JP2015175846A - ラマン散乱計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型でかつメンテナンス性が良好なラマン散乱計測装置を提供する。
【解決手段】 本発明の一側面としてのラマン散乱計測装置は、互いに波長が異なる第１及び第２の連続光を発する光発生手段と、第１及び第２のタイミング信号を出力する信号発生手段と、第１及び第２のタイミング信号のうち一方のタイミング信号を逓倍化する逓倍化手段と、一方のタイミング信号が逓倍化された第１及び第２のタイミング信号に基づいて第１及び第２の連続光のそれぞれをパルス化することで第１及び第２のパルス光を生成するパルス化手段と、第１及び第２のパルス光が試料に照射されることで生じるラマン散乱光を検出する光検出手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラマン散乱を利用した顕微鏡等のラマン散乱計測装置に関する。

生体内分子の３次元分布や体内組成を観察可能な顕微鏡として、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering：ＣＡＲＳ）や誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering：ＳＲＳ）を利用したものが提案されている。これらの顕微鏡では、互いに波長が異なる２つの同期したパルス光（光パルス列）を試料に照射して、ＣＡＲＳやＳＲＳを誘起する。この際、様々な分子や組織の観察を可能とするために、該分子や組織の振動準位に合わせて２つのパルス光のエネルギー差（波長差）を設定する必要がある。

特許文献１には、トリガーとなる信号の繰り返し周波数で連続光をパルス化することで、互いに波長が異なる２つの同期したパルス光を発生させる方法が開示されている。また、特許文献２には、連続光を外部の信号発生器からの信号によりパルス化することで同期した２つのパルス光を生成し、該外部信号の繰り返し周波数を制御することでパルス光の同期制御を行う方法が開示されている。

ＷＯ２０１１／１６３３５３公報 特開２００９−８０００７号公報

特許文献１にて開示された方法では、サイズが大きくてメンテナンス性が良好とは言えない固体レーザを用いる必要がある。

本発明は、小型でかつメンテナンス性が良好なラマン散乱計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としてのラマン散乱計測装置は、互いに波長が異なる第１及び第２の連続光を発する光発生手段と、第１及び第２のタイミング信号を出力する信号発生手段と、前記第１及び第２のタイミング信号のうち一方のタイミング信号を逓倍化する逓倍化手段と、前記一方のタイミング信号が逓倍化された前記第１及び第２のタイミング信号に基づいて前記第１及び第２の連続光のそれぞれをパルス化することで第１及び第２のパルス光を生成するパルス化手段と、前記第１及び第２のパルス光が試料に照射されることで生じるラマン散乱光を検出する光検出手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、小型でかつメンテナンス性が良好なラマン散乱計測装置を実現することができる。

本発明の実施例１である光源装置の構成を示すブロック図。 実施例１の光源装置に用いられるパルス幅圧縮素子の構成例を示す図。 実施例１での計算結果を示す図。 実施例１での計算結果を示す図。 本発明の実施例２である光源装置の構成を示すブロック図。 実施例２の光源装置の変形例を示すブロック図。 本発明の実施例３である光源装置の構成を示すブロック図。 実施例３の光源装置の変形例を示すブロック図。 本発明の実施例４であるＳＲＳ顕微鏡の構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１には、本発明の実施例１である光源装置の構成を示す。図１において、１０１は外部信号発生器（ＳＧ）である。１０２は発振波長が第１の波長である第１の半導体レーザ（Ｌ１）であり、１１２は発振波長が第２の波長である第２の半導体レーザ（Ｌ２）である。第１および第２の半導体レーザ１０２，１１２により光発生手段が構成される。１０３，１１３はパルス化素子（ＩＭ：パルス化手段）であり、１０４，１０９，１１４は光増幅器（ＡＭＰ）である。１０５，１１５はスペクトル拡張素子（ＳＥ：拡張手段）であり、１０６，１１６はパルス幅圧縮素子（ＰＷＣ：圧縮手段）である。１０７は選択手段としての可変波長選択素子（Tunable Bandpass Filter：以下、ＴＢＰＦという）であり、１０８はＴＢＰＦ１０７を制御する制御部（ＢＰＣ：制御手段）である。１１０は合波部（ＷＣ）であり、１１１は電気遅延線（ＤＬ）である。

