光音響顕微鏡（PAM）は、光学イメージングの高コントラストと超音波の透過深度を組み合わせ、生物組織や材料の非破壊・ラベルフリーイメージングを実現する強力なツールとなっています[1]。複数のレーザー波長で異なる分子結合をプローブするマルチコントラストPAMを実現するには、高いパルスエネルギーと時間精度を維持しながら波長を高速に切り替えることができる光源が必要です。しかし、ほとんどのチューナブルレーザーシステムやラマンレーザーシステムは、切り替え速度が遅いこと、サンプリングドリフトによる安定性の限界、そして自由空間アライメントの複雑さといった制約があります。特に、短波赤外（NIR-III）領域におけるナノ秒単位のパルス生成は、適切なポンプ光源が存在せず、ラマン周波数シフトが固定されているため、特に困難です。
これらの限界を克服するため、香港大学および先端生物医学計測センターのYitian Tong博士と彼のチームは最近、CH結合とOH結合の振動吸収ピークに対応する1725nmと1930nmのナノ秒光パルスを発生する、2波長切替可能な全ファイバーレーザーを実証しました[2]。チームは2つのシードレーザーに高精度の電気光学変調を適用し、同期したナノ秒パルス列を生成しました。これにより、2つの波長間で最大100kHzの高速電子スイッチングが可能になりました。
このプログラム可能な変調方式を実現するために、研究者らは Moku:Pro 電気光学変調器（EOM）用の柔軟な電気パルス整形および安定化プラットフォームとして。Moku:Pro 波形発生器 調整可能なタイミングと振幅を持つ高忠実度のナノ秒駆動信号を生成し、 PIDコントローラー 長時間動作中も安定した変調度を維持しました。この機能により、水中のマイクロプラスチックの種類の識別を通して実証された、迅速で高解像度のマルチコントラストPAMイメージングが可能になりました。この手法は、適応性の高い電子制御がファイバーレーザーフォトニクスと環境センシングをいかに向上させるかを示しています。
課題
高度なPAMのためのナノ秒光パルスを生成するには、EOMの精密な電子制御が必要です。本研究では、研究チームは2つの連続波シードレーザーを強度変調し、1725 nmと1930 nmで同期したナノ秒パルスを生成する必要がありました。これを実現するために、電気駆動信号は、高いタイミング精度、調整可能な変調度、そして長期安定性という3つの厳格な基準を満たす必要がありました。
従来、このようなEOM駆動システムを構築するには、ナノ秒駆動信号用の高速パルスまたは任意波形発生器、変調器の動作点を維持するための独立したDCバイアスコントローラ、フィードバック用のフォトダイオード読み出しモジュール、PID安定化を実現するためのカスタムアナログ回路など、複数のスタンドアロン機器が必要でした。各デバイスは、遅延、キャリブレーションのオーバーヘッド、同期の課題をもたらします。さらに、温度誘起ドリフトとEOM内の光屈折効果により、バイアス点がシフトし、光消光比が低下する可能性があるため、長時間の動作にわたって変調度を維持することは困難です。アクティブ補償がなければ、2つの波長間のパルスエネルギーとスペクトルバランスは急速に不安定になり、信頼性の高いレーザー性能が損なわれます。
そのため、チームには、確定的なタイミングで EOM 駆動信号を生成、同期、監視、安定化できる単一のプログラム可能なプラットフォームが必要でした。それ以外の場合、この機能は複数の専用機器にまたがって実現されます。
ソリューション
研究者らは、パルス生成、同期、バイアス安定化のための統合エンジンとしてMoku:Proを導入しました。Moku:Proは高速波形発生器とデジタルフィードバックコントローラとして同時に機能し、この複雑な光学実験に必要な精度と適応性を両立させました。実験セットアップの概略図を図1に示します。
縮退四光波混合（FWM）の原理によれば、特定の通信波長における2つの高出力シードパルスは、より長い波長（この場合は1725 nmと1930 nm）のアイドラー波を生成することができる[3]。1563.23 nmと1549.50 nmの2つの連続波シードレーザーは、独立したEOMによって強度変調された。このパルスカービングによって、高非線形光ファイバー（HNLF）に入射するシードの繰り返し周波数、幅、およびピークパワーが設定される。Moku:Pro 波形発生器 3nsのパルス幅、100kHzの繰り返し周波数、180°の位相差を持つ2つの同期EOM駆動信号を提供することで、2つのシードパルス間の正確な交互動作を実現しました。これに対応して、生成されたアイドラー波も同じ100kHzの周波数でスイッチングし、機械的な調整や光学的な再調整なしに2波長動作を可能にしました。
