JP2009231598A - パルス光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】単一の電気パルスまたは所定の周期で複数の電気パルスを出力する電気パルス発生器（２０）と、電気パルス発生器（２０）から出力される電気パルスに応じて、利得スイッチ駆動により、非発振状態から光パルスを出射する発振状態に遷移する量子ドット半導体レーザ（１０）と、量子ドット半導体レーザ（１０）から出射される光パルスを増幅する光増幅器（５０）を含む光増幅伝送光学系であって、量子ドット半導体レーザ（１０）の非発振状態と発振状態とが一定のパルスの増幅率を有する光増幅伝送光学系（３０，４０，５０，６０）とを備える。
【選択図】図１

Description

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５（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５（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５（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５（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請求項１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、
電気パルスを出力する電気パルス発生器と、
前記電気パルス発生器から出力される前記電気パルスに基づいて、非発振状態から光パルスを出射する発振状態に遷移する量子ドット半導体レーザと、
前記量子ドット半導体レーザから出射される前記光パルスを増幅する光増幅器を含み、前記量子ドット半導体レーザの前記非発振状態および前記発振状態において、前記光パルスの増幅率が一定である光増幅伝送光学系と、
を備えることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパルス光源装置において、
前記光増幅伝送光学系は、前記量子ドット半導体レーザと前記光増幅器との間に配置された、前記量子ドット半導体レーザからの光パルスの時間幅を狭くする光ファイバと、前記光パルスの波形を整形する光フィルタとを含むことを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載のパルス光源装置において、
前記量子ドット半導体レーザが、量子ドット分布帰還型半導体レーザであることを特徴とするものである。

本発明によれば、電気パルス発生器から出力される電気パルスにより量子ドット半導体レーザから光パルスを出射させ、その光パルスを、光増幅器を含み、量子ドット半導体レーザの非発振状態と発振状態とで増幅率が一定の光増幅伝送光学系により増幅するようにしたので、同期回路等の能動的時間ゲートを用いることなく、比較的単純な構成により、ＳＮＲを向上した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実現することが可能となる。

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。本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は、量子ドット半導体レーザ１０と、この量子ドット半導体レーザ１０を利得スイッチ駆動して超短光パルスを得るための自律発振する電気パルス発生器２０と、量子ドット半導体レーザ１０から発生した光パルスのダウンチャープを補償し光パルスを圧縮するためのパルス圧縮器３０と、圧縮された当該光パルスに含まれる自然放出光 (amplified spontaneous emission:ＡＳＥ) 雑音およびペデスタル成分除去を行う波形整形器４０と、この波形整形器４０から出力したレーザパルス光を増幅するための光増幅器５０と、この光増幅器５０で増幅されたパルス光を伝送する光伝送手段６０とを備え、この光伝送手段６０を介して多光子イメージング装置７０へ光パルスを導入する。量子ドット半導体レーザ１０と光増幅器５０との間の各構成要素は光ファイバで接続される。

上記の構成において、パルス圧縮器３０、波形整形器４０、光増幅器５０および光伝送手段６０は、光増幅伝送光学系を構成する。なお、パルス圧縮器３０および波形整形器４０は、量子ドット半導体レーザ１０と光増幅器５０との間に配置されていれば、どのような順序で配置されていても良い。

この多光子イメージング装置用パルス光源装置では、光パルス源として量子ドット半導体レーザ１０を用いたため、ＶＣＳＥＬよりも１桁ほど高い光出力を有するピコ秒程度の超短パルスを発生することができる。このため、この量子ドット半導体レーザ１０の後段に設けられた光増幅器５０への入力光強度を高くすることができ、ＳＮＲの高い光増幅が可能になる。したがって、光パルス列に同期してＳＯＡをＯＮ／ＯＦＦ動作させる同期回路等の能動的時間ゲートを必要としない。

図２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、量子ドット半導体レーザ１０としては、波長９７８ｎｍの量子ドット分布帰還型半導体レーザ（量子ドットＤＦＢ半導体レーザ）１１、電気パルス発生器２０としては繰返し周波数５０ＭＨｚ、時間幅１００ｐｓ程度、振幅約３Ｖの電気パルスを発生するコムジェネレータ２１を用いる。これにより、量子ドットＤＦＢ半導体レーザ１１を利得スイッチ駆動する。ここで出力する光パルスのパルス時間幅は約２０ｐｓになる。