第１の半導体レーザ１０２は第１の波長の連続光である第１の光としての第１のレーザ光を発し、第２の半導体レーザ１１２は第２の波長の連続光である第２の光としての第２のレーザ光を発する。第１のレーザ光および第２のレーザ光はそれぞれ、パルス化素子１０３，１１３に導かれる。パルス化素子１０３，１１３はそれぞれ、外部信号発生器１０１から出力されるタイミング信号に応じたタイミングで第１のレーザ光および第２のレーザ光をパルス化し、第１のパルス光および第２のパルス光を生成する。第１および第２のパルス光はそれぞれ、光増幅器１０４，１１４にて増幅され、スペクトル拡張素子１０５，１１５に入射する。

スペクトル拡張素子１０５，１１５はそれぞれ、第１および第２のパルス光のスペクトル幅を所定の広帯域に拡張する。スペクトル幅が拡張された第１および第２のパルス光は、パルス幅圧縮素子１０６，１１６に入射する。パルス幅圧縮素子１０６，１１６は、スペクトル幅が拡張された後の第１および第２のパルス光のパルス幅を圧縮する。そして、スペクトル幅が拡張され、パルス幅が圧縮された後の第１のパルス光は、ＴＢＰＦ１０７に入射する。ＴＢＰＦ１０７は、入射した第１のパルス光のうち選択された抽出波長帯である特定波長帯のパルス光成分を抽出して射出する。特定波長帯は、制御部１０８を通じて選択可能（変更可能）である。特定波長帯のパルス光成分は、光増幅器１０９に導かれる。光増幅器１０９は、ＴＢＰＦ１０７での波長抽出（波長選択）によって減衰した光強度を増幅する。

パルス幅圧縮素子１０６、ＴＢＰＦ１０７および光増幅器１０９を経た特定波長帯のパルス光成分（以下、これも第１のパルス光という）と、パルス幅圧縮素子１１６を経た第２のパルス光は、合波部１１０において同軸に合成（合波）されて、光源装置から射出される。

第１および第２の半導体レーザ１０２，１１２から合波部１１０までの光路は全て光ファイバにより形成されており、これら光ファイバの全ては、光源装置としての安定性を確保するために、偏波保持型ファイバであることが好ましい。ただし、偏波保持型ではない光ファイバを用いてもよいし、偏波コントローラと併用してもよい。

第１および第２の半導体レーザ１０２，１１２はそれぞれ、第１および第２の波長に対応する単色の連続光を発する。例えば、本実施例の光源装置をＣＡＲＳ顕微鏡やＳＲＳ顕微鏡に用いる場合は、第１および第２の波長を、それらの差が観察対象である分子の振動準位とおおよそ一致するように選択するとよい。第１および第２の半導体レーザ１０２，１１２としては、一般的なレーザーダイオードや、量子ドットレーザ、量子カスケードレーザ等を用いることができる。

パルス化素子１０３，１１３は、強度変調器により構成されており、それぞれ第１の波長と第２の波長に合わせて選定される。パルス化素子１０３，１１３として一般的な強度変調器を用いることで、連続光を数十ｐｓ（ピコ秒）までのパルス幅を有する光パルスへのパルス化が可能である。パルス化素子１０３，１１３が連続光をパルス化する繰り返し周波数を制御するためのタイミング信号は、外部信号発生器１０１から与えられる。外部信号発生器１０１においてタイミング信号の繰り返し周波数が変更されることで、パルス化素子１０３，１１３から射出される第１および第２のパルス光の繰り返し周波数が制御される。パルス化素子１０３，１１３としては、ＬＮ（Lithium Niobate）変調器や電界吸収型光変調器等を用いることができる。

光増幅器１０４，１１４は、パルス化素子（強度変調器）１０３，１１３での挿入損失を補償し、次のスペクトル拡張素子１０５，１１５で必要な強度までパルス光の強度を増幅する。光増幅器１０４，１１４としては、イッテルビウムＹｂやエルビウムＥｒ等の希土類を添加した光ファイバを利得媒質とした光ファイバ増幅器を用いることができる。光源装置としての安定性を確保するために、偏波保持型光ファイバで構成された光増幅器とすることが好ましい。また、必要に応じて、多段構成の増幅器としてもよい。

光増幅器１０４で増幅された第１のパルス光が入射するスペクトル拡張素子１０５は、高非線形ファイバ（High Nonlinearity Fiber：以下、ＨＮＬＦという）であり、非線形光学効果によってパルス光のスペクトル幅を広帯域に拡張する。スペクトル拡張の上限は、使用いる光増幅器１０４の利得帯域程度である。このように広帯域にスペクトルを拡張するスペクトル拡張素子１０５としては、長距離のシングルモードファイバ（Single Mode Fiber：以下、ＳＭＦという）、フォトニック結晶ファイバまたは液体コアファイバ等であってもよい。非線形性の高いファイバである方が、ファイバ長を短くできるため、よりコンパクトで安定した系を構成することができる。

