顕微鏡スライド型ピークパワーセンサー、2光子レーザ用


  • Measure Relative Peak Power of Two-Photon Lasers
  • Compatible with Microscope Stages for Measurements at the Sample
  • Designed to Optimize Pulses for Multiphoton Imaging
  • Compatible with Dry, Water Immersion, and Oil Immersion Objectives

NS170C

Microscope Slide Peak Power Sensor for Two-Photon Lasers, 780 - 1300 nm

NS170C Microscope Slide Peak Power Sensor Used with a Prelude® Imaging Microscope and TL10X-2P Objective

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Key Specifications
Detector TypeSecond-Order Nonlinear Crystal
with Silicon Photodiode
Laser Wavelength Range780 - 1300 nm
SHG Wavelength Range390 - 650 nm
Max Peak Power Densitya10 TW/cm2
Laser Average Power Rangeb0.5 - 350 mW
SHG Optical Power Working Range10 nW - 5 mW
Resolutionc1 nW
  • 損傷閾値の仕様はNAが0.5を超える対物レンズを用いたときに適用されます。NAが0.5未満の場合、損傷閾値はこれよりも低くなります。
  • この動作範囲は繰返し周波数が80 MHzのレーザに適用されます。ピークパワーとピークパワー密度はレーザの平均パワーと繰返し周波数に依存するため、繰返し周波数が低いほど許容される動作平均パワーの上限値は低くなります。平均パワーが上限値を超えると、センサの光学コンポーネントに損傷を与える可能性があります。
  • コンソールPM100Dの設定を低帯域幅にして測定したSHG信号の分解能。
センサNS170Cを用いた、顕微鏡の焦点におけるレーザーパルスの最適化方法
(詳細は「用途」タブ参照)

特長

  • 2光子レーザのピークパワーの相対測定用に設計
  • 非線形結晶を用いてレーザの第2高調波を直接測定
    • レーザ波長範囲：780～1300 nm
    • 第2高調波の波長範囲：390～650 nm
  • 試料面でのピークパワーの最適化が可能なサイズ
  • ドライ、水浸、油浸用の対物レンズに対応
  • 当社のパワーメーターコンソール(下記参照)に対応

用途例

  • 2光子顕微鏡の焦点におけるフェムト秒レーザの群遅延分散の最適化
  • 様々な実験におけるレーザ条件の一貫性を確保
  • フェムト秒パルスレーザの迅速な品質評価

当社の顕微鏡スライド型ピークパワーセンサは、2光子レーザのピークパワーの相対測定用として設計されています。顕微鏡スライドと寸法が同じであるため、顕微鏡の焦点におけるピークパワーの相対値を測定することができ、多光子顕微鏡用のパルスレーザを最適化するのに有用な製品になっています(詳細は「用途」タブ参照)。

センサNS170Cでは、2次の非線形結晶であるβ-BBO(beta-BaB2O4)を使用して、入射する近赤外(NIR)の超短パルス光を可視(VIS)の第2高調波に変換します。 第2高調波発生(SHG)の効率は、近赤外フェムト秒パルスのピークパワー密度またはピーク強度に比例するため、検出される第2高調波光の大きさはレーザのピークパワーの相対測定値を与えることになります。 詳細は「光学設計」および「動作」タブをご参照ください。

センサNS170Cは標準的な正立および倒立顕微鏡のスライドホルダに対応しています。右の動画に示すように、このセンサを使用して顕微鏡の焦点におけるピークパワーの相対値を測定できます。そのため、高いイメージコントラストが得られるように、レーザーパルスの持続時間を試料面で直接最適化することができます(詳細は「用途」タブ参照) 。また、このセンサはM4 x 0.7タップ穴を用いてポストに取り付けられるため、標準的な光学コンポーネントのセットアップ内でのピークパワーの相対測定にも使用できます。

センサNS170Cの筐体には、光の偏光方向とβ-BBO結晶の光学軸の間の角度を調整するために、ローレット加工された調整用ホイールが付いています。センサの光入射面には厚さ170 µmのカバーガラスが付いており、これでセンサ筐体を密閉しています。そのため、このセンサはドライ、水浸および油浸用の各対物レンズと組み合わせてご使用いただくことができます。カバーガラス上部からβ-BBO結晶までの作動距離は0.22 mmです。センサの筐体底面にはアライメント用の十字線がレーザ刻印されています。これは受光面の位置を表しており、ビームのアライメントや集光の際にご利用いただけます。使用するときは、筐体をその刻印面が顕微鏡の対物レンズに対面する向きにして光路に挿入します。ビームが刻印されたターゲットの中心にくるように調整したのち、パワーが測定できるようにセンサを反転させてディテクタの受光面をビームに向けます。

第2高調波発生(SHG)
SHGの効率は、入射するレーザーパルスのピークパワー密度に依存します。センサが顕微鏡対物レンズの焦点面に配置されると、有効な焦点の面積が固定され、SHG 信号はピークパワーにのみ依存します。 平均レーザーパワーと繰返し周波数が与えられたとき、ピークパワーはパルス幅(時間)にのみ依存します。したがって、パルス幅を変更してそれに伴うSHGパワーの測定値を明確に読み取ることができるため、試料面で直接レーザーパルスを最適化することができます。これらのパラメータがSHGの変換効率に与える影響についての詳細は「動作」タブをご覧ください。

NS170C Top ViewClick to Enlarge
センサNS170Cにはローレット加工された位相調整用ホイールが付いており、これでβ-BBO結晶の回転方向を調整できます。

対応するパワーメーターコンソールとインターフェイス
センサNS170Cは、パワーメーターコンソールのPM100D、PM100A、PM400、PM5020、およびセンサとPCなどの外部制御ユニットを接続するためのCシリーズ パワー&エネルギーメーターインターフェイスに対応しています。センサーヘッドに取り付けられている1.5 mのケーブルには、9ピンのオス型Dサブコネクタが付いています。センサのコネクタ内の不揮発性メモリには、センサの情報とNISTおよびPTBにトレーサブルな校正データが格納されています。NISTおよびPTBの校正データはディテクタに可視光が入射する場合のデータであることにご注意ください。しかし、この可視光の強さは近赤外のフェムト秒パルスの照射条件に固有なものになります。詳細は「用途」タブをご覧ください。

