JP2016018978A - Optical pulse synchronizer, lighting system, optical microscope and synchronization method of optical pulse - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical pulse synchronizer which operates stably, even if the optical intensity, wavelength, pulse width, arrangement state of the objective lens and optical detection means, or the like, changes.SOLUTION: An optical pulse synchronizer 50 for synchronizing a first optical pulse generated at a first repetition frequency and a second optical pulse generated at a second repetition frequency has modulation means 10 for changing the optical path length of at least one of the first and second optical pulses by a modulation frequency, optical detection means 16 for outputting a first signal by receiving the first and second optical pulses, synchronization detection means 17 for outputting a second signal based on the signal of modulation frequency and the first signal, and adjustment means 19 for adjusting at least one of the first and second repetition frequencies depending on the second signal.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、2台のパルスレーザが射出する2つの光パルス列のパルスのタイミングを一致させる光パルス同期装置、照明装置、光学顕微鏡および光パルスの同期方法に関する。   The present invention relates to an optical pulse synchronization device, an illuminating device, an optical microscope, and an optical pulse synchronization method for matching the timings of pulses of two optical pulse trains emitted by two pulse lasers.

パルスレーザは、近年様々な分野で利用されている。パルスレーザの応用として、非線形光学過程を利用したラマン散乱顕微鏡が研究されている。例えば、CARS(coherent anti−Stokes Raman scattering)顕微鏡やSRS(stimulated Raman scattering)顕微鏡が知られている。それらの顕微鏡では、2つのパルスレーザが射出する光パルス列を、パルスのタイミングを一致させた状態で試料に集光する。つまり、2つのパルスレーザの光パルス列を同期する必要がある。   In recent years, pulse lasers have been used in various fields. As an application of a pulsed laser, a Raman scattering microscope using a nonlinear optical process has been studied. For example, a CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering) microscope and a SRS (stimulated Raman scattering) microscope are known. In these microscopes, an optical pulse train emitted by two pulse lasers is focused on a sample in a state where the pulse timings are matched. That is, it is necessary to synchronize the optical pulse trains of the two pulse lasers.

特許文献1のSRS顕微鏡では、2光子吸収を検出する光検出器の出力をパルスのタイミング差として検出し、光検出器の出力が設定した値になるように光パルス列の繰り返し周波数を制御している。特許文献2のCARS顕微鏡では、パルスのタイミング差を検出する同様の光検出器を2つ用い、2つの光検出器の出力の差分を光パルス列の繰り返し周波数の制御に用いている。そのため、光強度や波長やパルス幅が変わっても光パルス列の同期を実現することができる。   In the SRS microscope of Patent Document 1, the output of a photodetector that detects two-photon absorption is detected as a pulse timing difference, and the repetition frequency of the optical pulse train is controlled so that the output of the photodetector becomes a set value. Yes. In the CARS microscope of Patent Document 2, two similar photodetectors for detecting the pulse timing difference are used, and the difference between the outputs of the two photodetectors is used for controlling the repetition frequency of the optical pulse train. Therefore, synchronization of the optical pulse train can be realized even if the light intensity, wavelength, or pulse width changes.

国際公開2010/140614号International Publication No. 2010/140614 特許第4862164号公報Japanese Patent No. 4862164

特許文献1に開示された光パルス列の同期方法によると、パルスレーザが発する光強度や波長やパルス幅が変化した場合、光パルス列の同期を実現するために光検出器の出力回路や光検出器の出力の設定値を変更しなければならない。また、特許文献2のCARS顕微鏡において、パルスレーザが発する光強度や波長やパルス幅が変化しても安定的に光パルス列を同期させるためには、パルスのタイミング差を検出する光検出器が2つ必要である。この2つの光検出器は、感度や感度の波長特性を一致させ、かつそれぞれに入力する光強度とパルス幅が同じになるように装置を構成せねばならない。そうでないと、光パルス列を同期させることができず、波長が変化したときに2つのパルスレーザが射出する光パルス列のパルスにタイミング差が生じてしまう。さらに、光検出器の出力は対物レンズと光検出器の受光面の配置状態に大きく依存するため、対物レンズと光検出器の配置状態を2つの光で一致させなければ光パルス列が同期されない。   According to the optical pulse train synchronization method disclosed in Patent Document 1, when the light intensity, wavelength, or pulse width emitted by the pulse laser changes, the output circuit of the photodetector or the photodetector is used to realize the synchronization of the optical pulse train. The set value of the output of must be changed. Further, in the CARS microscope of Patent Document 2, in order to stably synchronize the optical pulse train even if the light intensity, wavelength, or pulse width emitted by the pulse laser changes, two photodetectors that detect the timing difference between the pulses are used. Is necessary. These two photodetectors must be configured so that the sensitivity and the wavelength characteristics of the sensitivity are the same, and the light intensity and the pulse width input to each are the same. Otherwise, the optical pulse train cannot be synchronized, and a timing difference occurs between the pulses of the optical pulse train emitted by the two pulse lasers when the wavelength changes. Furthermore, since the output of the photodetector greatly depends on the arrangement state of the objective lens and the light receiving surface of the photodetector, the optical pulse train is not synchronized unless the arrangement state of the objective lens and the photodetector is matched with the two lights.

このような課題を鑑みて、本発明は、光強度、波長、パルス幅および対物レンズと光検出手段の配置状態などが変化しても、安定して動作する光パルス同期装置を提供することを目的とする。   In view of such problems, the present invention provides an optical pulse synchronizer that operates stably even when the light intensity, wavelength, pulse width, and arrangement state of the objective lens and the light detection means change. Objective.