光増幅器１１４で増幅された第２のパルス光が入射するスペクトル拡張素子１１５は、ＳＭＦであり、スペクトル拡張素子１０５と同様に非線形光学効果によって光パルスのスペクトル幅を拡張する。ただし、ＳＭＦによるスペクトル拡張は、広帯域化のためではなく、パルス幅圧縮のためである。例えば、本実施例の光源装置をＣＡＲＳ顕微鏡やＳＲＳ顕微鏡に用いる場合、波数分解能向上のためにパルス幅は数〜１０ｐｓ程度が好ましいため、強度変調器でのパルス化されたときのパルス幅からさらに圧縮する必要がある。不確定性原理から、パルス幅圧縮のためには、スペクトルを拡張する必要がある。スペクトル拡張幅は０．１〜１ｎｍ程度であるため、非線形性の高いファイバでなくともよい。

パルス幅圧縮素子１０６，１１６は、サーキュレータとチャープトファイバブラッググレーティング（Chirped Fiber Bragg Grating：以下、ＣＦＢＧという）とを組み合わせて構成されている。ＣＦＢＧは、入射するパルス光の波長によって反射する位置が異なるファイバ型の回折格子であり、入射するパルス光のチャープとは逆のチャープを与えることでパルス幅を圧縮することができる。

図２には、各パルス幅圧縮素子の構成例を示す。２０１はサーキュレータであり、２０２はＣＦＢＧである。サーキュレータ２０１に入射したパルス光は、ＣＦＢＧ２０２に導かれ、ＣＦＢＧ２０２でそのパルス幅が圧縮される。パルス幅が圧縮されたパルス光は、サーキュレータ２０１に戻り、パルス幅圧縮素子から射出する。

パルス幅圧縮素子１０６は、波長選択時における波長ごとのタイミングのずれを低減するため、第１のパルス光のパルス幅を、数百ｆｓ（フェムト秒）〜数ｐｓ以下まで圧縮する。また、パルス幅圧縮素子１１６は、第２のパルス光のパルス幅を、数〜１０ｐｓ程度まで圧縮する。本実施例では、パルス幅圧縮素子としてＣＦＢＧを用いているが、分散補償光ファイバ、プリズム対または回折格子対等を用いてもよい。

ＴＢＰＦ１０７は、スペクトルが広帯域に拡張された（本実施例ではパルス幅も圧縮された）第１のパルス光から選択された特定波長帯のパルス光成分のみを透過させて抽出する。ＴＢＰＦ１０７としては、回折格子とスリット、音響光学可変波長フィルタ、導波路型回折格子、ＦＢＧ等、一般的に用いられているものを用いることができる。例えば、本実施例の光源装置をＣＡＲＳ顕微鏡やＳＲＳ顕微鏡に用いる場合には、波数分解能を向上させるためにパルス幅は数〜１０ｐｓが好ましいため、選択する特定波長帯の波長幅としては０．５〜１ｎｍ程度が好ましい。パルス幅圧縮素子１０６およびＴＢＰＦ１０７は線形に機能するため、これらの前後配置を入れ替えることも可能である。つまり、パルス幅圧縮素子１０６によるパルス幅が圧縮される前の第１のパルス光から、ＴＢＰＦ１０７によって特定波長帯のパルス光成分を抽出するようにしてもよい。この場合、パルス幅圧縮素子１０６は、波長ごとの相対時間の遅延を補償する遅延補償素子として機能する。

制御部１０８は、コンピュータにより構成され、ＴＢＰＦ１０７で抽出される特定波長帯を制御する。例えば、ＴＢＰＦ１０７として回折格子とスリットを用いる場合には、制御部１０８は、スリットを保持する可動ステージを駆動して、回折格子に対するスリットの位置や掃引速度を制御する。特定波長帯を連続的に変化させることで、ＴＢＰＦ１０７にて抽出される第１のパルス光の波長掃引を行うことが可能である。

