(57)【要約】  気体試料中の分子状汚染物質の存在を検出するオプティカルノーズは、波長可変シードレーザ出力をパルス基準レーザ出力とともに使用して、光音響気体分析器の識別光源として使用される2から20マイクロメートルの範囲の中間域IRレーザ出力を生成する。
2009527775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域波長可変狭線幅中間IRレーザ源を有するオプティカルノーズシステムであって、前記レーザ源がモジュール構造を有し、前記レーザ源が、
a)レーザ出力を有するTM2+:II-VIパワー増幅器を備えた単一縦モード広帯域波長可変TM2+:II-VI主発振器を含み、TM2+が、Cr2+、Fe2+、Co2+およびNi2+からなるグループから選択された遷移金属イオンを表し、II-VIが、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、ZnTe、CdTeおよびこれらの混合物を表す波長可変シードレーザユニットと、
b)レーザ出力を有する単一周波数高エネルギーQスイッチレーザを含むパルスポンプレーザユニットと、
c)前記パルスポンプレーザユニットによってポンピングされ、前記波長可変シードレーザユニットによってシーディングされる、約2から20μmの範囲にわたって選択的に可変の中間IR出力を有する光パラメトリック発生器-増幅器と
を含むオプティカルノーズシステム。
【請求項２】
前記光パラメトリック発生器-増幅器から光入力を受け取る、気体試料を分析するための光音響セルをさらに含む、請求項1に記載のオプティカルノーズシステム。
【請求項３】
前記パルスポンプレーザと前記波長可変シードレーザが、単一のダイオード、ダイオードアレイまたはファイバレーザによってポンピングされる、請求項1に記載のオプティカルノーズシステム。
【請求項４】
前記シードレーザが、共振器長(cavity length)の動的補正機能を備えたリトローまたはリットマン分散共振器(cavity)からなる、モードホッピングのない広帯域波長可変単一周波数レーザである、請求項3に記載のオプティカルノーズシステム。
【請求項５】
共振器長(cavity length)の補正が圧電変換器によって制御される、請求項4に記載のオプティカルノーズシステム。
【請求項６】
マスタ制御コンピュータと、波長ロッキング機能を備えた単一周波数ポンプパルスレーザユニットと、周波数を安定させるためのフィードバックシステムを備えた単一周波数波長可変シードレーザユニットと、光パラメトリック発生器-増幅器とをさらに含み、前記波長可変シードレーザ共振器(cavity)の長さが、圧電コントローラと、前記波長可変レーザ共振器(cavity)の回折格子またはミラーのステップモータに接続された格子ステップモータドライバと、前記マスタ制御コンピュータからの入力に応じて前記格子ステッパモータドライバに信号を送るように動作可能に接続された波長コントローラとによって制御される、請求項5に記載のオプティカルノーズシステム。
【請求項７】
前記光パラメトリック発生器-増幅器ユニットが差周波数発生デバイスであり、前記波長可変シードレーザユニットからのレーザ放射と高パワーポンプレーザユニットからのレーザ放射が、ZGP、CdSeおよびGaSeからなるグループから選択された非線形結晶の中で混合される、請求項6に記載のオプティカルノーズシステム。
【請求項８】
前記非線形結晶の方向が、前記波長コントローラからの制御信号を受け取る回転ステップモータによって制御される、請求項7に記載のオプティカルノーズシステム。
【請求項９】
微量元素の光検出方法であって、分子試料を採取して光学セルに入れるステップと、波長可変レーザ放射を使用して前記セルの中の前記分子を励起させるステップと、前記励起によって生じた特性吸収スペクトルを記録するステップと、前記吸収スペクトルを、コンピュータベースのスペクトル認識アルゴリズムに送るステップと、前記セルの中に存在する前記分子を同定し、定量するステップとを含む方法。
【請求項１０】
光音響気体セルの中に含まれる気体試料を分析する方法であって、
a)パルスポンプレーザおよび波長可変シードレーザをポンピングし、前記レーザをレーザ発振させるステップと、
b)前記パルスポンプレーザの放射および前記シードレーザの放射によって光パラメトリック発生器-光パラメトリック増幅器ユニット(OPG-OPA)をポンピングし、波長可変中間IR信号およびアイドラ波を発生させるステップと、
c)前記OPG-OPAからの波長可変レーザ放射を前記気体セルへの導き、吸収スペクトルを測定するステップと、
d)前記測定された吸収スペクトルを前記気体試料の既知の吸収スペクトルと比較して、前記気体試料の組成を決定するステップと
を含む方法。
【請求項１１】
ステップa)がさらに、
前記シードレーザおよび前記パルスポンプレーザをTmファイバポンプレーザによってポンピングすること
を含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
ステップa)がさらに、
前記シードレーザおよび前記パルスポンプレーザErファイバポンプレーザによってポンピングすること
を含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
ステップa)がさらに、
Qスイッチホルミウムレーザ放射を前記OPG-OPAのポンプ源として発生させること
を含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１４】
ステップa)がさらに、
Qスイッチエルビウムレーザ放射を前記OPG-OPAのポンプ源として発生させること
を含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１５】
ステップa)がさらに、
Cr2+:II-VI主発振器およびCr2+:II-VIパワー増幅器を使用して単一周波数波長可変Cr2+:II-VIレーザ放射を発生させること
を含み、II-VIがZn、Se、CdSe、ZnSおよびこれらの混合物を表し、ステップa)がさらに、
前記Cr2+:II-VI広帯域波長可変シードレーザ放射を前記OPG-OPAに伝送すること
を含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１６】
前記ステップがさらに、
2〜3.5μmのスペクトル範囲にわたって連続的に波長可変のCr2+:II-VI広帯域波長可変シードレーザ放射を伝送すること
を含む、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
ステップb)がさらに、
2〜10μmの中間IRスペクトル範囲にわたる放射を発生させるZGP非線形結晶を前記OPG-OPAの中に配置するステップと、
前記ZGP非線形結晶の位置をZGPステッピングモータによって回転させるステップと、
前記ZGPステッピングモータに接続された波長コントローラを提供するステップと、
その時点の波長に対して必要な前記ZGPの回転角を計算するステップと、
計算に従って前記ZGPを回転させるステップと、
を含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１８】
前記光パラメトリック発生器-増幅器ユニットが差周波数発生デバイスであり、前記波長可変シードレーザユニットからのレーザ放射と高パワーポンプレーザユニットからのレーザ放射が、ZGP、CdSeおよびGaSeからなるグループから選択された非線形結晶の中で混合される、請求項1に記載のオプティカルノーズシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
(関連特許出願の相互参照)
本特許出願は、2006年2月17日に出願された米国特許仮出願第60/774,952号および2006年2月23日に出願された米国特許仮出願60/776,242号による優先権を主張するものであり、また、2001年9月20日に出願された米国特許仮出願第60/323,551号による優先権を主張する、2002年9月19日に出願され、米国特許第6,960,486号として発行された米国特許出願第10/247,272号の分割出願である、2005年5月27日に出願された米国特許出願第11/140,271号の一部継続出願である。これらの参照文献はそれぞれ参照によって本明細書で組み込まれる。
【０００２】
米国政府は、本発明のペイドアップライセンス、およびNSFによって与えられた契約/助成金第BES-0521036号の条項によって規定された、相当の条件で他の人に実施を許可するよう特許権者に求める限られた状況における権利を有する。
【０００３】
(発明の分野)
本発明は量子エレクトロニクスの分野、より具体的にはレーザ技術の基礎に関し、波長可変中間赤外(中間IR)固体レーザを開発する目的に本発明を使用することができる。
【０００４】
より具体的には、本発明は、レーザ分光学、微量気体分析、光化学、光生物学、医学、波長特異的軍事用途などのさまざまな科学技術分野の問題を解決するために、中間赤外スペクトル領域において波長可変な単色レーザ発光が必要な場合に使用することができる。
【０００５】
より具体的には、本発明は、所与の気体試料を、完全な化学的特異性(chemical specificity)、極限的感度(ultimate sensitivity)およびリアルタイム速度で分析することができる機器である。
【０００６】
より具体的には、本発明は、病気の早期診断および管理のためにバイオマーカを測定することができる機器に関する。
【背景技術】
【０００７】
非侵襲医学診断用の眼に安全な医用レーザ源、眼に安全なレーザレーダおよび大気成分のリモートセンシング、光通信ならびに数多くの軍事用途を含むさまざまな用途に使用される手頃な中間赤外線源に対する需要が高まっている。これらの用途は、数多くの有機分子の「分光学的フィンガープリント(spectroscopic fingerprint)」が光スペクトルの中間IR域に存在することに依存する。
【０００８】
このような有機分子は、単一の細胞レベルにおける数多くの生化学過程および生命科学の他の大部分の分野、環境調査、工業プロセスならびに地球規模の地球物理学的過程において基本的役割を演ずる。したがって、所与の試料の分子内容物を、完全な化学的特異性、極限的感度およびリアルタイム速度で検出することが不可欠である。例えば、気体試料を測定することが病気の早期対処に有効である可能性があるこのような1つの領域は、癌のバイオマーカの識別である。より具体的には、米国の男女両性で、肺癌は、癌関連死の最も一般的な原因である。毎年、約173,700人のアメリカ人が肺癌の診断を受け、そのうちの164,440人が肺癌で死亡すると予想され、死亡率は90%を超える。長年にわたる研究にもかかわらず、肺癌の生存率は過去25年間ほとんど変化していない。これは、大部分の肺癌が、治療的処置がもはや不可能な進んだ段階で診断されるためである。最も早い段階で肺癌を識別することは予後の改善のために重要である。ハイリスクの人々の効果的なスクリーニングによる肺癌の死亡率の低下がわずかであっても、毎年数千人の命が救われるであろう。しかしながら、胸部放射線学、痰細胞学、胸部CTスキャンなどの現在のスクリーニング技術は、感度が低いかまたは非特異的であり、米国癌研究所(American Cancer Institute)はそれらの使用を推奨していない。肺癌の検出などの問題に対しては、分子を識別する機器が望ましい。
【０００９】
