JP7721182B2

JP7721182B2 - ファイバーレーザーモジュールを含むシステム

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Publication number: JP7721182B2
Application number: JP2024102514A
Authority: JP
Inventors: マテウスプレウィッキ; ニールオウ
Original assignee: Atonarp Inc
Current assignee: Atonarp Inc
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2024-06-26
Publication date: 2025-08-12
Anticipated expiration: 2041-09-10
Also published as: JP7515936B2; US20240094131A1; US20230194429A1; US12366532B2; WO2022054923A1; US20240295500A1; JP2023541004A; JP2024114804A; US12007329B2; US11747282B2

Description

本発明は、ファイバーレーザーモジュールを含むシステムに関するものである。

特許文献１に顕微鏡が開示されている。この顕微鏡は、光源からの光の光束を第１ポンプ光束と第２ポンプ光束とに分ける第１分光部と、第２ポンプ光束を入力として受け、ストークス光束を出力するストークス光源と、第１のポンプ光束とストークス光束を多重化して多重化光束を生成する多重化部と、多重化光束を試料に集光する第１の集光部と、試料から発生するＣＡＲＳ光（前記多重化光束とは異なる波長を有する）を検出する第１の検出器と、前記第２のポンプ光束と前記ストークス光束の少なくとも一方を部分的に参照光束として分岐させる第２の分光部と、前記試料からの光束と前記参照光束を多重化して干渉光を生成する第２の多重化部と、干渉光を検出する第２の検出器とを有する。

国際公開ＷＯ２０１４／０６１１４７号公報

システムの基本的な光源（ソース光）を提供するファイバーレーザーモジュールのステージに適切なポンプパワーが提供されていることが要望されている。

本発明の一態様は、ＣＡＲＳ光を生成するためのストークス光、ポンプ光およびプローブ光を供給する光モジュールを含むシステムである。光モジュールは、ストークス光およびポンプ光に変換するための第１のソース光とプローブ光に変換するための第２のソース光とを供給するためのファイバーレーザーモジュールを含む。ファイバーレーザーモジュールは、モードロックされたベースレーザーであって、第１のソース光と第２のソース光の生成のために分割されるベースレーザーを出力するように構成された発振器と、ベースレーザーの波長範囲をストレッチして第１のソース光を生成するように構成されたジェネレータであって、第１のレーザーパワーをポンプパワーとするジェネレータと、第２のレーザーパワーをポンプパワーとする第１のソース光用の第１のプリアンプおよび第３のレーザーパワーをポンプパワーとする第１のチャープパルス増幅器を含む第１の増幅器と、第４のレーザーパワーをポンプパワーとする第２のソース光用の第２のプリアンプおよび第５のレーザーパワーをポンプパワーとする第２のチャープパルス増幅器を含む第２の増幅器とを含む。

本明細書で開示する形態の１つは、ＣＡＲＳ（ＣｏｈｅｒｅｎｔＡｎｔｉ－ＳｔｏｋｅｓＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ、コヒーレント・アンチストークスラマン分光）光を生成するためのストークス光、ポンプ光およびプローブ光を供給する光モジュールからなるシステムである。光モジュールは、ストークス光およびポンプ光に変換する第１のソース光（光源）と、プローブ光に変換する第２のソース光（光源）とを供給するファイバーレーザーモジュールと、第１のソース光をストークス光およびポンプ光に、第２のソース光をプローブ光に変換するための複数の光学素子を含むオプティカルプレート（光学プレート）とを含む。ファイバーレーザーモジュールは、（ｉ）モードロックされたベースレーザーであって第１のソース光および第２のソース光の生成のために分割されるベースレーザーを出力するように構成された発振器と、（ｉｉ）このベースレーザーの波長範囲をストレッチして第１のソース光を生成するように構成されたジェネレータ（生成器）と、（ｉｉｉ）第１のソース光用の第１のプリアンプおよび第１のチャープパルス増幅（ＣＰＡ）ユニットを含む第１の増幅器（アンプ、アンプリファイア）と、（ｉｖ）第２のソース光用の第２のプリアンプおよび第２のＣＰＡユニットを含む第２の増幅器（アンプ、アンプリファイア）とを備える。

このシステムでは、それぞれのソース光の増幅器にプリアンプを設け、レーザーダイオードのレーザーパワーをジェネレータに加えてそれぞれのプリアンプに供給することによりストークス光、ポンプ光およびプローブ光のための安定かつ精密に制御または調整されたソース光を生成することが可能である。１つの実施形態では、ファイバーレーザーモジュールの異なる出力アームからのこれら２つのパルス（第１の光源（第１のソース光、第１のソースパルス）および第２の光源（第２のソース光、第２のソースパルス））は、５０ｐｓ以内の時間で同期している。

本明細書の実施形態は、図面を参照した以下の詳細な説明から、よりよく理解されるであろう。
図１はこの発明のシステムの一実施形態を示し、図２はシステムの波長プランを示し、図３は光モジュールのブロック図を示し、図４はファイバーレーザーモジュールの波長プランを示し、図５は発振器のブロック図を示し、図６はコンプレッサーの平面図を示し、図７はコンプレッサーの透視図を示し、図８はプローブパルスの時間的な構成を示し、図９はプローブパルスのスペクトルの構成を示している。

本明細書の実施形態とその様々な特徴および有利な詳細は、添付図面に図示され、以下の説明で詳述される非限定的な実施形態を参照してより完全に説明される。周知の構成要素および処理技術の説明は、本明細書の実施形態を不必要に不明瞭にしないように省略される。本明細書で使用される例は、単に、本明細書の実施形態が実施され得る方法の理解を容易にし、当業者が本明細書の実施形態を実践することをさらに可能にすることを意図している。したがって、実施例は、本明細書の実施形態の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