光増幅器１０９は、前述したようにＴＢＰＦ１０７での波長抽出によって減衰した光強度を所定の光強度まで増幅する。光増幅器１０９を、必要に応じて多段構成としてもよい。

電気遅延線１１１は、外部信号発生器１０１から出力されてパルス化素子１１３に入力されるタイミング信号に対して時間遅延量を与えることで、第１のパルス光と第２のパルス光とのタイミング（以下、パルスタイミングという）のずれを電気的に調節する。パルスタイミングのずれが大きい場合はさらに時間遅延量が固定の遅延線を追加してもよい。パルスタイミングのずれは、本実施例の光源装置の出力をオシロスコープや高速ストリークカメラ等の検出器で直接検出してもよい。また、相互相関法（例えば、２波長のパルス光を二光子吸収が検出可能な半導体センサに集光することで、該２波長パルス光のパルスタイミングのずれ状態を検出する）等の方法により間接的に検出してもよい。検出したパルスタイミングのずれに応じて、電気遅延線１１１の遅延量を調節することで、第１および第２のパルス光を互いに同期させることができる。

合波部１１０は、波長多重カプラにより構成され、第１および第２のパルス光を同軸に合波する。第１および第２のパルス光を空間出力する場合は、合波部１１０はファイバカプラである必要はない。すなわち、これらパルス光の出射ファイバ端にファイバコリメータを装着して第１および第２のパルス光を空間出力した後に、ダイクロイックミラー等を介してこれらを同軸に合波してもよい。また、同軸に合波する必要がない場合は、同軸化する手段はなくてもよい。

以下、本実施例における具体的な数値例を示す。以下の数値例では、パルス化後のパルス幅とスペクトルを仮定し、光増幅器で光強度を増幅した後の光パルスが広帯域化およびパルス幅圧縮され、ある特定波長帯が選択されるまでの工程について計算を行った。ファイバ伝播は、式（１）の非線形シュレイディンガー方程式に従うとし、スプリットステップフーリエ法を用いて計算を行った。また、素子間に設けられた光ファイバでの伝搬の効果は無視した。

ただし、Ａは光パルスの包絡線関数、ｚは光軸方向座標、αは伝播損失、β_２は群速度分散、β_３は３次の分散、Ｔは時間、γは非線形係数、ω_０は周波数、Ｔ_Ｒは遅延ラマン応答を示す。

まず、第１の半導体レーザ１０２からＴＢＰＦ１０７までのラインについての計算結果を示す。第１の半導体レーザ１０２の波長を１５６０ｎｍとし、出力平均パワーを２０ｍＷとする。可視光域から近赤外領域までの出力が数〜数百ｍＷ程度の半導体レーザは、入手が容易である。パルス化素子１０３におけるパルス化は、繰り返し周波数４０ＭＨｚで行うとする。以下の文献Ａを参考にすると、強度変調器を用いてＦＷＨＭ（Full Width of Half Maximum）でパルス幅５５ｐｓのパルス化が可能であることから、パルス化後のパルス幅を５５ｐｓとする。また、光増幅器１０４によりパルス化後のパルス光をピークパワー４６０Ｗまで増幅するとする。この増幅は、光増幅器１０４を２段構成とし、それぞれを２０ｄＢ程度増幅するものとすることで実現可能である。増幅後のパルス光のパルス波形とスペクトルを図３（Ａ）に示す。パルス波形およびスペクトルはＳｅｃｈ型とし、増幅化後の時点でのチャープは無視した。
（文献Ａ）“Fiber delivered two-color picosecond source through nonlinear spectral transformation for coherent Raman scattering imaging”, Appl. Phys. Lett. 100, 071106 (2012)。

スペクトル拡張素子１０５としては、以下の仕様のＨＮＬＦを用いた。増幅後のパルス光を透過させた場合のパルス波形とスペクトルの計算結果を図３（Ｂ）に示す。スペクトル拡張素子１０５を透過することにより、スペクトル幅は約５０ｎｍ（約２０７ｃｍ^−１）まで拡張される。
ファイバ長Ｌ＝１２５ｍ
伝播損失α＝０．６３ｄＢ／ｋｍ
分散パラメータＤ＝０．０４ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ
分散スロープＳｌ＝０．０３ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ^２
有効コア断面積Ａ_ｅｆf＝１０μｍ^２
遅延ラマン係数Ｔ_Ｒ＝０．００５ｐｓ。

図３（Ｃ）には、パルス幅圧縮素子１０６におけるＣＦＢＧ２０２での分散パラメータを０．３９ｐｓ／ｎｍとした場合のパルス幅圧縮後のパルス波形を示す。パルス幅圧縮素子１０６でのパルス幅圧縮により、パルス幅はＦＷＨＭで約２．７ｐｓとなった。このとき、サーキュレータ２０１およびＣＦＢＧ２０２における非線形効果は無視した。