本発明の一側面としての光パルス同期装置は、第1の繰り返し周波数で生成される第1の光パルスと第2の繰り返し周波数で生成される第2の光パルスとを同期する光パルス同期装置であって、前記第1および第2の光パルスの少なくとも一方の光路長を変調周波数で変化させる変調手段と、前記第1および第2の光パルスを受光して第1の信号を出力する光検出手段と、前記変調周波数の信号および前記第1の信号に基づいて第2の信号を出力する同期検出手段と、前記第2の信号に応じて前記第1および第2の繰り返し周波数の少なくとも一方を調整する調整手段と、を有することを特徴とする。   An optical pulse synchronization device according to one aspect of the present invention synchronizes a first optical pulse generated at a first repetition frequency and a second optical pulse generated at a second repetition frequency. A modulation means for changing an optical path length of at least one of the first and second optical pulses at a modulation frequency, and light for receiving the first and second optical pulses and outputting a first signal. Detection means; synchronization detection means for outputting a second signal based on the signal of the modulation frequency and the first signal; and at least one of the first and second repetition frequencies according to the second signal And adjusting means for adjusting.

本発明の他の側面としての光パルス列の同期方法は、第1の繰り返し周波数で生成される第1の光パルスと第2の繰り返し周波数で生成される第2の光パルスとを同期する光パルスの同期方法であって、前記第1および第2の光パルスの少なくとも一方の光路長を変調周波数で変化させる変調工程と、前記第1および第2の光パルスを受光して第1の信号を出力する光検出工程と、前記変調周波数の信号および前記第1の信号に基づいて第2の信号を出力する同期検出工程と、前記第2の信号に応じて前記第1および第2の周波数の少なくとも一方を調整する調整工程と、を有することを特徴とする。   An optical pulse train synchronization method according to another aspect of the present invention is an optical pulse for synchronizing a first optical pulse generated at a first repetition frequency and a second optical pulse generated at a second repetition frequency. A modulation step of changing an optical path length of at least one of the first and second optical pulses at a modulation frequency; and receiving the first and second optical pulses and receiving a first signal A photodetection step of outputting, a synchronization detection step of outputting a second signal based on the signal of the modulation frequency and the first signal, and of the first and second frequencies according to the second signal And an adjusting step for adjusting at least one of them.

本発明によれば、光強度、波長、パルス幅および対物レンズと光検出手段の配置状態などが変化しても、安定して動作する光パルス同期装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an optical pulse synchronization device that operates stably even if the light intensity, wavelength, pulse width, and the arrangement state of the objective lens and the light detection means change.

本発明の実施形態に係る光パルス同期装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the optical pulse synchronizer which concerns on embodiment of this invention. 光検出器が受光する光パルス列に関する時間プロファイルである。It is a time profile regarding the optical pulse train which a photodetector receives. 光検出器の出力電圧と変調周波数の電圧の時間プロファイルである。It is a time profile of the output voltage of a photodetector, and the voltage of a modulation frequency. 同期検波回路の出力電圧とパルスのタイミング差の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output voltage of a synchronous detection circuit, and the timing difference of a pulse. 図1とは異なる構成の光路長変調手段を有する光パルス同期装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the optical pulse synchronizer which has the optical path length modulation means of a structure different from FIG. 光パルス同期装置を利用したSRS顕微鏡の概念図である。It is a conceptual diagram of the SRS microscope using an optical pulse synchronizer.

以下、本発明を実施した光学機器の一例としての光パルス同期装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, an optical pulse synchronizer as an example of an optical apparatus embodying the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1は、本発明の実施形態に係る光パルス同期装置の概念図である。光パルス同期装置50は、パルスレーザ(第1の光生成手段)1が第1の繰り返し周波数で生成した第1のパルスと、パルスレーザ(第2の光生成手段)2が第2の繰り返し周波数で生成した第2のパルスのタイミングを一致させる。   FIG. 1 is a conceptual diagram of an optical pulse synchronizer according to an embodiment of the present invention. The optical pulse synchronizer 50 includes a first pulse generated by a pulse laser (first light generating means) 1 at a first repetition frequency and a pulse laser (second light generation means) 2 having a second repetition frequency. The timings of the second pulses generated in the above are matched.

ハーフミラー3は、パルスレーザ1,2から照射される光パルス列を同軸に合波するとともに、2方向へ分波する。分波した一方の光パルス列は光パルス同期装置50で利用し、他方の光パルス列は非線形光学顕微鏡など同期した光パルス列が必要なシステムで利用する。ダイクロイックミラー4は、波長λ1である第1の光パルス列を透過させ、波長λ1とは異なる波長λ2である第2の光パルス列を反射するように設計された誘電体多層膜である。なお、本実施形態では、ハーフミラー3で合波したあとにダイクロイックミラー4で2つの波長の光パルス列に分波しているが、ハーフミラー3で合波する前に第1および第2の光パルス列をそれぞれハーフミラーで分波してもよい。   The half mirror 3 multiplexes the optical pulse trains irradiated from the pulse lasers 1 and 2 coaxially and demultiplexes them in two directions. One of the demultiplexed optical pulse trains is used in the optical pulse synchronizer 50, and the other optical pulse train is used in a system that requires a synchronized optical pulse train such as a nonlinear optical microscope. The dichroic mirror 4 is a dielectric multilayer film designed to transmit a first optical pulse train having a wavelength λ1 and reflect a second optical pulse train having a wavelength λ2 different from the wavelength λ1. In this embodiment, after being multiplexed by the half mirror 3, it is demultiplexed into optical pulse trains of two wavelengths by the dichroic mirror 4, but before being multiplexed by the half mirror 3, the first and second light beams are separated. Each pulse train may be demultiplexed by a half mirror.

第1の光パルス列は、コリメータレンズ5によって光ファイバ8に導入される。第2の光パルス列は、ミラー6で反射した後、コリメータレンズ7によって光ファイバ9に導入される。   The first optical pulse train is introduced into the optical fiber 8 by the collimator lens 5. The second optical pulse train is reflected by the mirror 6 and then introduced into the optical fiber 9 by the collimator lens 7.