本明細書では、ファイバーレーザーおよび非線形光学で使用される多くの専門用語が示され、それの略語が使用される。以下のリストは、本明細書で使用される略語である。
ＦＬ Fiber Laser ファイバーレーザー
ＯＳＣ Oscillator 発振器（オシレーター）
ＬＤ Laser Diode レーザーダイオード
ＰＤ Photo Diode フォトダイオード
ＥＶＯＡ Electronically Controlled Variable Optical Attenuator
電子制御式可変光減衰器
ＳＡＭ Saturable Absorber Mirror 可飽和吸収ミラー
ＦＣ／ＡＰＣ Ferrule Connecter/Angled Physical Contact
フェルール継手／斜めフィジカルコンタクト（平面研磨接合）
Ｅｒ Erbium エルビウム
ＥＤＦＡ Erbium Doped Fiber Amplifier エルビウム添加ファイバー増幅器
Ｙｂ Ytterbium イッテルビウム
ＹＤＦＡ Ytterbium Doped Fiber Amplifier イッテルビウム添加ファイバー増幅器
ＳＭＦ Single Mode Fiber シングルモードファイバー
ＰＭ Polarization Maintaining 偏波保持
ＨＮＬＦ Highly Nonlinear Fiber 高非線形ファイバー
ＰＣＦ Photonic Crystal Fiber フォトニック結晶ファイバー
ＷＤＭ Wavelength Division Multiplexing 波長分割多重方式
ＣＩＲ Optical Circulator 光サーキュレーター
ＳＣ Super Continuum スーパーコンティニウム
ＳＨＧ Second Harmonic Generation 第二高調波発生
ＦＷＨＭ Full Width Half Maximum 半値幅
ＣＡＲＳ Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy
コヒーレント反ストークスラマン分光法
ＣＰＡ Chirped Pulse Amplification チャープパルス増幅（器）
ＣＦＢＧ Chirped Fiber Bragg Grating
チャープファイバーブラッググレーティング（チャープファイバブラッグ格子）ＩＷ Isolator/WDM Hybrid アイソレータ／ＷＤＭハイブリッド
ＴＷ Tap/WDM Hybrid タップ／ＷＤＭハイブリッド
ＴＩＷ Tap/Isolator/WDM Hybrid タップ／アイソレータ／ＷＤＭハイブリッド
ＮＰＤ Non-photon Power Dissipation ノンフォトンパワー損失（消費）

図１に、この発明の一実施形態によるシステム１を示す。システム１は、ターゲット（物体、試料）５上にＣＡＲＳ光５５を生成するためのストークス光５１、ポンプ光５２およびプローブ光５３を供給するための光モジュール１０を備える。光モジュール１０は、ストークス光５１およびポンプ光５２に変換するための第１のソース光（第１の光源、第１のソースパルス、第１のレーザーパルス）３１、およびプローブ光５３に変換するための第２のソース光（第２の光源、第２のソースパルス、第２のレーザーパルス）３２を供給するためのファイバーレーザモジュール３０と、第１のソース光３１をストークス光５１およびポンプ光５２に、第２のソース光３２をプローブ光５３に変換するための複数の光学素子２９を含むオプティカルプレート（光学プレート）２０とを含む。システム１は、ストークス光５１、ポンプ光５２およびプローブ光５３によってターゲット５を走査し、レンズ４５および他の光学要素を介してターゲット５からのＣＡＲＳ光５５を取得するように構成された走査モジュール（スキャンモジュール）４０、および解析のためにＣＡＲＳ光５５を検出するように構成された検出器（ディテクタ）４３を含んでもよい。システム１は、システム１全体を制御するためのコントローラ（プロセッサ）６０を含んでもよい。コントローラ６０は、レーザー制御モジュール６１、分析装置（アナライザ）６２などの他の機能を含んでもよい。

走査モジュール４０は、指先走査インターフェースモジュール（フィンガーチップスキャンニングインターフェイス）、非侵襲性のサンプラー、侵襲性のサンプラー、流路（フローパス）、またはウェアラブルな走査インターフェースであってもよい。それぞれのタイプの走査インターフェースは、取り換え可能であってもよい。

図２は、ＣＡＲＳ光学システム１の波長プランの一例を示す。ストークス光５１は波長１０８５～１２３０ｎｍの第１の範囲Ｒ１（４００ｃｍ^－１～１５００ｃｍ^－１）、ポンプ光５２は波長１０４０ｎｍの第２の範囲Ｒ２、プローブ光５３は波長７８０ｎｍの第３の範囲Ｒ３、ＴＤ－ＣＡＲＳ光（ＣＡＲＳ光、時間依存ＣＡＲＳ、時間遅延ＣＡＲＳ）５５は波長６８０～７６０ｎｍの範囲Ｒ５を含む。ストークス光５１およびポンプ光５２は、数十～数百ｍＷの１～数百ｆＳ（フェムト秒）オーダーのパルスを含んでもよい。プローブ光５３は、数十～数百ｍＷの１～数十ｐＳ（ピコ秒）オーダーのパルスを含んでもよい。時間分解コヒーレント反ストークスラマン散乱または時間遅延コヒーレント反ストークスラマン散乱（ＴＤ－ＣＡＲＳ）マイクロスコピー（顕微鏡）は、仮想電子遷移とラマン遷移の異なる時間応答を利用して、非共鳴バックグラウンドを抑制する技術としても知られている。このような測定方法を様々な用途に容易に適用できるシステムが求められている。

光学プレート２０上には、光路を構成するためのミラー、プリズム、ダイクロイックミラー等の複数の光学素子２９が搭載されている。光学プレート２０上には、３つの光路（アーム）２１～２３が設けられてもよい。光路（第１のアーム）２１は、第１のソース光３１の一部を分岐するためのスプリッタ２１ｓでストークス光５１を供給し、その一部をフォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ）２１ａに導き、伸張してストークス光５１を生成するための光路である。光路（第２のアーム）２２は、第１のソース源３１の他の部分をポンプ光５２として供給する。光路（第３アーム）２３は、第２のソース光３２からＳＨＧ２３ｓおよび遅延モジュール２３ａを経由してプローブ光５３を供給する。なお、光路２２および２３は、ポンプ光５２およびプローブ光５３に含まれるパルスのタイミングを微調整するための時間調整部２２ｄおよび２３ｄをそれぞれ含んでもよい。

