JP2017513211A - 顕微鏡に適用される多波長超短パルスの生成及び放出 - Google Patents

Abstract

一態様において、本開示は、多重波長範囲内でのフェムト秒（ｆｓ）パルスの生成及び放出に対するファイバレーザシステムを説明する。多光子顕微鏡における向上した多用途性について、９２０及び１０６０ｎｍで利得を与えるＮｄファイバ源に基づいたデュアル波長ファイバシステムの例が記載される。７８０ｎｍ、９４０ｎｍ及び１０５０ｎｍで出力を供給する３波長システムの例が含まれる。システムは、高品質のｆｓパルスが、顕微鏡における、例えば、多光子顕微鏡（ＭＰＭ）システムにおけるアプリケーションに供給されるように分散補償を含む。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１４年２月２８日出願の米国特許出願第６１／９４６０９３号、発明の名称「ＭＵＬＴＩ−ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ、ＵＬＴＲＡＳＨＯＲＴ ＰＵＬＳＥ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＤＥＬＩＶＥＲＹ、ＷＩＴＨ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ ＩＮ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ」の優先権の利益を主張し、それによりその全体において参照によりここに取り込まれる。

本開示は、ファイバ放出による超短パルス小型光源及びその適用例に関する。

光ファイバ又は導波路を介したレーザ光の放出は、目に安全な態様において対象点にレーザエネルギーを向けるための魅力的な方法である。関連する超短パルスのアプリケーションは、これらに限られないが、レーザの外科手術及び多光子顕微鏡を含む。

近ＩＲ（赤外）においてファイバ放出される超短パルス光源は、医療撮像及び多光子顕微鏡において多くの適用例を有する。医療のアプリケーションについては、このような光源は、非常にロバスト性があり、長期間の安定性を有し、かつ最小限の構成要素数で高度の光学的集積からなる必要がある。固体かつファイバレーザベースの近ＩＲ光源が、一般に使用されている。しかしながら、臨床環境におけるアプリケーションについては、ファイバレーザベースの超短パルス源のロバスト性が、一般に好まれる。

２光子顕微鏡に関して、現在利用可能なシステムは蛍光色素分子の所定のセットに基づき、それは標準的には８００ｎｍ、９２０ｎｍ、１０５０ｎｍ、１３００ｎｍ及び１７００ｎｍ近くの波長で励起される。１０５０ｎｍ及び８００ｎｍの波長を、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）ファイバレーザ又は周波数倍増エルビウム（Ｅｒ）ファイバレーザのそれぞれから得ることができる。１７００ｎｍの波長を、光ファイバ中でのＥｒファイバレーザのラマンシフトから得ることができる。しかしながら、９２０ｎｍ及び１３００ｎｍの波長域における高パワーのフェムト秒パルスの生成についての実行可能な商業的ソリューションは、特にファイバ放出と結合された場合には、いまだに実証されていない。

２光子等角顕微鏡でのアプリケーションについて、損傷及びフォトブリーチングの制約がない状態で、２光子励起によって励起された光子の数Ｍを最大化することが有用である。周知のように、Ｍを、

に比例するものと示すことができる。ここで、

は平均レーザパワーであり、ｆはパルス列の繰り返し周波数であり、τはパルス幅である。２光子顕微鏡に要求される標準的な平均パワーは、約１００ＭＨｚの繰り返しレートのパルス源について１００ｍＷ−１Ｗの範囲内である。

米国特許第７２５７３０２号明細書 米国特許第５８８０８７７号明細書 米国特許第５８６２２８７号明細書 米国特許第６２４９６３０号明細書 米国特許第６２３６７７９号明細書 米国特許第６３８９１９８号明細書 米国特許第８０４０９２９号明細書 米国特許第６８８５６８３号明細書 米国特許第７２５７３０２号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０１９５３３０号明細書 国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０１１８０２号 米国特許出願公開第２０１２／００２３９９３号明細書

ｈｔｔｐ：／／ｗ３．ｂｉｏｓｃｉ．ｕｔｅｘａｓ．ｅｄｕ／ｐｍｃ／ｗｅｂｄｏｃｓ／Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ．ｐｄｆ、「Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｌｅｉｃａ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｅｉｃａ ＴＣＳ ＭＰ５、「Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ」、Ｂｒｏｃｈｕｒｅ、Ｌｅｉｃａ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ

本開示の一態様は、９２０及び１３００ｎｍの波長範囲においてフェムト秒（ｆｓ）パルスの生成及び放出に対するファイバレーザシステムを特徴づける。９２０ｎｍの波長範囲について、ｆｓ種（ｆｓ入力）源で生成されたパルスは、ネオジム（Ｎｄ）ファイバ増幅器段階で増幅され、そこで、適切な手段（光ファイバ又は大きなコアのファイバの使用など）は、１０６０ｎｍ近くの増幅された自然放射に起因した利得減少を抑制するように実現される。９２０ｎｍ種源は、パッシブ型モードロックＮｄファイバレーザ発振器又は周波数シフトファイバレーザに基づいていてもよい。

少なくとも１つの実施例では、１．３μｍ（１３００ｎｍ）のスペクトル範囲における波長は、１．９μｍでのツリウム（Ｔｍ）ファイバレーザ動作を用いて７８０ｎｍでの周波数倍増Ｅｒファイバレーザ放射の差周波混合によって得られることができる。Ｔｍ又はホルミウム（Ｈｏ）ファイバレーザの２．６μｍへのラマンシフト及び後続の周波数倍増が実現され得る。ある実施形態では、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）は利用されてもよく、それは、波長調整可能な光源を可能にする。

多光子顕微鏡における向上した多用途性のために、９２０及び１０６０ｎｍでの利得を提供するＮｄファイバ増幅器に基づくデュアル波長ファイバシステムを説明する。ある実施例では、３つ以上の出力波長、例えば、９２０ｎｍ、１０６０ｎｍ及び１３００ｎｍが提供されてもよい。

種々の実施例では、ファイバ放出は、中空ファイバ、フォトニック結晶ファイバ及び／又はカゴメ（Ｋａｇｏｍｅ）ファイバを用いて提供されてもよい。

図１Ａは、レーザベースの顕微鏡の使用に適した分散補償されたパルスの放出のための従来システムの一部の構成要素を模式的に示す。 図１Ｂは、多光子顕微鏡のためのシステム例であって、デリバリファイバを介して伝送された超短パルスを受信するシステムの幾つかの構成要素を模式的に示す。 図１Ｃは、本開示の少なくとも１つの実施形態による構成を模式的に示す。システムは、例えば、多光子顕微鏡での使用に適した複数の所定の波長で超短パルスを生成する。 図２は、超短パルスの放出用のレーザシステム及び顕微鏡システムを含む単一波長の構成の例を模式的に示す。 図３は、９２０ｎｍの超短パルスの生成及び放出の構成例を模式的に例示する図である。 図３Ａは、Ｙｂベースシステム及びコンティニウム生成を用いた９２０ｎｍの超短パルスの生成及び放出の構成例を模式的に示す。 図４は、１３００ｎｍの超短パルスの生成及び放出の第１の構成例を模式的に示す。 図５は、１３００ｎｍの超短パルスの生成及び放出の第２の構成例を模式的に示す。 図６は、９２０ｎｍ及び１０６０ｎｍの超短レーザパルスの生成並びに放出の構成例を模式的に示す。 図７は、７８０ｎｍ、９４０ｎｍ及び１０５０ｎｍの超短レーザパルスを含む複数の波長での超短パルスの生成及び放出の構成例を模式的に示す。 図７Ａは、光パラメトリック増幅を介した中ＩＲ光の生成のための構成例を模式的に示す。 図７Ｂは、光パラメトリック増幅を介した中ＩＲ光の生成のための代替の構成例を模式的に示す。 図８Ａは、デリバリファイバを含むＮｄレーザ源で得られた種々のパルス特性を示し、Ｄ（λ）＞０で構成された正分散ファイバの長さの関数としてパルス幅の変化を示す図である。 図８Ｂは、デリバリファイバを含むＮｄレーザ源で得られた種々のパルス特性を示し、λ_ｃ〜９２６．５ｎｍにおいてΔλ〜１７．５ｎｍの測定スペクトルを示す図である。 図８Ｃは、デリバリファイバを含むＮｄレーザ源で得られた種々のパルス特性を示し、自己相関測定によって得られたパルスの時間形状を示す。 図８Ｄは、デリバリファイバを含むＮｄレーザ源で得られた種々のパルス特性を示し、Ｍ^２ _ｘ〜１．３２、Ｍ^２ _ｙ〜１．３４のデリバリファイバの出力で得られたＭ^２を示す。 図９Ａは、ある特殊ファイバについて対象波長での分散特性を示し、ＧＬＯフォトニクスＳＡＳ（「ＧＬＯ」、リモージュ、フランス）から入手可能な中空コア（ＨＣ）ファイバの分散特性を示すプロットである。ファイバ損失は破線の曲線として示され、ファイバ分散Ｄ（λ）は実線の曲線として示されている。 図９Ｂは、ある特殊ファイバについて対象波長での分散特性を示し、ＧＬＯから入手可能であり、かつＧＬＯにより作られたカゴメファイバの分散特性を示すプロットである。

文脈上特に断りがない限り、同じ符号は図中の同じ要素に言及する。

ここで用いられるように、特に断りがない限りは、用語「分散」は、超短パルス光学の分野で一般に用いられる二次分散又は群速度分散に言及するものであり、ここではδ_２として表記される。例えば、光ファイバにおける分散効果及びパルス伝搬の詳述は、「超高速レーザ」において見られる。幾つかの開示では、群遅延分散（ＧＤＤ）は、同等の定義用語として用いられる。したがって、正分散及び負分散は、ここで用いられるときは、それぞれ正常分散及び異常分散を指す。例として、標準の光学構成要素は可視及び近ＩＲ領域での波長で正常分散を示す一方で、Ｅｒドープファイバは１．５６μｍの波長で異常分散を示す。上述の定義に対して、Ｄ（λ）により表示された分散値は、ファイバ光学通信及びある光学テキストにて従来用いられるような、Ｄ（λ）＝−（２πｃ／λ^２）・（ｄ^２ｋ／ｄω^２）により与えられる分散を指す。ここで、ｋは波数であり、ｄ^２ｋ／ｄω^２＝β_２は群速度分散パラメータである。したがって、いずれかの特定の実施形態に関して、当業者は、どの分散の測定が言及されているのかを理解し、ある分散の測定から他の分散の測定に直ちに変換することができるであろう（例えば、群速度分散δ_２からＤ（λ）へ又はその逆）。

光ファイバ中のフェムト秒（ｆｓ）パルスの放出は、例えば、米国特許第７２５７３０２号「Ｉｎ―ｌｉｎｅ、ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｆｉｂｅｒ ｃｈｉｒｐｅｄ ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ」（特許文献１）にて論じられている。近赤外スペクトル領域において近回折限界ビームで超短パルスを放出できる光ファイバは、米国特許第５８８０８７７号「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」（特許文献２）にて論じられているように、非線形イメージングのアプリケーションに対して特に興味深い。