センサNS170Cを当社のパワーメーターコンソールおよびインターフェイスと組み合わせてご使用いただく場合は、入射するレーザ光源の波長として近赤外の波長を選択してください。

再校正サービス
当社ではパワーセンサとパワーメーターコンソールの再校正サービスを提供しています。センサとコンソールはセットで再校正されることをお勧めしますが、それぞれを単体で再校正することも可能です。精度と性能を維持するために定期的な再校正をお勧めします。校正頻度は用途にもよりますが、通常1年程度です。センサの再校正については当社までお問い合わせください。

NS170C Specifications
Detector TypeSecond-Order Nonlinear Crystal with Silicon Photodiode
Laser Wavelength Range780 - 1300 nm
SHG Wavelength Range390 - 650 nm
Max Peak Power Densitya10 TW/cm2
Laser Average Power Rangeb0.5 - 350 mW
SHG Optical Power Working Range10 nW - 5 mW
Responsivity (Click for Plot)Typical Responsivity
Click Here for Raw Data
Input ApertureØ4.5 mm
Working Distance0.22 mm
Linearityc±0.5%
Resolutionc,d1 nW
Measurement Uncertaintyc,e±3% (440 - 650 nm)
±5% (390 - 439 nm)
Response Time< 1 µs
Typical ApplicationGDD Optimization of a Femtosecond Laser at the Focus of a Two-Photon Microscopef
Sensor DimensionsBase: 76.0 mm x 25.2 mm x 5.0 mm (2.99" x 0.99" x 0.20")
Overall: 76.0 mm x 30.0 mm x 11.0 mm (2.99" x 1.18" x 0.43")
Cable Length1.5 m
ConnectorSub-D 9 Pin Male
Weight80 g
Post MountingCombi Thread 8-32 and M4
Compatible ConsolesgPM100D, PM100A, PM400, and PM5020
Compatible InterfacesgPM101, PM101A, PM101R, PM101U, PM103, PM103A, PM103E, PM103U, and PM100USB
  • 損傷閾値の仕様はNAが0.5を超える対物レンズを用いたときに適用されます。NAが0.5未満の場合、損傷閾値はこれよりも低くなります。
  • この動作範囲は繰返し周波数が80 MHzのレーザに適用されます。ピークパワーとピークパワー密度はレーザの平均パワーと繰返し周波数に依存するため、繰返し周波数が低いほど許容される動作平均パワーの上限値は低くなります。平均パワーが上限値を超えると、センサの光学コンポーネントに損傷を与える可能性があります。
  • SHG信号における仕様値。
  • コンソールPM100Dの設定を低帯域幅にして測定。
  • フォトダイオードセンサの位置で1/e2ビーム径が1 mmより大きい場合に有効です。このフォトダイオードセンサはβ-BBO結晶の数mm下側にあるため、高NA対物レンズを使用したときにはビーム径が大きく拡大されることにご注意ください。
  • 詳細は「用途」タブをご覧ください。
  • センサNS170Cは当社で現在ご提供しているフォトダイオードパワーメーターコンソールとインターフェイス、および旧製品のPM200とPM320Eに対応していますが、それら以外の当社の旧製品のパワーメーターコンソールには対応しておりません。

センサーコネクタ

Dサブ オス型

DB9 Male

PinPin Connections
1Not Used
2EEPROM Data
3Photodiode Anode Ground
4Photodiode Cathode
5Not Used
6EEPROM Ground
7Not Used
8Not Used
9Not Used

クリーニング
センサーヘッドNS170Cの筐体をクリーニングする際は、湿らせた柔らかいクロスを使用してください。センサNS170Cのガラス製センサーカバーは、イソプロパノールなどの適切な溶剤でクリーニングすることができます。

校正
センサは過度の光パワーに曝されない限り1年以上は安定しているため、その間は校正データも使用可能です。精度と性能を維持するために定期的な再校正をお勧めします。校正頻度は用途にもよりますが、通常1年程度です。詳細は当社までお問い合わせください。

下のグラフの詳細については「動作」タブをご参照ください。

NS170C Filter TransmissionClick to Enlarge
生データはこちらからダウンロードいただけます。
β-BBO結晶の下にある光学フィルタで近赤外(NIR)光が除去され、可視(VIS)の第2高調波光のみがフィルタを透過してシリコン(Si)フォトダイオードに到達します。青い網掛け部分は、入射レーザ光に対する動作波長範囲(780～1300 nm)と、変換されたSHG光に対する動作波長範囲(390～650 nm)を示しています。
NS170C Focal PositionClick to Enlarge
生データはこちらからダウンロードいただけます。
パワーセンサNS170CからのSHG信号を正規化し、顕微鏡対物レンズの焦点位置の関数として表示したグラフ。データはNA=0.5の対物レンズを使用して取得しました。青い網掛け部分は、十分なSHG変換を得るうえで集光しなければならない位置、すなわちβ-BBO結晶の厚さ30 μmの部分を示しています。
NS170C GDD CompensationClick to Enlarge
生データはこちらからダウンロードいただけます。
パワーセンサNS170CからのSHG信号を正規化し、群遅延分散(GDD)の関数として表示したグラフ。データは中心波長800 nm、パルス幅100 fsに設定した可変Ti:サファイアレーザを用いて取得し、分散はパルスコンプレッサFSPCを使用して調整しました。
NS170C SHG Signal Dependence on Microscope NAClick to Enlarge
生データはこちらからダウンロードいただけます。
変換されたSHG信号のパワーを顕微鏡対物レンズのNAの関数として表示したグラフ。対物レンズを透過する平均レーザ光パワーは100 mWで、これは各測定を通じて一定に維持されています。 バルクのβ-BBO結晶の空間周波数許容帯域幅は、NA0.25とほぼ等しくなります。NAが0.25よりも非常に大きい対物レンズでは、生成されるSHG信号が小さくなります。
NS170C SHG Signal Dependence on Laser PowerClick to Enlarge
生データは<こちらからダウンロードいただけます。
変換されたSHG信号を入射レーザ光の平均パワーの関数として表示したグラフ。データは中心波長950 nm、パルス幅56 fsのレーザ光を入射して取得しました。
NS170C Optical DesignClick to Enlarge
顕微鏡スライド型ピークパワーセンサNS170Cの光学系。極薄のβ-BBO結晶を使用してフェムト秒近赤外(NIR)パルスレーザの光を可視(VIS)の第2高調波に変換しています。ショートパスフィルタで残留近赤外光が反射され、可視の第2高調波のみがフィルタを透過してシリコン(Si)フォトダイオードセンサに到達します。

