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WO2009119585A1 - パルス光源装置 - Google Patents

パルス光源装置 Download PDF

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Publication number
WO2009119585A1
WO2009119585A1 PCT/JP2009/055828 JP2009055828W WO2009119585A1 WO 2009119585 A1 WO2009119585 A1 WO 2009119585A1 JP 2009055828 W JP2009055828 W JP 2009055828W WO 2009119585 A1 WO2009119585 A1 WO 2009119585A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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pulse
optical
light source
light
source device
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/055828
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
健二 平
浩義 矢島
Original Assignee
オリンパス株式会社
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 オリンパス株式会社 filed Critical オリンパス株式会社
Priority to JP2010505677A priority Critical patent/JPWO2009119585A1/ja
Priority to US12/678,391 priority patent/US20100195193A1/en
Publication of WO2009119585A1 publication Critical patent/WO2009119585A1/ja

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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4006—Injection locking

Definitions

  • the present invention relates to a pulse light source device used in a multiphoton imaging apparatus that observes an object using a multiphoton excitation process.
  • the ultrashort pulse light source is expected to be applied in a wide range of fields including biotechnology, medical care, and ultrafine processing.
  • a light source using a solid-state laser typified by a titanium sapphire laser is currently commercialized as an ultrashort pulse light source.
  • This light source using a solid-state laser is mainly used for research purposes as a light source for nonlinear microscopic imaging such as a multiphoton excitation fluorescence microscope.
  • solid lasers represented by titanium sapphire lasers are large in size, low in laser output stability, low in operability because the optical system must be adjusted each time, and expensive. And so on. For this reason, this solid-state laser light source has been used only in laboratories that are fully equipped with air-conditioning equipment and large-scale vibration isolation tables and have specialized laser operators stationed. And has not yet reached the stage of practical use in biolabs.
  • Non-Patent Document 1 discloses a gain-switch-driven surface emitting laser (vertical cavity, surface, emitting laser, VCSEL), a single mode optical fiber that compensates for red shift chirp of an optical pulse, an optical filter that performs waveform shaping, and a semiconductor.
  • An ultrashort pulse light source for multiphoton imaging comprising an optical amplifier and a fiber-type optical amplifier is disclosed.
  • this multi-photon imaging pulsed light source is made up of a semiconductor laser that does not require an external resonator. it can. Furthermore, a stabilization mechanism or the like necessary for a conventional light source such as a solid-state laser is not required, and since it can be configured with relatively inexpensive parts, the price can be reduced. That is, it has many necessary conditions as a practical light source.
  • FIG. 8A is a diagram showing a schematic configuration of a pulse light source device using a VCSEL and a pulse waveform on a path of an optical pulse.
  • the VCSEL 100 is gain-switch driven by an electric pulse from the electric pulse generator 101.
  • the photon lifetime of the VCSEL 100 is short, so that an ultrashort pulse with a pulse width on the order of picoseconds can be obtained relatively easily.
  • the light intensity obtained from the VCSEL 100 is about an order of magnitude lower than when the edge-emitting semiconductor laser is driven by a gain switch. Therefore, the light output from the gain switch-driven VCSEL 100 is amplified by a semiconductor optical amplifier (SOA) 102.
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • the SOA 102 is always driven by the amplifier control device 103, that is, DC driven.
  • the input light intensity to the SOA 102 is small. For this reason, when the input light having a low light intensity is amplified by the SOA 102, the signal-to-noise ratio (SNR) of the output light is significantly deteriorated.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • Non-Patent Document 1 As shown in FIG. 8B, a gain switch driven VCSEL 100 is used, and an active time gate is provided on the optical path of the optical pulse so that the optical pulse and the optical pulse The noise floor existing between pulses is removed to improve the SNR of the light source.
  • the SOA 102 is turned ON / OFF by the amplification control device 103 in synchronization with the pulse drive of the VCSEL 100 by the electric pulse generator 101, thereby causing the SOA 102 to function as a time gate simultaneously with the amplification function.
  • the noise floor between the light pulses is removed to improve the SNR.
  • This active time gate must always be synchronized with the optical pulse output from the VCSEL 100.
  • a shift is likely to occur in the synchronization between the light pulse and the time gate due to the influence of heat from the electric circuit. Therefore, a device that stabilizes the temperature in the light source device and a feedback circuit that fixes synchronization are indispensable, and there is a concern that the configuration of the device becomes complicated and the cost of the entire device increases.
  • an object of the present invention made by paying attention to these points is to provide a pulse light source device for a multiphoton imaging device that can improve SNR with a relatively simple configuration that does not use an active time gate. It is to provide.
  • a pulsed light source device used in a multiphoton imaging apparatus for observing an object using a multiphoton excitation process An optical pulse source that emits an optical pulse train; and Optical amplification means for amplifying the optical pulse train; A saturable absorber that removes a noise floor of the optical pulse train; It is characterized by providing.
  • the invention according to the second aspect is the pulse light source device according to the first aspect,
  • the optical amplification means comprises a plurality of optical amplifiers,
  • the saturable absorption element is arranged between the optical amplifiers in succession.
  • the invention according to a third aspect is the pulse light source device according to the first aspect,
  • the supersaturated absorption element is arranged at a subsequent stage of the optical amplification means.
  • the invention according to a fourth aspect is the pulse light source device according to the first aspect,
  • the supersaturated absorption element is arranged in front of the optical amplification means.
  • the invention according to a fifth aspect is characterized in that, in the pulse light source device according to the first aspect, a pulse compression means for shortening the time width of the optical pulse is provided in the preceding stage of the saturable absorption element. .
  • the invention according to a sixth aspect is the pulse light source device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the saturable absorber element is composed of a semiconductor saturable absorber element, a carbon nanotube, or a nonlinear optical loop mirror. It is characterized by.
  • the pulse used for the multiphoton imaging apparatus with improved SNR by a relatively simple configuration.
  • a light source device can be realized.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an optical system including a pulsed light source device for multiphoton imaging according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of incident light density versus absorptance characteristics of a saturable absorber.
  • FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of the multiphoton imaging system shown in FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a multiphoton imaging system having a pulsed light source device for a multiphoton imaging apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a specific configuration of the multiphoton imaging system shown in FIG. FIG.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a multiphoton imaging system having a pulsed light source device for a multiphoton imaging apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a specific configuration of the multiphoton imaging system shown in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing a conventional pulse light source device and its output pulse waveform.
  • Optical Pulse Source 11 Surface Emitting Laser (VCSEL) 12 Electric Pulse Generator 13 Single Mode Optical Fiber (SMF) 20 First optical amplifier 21 Yb-doped fiber optical amplifier (YDFA) 22 Bandpass filter (BPF) 30 Supersaturated Absorption Element 31 Resonant Semiconductor Supersaturated Absorption Mirror 32 Carbon Nanotube (CNT) 40 Second optical amplifier 41 Yb-doped fiber optical amplifier (YDFA) 42 High-power Yb-doped fiber amplifier (YDFA) 50 Multiphoton Imaging Device 51 Multiphoton Excitation Fluorescence Microscope 52 Collimating Lens 53 XY Galvano Mirror (XY-GM) 54 Pupil projection lens (PL) 55 Tube lens (TL) 56 Dichroic mirror (DM) 57 Photomultiplier tube (PMT) 58 Objective lens 59 Sample 61 Single mode optical fiber (SMF) 62 Collimating lens 63 Total reflection mirror 64 Total reflection mirror 70 Pulse compressor 71 Negative group velocity dispersion devices 72a and 72b
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a multiphoton imaging system having a pulse light source device according to a first embodiment of the present invention.