超短パルスに対するファイバデリバリシステムは、以前に、Ｓｔｏｃｋ他の米国特許第５８６２２８７号（特許文献３）及び米国特許第６２４９６３０号（特許文献４）並びにＫａｆｋａ他の米国特許第６２３６７７９号（特許文献５）及び米国特許第６３８９１９８号（特許文献６）においても論じられている。特定の有用な実施例において、光パルスは、低非線形ホーリー又はフォトニックバンドギャップパルスデリバリファイバに結合可能であり、ファイバコアを囲む孔を介してガイドされた伝搬を与え、又は現行の技術で周知の空気孔の主に内部でガイドされた伝搬さえも与える。デリバリファイバの上流の分散的光学構成要素（ＤＯＣ）は、デリバリファイバの分散を補償し、かつ、最小パルス幅がデリバリファイバの出力において、又はデリバリファイバの下流に位置するターゲットにおいて得られることを保証する。

米国特許第６２３６７７９号（特許文献５）／米国特許第６３８９１９８号（特許文献６）は、フォトニックバンドギャップデリバリファイバの分散を補償するための方法及び構成を開示しなかった。ホーリー又はフォトニックバンドギャップファイバを、伸長されたパルスを圧縮するためのパルス圧縮器又は部分パルス圧縮器として用いるために正確な分散を与えるように設計することもできる。ホーリー又はフォトニックバンドギャップファイバの、このようなパルス圧縮器及び部分パルス圧縮器の機能を、その同じファイバのパワーデリバリ機能との組合せで用いることができる。

波長可変パルスの小型生成源としてのファイバレーザは、例えば、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）に基づいた、Ｉｍｅｓｈｅｖ他の米国特許第８０４０９２９号（特許文献７）において論じられている。ＯＰＡに対する適切な信号及びポンプ周波数は、例えば、高パワーファイバパルス源から引き出されることができ、そして、そこでポンプ周波数での出力の一部分は、周波数の拡大並びに選択可能及び調整可能な種周波数での種信号の生成のために高い非線形ファイバに向けられることができる。

以下の米国特許公報、公開特許公報及び国際公開公報は、その全体において参照によりここに取り込まれる。米国特許第５８６２２８７号（‘２８７）（特許文献３）及び米国特許第６２４９６３０号（ ‘６３０）（特許文献４）「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｏｆ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ」；米国特許第５８８０８７７号（‘８７７）（特許文献２）「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」；米国特許第６８８５６８３号（ ‘６８３）（特許文献８）「Ｍｏｄｕｌａｒ、ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ、ｗｉｄｅｌｙ−ｔｕｎａｂｌｅ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｆｉｂｅｒ ｓｏｕｒｃｅ」Ｆｅｒｍａｎｎ他；米国特許第７２５７３０２号（‘３０２）（特許文献９）「Ｉｎ−ｌｉｎｅ、ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｆｉｂｅｒ ｃｈｉｒｐｅｄ ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ」；米国特許第８０４０９２９号（ ‘９２９）（特許文献７）「Ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ、ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ、ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｍｐｉｎｇ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ｓｙｓｔｅｍｓ」Ｉｍｅｓｈｅｖ他；米国特許出願公開第２０１２／０１９５３３０号（‘３３０）（特許文献１０）「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｆｉｂｅｒ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ」；及び国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０１１８０２号（ ‘８０２）（特許文献１１）「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｌａｓｅｒ ｓｕｒｇｅｒｙ」、２０１５年１月１６日出願。

図１Ａは、米国特許第６２４９６３０号（特許文献４）に開示された、レーザベースの顕微鏡の使用に適した分散補償されたパルスの放出のための従来システムの一部の構成要素を模式的に示す。本例では、光パルス源１１００は、光パルスを生成する。例えば、光パルス源１１００は、正のモードロックファイバレーザであればよく、発振器及び増幅器を含んでもよい。米国特許第６２４９６３０号（特許文献４）では、エルビウムファイバレーザ源が論じられており、同様に種々の他のパルスレーザ源も論じられた。光パルスは、光パルス源１１００からパルス伸長器１１２０に導入される。パルス伸長器１１２０は、次の、光ファイバ、チャープ光ファイバブラッグ格子、回折格子対又はプリズム対のいずれかを備えてもよい。あるいは、伸長されたパルスを、光パルス源１１００自身によって生成させてもよい。パルス伸長器１１２０は、チャープ光パルスを形成しながら、入射光パルスのパルス幅を拡大する。パルス幅の拡大に起因して、光パルスのピークパワーは減少される。伸長された光パルスは、それから光パルスを所望の位置に放出するファイバ１１３０を介して伝送される。（受動又は能動（増幅器）ファイバのいずれかを用いる）放出においてマルチモードファイバを用いることについての特に魅力的な場合の１つは、マルチモードファイバにて最も低次のモードが励起される場合である。これは、より低い非線形効果のためにより高いピークパワーデリバリが可能となるので、より大きな実効モードフィールド径を利用し、一方で、ファイバを介した幾つかのモードの伝送に基づくモード分散の問題を回避する。実施形態によっては、偏光保持マルチモードファイバ（ＰＭ）が実装されてもよい。

米国特許第６２４９６３０号（特許文献４）にて更に開示されたように、光ファイバ及び／又は光ファイバの終端に結合した出力ユニットは、パルスレーザ源及び伸長器によって導入された分散を補償する分散を導入し、再圧縮された光パルスを光学デバイスに送る。光ファイバデリバリシステムは光学デバイス内の光学構成要素によって導入された分散を好ましくは補償し、それはプリチャープといわれ、その結果、光パルスは被検査物又は検出器のような光学デバイス内の対象点で完全に再圧縮される。圧縮器１１４０は、ファイバ１１３０を通して伝送されてきた光パルスのパルス幅を圧縮するように動作する。圧縮器は、光ファイバ、回折格子対、チャープミラー、チャープ光ファイバブラッグ格子又はプリズム対の１つ以上であってもよい。１つの可能性は、光ファイバ１１３０自体が圧縮器の全体又は一部を提供するということである。光学デバイス１１５０内のある点への補償の場合、シングルモードファイバ１１３０の長さ内のチャープ及び光学デバイス１１５０を介したチャープ（分散）は、ファイバ１１３０でのその入射と等しく、かつ逆（例えば、光パルス源及び／又はパルス伸長器によって導入されたチャープと等しく、かつ逆）でなければならない。光ファイバデリバリシステムは、デリバリ光ファイバの前又は後のいずれかに周波数変換器１１８０を含んでもよい。周波数変換器によって、レーザ源によって生成された光パルス以外の周波数を有する光パルスを光学デバイスに効果的に放出ことが可能となる。

図１Ｂは、多光子顕微鏡のためのシステム１２００の幾つかの構成要素を模式的に示す。多光子顕微鏡（ＭＰＭ）１２３０は、レーザシステムに供給され得るデリバリファイバ（不図示）を介して伝送されたレーザシステム１２２０からの入力パルスを受信する。ＭＰＭ１２３０は、本例ではＸ−Ｙガルバノメータ走査ミラーを含む光学スキャナを含む。撮像アプリケーションの要件と互換性があれば、他の構成を利用してもよく、例えば、ビデオレートスキャナのように、第１の方向での高速走査については音響光学スキャナを用い、第２の方向の走査についてはガルバノメータベースミラーを用いてもよい。走査ビームは、サンプル１２４０に合焦され、放出される。本例では、光学システムはレーザの入射方向と反対方向に沿った放射を受信するように示されているが、前方放射を分析することが望ましいということが理解されるべきである。ＭＰＭは、スペクトルフィルタＦで更にフィルタリングされたサンプル１２４０から受信した多光子信号を反射するダイクロイックミラーＤＭを含む。次いで、フィルタをかけられた放射は、対象波長で信号を処理するための追加の光学構成要素及び検出電子機器に提供される。コントローラは、レーザシステム１２２０、ＭＰＭ（例えば、走査ミラー、放出及び合焦光学素子など）、フィルタリング及び検出回路などの機能を制御するように使用可能である。ＭＰＭの追加の詳細は、少なくとも米国特許出願公開第２０１２／００２３９９３号（特許文献１２）（‘９９３）「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｚｅｎｇ他、ｈｔｔｐ：／／ｗ３．ｂｉｏｓｃｉ．ｕｔｅｘａｓ．ｅｄｕ／ｐｍｃ／ｗｅｂｄｏｃｓ／Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ．ｐｄｆ、「Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｌｅｉｃａ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ（非特許文献１）及びＬｅｉｃａ ＴＣＳ ＭＰ５、「Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ」、Ｂｒｏｃｈｕｒｅ、Ｌｅｉｃａ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ（非特許文献２）に見出すことができる。

多光子顕微鏡において、サンプル上に高品質な超短パルスを合焦することが望ましい。超短波長では、特に約１００ｆｓから約１ピコ秒（ｐｓ）の範囲におけるパルスに対しては、ＭＰＭ１２３０における光学構成要素からの分散寄与は、レーザシステム設計において考慮されるべきである。現行技術のＭＰＭにおいて、レーザシステムは、レーザシステム１２２０及びＭＰＭ１２３０の正味の分散を補償するように光パルスをプリチャープする構成要素を有する。特に、以下での詳述のために、合焦及び放出システムであるＭＰＭシステム１２３０は、概して正味の正分散、δ_２（ＭＰＭ）＞０を示す。

本開示の実施形態に従って、複数の超短パルスは、サンプルに対して同時に又は連続して放出されてもよい。図１Ｃは、本開示の少なくとも１つの実施形態に従った構成を模式的に示す。システムは、例えば、ＭＰＭでの使用に適した複数の所定の波長λ_１、λ_２、．．．、λ_ｎ（ｎ≧２）において超短パルスを生成する。複数の波長の各々は、中心波長を有することにより特徴づけられてもよく、かつ、中心波長近くの、予め選択された又は所定の波長の狭い範囲（例えば、波長範囲＜２０ｎｍ、＜５０ｎｍ、＜１００ｎｍ又は適切な部分範囲）を含んでもよい。中心波長は、近ＩＲ（例えば、０．７−１．４μｍ）、短波長ＩＲ（例えば、１．４−３μｍ）、中ＩＲ（３−８μｍ）、可視範囲（０．４−０．７μｍ）又は近ＵＶ（０．２５−０．４μｍ）であってもよい。

図１Ｃの例において、１つ以上のモードロックファイバ発振器は、光種源として作動して光パルスを生成する。１つ以上のモードロックファイバ発振器からの光パルスは、それぞれの波長範囲において出力を提供するように更に処理されてもよい。光源は、増幅された光パルスを生成する１つ以上の増幅器を含んでいてもよい。ある実装では、モードロック源及び増幅器は、波長λ_１、λ_２、．．．、λ_ｎで直接パルスを生成してもよい。ある実施例では、光源からの光パルスは、ラマンシフタ、周波数アップコンバータ、周波数ダウンコンバータ、スーパーコンティニウム生成器及び／又は光パラメトリック増幅器の１つ以上に向けられて、選択された出力波長又は波長範囲を生成してもよい。