同様に重要だったのは、両方のEOMの安定した変調度を維持することでした。これを実現するために、Moku:Proはナノ秒パルスを生成すると同時に、各変調器にDCバイアスを供給しました。RFポートは高速過渡現象を処理し、バイアスポートは低速ドリフトを補正しました。変調度はRFパルスの振幅を調整することで調整されました。EOMに内蔵されたモニタリング用フォトダイオードからMoku:Proに信号がフィードバックされ、Moku:ProではMokuを介して変調度が調整されました。 PIDコントローラー フィードバック。このアクティブフィードバックにより、研究者は非線形ファイバー内のFWMプロセスのパラメトリックゲインとゲイン帯域幅のバランスをとることができます。閉ループ安定化により、変調器は伝達曲線上の正しいポイントで動作し、長時間の実験を通して適切なオン/オフコントラストとバランスの取れたパラメトリックゲインを維持します。閉ループフィードバック構成を図2に示します。
結果
図3に示すように、研究者らは1725 nmと1930 nmでクリーンな交互光パルス列を実現しました。このパルス列は100 kHzでスイッチングし、パルス幅は3 nsの半値全幅（FWHM）です。パルスは2つのアイドラー波長間で180°の位相差を正確に維持しており、Moku:Proのデュアル波形出力が2つのEOM間で完全な同期を維持していることが確認されました。波形生成は完全にプログラム可能であるため、各波長のパルス幅は3 nsから12 nsまで独立して調整でき、任意のパルスシーケンス（図4）はハードウェアを変更することなくソフトウェアで直接設定できました。この柔軟性により、チームはハイブリッド光増幅器内で最大の変換効率とスペクトルバランスを実現するためのパラメータを最適化することができました。
生成されたアイドラービームは、二波長PAMシステムの必須の光励起源として機能し、NIR-III領域におけるラベルフリー化学イメージングを可能にしました。このプラットフォームを用いて、研究者らは図5に示すように、水中のマイクロプラスチックの多重コントラストイメージングを実証しました。1725 nmでは、ポリエチレン（PE）とポリ塩化ビニル（PVC）のマイクロプラスチックはどちらもCH結合からの吸収により強い光音響信号を生成しましたが、1910 nmでは、PVCはC-ClおよびOH結合の吸収により、はるかに強いコントラストを示しました。最良のコントラストを得るために、出力波長は1725 nmと1910 nmに微調整されました。2つの画像セットを重ね合わせると、得られた合成PAM画像では2種類のプラスチックが明確に分離され、同一視野内での空間分布が明らかになりました。さらに、生の光音響トレースから、2つの材料が水に対して逆極性の信号を生成することが確認され、レーザーのスペクトル精度と安定性が実証されました。
これらの結果は、Moku:Proに統合された波形生成、同期、そしてPIDベースのバイアス安定化によって、従来のベンチトップ機器では実現が困難であった堅牢で再構成可能な光源がいかに実現されたかを浮き彫りにしています。実証されたレーザーは、高エネルギー、高速スイッチング、そしてスペクトル精度を実現し、鮮明で高コントラストのPAM画像を直接的に実現することで、化学物質特異的なイメージングや環境センシングの新たな可能性を切り開きます。
参考情報
[1] Wang, LV & Hu, S. 光音響トモグラフィー：細胞小器官から臓器までの生体内イメージング. Science 335, 1458–1462 (2012).
[2] Tong, Y. et al.「NIR-III領域におけるハイブリッド光増幅器を用いたプログラム可能な2波長切替型オールファイバーレーザーによるマルチコントラスト光音響顕微鏡法の開発」Laser Photonics Rev. 19, 2401494 (2025)
[3] アグラワル、GP「非線形光ファイバー」シュプリンガー、ベルリン（2000年）。