JP2010151988A - パルス光源装置およびそれを用いたイメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的単純な構成により、ＳＮＲを向上できる小型で安定性が高く、経済性に優れたパルス光源装置およびこれを用いたイメージング装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ（１０）および電気パルス発生装置装置（２０）から構成される光パルス列を出射する光パルス源と、光パルス列とは異なる波長を有する励起光を出射する励起光源（３０）と、光パルス列と励起光とを合波する光カプラ（４０）と、光パルスの時間幅を圧縮する光ファイバ（５０）と、光パルス列を増幅する光増幅手段（６０）とを含んで光パルス光源装置を構成し、励起光源（３０）から出射した励起光を光ファイバ（５０）における誘導ラマン散乱増幅の励起光として使用するとともに、光増幅手段（６０）における励起光として使用し、光パルス列を増幅するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス光源装置およびそれを用いたイメージング装置、特に、多光子励起過程を用いて対象物を観察する多光子イメージング装置に適した超短パルス光源装置、および、それを用いた多光子イメージング装置に関するものである。

超短パルス光源は、バイオ・医療・超微細加工を始め広範な分野での応用が期待されている。特にバイオ・医療応用分野では、現在超短パルス光源としてチタンサファイアレーザに代表される固体レーザを用いた光源が商用化されている。特に、チタンサファイアレーザは、生体透過性の高い波長である、７００ｎｍ〜１０００ｎｍで動作するため、多光子励起蛍光顕微鏡をはじめとする多光子イメージング用光源装置として、研究用途で使用されている。

しかしながら、チタンサファイアレーザに代表される固体レーザは、装置が大型となること、レーザ出力の安定性が低いこと、光学系をその都度調整する必要があり操作性が低いこと、および、価格が高価であること等の問題点を有している。このため、この固体レーザによる光源が使用されるのは、これまで、空調設備と大型の除震台が完備され専門のレーザオペレーターが常駐するような研究室に限られ、通常の環境にある病院やバイオ実験室で実用的な使用に供される段階には至っていない。

実用的な非線形顕微イメージング装置用超短パルス光源装置として、現在までに、半導体レーザを用いた光源装置の開発も進められてきた。例えば、図３に示すように、単一縦モード面発光レーザ (vertical cavity surface emitting laser:ＶＣＳＥＬ)１０１を、電気パルス発生装置１０２からの電気パルスにより利得スイッチ駆動して短パルスを発生させ、この短パルスを高利得の半導体光増幅器（Semiconductor optical amplifier：ＳＯＡ）１０３により増幅するようにした光源装置が知られている。なお、図３においてＳＯＡ１０３は、増幅器制御装置１０４により直流駆動、すなわち、一定の増幅率で入力光を増幅するように制御される。

この光源装置は、従来の固体レーザ等の光源とは異なり、外部共振器を必要としない半導体レーザで構成されるため、高い安定性および優れた操作性が得られるとともに、小型にすることができる。さらに従来の固体レーザ等の光源に必要であった安定化機構などが不要となり、また、比較的低価格な部品で構成できるので、価格も安くすることができる。つまり、実用的な光源としての必要条件の多くを備えている。

しかしながら、図３に示した構成の光源装置では、ＶＣＳＥＬ１０１から得られる光パルスの強度が低いために、高利得のＳＯＡ１０３で常時増幅すると、時間軸上において、光パルスと光パルスとの間にノイズフロアが生じて、出力光の信号対雑音比 (signal-to-noise ratio：ＳＮＲ) が著しく劣化する。このノイズフロアの瞬時光強度は、光パルスのピークパワーと比較するとかなり低いため、多光子イメージング用試料の多光子励起にはほとんど寄与しない。しかし、ノイズフロアが光パルスと光パルスとの間も試料に継続的に照射されることにより、試料中に不要な熱を発生し試料に熱損傷を与える原因となり得る。従って、このノイズフロアを除去して光パルスのＳＮＲを改善することは、多光子イメージング用光源にとって非常に重要な課題である。このＳＮＲの改善は、パルス光源と光増幅器とを組合せた光源装置を多光子イメージング装置に利用する際に特に重要になる。