レーザシステム１３００では、結果として得られる光パルスは、各々好ましくは光ファイバ又は他の統合された光学設計でプリチャープされるので、それぞれの波長で高品質な圧縮超短パルスがサンプル１３４０に放出される。プリチャーピングは、パッシブ型シングルモードステップインデックスファイバ、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）又はフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ）を含む特殊ファイバ若しくはチャープファイバブラッグ格子又はノンチャープファイバブラッグ格子で実行されてもよい。ある実施例では、バルクの光学構成要素は、単独で利用されてもよいし、あるいは、ファイバ、例えば、プリズム、グリズム、バルク格子又はチャープミラーとの組み合わせで利用されてもよい。レーザシステム及び最終使用デバイス（例えば、ＭＰＭ）の分散は、波長λ_１、λ_２、．．．、λ_ｎの各々で十分に補償されるべきである。種々の実施例では、ファイバカプラ又は他の適切なビーム結合器（不図示）は、λ_１、λ_２、．．．、λ_ｎを有する光パルスを受信し、その光パルスを共通の光学経路に沿って向ける。

少なくとも１つの好ましい実施例では、音響光学変調器（ＡＯＭ）は、光パルスを選択的に伝送し、かつ、波長λ_１、λ_２、．．．、λ_ｎにおいて有する光パルスの各々の相対的強度を制御するように構成されている。ＡＯＭは、コントローラを介してＭＰＭの最終使用アプリケーションと通信してもよい。少なくとも１つの実施例では、ＡＰＭの出力１３１０は、正の正味の分散δ_２（Ｚ１）_ｎｅｔ＋を示し得る。ここで、Ｚ１は、図１Ｃに示したようにＡＯＭの出力１３１０である。

ＡＯＭの出力は、下流にあるデリバリファイバ１３２０に向けられ、デリバリファイバ１３２０は中空コアファイバ（ＨＣＦ）であってもよい。そのファイバは、中空コアフォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＰＣＦ）又は中空コアフォトニックバンドギャップ（ＨＣ−ＰＢＧＦ）であってもよい。他の中空コアファイバ、例えば、カゴメファイバを用いることができる。ある実施例では、ＨＣ−ＰＣＦは、種々の波長でわずかな負の分散を示すように構成されている。例えば、わずかな負の分散は、約｜−１ｐｓ^２｜未満の｜δ_２｜を有し得る。標準的なＭＰＭアプリケーションにおいては、最終使用者の光学システムは、正味の正の分散を示す光学構成要素で構成される。このように、デリバリファイバ１３２０は、レーザシステムにおける他の構成要素の中でもとりわけ、選択された波長で分散補償を与えるように構成されている。少なくとも１つの実施例において、ＨＣＦ１３２０の出力１３３０は、ＨＣＦ構成の結果として、負の正味の分散δ_２（Ｚ２）_ｎｅｔ-を示してもよい。ここで、Ｚ２は、ＨＣＦ１３２０の出力１３３０である。図１Ｃを参照すると、好ましい実装では、最終使用デバイスへの入力での最大パルス幅は、約１ｐｓであってもよい。最終使用デバイスによって予め補償されたパルスを受信したことに続いて、サンプルに合焦され、かつそこに向けられ、圧縮されたパルス幅は約２００ｆｓ未満であってもよいし、約１００ｆｓから２００ｆｓの範囲内であってもよい。種々の好ましい実施例において、最終使用デバイスの分散を実質的に補償するために、システムの全体の分散は、サンプルへの高質パルスの放出について、最も短い可能性のあるパルスを顕微鏡システム内の所望の位置で提供するように選択される。これは、例えば、光デリバリファイバ１３２０の長さ及び／又はレーザシステム内の光ファイバの他の長さの適切な調整により達成可能である。したがって、システム（ＬＳ及び最終使用デバイス）の全体の分散は、約１００ｆｓから２００ｆｓの範囲内、約３０ｆｓから約１ｐｓの範囲内又は他の範囲内のパルスを生成するように選択可能であり、それは最終使用デバイスに依存してもよい。

サンプルに放出された超短光パルスは、最終使用デバイス（例えば、ＭＰＭ光学システム）の通過後にδ_２（Ｚ３）_ｎｅｔ＋の結果として、ほぼゼロの分散又はわずかに正の分散を有するほどに実質的に補償され得る。ここで、Ｚ３は、最終使用デバイスの出力である。システム設計間で幾つかの変形が予想されるが、例として、ＭＰＭは、λ〜１０６０ｎｍにおいて正味の正の分散δ_２（ＭＰＭ）〜４５００ｆｓ^２を示し得る。種々の実施形態では、Ｚ３でほぼゼロの分散又はわずかに正の分散は、最終使用デバイスの分散δ_２の約２５％未満、約２０％未満、約１５％未満、約１０％未満、約５％未満の絶対的な大きさを有し得る。例えば、レーザシステムの実施形態は、Ｚ３での光パルスの分散の絶対値が約１２００ｆｓ^２未満、約９００ｆｓ^２未満、約７００ｆｓ^２未満、約４５０ｆｓ^２未満又は約２２５ｆｓ^２未満となるように、ＭＰＭの正味の分散を実質的に補償することができる。他の実施形態では、分散の大きさは、約１ｐｓ^２未満となり得る。したがって、レーザシステムの実施形態は、最終使用デバイスの設計に応じて、Ｚ３での出力パルスの分散の絶対値が５０から１０００ｆｓ^２、１００から２０００ｆｓ^２、０から５０００ｆｓ^２の範囲内又は他の適切な範囲内となるように、最終使用デバイス（例えば、ＭＰＭ）の正味の分散を実質的に補償することができる。

同様に時間的なパルス品質は、半値全幅（ＦＷＨＭ）及びパルスのペデスタルによって少なくともある程度は特徴づけられ得る。図１Ｃに例示するように、最終使用デバイスに伝送された短パルスは、同時又は連続的にサンプル１３４０を照射する、対応する波長λ_１、λ_２、．．．、λ_ｎを有し、高品質で、低ペデスタルの超短パルス１、２、．．．、ｎに変換される。種々の好ましい実施形態では、ペデスタルは、実質的にピーク値の１０％未満であり、より好ましくはピーク値の１％未満である。

図２は、超短パルスのサンプル２５００への放出用のレーザシステム（ＬＳ）及び顕微鏡システム（ＭＳ）を含む構成２０００を模式的に示す。本例では、デリバリファイバ２１２０は、レーザシステムと共に提供され、最終使用アプリケーションのために顕微鏡に連結される。例えば、その連結部分は、図２に示されるように、精密ファイバレセプタクル（ＦＲ）２１９０又は分散光学構成要素を有するレーザ源に対する結合点、ＬＳ−ＤＯＣ２１１０を含むことができる。種々の実施例では、ＦＲは、顕微鏡システムにおいて、デリバリファイバの末端に設けられてもよい。例示の目的で、超短パルス（例えば、単一の動作波長のいずれか）の中心波長を一定値であると仮定する。上述のように、顕微鏡システムは、レーザシステムへの連結のために考慮されるべき正味の分散を有する分散光学構成要素（ＭＳ−ＤＯＣ２２００）を含む。

好ましい実施例では、種源２１００は、光パルスを生成するためのモードロックファイバ発振器を含むが、１つ以上のファイバ増幅器を含んでもよい。顕微鏡ＭＳは正常分散を示す材料、例えば、融合したシリカを有する光学システムと共に提供されるので、レーザシステムにおいて分散補償（プリチャープ）を提供して顕微鏡ＭＳの分散及びレーザシステムの全体の分散を補償することが望ましい。例えば、ＭＳにおいて正味の分散を実質的に補償するために、ＬＳは、ＭＳの分散の符号と反対の符号及びＭＳでの分散の大きさと実質的に等しい大きさの正味の分散を有し得る。種々の実施形態では、ＬＳの正味の分散の大きさは、実施形態に応じて、ＭＳの分散の±２０％以内、±１５％以内、±１０％以内又は±５％以内の大きさに等しくてもよい。

本例では、デリバリファイバ２１２０と共に分散光学構成要素２１１０は、このような補償を提供する。約１．３μｍを下回る波長で、顕微鏡の光学構成要素の分散は、正常分散型となる。レーザ入力波長の選択及び出力特性に応じて、プリチャープに対する分散光学構成要素が選択される。このような構成要素は、バルク光学構成要素、パッシブ型シングルモードステップインデックスファイバ、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）、フォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ）、プリズム、グリズム、バルク格子、チャープミラー又はチャープファイバブラッグ格子、ノンチャープファイバブラッグ格子を含んでもよい。特に、ＰＣＦ、ＰＢＧＦ又はチャープ格子の設計に関して、分散は、可視波長の光学素子が正常分散を示す波長で負の分散を提供するように設計されてもよい。シングルモード動作のために構成されたマルチモードファイバを含む、大きなコアのファイバ、ＰＢＧＦ及びＰＣＦ並びに中空コアの変形によって、減少した感受性という追加の効果が非線形効果に与えられる。好ましい実施例では、設計は、高度に集積され、全てのファイバの配置を構成してもよい。デリバリファイバは、顕微鏡システム２２００の正の分散を少なくとも部分的に補償し、より好ましくはサンプルに放出されるパルスに対してほぼゼロの正味の分散を与えるレーザシステムの出力２１５０において、光パルスの幅を少なくとも部分的に圧縮するとともに正味の負の分散を生じさせるのに用いられる負の分散で構成された分散設計された中空コアＰＣＦ（ＨＣ−ＰＣＦ）を備え得る。好ましい実施例では、ほぼ変形制限された超短パルスは、サンプル２４００に放出されることになる。

図３は、９２０ｎｍの超短パルスの生成及び放出の構成例３０００を模式的に示す。本例では、種源３１００は、約９２０ｎｍの中心波長（例えば、ピーク放射）でパルスを生成するように構成されたモードロックＮｄファイバ発振器を含んでもよい。１つ以上のＮｄ増幅器３１１０−ａ及び／又は３１１０−ｂを、ピークパワーを増加させるために用いてもよい。バンドパスフィルタＢＰＦを、不要なスペクトル要素を減衰させ、ＡＳＥを制限するのに用いてもよい。光学分離器は、不要な戻り反射を抑制する。

例として、Ｎｄ源は、最大で約１Ｗの平均出力パワーで、約９２０ｎｍから９５０ｎｍの範囲内の中心波長で与えられてもよい。システムは、２００ｆｓ未満のパルス幅の超短パルスを提供してもよく、ある実施例では、約１００ｆｓから約１５０ｆｓの範囲内のパルス幅の超短パルスを供給してもよい。パルスの繰り返し速度は、約１０ＭＨｚから約１００ＭＨｚの範囲内であってもよい。ある実施例では、出力パルスのエネルギーは、最大で数百ｎＪ又は最大で約１μＪであってもよく、ＭＰＭに対して要求されるものと一致してもよい。光デリバリファイバ３２００は、最終使用デバイス（例えば、ＭＰＭ又はＭＳ）との結合のために最大で約１ｍ、４ｍ又は１０ｍの長さを有する、中空コアカゴメ、フォトニックバンドギャップ（ＨＣ−ＰＢＧ）又はフォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＰＣＦ）を含んでもよい。出力ビームの質は、Ｍ^２又は他の適した尺度によって特徴づけられてもよい。約１．２、１．４又は１．５未満のＭ^２を有する出力ビームは、デリバリファイバによって供給されてもよい。ある実施例では、ＨＣ−ＰＣＦは、サンプルに送られたパルスの出力ビームの質を更に向上するように、シングルモードエンドキャップで構成されてもよい。