  • waveforms (1) to (4) of the optical pulse train transmitted between the constituent elements are also displayed.
  • the multiphoton imaging system according to the present embodiment includes an optical pulse source 10, a first optical amplifier 20, a saturable absorption element 30, a second optical amplifier 40, and a multiphoton imaging apparatus 50 that constitute a pulse light source device.
  • the first optical amplifier 20 and the second optical amplifier 40 constitute optical amplification means. Note that the above-described components are connected by a single mode optical fiber.
  • an optical pulse (1) having a repetition frequency of 10 MHz and a pulse width of about 20 ps is emitted from the optical pulse source 10 and is incident on the first optical amplifier 20.
  • the first optical amplifier 20 operates as a preamplifier and amplifies the optical pulse (1) emitted from the optical pulse source 10. Since this amplified light pulse (2) has a noise floor caused by spontaneous emission (ASE) noise or the like, the SNR becomes low.
  • the supersaturated absorber 30 includes, for example, a semiconductor saturable absorber (SESAM), a carbon nanotube (CNT), a nonlinear optical loop mirror (NOLM), or the like. .
  • SESAM semiconductor saturable absorber
  • CNT carbon nanotube
  • NOLM nonlinear optical loop mirror
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the incident light density vs. absorptivity characteristic of the saturable absorption element 30.
  • the light absorption rate of the saturable absorption element 30 decreases as the incident light intensity increases. That is, the light transmittance or reflectance of the saturable absorber element 30 depends on the incident light intensity. When the incident light intensity is low, the transmittance or reflectance is low, and when the incident light intensity is high, the transmittance is low. Alternatively, the reflectance increases. Therefore, when the incident light to the saturable absorption element 30 is an optical pulse train, the transmittance or reflectance at the peak portion of the optical pulse is the highest, and the transmission at the portion where the light intensity between the optical pulses is weak.
  • the rate or reflectivity is low.
  • the saturable absorber 30 can remove the noise floor existing between the light pulses and acts as a passive time gate for the light pulses.
  • the response speed of the supersaturated absorption element 30 with respect to the change in the incident light intensity is faster, in this embodiment, the light pulses are arranged very sparsely on the time axis, and thus are absorbed by the passage of the light pulses.
  • the recovery time from the state in which the rate is reduced to the return to the state in which the absorption rate is high after passing through the optical pulse may be longer than the pulse time width.
  • the incident light pulse (2) passes through the saturable absorption element 30 having the absorptivity characteristics as described above, and becomes a light pulse (3) from which the noise floor has been removed.
  • the optical pulse (3) emitted from the saturable absorption element 30 is amplified as shown by the optical pulse (4) by the second optical amplifier 40 which is a high output amplifier, introduced into the multiphoton imaging apparatus 50, and the sample. Used for observation.
  • the optical pulse (4) amplified by the optical amplifier 40 also has a high SNR.
  • the multiphoton imaging apparatus 50 unnecessary heat is generated in the sample, and the sample can be prevented from being damaged by heat. Further, in this configuration, since the saturable absorption element 30 is provided at the subsequent stage of the first optical amplifier 20 as the preamplifier, the second optical amplifier 40 that is a subsequent high-output amplifier has noise of incident light. Therefore, it is possible to suppress power consumption for amplifying the noise component, and to efficiently amplify the optical pulse.
  • FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of the multiphoton imaging system shown in FIG.
  • an optical pulse source 10 a VCSEL 11 that oscillates in a single longitudinal mode and a single transverse mode at a wavelength of 978 nm
  • an electric pulse generator 12 that generates a current pulse having a repetition frequency of 10 MHz and a pulse width of about 800 ps, and Is used to generate an optical pulse having a down chirp with a pulse width of about 20 ps using a gain-switched vertical-cavity-surface-emitting-laser (GS-VCSEL).
  • GS-VCSEL gain-switched vertical-cavity-surface-emitting-laser
  • the emitted light from the VCSEL 11 is guided to a single-mode fiber (SMF) 13 having a length of about 500 meters that compensates for the down chirp of the optical pulse.
  • SMF single-mode fiber
  • the outgoing light pulse from the SMF 13 is amplified to an average light intensity of 2 mW by a Yb-doped fiber-type amplifier (YDFA) 21 that constitutes the first optical amplifier 20. Furthermore, the ASE and pedestal are removed from the optical pulse emitted from the YDFA 21 by a band-pass filter (BPF) 22 made of a dielectric multilayer film having a transmission bandwidth of about 0.60 nm.
  • BPF band-pass filter
  • an outgoing light pulse from the BPF 22 is incident on a resonant semiconductor saturable absorber mirror (R-SESAM) 31 in which reflecting mirrors are arranged at both ends of the SESAM constituting the supersaturated absorber 30.
  • R-SESAM resonant semiconductor saturable absorber mirror
  • the noise floor of the optical pulse train is removed.
  • the output light from the R-SESAM 31 is incident on the high-power YDFA 41 constituting the second optical amplifier 40, where it is amplified to an average light intensity of 50 mW.
  • the output light from the YDFA 2 is introduced into the laser scanning type multiphoton excitation fluorescence microscope 51 via the SMF 61 having a length of 2 meters.
  • the multi-photon excitation fluorescence microscope 51 includes a collimating lens 52, an XY galvano mirror (XY-GM) 53, a pupil projection lens (pupil lens): a tube lens (tube lens: TL) 55, a dichroic mirror. (Dichroic mirror: DM) 56, photomultiplier tube (PMT) 57, objective lens 58, and sample 59 to be observed.
  • XY-GM XY galvano mirror
  • PMT photomultiplier tube
  • the light pulse incident on the multiphoton excitation fluorescence microscope 51 passes through the collimator lens 52, is reflected by the XY-GM 53, and irradiates the sample 59 via the PL 54, TL 55, DM 56, and objective lens 58.
  • the irradiation position of the light pulse is scanned on the sample by scanning the incident light with the XY-GM 53.
  • fluorescence generated on the sample 59 by the multiphoton process passes through the objective lens 58, is separated from the incident light by the DM 56, and is amplified and observed by the PMT 57.
  • this configuration it is possible to realize a pulse light source device for a multiphoton imaging apparatus that generates an optical pulse train having a wavelength of 978 nm, a peak intensity of 1.5 kW, a pulse width of 3 ps, and a repetition frequency of 10 MHz. Since this light source device includes a saturable absorber element, a sufficiently high SNR can be obtained without providing an active time gate such as a synchronous circuit. Therefore, it is possible to realize a low-cost multi-photon imaging pulsed light source device that is small in size, has stable output, and has high operability.
