하다.
도 7a 는 파장 λ1 에 따른, 펄스 (IL1) 의 스펙트럼의 일 예이다: 이 스펙트럼은 파장 λ1 = 1555 nm 에 센터링된다. 도 7b 는 파장 λ2 에 따른 펄스 (IL2) 의 스펙트럼의 일 예이다: 이 스펙트럼은 파장 시프트를 예시하는, 파장 λ2 = 1675 nm 에 센터링된다. 이 펄스가 받는 시간 압축은 또한 도 7a 를 도 7b 와 비교함으로써 보여질 수도 있고, 이 압축은, 이 도면에서, 스펙트럼의 확장에 대응한다.
본 설명은 또한, 이 명세서에서 설명된 실시형태들 중 임의의 하나에 따른 레이저 시스템을 포함하는 이미징 시스템에, 그리고 본 설명에 따른 레이저 소스에 의하여 생성된 초단 펄스들로부터, 다광자 현미경 기법을 사용하여, 이미지를 형성 및 획득하기 위한 현미경에 관한 것이다. 펄스들은 이미징될 존 (zone) 으로 전송된다. 이미징될 이 존은 예를 들어 생체 조직이다. 펄스들은 생체 조직의 주어진 깊이에 분자들의 여기를 야기한다. 이미징될 존에 의한 응답으로 방출된 광 빔은 현미경 내에서 검출된다. 이미지는 검출된 광 빔으로부터 획득될 수도 있다.
도 8 은 본 설명에 따른 이미징 시스템으로 얻어진 이미지의 일 예이다. 그 도면은 레인보우-3 트랜스제닉 마우스 브레인스템 조직 (이 유형의 마우스는 예를 들어, 「"Developmental bias in cleavage-stage mouse blastomeres", by I. Tabansky et al, Current Biology, 2013」 라는 제목의 문서에서 기술된다) 의 샘플에 대해 개발된 레이저 소스로 달성된 THG (third harmonic generation) (백색) 및 3PEF (three-photon excited fluorescence) (적색) 에 기초한 3-광자 멀티-콘트라스트 이미징의 일 예를 예시한다. 제 3 하모닉 이미징은 브레인스템의 이 존을 착색시킬 필요 없이 구조적 이미지가 얻어지게 하였다. 3PEF 형광 신호는 조직이 착색되었고 혈관들에서 더 높은 발현 (expression) 을 가진 마커로부터 비롯되었다.
다른 생체 이미징 애플리케이션들이 계획될 수도 있다. 예를 들어, 녹색 형광 프로테인이 마커로서 사용될 때 900 과 950 nm 사이로 이루어진 파장에서 방출하는 본 설명에 따른 전체 파이버-기반 레이저 소스가 2-광자 현미경을 위해 사용될 수도 있다. 이 소스는 어쩌면 네오디뮴-도핑된 증폭 광 파이버들로 구성될 것이다.
툴륨 또는 홀뮴이 희토류로서 사용될 때 본 설명에 따른 전체 파이버-기반 레이저 소스의 다른 애플리케이션들이 계획가능하다. 방사선 (IL1) 은 1.9 내지 2.1 ㎛ 의 파장에서 얻어질 것인 반면 IL2 에서의 방사선은 2.1 ㎛ 보다 긴 파장을 가질 것이다. 본 발명에 따라 얻어진 고 피크 전력의 초단 펄스들은 어쩌면 고차 하모닉들의 생성을 통해 UV 스펙트럼 도메인에서 초단 세컨더리 방사선을 생성하는데 사용될 것이다.
본 발명에 따른 전체 파이버-기반 레이저 소스는 또한, 적합한 비선형 결정에서의 주파수 더블링 (frequency doubling) 을 통해, 본 설명에 따른 레이저로부터 출력된 것의 절반의 파장에서 펨토초 펄스들을 생성하는데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 도펀트가 홀뮴이면, 펄스들 (IL1 및 IL2) 의 파장은 2150 nm 에 가까울 것인 반면 주파수-시프팅 파이버로부터 출력된 펄스들 (IL3) 의 파장은 어쩌면 2200 과 2600 nm 사이로 이루어질 것이다. 적합한 비선형 결정에서의 주파수 더블링에 의해, 펄스들의 파장은 어쩌면 2 로 나눠지고 1100 과 1300 nm 사이의 범위에 도달할 것이며, 이는 펨토초 고-피크-전력 파이버 레이저들에 의해 현재 커버되지 않는다. 이렇게 생성된 고-피크-전력 펄스들은 어쩌면 THG 및 3PEF 를 구현하는 생체 이미징 애플리케이션들에서 사용될 것이다.