少なくとも１つの実施形態では、種入力源３１００は、１μｍの範囲（例えば、１０３０ｎｍ、１０５０ｎｍなど）で出力を生成する商業的に入手可能なＹｂ発振器（及び光学増幅器）を含む。図３Ａは、このような構成の例を個別に示す。Ｙｂ発振器３４１０及び増幅器３４２０は、９２０ｎｍを含む拡げられたスペクトル出力を生成するために、コンティニウム生成器３４４０との関係で用いられる。コンティニウム生成器は、拡げられたスペクトルを生成するのに、図示するように所定長の高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）を含む。例として、ＨＮＬＦは、ＮＫＴフォトニクスＡ／Ｓ（「ＮＫＴ」）から入手可能であるモデルＳＣ−５．０−１０４０であってもよく、それは４．８μｍコアでシングルモード伝搬を与え、１μｍ波長ポンピングに対して最適化された分散である一方で曲げに対する非感受性を与える。結果として得られる出力スペクトルは、約９２０ｎｍでＭＰＭ又は他のアプリケーションに対して適した範囲を選択するようにバンドパスフィルタＢＰＦでフィルタリングされてもよい。例として、４０ｍｍの長さのファイバは、約４００ｎｍのスペクトルの拡がり（約１０％の点で測定した）を有するスーパーコンティニウムを生成した。１μｍのカットオフ波長のショートパスフィルタは、約８５０ｎｍから１０００ｎｍの範囲内のスペクトル成分をもたらした。中空コア（ＨＣ）ファイバ３４３０は、ＰＢＧＦ（ＨＣ−ＰＢＧＦ）又は中空コアＰＣＦ（ＨＣ−ＰＣＦ）であればよく、ＨＮＬＦとＹｂ増幅器３４２０の間に設けられてもよい。そのファイバは、負（異常）分散δ_２＜０で構成され、Ｙｂ増幅器の経路中及び光学構成要素の下流で蓄積された正（正常）分散を少なくとも部分的に補償するように負のプリチャープを与える。分散的光学構成要素による拡大及び圧縮にもかかわらず、サブピコ秒パルス、例えば、約２００ｆｓから約１ｐｓの範囲のパルスは、Ｙｂベースシステムにて維持されることができる。図２に対応する例のように、下流の分散補償デリバリファイバ３２００は、ＡＯＭ３１５０からの出力を受信する。ファイバ３２００は、負の分散をの中空コアＰＣＦ又はカゴメファイバを含んでもよい。

現在のところ、ファイバデリバリに結合された、９２０ｎｍ及び１３００ｎｍ波長における高パワーフェムト秒パルスの生成に対する商業的ソリューションは実証されていない。現在、光ファイバに関して１３００ｎｍでの高ピークパワーパルスの生成は、適切なファイバレーザ発振材料がないために幾つかの課題を提示する。図４は、１３００ｎｍの超短パルスの生成及び放出の第１の構成例を模式的に示す。本例では、種源は、約１５６０ｎｍで光パルスを生成するモードロックＥｒファイバ発振器／増幅器４１００を含むが、その光パルスは、発振器の出力で及び／又は個別の光学経路においてＥｒ又はＥｒ／Ｙｂ増幅器で増幅されてもよい。Ｅｒ又はＥｒ／Ｙｂ増幅器は、好ましくは、高ピークパワーへの増幅を可能とするような１０−５０μｍの間のコア径を持つ大モード領域の設計に基づく。パルス伸長及び圧縮に対する追加の構成要素が実装されてもよい。これらの構成要素は、例えば、チャープファイバ格子、ボリュームブラッグ格子、バルク格子、グリズム、プリズム、チャープミラー、その他ファイバ伸長器及び圧縮器を備え得る。個別のＥｒファイバ増幅器による増幅を含み得る別個の光信号の処理動作は、以下に更に説明するように、非線形結晶４１７０における差周波発生（ＤＦＧ）によって約１３００ｎｍ波長をもたらす別個の光学経路（アーム）において実行される。特に、１３００ｎｍにて、ほぼゼロの分散が示され得る。本例では、中空コアファイバ４２００は、わずかな負の分散で構成されている。例えば、δ_２＜０であり、約｜−１ｐｓ^２｜未満の｜δ_２｜である。少なくとも１つの実施形態では、例えば、ＧＬＯフォトニクスＳＡＳ（「ＧＬＯ」）又はＮＫＴフォトニクスＡ／Ｓ（「ＮＫＴ」、ビアケレズ、デンマーク）によって提供されるように、商業的に入手可能なカゴメファイバが利用されてもよい。

再び図４の例を参照すると、例えば、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）又は周期分極反転定比組成タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）は、７８０ｎｍ及び１９００ｎｍで入力を受信し、ＤＦＧによって約１３２０ｎｍ出力を生成する。各々のアームにおける別個の光信号の処理機能は、ＤＦＧに対応するような波長シフトのための方法を含む。上側のアームでは、米国特許第５８８０８７７号（特許文献２）に概説されるように、増幅された光パルスは、例えば、第二次高調波発生による周波数倍増４１４０が続くファイバ４１１０における非線形圧縮によって圧縮される。７８０ｎｍの出力が得られる。上側のアームは、フィルタリング及び／又は分散補償のための統合されたファイバの構成要素Ｆ２を含んでもよい。

一方で、下側アームにおいては、Ｅｒファイバ出力は、シリカ光ファイバを含み得る光ファイバ４１２０でラマンシフトされる。その結果シフトされた波長は、約１９００ｎｍである。下側アームはまた、フィルタリング及び／又は分散補償のための統合されたファイバの構成要素Ｆ１を含んでもよい。超短パルスの幅は、例えば、米国特許出願公開第２０１２／０１９５３３０号（特許文献１０）にて概説されているように、ファイバの長さにおけるラマンソリトン生成によって保持される。ラマンシフトされたパルスは、さらに、Ｔｍファイバ増幅器（不図示）において増幅されてもよい。

遅延線又はレーザパルス制御（不図示）によって時間的重畳を最大化するように調整された個々の７８０ｎｍ及び１９００ｎｍのパルスは、約１３２０ｎｍの波長を生成するためのＤＦＧとして構成された非線形結晶４１７０にて受信される。他の例のように、ＡＯＭは、下流側に配置され、複数の波長λ_１．．．、λ_ｎを有するパルスを受信し、上述のようなパルス選択器及び／又は強度変調器として構成される。パルスは、本例では、カゴメファイバであるＨＣ−ＰＣＦ４２００に向けられる。ファイバ４２００中の伝搬の結果としてわずかな負の分散を示し得る１３００ｎｍの出力パルスは、ＭＳ及びサンプルに向けられる。ある実施例では、追加の周波数変換の段階を１９００ｎｍ波長パルスの周波数倍増に含めることができるので、３つの波長７８０ｎｍ、９５０ｎｍ及び１３２０ｎｍをたった１つの発振器を用いて生成することができる。デリバリファイバに連結するために３つ全ての波長を１つのビームに結合するのに適切な非線形結晶及びダイクロイックミラー又はビームスプリッタが実装されてもよい。

図５は、１３００ｎｍの超短パルスの生成及び放出の第２の構成例を模式的に示す。本例では、追加のラマンシフトが利用され、インラインの構成がもたらされる。本例では、種入力源は、Ｔｍファイバ発振器及びＴｍファイバ増幅器を含む。１つ以上のシリカファイバ、フッ化物ファイバ又はゲルマニウムドープファイバを含むラマンシフタは、増幅されたパルスの一部分を約２６００ｎｍの波長にシフトさせる。このようなラマンシフタは、数メートルの光ファイバで構成されてもよく、約０．１−１０ｍの全長を有してもよい。超短パルスの幅は、ラマンソリトン伝搬によって得られる。パルスのピークパワーは、ＳＨＧで高効率な周波数倍増を補助するのに十分に高い。ＳＨＧの１３００ｎｍの出力は、パルス選択器及び／又は強度変調器として動作するＡＯＭに向けられる。図４の例のように、ＨＣ−ＰＣＦカゴメファイバは、圧縮された出力パルスを生成し、かつ、顕微鏡及びサンプルにパルスを放出するように、わずかな異常分散で用いられる。好ましい実施例では、サンプルを照射するパルスは、ほぼ変形制限されることになる。

図６は、９２０ｎｍ及び１０６０ｎｍのレーザパルスの生成並びにシングル中空コアファイバによる放出の構成例を模式的に示す。十分な強度の１０６０ｎｍのパルスはある蛍光色素分子を励起することができるということが多光子顕微鏡の分野では知られている。好ましい実施例では、９２０ｎｍパルスは、図６に示されるように、モードロックＮｄ又はＹｂ発振器、Ｎｄ又はＹｂ前段増幅器及びシングルＮｄファイバパワー増幅器を含む光源で生成される。例えば、９２０ｎｍの波長はＮｄモードロック発振器で生成されることができ、その一方で、１０６０ｎｍの波長はＮｄ又はＹｂいずれかのファイバモードロック発振器で生成されることができる。次いで、適切なＮｄ又はＹｂ前段増幅器は２つの発振器に対して実装され、（ＨＣ−ＰＣＦファイバにおける適切な分散補償後の）前段増幅器からの出力は続いて波長分散多重化カプラ（不図示）によって結合される。次いで、最後のＮｄファイバ増幅器は、双方の波長を同時に増幅するように構成されている。９２０ｎｍ及び１０６０ｎｍでの利得のバランスを採るために、１０−５０μｍの範囲内のコア径の大きなコアのＮｄファイバ増幅器を用いるのが好ましい。また、９２０ｎｍ及び１０６０ｎｍでの適切な出力は、例えば、パワー増幅器の上流側の追加の減衰器（不図示）によって、又は前段増幅器の利得及び出力パワーを調整することによって可能となる。各々の波長について１つの前段増幅器のみが示されているが、１つ以上の増幅器が用いられてもよい。Ｎｄ及びＹｂ発振器／増幅器は、概して、本例では対象波長で正常分散δ_２＞０を示す。