光検出または「オプティカルノーズ(optical nose)」は、分子検出に対する極めて多くの需要を満たすことができる唯一の方法であることは広く受け入れられている。成果を最大にするためには、分子の光検出は、2〜20μmの中間IRスペクトル領域に位置するいわゆる「分子フィンガープリント領域」において実行されなければならない。この領域では、重要な全ての気体分子が、回転-振動遷移に対応する一連の強い狭帯域吸収線を高密度で有する。気体試料の中間IR光吸収を測定することによって、基本的に全ての化合物を識別し、それらの個々の濃度を測定することができる。
【００１０】
このような分子検出に対する必要性にもかかわらず、既存のどんなレーザ源および検出技法によっても、分子の中間IR光検出のこの大きな可能性を現実にすることはできない。その結果、このような領域は気体試料の高速かつ完全な分析に依存するため、生命科学の多くの研究領域は進歩が妨げられている。先進の分子検出に関しては、常圧で一般に幅10分の数cm-1のスペクトル特徴を有する気体および蒸気の状態の分子を測定することができる新規の中間IRレーザ源が開発されなければならない。ドップラー幅(Doppler broadening)が支配的な低圧では、これらの特徴はよりいっそう鋭くなりうる:<10-12cm-1。この場合には、単一縦モード(single-longitudinal-mode:SLM)レーザが望ましい。高い種選択性および完全なプロファイリング能力のためには、この高いスペクトル分解能に加えて、分子フィンガープリントスペクトル領域(2〜20μm、HITRANデータベース参照)を最大限にカバーすることが必要である。リアルタイム分析のためには、新規のレーザ源が、良好な波長アジリティ(wavelength agility)(1秒あたり数十万の別個の波長)を提供しなければならない。さらに、環境モニタリング、物理探査、対テロリズム(爆発物検出)、食糧生産および生物医学(病気の早期診断のための呼気分析)での使用を含む、設計された機器の想像される複数の実際の用途は、ppt(parts per trillion)までの極めて高い検出感度を必要とし、この極めて高い検出感度は、高パワー(ワットレベル)で低雑音のレーザ源を必要とする。
【００１１】
40年に及ぶレーザおよび非線形光学の研究の後でさえも、想像される用途に対して必要な中間IR放射を発生させることができる理想的な汎用源は存在しない。鉛塩ダイオードレーザ、量子カスケードレーザ、自由電子レーザなどの中間IRレーザ源を利用しようとした以前の試みは、それらの不十分な出力パワー、または容認できないほどに低い検出感度、選択性および速度に帰着するスペクトル可制御性(spectral controllability)に苦しんだ。これまでのところ、中間IRオプティカルノーズ用のコヒーレント放射の最も有望な源は、広帯域波長可変コヒーレント放射の強力な固体源であり、近UVから中間IRまでのスペクトル範囲全体をカバーすることができ、連続波(continuous wave:CW)からフェムト秒パルス幅までの範囲で動作することができる光パラメトリック発振器(optical parametric oscillator:OPO)である。OPOは、レーザがうまく機能しない、またはレーザが利用できない波長のコヒーレント放射を発生させることができる。広帯域波長可変レーザが存在しない光スペクトルの2〜20μmの分子フィンガープリント領域では、可視領域における色素レーザまたは近赤外領域におけるチタンドープサファイア(Ti-S)と同様に、OPOが特に重要な役割を演ずる。
【００１２】
従来の連続波(cw)レーザ、特にダイオードおよびファイバレーザでポンピングされたOPOは、コンパクトな構成で最も高いスペクトル純度の出力放射を供給することができる見込みがある。しかしながら、このようなOPOは5μmよりも短い波長に制限され、しきい値を大きく低減させるために、シングル共振器(single resonant cavity:SRO)および/またはダブル共振器(double resonant cavity:DRO)の利用を必要とする。その結果、OPOの共振器長を、圧電変換器(piezoelectric transducer:PZT)制御システムによって、ポンプレーザ波長に正確に安定させなければならず、このことによって、想像される用途に必要なこのシステムのモードホップ(mode-hop)のない高速、広帯域調整(tuning)は、非常に問題の多いものになる。
【００１３】
従来のパルスOPOおよび光パラメトリック発生器(optical parametric generator:OPG)は有望だが、それらのスペクトルは制御が難しいか(ns OPO)、または幅が広すぎるか(超短パルスOPO)、または平均パワーが低すぎる(OPG)。提案された新規のコヒーレント中間IR源が開発された場合であっても、それらの放射の検出がさらなる難題となることは注目に値する。可視および近IR領域において容易に利用可能な高速フォトダイオード、光電子増倍管およびCCDカメラは、中間IR領域には存在しない。したがって、共振器リングダウン分光法(cavity ring-down spectroscopy:CRDS)、マルチパス、周波数変調、光音響増強技法などの非常に有効な信号増強技法は、中間IRにおいて首尾よく実現されるために特別な注意を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、所与の気体試料を、完全な化学的特異性、極限的感度およびリアルタイム速度で分析することができる機器を提供する。この機器は、この分析を、超広帯域で高速に波長可変の高パワー中間IR源、ならびにそれに適合したセンシングおよび信号増強技法に基づく光検出法を使用することによって提供することができる。このような超広帯域で高速に波長可変の高パワー中間IR源を実現するために、いくつかの構成要素が1つのシステムに組み合わされる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
具体的には、先進の分子検出に対する既存の中間IR放射源の限界を克服するため、本発明は、より高いピークパワーおよび時間分解能のためにfsパルス幅のより短いパルスを果てしなく追求し、またはより高いスペクトル分解能および正確さのためにより小さなミリHz帯域幅を果てしなく追求するよく知られている研究経路をたどらない。本発明はむしろ、分子検出のために十分なスペクトル分解能および狭帯域CWシステムにおけるよりもはるかに高い出力パワーを提供する、パルス幅数百ns〜マイクロ秒の中間領域に注目する。
【００１６】
高速で非常に幅広い波長可変性の要件を満たすため、注入シーディングされた(injection seeded)ZnGeP2(ZGP)およびCdSe OPG-光パラメトリック増幅器(optical parametric amplifier:OPA)スキームを選択した。共振器(cavity)モードを持たないため、OPG-OPAは、その位相整合アクセプタンス帯域幅の内側の連続した周波数全体を増幅し、シードモードとOPG-OPAモードとの間の周波数モード整合も必要ない。その結果、SLMポンプレーザとSLM注入シーダ(信号)の高速(非線形光学結晶と同期した)調整との組合せが、高速に調整されたSLMアイドラを提供する。
【００１７】
Tmファイバレーザによって共振cwポンピングされた繰返しQスイッチHo:YAG(2.09μm)またはYLF(2.05μm)レーザは、高性能指数(figure of merit:FOM)ZGPおよびCdSe非線形結晶に基づくOPG-OPAシステムの効果的なポンプ源の役目を果たす。8〜16msの長い蛍光寿命を特徴とするHoイオンの5I7マニホルド(manifold)のこの直接レーザポンピング法(約1.9μmを使用)は、Hoの高エネルギー貯蔵能へのアクセスを提供する。最近、100%のノーマルモード抽出効率にQスイッチされ、最高82%の全体レーザ発振量子効率を提供し、高い平均パワーレベル(>20W)を生み出し、数十Hzにおいて低いパルスあたりエネルギー(約1mJ)、または1kHzにおいて20mJのパルスあたりエネルギーを与える、Tm:YLFによって共振ポンピングされたHo:YAGおよびHo:YLFレーザの大きな可能性が研究によって示された。最近、Ho:YAG/YLF-ZGP OPOの組合せの固有の多ワット(>20W)、多mJ(>10mJ)出力能力に関する研究論文も発表された。
【００１８】
あるいは、Erファイバレーザによって共振cwポンピングされた繰返しQスイッチEr:YAG(1.65μm)レーザも、高性能指数(FOM)ZGP非線形結晶に基づくOPG-OPAシステムの効果的なポンプ源の役目を果たすことができる。13msの長い蛍光寿命を特徴とする4I13/2マニホルドのこの直接レーザポンピング法(約1.53μmを使用)は、Erの高エネルギー貯蔵能へのアクセスを提供する。
【００１９】
SLM超広帯域(2〜3.5μm)波長可変シードレーザは、新規のCr2+ドープZnS、ZnSeまたはCdSe結晶に基づく。これらの媒質は、(Ti-S)の非常に近い中間IR類似物である。Ti-Sレーザと同様に、TM2+ドープカルコゲニドも、非常に多様な可能な振動レジームでレーザ発振することが予想されるが、InGaAsPダイオードレーザの放射によって直接にポンピング可能であるという追加の重大な利点を有する。近年、本発明の出願人を含むいくつかのグループ12〜27が、類似のTM2+結晶ホストを意欲的に調査し、CW、自走(free-running)、長パルス、利得スイッチ、モードロック動作レジームにおける効率的な広帯域波長可変室温(RT)レーザ発振を立証した。
【００２０】
最後に、Cr2+ドープII-VI主発振器-パワー増幅器(MOPA)システムが、TmまたはErファイバレーザによって直接にポンピングされる。同じTmまたはErファイバレーザがさらに、それぞれHoの5I7マニホルドまたはErレーザの4I13/2マニホルドの共振励起に利用され、システム全体の単一のポンプ源の役目を果たす。
【００２１】
本発明の機器は、多化合物気体混合物中の多種多様な分子を識別することができ、超低濃度レベル(ppb(parts per billion)以下)でそれらを定量する。この機器は、複雑な気体混合物中の微量気体内容物の完全な全体プロファイルを、リアルタイムで、すなわち秒程度の応答時間で提供する。動作時、この光学機器は最初に、所望の分子の試料を採取することによって機能する。溶液の上方の分子が光学セルに移される。次いで、波長可変レーザ放射がセルの中の分子を励起させる。光と分子の相互作用によって特性吸収スペクトルが生じ、この吸収スペクトルは、コンピュータベースのスペクトル認識アルゴリズムに送られる。次いで、分子を同定し、定量することができる。
【００２２】
本明細書に記載された本発明の諸特徴、ならびに後に明らかになるその他の特徴は、本明細書の一部を構成する以下の説明および添付図面を参照することによって得られ、より詳細に理解することができる。しかしながら、本発明は、等しく有効な他の実施形態を受け入れることができるため、添付図面は、本発明の例示的な実施形態だけを示すものであり、したがって、添付図面が本発明の範囲を限定するとはみなされないことに留意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図1および2に注目すると、本発明は、機器の主要な2つの領域、すなわちレーザと非線形光学系、ならびに光検出および信号増強法を含む。波長可変赤外レーザ分光法のこれらの態様は、長い間、研究者の大きな関心事であり、カール(Curl)およびティッテル(Tittel)によって包括的に概観されている(本明細書の文献56および628参照)。