  • the noise floor generated in the amplifier 21 is removed, and the noise of the incident light is reduced in the YDFA 41 which is a high output amplifier in the subsequent stage. It is suppressed and the light pulse can be amplified efficiently.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a multi-photon imaging system having a pulse light source device according to the second embodiment of the present invention.
  • waveforms (1) to (4) of the optical pulse train transmitted between the constituent elements are also displayed.
  • the saturable absorber element 30 is provided not in the preceding stage but in the subsequent stage of the second optical amplifier 40. That is, in the present embodiment, the supersaturated absorption element 30 is provided in the subsequent stage of the optical amplification means 40.
  • the light pulse (1) emitted from the light pulse source 10 is amplified by the first light amplifier 20 as indicated by light pulse (2).
  • the amplified optical pulse (2) has an SNR deteriorated by ASE or the like, but is further amplified by the second amplifier 40 without removing noise.
  • the light pulse (3) output from the second amplifier is incident on the saturable absorber 30 and becomes a light pulse (4) from which noise is removed, and is introduced into the multiphoton imaging apparatus 50.
  • the multiphoton imaging apparatus 50 can prevent the sample from being damaged by the heat generated by the noise floor. Furthermore, a supersaturated absorption element 30 is provided in the subsequent stage of the optical amplifying means comprising the first optical amplifier 20 and the second optical amplifier 40, and the multiphoton imaging apparatus without amplifying the outgoing light pulse from the saturable absorption element 30 50, the SNR of the light pulse incident on the multiphoton imaging apparatus 50 can be made higher than that in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a specific configuration of the multiphoton imaging system shown in FIG.
  • the R-SESAM 31 is removed from the specific configuration of the first embodiment shown in FIG. 3, and a CNT 32 is provided as a saturable absorption element in the subsequent stage of the YDFA 41.
  • the noise floor of the optical pulse emitted from the VCSEL 11 is removed by the CNT 32 arranged at the subsequent stage of the YDFA 41.
  • the light pulse from which the noise floor has been removed is guided to the multiphoton excitation fluorescence microscope 51 via the SMF 61 without being further amplified, that is, without accompanying a noise component generated by the amplification. For this reason, the SNR of the light pulse used in the multiphoton excitation fluorescence microscope 51 is further improved, and thermal damage to the sample due to noise can be further reduced.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a multi-photon imaging system having a pulse light source device according to the third embodiment of the present invention. Similarly to FIGS. 1 and 4, the waveforms (1) to (5) of the optical pulse train transmitted between the components are also displayed.
  • the pulse compressor 70 is provided between the optical amplifier 40 and the saturable absorber 30 in the second embodiment shown in FIG. 4. That is, in the present embodiment, the supersaturated absorption element 30 is provided after the optical pulse compression means.
  • the optical pulse (1) emitted from the optical pulse source 10 is amplified by the first optical amplifier 20 as shown by the optical pulse (2), and further by the second optical amplifier 40. Amplified as shown in optical pulse (3).
  • the amplified optical pulse (3) has an SNR deteriorated by ASE or the like, but the time width is compressed by the pulse compressor 70 without removing noise.
  • the light pulse (4) output from the pulse compressor 70 enters the saturable absorber 30 and becomes a light pulse (5) from which noise has been removed, and is introduced into the multiphoton imaging apparatus 50.
  • the multiphoton imaging apparatus 50 in the multiphoton imaging apparatus 50, it is possible to prevent the sample from being thermally damaged by the heat generated by the noise floor. Furthermore, a larger supersaturated absorption effect can be obtained in the supersaturated absorption element arranged in the latter stage of the pulse compressor due to the increase in peak power accompanying the pulse compression. Therefore, as compared with the second embodiment, the SNR of the light pulse incident on the multiphoton imaging apparatus 50 can be made higher.
  • FIG. 7 is a diagram showing a specific configuration of the multiphoton imaging system shown in FIG.
  • This multiphoton imaging system is obtained by adding the following modifications to the specific configuration of the second embodiment shown in FIG. That is, the CNT 32 is removed, and the high output YDFA 42 is disposed between the YDFA 41 and the SMF 61.
  • the total reflection in which the collimator lens 62, the negative group velocity dispersion compensator 71, the R-SESAM 31, and the light pulse emitted from the collimator lens is incident on the negative group velocity dispersion compensator 71 between the SMF 61 and the LSM 51.
  • a total reflection mirror 64 for making the optical pulse emitted from the mirror 63 and the negative group velocity dispersion compensator 71 incident on the R-SESAM 31 is disposed.
  • the high output YDFA 42 has an output of several W class, and by using this high output YDFA 42, the intensity of the optical pulse is increased.
  • a self-phase modulation (SPM) effect occurs in the high-power YDFA 42 or the SMF 61. Due to the interaction between the SPM effect and the group velocity dispersion effect of the optical fiber constituting the high-power YDFA 42 and the SMF 61, the optical pulse spectrum is broadened, the optical pulse time width is expanded, and chirp is accumulated.
  • SPM self-phase modulation
  • a negative group velocity dispersion compensator 71 is used as the pulse compressor 70.
  • the negative group velocity dispersion compensator 71 is composed of two reflective diffraction gratings 72 a and 72 b and a folding mirror 73.
  • the light pulse incident on the first reflective diffraction grating 72a is diffracted, emitted at different angles for each wavelength component, and converted into parallel light by the second reflective diffraction grating 72b.
  • the spatial distribution of the light pulse changes from a circular shape at the time of incidence to an elliptical shape, and the folding mirror 73 is parallel to the incident light at a height different from the incident height in a direction parallel to the groove of the reflective diffraction grating. It is folded back and diffracted again by the two diffraction gratings 72a and 72b to become the original circular shape.
  • the negative group velocity dispersion compensator 71 is a negative group velocity dispersion means.
  • the negative group velocity dispersion compensates for the chirp of the previous optical pulse and expands the optical spectrum width.
  • An optical pulse having a width of several picoseconds can be compressed into an optical pulse of several hundred femtoseconds.
  • the inventors of the present application confirmed that the optical pulse having a pulse width of 5 to 30 ps output from the SMF 61 was compressed to 200 to 300 fs.
  • a transmission type diffraction grating, a prism or a grism can be used as the negative group velocity dispersion means.
  • the R-SESAM 31 is arranged between the total reflection mirror 64 and the multiphoton excitation fluorescence microscope 51. However, the R-SESAM 31 is arranged inside the multiphoton excitation fluorescence microscope 51 or the total reflection mirror.
  • the light pulse from the negative group velocity dispersion compensator 71 may be directly incident without using 64. Further, the negative group velocity dispersion compensator 71 may be arranged inside the multiphoton excitation microscope 51.
  • the optical pulse emitted from the VCSEL 11 becomes a pulse with a very high peak power compressed by the negative group velocity dispersion compensator 71 to a time width of 200 fs to 300 fs, and the negative group velocity dispersion compensator
  • the noise floor is removed by the R-SESAM 31 arranged at the subsequent stage of 71. Since the supersaturated absorption effect in R-SESAM can be obtained more efficiently when the peak power of the optical pulse is higher, the optical pulse used in the multiphoton excitation fluorescence microscope 51 can be obtained by using the configuration shown in FIG.