図３は、ファイバーレーザーモジュール（ファイバーレーザーアセンブリ）３０と光学プレート（オプティカルプレート）２０とを含む光モジュール（オプティカルモジュール）１０の実施形態の１つを示す図である。図４は、ファイバーレーザーモジュール３０の波長プランを示している。ファイバーレーザーモジュール３０では、発振器（ＯＳＣ）３１０で生成（発生）される１５６０ｎｍを中心とするベースレーザー３５から１０３０ｎｍを中心とする第１のソース光３１と１５６０ｎｍを中心とする第２のソース光３２が出力される。ファイバーレーザーモジュール３０は、（１）ベースレーザ３５をモードロックして出力し、第１のソース光３１および第２のソース光３２の生成のために分割するように構成された発振器（ＯＳＣ）３１０と、（２）ベースレーザ３５の波長域を伸張（ストレッチ）して第１のソース光３１を生成するように構成された生成器（ジェネレータ）３２０、（３）第１のソース光３１のための第１のプリアンプ３４０および第１のチャープパルス増幅（ＣＰＡ）ユニット３５０を含む第１の増幅器（アンプ）３３０、（４）第２のソース光３２のための第２のプリアンプ３７０および第２のチャープパルス増幅（ＣＰＡ）ユニット３８０とを含む第２の増幅器（アンプ）３６０と、（５）第１のレーザーダイオード（ＬＤ０）３９５からのレーザーパワーを、発振器３１０に対し発振源として、ジェネレータ３２０に対しポンプパワー（＊１）として、第１のプリアンプ３４０に対しポンプパワー（＊２）として、さらに、第２のプリアンプ３７０に対しポンプパワー（＊３）として分配するよう構成されたＬＤパワー分配器（レーザーダイオードパワーディストリビュータ）３９０とを備えている。

このＬＤパワー分配器は、発振器３１０に供給されるレーザーパワーを安定化するための第１のＥＶＯＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＶａｒｉａｂｌｅＯｐｔｉｃａｌＡｔｔｅｎｕａｔｏｒ、電子制御式可変光減衰器）３９１と、発生器３２０に供給されるレーザーパワーを安定化するための第２のＥＶＯＡ３９２とを備えている。このファイバーレーザーモジュール３０では、ソース光３１および３２の増幅器３３０および３６０のそれぞれにプリアンプ３４０および３７０が設けられ、ＬＤパワー分配器３９０が、共通のレーザーダイオード（ＬＤ０）３９５からのレーザーパワーを発振器３１０およびジェネレータ３２０に加えて、各プリアンプ３４０および３７０に分配する。この構成により、ＬＤの数を減らすだけでなく、レーザダイオード（共通ＬＤ）３９５を、このＬＤの設計出力電力レベルの９０％～１００％に達する動作レベルで動作（稼働）させることが可能となる。ＬＤ３９５がこの領域で動作する場合、通常、ＬＤ３９５からの強度ノイズは最小となる。したがって、ＯＳＣ３１０から安定かつ精密に制御または調整されたベースレーザー３５を得ることができ、これを用いて安定かつ精密に制御または調整されたソース光３１および３２を発生させることができる。このファイバーレーザーモジュール３０では、異なる増幅器３３０および３７０から出力される第１のソース光３１のパルスと第２のソース光３２のパルスは、５０ｐｓ以内で時間的に同期している。

また、ＬＤパワー分配器は、ＯＳＣ３１０用の第１のＥＶＯＡ（ＥＶＯＡ１）３９１と、ジェネレータ３２０用の第２のＥＶＯＡ（ＥＶＯＡ２）３９２とを含む。ファイバーレーザーモジュール３０において、ＯＳＣ３１０はソース光（光源）３１および３２の母体となり、ＯＳＣ３１０からの変動やノイズは、次の段階を経て伝播し、増幅されることもあり得る。第１のＥＶＯＡ３９１は、ＯＳＣ出力（ベースレーザー）３５のモニターであるＰＤ０からのフィードバックと協調し、レーザー出力制御ループを形成し、第１のＥＶＯＡ３９１を微調整（精度よく調整）することによりＯＳＣ出力パワーを積極的に安定化させる。１μｍジェネレーションステージ３２０については、スーパーコンティニュウム発生プロセスであるため、出力パワーやスペクトルは入力パワーに大きく依存する。同じパワーコントロールの考え方で、ＨＮＬＦ３２５への入力パワーを一定にするために、プリアンプに第２のＥＶＯＡ（ＥＶＯＡ２）３９２が用いられている。

このファイバーレーザーモジュール３０は、システム１の２つの基本的な光源（ソース光）３１および３２を提供する。１つは１０３２ｎｍを中心とする波長のものであり、他の１つは１５６０ｎｍを中心とする波長のものである。これら２つの出力３１および３２は、光学プレート２０への入力となり、光学プレート２０の入力要件にマッチする。１０３２ｎｍ出力（第１の光源、第１のソース光）３１は、～６６ｐｓのＦＷＨＭパルス持続時間（パルスデュレイション）を有する１２ＭＨｚの光パルスを提供する。スペクトルＦＷＨＭ帯域幅は～１４ｎｍであり、コリメータに接続されたＦＣ／ＡＰＣコネクタからの直接の平均出力パワーは、４５０ｍＷ～５２０ｍＷの範囲であることが好ましい。この出力は、パルスコンプレッション（圧縮）のためにフリースペース（自由空間）の回折格子コンプレッサー（圧縮器）７１に送られる。コンプレッサー７１の後、このビームは、分割され、ＣＡＲＳストークスおよびＣＡＲＳポンプの生成のために、２つのアーム２１および２２にそれぞれ入力される。１０３２ｎｍファイバーレーザー出力３１からの供給パワーは、自由空間の伝搬における損失を補償するためのものであり、したがって、パワーレベルは、光学プレート上のさらなる段階における入力の要求を満たすことができる。