上述したノイズフロアを除去し得る超短パルス光源装置として、たとえば、非特許文献１には、図４に示すような構成の超短パルス光源装置が開示されている。この超短パルス光源装置は、電気パルス発生装置１１２からの電気パルスにより利得スイッチ駆動されるＶＣＳＥＬ１１１から発生した光パルスをＳＯＡ１１３で増幅した後、光フィルタ１１４で波形整形し、その波形整形された光パルスを単一モード光ファイバ（Single Mode Fiber：ＳＭＦ）１１５を透過させることによりレッドシフトチャープを補償して、ＳＯＡ１１６に入射させる。ＳＯＡ１１６は、電気パルス発生装置１１２によるＶＣＳＥＬ１１１のパルス駆動に同期して、増幅器制御装置１１７によりＯＮ／ＯＦＦ駆動される。これにより、ＳＯＡ１１６を増幅機能と同時に時間ゲートとしても機能させて、光パルスと光パルスとの間のノイズフロアを除去する。ＳＯＡ１１６で増幅された光パルスは、光カプラ１２０で励起光源１１９からの励起光と合波され、ＹＤＦＡ１１８により増幅される。

K. Taira et al., Optics Express, vol. 15, pp. 2454-2458 (2007).

図４に示した構成の超短パルス光源装置は、電気パルス発生装置１１２によるＶＣＳＥＬ１１１のパルス駆動に同期して、増幅器制御装置１１７によりＳＯＡ１１６をＯＮ／ＯＦＦ動作させることにより、ＳＯＡ１１６を増幅機能と同時に時間ゲートとしても機能させて、光パルスと光パルスとの間のノイズフロアを除去してＳＮＲを向上させるようにしている。このため、ＶＣＳＥＬ１１１から出力される光パルスと、ＳＯＡ１１６の時間ゲートとを常に同期させる必要がある。

しかしながら、本発明者らによる検討によると、電気回路からの熱などの影響により、光パルスと時間ゲートとの同期には、ずれが発生しやすいことが判明した。このため、光源装置内の温度を安定化させる装置や、同期を固定するフィードバック回路が必要不可欠となり、装置の構成が複雑化し、装置全体のコストの上昇を招くことが懸念される。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、比較的単純な構成によりＳＮＲを向上でき、小型で安定性が高く、コストダウンが図れるパルス光源装置およびそれを用いたイメージング装置を提供することにある。

上記の目的を達成する請求項１に係るパルス光源装置の発明は、電気パルスを出力する電気パルス発生手段と、前記電気パルスに基づいて光パルスを発生する半導体レーザと、前記半導体レーザの発振波長とは異なる波長の励起光を出射する励起光源と、前記光パルスと前記励起光とを合波する光カプラと、前記光カプラを出射した前記光パルスの時間幅を狭くする光ファイバと、前記光ファイバを出射した前記光パルスを増幅する光増幅手段とを有し、前記励起光源は、誘導ラマン散乱により前記光ファイバ内で前記光パルスを増幅する励起光を出射し、前記光増幅手段は、前記光ファイバを出射した前記励起光により、前記光パルスを増幅するように構成したことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパルス光源装置において、前記光増幅手段は、光ファイバ型増幅器を有することを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載のパルス光源装置において、前記光増幅手段は、希土類添加媒質を増幅媒質とすることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルス光源装置において、前記光ファイバは、３００ｍ以上３ｋｍ以下の長さを有することを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のパルス光源装置において、前記半導体レーザは、７００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の発振波長の光パルスを発生することを特徴とするものである。