  • the SNR of the sample can be further improved, and thermal damage to the sample due to noise can be further reduced.
  • a high light intensity is required for the saturable absorption element to perform the saturable absorption operation.
  • a light intensity of 100 ⁇ J / cm 2 or more is required, and about 10 3 to 10 4 or more in order to make full use of the noise removal function of SESAM.
  • the peak intensity / noise floor intensity of the incident light pulse is required.
  • a pulse light source device for a multiphoton imaging apparatus light pulses having a repetition frequency of 1 MHz to 100 MHz, a pulse width of 0.1 ps to 10 ps, and a pulse energy of about 1 to 20 nJ are used.
  • the beam diameter of the light pulse is reduced to about 10 ⁇ m, the light intensity density is about several mJ / cm 2 .
  • the optical pulse width / pulse interval is about 10 ⁇ 5 to 10 ⁇ 6 , and the optical pulses are arranged very sparsely on the time axis.
  • the SNR is 1, that is, when the time-averaged signal light intensity is equal to the noise intensity
  • the peak intensity / noise floor intensity of the incident light pulse is 10 5 to 10 6.
  • the performance can be fully utilized.
  • the SNR was improved by 170 times by arranging the SESAM in the optical path so that the light pulse was reflected 10 times.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and many variations or modifications are possible.
  • the saturable absorption element 30 may be disposed immediately after the optical pulse source 10, that is, before the optical amplification means.
  • the optical amplifying means can be composed of one optical amplifier, or can be composed of three or more optical amplifiers.
  • the number of supersaturated absorption elements is not limited to one, and can be arranged at an arbitrary position such as before and after the amplifier.
  • the multi-photon imaging apparatus is not limited to an imaging apparatus using a multi-photon excitation fluorescence microscope, but a second-harmonic generation (SHG) imaging apparatus, a third-harmonic generation (THG). ) An imaging device or a coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) imaging device.
  • the present invention is effective when used in a microscope apparatus that uses a multiphoton excitation process, but can also be applied to other imaging apparatuses such as an endoscope that uses a multiphoton excitation process.

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Abstract

　光パルス列を出射する光パルス源（１０）と、光パルス列を増幅する光増幅手段（２０，４０）と、光パルス列のノイズフロアを除去する過飽和吸収素子（３０）とを備えたパルス光源装置。これによって、同期回路や能動的時間ゲートを使用しない比較的単純な構成により、ＳＮＲを向上できる小型で安定性が高い多光子イメージング装置用パルス光源装置を提供する。

Description

パルス光源装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２００８年３月２４日に出願された日本国特許出願２００８－７６１９７号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。
　　本発明は、多光子励起過程を用いて対象物を観察する多光子イメージング装置に用いるパルス光源装置に関するものである。
　超短パルス光源は、バイオ・医療・超微細加工を始め広範な分野での応用が期待されている。特にバイオ・医療応用では、現在超短パルス光源としてチタンサファイアレーザに代表される固体レーザによる光源が商用化されている。この固体レーザによる光源は、主として、多光子励起蛍光顕微鏡をはじめとする非線形顕微イメージング用光源として、研究用途で使用されている。
　しかしながら、チタンサファイアレーザに代表される固体レーザは、装置が大型となること、レーザ出力の安定性が低いこと、光学系をその都度調整する必要があり操作性が低いこと、および、価格が高価であること等の問題点を有している。このため、この固体レーザによる光源が使用されるのは、これまで、空調設備と大型の除震台が完備され専門のレーザオペレーターが常駐するような研究室に限られ、通常の環境にある病院やバイオ実験室で実用的な使用に供される段階には至っていない。
　実用的な多光子イメージング装置用超短パルス光源として、現在までに、半導体レーザを用いた光源の開発も進められてきた。例えば、非特許文献１には、利得スイッチ駆動される面発光レーザ (vertical cavity surface emitting laser:ＶＣＳＥＬ) 、光パルスのレッドシフトチャープを補償する単一モード光ファイバ、波形整形を行う光フィルタ、半導体光増幅器、および、ファイバ型光増幅器を備える多光子イメージング用超短パルス光源が開示されている。
　この多光子イメージング用パルス光源は、従来の固体レーザ等の光源とは異なり、外部共振器を必要としない半導体レーザで構成されるため、高い安定性および優れた操作性が得られるとともに、小型にできる。さらに従来の固体レーザ等の光源に必要であった、安定化機構などが不要となり、また、比較的低価格な部品で構成できるので、価格も安くすることができる。つまり、実用的な光源としての必要条件の多くを備えている。
K. Taira et al., Optics Express, vol. 15, pp. 2454-2458 (2007).