非線形結晶が取り付けられたシリコン(Si)フォトダイオードセンサ

当社の顕微鏡スライド型ピークパワーセンサは、2光子レーザのピークパワーの相対測定用として設計されています。右図のように、センサには30 µmの極薄のβ-BBO結晶が取り付けられており、そこで入射する近赤外のフェムト秒パルス(780～1300 nm)を第2高調波(390～650 nm)に変換します。β-BBO結晶の下にあるショートパスフィルタで残留近赤外光が反射され、可視の第2高調波のみがフィルタを透過して大きな面積のシリコン(Si)フォトダイオードセンサに到達します(「グラフ」タブ参照)。

顕微鏡対物レンズは、Ø4.5 mmの入射開口部を通して近赤外のフェムト秒パルスをβ-BBO結晶に集光させています。SHGのプロセスでは高いピーク強度を必要とするため、このセンサでは極薄のβ-BBO結晶が対物レンズの焦点にある場合にのみ、検出可能な第2高調波光が生成されます。これは、センサNS170Cが平均パワーではなく、集光されたフェムト秒パルスのピークパワー密度に敏感であることを意味します。したがって、検出されたSHG信号はレーザのピーク強度の相対測定値として使用できます。β-BBO結晶を使用した第2高調波光の発生についての詳細は、「SHGチュートリアル」タブをご覧ください。

センサNS170Cの筐体上部は標準的な厚さ170 µmのカバーガラスで密閉されているため、ドライ、水浸および油浸用の各対物レンズと組み合わせてご使用いただくことができます。液浸媒体をカバーガラスの表面に直接置くことができ、それによってセンサに損傷を与えることはありません。カバーガラス上部からβ-BBO結晶までの作動距離は0.22 mmです。カバーガラスとβ-BBO結晶との間には80 μmのエアギャップがあります。これは、エポキシまたは屈折率マッチングジェルが高強度のフェムト秒パルスの焦点で燃えることがあるため必要とされるものです。高NA対物レンズを使用したとき、このエアギャップは高い空間周波数で全反射(TIR)が発生する原因にもなります。一方、β-BBO結晶の第2高調波プロセスにおいて許容される空間周波数帯域幅は有限で、高NA対物レンズではこれを超えてしまいます。 したがって、TIRによって除去される高い空間周波数成分は、SHGプロセスに大きく寄与することはありません。

センサNS170Cの筐体寸法は顕微鏡スライドと同じであり、標準的な顕微鏡用ステージに適合します。そのため、顕微鏡の焦点におけるピークパワーの相対測定をすることができます(詳細は「用途」タブ参照)。

動作

センサNS170Cを使用してSHGの効率を高めるためには、いくつかの実験パラメータを考慮する必要があります。それらについて以下で簡単にご説明します。非線形光学と第2高調波光発生の詳細については、「SHGチュートリアル」タブをご覧ください。