上記目的を達成する請求項６に係るイメージング装置の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のパルス光源装置と、前記パルス光源装置から出射された光パルスを試料に照射する照射手段と、前記光パルスの照射により前記試料から発生する信号光を検出する検出手段と、を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、誘導ラマン散乱を生じる励起光により、光パルスの時間幅を狭くする光ファイバ内で光パルスを増幅するとともに、光ファイバを出射した励起光を使用してさらに光増幅手段による光パルスの増幅を行うようにしたので、比較的単純な構成によりＳＮＲを向上し、小型で安定性が高く、コストダウンが図れるパルス光源装置およびそれを用いたイメージング装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るパルス光源装置である多光子イメージング用超短パルス光源装置を用いた、多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。この多光子イメージングシステムは、多光子イメージング用超短パルス光源装置１と、多光子イメージング装置であるレーザ走査型顕微鏡（laser scanning microscope：ＬＳＭ）８０と、多光子イメージング用超短パルス光源装置１から出射された光パルスをＬＳＭ８０に伝送する光伝送手段７０とを有する。多光子イメージング用超短パルス光源装置１は、半導体レーザ（Laser Diode：ＬＤ）１０、電気パルス発生手段２０、励起光源３０、光カプラ４０、光ファイバ５０、および、光増幅手段６０を有する。

ここで、電気パルス発生手段２０は自律発振により電気パルスを発生し、ＬＤ１０を利得スイッチ駆動して、光パルス列を出射させる。また、励起光源３０は、ＬＤ１０の発振波長とは異なる波長の励起光を発生する。さらに、光カプラ４０は、ＬＤ１０から出射される光パルス列と励起光源３０からの励起光とを合波する。光ファイバ５０は、光カプラ４０の後段に設けられ、所定の長さに設定することによって、光パルスのチャープを補償して光パルスを所望の形状にする。光増幅手段６０は、光ファイバ５０から出射された光パルスを増幅する。この光増幅手段６０からの出力は、光伝送手段７０を介して、ＬＳＭ８０へと導かれる。

上記の構成において、ＬＤ１０を利得スイッチ駆動して得られた光パルスは、大きなレッドシフトチャープを有している。光ファイバ５０にこの光パルスが入射すると、光ファイバ５０の群速度分散により、光パルスのレッドシフトチャープが補償され、光パルスの時間幅を圧縮して数ピコ秒の短パルスとして出射させる。この数ピコ秒の短パルスを出射させるため、光ファイバ５０の長さは、３００ｍ〜３ｋｍとする。さらに、光ファイバ５０は、励起光源３０からの励起光によりラマン利得を有する。このため光ファイバ５０は、光パルスのチャープを補償すると同時に、誘導ラマン散乱（Stimulated Raman scattering:ＳＲＳ）効果により光パルスを増幅する。

光ファイバ５０の長さは３ｋｍ以下であり、入射した励起光は、光ファイバ５０内でほとんど吸収されることなく、十分な強度を保ったまま出射する。この出射した励起光は、後段に配置される光増幅手段６０に入射し、光増幅手段６０の励起光として用いられる。これによって、光増幅手段６０のために、励起光源３０とは別に励起光源を設けることなく、光パルスの増幅を行うことができる。

したがって、本実施の形態の多光子イメージング用超短パルス光源装置１では、チャープの補償をする光ファイバ５０が、同時に光パルスの増幅を行うので、光ファイバ５０と別個に増幅器を設けることなく、ＳＮＲの高い光パルス列を得ることができる。これによって、ＬＳＭ８０では、試料中に不要な熱が発生し、試料が熱損傷を受けることを防止することができる。

さらに、励起光源３０からの励起光を、光ファイバ５０と光増幅手段６０との双方の増幅に使用するようにしたので、図４で示した先行技術と比較すると、ＳＯＡ１１６および増幅器制御装置１１７を必要とせず、さらに、励起光源はＹＤＦＡ１１８の前段に設けていたものを、図１では光ファイバ５０の前段に位置を変更するだけで、追加の励起光源を別途設けることなく、単純な構成で実現できるため、コストを抑えることが可能である。

