強力な技術により1兆フレーム / 秒という驚異的なスピードで単一の超高速イベントを画像化する

仕組み

STAMPの基本原理の概略を図1に示します。STAMPは、Coherent Astrellaチタンサファイアのフェムト秒増幅器の広いスペクトルバンド幅と十分なパルスエネルギーを利用します。 まず、チャーピングによってフェムト秒パルスの延伸または分割のどちらかあるいはその両方が行われ、試料に照射する別々の波長成分が、遅延時間をずらした上で試料に到達します。 中川助教はこの部分を「テンポラルマッピング」と呼んでいます。

試料を通過した後、各サブパルスは波長ごとに分離され、（CCDまたはCMOS）カメラアレイの特定の領域に照射されます。 結果として各領域は個々のビデオフレームになります。 このように、レーザパルスと検出器は、高速ストロボ照明とイメージングデバイスのように機能します。

USPレーザパルスによるアブレーション

フェムト秒出力の超短パルスレーザピコ秒、は、精密なマイクロマシニングに利用されることが多くなっています。 用途としては、医療機器からスマートフォンの部品に至るまで、製品のドリリング、スクライビング、マーキングが挙げられます。 その主な理由は、USPマシニングのほうが長パルスレーザよりも高い精度が得られる点にあります。 また、周辺部での熱の発生がほとんどないため、きれいな加工を行うことができます。

このような利点は広く文書化されていますが、実際にどのような仕組みで利点が生じるのかについては、これまで誰も解明していませんでした。 中川グループは今回、STAMPを使用してこの議論に独自のデータを提供しました。 彼らは、単一の35 fsレーザパルスによるガラスターゲットでのアブレーション作用を画像化したのです。

この用途のために、彼らは有効フレームレートが1 Tfpsを超えるように2色STAMPセットアップを構成しました。 図4は、この作業で得られたいくつかのイメージフレームです。 オリジナルの2色フレームから電子密度マップが取得されました。 チームはこのデータにより、アブレーションレーザパルスによって放出されたプラズマプルームのサイズ、形状、速度、および電子密度分布をマッピングすることができました。

水中での衝撃波の伝播

このグループは光回路と分岐アプローチを使って、もっと遅いタイムスケールでレーザパルスを水中に集束させたときに生じる衝撃波を画像化しました。 中川助教は、超音波およびレーザ出力の両方と生体組織との相互作用は、医学的治療、イメージング、ライフサイエンス研究の理解を深めるのに重要であると説明しています。 （そして水は生体組織の主成分です。）

図5に示すように、彼らは衝撃波面の伝播をマッピングしました。 画像のグレースケールのコントラストは、衝撃波の強度を示しています。 中川グループは現在、STAMPで捉えたこれらの動的なイベントを観察することで、衝撃と生体細胞の相互作用の解明に取り組んでいます。

Coherent Astrellaを採用する理由

中川助教は、STAMP研究に完璧に適合するAstrellaの利点をいくつか挙げています。 同助教は次のように述べています。「パフォーマンス面では、Astrellaは高品質の出力ビームを生成します。ビーム品質は画質に直接影響するので、この点は重要です。 Astrellaはスペクトルバンド幅が広いので、複数のサブパルスを生成する作業が簡単になり、必要に応じてパルスを35 fs以下に圧縮することもできます。 高（7 mJ）パルスエネルギーはもう1つの重要な利点です。出力をSTAMPパルス（光損失あり）として時間的空間的に変調し、パルスエネルギーの一部を使用して2色STAMPのSHGパルスを生成するからです。 そしてもちろん、私たちはパルスの一部を使用して、画像化しようとしているエキゾチックな現象を励起します」。

中川助教はまた、Astrellaが手のかからないハンズフリーのワンボックスレーザであることなど、実用的な利点についてもいくつか言及しています。 このシンプルな操作性は非常に重要です。レーザははるかに複雑な装置の中の1つの部品に過ぎないからです。 同助教は次のように述べています。「ターンキー操作は、STAMPを使用する人がレーザの専門家でなくても、この技術を十分に活用できることを意味します。 シンプルなユーザーインターフェースで光源を制御するだけで、必要な出力を正確に得ることができるのです。 同様に重要なこととして、Astrellaは安定性と信頼性が驚異的に高く、サービスや予定外の修理やアップグレードは必要ありません」。

同助教は、「私たちはこのレーザが本当に好きです」とまとめています。