光路長変調手段(変調手段)10は、光ファイバ9の長さをユーザが適宜変更可能な周波数(変調周波数)で伸縮させることにより、光ファイバ9を通過する光の光路長を周期的に変化させる。本実施形態の光路長変調手段10は、円筒状の電歪素子に光ファイバ9が巻きつけられている。電歪素子に印加する電圧は変調周波数で変化させ、電歪素子は印加電圧に応じて円筒の動径方向に変位する。したがって、光ファイバ9が変調周波数で伸縮し、光ファイバ9を通過する光の光路長が周期的に変化する。結果として、第2の光パルス列が光検出器(光検出手段)16に到達するタイミングが変化する。   The optical path length modulation means (modulation means) 10 periodically changes the optical path length of the light passing through the optical fiber 9 by expanding and contracting the length of the optical fiber 9 at a frequency (modulation frequency) that can be appropriately changed by the user. Let In the optical path length modulation means 10 of this embodiment, an optical fiber 9 is wound around a cylindrical electrostrictive element. The voltage applied to the electrostrictive element is changed at the modulation frequency, and the electrostrictive element is displaced in the radial direction of the cylinder according to the applied voltage. Therefore, the optical fiber 9 expands and contracts at the modulation frequency, and the optical path length of the light passing through the optical fiber 9 changes periodically. As a result, the timing at which the second optical pulse train reaches the photodetector (light detection means) 16 changes.

光ファイバ9の伸縮による光路長の変化量は、パルスレーザ2のパルス幅の間に光が進む距離程度とする。パルス幅が1ピコ秒であれば光路長の変化量は300μm程度である。ファイバコアの屈折率を考慮すると、光ファイバ9の長さの伸縮量は、200μm程度でよい。直径数10mmの円筒状の電歪素子と10m程度の長さの光ファイバを用いると、光ファイバの伸縮量200μmを10kHz程度の変調周波数において実現できる。   The amount of change in the optical path length due to the expansion and contraction of the optical fiber 9 is about the distance that the light travels during the pulse width of the pulse laser 2. If the pulse width is 1 picosecond, the change amount of the optical path length is about 300 μm. Considering the refractive index of the fiber core, the length of the optical fiber 9 may be about 200 μm. When a cylindrical electrostrictive element having a diameter of several tens of millimeters and an optical fiber having a length of about 10 m are used, an optical fiber expansion / contraction amount of 200 μm can be realized at a modulation frequency of about 10 kHz.

第1の光パルス列は、コリメータレンズ11を通して、光ファイバ8から再び空間に射出され、ミラー13で反射される。第2の光パルス列は、コリメータレンズ12を通して、光ファイバ9から再び空間に射出される。ダイクロイックミラー14は、第1の光パルス列を透過させ、かつ第2の光パルス列を反射する。そのため、空間に放射された第1および第2の光パルス列は、ダイクロイックミラー14により同軸に合波された後、対物レンズ15により光検出器16の受光面上に集光される。なお、ダイクロイックミラー14はダイクロイックミラー4と同じ構成のものでよい。光検出器16で検出する2光子吸収信号を大きくするため、対物レンズ15は開口数が0.5以上のものが適する。   The first optical pulse train is emitted from the optical fiber 8 again into the space through the collimator lens 11 and reflected by the mirror 13. The second optical pulse train is again emitted from the optical fiber 9 into the space through the collimator lens 12. The dichroic mirror 14 transmits the first optical pulse train and reflects the second optical pulse train. Therefore, the first and second optical pulse trains radiated to the space are coaxially combined by the dichroic mirror 14 and then condensed on the light receiving surface of the photodetector 16 by the objective lens 15. The dichroic mirror 14 may have the same configuration as the dichroic mirror 4. In order to increase the two-photon absorption signal detected by the photodetector 16, an objective lens 15 having a numerical aperture of 0.5 or more is suitable.

光ファイバ8の長さは、ハーフミラー3から光検出器16までの区間において、第1の光パルス列が通過する光路長と第2の光パルス列が通過する光路長が一致するように調整する。本実施形態の光パルス同期装置では、第1および第2の光パルス列のパルスが光検出器16に到達するタイミングを一致させる。そのため、光ファイバ8を前述のように調整すれば、ハーフミラー3で分波したもう一方の(非線形顕微鏡などで利用する)光ビームにおいてパルスのタイミングが一致する。   The length of the optical fiber 8 is adjusted so that the optical path length through which the first optical pulse train passes and the optical path length through which the second optical pulse train pass in the section from the half mirror 3 to the photodetector 16. In the optical pulse synchronizer of the present embodiment, the timings at which the pulses of the first and second optical pulse trains reach the photodetector 16 are matched. Therefore, if the optical fiber 8 is adjusted as described above, the timing of the pulses in the other light beam (used in a non-linear microscope or the like) demultiplexed by the half mirror 3 matches.

光検出器16は、例えば、フォトダイオードなどの受光素子と、受光素子で生じた電流を電圧に変換して出力する電気回路からなる。光検出器16の受光素子は、2光子吸収信号を得るために、第1の光パルス列の光子エネルギー(E1∝1/λ1)と第2の光パルス列の光子エネルギー(E2∝1/λ2)の和、つまりE1+E2に対応した波長λ1・λ2/(λ1+λ2)に感度を有する。第1の光パルス列の波長が800nm、第2の光パルス列の波長が1030nmである場合、受光素子は450nm近傍に光検出の感度を持つ必要があり、GaAsPフォトダイオードが適する。第1または第2の光パルス列の波長がより大きい場合は、受光素子としてSiフォトダイオードを用いることが好ましい。   The photodetector 16 includes, for example, a light receiving element such as a photodiode and an electric circuit that converts a current generated in the light receiving element into a voltage and outputs the voltage. In order to obtain a two-photon absorption signal, the light receiving element of the photodetector 16 has a photon energy (E1∝1 / λ1) of the first optical pulse train and a photon energy (E2∝1 / λ2) of the second optical pulse train. Sensitivity is obtained at the wavelength λ1 · λ2 / (λ1 + λ2) corresponding to the sum, ie, E1 + E2. When the wavelength of the first optical pulse train is 800 nm and the wavelength of the second optical pulse train is 1030 nm, the light receiving element needs to have photodetection sensitivity in the vicinity of 450 nm, and a GaAsP photodiode is suitable. When the wavelength of the first or second optical pulse train is larger, it is preferable to use a Si photodiode as the light receiving element.