図３（Ｄ）には、ＴＢＰＦ１０７での特定波長帯を約１５５９．５〜１５６０．５ｎｍとした場合のパルス波形とスペクトルを示す。このとき、パルス幅はスペクトルのフーリエ変換により計算した。図３（Ｄ）ではダブルパルスとなっているが、本実施例の光源装置をＣＡＲＳ顕微鏡やＳＲＳ顕微鏡に用いる場合は、同期した２波長のパルス光のみが散乱に寄与するため、数十ｐｓ離れた前側のパルスは問題とならない。図３（Ｄ）に示した特定波長帯は例にすぎず、他の特定波長帯が選択された場合でも同様のパルス波形とスペクトルが得られる。また、特定波長帯を連続的に変化させることで、ＴＢＰＦ１０７に入射するパルス光の波長域全体にわたる波長掃引を行うことが可能である。

以上の構成により、ＦＷＨＭでスペクトル選択（掃引）幅が約５０ｎｍで、パルス幅が約７ｐｓの第１のパルス光が得られる。

次に、第２の半導体レーザ１１２からパルス幅圧縮素子１１６までのラインについての計算結果を示す。第２の半導体レーザ１１２の波長を１０６４ｎｍとし、出力平均パワーを３０ｍＷとする。また、パルス化素子１１３におけるパルス化は繰り返し周波数４０ＭＨｚで行い、パルス化後のパルス幅を５５ｐｓとする。また、光増幅器１１４によりパルス化後の光パルスをピークパワー４６０Ｗまで増幅するものとする。増幅後の光パルスのパルス波形とスペクトルを、図４（Ａ）に示す。

スペクトル拡張素子１１５として、以下の仕様のＳＭＦを用いた。増幅後の光パルスを透過させた場合のパルス波形とスペクトルの計算結果を図４（Ｂ）に示す。スペクトル拡張素子１１５を透過することにより、スペクトル幅は約０．５ｎｍまで拡張される。
ファイバ長Ｌ＝１６ｍ
伝播損失α＝０．５５ｄＢ／ｋｍ
分散パラメータＤ＝２７．１４ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ
分散スロープＳｌ＝０．１７３ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ^２
有効コア断面積Ａ_ｅｆf＝８０μｍ^２
遅延ラマン係数Ｔ_Ｒ＝０．００５ｐｓ。

図４（Ｃ）には、パルス幅圧縮素子１１６におけるＣＦＢＧ２０２での分散パラメータを７０ｐｓ／ｎｍとした場合のパルス幅圧縮後のパルス波形を示す。

以上の構成により、ＦＷＨＭでパルス幅が約４．６ｐｓの第２のパルス光が得られる。

本実施例の光源装置をＣＡＲＳ顕微鏡やＳＲＳ顕微鏡に用いる場合には、以上説明した２つラインでのパルス化によって、波数の分解能８ｃｍ^−１および掃引幅約２０７ｃｍ^−１が可能である。２ラインとも広帯域化する又は別波長帯のラインを増やすことで、より広帯域の波数選択と掃引が可能となる。

ここでは１つの数値例を示したが、他の半導体レーザの波長、出力、ファイバパラーメータ、ＣＦＢＧでの分散、光増幅器のゲイン等の数値や構成を適宜設定することで、所望の出力パルス幅、スペクトルおよび波長可変幅を有する光源装置を構成することができる。

なお、本実施例では、パルス化素子として強度変調器を用い、外部からの変調によってパルス化を行う場合について説明したが、半導体レーザをゲインスイッチング等により直接変調することによってパルス化するパルス化手段を用いてもよい。また、第１および第２のパルス光の波長差が、光増幅器の利得帯域幅の半分以下程度（〜３０ｎｍ程度）に小さくてもよい場合は、半導体レーザを１つとし、これらを２つのラインに分岐して用いてもよい。この場合、半導体レーザと２つの分岐ラインとにより光発生手段が構成され、２つの分岐ラインのうち一方から射出される連続光が第１のレーザ光となり、他方から射出される連続光が第２のレーザ光となる。

本実施例によれば、波長掃引が可能な２波長のパルス光を安定的に生成する小型の光源装置を実現することができる。そして、この光源装置をＣＡＲＳおよびＳＲＳ顕微鏡（計測装置）に用いることで、広帯域での分子振動スペクトル（ラマンスペクトル）を良好に検出することができる。