Claims (11)

  1. 펨토초 레이저 소스로서,
    - 출력 (exit) 광 파이버 (212) 를 통해, 제 1 파장 λ1 에서, 제 1 피코초 펄스를 전달하는데 적합한, 주어진 도펀트로 도핑된 광 파이버에 기초한 인젝팅 레이저 발진기 (211);
    - 상기 제 1 펄스로부터, 상기 제 1 펄스에 대하여 증폭되는 에너지로, 상기 제 1 파장에서, 제 2 펄스를 생성하기 위한 증폭 광 파이버 (229) 에 기초한 전력 증폭기 (220) 로서, 상기 증폭 광 파이버 (229) 는 상기 인젝팅 발진기의 상기 광 파이버 (212) 와 동일한 도펀트로 도핑되고, 솔리톤 압축 포인트의 거리 이하이고 상기 증폭 광 파이버 (229) 가 비선형 레짐에서 동작하는 거리보다 큰 길이를 갖는, 상기 전력 증폭기 (220); 및
    - 상기 제 2 펄스를 수신하고 상기 제 1 파장 λ1 보다 엄밀히 긴 제 2 파장 λ2 에서 기본 솔리톤을 라만 자기-시프팅 (Raman self-shifting) 에 의해 생성하는데 적합한 주파수-시프팅 파이버 (232) 를 포함하는, 펨토초 레이저 소스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭 광 파이버 (229) 는 200λ1 2 이상인 모달 면적 (modal area) 을 갖는, 펨토초 레이저 소스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수-시프팅 파이버 (232) 는 상기 증폭 파이버 (229) 의 모달 면적보다 큰 모달 면적을 갖는, 펨토초 레이저 소스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인젝팅 레이저 발진기는, 색 분산 관리 (chromatic dispersion management) 를 하고 주파수-처프된 (frequency-chirped) 펄스들을 생성하도록 구성되는 파이버 발진기인, 펨토초 레이저 소스.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인젝팅 레이저 발진기는 주파수 처프되지 않은 펄스들을 전달하는 솔리톤 발진기를 포함하는, 펨토초 레이저 소스.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 솔리톤 발진기 다음에는, 상기 인젝팅 레이저 발진기에 의해 생성된 상기 펄스들을 시간적으로 스트레칭하도록 구성된 정상-분산 광 파이버가 후속되는, 펨토초 레이저 소스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도펀트는 이테르븀, 프라세오디뮴, 에르븀, 툴륨, 홀뮴 및 비스무트를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 펨토초 레이저 소스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭 광 파이버 (229) 및 상기 주파수-시프팅 파이버 (232) 는 서로 스플라이싱되는, 펨토초 레이저 소스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 파장 λ1 에서 펄스 잔여물 (pulse residue) 들을 제거하기 위한 고역 필터 (234) 를 더 포함하는, 펨토초 레이저 소스.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 펨토초 레이저 소스로서, 상기 펨토초 레이저 소스는 생체 매질의 깊이에 위치된 오브젝트를 향하여 펄스들을 방출하는데 적합한, 상기 펨토초 레이저 소스, 및
    상기 오브젝트에 의해 백스캐터링된 형광으로부터 상기 오브젝트의 이미지를 형성 및 획득하기 위한 현미경 (250) 을 포함하는, 이미징 시스템.
  11. 펨토초 레이저 펄스들을 생성하기 위한 방법으로서,
    - 주어진 도펀트로 도핑된 광 파이버에 기초한 인젝팅 발진기로, 제 1 파장 λ1 에서, 제 1 피코초 펄스를 생성하는 단계;
    - 증폭 광 파이버에 기초한 전력 증폭기로, 상기 제 1 펄스로부터, 상기 제 1 펄스에 대하여 증폭되는 에너지로, 상기 제 1 파장에서, 제 2 펄스를 생성하는 단계로서, 상기 증폭 광 파이버는 상기 인젝팅 발진기의 상기 광 파이버와 동일한 도펀트로 도핑되고, 솔리톤 압축 포인트의 거리 이하이고 상기 증폭 광 파이버가 비선형 레짐에서 동작하는 거리보다 큰 길이를 갖는, 상기 제 2 펄스를 생성하는 단계; 및
    - 상기 제 2 펄스를 수신하는데 적합한 주파수-시프팅 파이버에 의하여, 라만 자기-시프팅에 의해, 상기 제 1 파장 λ1 보다 엄밀히 긴 제 2 파장 λ2 에서 기본 솔리톤을 생성하는 단계를 포함하는, 펨토초 레이저 펄스들을 생성하기 위한 방법.
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