図2は、光検出器16が受光する光パルス列に関する時間プロファイルである。図2(a)は光検出器16の受光面における第1の光パルス列の強度の時間プロファイル、図2(b)は光検出器16の受光面における第2の光パルス列の強度の時間プロファイルである。本実施形態では、第1の光パルス列の第1の繰り返し周波数と第2の光パルス列の第2の繰り返し周波数の比を2:1としている。そのため、図2(a),(b)に示すように第1の光パルス列に含まれるパルスのタイミングは、1パルスおきに第2の光パルス列に含まれるパルスのタイミングと一致する。なお、第1の光パルス列の第1の繰り返し周波数と第2の光パルス列の第2の繰り返し周波数の比は、本実施形態のように2:1に限らず任意の整数比を使用してよい。図2(c)は、第1および第2の光パルス列がそれぞれ図2(a)および図2(b)で示す状態のときの第1および第2の光パルス列の光子エネルギーの和E1+E2に対応する2光子吸収信号(フォトダイオードで発生する電流)の時間プロファイルである。図2(d)は、光路長変調手段10によって光検出器16に遅れて到達したときの第2の光パルス列の強度の時間プロファイルである。図2(e)は、第1および第2の光パルス列がそれぞれ図2(a)および図2(d)で示す状態のときの第1および第2の光パルス列の光子エネルギーの和E1+E2に対応する2光子吸収信号の時間プロファイルである。2光子吸収信号は2つのパルスの強度の積に比例するため、図2(e)に示す第1および第2の光パルス列のパルスにタイミング差がある場合の2光子吸収信号は、図2(c)に示すタイミング差のない場合の2光子吸収信号に比べて小さい。   FIG. 2 is a time profile regarding the optical pulse train received by the photodetector 16. 2A is a time profile of the intensity of the first optical pulse train on the light receiving surface of the photodetector 16, and FIG. 2B is a time profile of the intensity of the second optical pulse train on the light receiving surface of the photodetector 16. is there. In the present embodiment, the ratio of the first repetition frequency of the first optical pulse train and the second repetition frequency of the second optical pulse train is 2: 1. Therefore, as shown in FIGS. 2A and 2B, the timing of the pulses included in the first optical pulse train coincides with the timing of the pulses included in the second optical pulse train every other pulse. The ratio between the first repetition frequency of the first optical pulse train and the second repetition frequency of the second optical pulse train is not limited to 2: 1 as in this embodiment, and an arbitrary integer ratio may be used. . FIG. 2C corresponds to the sum E1 + E2 of the photon energies of the first and second optical pulse trains when the first and second optical pulse trains are in the state shown in FIG. 2A and FIG. 2B, respectively. 2 is a time profile of a two-photon absorption signal (current generated in a photodiode). FIG. 2D is a time profile of the intensity of the second optical pulse train when the optical path length modulation means 10 arrives at the photodetector 16 with a delay. FIG. 2 (e) corresponds to the sum E1 + E2 of the photon energies of the first and second optical pulse trains when the first and second optical pulse trains are in the state shown in FIG. 2 (a) and FIG. 2 (d), respectively. 2 is a time profile of a two-photon absorption signal. Since the two-photon absorption signal is proportional to the product of the intensities of two pulses, the two-photon absorption signal when there is a timing difference between the pulses of the first and second optical pulse trains shown in FIG. It is smaller than the two-photon absorption signal when there is no timing difference shown in c).

光検出器16が出力する電圧には、E1+E2に対応する2光子吸収による成分以外に、E1+E1,E2+E2といった第1および第2の光パルス列自身の2光子吸収による成分、E1,E2といった元の光子エネルギーによる成分が含まれる。しかしながら、E1+E2以外の成分は、本実施形態の光パルス同期装置にとって不要である。特に、元の光子エネルギー(E1およびE2)による成分が検出されると、その成分は非常に大きいため、E1+E2の成分の検出が困難となる。そのため、光検出器16の受光素子のPN接合のバンドギャップが光子エネルギーE1,E2以上となるように調整して、元の光子エネルギーによる成分が検出されないようにすることが望ましい。光子エネルギーE1に対応する波長を800nm、光子エネルギーE2に対応する波長を1030nmとする場合、バンドギャップは光子エネルギーE1(=1.55エレクトロンボルト)以上に設定することが望ましい。なお、GaAsPフォトダイオードは、この条件を満たす。   In addition to the two-photon absorption component corresponding to E1 + E2, the voltage output from the photodetector 16 includes the two-photon absorption component of the first and second optical pulse trains such as E1 + E1 and E2 + E2, and the original photon such as E1 and E2. Contains energy components. However, components other than E1 + E2 are unnecessary for the optical pulse synchronizer of this embodiment. In particular, when a component due to the original photon energy (E1 and E2) is detected, the component is very large, so that it is difficult to detect the component E1 + E2. Therefore, it is desirable to adjust the band gap of the PN junction of the light receiving element of the photodetector 16 to be equal to or higher than the photon energy E1, E2 so that the component due to the original photon energy is not detected. When the wavelength corresponding to the photon energy E1 is 800 nm and the wavelength corresponding to the photon energy E2 is 1030 nm, the band gap is preferably set to be equal to or greater than the photon energy E1 (= 1.55 electron volts). The GaAsP photodiode satisfies this condition.

2光子吸収の成分で不要なもの(E1+E1およびE2+E2)に関しては、バンドギャップを利用して除くことはできないが、次に述べる方法でE1+E2に起因する成分のみを得ることができる。   The unnecessary two-photon absorption components (E1 + E1 and E2 + E2) cannot be removed using the band gap, but only the component due to E1 + E2 can be obtained by the method described below.