図６に示すように、異常分散を有するプリチャープされた圧縮光パルスを得るように、増幅された出力の各々は中空コアファイバ６１１０−ａ、６１１０−ｂにそれぞれ向けられ、それはＨＣ−ＰＣＦであればよい。次いで、ＨＣファイバ出力は、空間的に結合され、Ｎｄパワー増幅器で更に増幅される。波長９２０ｎｍ及び１０６０ｎｍの増幅された出力は、パルス選択器及び／又は強度変調器として作動するＡＯＭに向けられる。図４及び５に示した例のように、ＨＣ−ＰＣＦ６２００は、圧縮された出力パルスを生成し、かつ、顕微鏡及びサンプルにパルスを放出するように、わずかな負の分散で構成されたカゴメファイバを含む。カゴメファイバは９２０ｎｍ及び１０６０ｎｍの出力波長においていくらか異なる分散を示すので、分散は補償のためのＨＣ−ＰＣＦの一方又は双方において調整される。好ましい実装では、サンプルを照射するパルスは、ほぼ変形制限されることになる。略変形制限されたパルスを取得するために、デリバリファイバは、比較的広い波長範囲（例えば、Δλ〜１００ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍ、８００ｎｍ）に亘り、約−１０から＋１０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ、−３ｐｓ／ｎｍ・ｋｍから＋３ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ又は約−１から１ｐｓ／ｎｍ・ｋｍの範囲の例において、その波長範囲に亘ってδ_２〜０とともに分散値Ｄ（λ）を生成するように構成されたカゴメファイバであってもよい。

例として、ＭＰＭに対するデュアル波長源は、１０６０ｎｍで約１Ｗの平均出力パワーを供給し、９２０ｎｍで約０．５Ｗの平均パワーを供給し得る。パルス幅は、パルスの繰り返し速度が約１０ＭＨｚから約１００ＭＨｚの範囲内である状態で、各々の波長で約２００ｆｓ未満であってもよい。シングルＨＣデリバリファイバは、双方の波長を伝達するように利用されてもよく、各々波長で全体のシステム分散を補償するように設計された分散である。最小限のパルス継続時間は、デリバリファイバの出力で提供されてもよい。ピーク出力パワーは、約１０ｋＷから１００ｋＷの範囲内であってもよい。少なくとも１つの好ましい実施例では、ＡＯＭは、９２０ｎｍ及び１０６０ｎｍのパルスを選択的にＨＣ−ＰＣＦに向け、レーザコントローラ、ＭＰＭコントローラ又はシステムコントローラに動作可能に接続されてもよい。個々の波長に対する波長選択を、例えば、ＡＯＭへの変調周波数を変更することにより実行することができる。これにより、双方の波長に対して同じブラッグ回折角がもたらされ得る。このようなＡＯＭは、例えば、ＡＡオプトエレクトロニクス、特にモデルＮｏ．ＭＴ１１０＋ＭＤＳＩＣから入手可能である。

図７は、３つの波長システムを模式的に示す。本例では、シングルモードロックＥｒ発振器７１１０からの出力は、前段増幅器７１２０において増幅される。次いで、それは、３つの光学経路に分岐され、３つの異なるファイバ増幅器、例えば、Ｙｂ増幅器７１３０−ｃ、Ｅｒ増幅器７１３０−ｂ及びＴｍ増幅器７１３０−ａに種を提供するのに用いられる。追加のスーパーコンティニウムファイバの段階（不図示）は、適切な種波長を生成するようにＴｍ及びＹｂ増幅器の上流側に挿入されてもよく、そのような種波長は、適切な光学フィルタ（不図示）で更に選択され得る。図７では、１つのみのＹｂ、Ｅｒ及びＴｍのパワー増幅器の段階が示され、２つ以上の増幅器の段階を、各々の光学経路上にそれぞれ用いることができる。Ｔｍ増幅器７１３０−ａは、１８４０−２１００ｎｍの範囲内の出力を生成することができ、それは、ＳＨＧ段階での周波数倍増の後、９２０ｎｍから１０５０ｎｍの範囲内の出力を生成することができる。Ｅｒ増幅器７１３０−ｂの周波数倍増は７８０ｎｍから８００ｎｍの範囲内の波長を生成し、Ｙｂ増幅器７１３０−ｃは１０５０ｎｍ付近の出力を生成する。２つの周波数倍増された出力は、例えば、ミラーＭ１及びダイクロイックミラーＭ２（及び例えばレンズである光学要素Ｌ１、Ｌ２）と結合され、ＡＯＭに向けられ、例えばＨＣ−ＰＣＦである中空コアファイバ（ＨＣＦ）７１８０−ａを介して顕微鏡結合ステーションに放出され得る。Ｙｂファイバ増幅器７１３０−ａの出力を、第２のＡＯＭ及び第２の長さのＨＣＦ７１８０−ｂ（例えば、ＨＣ−ＰＣＦ）を介して顕微鏡システムにおける第２の結合ステーションに同様に向けることができる。ＨＣ−ＰＣＦの長さは、所望のターゲットでほぼバンド幅制限された出力を確保するように調整される。原則として、顕微鏡の要求に応じて、３つの異なる結合ステーションと同様に１つのみのＭＳ結合ステーションが使用され得る。また、Ｎｄ増幅器又はＨｏ増幅器及び差周波生成のような追加の段階は、上述のように、１３００ｎｍ又は９２０ｎｍの生成された出力に実施され得る。本質的に、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｈｏ及び／又はＴｍ増幅器のいずれかの組合せが、ほぼバンド幅制限されたパルスをサンプル上で生成するような適切な分散制御の所望の多重波長源を生成するのに使用され得る。

図７において、Ｅｒ種発振器が示されているのに対して、他の種発振器がまた用いられることができる。ある実施例において、構成要素、例えば、種入力源及び増幅器は、後続の増幅器に対する要件に従って、部品コストを低減するように成形され、かつ、周波数変換されてもよいということが理解されるべきである。ＭＰＭアプリケーションにおいて、７８０／９４０／１０５０ｎｍの光源は、第二次高調波発生（ＳＨＧ）を含むことができ、青（Ｂ）及び緑（Ｇ）の蛍光色素分子励起にそれぞれ適している。追加的に、その出力は、第三次高調波発生（ＴＨＧ）及び例えばコヒーレントアンチストークスラマン分光法（ＣＡＲＳ）のような３フォトン顕微鏡におけるアプリケーション、その他レーザ外科手術及び組織変性における他のアプリケーションに適し得る。

したがって、図７に関して説明したシステムは多くの波長を同時に放出するように設計されることができるが、４つ以上の波長又は広く調整可能な出力の波長（又は波長を利用可能にすることが困難である）が必要となる場合、光パラメトリック増幅も有利に実施され得る。一例のＯＰＡ構成は、図４及び図７Ｂにおいてある程度再現されたＩｍｅｓｈｅｖ他の米国特許第８０４０９２９号（特許文献７）の第７−１１欄にてすでに説明された。この光源は、本出願の図７Ａに関して説明するように、多光子顕微鏡に適合され得る。ここで、モードロックＹｂ発振器７２１０で生成された出力はＹｂ前段増幅器７２１０−ａにて増幅され、増幅された出力の一部分は高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）７２５０へと方向転換され、それはラマンシフト又はスーパーコンティニウム生成によって１０５０−１７００ｎｍの範囲内で出力を生成することができる。分散補償要素（不図示）は、また、ＨＮＬＦの上流で含まれ得る。次いで、Ｙｂ前段増幅器は、Ｙｂパワー増幅器にて更に増幅され、例えば、パルス圧縮器モジュール（ＰＣＭ）７２４０において、パルス圧縮器で変形限界近くに戻って圧縮される。ＰＣＭ７２４０は、格子又はプリズム対、ボリュームブラッグ格子及び中空コアファイバＨＣＦを含むことができる。次いで、圧縮器及びＨＮＬＦ７２５０からの出力は、ミラーＭ２及びダイクロイックビームスプリッタＭ１で結合され、ＯＰＡ段階７２６０に向けられる。１００ｎＪ程度のパルスエネルギーがあれば、１２００−１７００ｎｍの範囲内の任意の信号の効率的な増幅を、例えばＰＰＬＮ又はＰＰＳＬＴのような例としての非線形結晶を用いて得ることができる。調整可能な変調周波数のＡＯＭ７２７０はＯＰＡ段階７２６０の下流側に挿入され、そのＡＯＭ出力は顕微鏡へのビーム放出及び結合のために中空コアファイバ７２８０において結合される。

図７ＢにおけるＯＰＡの例を参照すると、短パルスファイバレーザ７１３０の出力は、ビームスプリッタによって２つのアームに分岐される。一方のアームには、ポンプパワーを供給するＯＰＡポンプ７３２０がある。ＯＰＡポンプ７３２０は、高エネルギーで狭いバンド幅のポンプパルスを出力する。第２のアームでは、コンティニウム源は、所定範囲の波長を選択するようにフィルタリングされる広いバンドの光パルスを生成する。非線形結晶７３６０は、光ポンプパルス及びコンティニウム源からの広いバンドの光パルスを受信する。本例では、ＯＰＡシステムは、上記非線形結晶によって受信される前に光ポンプパルス及び上記コンティニウム源からの広いバンドの光パルスが別個の光学経路に沿って一時に伝搬するように構成される。コンティニウム源から送られた広いバンドの光パルスは、非線形結晶７３６０において光パラメトリック増幅によって増幅される。次いで、増幅されたパルスは、パルス圧縮器７３８０で圧縮され、それはＨＣＦであってもよく、ある好ましい実施例では、カゴメファイバを備えることになる。ＯＰＡ構成の１つの効果は、ポンプと信号との正確な同期である。ＯＰＡの出力は比較的広い分散であるが、設計されたＨＣＦは最終使用デバイスの出力で高い質の圧縮されたパルスを供給することができるが、その最終使用デバイスは、ＭＰＭ、ＥＭＰＭ又はレーザ外科手術デバイスであってもよい。

Ｙｂ発振器のフロントエンドの代わりに、Ｅｒ発振器のフロントエンドを用いることもできる。図７に関して示したように高非線形ファイバでのスペクトル拡大によって１０５０ｎｍに近い種信号を生成するのにＥｒ発振器を用いることができ、高非線形ファイバでのスペクトル拡大によって１３００ｎｍ及び１７００ｎｍで種信号を生成するようにＥｒ源を更に用いることもできる。Ｅｒ種源を使用することによって、１７００ｎｍ近くの信号の生成のために必要となるスペクトルシフトの量を減少させ、従って、増幅されたＹｂファイバ増幅器によってポンプされた光パラメトリック増幅器における振幅ノイズの量を減少させることができる。このような構成は、個別には示されていない。

上述のシステムのいずれも、例えば、ＰＣＴ出願である国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０１１８０２号（特許文献１１）に関して論じられているように、内視鏡的多光子顕微鏡に更に対応している。例えば、中空コアファイバの終端の適切な共鳴励起は、ターゲット領域を横切って走査するように小型化されたｘ−ｙスキャナと連結して実施され得る。次いで、蛍光発光信号は、他のファイバで撮像され、画像分析システムに向けられる。このようなシステムは国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０１１８０２号（特許文献１１）に関してすでに論じされ、それはその全体においてここに参照により取り込まれ、ここでは更には記載されない。

さらに、図１Ｂから７Ｂに関して記載及び説明されたシステムの例は、互いに排他的ではない。これらのシステムの例は、種々の特徴及び機能を説明するように示されており、限定的なものを意図していない。従って、種々のシステムの例からの構成要素は、所望の目標又はいずれかの特定の実施形態によって達成される効果に応じて、他の例示された実施形態で使用、交換、変形又は除外され得る。