　図８（ａ）は、ＶＣＳＥＬを使用したパルス光源装置の概略構成と、光パルスの経路上のパルス波形を示す図である。図８（ａ）において、ＶＣＳＥＬ１００は、電気パルス発生装置１０１からの電気パルスにより利得スイッチ駆動される。端面発光型半導体レーザと比較すると、ＶＣＳＥＬ１００の光子寿命は短いため、パルス幅がピコ秒オーダの超短パルスを比較的容易に得ることができる。しかし、ＶＣＳＥＬ１００から得られる光強度は、端面発光型半導体レーザを利得スイッチ駆動した場合よりも一桁程度低い。このため、利得スイッチ駆動されたＶＣＳＥＬ１００より出力される光は、半導体光増幅器 (semiconductor optical amplifier:ＳＯＡ)１０２によって増幅される。このＳＯＡ１０２は、増幅器制御装置１０３で常時、すなわち直流駆動される。ここで、ＳＯＡ１０２への入力光強度が小さい。このため、この光強度の小さい入力光をＳＯＡ１０２で増幅すると、出力光の信号対雑音比 (signal-to-noise ratio：ＳＮＲ) が著しく劣化してしまう。
　図８（ａ）に示すように、ＳＯＡ１０２からのパルスレーザ光のＳＮＲが劣化すると、時間軸上において、光パルスと光パルスとの間にノイズフロアが生じる。光パルスのピークパワーと比較すると、このノイズフロアの瞬時光強度はかなり低いため、多光子イメージング用試料の多光子励起にはほとんど寄与しない。しかし、ノイズフロアが光パルスと光パルスとの間も試料に継続的に照射されることにより、試料中に不要な熱を発生し試料に熱損傷を与える原因となり得る。従って、このノイズフロアを除去して光パルスのＳＮＲを改善することは、多光子イメージング用光源にとって非常に重要な課題である。このＳＮＲの改善は、パルス光源と光増幅器とを組合せた光源装置を多光子イメージング装置に利用する際に特に重要になる。
　このため、前述の非特許文献１では、図８（ｂ）に示すように、利得スイッチ駆動される ＶＣＳＥＬ１００を用いるとともに、光パルスの光路上に能動的な時間ゲートを設けて、光パルスと光パルスの間に存在するノイズフロアを除去し、光源のＳＮＲを向上させるようにしている。
　すなわち、このパルス光源装置では、電気パルス発生装置１０１によるＶＣＳＥＬ１００のパルス駆動に同期して、増幅制御装置１０３によりＳＯＡ１０２をＯＮ／ＯＦＦ動作させ、これによりＳＯＡ１０２を増幅機能と同時に時間ゲートとしても機能させて、光パルスと光パルスとの間のノイズフロアを除去してＳＮＲを向上させるようにしている。
　この能動的な時間ゲートは、ＶＣＳＥＬ１００から出力される光パルスと常に同期している必要がある。しかしながら、本発明者らによる検討によると、電気回路からの熱などの影響により、光パルスと時間ゲートとの同期には、ずれが発生しやすいことが判明している。そのため、光源装置内の温度を安定化させる装置や、同期を固定するフィードバック回路が必要不可欠となり、装置の構成が複雑化し、装置全体のコストの上昇を招くことが懸念される。
　したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、能動的時間ゲートを使用しない比較的単純な構成により、ＳＮＲを向上できる小型で安定性が高い多光子イメージング装置用パルス光源装置を提供することにある。
　上記目的を達成する第１の観点に係るパルス光源装置に関する発明は、
　多光子励起過程を用いて対象物を観察する多光子イメージング装置に用いるパルス光源装置であって、
　光パルス列を出射する光パルス源と、
　前記光パルス列を増幅する光増幅手段と、
　前記光パルス列のノイズフロアを除去する過飽和吸収素子と、
　を備えることを特徴とするものである。
　第２の観点に係る発明は、第１の観点に係るパルス光源装置において、
　前記光増幅手段は、複数の光増幅器からなり、
　前記過飽和吸収素子は、順次の前記光増幅器の間に配置したことを特徴とするものである。
　第３の観点に係る発明は、第１の観点に係るパルス光源装置において、
　前記過飽和吸収素子は、前記光増幅手段の後段に配置したことを特徴とするものである。
　第４の観点に係る発明は、第１の観点に係るパルス光源装置において、
　前記過飽和吸収素子は、前記光増幅手段の前段に配置したことを特徴とするものである。
　第５の観点に係る発明は、第１の観点に係るパルス光源装置において、前記過飽和吸収素子の前段に、光パルスの時間幅を短くするパルス圧縮手段を備えたことを特徴とするものである。
　第６の観点に係る発明は、第１～５の観点のいずれか一つに係るパルス光源装置において、前記可飽和吸収素子は、半導体可飽和吸収素子、カーボンナノチューブまたは非線形光ループミラーからなることを特徴とするものである。
　本発明によれば、光パルス源から出射された光パルス列に含まれるノイズフロアを過飽和吸収素子により除去するようにしたので、比較的単純な構成によりＳＮＲを向上した、多光子イメージング装置に用いるパルス光源装置を実現することができる。
図１は、本発明の第１実施の形態に係る多光子イメージング用パルス光源装置を含む光学システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は、過飽和吸収素子の入射光密度対吸収率特性の一例を示す図である。 図３は、図１に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。 図４は、本発明の第２実施の形態に係る多光子イメージング装置用パルス光源装置を有する多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。 図５は、図４に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。 図６は、本発明の第３実施の形態に係る多光子イメージング装置用パルス光源装置を有する多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。 図７は、図６に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。 図８は、従来技術のパルス光源装置とその出力パルス波形を示す図である。
符号の説明
１０　光パルス源
１１　面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
１２　電気パルス発生装置
１３　単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）
２０　第１の光増幅器
２１　Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
２２　バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
３０　過飽和吸収素子
３１　共振型半導体過飽和吸収ミラー
３２　カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
４０　第２の光増幅器
４１　Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
４２　高出力Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
５０　多光子イメージング装置
５１　多光子励起蛍光顕微鏡
５２　コリメートレンズ
５３　ＸＹガルバノミラー（ＸＹ－ＧＭ）
５４　瞳投影レンズ（ＰＬ）
５５　チューブレンズ（ＴＬ）
５６　ダイクロイックミラー（ＤＭ）
５７　光増倍管（ＰＭＴ）
５８　対物レンズ
５９　試料
６１　単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）
６２　コリメートレンズ
６３　全反射ミラー
６４　全反射ミラー
７０　パルス圧縮器
７１　負の群速度分散装置
７２ａ，７２ｂ　回折格子
７３　折り返しミラー
　以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
　[第１実施の形態]
　図１は、本発明の第１実施の形態に係るパルス光源装置を有する多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。この図では、各構成要素間を伝達される光パルス列の波形（１）～（４）を、併せて表示している。本実施の形態に係る多光子イメージングシステムは、パルス光源装置を構成する光パルス源１０、第１の光増幅器２０、過飽和吸収素子３０および第２の光増幅器４０と、多光子イメージング装置５０とを有している。本実施の形態では、第１の光増幅器２０および第２の光増幅器４０により光増幅手段を構成している。なお、上記の各構成要素の間は、単一モード光ファイバで接続されている。
　上記の構成において、光パルス源１０から、例えば、繰り返し周波数１０ＭＨｚ、パルス幅２０ｐｓ程度の光パルス（１）を出射させて、第１の光増幅器２０に入射させる。第１の光増幅器２０は、プリアンプとして動作し、光パルス源１０から出射された光パルス（１）を増幅する。この増幅された光パルス（２）は、自然放出光（amplified spontaneous emission:ＡＳＥ）雑音等により生じたノイズフロアを有するため、ＳＮＲは低くなる。
　次に、第１の光増幅器２０で増幅された光パルス（２）は、過飽和吸収素子３０に入射する。過飽和吸収素子３０は、例えば、半導体過飽和吸収素子（semiconductor saturable absorber mirror:ＳＥＳＡＭ）、カーボンナノチューブ（carbon nano-tube：ＣＮＴ）または、非線形光ループミラー（nonlinear optical loop mirror:ＮＯＬＭ）等により構成される。
