多波長レーザエンジン - ライフサイエンス装置組込みの未来を拓く

フローサイトメーターのようなライフサイエンス機器を製造するメーカーは、ディスクリートレーザからレーザエンジンへの移行を進めています。これは、アプリケーション固有の形式で成形された集束ビームを提供するコンパクトでカスタマイズ可能なアセンブリです。

2022年5月13日、Coherent

レーザは、パルス発振または連続波の光線を発生させます。ただ、それは誰もが知っていることです。また、ライフサイエンスは、連続波レーザの巨大な市場でもあります。しかし、ライフサイエンス分野の機器やアプリケーションで、実際にレーザが作り出す本来の形のビームを使用しているものは、ほぼ皆無です。レーザ光の集光、成形、他のレーザ光との結合、光ファイバーへの結合、変調（オン／オフ）などを必要に応じて行い、血液細胞のカウント、生きた組織の顕微鏡画像の取得、遺伝子配列解析など、特定のタスクを実行します。

このレーザ光線の改造は、なかなか厄介なものがあります。たとえば、1台のレーザを高性能な光ファイバーに結合させるのに、熟練した経験豊富なレーザ技術者でも数時間かかることがあります。複数のレーザ波長が必要なシステムの場合、アライメント作業に何日もかかることもあります。

それほど遠くないGalaxy

今となっては当たり前のことですが、Coherentがこの課題に取り組んだ当時は画期的なアイデアでした。具体的には、複雑なビーム修正作業を内部で行い、アプリケーションに応じた形でレーザ出力を行うアセンブリを提供することです。この道を歩む最初のプロダクトベンチャーがGalaxyです。 1本のファイバーで複数の波長を伝送する必要がある装置OEMや研究室のレーザユーザーにプラグアンドプレイ機能を提供しました。標準的なファイバーコネクターを使って、数時間から数日ではなく、数秒から数分でレーザの追加や交換を簡単に行えるようになったのは、初めてのことです。

これは、共焦点顕微鏡のようなアプリケーションで、同じサンプル内の異なる生化学的ターゲットを画像化するために異なる波長を素早く切り替えたい研究者に最適であることが判明しました。そして、OEM先の装置組込みメーカーにも採用されました。波長を追加したり、特定の波長の出力を上げたり、故障したレーザを交換するなど、工場からの返品やそれに伴うお客様のダウンタイムなしに、現場でレーザの「ホットスワップ」などを行うことができるため、好評を得ています。

頼れる多波長対応エンジン

もちろん、ライフサイエンス機器のすべてがファイバーベースというわけではありません。フローサイトメトリーは、複数のレーザを従来の光学系（フリースペース）で成形し集光する方法の顕著な例です。（ご興味のある方は、フローサイトメトリーについて詳しく書いていますので、そちらもご覧ください。）次に、この重要なアプリケーションのニーズに応えるために、新しいタイプのレーザエンジンに着手しました。フローサイトメトリーの最大のアプリケーションはイムノフェノタイピングであることから、私たちはそれをCellXと名付けました。

CellXでは、最大4種類の波長を選択することができます。レーザそのものに加え、フローサイトメーターに必要な楕円形の集光ビーム形状を作るために必要な小型化された光学系がすべて含まれています。また、マルチパラメーターフローサイトメトリーと呼ばれる最新のトレンドでは、このモジュールを2つ組み合わせて8波長とする機器メーカーもあります。 OEMユーザーは、CellXを自社製品に組み込む際、外観の美しい蓋を外すだけで、各ビームの焦点と配置を個別に制御するための一連のネジ調整を行うことができます。

未来を見据えて

では、次は何でしょうか？では、ファイバーの長所と自由空間光学系の性能を組み合わせたものはどうでしょう。それは何を意味するのでしょうか？ファイバーの優れた点の1つは恒久的に配列が保たれることで、それはまさに一枚のガラスです。そして、自由空間光学系を使用する一部の装置OEMにとって、アライメントの安定性が現場での大きな問題であることが判明しました。機器の取り扱いや使用状況によっては、半年に一度、レーザビームの再調整のためにサービス訪問に呼ばれることもあるそうです。なぜなら、従来の光学マウントは金属片と小さなネジで構成されており、どうしてもどこかで正確な位置がずれてしまうからです。

Coherentは、産業界の生産ラインをはじめ、あらゆる要求の厳しいアプリケーションに使われるレーザ製品を数多く持っています。これらの製品は、独自のPermAlignTM技術により、日常的に何千時間ものメンテナンスフリー動作を実現しています。このアプローチで、Coherentは機械的な光学部品マウントを使用せず、各光学部品を位置調整して所定の位置に恒久的に接着しています。調整するものがなく、位置がずれることもないため、使いやすさと信頼性は抜群です。