【００２４】
完全な化学的特異性および極限的感度で気体試料をリアルタイムで分析することができる先進の分子検出機器の開発には、非常に挑戦的な特性、すなわちSLM動作レジーム、2〜20μmの分子フィンガープリント範囲にわたる超広帯域連続波長可変性、良好な波長アジリティ、高パワー(ワットレベル)および低い雑音を有する新規の中間IRレーザ源の開発が不可欠である。波長可変固体レーザ、輝安鉱および鉛塩ダイオードレーザ、量子カスケードレーザ、ライン可変気体レーザ、自由電子レーザ、OPO、OPGなどの使用可能な中間IRレーザ源の分析によれば、これらの源は全て、不十分な出力パワー、または不良な検出感度、選択性および速度に帰着するスペクトル可制御性を欠点として有する。これまでのところ、提案のオプティカルノーズ分光計用の最も有望なコヒーレント放射源は、レーザがうまく機能しない、またはレーザが利用できない波長のコヒーレント放射を発生させることができるOPOまたはOPGである。高速、狭線幅および超広帯域波長可変性の要件を満たすため、注入シーディングされたZGPおよびCdSeまたはGaSe OPG-OPAスキームを選択した。共振器(cavity)モードを持たないため、OPG-OPAは、その位相整合アクセプタンス帯域幅の内側の連続した周波数全体を増幅し、シードモードとOPG-OPAモードとの間の周波数モード整合も必要ない。
【００２５】
動作に関して、本発明の発明者らは、分子検出に対する十分なスペクトル分解能およびcwシステムよりも数桁高い出力パワーを提供する、サブマイクロ秒〜マイクロ秒というあまり研究されていないパルス幅の中間領域(準連続波(quasi-continuous wave:qcw))に狙いをつける。短パルス(ns、ps、fs)OPOおよびOPGに比べて、qcwデバイスの中程度のピークパワー(数十ワット)は飽和効果を防ぐと推定され、約10-1というqcwデバイスの高いデューティサイクル(従来のパルス源では10-3から10-5)は信号対雑音比をかなり向上させることができる。
【００２６】
現在、2〜3.5μmのスペクトル範囲にわたって室温で動作する広帯域波長可変連続波(CW)レーザとして、遷移金属(TM2+)がドープされた新しい種類の亜鉛カルコゲン化物、具体的にはCr:ZnSe、ZnSおよびCdSeに対する関心が高まっている。この関心は、これらの材料の優れたレーザ特性、ならびに環境分析、リモートセンシング、分光法、医学など可能な用途の多様性によって説明される。いくつかのグループが、CW、自走(free-running)、長パルス、利得スイッチ、モードロック動作レジームの波長可変レーザ発振に関して、類似のTM2+結晶ホストを意欲的に調査した。最も印象的な結果、すなわち室温動作、>60%のレーザ発振効率、18Wの準CW出力パワー、1100nmを超える波長可変範囲は、Cr2+:ZnSe結晶を使用して得られた。本発明の発明者らの研究グループの研究の結果、ZnS、ZnSe、CdSおよびCdSe結晶の最適化された2段階調製技術が開発された。最初の段階では、ヨウ素ガス輸送スキームを使用した気相からの化学輸送反応によって、無ドープの単結晶または多結晶が合成される。第2の段階の間に、II-VI材料の薄いウェーハ上にパルスレーザ付着(pulsed laser deposition:PLD)法によって付着させたクロム薄膜からの熱拡散によって、クロムが導入される。最近、これらの新しい結晶を用いて、以下のものを含む印象的ないくつかの結果が得られた。
【００２７】
1)本発明の発明者らは、Co:MgF2レーザによってポンピングされ、100mWを超える出力パワーを生み出す、280μm超から約2.3μmにわたって波長可変の最初の連続波、室温Cr2+:ZnSレーザを開発した32。
【００２８】
2)他の重要な結果は、直接(結合光学系のない)Erファイバレーザ励起の下で2320における500mWの最大出力パワーおよび53%の傾斜効率を有するCW Cr2+:ZnSおよびZnSeマイクロチップレーザを実証することに最初に成功したことである31、36、37。
【００２９】
3)本発明の発明者らはさらに、最初の利得スイッチCr2+:ZnSeマイクロチップレーザを開発した。正のフィードバックがフレネル反射だけによるときに、ミラーのないマイクロチップに関して、最大傾斜効率6%および最大出力エネルギー1mJが得られた33、37。
【００３０】
4)2つの従来の500mW InGaAsP-InPテレコムレーザダイオードによって直接にダイオードポンピングされる最初の波長可変CW Cr2+:ZnSレーザも報告された。2250から2650nmまでの400nmの範囲にわたる波長可変性が達成された。
【００３１】
5)外部共振器(cavity)構成では、傾斜効率約40%で最高700mWを生み出す、Erファイバレーザによってポンピングされる、2170から2840nmまでの約700nmにわたって広帯域波長可変(潜在的波長可変性>1000nm)のコンパクトなCW、室温Cr2+:ZnSレーザが実現された。
【００３２】
6)最後に、最初の多波長(40ライン)、空間分散CW Cr2+:ZnSeレーザが報告された。
【００３３】
これらのレーザのさらなる最適化、およびZGP OPG-OPAシステムに対する広帯域波長可変シードレーザとしてのこれらのレーザの利用は、科学、商業、医学および軍事用途の現場携帯型の分光システムなど、いくつかの新しい用途を刺激する。
【００３４】
図2に注目すると、OPG-OPAの組合せに対する主ポンプ源として、cwファイバまたはダイオードレーザ22(例えばTmまたはErファイバレーザあるいはダイオードレーザ)によって共振ポンピングされる繰返しQスイッチ固体レーザ(例えばHo:YAG(2.09μm)またはYLF(2.05μm)レーザ、あるいはEr:YAG(1.65μm))が選択された。8〜16msの長い蛍光寿命を特徴とする長寿命マニホルド(例えばHoイオンの5I7またはErイオンの4I13/2マニホルド)のこの直接レーザポンピング法は、HoおよびErの高エネルギー貯蔵能へのアクセスを提供し、最高80%の全体レーザ発振量子効率を提供し、高い平均パワーレベル(>20W)を生み出し、数十kHz、パルス幅数マイクロ秒において低いパルスあたりエネルギー(約1mJ)、または20ns、1kHzにおいて20mJのパルスあたりエネルギーを与える。最近、Ho:YAG/YLF-ZGP OPOの組合せの固有の多ワット(>20W)、多mJ(>10mJ)出力能力に関する文献が発表された。
【００３５】
本発明の単一縦モード(SLM)超広帯域波長可変(2〜3.5μm)シードレーザおよびパワー増幅器は、新規の種類のCr2+ドープZnS、ZnSeまたはCdSe結晶に基づく。本発明の発明者らは、Ti-Sレーザの中間IR類似物である類のないこれらのレーザのかなりの技術的専門知識および用途を開発した。
【００３６】
広帯域波長可変、狭線幅中間IRレーザ源を有するオプティカルノーズシステム10のブロック図を図1に示す。このレーザ源はモジュール構造を有し、以下の3つの主要な構成要素からなる:1)Cr2+:ZnSeパワー増幅器14を備えた単一縦モード広帯域波長可変Cr2+:ZnSe主発振器12、2)単一縦モード、周波数安定、注入シーディングレーザ18を備えた単一周波数、高エネルギー、QスイッチHo:YAG/YLFレーザ16、および3)光パラメトリック増幅器20。このレーザユニットは、オプティカルノーズシステムの基本単位である。このレーザユニットの全てのレーザおよびCr2+:ZnS/ZnSe増幅器14は、単一のcw(例えば40W)Tmファイバレーザ22によってポンピングされる。
【００３７】
高エネルギー、単一周波数、Qスイッチレーザシステムの開発には一般に、信頼性が高く都合のよい2つの方法がある。これらの方法はともに、低パワー、狭線幅、周波数安定cwレーザによるパルスレーザの注入シーディングに基づく。最初の方法は、比較的にコンパクトな線形定在波レーザ共振器(cavity)および電気光学変調器(electro-optic modulator:EOM)Qスイッチの使用に基づく。このような構造は、いくつかの市販の単一モードパルスレーザシステム、例えばGCR-230 Nd:YAGレーザにおいて使用されている。しかしながら、2〜3μmのスペクトル領域に関して、市販されているEOM用の唯一の材料は、比較的に低い損傷しきい値を有するLiNbO3である。低い損傷しきい値は、オプティカルノーズシステムの中間IRレーザ源に必要な高い出力エネルギーでのHoレーザの信頼性を低下させる。これらの理由から、本発明の発明者らは、リングレーザ共振器(resonator)および音響光学Qスイッチに基づく代替のレーザスキームを選択した。このタイプのレーザ技術は、単一周波数出力スペクトルを有し、600mJという高いパルスエネルギーを示した。
【００３８】
図1をさらに参照すると、0.5%のホルミウムがドープされ、リング共振器(cavity)内に配置された(熱電気的に冷却された銅フィンガに取り付けられた)長さ40mmのHo:YAGまたはYLFロッド17が、Tmファイバレーザ22の放射によって5I7マニホルドに直接に共振ポンピングされる。高エネルギー貯蔵能を特徴とするHoレーザをQスイッチするために、ブルースターカット(Brewster-cut)音響光学変調器(acousto-optic modulator:AOM)19が使用される。本発明が、CW Hoレーザに関して最高20Wの出力パワー、パルス幅約100nsのQスイッチレジームにおいて約10mJおよび1000Hz、およびパルス幅1〜1.5μsのQスイッチレジームにおいて約1mJおよび10000Hzを得ることが想像される。
【００３９】
QスイッチHo:YAG/YLFレーザ17の単一周波数動作を得るため、cw Tmファイバレーザ22によってポンピングされた単一縦モード、低パワー(約10mW)、周波数安定Ho:YAG注入シーディングレーザが使用される。注入シーディングレーザの基本スキームとして、PZTによって調整可能な外部エタロン21を有するマイクロチップ構成が使用される。絶対周波数安定化は、レーザ周波数を、HBr分子23の2097.2nmのP(12)吸収線にロックすることによって達成される。この技法は、Qスイッチホルミウムレーザの注入シーディングのために、cw Ho:YAGレーザ16の長期周波数安定性および単一モード動作を得ることを可能にする。
【００４０】
次に、Cr2+:ZnSe/CdSe/ZnS主発振器-パワー増幅器14について論じる。格子共振器(cavity)のさまざまなスキーム(リトロー(Littrow)またはリットマン(Littman)スキーム)は、色素レーザ、Ti:Sレーザ、ダイオードレーザおよび他のタイプの波長可変レーザにおいて幅広く使用されている。かすめ入射格子共振器(cavity)の主な利点は、高いスペクトル選択性、単純な構造および制御の容易さである。モードホップのない振動周波数のなめらかな調整は、波長可変単一周波数レーザ設計の重要な課題である。この課題の分析は参照文献において行われている。なめらかな調整は、回折格子の回転軸の位置の最適化によって達成することができることが示されている。いくつかの文献において、波長1260および1540nmで動作する外部共振器(cavity)ダイオードレーザに関して、それぞれ15nmおよび82nmのなめらかな調整範囲が示された。連続調整範囲は波長が大きいほど大きく、そのため、本発明の発明者らは、Cr2+主発振器レーザのモードホップのない連続調整範囲は150nmを超える可能性があると推定した。Cr2+:ZnSeレーザの著しく細い線幅(600MHz未満)は、その報告において維持された。長期安定性において、線幅の測定値は10GHzを超えなかった。調整範囲(2.2μm〜2.8μm)全体にわたって、レーザは、出力パワー500mWで動作させた。全体として、Cr:ZnSeレーザの波長可変性は1100nm(2000nmから3100nmまで)を超え、傾斜効率は60%を超える。マイクロチップSLM Cr:ZnSおよびZnSeレーザ発振を用いた本発明の発明者らの経験によれば、SLMレジームにおける数十mWの出力パワーは、外部共振器(cavity)スキームにおいて容易に利用可能であることが分かる。この主発振器からの出力放射は、Tmファイバレーザ22によってポンピングされたCr:ZnSeパワー増幅器14によって500mWまでさらに高められる。出力波長の測定、制御および絶対較正は、マイケルソン干渉計ベースの波長計26(例えばEXFO、モデルWA-1500。これは2×10-4nmの波長の正確さおよび13〜4.0μmの波長範囲を提供する)によってSLM波長可変レーザ24の波長を監視することにより実行