  • ピークパワー:下の数式に示すように、入射する基本波レーザ光のピークパワーは、平均パワー、繰返し周波数、およびパルス幅に依存し、SHG変換効率に影響を与えます(下の図1参照)。
  • 焦点位置:第2高調波光を発生するには、効率的に変換するために高いピーク強度が必要であるため、一般に入射レーザ光をSHG結晶内で集光させる必要があります。結晶の厚さが決まると、それに対して推奨される集光スポットサイズも決まります。センサNS170Cに使用されている30 μmの極薄のβ-BBO結晶に対しては、結晶内で入射レーザ光を強く集光するために顕微鏡対物レンズが必要になります。SHGプロセスの効率は、基本波の入射ビームが焦点から広がるのに伴って大きく低下しますが、これはパルスエネルギーが大きなビーム断面積内に分散されるためです(図2参照)。さらに、β-BBO結晶の厚さは30 μmであるため、最適な縦方向の集光位置は深さ30 μm以下になります。そのため、焦点位置を調整しながら第2高調波光をパワーメータの読みで観察しようとすると、短時間の「フラッシュ」として観察されます。したがって、焦点調整はゆっくりと行う必要があります。
  • 開口数:センサNS170Cに使用されているβ-BBO結晶のバルクの空間周波数許容帯域幅は、NA0.2とほぼ等しくなります。開口数が0.2よりも非常に大きい対物レンズを使用すると、生成されるSHG信号が減少し、SHGパワーの読み出し値も小さくなります(下の図3参照)。NAの大きな対物レンズを用いることで信号が低減しても、イメージング性能を最大化するためにシステムを最適化するうえで、それらのデバイスの有用性を低下させているわけではありません。これは注意しておくべき重要な点です。この非直観的な性質は、巨視的なバルク結晶におけるSHG発生を考えることの限界を示すものであり、高NA対物レンズを使用することで微細なターゲットでの2光子吸収や第2および第3高調波の発生が少なくなることを示すものではありません。
  • 群遅延分散: β-BBO結晶は、フェムト秒のパルス幅を有する短パルスレーザ光から第2高調波光を生成します。入射したパルス光が光学素子を伝搬するとき、群遅延分散(GDD)によってパルス幅が広がり、それに伴ってパルスのピークパワーが低下します。 このシステムのGDDを補償するためにフェムト秒パルスコンプレッサを使用し、パルス幅を可能な限り狭くします(下の図4参照)。パルスがすべての光学素子を伝搬した後にGDDを最適化し、試料に到達したときに最高のピークパワーとピーク強度が得られるようにするのが理想です。センサNS170Cにはカバーガラスが取り付けられており、その作動距離は0.22 mmです。従ってこのセンサは、SHGの出力信号をモニタしながらGDDを調整するだけで、試料面でのGDDの最適化を行うことができます。
  • 位相整合: SHGプロセスは、入射する近赤外(NIR)パルスレーザ光の直線偏光の向きに敏感です。この光の偏光方向とβ-BBO結晶の光学軸の間の角度は、センサNS170Cの筐体上のローレット付き位相調整用ホイールを使用して調整できます。この調整でSHG信号を10倍ほど増大することができ、信号対雑音比(S/N)も増大します。ホイールは、角度インジケータの向きがレーザの偏光方向と平行になるように調整してください。偏光状態が不明な場合は、SHG信号をモニタしながらホイールを調整し、信号が最大になるようにすることでも調整できます。
  • センサの向き:入射光に対するセンサのピッチ、ロール、およびヨーの角度が「度(°)」で表される程度の大きさでずれている場合、センサの応答形状も変化する可能性があります 一般的な実験条件では、センサの向きを手で調整してSHG信号レベルを最適化することができますが、システムの長期的な性能データを確立したり、包括的な最大SHGの読み取り値を取得したりするためには、最適化の手順が必要ですのでご留意ください。そのため、センサNS170Cを取り付ける際は、センサの向きの一貫性を確保するために水準器を使用することをお勧めします。特異なパルスを最適化する場合は、ピッチおよびロールの最適化にそれほど注意する必要はありません。パワーメータでのSHG信号を介したピークパワーの読み取りは、最適な方向でなくても適切に応答するためです。
NS170C SHG Signal Dependence on Laser PowerClick to Enlarge
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図1:変換されたSHG信号を入射レーザ光の平均パワーの関数として表示したグラフ。データは中心波長950 nm、パルス幅56 fsのレーザ光を入射して取得しました。
NS170C Focal PositionClick to Enlarge
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図2:パワーセンサNS170CからのSHG信号を正規化し、顕微鏡対物レンズの焦点位置の関数として表示したグラフ。データはNA=0.5の対物レンズを使用して取得しました。青い網掛け部分は、十分なSHG変換を得るうえで集光しなければならない位置、すなわちβ-BBO結晶の厚さ30 μmの部分を示しています。
NS170C SHG Signal Dependence on Microscope NAClick to Enlarge
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図3:変換されたSHG信号のパワーを顕微鏡対物レンズのNAの関数として表示したグラフ。対物レンズを透過する平均レーザ光パワーは100 mWで、これは各測定を通じて一定に維持されています。バルクのβ-BBO結晶の空間周波数許容帯域幅は、NA0.25とほぼ等しくなります。NAが0.25よりも非常に大きい対物レンズでは、生成されるSHG信号が小さくなります。
NS170C GDD CompensationClick to Enlarge
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図4:パワーセンサNS170CからのSHG信号を正規化し、群遅延分散(GDD)の関数として表示したグラフ。データは中心波長800 nm、パルス幅100 fsに設定した波長可変Ti:サファイアレーザTIBERIUSを用いて取得し、分散はパルスコンプレッサFSPCを使用して調整しました。

パラメータと定数
Aeff有効焦点面積
c真空中の光速度
deffSHGプロセスを媒介するχ2テンソル項
Δk位相整合パラメータ
ε0真空誘電率
Eパルスのエネルギー
frep繰返し周波数
L非線形結晶の長さ
n1基本波レーザ光の屈折率
n2SHG光の屈折率
ηSHGSHG効率
Pavg基本波レーザ光の平均パワー
Ppeakパルス光のピークパワー
PSHGSHG信号のパワー
τパルス幅
ω1基本波レーザ光の角周波数

動作原理

以下では、パワーセンサNS170Cから出力されるSHG信号から、基本波レーザ光のピークパワーの相対値を導出する方法を示しています。非線形光学と第2高調波光発生の詳細については、「SHGチュートリアル」タブをご覧ください。変換されたSHG信号のパワーは、次の式で表されます。

ここで、ηSHGはSHG効率、Pavgは基本波レーザ光の平均パワーです。平面波モデルを使用し、単純なガウシアンパルスの強度プロファイル*を仮定すると、入射光強度に対するSHG効率は次のように表されます。

各パラメータについては右の一覧表をご覧ください。式(2)から次のような関係が得られます。

ここで、Ppeakは基本波レーザ光のピークパワー、Aeffは非線形結晶内に集光されたレーザースポットの有効焦点面積です。式(3)を式(1)に代入すると、変換されたSHG信号のパワーを次式で表すことができます。

したがって、変換されたSHG信号のパワーは、基本波レーザ光のピークパワーに依存します。一方、ピークパワーは次の式で与えられます。

ここで、Eはパルスのエネルギー(defined by E = Pavg /frepで定義)、frepは繰返し周波数、τは基本波レーザ光のパルス幅です。式(5)を式(4)に代入すると、変換されたSHG信号のパワーは次のように表せます。

したがって、出力されるSHG信号のパワーは、基本波レーザ光の平均パワー、繰返し周波数、パルス幅、およびSHGに使用される非線形結晶内での焦点のスポットサイズに依存します。

*A. Yariv and P. Yeh, Optical Waves in Crystals, New York: John Wiley & Sons, 2002, pp. 516-530.