光路長変調手段10により光検出器16の受光素子に到達する第1および第2の光パルス列のパルスのタイミング差を変化させることで、E1+E2に起因する成分を変化させる。一方、E1+E1およびE2+E2に起因する成分は、各光パルス列自身によって生じるため変化しない。そのため、光検出器16の出力電圧に含まれる変調周波数成分の振幅を抽出することにより、E1+E2に起因する成分のみを得ることができる。   By changing the timing difference between the pulses of the first and second optical pulse trains that reach the light receiving element of the photodetector 16 by the optical path length modulation means 10, the component caused by E1 + E2 is changed. On the other hand, the components resulting from E1 + E1 and E2 + E2 do not change because they are generated by each optical pulse train itself. Therefore, by extracting the amplitude of the modulation frequency component included in the output voltage of the photodetector 16, only the component resulting from E1 + E2 can be obtained.

同期検波回路(同期検出手段)17は、ロックインアンプなどの電気回路であり、光検出器16の出力電圧である第1の電圧(第1の信号)に含まれる変調周波数成分の振幅を抽出し、第2の電圧(第2の信号)として出力する。具体的には、光検出器16が出力する電圧と、変調周波数の矩形または正弦波形の電圧信号とをミキサ−で混合させ、その後でローパスフィルタ回路を通過させた電圧信号を出力する。ローパスフィルタの遮断周波数は、光パルス列の周波数をフィードバック制御するのに適した周波数として1kHz程度に設定する。   The synchronous detection circuit (synchronization detection means) 17 is an electric circuit such as a lock-in amplifier, and extracts the amplitude of the modulation frequency component contained in the first voltage (first signal) that is the output voltage of the photodetector 16. And output as a second voltage (second signal). Specifically, a voltage output from the photodetector 16 and a voltage signal having a rectangular or sine waveform having a modulation frequency are mixed by a mixer, and then a voltage signal that has passed through a low-pass filter circuit is output. The cutoff frequency of the low-pass filter is set to about 1 kHz as a frequency suitable for feedback control of the frequency of the optical pulse train.

図3は、光検出器16の出力電圧と、同期検波回路17で利用する変調周波数の電圧の時間プロファイルである。図3では、光検出器16の帯域周波数が各光パルス列の繰り返し周波数より小さいとして模式的に表示している。つまり、1パルスごとの時間プロファイルは検出することはできず、数パルス〜数100パルス分の信号が平均化されている。光検出器16の出力電圧には、変化するE1+E2に起因する成分の他、E1+E1およびE2+E2に起因する成分が含まれている。図4は、パルスのタイミング差と同期検波回路17の出力電圧の関係を示したものである。   FIG. 3 is a time profile of the output voltage of the photodetector 16 and the voltage of the modulation frequency used in the synchronous detection circuit 17. In FIG. 3, the band frequency of the photodetector 16 is schematically shown as being smaller than the repetition frequency of each optical pulse train. That is, the time profile for each pulse cannot be detected, and signals for several pulses to several hundred pulses are averaged. The output voltage of the photodetector 16 includes components due to E1 + E1 and E2 + E2 in addition to components due to changing E1 + E2. FIG. 4 shows the relationship between the pulse timing difference and the output voltage of the synchronous detection circuit 17.

第1および第2の光パルス列が同期している場合、光検出器16の出力電圧は、第2の光パルス列の光路長の変化によって、図3の実線で示すように周期的に変化する。ここで、第1および第2の光パルス列が同期しているとは、ハーフミラー3の位置において、第1および第2の光パルス列のパルスのタイミングが一致していることを指す。図3の二点鎖線で示す変調周波数の電圧がゼロのときに、第1および第2の光パルス列のパルスのタイミングが一致し、光検出器16の出力電圧が最大となる。変調周波数の電圧が正または負になると、パルスにタイミング差が生じて光検出器16の出力電圧は小さくなる。この場合の同期検波回路17の出力電圧は、図3の実線と二点鎖線の積を時間平均したものであるから、図4においてゼロとなる。   When the first and second optical pulse trains are synchronized, the output voltage of the photodetector 16 changes periodically as shown by the solid line in FIG. 3 due to the change in the optical path length of the second optical pulse train. Here, the fact that the first and second optical pulse trains are synchronized means that the timings of the pulses of the first and second optical pulse trains coincide at the position of the half mirror 3. When the voltage of the modulation frequency indicated by the two-dot chain line in FIG. 3 is zero, the pulse timings of the first and second optical pulse trains coincide with each other, and the output voltage of the photodetector 16 becomes maximum. When the voltage of the modulation frequency becomes positive or negative, a timing difference occurs in the pulse, and the output voltage of the photodetector 16 decreases. The output voltage of the synchronous detection circuit 17 in this case is zero in FIG. 4 because it is the time average of the product of the solid line and the two-dot chain line in FIG.

パルスレーザ1またはパルスレーザ2の共振器長が外乱により変化し、第1および第2の光パルス列のパルスにタイミング差が生じた際の同期検波回路17の出力について説明する。パルスのタイミング差は、変調周波数および同期検波回路17のローパスフィルタ遮断周波数よりも小さな周波数で変化するとする。   The output of the synchronous detection circuit 17 when the resonator length of the pulse laser 1 or the pulse laser 2 changes due to a disturbance and a timing difference occurs between the pulses of the first and second optical pulse trains will be described. The pulse timing difference changes at a frequency smaller than the modulation frequency and the low-pass filter cutoff frequency of the synchronous detection circuit 17.

第1の光パルス列が第2の光パルス列に対して遅れた場合、図3の点線で示すように、光検出器16の出力電圧は、光路長変調手段10によって第2の光パルス列を遅らせた時間帯(変調周波数の信号が正となる時間帯)において最大となる。この場合の同期検波回路17の出力電圧は、図3の点線と二点鎖線の積を時間平均したものであるから、図4において正の値となる。第1の光パルス列の遅れがより大きい場合、同期検波回路17はより大きな正の値を出力する。   When the first optical pulse train is delayed with respect to the second optical pulse train, the output voltage of the photodetector 16 is delayed by the optical path length modulation means 10 as shown by the dotted line in FIG. It becomes the maximum in the time zone (the time zone in which the signal of the modulation frequency is positive). Since the output voltage of the synchronous detection circuit 17 in this case is the time average of the product of the dotted line and the two-dot chain line in FIG. 3, the output voltage is a positive value in FIG. When the delay of the first optical pulse train is larger, the synchronous detection circuit 17 outputs a larger positive value.