される。
【００４１】
前述のとおり、OPOおよびOPGは、レーザがうまく機能しない、またはレーザが利用できない波長のコヒーレント放射を発生させることができる最も有望なコヒーレント放射源である。必要な細いスペクトル線を有する波長可変放射を達成するいくつかの技術的な方法がある。1つの方法は、共振器(cavity)内スペクトル細線化(spectral-narrowing)要素を有するOPOに基づく。この方法の欠点は、モードホッピングなしで利用可能な波長可変スペクトル範囲が狭いことである。別の方法は、注入シーディングOPO構成の使用に基づく。この構成の主な限界は、パラメトリック利得の帯域幅を超える帯域幅によってシード波長を分離しなければならないこと、およびシード波長が、OPO共振器(cavity)の共振と一致しなければならないことである。その結果、これらのスキームは、共振器長(cavity length)の能動安定化を必要とする。
【００４２】
OPGは光共振器(resonator)を持たないため、OPOのシーディングとは対照的に、OPGの被シーディング動作ははるかに容易である。現在、市販のps-OPGおよびfs-OPGはいくつかのメーカから入手可能だが、細スペクトル線OPGは市販されていない。とはいえ、これらのスキームの実現可能性は過去において証明されている。これらのスキームの大部分は、QスイッチNdレーザシステムのSLMパルスによって励起するパルスOPGからなる。波長可変SLMダイオードレーザのCW注入シーディング放射は、OPGアイドラ信号のスペクトル幅を狭くした。100MHzに近い細いスペクトル線を達成するのに十分な注入シーディングレーザの一般的なパワーレベルはおよそ数mWであった。
【００４３】
図1に示すように、2〜20μmのスペクトル範囲の広帯域波長可変性を得るため、本発明の発明者らは、OPG-OPAモジュール20の利用を選択した。基本的に、OPG-OPAモジュール20は、Hoレーザからの高パワーポンプ波(約1kWおよび10kHz)とともにCr:ZnSe MOPA段から約0.5Wレベルの信号波長が注入され、非線形結晶を1回または2回通過する際にさらに増幅される差周波数発生(difference frequency generator:DFG)デバイスである。提案のOPG-OPAスキーム20の主な利点は、光学設計の単純さ(共振器(cavity)ミラーがない)、ならびに位相整合条件および結晶の光透過性のみによって制限される幅広い波長可変性である。
【００４４】
図6に注目すると、使用可能な中間IR非線形結晶の分析によれば、ZGP、CdSeおよびGaSeは、中間IR領域で動作するOPGシステムの最良の候補であることが分かる。このプロジェクトにおいて使用されるこれらの非線形結晶の主要な光学特性が、周期分極LiNbO3(periodically poled LiNbO3:PPLN)との比較で、図6の表にさらに示されている。これらの中で、結晶ZGPは、中間IR非線形結晶として傑出した基本特性を有する。ZGPは特に、赤外領域全体を通じた高平均パワー用途に適している。PLLNの非線形係数の約8.8倍であるその大きな非線形係数のため、ZGPは、知られている最も効率的な非線形結晶の1つである。ZGP成長の最近の改良により、低赤外吸収の大きな(>40mm)高品質結晶が容易に得られるようになった。波長1.8μm未満のある残留吸収(residual absorption)のため、2μm以上のZGPポンプ波長が選択されなければならない。したがって、2μmホルミウムレーザはこの目的に対する十分な候補である。GaSeも、中間IR周波数変換用の有望な結晶である。GaSeは、0.62〜19μmの極めて広い透過範囲および高い2次非線形性を有する。残念なことに、GaSeは、001結晶面zカット方位に沿ってしか切断することができない層状物質である。一方、大きな複屈折のため、位相整合極角は一般に小さく(11〜12°)、zカット方位がかなり適している。CdSe結晶も有望だが、ZGPおよびGaSeの中で最も小さな非線形係数を有する。
【００４５】
λpump=2.05μmに対してZGP、CdSe(タイプIおよびタイプII相互作用)およびGaSe(タイプI)OPGによって生み出された信号およびアイドラ波長の位相整合曲線を、それぞれ図7aおよび7bに示す。図7aに示されているように、ZGP OPGアイドラは、シード信号波が3.5〜2.47μmの範囲にわたって調整されるときに4.9〜12μmの範囲にわたって調整することができた。CdSeタイプII OPGの利用は、シード信号波が2.58〜2.28μmの範囲にわたって調整されるときに10〜20μmにわたるアイドラ調整を提供する。あるいは、図7bに示すように、シード信号波が3.5〜2.31μmにわたって調整されるときに4.9〜18μmにわたってアイドラを調整することができるGaSeタイプI OPGを使用することもできる。
【００４６】
3.5から5μmまでのペクトル範囲のギャップをカバーするため、ZGPまたはCdSeあるいはAgGaSe2結晶における第2高調波発生(second harmonic generation:SHG)を使用することができる。ZGPおよびCdSe結晶を用いたSHGプロセスについて、アイドラ波長に対する位相整合角および有効非線形性deffをそれぞれ図8および図9に示す。ZGP結晶は6〜10μm範囲のSHGの良好な候補であることが分かる。残念なことに、波長を10μmよりも増大させると、位相整合角度λが90°まで増大する。これによって、有効非線形性が低減し、SHG効率が低下する。代替として、この用途にCdSeまたはAgGaSe2結晶を使用することもできる。
【００４７】
OPGシステムの有効な単一周波数動作のためには2つの重要な条件が提供されなければならない。第1に、ポンプレーザおよび注入シードレーザがSLMレジームで動作しなければならず、第2に、非線形結晶内で高い利得が達成されなければならない。ポンプレーザおよびシードレーザのSLM動作は、本発明の発明者らの構想にすでに組み込まれている。長さ4cmの2つのZGP結晶の利用、シードパワー0.5W、Hoレーザポンプパワー10W、パルス幅1μsに基づいて、本発明の発明者らのDFG-OPAシステムの効率を大まかに推定してみる。それを実行するため、本発明の発明者らのシステムを、ティッテル(Tittel)とその共同研究者らによって開発された分光計と比較する。この分光計は、PPLN結晶における(YbおよびEr/Ybファイバ増幅器によってさらに増幅されたダイオードレーザからの)0.65W、1083nmの放射と1.6W、1561nmの放射のDFGに基づく。3530nmにおける最大出力パワーは0.6mWに達し、効率は約0.04%であった。ZGP FOMがPPLNのそれの約9倍であること、および本発明の発明者らが4倍長い結晶長さを使用することを考慮すると、励起強度に対する全体の効率は、2桁よりも高くなければならない(約4%)。それは、約0.5Wに達する本発明の発明者らのDGF-OPAシステムの中間IRパワーに対応する。このパワーレベル(0.5mWに対して0.5W)および同様の検出システムで、本発明の発明者らの分光計は、大気中のホルムアルデヒドの検出に関して、以前に報告されたもの(所与の体積で0.32ppb(parts per billion))よりもはるかに良好な検出限界を提供するはずである。最近に成功した高効率ZGP OPO/OPGシステムが、いくつかの文献に示された。
【００４８】
要約すると、オプティカルノーズシステムは、分子試料を採取して光学セルに入れることによって機能する。波長可変レーザ放射がセルの中の分子を励起し、光と分子の相互作用によって特性吸収スペクトルが生じる。この吸収スペクトルは、コンピュータベースのスペクトル認識アルゴリズムに送られ、分子が同定、定量される。また、分子のコヒーレント光検出に関して、想像されるオプティカルノーズ機器10の実際の用途が異なれば、異なる微量気体検出法の利用が必要となることが予見される。
【００４９】
これらの方法の1つが光音響分光法(Photoacoustic Spectroscopy:PAS)である。レーザビームは、市販のマルチパス(multipass)セル中の選択された標的気体に当たる。PAS光吸収の結果、非放射性緩和過程によって、吸収媒質の温度が一時的に上昇し、この温度上昇は次いで、圧力上昇または音波に変化し、それが高感度マイクロホンによって検出される。光音響(photoacoustic:PA)技法の利点の1つは、PA検出器の応答がポンプ波長から独立しており、吸収されたパワーの大きなダイナミックレンジに対して線形であることである。その結果、この技法は、ワット範囲のパワーでサブppbv、ポンプパワー100Wで0.0006ppbvの優れた検出感度を示す。したがって、本発明では、本発明の発明者らは、標準参照方法として、また較正目的に光音響検出を使用する。
【００５０】
利用される第2の微量気体技法は、長光路長吸収分光法用のマルチパスセルである。
【００５１】
第3の技法は、共振器(cavity)リングダウン分光法(Cavity Ring Down Spectroscopy:CRDS)であり、この方法は、低パワーのレーザを用いても空気中の分子を追跡することができることが示されている。しかしながら、CRDS技法に固有の光学共振のため、その感度は共振器(cavity)ミラーの質に依存し、したがって、超広帯域スペクトル範囲の分子混合物のレビュー(review)スペクトルを測定する目的にCRDSを使用することはできない。他の問題は、中間IR領域で動作する高速検出器が使用できないことである。本発明の発明者らの設計構想では主に、InGaAs検出器が依然として感度を有する2〜2.4μmのスペクトル範囲に対してCRDSを使用することを計画している。
【００５２】
本発明の範囲内において、バランス検出(balanced detection)を利用し、プローブビームの雑音から検出された雑音が差し引かれ、補償されていない弱い関心の吸収信号だけが残されるとき、検出感度はさらに向上する。
【００５３】
最初に、従来の波長計によって、このシステムの波長が測定される。しかしながら、このような測定は通常は時間がかかり、オンライン較正に対しては完璧ではない。最終的なデバイスにおけるスペクトルの絶対および相対波長較正のために、中間IR源放射の部分が基準吸収体(より高い濃度に充填された気体セル)の中へ送られる。基準吸収線からの波長の離調の相対的な較正は、1つまたは複数のファブリー-ペロ(Fabri-Perot)エタロンの透過を同時に監視することによって最も容易かつ正確に達成される。エタロンの既知のフリースペクトルレンジおよび基準吸収線の正確な波長を用いて、中間IR源の絶対波長をオンラインで決定することができる。