次に、本発明の実施例２である光源装置について説明する。本実施例では、第１および第２のパルス光のうち一方のパルス光の繰り返し周波数を、他方のパルス光の繰り返し周波数に対して逓倍化する。光源装置としての構成は、図５に示すように、実施例１（図１）の光源装置の構成に逓倍化部（逓倍手段）１０１１が追加されたものとなる。本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付して説明に代える。

逓倍化部１０１１は、周波数ダブラ、周波数トリプラまたは周波数マルチプライヤ等の周波数逓倍器により構成される。逓倍化部１０１１は、パルス化素子１１３に入力されるタイミング信号の繰り返し周波数を逓倍化する。これにより、上記一方のパルス光である第２のパルス光の繰り返し周波数が、他方のパルス光である第１のパルス光の繰り返し周波数に対して逓倍化される。

例えば、以下の文献Ｂを参考にすると、一方のパルス光の繰り返し周波数を２倍化することでＳＲＳ顕微鏡のＳＮＲ（Signal to Ratio）を向上させることができる。これは、ＳＲＳ顕微鏡において、試料からのＳＲＳ信号をロックイン検出する際に、ロックイン検出周波数を最大化できるためである。
（文献Ｂ）“Stimulated Raman scattering microscope with shot noise limited sensitivity using subharmonically synchronized laser pulses”、Optics Express、Vol.18、Issue 13、pp.13708-13719(2010)。

本実施例では、周波数ダブラ等の電気的に繰り返し周波数を逓倍化する場合について説明したが、図６に示すように、光ファイバとカップラを用いる光学的遅延線を逓倍化部１０１１′としてパルス化素子１１３と光増幅器１１４との間に挿入してもよい。

本実施例によれば、生物顕微鏡等の計測装置において、簡易な構成で、ロックイン検出に有利な繰り返し周波数比を有し、かつ波長掃引可能な２波長のパルス光を射出できる小型の光源装置を実現することができる。

次に、本発明の実施例３である光源装置について説明する。本実施例では、第１および第２のパルス光のパルスタイミングのずれ（相対時間差）を検出して、第１および第２のパルス光の時間遅延量を調節することで第１および第２のパルス光（以下、まとめて２波長パルス光という）を互いに同期させる制御を行う。図７には、本実施例の光源装置の構成を示す。本実施例では、図５に示した実施例２の構成に対して、パルスタイミング検出部（ＰＴＤ：時間差検出手段）１２０３と同期制御部（ＳＣ：同期制御手段）１２０４とが追加されている。本実施例において、実施例１，２と共通する構成要素には、実施例２と同符号を付して説明に代える。

１２０１はファイバコリメータであり、光ファイバの出力を平行光として空間に出力する。１２０２は対物レンズであり、２波長パルス光のパルスタイミングずれを検出するパルスタイミング検出部１２０３上に該２波長パルス光を集光させる。パルスタイミングずれを検出するには、２波長パルス光における二光子吸収等の相互相関を示す波形を用いればよい。相互相関波形は、２波長パルスの波長が重なるほど強いピークを生じるため、２波長パルス光のパルスタイミングずれを評価する指標として用いることができる。

パルスタイミング検出部１２０３としては、例えばＳｉやＩｎＧａＡｓ等の半導体からなるフォトダイオードのうちそれぞれのパルス光のみで生じる二光子吸収波長帯に感度が低く、２波長パルス光間の二光子吸収波長で感度の高いものを選択して用いればよい。

同期制御部１２０４は、パルスタイミング検出部１２０３から出力される電気信号の値が一定となるように、すなわちパルスタイミングずれが低減されるように、電気遅延線１１１の遅延量を制御する。このような構成により、２波長パルス光のパルスタイミングずれを低減することができる。

図８には、本実施例の変形例の構成を示す。この変形例では、電気的な遅延の調整によって２波長パルス光の同期制御を行うのではなく、光遅延線（ＯＤ）１３０１により光学的な遅延を調整することによって同期制御を行っている。

光遅延線１３０１は、エアギャップ式の可変ディレイラインにピエゾステージ等を設け、第２のパルス光に与える時間遅延量を広いレンジで低速にて粗調する。また、位相変調器（ＰＭ）１３０２は、第２のパルス光に位相変調を加えることで、該第２のパルス光に与える時間遅延量を高速に微調する。光遅延線１３０１と位相変調器１３０２は、同期回路１２０４からのフィードバック信号に応じて相補的に同期制御を行う。なお、光遅延線１３０１のみとしてもよいし、電気遅延線１１１も含めて同期制御を行うように変更してもよい。