第1の光パルス列が第2の光パルス列に対して進んだ場合、図3の一点鎖線で示すように、光検出器16の出力電圧は、光路長変調手段10によって第2の光パルス列を進ませた時間帯(変調周波数の信号が負となる時間帯)において最大値となる。この場合の同期検波回路17の出力電圧は、図3の一点鎖線と二点鎖線の積を時間平均したものであるから、図4において負の値となる。第1の光パルス列の進みがより大きい場合、同期検波回路17は絶対値がより大きな負の値を出力する。   When the first optical pulse train advances with respect to the second optical pulse train, the output voltage of the photodetector 16 advances by the optical path length modulation means 10 through the second optical pulse train as shown by the one-dot chain line in FIG. It becomes the maximum value in the time zone (time zone in which the signal of the modulation frequency is negative). The output voltage of the synchronous detection circuit 17 in this case is a negative value in FIG. 4 because the product of the one-dot chain line and the two-dot chain line in FIG. 3 is time-averaged. When the advance of the first optical pulse train is larger, the synchronous detection circuit 17 outputs a negative value having a larger absolute value.

上述したように、同期検波回路17の出力電圧は、第1および第2の光パルス列のパルスがハーフミラー3に到達する際のタイミング差を反映している。   As described above, the output voltage of the synchronous detection circuit 17 reflects the timing difference when the pulses of the first and second optical pulse trains reach the half mirror 3.

フィードバック回路18は、同期検波回路17の出力電圧に対応したパルスのタイミング差を補正するために、パルスレーザ2内の周波数調整手段(調整手段)19に印加する電圧を出力する。   The feedback circuit 18 outputs a voltage to be applied to a frequency adjusting means (adjusting means) 19 in the pulse laser 2 in order to correct a pulse timing difference corresponding to the output voltage of the synchronous detection circuit 17.

周波数調整手段19は、位相変調器またはミラーを取り付けたステージによって構成され、位相変調器への電圧印加やステージ駆動により共振器長を調整する。また、周波数調整手段19は、パルスレーザ1内に設置して、パルスレーザ1の共振器長を調整してもよい。   The frequency adjusting means 19 is constituted by a stage to which a phase modulator or a mirror is attached, and adjusts the resonator length by applying a voltage to the phase modulator or driving the stage. The frequency adjusting means 19 may be installed in the pulse laser 1 to adjust the resonator length of the pulse laser 1.

同期検波回路17の出力電圧が正の値である場合、第1の光パルス列は第2の光パルス列に対して遅れているので、パルスレーザ2の共振器長を大きくすることで第2の光パルス列を遅らせて第1および第2の光パルス列を同期させる。そのために、フィードバック回路18は、パルスレーザ2の共振器長を大きくするような電圧を周波数調整手段19に印加する。同期検波回路17の出力電圧が負の値である場合はその逆で、フィードバック回路18はパルスレーザ2の共振器長を小さくするような電圧を出力する。以上説明したように、同期検波回路17の出力電圧をゼロにするようなフィードバック制御により、第1および第2の光パルス列のパルスのタイミングを一致させる。なお、同期検波回路17の出力電圧がゼロでない値となるようにフィードバック回路18を構成し、第1および第2の光パルス列のパルスに所定のタイミング差を与えることも可能である。   When the output voltage of the synchronous detection circuit 17 is a positive value, the first optical pulse train is delayed with respect to the second optical pulse train, so that the second light is increased by increasing the resonator length of the pulse laser 2. The first and second optical pulse trains are synchronized by delaying the pulse train. For this purpose, the feedback circuit 18 applies a voltage that increases the resonator length of the pulse laser 2 to the frequency adjusting means 19. When the output voltage of the synchronous detection circuit 17 is a negative value, the opposite is true, and the feedback circuit 18 outputs a voltage that reduces the resonator length of the pulse laser 2. As described above, the pulse timings of the first and second optical pulse trains are made to coincide with each other by feedback control that makes the output voltage of the synchronous detection circuit 17 zero. Note that the feedback circuit 18 can be configured so that the output voltage of the synchronous detection circuit 17 is not zero, and a predetermined timing difference can be given to the pulses of the first and second optical pulse trains.

本実施形態の光パルス同期装置では、第2の光パルス列に対して第1の光パルス列が遅れているか、または進んでいるか、を同期検波回路17の出力電圧の符号で判別できる。そのため、光強度やパルス幅が変化した場合であっても、同期検波回路17の出力電圧の絶対値が変わるだけで符号は変化しないため、光パルス列の同期が実現可能となる。同様に、光検出器16が感度を有する範囲内で波長が変化した場合であっても、光パルス列の同期が実現可能となる。また、光検出器を1つだけ利用しているので、特許文献2のように対物レンズと光検出器の配置状態を2つの光検出器で一致させる必要がない。   In the optical pulse synchronizer of this embodiment, it can be determined by the sign of the output voltage of the synchronous detection circuit 17 whether the first optical pulse train is delayed or advanced with respect to the second optical pulse train. For this reason, even if the light intensity or the pulse width changes, the sign does not change only by the change in the absolute value of the output voltage of the synchronous detection circuit 17, so that the synchronization of the optical pulse train can be realized. Similarly, even if the wavelength changes within a range in which the photodetector 16 has sensitivity, synchronization of the optical pulse train can be realized. Further, since only one photodetector is used, it is not necessary to match the arrangement state of the objective lens and the photodetector between the two photodetectors as in Patent Document 2.

また、本実施形態では、2つのパルスレーザの発する光の波長を異ならせているが、ダイクロイックミラーの代わりに偏光ビームスプリッタを利用することで2つのパルスレーザの発する同じ波長の光パルス列を同期させることが容易に可能となる。   In the present embodiment, the wavelengths of light emitted by the two pulse lasers are different from each other. However, by using a polarization beam splitter instead of the dichroic mirror, the optical pulse trains of the same wavelength emitted by the two pulse lasers are synchronized. Is easily possible.