主な用途例

顕微鏡スライド型ピークパワーセンサNS170Cは、β-BBO結晶を用いてパルスレーザ光をその第2高調波に変換することで、顕微鏡の焦点において2光子レーザのピークパワーを相対測定することができます。SHGの効率は近赤外(NIR)フェムト秒パルスのピークパワーに比例するため、検出された第2高調波光の大きさからパルスに対する定量的なフィードバックを行い、さらに実験システムの最適化を行うことができます。以下ではセンサNS170Cの一般的な用途例を3つご紹介します。

センサNS170Cを用いた、顕微鏡の焦点でのレーザーパルスの最適化

例1: 顕微鏡の焦点でのパルス幅の最適化

多光子顕微鏡では、超短パルスのレーザ光が顕微鏡内の光学素子を伝播するときに、パルス幅が群遅延分散(GDD)によって広がり、それに伴って画像のコントラストが低下します。フェムト秒パルスコンプレッサは、顕微鏡内で生じたレーザーパルスの群遅延分散を補償し、試料に到達するパルスの幅をできるだけ短くします。センサNS170Cは顕微鏡スライドと寸法が同じであるため、ほとんどの正立および倒立顕微鏡のステージに対応します。そのため、SHG信号の出力をモニタするだけで、レーザーパルスの群遅延分散を試料面の位置で直接最適化することができます。

右の動画では、センサNS170Cを使用して顕微鏡の焦点でフェムト秒レーザのパルス幅を最適化する方法を説明しています。センサは多光子イメージング顕微鏡Bergamo® に取り付けられ、光パワーメーターコンソールPM400に接続されています。これで波長可変Ti:サファイアレーザからのフェムト秒パルスで生成された第2高調波信号を測定します。フェムト秒パルスコンプレッサFSPCは群遅延分散の調整に使用します。顕微鏡の焦点でのパルス幅は、以下の方法で最適化できます。

  1. パワーメータでSHG信号をモニタしながら、対物レンズの位置を調整して顕微鏡の焦点を見つけます。SHG信号が最大になったとき、対物レンズの位置は最適化されています。コンポーネントが損傷する可能性を最小化するために、まずセンサを焦点よりも下側に設置し、ビームがβ-BBO結晶に集光されるまで対物レンズをゆっくりと下げて(あるいはセンサを上げて)いくことをお勧めします。β-BBO結晶の厚さは30 µmであるため、焦点位置の最適化中に生じるパワーの変化はSHG信号の短い「フラッシュ」として観察されます。対物レンズの位置を調整するときは、信号に現れるこの「フラッシュ」を見落とさないように、ゆっくりと行ってください。
  2. パワーメータでSHG信号をモニタしながら、センサNS170Cのホイールを調整して、β-BBO結晶の向きを合わせます。SHG信号が最大になったとき、結晶の向きは最適化されています。
  3. パワーメータでSHG信号をモニタしながらユニット側面のノブを回転させ、パルスコンプレッサFSPCによる群遅延分散の調整を行います。SHG信号が最大になったとき、パルス幅は最適化されています。

例2: 様々な測定におけるレーザ条件の一貫性確保

センサNS170Cを使用することで、常に一貫した実験条件を確保することができます。ただし、入射光に対するセンサのピッチ、ロール、ヨーが"度(°)"のレベルで変化すると、センサの応答形状も変化する可能性があります(詳細は「仕様」タブ参照)。一般的な実験条件では、センサの向きを手で調整してSHG信号レベルを最適化することができます。しかし、システムの長期的な性能データを確立したり、包括的な最大SHGの読み取り値を取得したりするためには、最適化の手順が必要ですのでご留意ください。そのため、センサNS170Cを取り付ける際は、センサの向きの一貫性を確保するために水準器を使用することをお勧めします。特異なパルスを最適化する場合は、ピッチおよびロールの最適化にそれほど注意する必要はありません。パワーメータでのSHG信号を介したピークパワーの読み取りは、最適な方向でなくても適切に応答するためです。

例3:フェムト秒レーザのパルス品質の迅速な評価

様々な実験条件下におけるセンサNS170Cの典型的な性能を知ることは、出力されるSHG信号を評価する際の有用な情報を得ることになります。センサNS170Cを用いて測定されたSHG信号とその実験で期待された性能とを比較することで、周波数分解光ゲート法(FROG)によって得られるフェムト秒レーザのパルス品質に関するフィードバック情報を、迅速かつ明確に提供することができます。例えば、フェムト秒レーザが誤ってピコ秒パルスを発生した場合、SHGパワーが予想よりも桁違いに低くなります。システム性能を測定するためにセンサNS170Cを使用する場合のセンサの向きの重要性については、上の例2をご覧ください。

第2高調波発生と位相整合

β-BBO結晶によって発生する第2高調波の強度とビーム品質を最適化するには、入射するパルスレーザのパルス持続時間(パルス幅)に適した結晶の厚さを選択し、集光スポットサイズを焦点領域における得失のバランスを考慮して決定し、位相整合を最適化する必要があります。これらについては、「仕様」タブ内のグラフに簡潔な説明が記載されています。グラフ化されたデータを解釈したり、第2高調波光を生成するうえで結晶をより効果的に使用したりするのに役立つ情報や背景については、以下の各セクションを展開してご覧ください。

質問をクリックするとそのセクションが展開して説明が表示されます。元に戻すにはもう一度クリックしてください。各質問に対する回答では、前のセクションでの説明を参照しています。

パルスレーザ:パワーとエネルギーの計算



フルレポートは上をクリックしてダウンロードいただけます。

パルスレーザからの放射光が、使用するデバイスや用途に適合するかどうかを判断する上で、レーザの製造元から提供されていないパラメータを参照しなければならない場合があります。このような場合、一般には入手可能な情報から必要なパラメータを算出することが可能です。次のような場合を含めて、必要な結果を得るには、ピークパルスパワー、平均パワー、パルスエネルギ、その他の関連するパラメータを必要とすることがあります。

  • 生物試料を損傷させないように保護する
  • フォトディテクタなどのセンサにダメージを与えることなくパルスレーザ光を測定する
  • 物質内で蛍光や非線形効果を得るために励起を行う