量子ドットＤＦＢ半導体レーザ１１からの出力光は、光パルスのダウンチャープを補償する長さ約５００メートルの石英系シングルモード光ファイバ (single-mode fiber:ＳＭＦ)３１へ導かれ圧縮される。ＳＭＦ３１を透過後の光パルスの時間幅は約３ｐｓになる。ＳＭＦ３１からの出力光は、前置光増幅器としてのＹｂ添加ファイバ型光増幅器(Yb-doped fiber amplifier:ＹＤＦＡ)３２で平均光強度１０ｍＷまで増幅される。ＹＤＦＡ３２の後段に、ＡＳＥ 除去およびペデスタル除去を行う波形整形器４０として、透過帯域幅約０．６０ｎｍの誘電体多層膜バンドパスフィルタ (band-pass filter:ＢＰＦ)４１ を配置する。このＢＰＦ４１からの出力光は光増幅器５０を構成するＹＤＦＡ５１で平均光強度５０ｍＷまで増幅される。この量子ドットＤＦＢ半導体レーザ１１、ＳＭＦ３１、ＹＤＦＡ３２、ＢＰＦ４１およびＹＤＦＡ５１は、全て単一モード光ファイバで接続される。

次に、ＹＤＦＡ５１からの出力光は、光伝送手段６０としての長さ１ｍのＳＭＦ６１へ導かれ、このＳＭＦ６１を介して、多光子イメージング装置であるレーザ走査型の多光子励起蛍光顕微鏡７１へ接続される。

多光子励起蛍光顕微鏡７１は、コリメートレンズ７２、ＸＹガルバノミラー（XY galvano scanner mirror：ＸＹ−ＧＭ）７３、瞳投影レンズ（pupil lens：ＰＬ）７４、チューブレンズ（tube lens：ＴＬ）７５、ダイクロイックミラー（dichroic mirror：ＤＭ）７６、光増倍管（photo-multiplier tube：ＰＭＴ）７７、対物レンズ７８、および、観察対象の試料７９により構成されている。

多光子励起蛍光顕微鏡７１に入射した光パルスは、コリメートレンズ７２を透過し、ＸＹ−ＧＭ７３で反射され、ＰＬ７４、ＴＬ７５、ＤＭ７６、対物レンズ７８を経由して試料７９を照射する。ここで、ＸＹ−ＧＭ７３により入射光を走査させることによって、試料上の異なる位置に光パルスを照射させる。この光パルスの照射によって、多光子過程により試料７９上で発生する蛍光が、対物レンズ７８を透過し、ＤＭ７６で入射光と分離され、ＰＭＴ７７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３００Ｗ、パルス幅３ｐｓの、多光子イメージング装置用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、光パルス源として量子ドットＤＦＢ半導体レーザを用いることによって、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。

［第２実施の形態］
図３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。本実施の形態に係る多光子イメージングシステムは、図１に記載の多光子イメージングシステムの構成において、光伝送手段６０と多光子イメージング装置７０との間に、パルス圧縮器８０を設けている。

上記の構成において、パルス圧縮器３０、波形整形器４０、光増幅器５０、光伝送手段６０およびパルス圧縮器８０は、光増幅伝送光学系を構成し、これらと量子ドット半導体レーザ１０および電気パルス発生器２０とにより、パルス光源装置を構成している。

図４は、図３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２に示した多光子イメージングシステムにおいて、ＳＭＦ６１と多光子励起蛍光顕微鏡７１との間に、長さ２０メートルのＳＭＦ８１、コリメートレンズ８２、２つの１／４波長板８３ａ，８３ｂおよび２つの透過型回折格子８４ａ，８４ｂにより構成されるパルス圧縮器８０を設けている。この２つの透過型回折格子８４ａ，８４ｂの溝本数はそれぞれ１２５０本／ｍｍであり、両者は中心間距離９０ｍｍで配置されている。