また、本実施形態では、光路長変調手段10によって光ファイバ9の光路長を変化させているが、光ファイバ8の光路長を変化させても上述した効果を得ることが可能である。また、本実施形態では、光路長変調手段を1つだけ設けているが、複数設けてもよい。例えば、光路長変調手段10と同一の光路長変調手段を光ファイバ8の伸縮に用いる。このとき、光ファイバ8の伸縮の位相は、光ファイバ9の伸縮の位相と反転させておく。そうすることで、2つの光路長変調手段による光路長の変調量が2倍となるため、パルス幅がより大きな光パルス列においても光パルス列を安定して同期させることが可能となる。   In this embodiment, the optical path length of the optical fiber 9 is changed by the optical path length modulation means 10, but the above-described effect can be obtained even if the optical path length of the optical fiber 8 is changed. In the present embodiment, only one optical path length modulation means is provided, but a plurality of optical path length modulation means may be provided. For example, the same optical path length modulation means as the optical path length modulation means 10 is used for expansion and contraction of the optical fiber 8. At this time, the expansion / contraction phase of the optical fiber 8 is reversed with the expansion / contraction phase of the optical fiber 9. By doing so, the amount of modulation of the optical path length by the two optical path length modulation means is doubled, so that the optical pulse train can be stably synchronized even in an optical pulse train having a larger pulse width.

また、本実施形態の光路長変調手段10では、電歪素子を円筒の動径方向に伸縮させることで巻きつけた光ファイバ9を伸縮させているが、直線的に光ファイバを伸縮させてもよい。図5に示すように、光ファイバやコリメータレンズを利用しない光路長変調手段として、光路長変調手段30を電動ステージ(駆動手段)31とミラー(反射部材)32〜35によって構成してもよい。   Further, in the optical path length modulation means 10 of the present embodiment, the wound optical fiber 9 is expanded and contracted by expanding and contracting the electrostrictive element in the radial direction of the cylinder, but the optical fiber can be expanded and contracted linearly. Good. As shown in FIG. 5, the optical path length modulation means 30 may be constituted by an electric stage (drive means) 31 and mirrors (reflection members) 32 to 35 as optical path length modulation means that do not use an optical fiber or a collimator lens.

また、光検出器16は、E1+E2の光子エネルギーに対応する波長に感度を持ち、変調周波数以上の帯域をもつ他の光検出器に置き換えてもよい。   The photodetector 16 may be replaced with another photodetector having sensitivity to a wavelength corresponding to the photon energy of E1 + E2 and having a band equal to or higher than the modulation frequency.

次に、本実施形態の光パルス同期装置を利用したSRS(stimulated Raman scattering、誘導ラマン散乱)顕微鏡について、図6を用いて説明する。SRS顕微鏡では、異なる波長の2つの光を光学系により同時に試料に照射することで発生するSRSを検出系により検出する。SRSは、非線形光学現象の一つであり、それぞれの波長の光の強度の積に比例して発生する。そのため、効率よくSRSを発生させるために、2つの波長のレーザの光ビームを同一地点に集光し、かつ2つの波長の光パルスが同時に集光するよう光パルス列を同期させる。SRSが発生すると、2つの波長の光パルスのうち、波長が短い方の光パルスの強度が弱まり、波長が長い方の光パルスの強度が強まる。また、SRSを効率よく発生させるため、パルス幅が1〜10psの短パルスレーザを利用するのが望ましい。   Next, an SRS (stimulated Raman scattering) microscope using the optical pulse synchronizer of this embodiment will be described with reference to FIG. In the SRS microscope, SRS generated by simultaneously irradiating a sample with two lights having different wavelengths is detected by a detection system. SRS is one of nonlinear optical phenomena and is generated in proportion to the product of the intensity of light of each wavelength. Therefore, in order to generate SRS efficiently, the optical pulse train is synchronized so that the light beams of the lasers of two wavelengths are collected at the same point and the optical pulses of the two wavelengths are simultaneously condensed. When SRS occurs, the intensity of the light pulse having the shorter wavelength of the light pulses having the two wavelengths is weakened, and the intensity of the light pulse having the longer wavelength is increased. In order to efficiently generate SRS, it is desirable to use a short pulse laser having a pulse width of 1 to 10 ps.

本実施形態では、パルスレーザ1として中心波長(λ1)800nm、繰り返し周波数80MHzの固体レーザ(チタンサファイアレーザ)を利用する。また、パルスレーザ2として、中心波長(λ2)1030nm、繰り返し周波数40MHzのイッテルビウムドープファイバレーザを利用する。   In this embodiment, a solid-state laser (titanium sapphire laser) having a center wavelength (λ1) of 800 nm and a repetition frequency of 80 MHz is used as the pulse laser 1. As the pulse laser 2, an ytterbium-doped fiber laser having a center wavelength (λ2) of 1030 nm and a repetition frequency of 40 MHz is used.

ハーフミラー3は、パルスレーザ1,2から照射される光ビームを同軸に合波するとともに、2方向へ分波する。分波した一方の光ビームは光パルス同期装置に入射し、他方の光ビームはSRS顕微鏡100に入射する。本実施形態のパルスレーザ1,2および光パルス同期装置50により照明装置を構成している。   The half mirror 3 coaxially multiplexes the light beams emitted from the pulse lasers 1 and 2 and demultiplexes them in two directions. One of the demultiplexed light beams enters the optical pulse synchronizer, and the other light beam enters the SRS microscope 100. The pulse lasers 1 and 2 and the optical pulse synchronizer 50 of this embodiment constitute an illumination device.