実施例１−９２０ｎｍ光源の特徴評価
９２０ｎｍ光源が、作製され、特徴づけられた。Ｎｄ種源（１８０ｎｗ、８８０ｎｍ−１０００ｎｍの範囲内のλ、４６ＭＨｚ）は、単一のＮｄ増幅器（４ｍ長）で使用された。ＧＬＯフォトニクスから得られた４ｍ長のＰＢＧＦ（７μｍ／１１０μｍコア／クラッド比、７／１１０）は、その増幅器から下流に配置された。システムは、光学アイソレータ、フィルタ及び他の補助構成要素もまた含んだ。本例では、Ｎｄ増幅器は、分散値Ｄ（λ）〜−７７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、正味の正の分散δ_２＞０を示した。ＰＢＧＦファイバは、Ｄ（λ）〜１４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、正味の負の分散δ_２＜０を示した。システムの出力で（及び最終使用デバイス顕微鏡構成要素なしで）、約１７．５ｎｍのスペクトル幅Δλは、推定された１２７ｆｓのパルス幅（ＦＷＨＭ）で達成された。自己相関関数（ＡＣＦ）は、周知のＡＣＦ畳み込み因子に起因して実際のパルス幅よりも長い１．５倍程度の１９６ｆｓのＦＷＨＭを表示した。パルス幅は、ｓｅｃｈ^２近似に基づいて１２７ｆｓと評価された。システムは、ＳＭエンドキャップなしでＭ^２〜１．３を達成した。図８Ａ−８Ｄは、幾つかの実験結果を示す。

図８Ａは、Ｄ（λ）＞０で構成された正分散ファイバの長さの関数としてパルス幅の変化を示す図である。カットバックテストの結果に基づいて、４ｍの長さで１２７ｆｓのパルス幅となった。ファイバ長が４ｍから６ｍに増加されるにつれて、若干線形的にパルス幅が数百ｆｓから数ｐｓに増加し、分散の効果を示した。

図８Ｂは、λｃ〜９２６．５ｎｍでΔλ〜１７．５ｎｍの測定スペクトルを示す。

図８Ｃは、自己相関測定によって得られたパルスの時間形状を示す。ＡＣＦは、ＡＣＦの畳み込み因子を含む１９６ｆｓのＦＷＨＭを表示した。パルス幅は、ｓｅｃｈ^２近似に基づいて１２７ｆｓとして評価された。

図８Ｄは、Ｍ^２ _ｘ〜１．３２、Ｍ^２ _ｙ〜１．３４のデリバリファイバの出力で得られたＭ^２を示す。

実施例２−９２０ｎｍ動作に対する分散設計されたＨＣファイバ
上述のように、ＨＣ−ＰＢＧＦ、ＨＣ、ＰＣＦ及びカゴメファイバを含む特殊ファイバは、波長の広範囲に渡って正常又は異常分散で分散設計されてもよい。上述のように、チャープファイバブラッグ格子及び他のオプションは短波長で異常分散を生成するために存在するが、アプリケーションは限られている。シングルモード伝搬は、多くのレーザアプリケーションについて無視できるほどの非線形効果を有するＨＣファイバで与えられることができる。９２０ｎｍでの動作のための特殊ファイバの幾つかの例は以下の通りである。

図９Ａは、ＧＬＯフォトニクスＳＡＳ（「ＧＬＯ」）から入手可能なＨＣファイバの分散特性を例示するプロットである。ファイバ損失は破線の曲線として示され、ファイバ分散Ｄ（λ）は実線の曲線として示されている。損失は９２０ｎｍ近くで最少であることが分かる。評価された分散は対象波長について比較的平坦であり、ファイバはＤ（λ）〜１００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍのわずかな異常分散を示す状態である。このファイバは、９２０ｎｍのパルスを生成する本開示の実施形態に従ってプリチャープすることに適している。

図９Ｂは、ＧＬＯフォトニクスＳＡＳ（「ＧＬＯ」）から入手可能であり、かつＧＬＯにより作られたカゴメファイバの分散特性を示すプロットである。本例では、約９００ｎｍから約１３００ｎｍの範囲に亘る平均で、Ｄ（λ）〜０である。Ｄ（λ）は、波長範囲に亘って約±３ｐｓ／ｎｍ・ｋｍだけ変化する。そのファイバは、５０μｍよりも大きいコア径とともに大きなモードにおけるシングルモード伝搬を特徴とする。カゴメファイバは、約−１０から＋１０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍにおける分散値、Ｄ（λ）、δ_２を生成するように構成されている。そのファイバは、本開示の実施形態に従ってデリバリファイバとして用いることに適しており、可視及び／又は近ＩＲにおける中心波長、λｃの比較的広い範囲に亘って用いることに適している。さらに、そのファイバは、少なくとも約５００ｎｍでの波長範囲Δλに亘って伝送するように構成されてもよく、低い又は平坦化された分散を有することによって特徴づけられてもよい。

追加の実施例及び実施形態
本出願は、以下の態様に記載された種々の実施形態を開示する。

第１の態様では、レーザシステムは、複数の出力波長λ_１、λ_２、．．．、λ_ｎ（ｎ≧２）において超短パルスを供給するように構成されている。レーザシステムは、１つ以上の波長を有する超短入力パルスを生成するように構成された少なくとも１つのモードロックレーザと、前記少なくとも１つのモードロックレーザから下流に配置された分散的光学構成要素、及び光デリバリファイバであって、前記波長λ_１．．．λ_ｎの各々において前記レーザシステムから下流に配置された最終使用デバイスの正味の分散を前記少なくとも１つのモードロックレーザ、前記分散的光学構成要素及び前記光デリバリファイバによって示される正味の分散が補償するように構成され、前記最終使用デバイスが超短パルスでサンプルを照射するように構成された、光デリバリファイバを備え、前記最終使用デバイスは選択された複数の前記出力波長λ_１．．．λ_ｎを有するフェムト秒パルスを前記サンプルに放出するように構成されており、前記フェムト秒パルスの各々が前記レーザシステム及び前記最終使用デバイスの正味の分散について実質的に補償されたものである。

第２の態様では、第１の態様に記載のレーザシステムにおいて、前記少なくとも１つのモードロックレーザは、少なくとも１つのモードロックファイバ発振器を備える。

第３の態様では、第２の態様に記載のレーザシステムにおいて、前記少なくとも１つのモードロックファイバ発振器は、Ｎｄファイバ発振器、Ｙｂファイバ発振器、Ｅｒファイバ発振器、Ｔｍファイバ発振器又はＨｏファイバ発振器の１つ以上を備える。

第４の態様では、第２の態様又は第３の態様に記載のレーザシステムにおいて、前記少なくとも１つのモードロックファイバ発振器は、前記複数の出力波長λ_１．．．λ_ｎの１つ以上の波長を有する入力パルスを生成する。

第５の態様では、第１の態様乃至第４の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記複数の波長でパルスを受信する光学変調器であって、前記複数の波長で１つ以上のパルスを制御可能に選択するように、及び／又は前記波長で出力パワーを制御するように構成された光学変調器を更に備える。

第６の態様では、第５の態様に記載のレーザシステムにおいて、前記光学変調器は、音響光学変調器、電気光学変調器又は集積マッハツェンダ変調器を備える。

第７の態様では、第１の態様乃至第６の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記最終使用デバイスと通信するコントローラを更に備える。

第８の態様では、第１の態様乃至第７の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記光デリバリファイバは、前記複数の出力波長λ_１．．．λ_ｎの多重波長にて予め選択された分散を持って構成された。

第９の態様では、第１の態様乃至第８の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、ｎ＝２であり、前記波長は約９２０ｎｍ及び１０６０ｎｍである。

第１０の態様では、第１の態様乃至第９の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、ｎ＝３であり、前記波長は約９２０ｎｍ、１０６０ｎｍ及び１３００ｎｍである。

第１１の態様では、第１の態様乃至第１０の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、ｎ＝３であり、前記波長は、約７８０ｎｍ、９４０ｎｍ及び１０５０ｎｍである第１の態様乃至第１０の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムである。他の態様では、ｎ＝３であり、前記波長は、約７８０ｎｍ、９５０ｎｍ及び１３２０ｎｍである。

第１２の態様では、前記システムは、ラマンソリトン伝搬のために構成されたラマンシフトファイバを備える第１の態様乃至第１１の態様のいずれか一項に記載のレーザシステムである。

第１３の態様では、第１２の態様に記載のレーザシステムにおいて、前記ラマンシフトファイバは、入力波長を前記複数の出力波長λ１．．．λｎの１つ以上にシフトさせる。

第１４の態様では、第１２の態様又は第１３の態様に記載のレーザシステムにおいて、前記ラマンシフトファイバは約２６００ｎｍの出力波長を生成し、前記システムは１３００ｎｍの光パルスを生成するように周波数倍増器を備える。

第１５の態様では、前記システムは、光パルスの周波数をアップコンバートするために構成された周波数コンバータを備える第１の態様乃至第１４の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムである。

第１６の態様では、前記システムはＤＦＧのための結晶を備え、前記ＤＦＧからの出力は１つ以上の波長λ_１．．．λ_ｎを備える第１の態様乃至第１５の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムである。

第１７の態様では、第１の態様乃至第１６の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記光デリバリファイバは、ＨＣ−ＰＣＦ、ＨＣ−ＰＢＧＦ又はカゴメファイバを備える。

第１８の態様では、第１の態様乃至第１７の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記光デリバリファイバは、１つ以上の出力波長λ_１．．．λ_ｎでわずかな異常分散を示す。

第１９の態様では、第１の態様乃至第１８の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記サンプルを照射する前記超短パルスは、ほぼ変形制限されており、超短パルスのピーク値の実質的に１０％未満のパルスペデスタルを持つ約１００ｆｓから約１ｐｓの範囲内のパルス幅を備える。

第２０の態様では、第１の態様乃至第１９の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記少なくとも１つのモードロックレーザから下流に配置された前記分散的構成要素は、入力信号をプリチャープするよう配置された特殊ファイバを備え、正常又は異常分散によって前記入力信号のパルス幅を変化させる。

第２１の態様では、第１の態様乃至第２０の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、λ_１．．．λ_ｎは、９２０ｎｍ又はその近傍の波長を備える。

第２２の態様では、第１の態様乃至第２１の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記波長は、λ１として９００から９５０ｎｍの波長範囲を、λ２として１０３０から１０８０ｎｍの波長範囲を備え、前記システムは、前記２つの波長範囲λ_１及びλ_２の各々においてそれぞれの波長を有する光パルスを同時に増幅する単一のＮｄパワー増幅器で構成される。

第２３の態様では、第１の態様乃至第２２の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記少なくとも１つのモードロックレーザと前記光デリバリファイバとの間に配置された光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を更に備え、前記ＯＰＡは、前記最終使用デバイスでの使用のために複数のＯＰＡ出力波長（ｎ＞２）を生成し、前記光デリバリファイバは、約２００ｆｓ未満のパルス幅を有する圧縮された光パルスが前記最終使用デバイスから供給されて前記サンプルを照射するように、前記ＯＰＡ波長の各々における分散で構成される。