量子ドットＤＦＢ半導体レーザ１１を出射した光パルスは、ＳＭＦ３１、ＹＤＦＡ３２、ＢＰＦ４１、ＹＤＦＡ５１およびＳＭＦ６１を経由して、ＳＭＦ８１に入射する。入射した光パルスは、ＳＭＦ８１を伝播する際に波長スペクトル帯域が広げられる。このＳＭＦ８１を出射した光パルスは、コリメートレンズ８２を経由して、１／４波長板８３ａ，８３ｂを透過し、ここで偏光方向の調整を受ける。さらに、１／４波長板８３ｂを透過した光パルスは、２枚の透過型回折格子８４ａ，８４ｂに入射し、ここで回折される際に、チャープが補償されて光パルスの時間幅が狭められる。ここで、１／４波長板８３ａ，８３ｂによる偏光方向の調整は、透過型回折格子８４ａ，８４ｂの回折効率を最大化するために行われる。その後、透過型回折格子８４ｂを透過した光パルスは、多光子励起蛍光顕微鏡７１に入射し、第１実施の形態と同様に顕微鏡観察が行われる。

本構成により、多光子励起蛍光顕微鏡７１に、波長９７８ｎｍ、ピーク強度２．５ｋＷ、パルス幅３００ｆｓの光パルスを導入することができ、第１実施の形態における多光子イメージングシステムと同様の効果が得られる他、特にＳＮＲについては第１実施の形態におけるよりもさらに高くできる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみに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、図２および図４に示したＹＤＦＡ３２は省略することもできる。また、図４において、ＳＭＦ６１とＳＭＦ８１とは、１つの単一モード光ファイバで構成しても良い。

また、本実施例において量子ドットレーザとしては、超短パルスを発振し易く且つ安価で提供されている量子ドットＤＦＢ半導体レーザを用いたが、活性媒質前後の光導波路に分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を利用した共振器を設けて構成した量子ドットＤＢＲ半導体レーザも利用可能である。

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、多光子励起過程を用いた顕微鏡装置に用いると効果的であるが、さらに、多光子励起過程を用いた内視鏡など他のイメージング装置にも適用できる。

また、本発明に係るパルス光源装置は、多光子イメージング装置に適用した場合に大きな効果を奏するものであるが、他の用途のパルス光源装置としても効果が期待される。

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２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３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４は、図３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５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 量子ドット半導体レーザ
１１ 量子ドット分布帰還型半導体レーザ（量子ドットＤＦＢ半導体レーザ）
２０ 電気パルス発生装置
２１ コムジェネレータ
３０ パルス圧縮器
３１ 単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）
２３ Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
４０ 波形整形器
４１ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
５０ 光増幅器
５１ Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
６０ 光伝送手段
６１ 単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）
７０ 多光子イメージング装置
７１ 多光子励起蛍光顕微鏡
７２ コリメートレンズ
７３ ＸＹガルバノミラー（ＸＹ−ＧＭ）
７４ 瞳投影レンズ（ＰＬ）
７５ チューブレンズ（ＴＬ）
７６ ダイクロイックミラー（ＤＭ）
７７ 光増倍管（ＰＭＴ）
７８ 対物レンズ
７９ 試料
８０ パルス圧縮器
８１ 単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）
８２ コリメートレンズ
８３ １／４波長板
８４ 透過型回折格子

Claims (3)

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、
   電気パルスを出力する電気パルス発生器と、
   前記電気パルス発生器から出力される前記電気パルスに基づいて、非発振状態から光パルスを出射する発振状態に遷移する量子ドット半導体レーザと、
   前記量子ドット半導体レーザから出射される前記光パルスを増幅する光増幅器を含み、前記量子ドット半導体レーザの前記非発振状態および前記発振状態において、前記光パルスの増幅率が一定である光増幅伝送光学系と、
   を備えることを特徴とするパルス光源装置。
2. 前記光増幅伝送光学系は、前記量子ドット半導体レーザと前記光増幅器との間に配置された、前記量子ドット半導体レーザからの光パルスの時間幅を狭くする光ファイバと、前記光パルスの波形を整形する光フィルタとを含むことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
3. 前記量子ドット半導体レーザが、量子ドット分布帰還型半導体レーザであることを特徴とする請求項１または２に記載のパルス光源装置。
   

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