パルスレーザ光のパラメータは下の図1および表に示します。参照用として、計算式の一覧を以下に示します。資料を ダウンロードしていただくと、これらの計算式のほかに、パルスレーザ光の概要、異なるパラメータ間の関係性、および計算式の適用例がご覧いただけます。

 

計算式

周期と繰り返し周波数は逆数の関係:   、 
平均パワーから算出するパルスエネルギ:      
パルスエネルギーから算出する平均パワー:       
パルスエネルギーから概算するピークパルスパワー:           

平均パワーから算出するピークパワー、ピークパワーから算出する平均パワー :
 、
平均パワーおよびデューティーサイクルから算出するピークパワー*:
*デューティーサイクル() はレーザのパルス光が放射されている時間の割合です。
Pulsed Laser Emission Parameters
Click to Enlarge

図1: パルスレーザ光の特性を記述するためのパラメータを、上のグラフと下の表に示します。パルスエネルギ (E)は、パルス曲線の下側の黄色の領域の面積に対応します。このパルスエネルギは斜線で表された領域の面積とも一致します。

パラメータシンボル単位説明
パルスエネルギEジュール[J]レーザの1周期中に放射される1パルスの全放射エネルギ。
パルスエネルギはグラフの黄色の領域の面積に等しく、
これは斜線部分の面積とも一致します。
周期Δt 秒 [s] 1つのパルスの開始から次のパルスの開始までの時間
平均パワーPavgワット[W]パルスとして放射されたエネルギが、1周期にわたって
均一に広がっていたと仮定したときの、
光パワーの大きさ(光パワー軸上の高さ)
瞬時パワーPワット[W]特定の時点における光パワー
ピークパワーPpeakワット [W]レーザから出力される最大の瞬時パワー
パルス幅秒 [s]パルスの開始から終了までの時間。一般的にはパルス形状の
半値全幅(FWHM)を基準にしています。
パルス持続時間とも呼ばれます。
繰り返し周波数 frepヘルツ [Hz]パルス光が放射される頻度を周波数で表示した量。
周期とは逆数の関係です。

計算例

下記のパルスレーザ光を測定するのに、最大入力ピークパワーが75 mW 
のディテクタを使用するのは安全かどうかを計算してみます。

  • 平均パワー: 1 mW
  • 繰り返し周波数: 85 MHz
  • パルス幅: 10 fs

1パルスあたりのエネルギは、

と低いようですが、ピークパワーは、

となります。このピークパワーはディテクタの
最大入力ピークパワーよりも5桁ほど大きく、
従って、上記のパルスレーザ光を測定するのに
このディテクタを使用するのは安全ではありません。


Posted Comments:
Peter Gruber  (posted 2024-11-06 16:02:26.17)
Would the sensor also work for 515nm?
cdolbashian  (posted 2024-11-13 11:47:09.0)
Thank you for contacting us with this request. Currently this device is not designed to be compatible with 515nm laser for a few reasons. Firstly, the BBO crystal internal to this device will not generate a second harmonic signal given an input of 515nm, due to the optic axis orientation. Secondly, this device has filters built into the optical path which would block the light you would need for such a measurement. Finally, if the frequency were to be doubled to 257.5nm, the Silicon sensor internally would have little-to-no responsivity at this UV wavelength. Without a complete redesign, we would not be able to satisfy your requirements, though this is good suggestion for a future product. I have contacted you directly to discuss your application
Chen-Hsun Chou  (posted 2024-08-23 13:52:22.697)
Hi, I'm looking for an alternative to an autocorrelator. I understand that the NS170C measures peak power, and since peak power is highest when the pulse width is shortest, I was wondering if a peak power sensor could replace an autocorrelator. What are the key differences between an autocorrelator and a peak power sensor?
jpolaris  (posted 2024-08-28 06:47:01.0)
Thank you for contacting Thorlabs. NS170C provides a relative peak power measurement. You would need to first make a calibration measurement with a known pulse in order to use the reading to derive a pulse width value. Referencing equations (4) and (6) found at the following link, if input wavelength and spot sized are fixed, SHG power scales as (peak power)*(average power) ∝ (average power)²/τ. In comparison with our autocorrelator, FSAC primarily consists of a modified Michelson interferometer with a nonlinear detector at the output. FSAC is designed for pulse width characterization from 40 fs to 1 ps, over 650 nm - 1100 nm. It is a useful diagnostic tool for femtosecond Ti:sapphire lasers. I have reached out to you directly to discuss in more detail. https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16526&tabname=Operation
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顕微鏡スライド型ピークパワーセンサ、2光子レーザ用

NS170C Optical DesignClick to Enlarge
NS170Cの筐体の背面には、センサの仕様とビームをセンサの中央に入射させるためのターゲットが刻印されています。
  • β-BBO結晶を利用して2光子レーザのピークパワーを相対測定
    • レーザ波長範囲：780～1300 nm
    • 第2高調波の波長範囲：390～650 nm
  • 顕微鏡の試料面でのレーザ光の状態を最適化するのに有用
  • ドライ、水浸、油浸用の各対物レンズに対応
  • 当社では再校正サービスを提供しています。詳細は当社までお問い合わせください。

顕微鏡スライド型ピークパワーセンサNS170Cは、多光子顕微鏡用レーザのピークパワーの相対測定用として設計されています。中心波長780 nm～1300 nmのフェムト秒レーザにご利用いただけます。光学コンポーネントの損傷を防止するために、最大平均パワーは350 mWを超えないようにしてください。 繰返し周波数80 MHzにおけるピークパワー密度の損傷閾値は、NAが0.5を超える顕微鏡対物レンズの場合は10 TW/cm2です。NAが0.5未満の場合の損傷閾値は、これよりも低くなります。このフォトダイオードセンサは、波長390 nm～650 nm、パワー10 nW～5 mWのSHG光を検出できます。詳細は「仕様」タブをご覧ください。