本実施例によれば、互いに波長が異なるパルス光を安定的に射出することができる小型の波長掃引可能な光源装置を実現することができる。

上記各実施例では、第１および第２のパルス光のそれぞれに対してスペクトル拡張素子１０５，１１５およびパルス幅圧縮素子１０６，１１６を設けた場合について説明した。しかし、第１および第２のパルス光のうち少なくとも一方のパルス光（ＴＢＰＦ１０７により波長選択がなされるパルス光）に対してのみスペクトル拡張素子およびパルス幅圧縮素子を設けてもよい。また、上記各実施例では、第１のパルス光に対してのみＴＢＰＦ１０７を設けた場合について説明したが、第１および第２のパルス光のそれぞれに対してＴＢＰＦを設けてもよい。

本実施例では、実施例１〜３のいずれかで説明した光源装置を光源部として用いた計測装置としてのＳＲＳ顕微鏡について説明する。試料に含まれる観察対象である分子の振動と共鳴する周波数差（波長差）を有する２波長パルス光を試料に照射して、該分子を強制振動させると、２波長パルス光のうち短波長側のパルス光のエネルギーが減少し、長波長側のパルス光のエネルギーが増加する現象が生じる。これが、ＳＲＳである。ＳＲＳ顕微鏡はこれらパルス光のエネルギーの増加または低下をロックイン検出することによって、高コントラストかつ高感度な分子振動イメージングを行う。また、２波長パルスの波長差を掃引することによってラマンスペクトルの取得が可能であり、試料の組織構造や組成の特定も可能である。図９には、ＳＲＳ顕微鏡の構成を示す。このＳＲＳ顕微鏡は、短波長側のパルス光のエネルギーの低下を検出する。

図９において、１４０１は実施例１〜３のいずれかで説明した光源装置である。１４０２はファイバコリメータであり、１４０３は２波長パルス光で試料を２次元走査する走査装置（走査手段）である。１４０４は対物レンズ（対物光学系）であり、１４０５は試料が設置され、その位置を調整する試料ステージである。１４０６は集光レンズであり、１４０７はミラーであり、１４０８は波長フィルタである。１４０９はセンサであり、１４１０はセンサ１４０９の出力信号をロックイン検出するロックイン検出装置である。センサ１４０９とロックイン検出装置１４１０とにより光検出手段が構成される。１４１１はロックイン検出装置１４１０の出力信号を処理（解析および画像化）し、生成した画像を表示する画像処理装置（処理手段）である。

光源装置１４０１は、繰り返し周波数が１：２の比率である２波長パルス光（第１および第２のパルス光）を射出する。２波長パルス光のエネルギー（波長）差は、試料における観察対象の分子の振動準位にほぼ一致するように設定される。また、２波長パルス光を合波した光ファイバの先端にはファイバコリメータ１４０２が取り付けられ、ファイバコリメータ１４０２から空間に出力された２波長パルス光は、走査装置１４０３に導かれる。

走査装置１４０３は、２軸のガルバノミラーにより構成され、２波長パルス光の集光点で試料を２次元走査する。ガルバノミラーに代えて、レゾナントミラーを用いてもよい。

対物レンズ１４０４は２波長パルス光を試料に向けて集光し、集光レンズ１４０６は試料を透過した光を集光する。

表示される画像の周辺部が暗くなることを防ぐために、走査時の試料上での光量分布を均一にするよう、走査装置１４０３のミラー面と対物レンズ１４０４の射出瞳面とを共役関係とするリレーレンズ対（走査光学系）を設けてもよい。また、アーティファクトを低減するために、集光レンズ１４０６の開口数ＮＡ（Numerical Aperture）を対物レンズ１４０４のＮＡよりも大きくしておくことが好ましい。

試料ステージ１４０５は、水平２軸方向と垂直方向とに粗動および微動が可能である。試料ステージ１４０５上にスライドガラスとカバーガラスで挟んだ試料が設置された後、試料ステージ１４０５が駆動されて走査装置１４０３による２次元走査領域に試料が移動される。

ミラー１４０７は、集光レンズ１４０６からの光を反射してセンサ１４０９に導く。波長フィルタ１４０８は、２波長パルス光のうち、繰り返し周波数が高い方のパルス光の波長帯のみを透過させる。センサ１４０９は、フォトディテクタにより構成され、受光したパルス光を電気信号に変換する。センサ１４０９の受光部に対して効率良く集光するために、センサ１４０９の前段に集光レンズを配置してもよい。