１５６０ｎｍ出力（第２の光源、第２のソース光）３２は、１０３２ｎｍ出力３１と全く同じパルス頻度（パルスの繰り返し）を１２ＭＨｚで提供する。ＦＷＨＭパルス持続時間は～３５ｐｓであり、ＦＷＨＭスペクトル帯域幅は～７ｎｍである。平均出力パワーは、１３０ｍＷから１８０ｍＷの範囲である。この出力３２は、パルスコンプレッション（圧縮）のためにフリースペースグレーチングコンプレッサー（自由空間回折格子圧縮器）７２に送られる。コンプレッサー７２の後、このビーム３２は非線形結晶を介してＳＨＧ２３ｓを用い、波長７８０ｎｍのＣＡＲＳプローブビーム５３として提供される。

このファイバーレーザーモジュール３０は全体として、発振器ステージ（ＯＳＣ）３１０、１μｍ発生ステージ（ジェネレータ）３２０、１０３２ｎｍＣＰＡステージ（第１のアンプ）３５０、１５６０ｎｍＣＰＡステージ（第２のアンプ）３６０の４つのサブアセンブリ（ステージ）から構成されている。以下、各ステージについて説明する。

ファイバーレーザーモジュール３０は、ポンプＬＤおよびパワー分配器３９０として機能するＦＬモジュールを含む。３つのＬＤ３９５～３９７が用いられており、それらが提供できる９８０ｎｍでの最大出力パワーは、レーザーダイオード（ＬＤ０）３９５、レーザーダイオード（ＬＤ１）３９６、およびレーザーダイオード（ＬＤ２）３９７の順に、６００ｍＷ、８５０ｍＷ、および８５０ｍＷである。レーザーダイオード（ＬＤ０）３９５は、発振器３１０、１μｍジェネレータの増幅器３２０、ＣＰＡステージ３５０および３８０の前段のプレアンプステージ３４０および３７０にポンプパワーを供給する。まず、レーザーダイオード（ＬＤ０）３９５からの出力（レーザーパワー）は、２０／８０カプラ（ＦＬ１４）に直接スプライス（直に接合）される。その後、２０％アーム（２０％用の光路、２０％分岐）は、電子的に制御可能な第１のＥＶＯＡ（ＥＶＯＡ１）３９１にスプライスされる。ソフトウェアループは、このコンポーネントと協働して、発振器３１０からの出力電力を正確に制御することができる。次に、ＦＬ１４からの８０％アーム（８０％用の光路、８０％分岐）は、カプラ（ＦＬ１５）で５０／５０の比率に分割される。ＦＬ１５からの１つのアームは第２のＥＶＯＡ（ＥＶＯＡ２）３９２に行き、ジェネレータ３２０で安定した１μｍ生成のためのアンプ出力パワーを制御するために使用される。ＦＬ１５からの他の５０％アームは、その後再び５０／５０に分割され、各アームはその後、ＣＰＡステージ３３０および３６０のプリアンプポンプ入力にスプライス（接合）される。

図５は、ＯＳＣ３１０の構成を示す図である。このファイバーレーザーＯＳＣ３１０は、図５に示すように、Ｅｒドープドアクティブファイバー（Ｅｒ添加活性ファイバー）で構築され、Ｃバンド範囲（１５３０ｎｍ～１５６５ｎｍ）の出力波長を提供し、分配器３９０内の９７６ｎｍでワークするレーザーダイオード（ＬＤ０）３９５がＯＳＣ（発振器）３１０にポンプパワーを提供するとともに、ＣＰＡステージ３３０および３６０内のプリアンプのサブアセンブリにもポンプパワーを提供する。レーザーダイオード（ＬＤ０）３９５からの出力は、ファイバーカプラーで２０／８０に分割される。２０％アームは、発振器３１０への入力ポンプパワーを細かく制御するために第１のＥＶＯＡ（ＥＶＯＡ１）３９１にリンクされる。この発振器３１０に用いられているファイバーは、Ｃバンド波長で異常分散と正常分散を持つＰＭ－ＳＭＦを含む。これは、キャビティ（空洞）内部の不要な非線形効果を最小化するために、キャビティディスパージョン（空洞分散）を管理するためである。ファイバー長は、出力仕様における繰り返し周波数である１２ＭＨｚに合わせて精密に調整されている。レーザー出力３５はＳＡＭ３１５でモードロックされ、ＦＷＨＭスペクトル帯域幅が６～８ｎｍ、平均出力が１～１．５ｍＷであるがＳＡＭ３１５とＥｒファイバの特性による。出力３５の１０％はファイバーカプラーで分岐され、ＰＤ０に送られ、発振器パワーモニターに使用される。この発振器パワーモニターは、第１のＥＶＯＡ（ＥＶＯＡ１）３９１への印加電圧を制御する電子基板のフィードバックとなり、ＯＳＣ３１０の出力パワーを一定に制御する。残りの９０％は５０／５０で分割され、それぞれ１μｍジェネレータステージ３２０と１５６０ｎｍＣＰＡステージ（第２の増幅器）３６０に送られる。

分配器（ディストリビュータ）３９０では、レーザーダイオード（ＬＤ０）３９５とのファイバーカプラ（ＦＬ１４）からの８０％アームは、別のファイバカプラ（ＦＬ１５）によって５０／５０に分割される。一方の分岐（ブランチ）は、ＣＰＡステージ３３０および３６０のプリアンプに行く。もう一方のブランチは、第２のＥＶＯＡ（ＥＶＯＡ２）３９２に接続され、ＥＤＦＡ（Ｅｒ０２）のポンプとして１μｍジェネレーションステージ（発生ステージ、生成ステージ）３２０に行く。これらのブランチに関しては、後のサブセクションで詳しく説明する予定である。