【００５４】
上で論じたとおり、高エネルギー2ミクロンホルミウムレーザは、さまざまな科学、医学および軍事用途に対する有望な候補である。高い断面および長い(8ms)寿命を特徴とするHo 5I7マニホルドの直接共振レーザポンピングは、ホルミウムレーザの高エネルギー貯蔵能および効率的なQスイッチ動作をもたらすことが示されている。
【００５５】
オプティカルノーズ技術の目的の1つは、コンパクトな単一周波数ポンプレーザ、例えば、CW Tmファイバレーザによってポンピングされ、高性能指数ZnGeP2(ZGP)結晶に基づく中間IR(3〜12μm)OPOの有効なポンピング源として50Hz〜10kHzの繰返し数、25mJまでの出力エネルギーで動作する2.1μm QスイッチHo:YAGレーザを開発することである。バルクTmドープポンプレーザのコンパクトで費用効果の高い代替レーザとして、本発明の発明者らは、Ho:YAGの最も強い吸収線に対応する1908nmの出力波長を有する回折が限定された(diffraction limited)平行ビームを提供する市販のTmファイバレーザ(モデルTLR-30-1908、IPGフォトニクスコーポレーション(IPG Photonics Corporation))を使用した。
【００５６】
CW 22W Tmファイバレーザ(1.908μm)によって共振ポンピングされた効率的なQスイッチ、CW Ho:YAGレーザシステム(2.1μm)が、本発明の発明者らによって首尾よく設計された(図4参照)。CWおよび高繰返し数Qスイッチ(10kHz)動作レジームでは、Ho:YAGが、50%を超える傾斜効率で最高10Wの平均出力パワーを生み出す。Qスイッチレジームの低い繰返し数(100Hz)で、Ho:YAGレーザは、パルス幅17nsで最高15mJの高いパルスエネルギーを発生させる。
【００５７】
非線形結晶の中で、ZGPは、傑出した光、機械および熱特性ならびに高いレーザ損傷しきい値を有する。ZGPは特に、赤外領域全体にわたる高エネルギーおよび平均パワー用途に適する。本発明の発明者らの以前のプロジェクトの目的は、6.45μmで動作する高エネルギーZGP OPOベースのレーザ源の開発および特性評価であった。レーザ実験のポンプ源として、本発明の発明者らは、2.92μmにシフトされたNd3+:YAGレーザの第2ストークス出力を使用した。繰返し数10Hz、パルス幅7nsの単一周波数QスイッチNd:YAGレーザの1.064μm放射によってポンピングされたD2ラマンセル(Δν=2991cm-1)においてラマンシフティングが実現された。ZGP-OPOの最大出力エネルギーは、波長6.45μmで1.5mJを超え、2.92から6.45μmへの変換の量子効率は約20〜22%であった。さらに、本発明の発明者らは最近、波長可変3.9〜4.8μm利得スイッチFe:ZnSeレーザの出力を、ZGP OPOシステムにおいてパラメトリック増幅することができることを示した。したがって、Fe:ZnSeレーザは、中間赤外OPOおよびOPGの狭線幅単一縦モード(SLM)シーダの役目を果たすことができる。
【００５８】
図10に注目すると、この動作のため変更された設計が開発された。具体的には、Qスイッチ単一周波数Ho:YAGレーザ16の代わりに、繰返しQスイッチEr:YAG(1.65μm)レーザ40が使用され、cw TMファイバレーザ22の代わりにcw Erファイバレーザ42によって共振ポンピングされる。13msの長い蛍光寿命を特徴とするこの4I13/2マニホルドの直接レーザポンピング法(1.53μmを使用)は、Erの高いエネルギー貯蔵能へのアクセスを提供する。
【００５９】
OPG-OPAシステム20のポンプ源としてQスイッチEr:YAGレーザ40が使用される。高いスペクトル分解能を有するOPG-OPAシステム20の広帯域波長調整範囲を達成するため、Er:YAGレーザ40は単一周波数レジームで動作し、狭帯域、周波数安定レーザ放射を供給しなければならない。さらに、Er:YAGレーザ40は、最高1mJの高いパルスエネルギーを10kHzの繰返し数で供給しなければならない。パルスEr:YAGレーザ40の必要な特性を達成するため、QスイッチEr:YAGレーザの周波数(「ホストレーザ」)を注入シーディングレーザの周波数にロックする標準法が使用される。この方法の基本的な着想は、Qスイッチが開いている間に狭帯域、安定、低パワーCWレーザからの放射をパルスレーザ共振器(cavity)に注入することによって、パルスレーザの単一モード動作を得るプロセスからなる。シーディングレーザビームの強度は、ホストレーザシステムの活性物質の自然雑音放出の強度よりもはるかに高く、シーディングレーザの線幅は、パルスレーザ共振器(cavity)のフリースペクトルレンジよりもはるかに小さいため、シーディングレーザによって刺激されたパルスは、ホストレーザの能動素子に貯蔵された大部分のエネルギーを抽出する。その結果、シーディングされたホストQスイッチレーザの単一縦動作モードが得られる。
【００６０】
0.5%のErがドープされ、リング共振器(cavity)内に配置された長さ40mmのEr:YAGロッド44が、Erファイバレーザの放射によって4I13/2マニホルドに直接に共振ポンピングされる。Erファイバレーザ42による固体Er:YAG活性媒質の直接共振ポンピングのこの革新的な方法は、活性物質の優れたエネルギー貯蔵能を前例のない効率で完全に利用することを可能にする。Erレーザ42をQスイッチするためにブルースターカット音響光学変調器19が使用される。他の研究グループの結果と同様に、本発明の発明者らが、CW Erレーザに関して最高20Wの出力パワー、パルス幅約100nsのQスイッチレジームにおいて1000Hzで約10mJ、およびパルス幅1〜1.5μsのQスイッチレジームにおいて10000Hzで約1mJを得ることが想像される。QスイッチHo:YAGレーザ17の単一周波数動作を得るため、同じEr-ファイバレーザによってポンピングされた単一縦モード、低パワー(約10mW)、周波数安定Er:YAG注入シーディングレーザが使用される。これは、回折が限定され、空間的に安定した出力レーザビームを発生させ、繰返し数10kHzの1μsレーザパルスにおいて最高1mJの出力エネルギーを生み出す単一周波数QスイッチEr:YAGレーザ44を構築する。
【００６１】
Qスイッチレーザの周波数制御のために本発明が適当に機能するためには以下の2つの要件が満たされなければならないことに留意することが重要である:(1)シーディングレーザは、周波数が安定化され、非常に狭い線幅を提供しなければならず、(2)熱的および機械的な変動に対してパルスレーザ共振器(cavity)の光路長が安定化されなければならない。最初の条件を満たすため、単一モード、低パワー、安定マイクロチップCW Er:YAGレーザ18がシーディングレーザ源として使用される。その周波数は、絶対波長基準を提供する精密較正された市販のレーザ波長ロッカ(例えば「ウェーブレングスレファレンシズ(Wavelength References)」LEM-5000)を使用して、気体周波数標準にロックされる。第2の問題は、パルスレーザ共振器(cavity)の受動的な熱的および機械的安定化、ならびに共振器(cavity)の圧電(PZT)可動式高反射ミラーによる共振器長(cavity length)の能動制御によって対処される。共振器長(cavity length)の能動制御は、シーディングレーザ線とパルスcavity lengthレーザ共振器(cavity)の縦モードの最良の周波数オーバラップに対応する、Qスイッチレーザパルスのビルドアップ時間(buildup time)の最小化によって達成される。この方法は、いくつかの市販レーザシステム(例えばスペクトラフィジックス(Spectra Physics)パルスNd:YAGレーザ)において首尾よく実現された。
【００６２】
オプティカルノーズシステム10の第2の主要構成要素は、OPG20に注入シーディングするために使用される広帯域波長可変Cr2+:ZnSeレーザ24であり、このレーザは、単一モードレジームで動作し、2〜3.3μmのスペクトル範囲全体にわたってモードホップのないなめらかな波長調整を提供しなければならない。OPG20のQスイッチEr:YAGレーザポンプ40とともに、このレーザは、OPGシステムにおいて、2〜10μmのスペクトル範囲にわたって波長可変な狭帯域IR放射を発生させることを可能にする。
【００６３】
これらの目標を達成するため、Cr2+:ZnSe波長可変レーザ24の共振器(cavity)は、高いスペクトル分散を提供しなければならず、同時に、大きなスペクトル帯幅を提供しなければならない。これらの必須の条件をともに満たす最も適当な分散要素は回折格子である。前述のとおり、回折格子分散要素に基づく十分に研究された以下2つの基本的な共振器(cavity)スキームがある:(1)回折格子がかすめ入射角で取り付けられるリットマン共振器(cavity)、および(2)回折格子がオートコリメーションスキームで使用されるリトロー共振器(cavity)。
【００６４】
回折格子の方向角(angular orientation)(リトロー共振器(cavity))または後方反射ミラー(リットマン共振器(cavity))と共振器長(resonator length)とを、波長フィードバック走査が共振器モード(cavity)走査と正確に一致するように同時に制御することにより調整が実施される場合、モードホッピングのない連続波長調整を得ることができる。これは、回折格子または後方反射ミラーの回転軸を適当に選択することによって達成することができる。この技法は、原子分光学に対して使用される数多くの波長可変色素および半導体レーザにおいて首尾よく実現された。これらのスキームに基づくいくつかの半導体波長可変レーザは市販されており、例えば「ニューフォーカス社(New Focus Inc)」のTLB600波長可変レーザは、1550nm付近の幅広い(約100nm)波長範囲にわたる連続調整、および2.5秒で100nmを超える高速線形掃引を提供する。
【００６５】
本発明では、これらの方法の利点が、Cr2+:II-VIレーザの2〜3.5μmのスペクトル範囲の極めて幅広い波長可変性と組み合わされる。本発明の発明者らの波長可変レーザシステムの発振波長の正確な制御は、2段階式コントローラによって実行される。最初の高速走査の間に、一組のファブリー-ペロエタロンを使用して、実際の発振波長が測定、制御される。低速精密測定およびシステム較正のため、市販の波長計デバイス(例えばEXFO WA-1500波長計)、または精密較正されたレーザ波長ロッカ(例えば「ウェーブレングスレファレンシズ(Wavelength References)」社のLEM-5000)が、本発明の発明者らの波長可変Cr2+:II-VIレーザシステムに組み込まれる。
【００６６】
本発明のこの実施形態は、回折が限定され、空間的に安定した出力レーザビームを発生させ、最高0.5Wの出力パワーを生み出す、Cr2+:II-VIに基づく単一周波数広帯域波長可変(2〜3.5μm)、連続波(CW)レーザを含む。オプティカルノーズシステム10に対する重要性の他に、独立型デバイスとして使用されるこの独特な波長可変レーザシステムは、中間IRスペクトル領域の高分解能レーザ分光法の領域の他の多くの研究分野に対してかなりの影響を有する。
【００６７】