例えば、ＬＤ１０の発振波長が９８０ｎｍ帯である場合、ＳＲＳ用励起光の波長及び９８０ｎｍ用ＹＤＦＡの励起光波長はいずれも９４０ｎｍになるため、上記構成による光パルスの増幅は特に有効である。

図２は、図１に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。この多光子イメージングシステムでは、ＬＤ１０として２光子過程による緑色蛍光タンパク（green fluorescent protein：ＧＦＰ）及び黄色蛍光タンパク（yellow fluorescent protein: ＹＦＰ）の観察に好適な波長９７８ｎｍのＶＣＳＥＬ１１を使用し、電気パルス発生手段２０としては、繰返し周波数５０ＭＨｚ、パルス時間幅約１００ｐｓ、振幅約３Ｖの電気パルスを発生するコムジェネレータ２１を用いて、ＶＣＳＥＬ１１を駆動する。これによって、パルス時間幅約２０ピコ秒の光パルス列が得られる。

ＶＣＳＥＬ１１からの光パルスは、アイソレータ５１を介して、光カプラ４０である波長多重カプラ（wavelength division multiplexing coupler：ＷＤＭＣ）４１に入射する。アイソレータ５１は、ＶＣＳＥＬ１１への戻り光を除去するために配置されている。連続発振する励起光源である励起ＬＤ３１は、発振波長９４０ｎｍ、光強度４００ｍＷの単一横モードの半導体レーザを用いる。ＷＤＭＣ４１は、波長９７８ｎｍの光パルス列と波長９４０ｎｍの励起光とを合波して、長さ１ｋｍの石英系単一モード光ファイバ（single-mode fiber：ＳＭＦ）５２へ出射する。

ＳＭＦ５２中では、波長９４０ｎｍの励起光により波長 ９７８ｎｍの近傍においてＳＲＳが誘起され、これによりＶＣＳＥＬ１１から出力される光パルス列は、約５ｄＢ増幅される。また、ＳＭＦ５２は２５ｐｓ^２の波長分散を持つため、ＶＣＳＥＬ１１ から出力された光パルスの持つレッドシフトチャープが補償され、ＳＭＦ５２から出力される光パルスの時間幅は約３ｐｓになる。したがって、光パルスの増幅とパルス幅の圧縮とが同時に成される。また、ＳＭＦ５２に入射した励起光は、長さ１ｋｍのＳＭＦ５２中ではほとんど吸収されず、光強度約３５０ｍＷの励起光として出射される。

ＳＭＦ５２から出射した光パルス列および励起光は、光増幅手段６０を構成するＹｂ添加ファイバ型光増幅器（Yb-doped fiber amplifier：ＹＤＦＡ）６１に入射する。ＹＤＦＡ６１は、アイソレータ６２とＹｂ添加光ファイバ（Yb-doped fiber：ＹＤＦ）６３とから構成される。ここで、アイソレータ６２は、ＳＭＦ５２への戻り光を除去するために配置されている。また、ＹＤＦ６３の励起光はＳＭＦ５２から出射される波長９４０ｎｍの励起光を用いる。以上の構成によって、ＹＤＦＡ６１では、光パルスの平均光強度が１０ｍＷまで増幅される。

ＹＤＦＡ６１の後段に、自然放出光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）、ペデスタルおよび励起光を除去する目的で、透過帯域幅約０．６０ｎｍの誘電体多層膜バンドパスフィルタ (band-pass filter:ＢＰＦ)６４を配置する。さらに、このＢＰＦ６４から出力する光パルスは、ＹＤＦＡ６５により平均光強度１００ｍＷまで増幅される。ＹＤＦＡ６５から出力される光パルス列は、光伝送手段７０としての長さ３ｍのＳＭＦ７１を介して、ＬＳＭ８０としての多光子蛍光顕微鏡装置８１へ導入される。