第２４の態様では、超短パルスを利用してサンプルを照射する最終使用デバイスは、第１の態様乃至第２３の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステム、複数の波長λ_１．．．λ_ｎ（n≧２）の各々で所定の正味の分散を有する放出及び合焦光学素子を備え、前記レーザシステム及び前記波長λ_１．．．λ_ｎの各々での前記最終使用デバイスの各々における正味の分散は、約１００ｆｓから約１ｐｓの範囲内のパルス幅を有する、ほぼ変形制限された超短パルスをもたらすように実質的に補償される。

第２５の態様では、前記デバイスは、多重波長の多光子顕微鏡（ＭＰＭ）として構成された、第２４の態様に記載の最終使用デバイスである。

第２６の態様では、前記デバイスは、多重波長の多光子内視鏡顕微鏡（ＥＭＰＭ）として構成された、第２４の態様又は第２５の態様に記載の最終使用デバイスである。

第２７の態様では、第２４の態様乃至第２６の態様のいずれか一態様に記載の最終使用デバイスにおいて、λ_１．．．λ_ｎは、９２０ｎｍ又はその近傍の波長を備える。

第２８の態様では、サンプルを照射するように超短パルスを生成するよう構成されたレーザシステムは、入力パルスを生成するように構成されたモードロックレーザ、前記モードロックレーザの下流で周波数拡大されたスペクトルを生成するように構成された高非線形ファイバであって、前記拡大されたスペクトルが信号波長範囲Δλと少なくとも部分的に重畳している高非線形ファイバ、前記モードロックレーザから下流に配置された分散的光学構成要素、前記モードロックレーザから下流に配置された光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）であって、前記波長範囲Δλ内で対応するパルススペクトルで光パルスを増幅するように構成された光パラメトリック増幅器、並びに光デリバリファイバであって、前記波長範囲Δλ内において前記レーザシステムから下流に配置された最終使用装置の正味の分散を前記モードロックレーザ、前記分散的光学構成要素、前記ＯＰＡ及び前記光デリバリファイバによって示される正味の分散が実質的に補償するように構成され、前記最終使用装置は前記ＯＰＡで生成されたフェムト秒パルスでサンプルを照射するように構成された、光デリバリファイバを備える。

第２９の態様では、第２８の態様に記載のレーザシステムにおいて、前記ＯＰＡは、前記信号波長範囲Δλ内で調整可能なパルスを生成するように構成される。

第３０の態様では、前記システムは、前記モードロックレーザから下流に配置された１つ以上の光学増幅器を備えた第２８の態様又第２９の態様に記載のレーザシステムである。

第３１の態様では、前記システムは、第１の光学経路に配置され、圧縮された光パルスを供給する光パルス圧縮器、第２の光学経路に設けられた前記高非線形ファイバであって、前記圧縮された光パルス及びスペクトル的に拡大された光パルスが前記ＯＰＡに放出される高非線形ファイバ、並びに前記ＯＰＡと前記光デリバリファイバとの間に配置された光変調器であって、光パルスを選択し、前記出力波長を有するパルスを選択的に伝送し、かつ／又は出力パルスの強度を制御するように構成された光変調器を備える第２８の態様乃至第３０の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムである。

第３２の態様では、第３１の態様に記載のレーザシステムにおいて、前記高非線形ファイバは、ラマンシフト又はスーパーコンティニウム発生によって１０５０ｎｍから１７００ｎｍの範囲で出力を生成する。

第３３の態様では、第２８の態様乃至第３２の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記ＯＰＡは、約１２００ｎｍから１７００ｎｍの範囲内の波長を有するパルスを増幅するように構成される。

第３４の態様では、第２８の態様乃至第３３の態様のいずれか一態様に記載のレーザシステムにおいて、前記光デリバリファイバは、少なくとも約５００ｎｍの出力波長範囲Δλの出力の一部に亘って低い又は平坦化された分散を有することによって特徴づけられたカゴメファイバを備える。

第３５の態様では、ＭＰＭに対して構成され、かつ第２８の態様乃至第３４の態様のいずれか一態様によるレーザシステムに連結される最終使用装置である。

第３６の態様では、レーザ外科手術に対して構成され、かつ第２８の態様乃至第３５の態様のいずれか一態様によるレーザシステムと結合される最終使用装置である。

以下の特許文献、特許出願及び非特許文献は、本開示に関連している。

米国特許第５８６２２８７号明細書（‘２８７）及び米国特許第６２４９６３０号明細書（‘６３０）、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｏｆ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｏｐｔｉｃａｌｐｕｌｓｅｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ」Ｓｔｏｃｋ他

米国特許第５８８０８７７号明細書（‘８７７）、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」Ｆｅｒｍａｎｎ他

米国特許第６２３６７７９号明細書（‘７７９）及び米国特許第６３８９１９８号明細書（‘１９８）、「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｕｂ−ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅｓ」Ｋａｆｋａ他

米国特許第６８８５６８３号明細書（‘６８３）、「Ｍｏｄｕｌａｒ、ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ、ｗｉｄｅｌｙ−ｔｕｎａｂｌｅ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｆｉｂｅｒ ｓｏｕｒｃｅ」Ｆｅｒｍａｎｎ他

米国特許第７２５７３０２号明細書（‘３０２）、「Ｉｎ−ｌｉｎｅ、ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｆｉｂｅｒ ｃｈｉｒｐｅｄ ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ」Ｆｅｒｍａｎｎ他

米国特許第８０４０９２９号明細書（‘９２９）、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ、ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ、ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｍｐｉｎｇ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ｓｙｓｔｅｍｓ」Ｉｍｅｓｈｅｖ他

米国特許出願公開第２０１２／０１９５３３０号明細書（‘３３０）、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｆｉｂｅｒ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ」Ｃｈｏ他

米国特許出願公開第２０１４／００２３９９３号明細書（９９３）、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」Ｚｅｎｇ他

国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０１１８０２号（‘８０２）、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｌａｓｅｒ ｓｕｒｇｅｒｙ」、２０１５年１月１６日出願

「Ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｌａｓｅｒｓ、Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｓｅｃｔｉｏｎ３．３：Ｌｉｎｅｒ ｐｕｌｓｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ．ｐｇｓ．９２−９９、Ｆｅｒｍａｎｎ他著、Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ，２００３（以下、「Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｌａｓｅｒｓ」として参照）

「Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｌｅｉｃａ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ（Ｍａｎｎｈｅｉｍ、ドイツ）によるｈｔｔｐ：／／ｗ３．ｂｉｏｓｃｉ．ｕｔｅｘａｓ．ｅｄｕ／ｐｍｃ／ｗｅｂｄｏｃｓ／Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ．ｐｄｆから入手可能

Ｌｅｉｃａ ＴＣＳ ＭＰ５、「Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ」、Ｂｒｏｃｈｕｒｅ、Ｌｅｉｃａ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ（Ｍａｎｎｈｅｉｍ、ドイツ）による

本開示を要約する目的のために、ある態様、効果、実施形態、実施例及び本開示の新規特徴がここに記載されている。しかしながら、全てのこのような効果はいずれかの特定の実施形態に従って必ずしも達成されなくてもよい。したがって、本開示の種々の態様は、ここに教示又は示唆され得るような他の効果を必ずしも達成されずに１つ以上の効果を達成する方法で実施又は実行されてもよい。各々の実施形態に対して必要又は必須な特徴又は特徴の群はない。

ここに記載された、例示の実験、実験データ、テーブル、グラフ、プロット、写真、図面並びに処理及び／又は動作パラメータ（例えば、値及び／又は範囲）は、開示されたシステム及び方法の動作条件を説明することを意図するものであり、ここに開示された方法及びシステムの種々の実施形態に対する動作条件の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、ここに開示された、実験、実験データ、計算データ、テーブル、グラフ、プロット、写真、図面及び他のデータは、開示されたシステム及び方法の実施形態が１つ以上の所望の結果を効率的に生成するように動作し得る種々の形態を実証する。このような動作形態及び所望の結果は、例えば、テーブル、グラフ、プロット、図面又は写真にて示された動作パラメータ、条件又は結果の特定の値に限定されるだけでなく、これら特定の値を含み、又は補う適切な範囲も含む。したがって、ここに開示された値は、テーブル、グラフ、プロット、図面、写真などにリスト化され又は示された値のいずれかの間の値の範囲を含む。さらに、ここに開示された値は、テーブル、グラフ、プロット、図面、写真などでリスト化され又は示された他の値によって実証され得るように、テーブル、グラフ、プロット、図面、写真などに列挙又は図示された値のいずれかの上又は下の値の範囲を含む。また、ここに開示されたデータは１つ以上の効果的な動作範囲及び／又はある実施形態に対する１つ以上の所望の結果を立証し得るが、全ての実施形態が各々のこのような動作範囲において動作可能である必要はなく、又は各々のこのような所望の結果を生成する必要はないことが理解されるべきである。さらに、ここでのシステム及び方法の他の実施形態は、他の動作形態で動作してもよく、かつ／又はここに開示された、例示の実験、実験データ、テーブル、グラフ、プロット、写真、図面及び他のデータを参照して示されかつ説明されたもの以外の結果を生じさせ得る。また、ここに開示された種々の値について、相対的な用語「約」、「実質的」などを用いてもよい。概して、特に断りがない限り、相対的な用語は、実施形態に応じて、±２０％内、±１５％内、±１０％内、±５％内を意味する。

他のシステム、セットアップ及びパラメータは他の実施例で用いられてもよく、それは同一又は他の結果をもたらし得る。多くの変形が可能であり、かつ本開示の範囲内で熟慮される。材料、構成要素、特徴、構造及び／又は要素が、追加され、削除され、結合され、又は再配置されてもよい。さらに、プロセス又は方法ステップは、追加され、除去され、又は順序付けられてもよい。各々の実施形態に対して必須又は要求となる単一の特徴若しくはステップ又は特徴群若しくはステップ群はない。

とりわけ、「ｃａｎ」、「ｃｏｕｌｄ」、「ｍｉｇｈｔ」、「ｍａｙ」、「例えば」などのここで用いられる条件付き言語は、特に明記されない限り、用いられるような文脈中でそれ以外に理解されるように、ある実施形態がある特徴、要素及び／又はステップを含むが、他の実施形態は含まないということを伝えるように一般的には意図される。したがって、このような条件付き文言は、特徴、要素及び／又はステップが、１つ以上の実施形態についてあらゆる方法で要求されるということ、又は１つ以上の実施形態が著者による入力若しくは促すことの有無にかかわらず、これら特徴、要素及び／又はステップがあらゆる特定の実施形態に含まれ、若しくは実行されるべきか否かを決定するというロジックを必ず含むということを示唆するように一般的には意図されない。用語「備える」、「含む」、「有する」などは、同義であり、かつオープンエンド形式で包括的に用いられ、追加の要素、特徴、行為、動作などを排除しない。また、用語「又は」は、例えば、要素の列挙に結び付けるように用いられるとき、用語「又は」は列挙中の要素の１つ、幾つか又は全てを意味するように、その包括的意味（その排他的な意味ではない）で用いられる。ここで用いられるように、項目のリストの「少なくとも１つ」というフレーズは、単一の部材を含む、それらの要素のあらゆる組み合わせに言及するものである。例として、「ａ、ｂ又はｃの少なくとも１つ」は、ａ、ｂ、ｃ、ａ−ｂ、ａ−ｃ、ｂ−ｃ及びａ−ｂ−ｃを含むことが意図されている。さらに、本出願及び添付の特許請求の範囲で用いられるような冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、特に断りがない限り、「１つ以上」又は「少なくとも１つ」を意味するものと解釈されるべきである。