波長可変SLMを実現する間に以下の2つの問題が起こりうる:(1)超狭線幅レジームで動作する波長可変レーザの低い、すなわち数十ミリワットの出力パワー。オプティカルノーズは最高0.5Wのレーザ出力パワーを必要とする。(2)必要な中間IRスペクトル領域における周波数ジャンプ(「モードホップ」)のない連続超広帯域(2〜3.5μm)レーザ波長可変性を維持できないこと。具体的には、2.6μmを超える波長で、レーザは、レーザ出力スペクトルに「穴」をあける共振器(cavity)内の大気中の水の吸収によって、追加の共振器(cavity)内損失を受ける。
【００６８】
この最初の問題に対処するために、レーザ効率を増大させ、Cr2+:II-VI「主発振器パワー増幅器」(MOPA)スキームの使用を組み込むことができる。レーザ効率は、Cr2+:ZnSe能動素子の表面および共振器(cavity)内光学系に高品質ARコーティングを塗布し、より効率のよい回折格子を使用し、ZnSeホスト材料内のCr2+の濃度および分布の均一性を増大させることによって増大する。その結果としてのマルチパス無共振器(non-resonator)MOPAシステムの使用によって、発生する単一周波数レーザビームのパワーをかなり増幅することができる。
【００６９】
レーザの超広帯域連続波長可変性の上記の第2の問題は、回折格子の方向角を決定するレーザシステムの機械構成要素が、格子を、固定された特別なピボット点を軸に非常に正確にかつ安定して回転させることを確認することによって解決することができる。回折格子の正確な回転に加えて、圧電(PZT)変換器を用いたレーザミラーの高速運動によって、共振器(cavity length)長が動的に補正される。共振器長(cavity length)の動的補正は、生成された波長の動的監視とともに、必要な正確さでの出力波長の正確な走査を可能にする。最後に、水の吸収による共振器(cavity)内損失を排除するため、レーザハウジング全体から環境空気が除去され、そのレーザ区画が窒素で満たされる。最後に、レーザの熱的および機械的安定性を提供するため、一組の熱電冷却器(thermoelectric cooler:TEC)によって、その温度がmKの精度で安定化される。
【００７０】
すでに述べたとおり、OPOおよびOPGは、レーザがうまく機能しない、またはレーザが利用できない波長のコヒーレント放射を発生させることができる最も有望なコヒーレント放射源である。必要な細いスペクトル線を有する波長可変放射を達成するいくつかの技術的な方法がある。そのうちの1つの方法は、共振器(cavity)内スペクトル細線化要素を有するOPOに基づく。この方法を使用した中間IRスペクトル領域における単一周波数振動が示されている。この方法の欠点は、モードホッピングなしで利用可能な波長可変スペクトル範囲が狭いことである。別の方法は、注入シーディングOPO構成の使用に基づく。この構成の主な限界は、パラメトリック利得の帯域幅を超える帯域幅によってシード波長を分離しなければならないこと、およびシード波長が、OPO共振器(cavity)の共振と一致しなければならないことであり、そのためには共振器長(cavity length)の能動安定化が必要となる。
【００７１】
2〜10μmのスペクトル範囲の広帯域波長可変性を得るため、本発明の発明者らは、OPG-OPAの発想を利用することを選択した。基本的に、OPG-OPAは、Erレーザからの高パワーポンプ波(約1kWおよび1〜10kHz)とともにCr:ZnSe MOPA段から約0.5Wレベルの信号波長が注入され、非線形結晶を1回または2回通過する際にさらに増幅される差周波数発生(DFG)デバイスである。提案のOPG-OPAスキームの主な利点は、光学設計の単純さ(共振器(cavity)ミラーがない)、ならびに位相整合条件および結晶の光透過性のみによって制限される幅広い波長可変性である。
【００７２】
使用可能な中間IR非線形結晶の分析によれば、ZGP結晶は、中間IR領域で動作するOPGシステムの最良の候補の1つであることが分かる。ZGPは特に、赤外領域全体を通じた高平均パワー用途に適している。周期分極ニオブ酸リチウム(PLLN)の非線形係数の約8.8倍であるその大きな非線形係数のため、ZGPは、知られている最も効率的な非線形結晶の1つである。ZGP成長の最近の改良により、低赤外吸収の大きな(>40mm)高品質結晶が得られるようになった。図11に示すように、現在の成長後結晶処理技術は、波長>1.6μmにおけるZGP結晶の残留吸収を低下させることを可能にする。その結果、QスイッチEr-YAGを、ZGP-OPGシステムのポンプ源として使用することができる。1.65μm付近で動作するこのレーザ源は、2〜3.3μmにおいて波長可変のCr2+レーザのシーディング放射とともに、2〜10μmのスペクトル範囲にわたって波長可変の単純なレーザシステムを提供することができる。
【００７３】
λpump=1.65μmのポンプに対してZGP OPGによって生み出された信号およびアイドラ波長の位相整合曲線を図12に示す。図12に示されているように、ZGP OPGアイドラは、シード信号波が3.3〜2.0μmの範囲にわたって調整されるときに3.3〜10μm範囲にわたって調整することができた。OPGシステムの有効な単一周波数動作のためには2つの重要な条件が提供されなければならない。第1に、ポンプレーザおよび注入シードレーザがSLMレジームで動作しなければならず、第2に、非線形結晶内で高い利得が達成されなければならない。ポンプレーザおよびシードレーザのSLM動作は、本発明の発明者らの構想にすでに組み込まれている。
【００７４】
シングルパス(single-pass)パワーパラメトリック利得係数(ゼロ位相不整合)は以下のように表される。
【００７５】
G=Pin/Pout=cosh2(ΓL)
上式で、Lは非線形結晶の長さ、Γは、下式によって与えられる利得の増分である。
【数１】
2009527775.tif 000003
【００７６】
上式で、Ipumpはポンプレーザ強度(パワー密度)[W/m2]、λ1およびλ2はアイドラおよび信号波長[m]、deff[m/V]は有効非線形性、niは平均屈折率であり、c=3×108[m/s]、ε0=8.854×10-12[As/Vm]である。初項は、結晶の非線形光学性能指数(FOM)とも呼ばれる。シングルパスOPGのしきい値を達成するためには、ΓL≒12に対応するG≒1010が必要である。150μmスポットに集束するパルス幅100nsの1mJ Erレーザパルスによってポンピングされる長さ2cmのZGP結晶のダブルパスの利用に基づいて、本発明の発明者らのOPGシステムの効率を大まかに推定してみる。ポンプ放射のこれらのパラメータを使用して計算された非線形利得はΓL=12.6に等しい。これらの相互作用に対する結晶角の許容差は数mradであり、これは、市販の使用可能な回転段を使用して制御することができる。必要な非線形結晶の温度安定化も容易に提供することができる。
【００７７】
本発明の重要な要素の1つは、OPGユニットの光学スキームの設計および最適化である。光学設計は、非線形結晶内のポンピングおよびシーディングビームの集束および空間オーバラップ、非線形結晶内での往復回数の最適化、ならびに出力チャネルにおける信号およびアイドラ放射のスペクトル分離を提供しなければならない。非線形結晶の動作温度を選択し、安定させるために特別な考慮がなされる。このパラメータは、非線形結晶の位相整合角、非線形変換効率および光損傷しきい値を決定する。したがって、動作温度の最適化はユニット設計の必須の部分である。
【００７８】
この実施形態では、患者の呼気の中に含まれるバイオマーカ分子の高速分光分析の能力を提供する、2〜10μmの波長範囲にわたってリアルタイムで波長可変な細線パルスOPGシステムが構築される。ZGP結晶に基づく光パラメトリック発振器および発生器はよく知られている。しかしながら、図12から分かるように、2〜10μmにわたる波長可変性を提供するためには、ZGP結晶の角度調整が、大きな56〜85°の角度範囲にまたがらなければならない。この大きな位相整合角範囲は、1つの非線形ZGP結晶内で実現するのが難しい可能性がある。さらに、90°に近い位相整合角に対しては、ZGP結晶内の非線形周波数変換の効率が低下する。これらの問題を解決する1つの方向は、ZGP結晶の温度を上昇させることであり、これによって、位相整合角範囲が小さくなり、位相整合角が90°からさらにシフトする。他の方法は、3.3〜4.5μmのスペクトル範囲において、OPGに対して追加の非線形結晶を使用する方法である。第1に、この方法はZGP結晶の角度の調整範囲を小さくし、非線形変換効率の最適化をより良好にする。第2に、この方法は、ZGPが小さな非線形性を有する可能性がある3.3〜4.5μmのスペクトル範囲における変換効率を増大させる。3.3〜4.5μmスペクトル範囲の第2の非線形結晶の最良の候補の1つは、1.65μm励起のためにこのスペクトル範囲においてZGP結晶よりもはるかに高い非線形性を特徴とするAgGaSe2非線形結晶である。
【００７９】
前述のとおり、想像されるオプティカルノーズ機器の実際の用途が異なれば、異なる微量気体検出法の利用が必要となる。この実施形態で使用される主な検出技術は光音響分光法(PAS)である。PAS技法の主な利点は、その検出応答がポンプ波長から完全に独立しており、吸収されたパワーの大きなダイナミックレンジに対して線形であることである。その結果、この技法は、ワット範囲のパワーでサブppbv、ポンプパワー100Wで0.0006ppbvの優れた検出感度を示す。PAS技法の第2の利点は、他の成分が存在する中で、ごくわずかな濃度の吸収性分子を常圧で検出できることである。したがって、PAS法は、最低限の試料調製を必要とし、または試料調整を必要とせず、患者の状態を絶えず監視しながらリアルタイムで実施することができる。
【００８０】
PAS法の基本的発想は知られていたが、レーザの出現までその発想を完全に利用することはできなかった。PASは、気体追跡法の中で最も高い感度を有する方法の1つであり、最近、大気汚染の監視および揮発性有機成分の検出に広く使用されている。それにもかかわらず、中間および遠IRスペクトル領域において使用可能な波長可変レーザがないため、この技法はまだ汎用法とは言えない。
【００８１】
PASの原理を図13に示す。パルス波長可変レーザビームが試験セルを通過し、レーザ波長が分子の吸収線に一致したときに、気体分子によって吸収される。吸収されたレーザ光エネルギーのかなりの部分は、ほぼ瞬時に気体分子の熱エネルギーに変換され、それにより温度および圧力が局所的に増大する。パルスレーザビームの繰返し数が熱緩和時間の逆数よりも小さいと、音波(周期的な圧力変動)が形成される。この音波は、セルの内部に配置された高感度マイクロホンによって容易に検出され、レーザ光の吸収を指示する。音波の強度は、吸収された全光エネルギーの関数であり、したがって、音波の強度は、セルの中の吸収性分子の濃度の尺度として機能する。オプティカルノーズのレーザ波長は、2〜10μmのフィンガープリントスペクトル領域にわたって連続的に調整され、このデバイスは、試験セルの中の多成分気体混合物中の分子の全ての吸収帯の位置を正確に示す。この方法の感度は、マルチパス吸収セルを使用することによってさらに大幅に(2桁以上)上昇する。非常に高感度の高速PAS検出器は、2〜10μmのスペクトル領域の病原体有機分子のフィンガープリントスペクトルの吸収線を正確に測定する。
【００８２】