ピークパワーセンサNS170Cで変換されるSHG信号は実験条件に大きく依存します(詳細は「動作」タブ参照)。対物レンズの開口数や浸漬のほか、近赤外(NIR)入射レーザ光の波長、パルス幅、パルスの時間プロファイルの品質、繰返し周波数、パワーなどのすべてが、変換される可視(VIS)のSHG信号の大きさに影響します。下の表は様々な実験条件下でのピークパワーセンサNS170Cの典型的な性能を示しており、特定の実験に対して予想されるSHG信号を推定する際に参考としてお使いいただけます。

当社ではセンサNS170Cの定期的な再校正をお勧めしています。校正頻度は用途にもよりますが、通常1年程度です。再校正についての詳細は当社までお問い合わせください。

NS170C Optical DesignClick to Enlarge
NS170Cは、筐体側面のM4 x 0.7タップ穴を用いてポストに取り付けることができます。
NS170C Typical Performancea
ImmersionLaser Power at SamplebWavelengthPulse DurationObjectiveSHG Signal
Air100 mW780 nmc80 fs20X, 0.5 NAf980 µW
800 nmc100 fs1100 µW
900 nmc960 µW
920 nmd150 fs10X, 0.3 NAg216 µW
920 nme10X, 0.5 NAh580 µW
1000 nmc180 fs20X, 0.5 NAf400 µW
350 mW800 nmc100 fs5500 µW
Water100 mW800 nmc100 fs40X, 0.8 NAi255 µW
  • この表は参考としてのみご使用ください 性能仕様の詳細は「仕様」タブをご参照ください。
  • 対物レンズから出射されたレーザ光パワーの測定値。
  • この測定では波長可変なTi:サファイアレーザを使用。
  • この測定では市販の920 nmの固定レーザ(繰返し周波数：80 MHz、変換限界パルス＜100 fs)を使用。
  • この測定では市販の920 nmの固定レーザ(繰返し周波数：80 MHz、変換限界パルス＜150 fs)を使用。
  • 倍率20倍、NA0.5のOlympus製プランフルオール(プランフルオリート)対物レンズ(型番RMS20X-PF)
  • 倍率10倍、NA0.3のNikon製プランフルオール(プランフルオリート)対物レンズ(型番N10X-PF)
  • 倍率10倍、NA0.5の当社製アポクロマート対物レンズ(型番TL10X-2P)
  • 倍率40倍、NA0.8のNikon製アポクロマート対物レンズ(型番N40X-NIR)
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
NS170C Support Documentation
NS170C顕微鏡スライド型ピークパワーセンサ、2光子レーザ用、780～1300 nm
￥363,050
3 Weeks
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パワーメーターコンソール

こちらでは当社で人気の高いパワーメーターコンソールをご紹介しています。デジタルパワーメーターコンソールPM100DはLEDバックライト付きLCDを採用しており、また1 GBの外付けSDメモリカードが付属しています。タッチパネル式パワーメーターコンソールPM400はPM100Dと同じ機能を有し、さらにパワー測定値を保存するための4 GBの内蔵メモリ、温度・湿度センサ用の外部入力端子、プログラム可能なGPIOポート、マルチタッチジェスチャーでユニットを操作できる静電容量方式タッチパネルディルプレイなども備えています。またPM400では、光パワー測定データ、温度記録、スペクトル補正曲線、減衰補正データなどを保存し、それらをコンソールと外部機器間で転送してさらに解析を進めることができます。これらの機能は、試料面における光パワーを継続的に観察し、その一貫性をモニタするのに大変便利です。詳細は表内の型番をクリックして各パワーメーターコンソールの製品紹介ページをご覧ください。

センサNS170Cは、PM5020や旧製品のPM200およびPM320Eに対応しています。また、PM100シリーズ、PM100USBおよびPM103シリーズのインターフェイスもご使用いただけます。

Item #PM100APM100DPM400
Console Image
(Click the Image to Enlarge)		PM100APM100DPM400 Power Meter Console
DisplayMechanical Needle and
LCD Display with Digital Readout		320 x 240 Pixel Backlit
Graphical LCD Display		Projected Capacitive Touchscreen
with Color Display
OutputAnalog Needle or Digital Numeric ReadoutNumerical, Bar Graph, Statistics,
Simulated Analog Needle		Numerical with Bar Graph,
Trend Graph (Power or Energy
and Temperature),
Statistics, Simulated Analog Needle
Calibration FunctionsWavelength CorrectionaWavelength CorrectionaWavelength Correctiona;
Also Accepts User-Input
Source Spectra and
Attenuation Correction Data
Data Storage and TransferUSB 2.0 Interface1 GB External SD Memory Card,
USB 2.0 Interface		4 GB Internal Memory
Mini B USB 2.0 Interface
Dimensions7.24" x 4.29" x 1.61"
(184 mm x 109 mm x 41 mm)		7.09" x 4.13" x 1.50"
(180 mm x 105 mm x 38 mm)		5.35" x 3.78" x 1.16"
(136.0 mm x 96.0 mm x 29.5 mm)
Display Dimensions1.9" x 0.5" (48.2 mm x 13.2 mm)
Digital Display and
3.54" x 1.65" (90.0 mm x 42.0 mm) Analog Display		3.17" x 2.36"
(81.4 mm x 61.0 mm)		3.7" x 2.1"
(95 mm x 54 mm)
  • センサに依存します。
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
PM100A Support Documentation
PM100A小型パワーメーターコンソール、アナログ表示＆グラフィックLCディスプレイ
￥152,743
Today
PM100D Support Documentation
PM100D小型パワー＆エネルギーメーターコンソール、デジタル4インチLCD
￥174,043
Today
PM400 Support Documentation
PM400タッチパネル式パワー＆エネルギーメーターコンソール、マルチタッチ対応
￥216,919
Today
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Recalibration Service for Microscope Slide Peak Power Sensor

※パワーセンサ校正について - 当社のパワーセンサ校正は自動で行われており、測定と同時にセンサ内のメモリにある補正データを書き換えます(出力されるデータは校正前の感度と校正後の感度になります)。また、センサ面(NDフィルタ)が汚れ等で正常に感度測定ができないと判断された場合には、フィルタ交換(無償)してから校正される場合がございますので、ご了承ください。この場合は校正前の感度は測定できません。

Calibration Service
Item #		Compatible Microscope
Slide Power Sensor
CAL-NSNS170C

Thorlabs offers a recalibration service for our microsope slide peak Power sensor. To ensure accurate measurements, we recommend recalibrating the sensor annually. Recalibration of a single-channel power and/or energy meter console or interface is included with the recalibration of a sensor at no additional cost. If you wish to calibrate one or more sensors with a dual-channel console, each sensor and console calibration service will need to be purchased individually.