　図２は、過飽和吸収素子３０の入射光密度対吸収率特性の一例を示す図である。過飽和吸収素子３０は、入射光強度が高くなると光吸収率が低下する。つまり、過飽和吸収素子３０の光透過率または反射率は、入射光強度に依存し、入射光強度が低い場合にはその透過率または反射率は低く、入射光強度が高い場合にはその透過率または反射率は高くなる。従って、過飽和吸収素子３０への入射光が光パルス列である場合、光パルスのピーク部分での透過率または反射率が最も高く、光パルスと光パルスとの間の光強度が弱い部分での透過率または反射率は低くなる。つまり、過飽和吸収素子３０は、光パルスと光パルスとの間に存在するノイズフロアを除去することができ、光パルスに対して受動的時間ゲートとして作用する。なお、過飽和吸収素子３０の入射光強度の変化に対する応答速度は速いほうが望ましいが、本実施の形態では、光パルスは時間軸上に非常に疎に配列されているため、光パルスの通過により吸収率が低下した状態から光パルス通過後に吸収率の高い状態に戻るまでの回復時間は、パルス時間幅よりも長くても良い。
　図１において、入射光パルス（２）は、上記のような吸収率特性を有する過飽和吸収素子３０を通過することによって、ノイズフロアが除去された光パルス（３）となる。この、過飽和吸収素子３０を出射した光パルス（３）は、高出力アンプである第２の光増幅器４０により光パルス（４）に示すように増幅され、多光子イメージング装置５０へ導入され、試料の観察に使用される。ここで、増幅器４０への入射光パルス（３）のノイズフロアが除去されているため、光増幅器４０で増幅された光パルス（４）も高いＳＮＲを有する。
　これによって、多光子イメージング装置５０では、試料中に不要な熱が発生し、試料が熱損傷を受けることを防止することができる。また、本構成では、プリアンプとしての第１の光増幅器２０の後段に、過飽和吸収素子３０を設けたので、さらにその後段の高出力アンプである第２の光増幅器４０においては、入射光のノイズが抑えられるので、ノイズ成分の増幅のために電力が消費されることを抑制でき、光パルスの増幅を効率良く行うことができる。
　図３は、図１に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。この多光子イメージングシステムでは、光パルス源１０として、波長９７８ｎｍで単一縦モード・単一横モード発振するＶＣＳＥＬ１１と、繰返し周波数１０ＭＨｚ、パルス幅約８００ｐｓの電流パルスを発生する電気パルス発生装置１２とを含む利得スイッチ面発光半導体レーザ（gain-switched vertical cavity surface emitting laser：ＧＳ－ＶＣＳＥＬ）を用いて、パルス幅約２０ｐｓのダウンチャープを有する光パルスを発生させる。
　ＶＣＳＥＬ１１からの出射光は、光パルスのダウンチャープを補償する約５００メートルの長さを有する石英系単一モード光ファイバ（single-mode fiber:ＳＭＦ）１３に導かれる。このＳＭＦ１３を通過することにより、光パルスの時間幅が約３ｐｓに圧縮される。
　ＳＭＦ１３からの出射光パルスは、第１の光増幅器２０を構成する、Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器 (Yb-doped fiber amplifier:ＹＤＦＡ) ２１で平均光強度２ｍＷまで増幅される。さらに、このＹＤＦＡ２１を出射した光パルスは、透過帯域幅が約０．６０ｎｍの誘電多層膜からなるバンドパスフィルタ（band-pass filter:ＢＰＦ）２２によって、ＡＳＥおよびペデスタルを除去される。
　その後、ＢＰＦ２２からの出射光パルスは、過飽和吸収素子３０を構成するＳＥＳＡＭの両端に反射鏡が配置された共振型半導体過飽和吸収ミラー（resonant semiconductor saturable absorber mirror：Ｒ－ＳＥＳＡＭ）３1に入射し、図２に基づいて説明したように、光パルス列のノイズフロアが除去される。次に、Ｒ－ＳＥＳＡＭ３１からの出力光は、第２の光増幅器４０を構成する高出力のＹＤＦＡ４１に入射し、ここで、平均光強度５０ｍＷまで増幅される。さらに、ＹＤＦＡ２からの出力光は、長さ２メートルのＳＭＦ６１を介してレーザ走査型の多光子励起蛍光顕微鏡５１に導入される。
　多光子励起蛍光顕微鏡５１は、コリメートレンズ５２、ＸＹガルバノミラー（XY galvano scanner mirror：ＸＹ－ＧＭ）５３、瞳投影レンズ（pupil lens：ＰＬ）５４、チューブレンズ（tube lens：ＴＬ）５５、ダイクロイックミラー（dichroic mirror：ＤＭ）５６、光増倍管（photo-multiplier tube：ＰＭＴ）５７、対物レンズ５８、および、観察対象の試料５９により構成されている。
　多光子励起蛍光顕微鏡５１に入射した光パルスは、コリメートレンズ５２を透過し、ＸＹ－ＧＭ５３で反射され、ＰＬ５４、ＴＬ５５、ＤＭ５６、対物レンズ５８を経由して試料５９を照射する。ここで、ＸＹ－ＧＭ５３により入射光を走査させることによって、試料上で光パルスの照射位置を走査させる。この光パルスの照射によって、多光子過程により試料５９上で発生する蛍光が、対物レンズ５８を透過し、ＤＭ５６で入射光と分離され、ＰＭＴ５７において増幅され観察される。
　本構成により、波長９７８ｎｍ、ピーク強度1.5kＷ、パルス幅３ｐｓ、繰返し周波数１０ＭＨｚの光パルス列を発生する多光子イメージング装置用のパルス光源装置を実現することができる。この光源装置は、過飽和吸収素子を含んで構成されることによって、同期回路等の能動的時間ゲートを設けなくとも十分高いＳＮＲが得られる。したがって、小型で出力が安定し、高い操作性を有する低コストの多光子イメージング用パルス光源装置を実現できる。さらに、本構成では、プリアンプとしてのＹＤＦＡ２１の後に、Ｒ－ＳＥＳＡＭ３１を設けたので、この増幅器２１で発生するノイズフロアが除去され、その後段の高出力アンプであるＹＤＦＡ４１においては、入射光のノイズが抑えられ、光パルスを効率良く増幅できる。
　[第２実施の形態]
　図４は、本発明の第２実施の形態に係るパルス光源装置を有する多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。図１と同様に、各構成要素間を伝達される光パルス列の波形（１）～（４）を、併せて表示している。図４は、図１に示した第１実施の形態において、過飽和吸収素子３０を、第２の光増幅器４０の前段ではなく後段に設けている。すなわち、本実施の形態では、過飽和吸収素子３０を光増幅手段４０の後段に設けている。
　本構成による多光子イメージングシステムにおいて、光パルス源１０から出射した光パルス（１）は、第１の光増幅器２０により光パルス（２）に示すように増幅される。この増幅された光パルス（２）は、ＳＮＲがＡＳＥ等により劣化しているが、ノイズの除去を行わずに、第２の増幅器４０でさらに増幅される。第２の増幅器から出力した光パルス（３）は、過飽和吸収素子３０に入射し、雑音が除去された光パルス（４）となり、多光子イメージング装置５０に導入される。
　これによって、第１実施の形態と同様に、多光子イメージング装置５０では、ノイズフロアの発生する熱により試料が熱損傷を受けることを防止することができる。さらに、第１の光増幅器２０および第２の光増幅器４０からなる光増幅手段の後段に過飽和吸収素子３０を設けて、この過飽和吸収素子３０からの出射光パルスを増幅することなく多光子イメージング装置５０に導入したので、第１実施の形態と比較して、多光子イメージング装置５０に入射する光パルスのＳＮＲをより高い状態にすることができる。
　図５は、図４に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。この多光子イメージングシステムは、図３に示した第１実施の形態の具体的構成から、Ｒ－ＳＥＳＡＭ３１を取り除き、ＹＤＦＡ４１の後段に過飽和吸収素子としてＣＮＴ３２を設けたものである。
　図５に示す構成により、ＶＣＳＥＬ１１を出射した光パルスは、ＹＤＦＡ４１の後段に配置されたＣＮＴ３２によってノイズフロアが除去される。ノイズフロアが除去された光パルスは、さらに増幅されること無く、すなわち、増幅によって発生するノイズ成分を伴うことなく、ＳＭＦ６１を経由して多光子励起蛍光顕微鏡５１に導かれる。このため、多光子励起蛍光顕微鏡５１で用いられる光パルスのＳＮＲがさらに改善され、ノイズによる試料の熱損傷をさらに低減することができる。
　[第３実施の形態]
　図６は、本発明の第３実施の形態に係るパルス光源装置を有する多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。図１及び図４と同様に、各構成要素間を伝達される光パルス列の波形（１）～（５）を、併せて表示している。図６は、図４に示した第２実施の形態において、光増幅器４０と過飽和吸収素子３０の間に、パルス圧縮器７０設けている。すなわち、本実施の形態では、過飽和吸収素子３０を光パルス圧縮手段の後段に設けている。