この実施形態の潜在的な問題は、パルスレーザ光が、試験セルの反射窓によっても吸収され、検出感度に影響を及ぼす背景雑音を生み出すことである。この問題に対する解決策は、2〜10μmの動作スペクトル領域における吸収ができるだけ小さいセル材料を使用することを含む。ロックイン増幅器を使用したバランス検出技術を利用することによって、検出感度はさらに改善され、背景雑音はかなり低減される。この方法は、検出された雑音信号を有用な音響信号から差し引き、補償されていない弱い関心の吸収信号だけを残すことを可能にする。
【００８３】
次に図14を参照すると、オプティカルノーズシステム10の全体ブロック図および制御流れ図が示されている。制御および実装の視点で見ると、オプティカルノーズシステムは以下の5つの主要ユニットを含む:(1)シーディングおよびポンプレーザユニット50、(2)QスイッチOPGポンプレーザユニット52、(3)波長可変レーザユニット54、(4)OPG-OPAシステムユニット56、ならびに(5)主制御および分子検出ユニット58。システム10の動作は、主波長基準デバイスの役目を果たすシーディングレーザから始まる。シーディングレーザは、連続波(CW)マイクロチップ単一周波数Er:YAGレーザおよび絶対周波数標準(「レーザ周波数ロッカ」)を含む。絶対周波数標準は、1500〜1700nmのスペクトル範囲の細い吸収スペクトル線を有する気体セル、および単一モードレーザミラーにフィードバックを供給する電子制御ブロックに基づく。単一モードレーザ波長を連続的に監視することによって、周波数ロッカは、気体セルの吸収線の1つに単一モードレーザ波長をロックする。このようにして、シーディングレーザ周波数を、極めて高い正確さである値に安定させることができる。周波数を高い信頼性で安定させるため、レーザ共振器(cavity)は低熱膨張材料から作られ、10-3Kの正確さで一定の温度に維持される。
【００８４】
10kHzの繰返し数で動作するQスイッチEr:YAGレーザは、OPG-OPA発生器のポンプ源の役目を果たす。OPGを高い信頼性で動作させるため、このレーザは、狭線幅で安定な単一周波数のパルスレーザ放射を供給しなければならない。この理由から、このレーザのレーザ発振周波数は、シーディングレーザのマスタ周波数(master frequency)にロックされる。注入レーザ光は、シーディングレーザと全く同じ波長で動作するようパルスレーザを強制する。
【００８５】
しかしながら、機械的および熱的振動が、シーディングレーザとパルスレーザの間にある波長不整合を引き起こすことがある。Qスイッチレーザの波長をシーディングレーザの波長に確実にロックするため、Qスイッチレーザの共振器長(cavity length)は、以下の2つの方法によって能動的に安定化される。(1)長期の粗い安定性は、レーザ共振器(cavity)の適当な機械的および熱的安定化によって達成される。(2)パルスレーザ共振器の一方のミラーがPZTに取り付けられ、レーザ共振器長(cavity length)は、生成されたレーザパルスのビルドアップ時間を絶えず監視することによって制御される。パルスのビルドアップ時間の最小化は、シーディングレーザのスペクトル線とパルスレーザのスペクトル線との間の最適なオーバラップに対応する。
【００８６】
CW Cr2+:II-VI広帯域波長可変レーザは、OPOシステムを動作させ、2〜10μmのスペクトル範囲のレーザ放射を発生させる第2の主要レーザ源である。このレーザは、2〜3.5μmのスペクトル範囲で連続的に波長可変の周波数ジャンプ(「モードホップ」)のない狭帯域レーザ放射を発生させなければならない。前述のとおり、この広帯域波長可変レーザは、リトローまたはリットマンレーザスキームに基づく。これらの両方のスキームでは、回折格子(リトロー)または後方反射ミラー(リットマン)を、あるピボット点を中心に、非常に高い正確さで回転させることが極めて重要である。ピボット点は、数マイクロメートルの許容差で固定されていなければならず、格子(またはミラー)の回転は、10-3ラジアンの正確さで実行されなければならない。このような精度を達成するため、レーザハウジングが熱的および機械的に安定化される。さらに、PZTを用いて一方のレーザミラーを縦に変位させることによりレーザの共振器長(cavity length)を変化させることによって、生成レーザ波長の小規模の補正が高速に実行される。波長コントローラは3つの信号を受け取る:(1)ある波長範囲にわたってレーザを掃引するよう波長コントローラに命じる主コンピュータからのコマンド、(2)波長可変レーザの波長を絶えず監視するその内部波長計からのフィードバック信号、および(3)波長可変レーザに対する絶対波長基準の役目を果たすシーディングレーザの周波数ロッカからの信号。波長コントローラは次いで、所望の波長を得るために必要な回折格子の回転角を計算し、格子のステッピングモータのコントローラに、粗い波長掃引を要求する適当なコマンドを送り、PZTコントローラに精密波長補正を要求する適当なコマンドを送る。その結果、このレーザは、所望の波長を有する光を高い精度で発生させる。
【００８７】
OPG-OPAは、ZGP非線形単結晶によって生成された2〜10μmの中間IRスペクトル範囲の放射に基づく。Cr2+:II-VI波長可変レーザから入来したレーザ波長に従ってZGP結晶の方向角をセットすることは極めて重要である。したがって、波長可変レーザの波長の変化と同期させて、ZGP結晶を回転させなければならない。そのため、ZGPステッピングモータ回転段のコントローラは、波長可変レーザの波長コントローラから、その時点の波長についての情報を絶えず受け取る。コントローラは次いで、その時点の波長に対して必要なZGPの回転角を計算し、それに従ってZGPを回転させる。さらに、独立したPZTが、ZGPの方向角を微調整する役目を果たす。すなわち、PZTコントローラは、広帯域検出器から信号を受け取り、信号が最大になるまでZGPの方向角を微調整する。他の全てのレーザユニットと同様に、ZGP結晶も熱的に(おそらく約400Kの温度に)安定化される。
【００８８】
検出ユニットの主要な構成要素は、患者の呼気などの分析すべき気体試料を含む吸収気体試験セルである。PASは、吸収スペクトルを入射波長とは独立に非常に高い感度で測定する非常に感度の高い高速法である。Qスイッチレーザの繰返し数に等しい周波数で動作するセルの内蔵高感度マイクロホンから、主コンピュータに音響信号が送られ、主コンピュータは、波長可変レーザの波長コントローラからその時点の波長についての情報を受け取る。コンピュータは次いで、試験セルに入射したその時点の波長を計算し、音響検出器からの信号の入射レーザ波長に対する依存性を記録する。コンピュータコントローラは次いで、測定された吸収スペクトルを関心の気体の既知の吸収スペクトルと比較することによって、測定された吸収スペクトルの複素解析を実行する。その結果、ソフトウェアアルゴリズムが、患者の呼気に含まれる有機成分を同定する。データ取得および管理システムは、このデバイス構成要素を監視し、プログラムされたフィードバックアルゴリズムに基づいて制御信号を生成する。リアルタイム信号を特性吸収スペクトルと比較し、認識された特定のパターンを識別するアルゴリズム展開は、古典的最小2乗法(classical least-squares:CLS)および非線形最小2乗法(nonlinear least-squares:NLS)の当てはめに依存する。
【００８９】
一実施形態では、オプティカルノーズシステム10が、その占有面積を最小化し、輸送を容易にするために、標準19インチラック構成の中に実装される。
【００９０】
この光学プラットホームは、コバール(Kovar)または同様の低膨張率材料から製作することができ、光学的整列を維持するために互いに固定されて接続される。この固定された光学サブアセンブリは、冷却ファンまたは部屋の振動による振動を低減させるためラックの残りの部分から分離される。調整ドリフトをさらに低減させるため、この光学システムエンクロージャは熱的に調整される。レーザ源ユニットおよびErファイバポンプレーザは、4U 19インチラックマウントブロックの中に封入される。マイケルソン干渉計ベースの波長計は、やはりこのラックマウントシャシにぴったりとはまる約20cm×29cm×30cm(W、D、H)の寸法を有する。同じ寸法を有するこのような別のブロックが、以下のモジュールを含むレーザコントローラユニットに対して使用される:1)レーザユニットの温度を安定させるための電子回路、2)単一周波数Er:YAGシーディングレーザの周波数を安定させるためのロッキング電子回路、3)QスイッチEr:YAGレーザのAOMのコントローラ、および4)単一モード波長可変Cr2+:ZnSe主発振器のコントローラ。
【００９１】
これらの電子モジュールおよびそれらの間の相互作用の全体的な制御は、やはり別個の4U 19インチラックマウントブロックの中に取り付けられたコンパクトな中央コンピュータによって実行される。5つのブロックは全て、寸法約50cm×64cm×100cm(W、D、H)の単一の可動ボックスの中に統合される。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明はさまざまな用途に使用することができる。本光学機器の用途は、爆発物、化学戦剤、生物戦剤およびそれらの前駆物質の検出などの対テロリズム関連用途、工業プロセス制御、ならびに生医学用途、すなわち悪性組織に関連したバイオマーカの検出および患者の呼気中の医学的に重要な分子化合物の測定である。例えば、図15は、肺癌、喘息および広汎性細気管支炎のバイオマーカである一酸化窒素の分光学的フィンガープリントを示す。以下のような他のバイオマーカを発見することもできる:一酸化炭素(嚢胞性繊維症または糖尿病)、エタン(嚢胞性繊維症または体電離放射線照射)、ペンタン(心筋梗塞)、イソプレン、ヘキサン、ブタン、メタンまたはホルムアルデヒド(肺癌)、過酸化水素(喘息または気管支拡張症)、アンモニア、ピロジン類(pyrozines)またはシクロヘキサノン(糖尿病)、あるいは13C(胃潰瘍または慢性胃炎)。
【００９３】
本発明のレーザオプティカルノーズ機器は、環境、化学、生物学および医学に関連した微量気体分子の最も強い吸収線に直接にアクセスできる分子フィンガープリント領域のスペクトル範囲(2〜20μm)にわたって動作し、多くの異なる科学技術分野に対する幅広い技術的妥当性を有すると予想される。
【００９４】
本発明は多種多様な用途を有すると予見される。そのような用途の1つが、早期診断法または人の健康を監視する方法としての呼気成分の分析である。呼気は多くの病気の有用なマーカを含む。1971年に、ポーリング(Pauling)とその共同研究者らは、人間の呼気は通常、数百種類の揮発性有機化合物(volatile organic compound:VOC)からなる複雑な混合物を含むと報告した。大部分のVOCはピコモル濃度で吐き出されるため、提案のオプティカルノーズはVOC検出の理想的な候補である。呼気検査は時間を節約し、既存の手法に比べてはるかに安価で、患者に優しく、これらのことから、呼気検査は、社会的および経済的に妥当な技法と言える。さらに、オプティカルノーズの完全な化学的特異性、極限的感度および最も速い(リアルタイム)速度は、全身の生理的および病的過程を監視する強力なツールとなる可能性をこの機器に与える。いくつかの具体例が後に示される。
【００９５】
さらに、呼気中のエタン濃度は、放射線治療を受けている患者が受け取った放射線量、ならびにそのような患者が経験する急性の吐き気および嘔吐と相関することも分かった。全身照射中の呼気エタンの発生は、ラジカルを媒介とした肥質過酸化のマーカであると考えられる。また、放射線治療中の呼気のエタン濃度の監視は、癌細胞に対する効果を最大にし、同時に他の合併症のリスクをできるだけ低くに保つための最適な照射プロトコルを決定し、それに従うのに役立つことができると考えられる。