ＦＬモジュール３２０は、１μｍジェネレーションステージ（発生ステージ、生成ステージ、ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）である。このステージ３２０の機能は、１５６０ｎｍのベースレーザ３５から１μｍの波長を生成（発生）させることである。１μｍアームと１．５μｍアームとで全く同じ反復率（周波数）を得ることが目的である。図３にその構成を示す。このステージ３２０は、発振器３１０からの出力３５をステージ入力とする。出力の増幅は、このステージ３２０内に組み込まれたＥＤＦＡ（Ｅｒ０２）で行われ、増幅器からの平均出力パワー（電力）は～１８ｍＷである。パワーの１％がカップリングされ、パワー監視のために増幅器の出力直後のＰＤ１に送られる。ＰＤ１からの信号は、第２のＥＶＯＡ（ＥＶＯＡ２）３９２を制御する基板へのフィードバックとなり、このＥＤＦＡからの出力パワーを一定に保つことができる。ＥＤＦＡの出力パルスは、負の分散を提供するファイバーの一部によって直接圧縮される。ＨＮＬＦ３２５へのスプライスポットにおいて、ＦＷＨＭパルス持続時間（デュレイション）は～６０ｆｓに圧縮され、～２５ｋＷのピークパワーに相当する。このピークパワーの光パルスを短いＨＮＬＦに送ると、波長は１５６０ｎｍから伸び（広がり）、最終的には１μｍから１．７μｍをカバーするようになる。これがいわゆるＳＣ生成過程である。すなわち、このピークパワーのパルスは、ＨＮＬＦ３２５中を伝播し強い非線形効果を受け、１５６０ｎｍから短波長および長波長へとスペクトルを広げることができ、最終的には１μｍから１．７～１．８μｍのスーパーコンティニュームスペクトルを形成することができる。この１μｍの部分は、次の増幅器３３０のために収穫される我々のターゲットである。

ＦＬモジュール３３０は、１０３２ｎｍＣＰＡステージ（第１の増幅器）である。このステージ３３０は、前置増幅（プレアンプリフィケーション）、パルス伸張（パルスストレッチ）、および最終の増幅プロセスを含む。分配器３９０のどのＥＶＯＡにも接続されていない５０％ポンプ分岐は、ここで別のファイバカプラ（ＦＬ１６）により再度５０／５０に分岐される。一方のアームは、この１０３２ｎｍＣＰＡステージ３３０のプリアンプ３４０へ、他方は１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０のプリアンプ３７０へ向かい、これについては後述する。

図３に示すように、生成された１μｍは１μｍＣＩＲ３３３のポート＃１に送られる。このＣＩＲ３３３のポート＃１からポート＃２にかけては、成分の特性上、ＳＣスペクトルから１μｍの部分のみが選択される。ポート＃２では、Ｙｂファイバー（Ｙｂ０１）、ＣＦＢＧ３３５、１０３０／９８０ＷＤＭ／Ｔａｐハイブリッドコンポーネント３３６が順次接合（接続）される。選択された１μｍのシード（元、ソース）は、まずＹｂファイバーにおいて増幅される。その後、ＣＦＢＧ３３５が１０１８ｎｍから１０５３ｎｍの波長範囲内で４０％程度のパワーを反射する。この範囲外の波長はＣＦＢＧ３３５を直接透過してＷＤＭ３３６から出力される。ＷＤＭ３３６の出力は、このプリアンプ３４０以降のスペクトル（ｔａｐ２を介して）とパワー（ＰＤ２を介して）のモニターとして用いられる。反射された部分は再びＹｂファイバー（Ｙｂ０１）を通過し、２回目の増幅を受けた後にポート＃２へ戻る。ポート＃２に入ったプレアンプされた１μｍパルスは、ＣＩＲ３３３のポート＃３から出力される。この時点で、１μｍパルスは伸張され、最終増幅器３５０で増幅される準備が整ったことになる。

レーザーダイオード（ＬＤ１）３９６は、１０３２ｎｍの最終増幅器３５０に最大８５０ｍＷのポンプパワーを供給する個別のレーザーダイオードである。最初に、ＣＩＲポート＃３からのシード（種、素）は、アイソレータ／ＷＤＭハイブリッドコンポーネント３３７にスプライス（接続、接合）される。この部品は、反射光と残留ポンプによる損傷から前方のステージを保護する。次に、Ｙｂファイバー（Ｙｂ０２）とＷＤＭ３３８とが順に接合され、１０３２ｎｍのＣＰＡステージ３３０を構築する。最終出力（第１の光源、第１のソース光）３１は、～６６ｐｓのＦＷＨＭパルス持続時間を有する１２ＭＨｚの光パルスを提供する。スペクトルＦＷＨＭ帯域幅は～１４ｎｍであり、コリメータに接続されたＦＣ／ＡＰＣコネクタからの直接の平均出力パワーは４５０ｍＷ～５２０ｍＷの範囲にあることが好ましい。ＰＤ３とｔａｐ３には１％のＴａｐが接続され、パワーとスペクトルのモニタリングがそれぞれ行われる。ＰＤ３は、１０３２ｎｍＣＰＡステージ３３０からの出力を一定にするための制御ループを形成するためのフィードバックを提供する。

ＦＬモジュール３６０は、１５６０ｎｍのＣＰＡステージである。図３に示すように、このステージ３６０は、前置増幅（プレアンプリフィケーション）、パルス伸張（パルスストレッチ）、および最終増幅のプロセスを含む。構成の概要は１０３２ｎｍＣＰＡステージ３３０と同じであるが、波長領域が異なるため、構成要素が若干異なる。前置増幅器（プレアンプ）３７０のポンプソースは、分配器３９０から分割されたポンプの残り半分である。１５６０ｎｍのシードは、ＯＳＣ出力３５の８０％から分割された残り半分である。１０３２ｎｍＣＰＡステージ３３０の考え方は１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０にも適用されるが、１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０の１５６０ｎｍＣＩＲ３６１ポート＃１を用いて、１５６０ｎｍで動作するＣＦＢＧ３６３とＷＤＭ３６４とのコンポーネントを、シードをプリアンプとパルスストレッチプロセスに持ち込んでいる。レーザーダイオード（ＬＤ２）３９７は、１５６０ｎｍの最終増幅器３８０に最大８５０ｍＷのポンプパワーを供給する、もう１つの個別のレーザーダイオードである。ＣＩＲ３６１のポート＃３から、プレアンプされたシードが、Ｅｒ－ファイバ（Ｅｒ０４）およびタップ／アイソレータ／ＷＤＭハイブリッドコンポーネント３６５に送られ、１５６０ｎｍのＣＰＡステージ３６０を完成させる。