多光子蛍光顕微鏡装置８１は、照射手段を構成するコリメートレンズ８２、ＸＹガルバノミラー （XY galvano scanner mirror：ＸＹ−ＧＭ）８３、瞳投影レンズ（pupil lens：ＰＬ）８４、チューブレンズ（tube lens：ＴＬ）８５、ダイクロイックミラー（dichroic mirror：ＤＭ）８６、および、対物レンズ８７と、検出手段を構成する光電子増倍管 (photo-multiplier tube：ＰＭＴ) ８９とを有する。

多光子蛍光顕微鏡装置８１に入射した光パルスは、コリメートレンズ８２を透過し、ＸＹ−ＧＭ８３で反射され、ＰＬ８４、ＴＬ８５、ＤＭ８６、および、対物レンズ８７を経由して試料８８を照射する。ここで、ＸＹ−ＧＭ８３により入射光を偏向させることによって、試料８８上で光パルスの照射位置を走査させる。この光パルスの照射によって、多光子過程により試料８８上で発生する信号光である蛍光が、対物レンズ８７を透過し、ＤＭ８６で入射光と分離され、ＰＭＴ８９において増幅され観察される。

本構成により波長９７８ｎｍ、ピーク強度６００Ｗ、パルス幅３ｐｓの光パルスを発生する多光子イメージング用超短パルス光源装置を実現することができる。この光源装置は、励起ＬＤ３１から出射される励起光により、チャープを補償するＳＭＦ５２内で誘導ラマン散乱により光パルス列を増幅するとともに、同じ励起光をＹＤＦＡ６１における光パルス列の増幅にも使用することが重要な特徴の一つとなっている。かかる構成によって、従来、電気回路からの熱などの影響により発生し易かった光パルスと時間ゲートとのタイミングのずれが、本発明においては発生し難くなるので、熱安定化のための手段や光パルスと時間ゲートとの同期を固定するためのフィードバック回路のようなずれ防止の手段が必要では無くなる。したがって、比較的単純な構成によって増幅器の段数を増やすことなく高いＳＮＲを得ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、図２において、ＳＭＦ７１の後段に、さらに数ｍの光ファイバ及び回折格子対やプリズム対を配置することにより、ＳＮＲの高い２００ｆｓ〜３００ｆｓの光パルスを得ることも可能である。また、ＬＤ１０としては分布帰還型半導体レーザ（Distributed feed back LD）や分布ブラッグ反射型半導体レーザ（Distributed Bragg reflector LD）を使用することができ、また、電気パルス発生手段２０としては、数１０ピコ秒から数１００ピコ秒の電気パルスを発生させるものであれば良く、アバランシェ・トランジスタやステップ・リカバリー・ダイオード（step recovery diode：ＳＲＤ）を用いたものも使用することができる。

また、上記の実施の形態では、ＧＦＰの多光子イメージングのために好適な波長の光を使用したが、蛍光物質に応じて他の種々の波長の光を使用することができる。例えば、観察対象が青色蛍光タンパク（cyan fluorescent protein: ＣＦＰ）の場合は、波長８５０ｎｍの光を使用することができる。波長８５０ｎｍにおいても、ＶＣＳＥＬ及びフッ化物添加ファイバ型光増幅器を用い、励起ＬＤ３１から出射される励起光により、チャープを補償するＳＭＦ５２内で誘導ラマン散乱により光パルス列を増幅するとともに、同じ励起光をＹＤＦＡ６１における光パルス列の増幅にも使用することで上述した特徴有る構成となり、本発明と同様な光源を実現できる。