【００９６】
S.カリトノフ(S. Kharitonov)とP.バーンズ(P. Barnes)は、呼気分析が、将来の肺疾患の診断および管理において重要な役割を果たす証拠を示した。喘息、慢性閉塞性肺疾患、嚢胞性繊維症および間質性肺疾患を含む多くの肺疾患は、慢性炎および酸化ストレス(oxidative stress)を伴う。残念なことに、現在のところは通常、呼気中の単一のマーカが別々に評価され、異なる病気ではマーカが異なる影響を受け、治療の影響などのある種の操作に対するマーカの感応性がマーカによって異なる。例えば、喘息は、呼気中のNOの大幅な増大(30〜40ppb)、COの穏やかな増大、および呼気中の8-イソプロスタン(8-isoprostane)の穏かな増大を特徴とする。逆に、嚢胞性繊維症の患者では一般に、呼気NO濃度が低く、呼気COおよび8-イソプロスタン濃度が高い。
【００９７】
最近、肺癌患者の臨床試料中の腫瘍マーカの検出に分子的方法を使用することに注目が集まっている。これらは、長く複雑な処理および分析を必要とする痰および気管支肺胞洗浄(bronchoalveolar lavage:BAL)液中の細胞の異常形態および遺伝子突然変異の識別を含む。別の研究は、肺癌患者と対照とを区別することができるBAL液中のタンパク質バイオマーカを識別した。気管支鏡検査および痰誘導(sputum induction)は時間と費用のかかる手法であり、ルーチンの臨床用途には適さず、リスクがないわけではない。近年、その非侵襲性および使用の容易さのため、肺疾患の診断および監視を目的とした呼気分析がますます注目されている。3,000を超える揮発性有機化合物が呼気中に検出され、これらの大部分は、最新のセンサの検出限界よりも低いピコモル濃度で存在する。
【００９８】
一酸化窒素などの肺疾患のバイオマーカが、呼気の気相中から直接に検出され、また、呼気から凝縮された水(呼気凝縮物ないしEBC(exhaled breath condensate))中で検出された。サイトカイン、成長因子などのタンパク質を含む多くの有機分子がEBCから同定され、このことから、この方法は、肺癌におけるバイオマーカ検出の実行可能な方法と言える。EBCの使用には、標準化、希釈および再現性を含む方法論的な問題もある。しかしながら、最近には、米国胸部学会(the American Thoracic Society)によるEBCの使用の推奨も発表されており、EBCは、人間の患者の肺疾患を調べる強力な非侵襲ツールとして発展し続けるであろう。いくつかの研究が、肺癌と診断された手術を待つ対象者を使用した肺癌の診断において、呼気の使用について調査した。これらの研究は、気相中の少数の揮発性有機化合物を、ガスクロマトグラフィおよび質量分析を使用して分析した。分析は主に定性分析であり、定量分析ではなく、採集とは別の機会に実行された。しかしながら、揮発性有機化合物の分析は、これらの研究における合理的な感度および特異性で、肺癌患者を対照から区別し、この方法の可能性を指示した。呼気中に存在する全ての有機化合物を極端な感度および特異性でオンラインで検出することができる「オプティカルノーズ」などのデバイスは、現行のスクリーニング技法の性能を大幅に向上させることができる。このような技術は、既知および新規の多数の肺癌バイオマーカを定量し、それによってその病気に固有の認識パターンすなわち「フィンガープリント」を生み出すことができると考えられる。この技術は肺癌患者の治療に革命的変化をもたらし、治癒率は大幅に向上し、羅病率は低下し、生存率は上昇するであろう。
【００９９】
肺癌の最初の徴候を検出する上記の実施形態の他に、新しいバイオマーカの組合せの挙動、すなわちさまざまな肺疾患の診断的フィンガープリントを明らかにし、特徴付けるために、本発明を使用することもできる。これらのマーカに対する治療の特性効果の研究は、将来において治療特異性を向上させる可能性があるため、特別な注目が注がれるであろう。将来には、患者の炭化水素プロファイルを研究することによって、特定の病原体を識別し、それによって最も適当な抗生物質療法を適用することも可能になる可能性がある。さらに、初期の段階で肺癌を「嗅ぎつける」ことに重点を置いて、さまざまな臨床状態に対するさまざまな炭化水素の呼気プロファイルを決定する目的に、本発明を使用することもできる。
【０１００】
炭化水素は肥質過酸化のマーカであり、肥質過酸化は、体内において酸素ラジカルが絶え間のなく不可避的に形成されていることの1つの結果である。多価不飽和脂肪酸の過酸化過程の間に、体内で炭化水素が分配され、一部は代謝され、呼気中に現れる。このことによって生体内肥質過酸化の大きさを推定することができる。レーザオプティカルノーズ機器は、単一の炭化水素に関する情報よりもはるかに情報量が多い、さまざまな疾患に関係した炭化水素の呼気プロファイルのデータベースの開発に使用されるであろう。
【０１０１】
長期の宇宙飛行シミュレーション中ならびに月および火星への想像される飛行中の可能な病的過程の早期診断としての宇宙飛行士の肥質過酸化の監視において、本発明を使用することもできる。最近、長期宇宙飛行中の宇宙飛行士の単一の炭化水素を監視する最初の試みが、ポリアコフ(Poliakov)他によって報告されたことは注目に値する。
【０１０２】
栄養および健康の研究のため、食品および食品添加物がしばしば13Cなどの安定同位体で標識される。その結果として、このような標識された食品添加物から派生した代謝産物の検出に、オプティカルノーズ機器を使用することができる。したがって、(多数の潜在的な選択肢のうちの)これらの少数の例から、新規のオプティカルノーズ機器の開発は、生命過程の理解、早期診断、予防および治療法に関する生物医学研究に対して非常に大きな影響を有することが分かる。
【０１０３】
石油およびガスの探査は通常、その岩層が炭化水素を閉じ込めることができる可能性があるかどうか見るために岩層内で音波を反響させることを含む、費用と時間がかかるプロセスである。結果の解釈には数ヶ月がかかることもあり、それでさえその岩層が石油を含むという保証はない。同時に、石油およびガス層は自然に、エタンなどの炭化水素をごく微量(ppbレベル)大気中に漏らす。オプティカルノーズ機器は、石油およびガスが実際に存在するかどうかを明らかにする伝統的な技法よりもはるかに費用がかからず、迅速で信頼性の高い方法を提供すると考えられる。石油およびガスの探査では、それらが存在しそうな場所を突き止めるため、エタンの測定と風向の測定が組み合わされる。
【０１０４】
本発明の機器を、国および地方のニーズに適った例えば以下のような危険な廃棄物の監視に利用することもできる:1)汚染および化学戦剤のセンシング、2)危険な廃棄物および軍需品の廃棄処分の監視、3)生産設備内の特定ガス種の監視、4)天然のガス放出体、例えばメタンシープ(methane seep)や火山の追跡、ならびに5)燃料漏れなどの爆発の危険の遠隔評価。
【０１０５】
大地、海および大気間の気体種の交換速度は、大気組成を決定する主要な因子である。これらの過程は、実験室内でモデル化することが難しく、本来の位置で調査されなければならない。本発明の発明者らは、レーザオプティカルノーズ機器が、気候研究に関連した大気中の微量化合物を調査している研究者によって利用されることを想像する。これらの研究は、地球大気のダイナミックスの十分な理解およびより正確な気象予報につながる、地球規模の気候変動に関する貴重な情報を提供することができる。
【０１０６】
トリニトロトルエン(TNT)は、テロリストの爆発物に最も一般的に使用される爆薬であり、大部分の軍用等級の爆発物の成分である。ジニトロトルエン(DNT)はTNTの製造中に形成され、大部分のTNT、無煙火薬および黒色火薬中に少量存在する。爆発物の近くで採集された蒸気試料中のDNT濃度がTNT濃度よりも高いことは珍しいことではない。これは、DNTの蒸気圧がTNTの蒸気圧よりも高いためである。大部分の軍用等級の爆薬はTNTおよびDNTを含む。硝安爆薬でさえも通常はDNTおよびTNTを含む。レーザオプティカルノーズは、TNT、DNTおよび硝酸アンモニウムの揮発成分を、極限的感度およびリアルタイム速度で検出することができる。
【０１０７】
想像される幅広く波長可変な高パワーの汎用中間IRレーザおよびそのプロトタイプは、航空機、船舶および人工衛星に基づく対応策、化学戦剤検出のためのリモートセンシング、拡散防止のための情報収集などの軍事用途に影響を与えるであろう。さらに、この源は、コンピュータ制御の軍需品および巡航ミサイルを捜索する先進のレーザベースの眼に安全な捜索装置、ならびに秘密の通信システムで使用することができる。提案のレーザシステムは対応策として理想的である。その出力波長は、全ての対応策帯を包含し、したがって知られている全ての捜索装置に対して使用するのに適している。さらに、生成される波長は、拡散防止および化学剤検出に対して使用される薬品蒸気の検出に適した3〜5μmおよび8〜11μmの大気透過領域に含まれるであろう。このようなセンサはさらに大量破壊兵器の探索において非常に貴重であろう。
【０１０８】
本発明をさまざまな形態で開示したが、この開示を、本発明をこれらの形態だけに限定するものとして解釈してはならず、本発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲のみによって限定される。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明のオプティカルノーズ機器の概略図である。
【図２】本発明のオプティカルノーズ機器のブロック図である。
【図３】図2に示したオプティカルノーズ機器のOPGのブロック図である。
【図４】図2に示したオプティカルノーズ機器のErファイバレーザによってポンピングされたEr:YAGレーザのブロック図である。
【図５】図2に示したオプティカルノーズ機器のCr2+:II-VI SLM注入シーダのブロック図である。
【図６】非線形結晶と周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN)結晶との主要な光学特性の比較を示す表である。
【図７】図7aは、ZGPタイプIおよびタイプIIならびにCdSeタイプII相互作用の位相整合曲線であり、図7bは、GaSeタイプ1相互作用の位相整合曲線である。
【図８】ZGPおよびCdSe結晶を用いた中間IR SHGの位相整合曲線である。
【図９】ZGPおよびCdSe結晶におけるSHGプロセスに対する有効非線形性のプロット図である。
【図１０】本発明のオプティカルノーズ機器のブロック図である。
【図１１】500〜3000nmのスペクトル範囲のZGP結晶の透過スペクトルである。この図は、現在の成長後結晶処理技術が、波長>1.6μmにおけるZGP結晶の残留吸収の低下、およびZGPベースのOPGのポンプ源としてのEr:YAGレーザ(1.65μm)の利用を可能にすることを示す。
【図１２】ZGP(タイプI相互作用)OPGによって波長(ポンプ)1.65μm、y=390Kで生成された信号およびアイドラ波長の位相整合曲線である。
【図１３】光音響検出器の概略図である。
【図１４】オプティカルノーズシステムの制御流れ図およびブロック図である。
【図１５】一酸化窒素の分光学的フィンガープリント(吸収スペクトル)の一例である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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