　本構成による多光子イメージングシステムにおいて、光パルス源１０から出射した光パルス（１）は、第１の光増幅器２０により光パルス（２）に示すように増幅され、さらに第２の光増幅器４０により光パルス（３）に示すように増幅される。この増幅された光パルス（３）は、ＡＳＥ等によりＳＮＲが劣化しているが、ノイズの除去を行わずに、パルス圧縮器７０にて時間幅が圧縮される。パルス圧縮器７０から出力される光パルス（４）は、過飽和吸収素子３０に入射し、雑音が除去された光パルス（５）となり、多光子イメージング装置５０に導入される。
　これによって、第２実施の形態と同様に、多光子イメージング装置５０では、ノイズフロアの発生する熱により試料が熱損傷を受けることを防止することができる。さらに、パルス圧縮に伴うピークパワーの増大により、パルス圧縮器後段に配置された過飽和吸収素子において、より大きな過飽和吸収効果が得られる。そのため、第２実施の形態と比較して、多光子イメージング装置５０に入射する光パルスのＳＮＲをより高い状態にすることができる。
　図７は、図６に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。この多光子イメージングシステムは、図５に示した第２実施の形態の具体的構成に、次のような変更を加えたものである。すなわち、ＣＮＴ３２を取り除き、ＹＤＦＡ４１とＳＭＦ６１との間に高出力ＹＤＦＡ４２を配置する。また、ＳＭＦ６１とＬＳＭ５１との間に、コリメートレンズ６２、負の群速度分散補償装置７１、Ｒ－ＳＥＳＡＭ３１、および、コリメートレンズを出射した光パルスを負の群速度分散補償装置７１に入射させる全反射ミラー６３並びにこの負の群速度分散補償装置７１から出射した光パルスをＲ－ＳＥＳＡＭ３１に入射させる全反射ミラー６４を配置する。
　高出力ＹＤＦＡ４２は、数Ｗ級の出力を有し、この高出力ＹＤＦＡ４２を用いることで、光パルスの高強度化が実現されている。光パルスの高強度化が行われることで、高出力ＹＤＦＡ４２中もしくはＳＭＦ６１中にて自己位相変調（self phase modulation: ＳＰＭ）効果が生じる。このＳＰＭ効果と高出力ＹＤＦＡ４２を構成する光ファイバやＳＭＦ６１の持つ群速度分散効果との相互作用により、光パルススペクトルの広帯域化、光パルス時間幅広がり、及びチャープの蓄積が起こる。
　パルス圧縮器７０としては負の群速度分散補償装置７１を用いる。負の群速度分散補償装置７１は、２枚の反射型回折格子７２ａ、７２ｂと折り返しミラー７３から構成される。１枚目の反射型回折格子７２ａに入射した光パルスは回折され、その波長成分毎に異なる角度で出射し、２枚目の反射型回折格子７２ｂで平行光化される。しかし、このままでは光パルスの空間分布は入射時の円形状から楕円形状となっており、折り返しミラー７３で反射型回折格子の溝と平行な方向に入射高さと異なる高さで入射光と平行に折り返され、再び２枚の回折格子７２ａおよび７２ｂで回折され元の円形状となる。
　負の群速度分散補償装置７１は負の群速度分散手段であり、この負の群速度分散により先の光パルスのチャープが補償されると共に、光スペクトル幅が拡大しているので、ＳＭＦ６１から出力される数ピコ秒幅の光パルスを、数百フェムト秒の光パルスに圧縮できる。実際に、本願発明者らが実験により確認したところによれば、ＳＭＦ６１から出力される５ｐｓ～３０ｐｓのパルス幅である光パルスが、２００ｆｓ～３００ｆｓに圧縮された。なお、負の群速度分散手段には反射型回折格子の他に透過型回折格子、プリズムまたはグリズム等が使用可能である。
　また、図７ではＲ－ＳＥＳＡＭ３１を全反射ミラー６４と多光子励起蛍光顕微鏡５１との間に配置したが、Ｒ－ＳＥＳＡＭ３１は、多光子励起蛍光顕微鏡５１内部に配置するか、または、全反射ミラー６４を用いずに負の群速度分散補償装置７１からの光パルスが直接入射するように配置しても良い。また、負の群速度分散補償装置７１を多光子励起顕微鏡５１内部に配置しても良い。
　図７に示す構成により、ＶＣＳＥＬ１１を出射した光パルスは、負の群速度分散補償装置７１で時間幅は２００ｆｓ～３００ｆｓに圧縮された非常にピークパワーが高いパルスとなり、負の群速度分散補償装置７１の後段に配置されたＲ－ＳＥＳＡＭ３１によってノイズフロアが除去される。光パルスのピークパワーが高い方が、より効率的にＲ－ＳＥＳＡＭにおける過飽和吸収効果を得ることができるため、図７に示した構成を用いることで、多光子励起蛍光顕微鏡５１で用いられる光パルスのＳＮＲがさらに改善され、ノイズによる試料の熱損傷をさらに低減することができる。
　なお、多光子イメージング装置用のパルス光源装置に過飽和吸収素子を利用することは、以下の点から、過飽和吸収素子の用途として非常に適している。
　すなわち、過飽和吸収素子を過飽和吸収動作させるためには、高い光強度が必要とされる。例えば、ＳＥＳＡＭを用いて十分な過飽和吸収動作を得るためには、１００μＪ／ｃｍ２以上の光強度が必要とされるとともに、ＳＥＳＡＭの雑音除去機能を十分生かすためには１０３～１０４程度以上の入射光パルスのピーク強度／ノイズフロア強度が必要とされる。このような要件を満たす用途は限られており、従来過飽和吸収素子があまり利用されてこなかった理由となっている。
　これに対して、多光子イメージング装置用のパルス光源装置では、繰り返し周波数１ＭＨｚ～１００ＭＨｚ、パルス幅０．１ｐｓ～１０ｐｓ、パルスエネルギー１～２０ｎＪ程度の光パルスが使用される。この光パルスのビーム径を１０μｍ程度に絞ると、光強度密度は数ｍＪ／ｃｍ２程度となる。また、光パルス幅／パルス間隔は、１０－５～１０－６程度であり、光パルスは時間軸上に非常に疎に配置されている。このため、例えば、ＳＮＲが１、つまり時間平均した信号光強度と雑音強度とが等しい場合には、入射光パルスのピーク強度／ノイズフロア強度は１０５～１０６となるので、ＳＥＳＡＭのノイズ除去性能を十分生かすことができる。例えば、本発明者らによる実験によれば、光パルスが10回反射するようにＳＥＳＡＭを光路中に配置することで、ＳＮＲが１７０倍改善されることが確認された。
　以上のことから、多光子イメージング装置用のパルス光源装置に過飽和吸収素子を利用することは非常に有効である。
　なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、過飽和吸収素子３０は、光パルス源１０の直後、すなわち、光増幅手段の前段に配置しても良い。また、光増幅手段は、１個の光増幅器で構成することもできるし、３個以上の光増幅器で構成することもできる。また、過飽和吸収素子は、１個に限らず、増幅器の前後等、任意の位置に配置することもできる。
　さらに、多光子イメージング装置は、多光子励起蛍光顕微鏡によるイメージング装置に限られず、第２次高調波発生（second-harmonic generation:ＳＨＧ）イメージング装置、第３次高調波発生（third-harmonic generation:ＴＨＧ）イメージング装置、または、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（coherent anti-Stokes Raman scattering：ＣＡＲＳ）イメージング装置であっても良い。また、本発明は、多光子励起過程を利用する顕微鏡装置に用いると効果的であるが、さらに、多光子励起過程を利用する内視鏡など他のイメージング装置にも適用できる。

Claims (6)

  1. 　多光子励起過程を用いて対象物を観察する多光子イメージング装置に用いるパルス光源装置であって、
    　光パルス列を出射する光パルス源と、
    　前記光パルス列を増幅する光増幅手段と、
    　前記光パルス列のノイズフロアを除去する過飽和吸収素子と、
    　を備えることを特徴とするパルス光源装置。
  2. 　前記光増幅手段は、複数の光増幅器からなり、
    　前記過飽和吸収素子は、順次の前記光増幅器の間に配置したことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
  3. 　前記過飽和吸収素子は、前記光増幅手段の後段に配置したことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
  4. 　前記過飽和吸収素子は、前記光増幅手段の前段に配置したことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
  5. 　前記過飽和吸収素子の前段に、光パルスの時間幅を短くするパルス圧縮手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
  6. 　前記可飽和吸収素子は、半導体可飽和吸収素子、カーボンナノチューブまたは非線形光ループミラーからなることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のパルス光源装置。
    　　
    　　
    　　