なお、多光子イメージングとは、二次高調波（second harmonic generation：ＳＧＨ）、三次高調波（third harmonic generation：ＴＨＧ） のような高次高調波発生や、多光子励起蛍光、コヒーレント反ストークスラマン散乱（coherent anti-Stokes Raman scattering ：ＣＡＲＳ） などのように、多光子過程を利用した画像化方法または装置のことを指す。本発明の多光子イメージングは上述のような多光子イメージングに利用することができる。とくに、本発明によれば、時間軸上において、光パルスと光パルスとの間のノイズフロアを容易に除去されるので、生体や各種生体由来の試料に対して継続的または長期間励起光を照射したとしても試料中に余計な熱を発生し難いため、生きた試料を扱うようなイメージング装置、例えば顕微鏡法及び内視鏡法に適用するのに適している。

図１は、本発明の実施の形態に係る多光子イメージング用パルス光源装置を含む光学システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。 図３は、従来技術のパルス光源装置によるパルス増幅とその経路上のパルス波形を説明する図である。 図４は、非特許文献１に係るパルス光源装置の概略構成とその経路上のパルス波形を示す図である。

符号の説明

１ 多光子イメージング用超短パルス光源装置
１０ 半導体レーザ（ＬＤ）
１１ 単一縦モード面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
２０ 電気パルス発生手段
２１ コムジェネレータ
３０ 励起光源
３１ 励起ＬＤ
４０ 光カプラ
４１ 波長多重カプラ（ＷＤＭＣ）
５０ 光ファイバ
５１ アイソレータ
５２ 単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）
６０ 光増幅手段
６１ Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
６２ アイソレータ
６３ Ｙｂ添加ファイバ
６４ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
６５ Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
７０ 光伝送手段
７１ 単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）
８０ レーザ操作型顕微鏡（ＬＳＭ）
８１ 多光子蛍光顕微鏡
８２ コリメートレンズ
８３ ＸＹガルバノミラー（ＸＹ−ＧＭ）
８４ 瞳投影レンズ（ＰＬ）
８５ チューブレンズ（ＴＬ）
８６ ダイクロイックミラー（ＤＭ）
８７ 対物レンズ
８８ 試料
８９ 光電子増倍管（ＰＭＴ）
１０１ 単一縦モード面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
１０２ 電気パルス発生装置
１０３ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１０４ 増幅器制御装置
１１１ 単一縦モード面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
１１２ 電気パルス発生装置
１１３ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１１４ 光フィルタ
１１５ 単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）
１１６ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１１７ 増幅器制御装置
１１８ Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
１１９ 励起光源
１２０ 光カプラ

Claims (6)

1. 電気パルスを出力する電気パルス発生手段と、
   前記電気パルスに基づいて光パルスを発生する半導体レーザと、
   前記半導体レーザの発振波長とは異なる波長の励起光を出射する励起光源と、
   前記光パルスと前記励起光とを合波する光カプラと、
   前記光カプラを出射した前記光パルスの時間幅を狭くする光ファイバと、
   前記光ファイバを出射した前記光パルスを増幅する光増幅手段とを有し、
   前記励起光源は、誘導ラマン散乱により前記光ファイバ内で前記光パルスを増幅する励起光を出射し、
   前記光増幅手段は、前記光ファイバを出射した前記励起光により、前記光パルスを増幅するように構成したことを特徴とするパルス光源装置。
2. 前記光増幅手段は、光ファイバ型増幅器を有することを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
3. 前記光増幅手段は、希土類添加媒質を増幅媒質とすることを特徴とする請求項１または２に記載のパルス光源装置。
4. 前記光ファイバは、３００ｍ以上３ｋｍ以下の長さを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルス光源装置。
5. 前記半導体レーザは、７００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の発振波長の光パルスを発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のパルス光源装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のパルス光源装置と、
   前記パルス光源装置から出射された光パルスを試料に照射する照射手段と、
   前記光パルスの照射により前記試料から発生する信号光を検出する検出手段と、
   を有することを特徴とするイメージング装置。

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