最終出力は、１５６０ｎｍの出力３２として１２ＭＨｚの光パルスを提供する。ＦＷＨＭパルス持続時間は～３５ｐｓであり、ＦＷＨＭスペクトル帯域幅は～７ｎｍである。平均出力パワーは１３０ｍＷから１８０ｍＷの範囲である。ＰＤ４とｔａｐ４とは１％のＴａｐが接続され、パワーとスペクトルとの両方のモニタリングが行われる。ＰＤ４はまた、１５６０ｎｍＣＰＡステージ３６０から一定の出力を得る制御ループを形成するためのフィードバックを提供する。

図６および７は、コンプレッサー（１５６０ｎｍパルスコンプレッサー）７２を説明する図である。ファイバーレーザーモジュール３０が提供するチャープパルス増幅方式の一部であり、コンプレッサー７１および７２は、それぞれのアーム２１、２２および２３に供給する前に、第１のソース光３１および第２のソース光３２のパルスのストレッチ（伸張）をそれぞれ反転させるために光学プレート２０に設けられたものである。一般に、コンプレッサーは、パルス持続時間（継続時間、デュレーション）を変化させている。それは、入力されたレーザーパルスの持続時間を達成可能な最短の持続時間に圧縮している。すなわち、超高速システムで使用されるチャープパルス増幅（ＣＰＡ）方式では、短いレーザーパルスはまず伸張され、次に増幅され、最後に短いパルス持続時間に戻るように圧縮される。増幅率が高いほど、パルスの時間的な枠（エンベロープ）を歪ませる損傷や非線形効果を避けるために、パルスを大きく伸張する必要がある。伸張（ストレッチング）はファイバーで実現できるが、問題は圧縮である。従来のコンプレッサー（圧縮器）は、２つの平行なグレーティングからなり、グレーティングの間隔は圧縮係数に比例する。

図６および図７に示されるコンプレッサー７２は、ファイバーレーザーモジュール３０から供給される伸張された光源（ソース光、１５６０ｎｍパルス）３２を圧縮するものである。コンプレッサー７２は、グレーチング（回折格子）７１０と、回折格子７１０の両側７２１および７２２において、光路７００をそれぞれ折り返すために設けられた第１の光学素子７１１および第２の光学素子７１２とを含む。第２の光学素子７１２は、第１の光学素子７１１と直交する方向に光を折り返すように配置されている。コンプレッサー７２は、第１の光学素子７１１の側７２１において、光路７００を折り返すための第３の光学素子７１３をさらに含んでもよい。コンプレッサー７２において、光路７００を折り返すための代表的な光学素子はプリズムであり、したがって、第１の光学素子７１１は第１のプリズム７３１を含み、第２の光学素子７１２は、第１のプリズム７３１と直交する方向に光を折り返すように配置された第２のプリズム７３２を含んでもよい。第３の光学素子７１３は、第１のプリズム７３１と平行な方向に光を折り返すように配置された第３のプリズム７３３を含んでもよい。また、コンプレッサー７２は、第３の光学素子７１３の位置を調整して、圧縮するための光路長を詳細に制御するための位置調整装置７１５を含んでもよい。

コンプレッサー７２において、ビーム、この場合、第２のソース光３２は、コンプレッサー７２に入り、そのスペクトル成分は、グレーティング７１０によって回折される。光路７００は波長に依存するので、パルス持続時間が３桁伸びるようにスペクトル位相が変更される。圧縮率７２は、グレーティングの分離の関数である。折り曲げられた設計のプリズム７３１、７３２および７３３は、同じグレーティング７１０上でスペクトルを再帰反射するために使用される。プリズム７３３はリニアステージ（位置調整装置）７１５上に配置され、グレーティングの平行度に影響を与えることなく有効なグレーティング分離能力を変更する便利な方法を提供する。

この１５６０ｎｍコンプレッサー７２の場合、第１および第２の入射の間の距離は～２００ｍｍであるので、フットプリント（設置面積）をコンパクトにするために、第２のプリズム７３２は第２の折り返し用に追加される。回折格子７１０に２回目の入射後、ビーム７０２は、第１のプリズム７３１と直交する（垂直な）方向に光を折り返すように配置された第２のプリズム７３２に入るため、高さが変化したビーム７０２を再帰反射（逆に反射）させることができる。次に、ビーム７０２は、その経路を引き返す。４回目のグレーティング７１０への入射で、スペクトルは出力ビーム７１５に再結合され、プローブ光５３を生成するために第３のアーム（光路）２３の第２のソース光（光源）３２として使用される。

説明したように、フットプリント（設置面積、占有面積）を最小にするために、コンプレッサー７２では、１つのグレーティングを用いた折り返し設計が用いられている。コンプレッサー７２において、グレーティング７１０で回折されたビーム７０１は、第１のプリズム７３１と第３のプリズム７３３で折り返され、グレーティング７１０に再入射される。再びグレーティング７１０で回折されたビーム７０２は、さらに進み、第２のプリズム７３２で折り畳まれてグレーティング７１０に再入射する。コンプレッサー７２は、光路７００を２回折り返しており、１回の折り返し方式よりもはるかに小さなフットプリントを実現する。二重に折り畳まれたコンプレッサー７２は、一重に折り畳まれた同等の構造よりも、２倍小さいフットプリントを占めている。なお、コンプレッサー７１にも同様の構造を適用することができる。

光学プレート２０に含まれる第３の光路（第３のアーム）２３には、プローブパルスの形状を制御するためのＳＨＧとしてＰＰＬＮ２３ｓが採用されている。本システム１において、プローブ光５３として供給されるプローブパルスには、相反する２つの要求がある。すなわち、システム１のスペクトル分解能を高めるためには狭帯域（ナローバンド幅）のプローブパルスが必要であり、共振ＣＡＲＳ信号５５を抑制するために時間遅延を用いる場合のシステム１の時間分解能を高めるためにはエッジの鋭い（シャープエッジを有する）プローブパルスが必要であるということである。単純な倍化用の結晶（ダブリングクリスタル）と比較して、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ、周期的分極反転ニオブ酸リチウム）２３ｓを用いることで、より高い変換効率と広い帯域幅を達成することが可能である。同時に、ＰＰＬＮの周期構造を使用することにより、図８および図９に示すように、同じ帯域幅の等価ガウスパルスよりもはるかに急峻なプローブエッジを生成する建設的干渉（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）がもたらされる。