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012141422A (ja) * 2010-12-28 2012-07-26 Olympus Corp 短光パルスの光ファイバ伝送装置および光ファイバ伝送方法
WO2012165163A1 (ja) * 2011-06-03 2012-12-06 住友電気工業株式会社 レーザ装置及びレーザ加工方法
CN103606806A (zh) * 2013-11-20 2014-02-26 中国电子科技集团公司第三十四研究所 一种分布式光纤拉曼放大器
US8861073B2 (en) 2010-11-30 2014-10-14 Olympus Corporation Optical fiber delivery system for delivering optical short pulses and optical fiber delivery method
JP7569564B2 (ja) 2019-09-19 2024-10-18 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 レーザ装置及びパルス幅変更方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015118241A (ja) * 2013-12-18 2015-06-25 セイコーエプソン株式会社 短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置
JP6501451B2 (ja) * 2014-03-31 2019-04-17 キヤノン株式会社 光源装置およびそれを用いた情報取得装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02285688A (ja) * 1989-04-26 1990-11-22 Hajime Nishioka ＫｒＦレーザー用の可飽和吸収フィルタ
JPH05102582A (ja) * 1991-10-11 1993-04-23 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光フアイバレーザ装置
JPH11261134A (ja) * 1998-03-13 1999-09-24 Nec Corp 信号処理方法および装置、波長多重処理方法および装置、これらを利用した通信方法および装置
JPH11266204A (ja) * 1998-03-17 1999-09-28 Nec Corp 光送信機、波長多重光送信機、時分割多重光送信機およびこれらを用いた光伝送方式
JP2003248251A (ja) * 2002-02-25 2003-09-05 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 信号光の雑音低減装置及び信号光の雑音低減方法
JP2008060139A (ja) * 2006-08-29 2008-03-13 Sunx Ltd レーザ加工装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2331900A1 (fr) * 1975-11-13 1977-06-10 Commissariat Energie Atomique Dispositif interrupteur selectif en longueur d'onde
US4551684A (en) * 1983-02-04 1985-11-05 Spectra-Physics, Inc. Noise reduction in laser amplifiers
DE3525689C1 (de) * 1985-07-18 1986-10-30 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 3400 Göttingen Verfahren und Einrichtung zum Betrieb eines mit einer Protonenuebertragungsreaktion arbeitenden Farbstoff-Lasers
US6611640B2 (en) * 2000-10-03 2003-08-26 Evident Technologies Optical dispersion compensator
EP1248390A1 (en) * 2000-11-20 2002-10-09 Alcatel Optical power equalization using a gain clamped semiconductor optical amplifier
KR100471379B1 (ko) * 2002-10-18 2005-03-10 한국전자통신연구원 포화흡수체와 광증폭기를 이용한 광신호 처리용 소자
US7143769B2 (en) * 2003-08-11 2006-12-05 Richard Stoltz Controlling pulse energy of an optical amplifier by controlling pump diode current

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02285688A (ja) * 1989-04-26 1990-11-22 Hajime Nishioka ＫｒＦレーザー用の可飽和吸収フィルタ
JPH05102582A (ja) * 1991-10-11 1993-04-23 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光フアイバレーザ装置
JPH11261134A (ja) * 1998-03-13 1999-09-24 Nec Corp 信号処理方法および装置、波長多重処理方法および装置、これらを利用した通信方法および装置
JPH11266204A (ja) * 1998-03-17 1999-09-28 Nec Corp 光送信機、波長多重光送信機、時分割多重光送信機およびこれらを用いた光伝送方式
JP2003248251A (ja) * 2002-02-25 2003-09-05 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 信号光の雑音低減装置及び信号光の雑音低減方法
JP2008060139A (ja) * 2006-08-29 2008-03-13 Sunx Ltd レーザ加工装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KENJI TAIRA ET AL.: "Two-photon fluorescence imaging with a pulsesource based on a 980-nm gain-switched laserdiode", OPTICS EXPRESS, vol. 15, no. 5, 5 March 2007 (2007-03-05), pages 2454 - 2458 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8861073B2 (en) 2010-11-30 2014-10-14 Olympus Corporation Optical fiber delivery system for delivering optical short pulses and optical fiber delivery method
JP2012141422A (ja) * 2010-12-28 2012-07-26 Olympus Corp 短光パルスの光ファイバ伝送装置および光ファイバ伝送方法
WO2012165163A1 (ja) * 2011-06-03 2012-12-06 住友電気工業株式会社 レーザ装置及びレーザ加工方法
US20120307849A1 (en) * 2011-06-03 2012-12-06 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Laser apparatus and laser processing method
JPWO2012165163A1 (ja) * 2011-06-03 2015-02-23 株式会社メガオプト レーザ装置及びレーザ加工方法
US8995479B2 (en) 2011-06-03 2015-03-31 Megaopto Co., Ltd. Laser apparatus and laser processing method
CN103606806A (zh) * 2013-11-20 2014-02-26 中国电子科技集团公司第三十四研究所 一种分布式光纤拉曼放大器
JP7569564B2 (ja) 2019-09-19 2024-10-18 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 レーザ装置及びパルス幅変更方法

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