Refer to the table to the right for the appropriate calibration service Item # that corresponds to your microscope slide power sensor.

Requesting a Calibration
Thorlabs provides two options for requesting a calibration:

  1. Complete the Returns Material Authorization (RMA) form. When completing the RMA form, please enter your name, contact information, the Part #, and the Serial # of the item being returned for calibration; in the Reason for Return field, select "I would like an item to be calibrated." All other fields are optional. Once the form has been submitted, a member of our RMA team will reach out to provide an RMA Number, return instructions, and to verify billing and payment information.
  2. Select the appropriate sensor calibration Item # below, enter the Part # and Serial # of the sensor that requires recalibration, and then Add to Cart. If you would like a console calibrated with your sensor, repeat this process for Item # CAL-PM1 or CAL-PM2 below, entering the console Item # and Serial #. A member of our RMA team will reach out to coordinate the return of the item(s) for calibration. Note that each console calibration Item # represents the cost of calibrating a console alone; if requesting a single-channel console calibration with a sensor calibration, the appropriate discount will be applied when your request is processed. Should you have other items in your cart, note that the calibration request will be split off from your order for RMA processing.

Please Note: To ensure your item being returned for calibration is routed appropriately once it arrives at our facility, please do not ship it prior to being provided an RMA Number and return instructions by a member of our team.

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
CAL-NS Support Documentation
CAL-NSRecalibration Service for Second-Order Nonlinear Crystal with Silicon Photodiode Sensor
Part Number:  Serial Number:
Request
Lead Time
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Recalibration of Power & Energy Meter Electronics

※パワーセンサ校正について - 当社のパワーセンサ校正は自動で行われており、測定と同時にセンサ内のメモリにある補正データを書き換えます(出力されるデータは校正前の感度と校正後の感度になります)。また、センサ面(NDフィルタ)が汚れ等で正常に感度測定ができないと判断された場合には、フィルタ交換(無償)してから校正される場合がございますので、ご了承ください。この場合は校正前の感度は測定できません。

Calibration Service Item #Compatible Consoles & Interfaces
Single-Channel
CAL-PM1PM100D, PM100A, PM400, PM100USB,
PM101 Series, PM102 Series, PM103 Series
Dual-Channel
CAL-PM2PM5020, Previous-Generation PM320E

These recalibration services are for the power and/or energy meter electronics of our consoles and interfaces. To ensure accurate measurements, we recommend recalibrating annually. Recalibration of a single-channel console or interface is included with these sensor recalibration services at no additional cost. If you wish to calibrate one or more sensors with a dual-channel console, each sensor and console calibration service will need to be purchased individually. For more details on these recalibration services, please click the Documents () icons below. 

The table to the upper right lists the power and/or energy meter consoles and interfaces that can be calibrated using the CAL-PM1 and CAL-PM2 recalibration services.

Requesting a Calibration
Thorlabs provides two options for requesting a calibration:

  1. Complete the Returns Material Authorization (RMA) form. When completing the RMA form, please enter your name, contact information, the Part #, and the Serial # of each item being returned for calibration; in the Reason for Return field, select "I would like an item to be calibrated." All other fields are optional. Once the form has been submitted, a member of our RMA team will reach out to provide an RMA Number, return instructions, and to verify billing and payment information.
  2. Select the appropriate Item # below, enter the Part # and Serial # of the item that requires recalibration, and then Add to Cart. If you would like to calibrate one or more sensors with your console, repeat this process for the appropriate sensor recalibration service above, entering the console Item # and Serial #. A member of our RMA team will reach out to coordinate return of the item(s) for calibration. Note that each console calibration Item # represents the cost of calibrating a console alone; if requesting a single-channel console calibration with a sensor calibration, the appropriate discount will be applied when your request is processed. Should you have other items in your cart, note that the calibration request will be split off from your order for RMA processing.

Please Note: To ensure your item being returned for calibration is routed appropriately once it arrives at our facility, please do not ship it prior to being provided an RMA Number and return instructions by a member of our team.

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
CAL-PM1 Support Documentation
CAL-PM1Recalibration of Single-Channel Power and/or Energy Meter Electronics
Part Number:  Serial Number:
Request
Lead Time
CAL-PM2 Support Documentation
CAL-PM2Recalibration of Dual-Channel Power and Energy Meter Electronics
Part Number:  Serial Number:
Request
Lead Time
Additional フェムト秒レーザ
  • フェムト秒ファイバーレーザ、1550 nm

  • フェムト秒
    ファイバーレーザ、2 µm

  • イッテルビウム(Yb)フェムト秒ファイバーレーザ

  • フェムト秒
    光パラメトリック増幅器

  • 中赤外域スーパーコンティ二ウム光源、1.3 µm～4.5 µm

  • 中赤外域スーパーコンティニウム光源、3.5 µm～11 µm

  • スーパーコンティニウム光発生キット

  • 高速光変調器、高出力フェムト秒レーザ用

  • 高速光変調器

  • フェムト秒レーザ用オートコリレータ

  • フェムト秒
    パルスコンプレッサ

  • 2光子レーザ用ピークパワーセンサ

  • THz光伝導アンテナ

  • Menlo Systems fs Fiber Lasers

  • オプティカル
    ディレイライン

  • 超短パルスレーザ用光学素子

  • 分散測定システム

  • 偏波保持分散補償ファイバ

  • 偏波保持分散補償ファイバーパッチケーブル