以上において説明したように、ＴＤ－ＣＡＲＳのためのハイブリッド・ファイバー／フリースペース（自由空間）レーザー・アーキテクチャ（ファイバー／フリースペース複合型のレーザー構成）が開示されている。フェムト秒ファイバーレーザーシステムは、２つの主要な出力を有する。１つの出力は、６ｎｍ前後の帯域幅で１５６０ｎｍを中心とする１２ＭＨｚの光源（ソース光）を供給する。このスペクトル条件により、パルス幅を～５８０ｆｓまで圧縮することができる。ピークパワーは最大～１７ｋＷ、平均パワーは最大１２０ｍＷに達することができる。もう１つの出力は、全く同じ繰り返し周波数で、波長が１０３０ｎｍを中心として１４ｎｍの帯域幅のソース光である。圧縮後のパルス幅は～１２０ｆｓである。最大平均出力は４５０ｍＷで、ピークパワーは最大～２３０ｋＷまで到達できる。出力コリメータでは、異なる出力アームからのこれら２種類のパルスは、５０ｐｓ以内で時間的に同期できる。

本明細書では、高性能ＣＡＲＳのためのフルファイバーソリューションが開示されている。このピコ秒ファイバーレーザーシステムは、時間的に重なった１μｍおよび１．３μｍパルスを含む１つの出力を有する。このシステムは、～０．３ｎｍの狭い帯域幅で１μｍの出力波長を提供するレーザー発振器が最初となる。これが基（素、源、シード）となり、増幅ステージのために２つのアームに分割される。一方のアーム（光路）では、増幅された１μｍがスーパーコンティニウム発生用のフォトニック結晶ファイバーに直接接合され、１．３μｍまでの波長域を提供する。１．３μｍを中心とする１００ｎｍの帯域幅であれば平均出力は１００ｍＷまで可能である。１．３μｍアームは、１μｍアームと再び結合され、最終的に単一出力となる。最終的な出力は、１．３μｍで１００ｍＷ、１μｍでワット(Ｗ)レベルの平均電力を含み得る。出力のパルス幅は２０ｐｓ未満である。様々な設計により、２つのパルスは部分的に時間的に重なり合うことも、完全に時間的に重なり合うことも可能である。

本明細書では、コンパクトな光コンプレッサーが開示されている。超高速システムで使用されるチャープパルス増幅（ＣＰＡ）方式では、短いレーザーパルスはまず伸張され、次に増幅され、最後に短いパルス持続時間に戻るように圧縮される。増幅率が高いほど、パルスの時間的な枠（エンベロープ）を歪ませる損傷や非線形効果を避けるために、パルスの伸張を大きくする必要がある。伸張（ストレッチング）はファイバーで実現できるため、問題は圧縮となる。従来のコンプレッサーは２つの平行な回折格子からなり、回折格子の間隔は圧縮率に比例している。また、設置面積（フットプリント）を小さくするために、１枚のグレーティングを折り曲げて使用してもよい。我々は、さらにコンプレッサーを２つ折りにすることを提案し、１つ折りよりもはるかに小さなフットプリントを達成できる。２つ折り（ダブルフォルデド）コンプレッサーを示すアセンブリを示しており、１つ折りのコンプレッサーと同等の構造よりも半分に近い設置面積が実現できる。

本明細書では、プローブパルスの形状制御が開示されている。このプローブパルスには、狭帯域（ナローバンド）で高いスペクトル分解能を実現することと、共振ＣＡＲＳ信号を抑制するために遅延を用いたときに、パルスエッジをシャープにして時間分解能を実現するという、相反する要求がある。単純な２倍波結晶では変換効率が低く、帯域もＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ）より広くなってしまう。同時に、ＰＰＬＮの周期構造を使用すると、同じ帯域幅の等価ガウスパルスよりもはるかに急峻なプローブエッジを生成する建設的干渉を発生させることができる。

上記には、ＣＡＲＳ光を生成するためのストークス光、ポンプ光およびプローブ光を供給する光モジュールを含むシステムが開示されている。前記光モジュールは、前記ストークス光および前記ポンプ光に変換するための第１のソース光と前記プローブ光に変換するための第２のソース光とを供給するためのファイバーレーザーモジュールと、前記第１のソース光を前記ストークス光および前記ポンプ光に変換し、前記第２のソース光を前記プローブ光に変換するための複数の光学素子を含むオプティカルプレートとを有し、前記ファイバーレーザーモジュールは、モードロックされたベースレーザーであって、前記第１のソース光と前記第２のソース光の生成のために分割されるベースレーザーを出力するように構成された発振器と、前記ベースレーザーの波長範囲をストレッチして前記第１のソース光を生成するように構成されたジェネレータと、前記第１のソース光用の第１のプリアンプおよび第１のチャープパルス増幅器を含む第１の増幅器と、前記第２のソース光用の第２のプリアンプおよび第２のチャープパルス増幅器を含む第２の増幅器と、第１のレーザーダイオードからのレーザーパワーを、前記発振器に対し発振源として、前記ジェネレータに対しポンプパワーとして、前記第１のプリアンプに対しポンプパワーとして、さらに、前記第２のプリアンプに対しポンプパワーとして分配するように構成されたレーザーダイオードパワーディストリビュータとを含む。前記レーザーダイオードパワーディストリビュータは、前記発振器に供給される前記レーザーパワーを安定化させる第１のＥＶＯＡ（電子制御式可変光減衰器）と、前記ジェネレータに供給される前記レーザーパワーを安定化させる第２のＥＶＯＡを含んでもよい。