ロックイン検出装置１４１０は、いわゆるロックインアンプにより構成され、センサ１４０９からの出力信号を、波長フィルタ１４０８を透過したパルス光の繰り返し周波数の１／２の周波数でロックイン検出する。ノイズを低減するために、ロックイン検出装置１４１０の前段に、検出する繰り返し周波数帯以外の周波数成分を除去するバンドパスフィルタを配置してもよい。

画像処理装置１４１１は、パーソナルコンピュータにより構成され、ロックイン検出された信号を解析して２次元画像化した後に、その画像をディスプレイ上に表示する。

図９に示すように、画像処理装置１４１１を走査装置１４０３および試料ステージ１４０５の制御装置として用いてもよい。

このように、実施例１から３のいずれかの光源装置を用いることで、顕微鏡の全体を小型化し、かつ安定的に分子振動イメージングを行えるＳＲＳ顕微鏡を実現することができる。また、光源装置において２波長パルス光の波長を掃引することで、より広い波長帯で試料の分光情報を得ることができる。

本実施例では、ＳＲＳ顕微鏡に実施例１から３のいずれかで説明した光源装置を用いる場合について説明したが、この光源装置をＣＡＲＳ顕微鏡や内視鏡等、２波長パルス光を使用する他の計測装置に用いることもできる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１０２，１１２ 半導体レーザ
１０３，１１３ パルス化素子
１０５，１１５ スペクトル拡張素子
１０６，１１６ パルス幅圧縮素子
１０７ 可変波長選択素子

Claims (14)

1. 互いに波長が異なる第１及び第２の連続光を発する光発生手段と、
   第１及び第２のタイミング信号を出力する信号発生手段と、
   前記第１及び第２のタイミング信号のうち一方のタイミング信号を逓倍化する逓倍化手段と、
   前記一方のタイミング信号が逓倍化された前記第１及び第２のタイミング信号に基づいて前記第１及び第２の連続光のそれぞれをパルス化することで第１及び第２のパルス光を生成するパルス化手段と、
   前記第１及び第２のパルス光が試料に照射されることで生じるラマン散乱光を検出する光検出手段と、
   を有することを特徴とするラマン散乱計測装置。
2. 前記光発生手段は、第１及び第２の連続光をそれぞれ発する第１及び第２の半導体レーザを含むことを特徴とする請求項１に記載のラマン散乱計測装置。
3. 前記第１又は第２のタイミング信号に時間遅延量を与える電気遅延線を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のラマン散乱計測装置。
4. 前記時間遅延量を制御することにより前記第１及び第２のパルス光のタイミングずれを低減する同期制御手段を有することを特徴とする請求項３に記載のラマン散乱計測装置。
5. 前記第１及び第２のパルス光の相対時間差に基づいて前記第１及び第２のパルス光を互いに同期させる同期制御手段を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のラマン散乱計測装置。
6. 前記相対時間差を検出する時間差検出手段を有することを特徴とする請求項５に記載のラマン散乱計測装置。
7. 前記第1及び第2のパルス光のうち少なくとも一方のパルス光のスペクトル幅を拡張する拡張手段を更に有し、
   前記拡張手段は、シングルモードファイバ、高非線形ファイバ、フォトニック結晶ファイバ又は液体コアファイバにより構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のラマン散乱計測装置。
8. 前記第1及び第2のパルス光のうち少なくとも一方のパルス光のスペクトル幅を拡張する拡張手段と、
   前記スペクトル幅が拡張されたパルス光の強度を増幅する光増幅器と、を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のラマン散乱計測装置。
9. 前記光増幅器は、偏波保持型光ファイバにより構成されていることを特徴とする請求項８に記載のラマン散乱計測装置。
10. 前記第1及び第2のパルス光のうち少なくとも一方のパルス光のスペクトル幅を拡張する拡張手段と、
    前記スペクトル幅が拡張されたパルス光から特定波長帯のパルス光成分を抽出する選択手段と、
    前記第２のパルス光と前記パルス光成分とを合成する合波手段と、を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のラマン散乱計測装置。
11. 前記光検出手段は、前記試料からの光を受光するセンサと、該センサの出力信号をロックイン検出するロックインアンプと、を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のラマン散乱計測装置。
12. 前記第１及び第２のパルス光で前記試料を走査する走査手段を備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のラマン散乱計測装置。
13. 前記光検出手段の出力信号を処理する処理手段を備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のラマン散乱計測装置。
14. 前記処理手段は、前記光検出手段からの出力信号に基づいて生成した画像を表示することを特徴とする請求項１３に記載のラマン散乱計測装置。