このように、ある実施形態のみがここで具体的に説明されてきたが、多数の変形例が本発明の精神及び範囲から逸脱することなくそれに対してなされ得ることが明白となる。さらに、頭字語は、単に本明細書及び特許請求の範囲を読み易くするために用いられている。これらの頭字語は使用される用語の一般性を減じるものではなく、特許請求の範囲をここに記載された実施形態に限定するものと解釈されるべきではないことが留意されるべきである。

Claims (36)

1. 複数の出力波長λ_１．．．λ_ｎ（ｎ≧２）において超短パルスを供給するように構成されたレーザシステムであって、
   １つ以上の波長を有する超短入力パルスを生成するように構成された少なくとも１つのモードロックレーザ、
   前記少なくとも１つのモードロックレーザから下流に配置された分散的光学構成要素、及び、
   光デリバリファイバであって、前記波長λ_１．．．λ_ｎの各々において前記レーザシステムから下流に配置された最終使用デバイスの正味の分散を前記少なくとも１つのモードロックレーザ、前記分散的光学構成要素及び前記光デリバリファイバによって示される正味の分散が補償するように構成され、前記最終使用デバイスが超短パルスでサンプルを照射するように構成された、光デリバリファイバ
   を備え、
   前記最終使用デバイスは選択された複数の前記出力波長λ_１．．．λ_ｎを有するフェムト秒パルスを前記サンプルに放出するように構成されており、前記フェムト秒パルスの各々が前記レーザシステム及び前記最終使用デバイスの正味の分散について実質的に補償されたものである、レーザシステム。
2. 前記少なくとも１つのモードロックレーザが、少なくとも１つのモードロックファイバ発振器を備える、請求項１に記載のレーザシステム。
3. 前記少なくとも１つのモードロックファイバ発振器が、Ｎｄファイバ発振器、Ｙｂファイバ発振器、Ｅｒファイバ発振器、Ｔｍファイバ発振器又はＨｏファイバ発振器の１つ以上を備える、請求項２に記載のレーザシステム。
4. 前記少なくとも１つのモードロックファイバ発振器が、前記複数の出力波長λ_１．．．λ_ｎの１つ以上の波長を有する入力パルスを生成する、請求項２又は３に記載のレーザシステム。
5. 前記複数の波長でパルスを受信する光変調器であって、前記複数の波長で１つ以上のパルスを制御可能に選択するように、及び／又は前記波長で出力パワーを制御するように構成された光学変調器を更に備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザシステム。
6. 前記光変調器、音響光変調器、電気光学変調器又は集積マッハツェンダ変調器を備える、請求項５に記載のレーザシステム。
7. 前記最終使用デバイスと通信するコントローラを更に備える請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザシステム。
8. 前記光デリバリファイバは、前記複数の出力波長λ_１．．．λ_ｎの多重波長において予め選択された分散で構成された、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のレーザシステム。
9. ｎ＝２であり、前記波長は約９２０ｎｍ及び１０６０ｎｍである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のレーザシステム。
10. ｎ＝３であり、前記波長は約９２０ｎｍ、１０６０ｎｍ及び１３００ｎｍである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のレーザシステム。
11. ｎ＝３であり、前記波長は、約７８０ｎｍ、９４０ｎｍ及び１０５０ｎｍ又は約７８０ｎｍ、９５０ｎｍ及び１３２０ｎｍである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のレーザシステム。
12. 前記システムが、ラマンソリトン伝搬のために構成されたラマンシフトファイバを備える、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のレーザシステム。
13. 前記ラマンシフトファイバが、入力波長を前記複数の出力波長λ_１．．．λ_ｎの１つ以上にシフトさせる、請求項１２に記載のレーザシステム。
14. 前記ラマンシフトファイバが約２６００ｎｍの出力波長を生成し、前記システムが１３００ｎｍの光パルスを生成するように周波数倍増器を備える、請求項１２に記載のレーザシステム。
15. 前記システムが、光パルスの周波数をアップコンバートするために構成された周波数コンバータを備える、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のレーザシステム。
16. 前記システムは差周波発生（ＤＦＧ）のための結晶を備え、前記ＤＦＧからの出力は１つ以上の波長λ_１．．．λ_ｎを備える請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のレーザシステム。
17. 前記光デリバリファイバが、中空コアフォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＰＣＦ）、中空コアフォトニックバンドギャップファイバ（ＨＣ−ＰＢＧＦ）又はカゴメファイバを備える、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のレーザシステム。
18. 前記光デリバリファイバが、１つ以上の出力波長λ_１．．．λ_ｎでわずかな異常分散を示す、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のレーザシステム。
19. 前記サンプルを照射する前記超短パルスはほぼ変形制限されており、超短パルスのピーク値の実質的に１０％未満のパルスペデスタルを持つ約１００ｆｓから約１ｐｓの範囲内のパルス幅を備える、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のレーザシステム。
20. 前記少なくとも１つのモードロックレーザから下流に配置された前記分散的構成要素が、入力信号をプリチャープするように配置された特殊ファイバを備え、正常又は異常分散によって前記入力信号のパルス幅を変化させる、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載のレーザシステム。
21. λ_１．．．λ_ｎが、９２０ｎｍ又はその近傍の波長を備える、請求項１乃至２０のいずれか一項に記載のレーザシステム。
22. 前記波長が、λ_１として９００から９５０ｎｍの波長範囲を、λ_２として１０３０から１０８０ｎｍの波長範囲を備え、前記システムが、前記２つの波長範囲λ_１及びλ_２の各々においてそれぞれの波長を有する光パルスを同時に増幅する単一のＮｄパワー増幅器で構成された、請求項１乃至２１のいずれか一項に記載のレーザシステム。
23. 前記少なくとも１つのモードロックレーザと前記光デリバリファイバとの間に配置された光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を更に備え、前記ＯＰＡは、前記最終使用デバイスでの使用のために複数のＯＰＡ出力波長（ｎ＞２）を生成し、前記光デリバリファイバは、約２００ｆｓよりも小さいパルス幅を有する圧縮された光パルスが前記最終使用デバイスから供給されて前記サンプルを照射するように、前記ＯＰＡ波長の各々で分散で構成された、請求項１乃至２２のいずれか一項に記載のレーザシステム。
24. 超短パルスを利用してサンプルを照射する最終使用デバイスであって、
    請求項１乃至２３のいずれか一項に記載のレーザシステムと、
    複数の波長λ_１．．．λ_ｎ（n≧２）の各々で所定の正味の分散を有する放出及び合焦光学素子と
    を備え、
    前記レーザシステム及び前記波長λ_１．．．λ_ｎの各々での前記最終使用デバイスの各々における正味の分散が、約１００ｆｓから約１ｐｓの範囲内のパルス幅を有するほぼ変形制限された超短パルスをもたらすように補償される、最終使用デバイス。
25. 前記デバイスが、多重波長の多光子顕微鏡（ＭＰＭ）として構成された、請求項２４に記載の最終使用デバイス。
26. 前記デバイスが、多重波長の多光子内視鏡顕微鏡（ＥＭＰＭ）として構成された、請求項２４に記載の最終使用デバイス。
27. λ_１．．．λ_ｎは、９２０nｍで又はその近傍の波長を備える、請求項２４に記載の最終使用デバイス。
28. サンプルを照射するように超短パルスを生成するよう構成されたレーザシステムであって、
    入力パルスを生成するように構成されたモードロックレーザ、
    前記モードロックレーザの下流で周波数拡大されたスペクトルを生成するように構成された高非線形ファイバであって、前記拡大されたスペクトルが信号波長範囲Δλと少なくとも部分的に重畳している、高非線形ファイバ、
    前記モードロックレーザから下流に配置された分散的光学構成要素、
    前記モードロックレーザから下流に配置された光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）であって、前記波長範囲Δλ内で対応するパルススペクトルで光パルスを増幅するように構成された光パラメトリック増幅器、及び
    光デリバリファイバであって、前記波長範囲Δλ内において前記レーザシステムから下流に配置された最終使用装置の正味の分散を前記少なくとも１つのモードロックレーザ、前記分散的光学構成要素、前記ＯＰＡ及び前記光デリバリファイバによって示される正味の分散が補償するように構成され、前記最終使用装置は前記ＯＰＡで生成されたフェムト秒パルスでサンプルを照射するように構成された、光デリバリファイバ
    を備えるレーザシステム。
29. 前記ＯＰＡが、前記信号波長範囲Δλ内で調整可能なパルスを生成するように構成された、請求項２８に記載のレーザシステム。
30. 前記システムが、前記モードロックレーザから下流に配置された１つ以上の光学増幅器を備える、請求項２８又は２９に記載のレーザシステム。
31. 前記システムが、
    第１の光学経路に配置され、圧縮された光パルスを供給する光パルス圧縮器、
    第２の光学経路に設けられた前記高非線形ファイバであって、前記圧縮された光パルス及び前記スペクトル的に拡大された光パルスが前記ＯＰＡに放出される高非線形ファイバ、及び
    前記ＯＰＡと前記光デリバリファイバとの間に配置された光変調器であって、光パルスを選択し、前記出力波長を有するパルスを選択的に伝送し、及び／又は出力パルスの強度を制御するように構成された光変調器
    を備える請求項２８乃至３０のいずれか一項に記載のレーザシステム。
32. 前記高非線形ファイバが、ラマンシフト又はスーパーコンティニウム発生によって１０５０ｎｍから１７００ｎｍの範囲で出力を生成する、請求項３１に記載のレーザシステム。
33. 前記ＯＰＡが、約１２００ｎｍから１７００ｎｍの範囲内の波長を有するパルスを増幅するように構成された、請求項２８乃至３２のいずれか一項に記載のレーザシステム。
34. 前記光デリバリファイバが、少なくとも約５００ｎｍにおいて出力波長範囲Δλの出力の一部分に亘って低い又は平坦化された分散を有することによって特徴づけられたカゴメファイバを備える、請求項２８乃至３３のいずれか一項に記載のレーザシステム。
35. ＭＰＭに対して構成され、かつ請求項２８乃至３４のいずれか一項に記載されるレーザシステムと結合された、最終使用装置。
36. レーザ外科に対して構成され、かつ請求項２８乃至３５のいずれか一項に記載されるレーザシステムと結合された、最終使用装置。

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