前記オプティカルプレートの前記複数の光学素子は、前記ファイバーレーザーモジュールから供給されるストレッチされたソース光を圧縮するコンプレッサーを含み、前記コンプレッサーは、グレーティングと、前記グレーティングの両側の光路をそれぞれ折り返すための第１の光学素子および第２の光学素子を含んでもよい。前記第２の光学素子は、前記第１の光学素子に対し直交する方向に光を折り返すように配置されていてもよい。前記第１の光学素子は第１のプリズムを含み、前記第２の光学素子は前記第１のプリズムに対し直交する方向に光を折り返すように配置された第２のプリズムを含んでいてもよい。前記コンプレッサーは、前記第１の光学素子の側で光路を折り返すための第３の光学素子をさらに含んでいてもよい。前記オプティカルプレートの前記複数の光学素子は、前記第２のソース光から前記プローブ光を生成するための第２高調波発生（ＳＨＧ）を含み、前記ＳＨＧは、前記ファイバーレーザーモジュールから供給されるストレッチされたソース光を圧縮するための周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）コンプレッサーを含み、前記コンプレッサーは、グレーティングと、前記グレーティングの両側の光路をそれぞれ折り曲げるための第１の光学素子および第２の光学素子とを含んでいてもよい。

前記オプティカルプレートの前記複数の光学素子は、前記第１のソース源の一部を分岐してフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）に導いて伸張して前記ストークス光を生成し、前記第１のソース光の他の一部を前記ポンプ光として分岐させるためのスプリッタを含んでいてもよい。このシステムは、前記ストークス光、前記ポンプ光および前記プローブ光によってターゲットをスキャンし、前記ターゲットからＣＡＲＳ光を取得するように構成されたスキャンニングモジュールと、前記ＣＡＲＳ光を分析するために検出するように構成されたディテクターとをさらに有していてもよい。前記第１のソース光は１０３０ｎｍを中心とし、前記第２のソース光は１５６０ｎｍを中心とし、前記ベースレーザーは１５６０ｎｍを中心とするものであってもよい。

特定の実施形態の前述の説明は、本明細書の実施形態の一般的な性質を十分に明らかにするので、第三者は、現在の知識を適用することによって、一般的な概念から逸脱することなく、かかる特定の実施形態を容易に修正および／または様々な用途に適合させることができ、したがって、かかる適合および修正は、開示した実施形態の意味および同等物の範囲で理解されるべきであるし、理解することを意図するものである。本明細書で採用される言い回しまたは用語は、説明のためのものであり、限定するためのものではないことを理解されたい。したがって、本明細書では、好ましい実施形態について説明したが、当業者は、本明細書の実施形態が、添付の請求項の精神および範囲内で変更を加えて実施できることを認識するであろう。

１システム、１０光モジュール、２０オプティカルプレート
３０ファイバーレーザーモジュール

Claims

ＣＡＲＳ光を生成するためのストークス光、ポンプ光およびプローブ光を供給する光モジュールを含むシステムであって、
前記光モジュールは、前記ストークス光および前記ポンプ光に変換するための第１のソース光と前記プローブ光に変換するための第２のソース光とを供給するためのファイバーレーザーモジュールを含み、
前記ファイバーレーザーモジュールは、モードロックされたベースレーザーであって、前記第１のソース光と前記第２のソース光の生成のために分割されるベースレーザーを出力するように構成された発振器と、
前記ベースレーザーの波長範囲をストレッチして前記第１のソース光を生成するように構成されたジェネレータであって、第１のレーザーパワーをポンプパワーとするジェネレータと、
第２のレーザーパワーをポンプパワーとする前記第１のソース光用の第１のプリアンプおよび第３のレーザーパワーをポンプパワーとする第１のチャープパルス増幅器を含む第１の増幅器と、
第４のレーザーパワーをポンプパワーとする前記第２のソース光用の第２のプリアンプおよび第５のレーザーパワーをポンプパワーとする第２のチャープパルス増幅器を含む第２の増幅器とを含み、
前記光モジュールは、前記第１から第５のレーザーパワーを供給するための複数のレーザーダイオードを含み、前記第１から第５のレーザーパワーの少なくとも１つのレーザーパワーを、前記複数のレーザーダイオードの少なくとも１つのレーザーダイオードの出力を分割することにより供給するレーザーダイオードパワーディストリビュータを含む、システム。
請求項１において、
前記光モジュールは、前記第１のソース光を前記ストークス光および前記ポンプ光に変換し、前記第２のソース光を前記プローブ光に変換するための複数の光学素子を含むオプティカルプレートを含み、
前記複数の光学素子は、前記ファイバーレーザーモジュールから供給されるストレッチされたソース光を圧縮するコンプレッサーを含み、
前記コンプレッサーは、グレーティングと、
前記グレーティングの両側の光路をそれぞれ折り返すための第１の光学素子および第２の光学素子を含む、システム。
請求項２において、
前記第２の光学素子は、前記第１の光学素子に対し直交する方向に光を折り返すように配置されている、システム。
請求項２において、
前記第１の光学素子は第１のプリズムを含み、
前記第２の光学素子は前記第１のプリズムに対し直交する方向に光を折り返すように配置された第２のプリズムを含む、システム。
請求項２において、
前記コンプレッサーは、前記第１の光学素子の側で光路を折り返すための第３の光学素子をさらに含む、システム。
請求項２において、
前記オプティカルプレートの前記複数の光学素子は、前記第２のソース光から前記プローブ光を生成するための第２高調波発生（ＳＨＧ）を含み、
前記ＳＨＧは、周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を含む、システム。
請求項２において、
前記オプティカルプレートの前記複数の光学素子は、前記第１のソース光の一部を分岐してフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）に導いて伸張して前記ストークス光を生成し、前記第１のソース光の他の一部を前記ポンプ光として分岐させるためのスプリッタを含む、システム。
請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記ストークス光、前記ポンプ光および前記プローブ光によってターゲットをスキャンし、前記ターゲットからＣＡＲＳ光を取得するように構成されたスキャンニングモジュールと、
前記ＣＡＲＳ光を分析するために検出するように構成されたディテクターとをさらに有する、システム。
請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記第１のソース光は１０３０ｎｍを中心とし、前記第２のソース光は１５６０ｎｍを中心とし、前記ベースレーザーは１５６０ｎｍを中心とする、システム。