パルスレーザ1,2の光ビームは、同軸でビームスキャナ101に入射し、ビームスキャナ101により偏向して出射する。ビームスキャナ101は、ガルバノスキャナとレゾナントスキャナで構成され、直交する2方向へ光軸の向きを変える。図の簡略化のため、ビームスキャナ101内の2つのミラーは、図6において1つのミラーで代表して表示している。レゾナントスキャナ(スキャン周波数8kHz)とガルバノスキャナ(スキャン周波数15Hz)を利用すれば、500ラインの画像を毎秒30フレーム取得することができる。   The light beams of the pulse lasers 1 and 2 are coaxially incident on the beam scanner 101, deflected by the beam scanner 101, and emitted. The beam scanner 101 includes a galvano scanner and a resonant scanner, and changes the direction of the optical axis in two orthogonal directions. For simplification of the drawing, two mirrors in the beam scanner 101 are represented by one mirror in FIG. If a resonant scanner (scan frequency 8 kHz) and a galvano scanner (scan frequency 15 Hz) are used, an image of 500 lines can be acquired at 30 frames per second.

ビームスキャナ101で偏向された光ビームは、レンズ102,103を通して対物レンズ104に入射する。ビームスキャナ101と対物レンズ104の入射瞳が共役となるようにレンズ102,103を配置することで、ビームスキャナ101で光ビームが偏向しても、遮光により光量が変化することなく試料105に集光する。レンズ102,103の焦点距離は、対物レンズ104の入射瞳サイズと入射する光ビームサイズが同等になるように選択する。そうすれば、対物レンズ104により集光する光スポットサイズを最小化させ、SRS信号を検出する空間分解能が向上する。また、光スポットの強度が高まることでSRS信号が大きくなるので、SRS信号を検出するSN比も向上する。対物レンズ104は、SRS信号を検出する空間分解能とSN比の観点から、開口数(NA)の大きい対物レンズが望ましい。   The light beam deflected by the beam scanner 101 enters the objective lens 104 through the lenses 102 and 103. By arranging the lenses 102 and 103 so that the entrance pupils of the beam scanner 101 and the objective lens 104 are conjugate, even if the light beam is deflected by the beam scanner 101, the amount of light is collected on the sample 105 without being changed by light shielding. Shine. The focal lengths of the lenses 102 and 103 are selected so that the entrance pupil size of the objective lens 104 is equal to the incident light beam size. By doing so, the size of the light spot collected by the objective lens 104 is minimized, and the spatial resolution for detecting the SRS signal is improved. Further, since the SRS signal is increased by increasing the intensity of the light spot, the SN ratio for detecting the SRS signal is also improved. The objective lens 104 is desirably an objective lens having a large numerical aperture (NA) from the viewpoint of the spatial resolution for detecting the SRS signal and the SN ratio.

試料105は、数10〜200μmの厚みのカバーガラス(不図示)により挟まれている。ビームスキャナ101による光ビームの偏向により、試料105に集光した光スポットは2次元走査され、SRS信号が2次元画像化される。SRS信号は、集光した光スポットに局在して生じるため、ステージ(不図示)により試料105を光軸方向に移動させることで3次元画像を得ることもできる。   The sample 105 is sandwiched between cover glasses (not shown) having a thickness of several tens to 200 μm. The light spot focused on the sample 105 is two-dimensionally scanned by the deflection of the light beam by the beam scanner 101, and the SRS signal is converted into a two-dimensional image. Since the SRS signal is generated locally at the collected light spot, a three-dimensional image can be obtained by moving the sample 105 in the optical axis direction by a stage (not shown).

対物レンズ106は、試料105を透過し、SRSによって強度変調をうけた光をもれなく受け取るべく、対物レンズ104のNAと同等以上のNAの対物レンズとする。対物レンズ106を出射した光ビームは、フィルタ107、レンズ108を透過した後、フォトダイオード109の受光面に照射される。フィルタ107は、誘電体多層膜で構成され、波長λ2の光を遮断し、波長λ1の光を透過する。フォトダイオード109には、パルスレーザ1から出射し、SRSによる強度変調を1パルスごとに繰り返す光パルス列が照射される。フォトダイオード109は、800nmの光パルス列に感度をもつシリコンフォトダイオードで遮断周波数が40MHz以上であるものを利用する。   The objective lens 106 is an objective lens having an NA equal to or greater than the NA of the objective lens 104 so as to receive all the light that has passed through the sample 105 and has been intensity-modulated by SRS. The light beam emitted from the objective lens 106 passes through the filter 107 and the lens 108 and is then irradiated on the light receiving surface of the photodiode 109. The filter 107 is formed of a dielectric multilayer film, blocks light of wavelength λ2, and transmits light of wavelength λ1. The photodiode 109 is irradiated with an optical pulse train that is emitted from the pulse laser 1 and repeats intensity modulation by SRS for each pulse. As the photodiode 109, a silicon photodiode having sensitivity to an optical pulse train of 800 nm and having a cutoff frequency of 40 MHz or more is used.

電流電圧変換回路110は、フォトダイオード109で発生した電流信号を電圧として出力するための電気回路である。   The current-voltage conversion circuit 110 is an electric circuit for outputting a current signal generated by the photodiode 109 as a voltage.

同期検波回路111は、電流電圧変換回路110が出力する電圧信号から40MHz成分の振幅を抽出し電圧として出力するもので、ミキサ回路またはロックインアンプを利用する。同期検波回路111の出力電圧は、試料105における集光点でSRSがどの程度起きたかを示す。   The synchronous detection circuit 111 extracts the amplitude of a 40 MHz component from the voltage signal output from the current-voltage conversion circuit 110 and outputs it as a voltage, and uses a mixer circuit or a lock-in amplifier. The output voltage of the synchronous detection circuit 111 indicates how much SRS has occurred at the focal point of the sample 105.

計算機112は、ビームスキャナ101の制御信号を利用し、同期検波回路111の出力信号を2次元画像化し、表示する。計算機112は、ステージ(不図示)で試料105を光軸方向に移動させて取得したSRS信号を、3次元画像表示することもできる。また、計算機112は、2つのパルスレーザの少なくとも一方の波長を変化させて取得したSRS信号からラマンスペクトルを表示することもできる。   The computer 112 uses the control signal of the beam scanner 101 to convert the output signal of the synchronous detection circuit 111 into a two-dimensional image and display it. The calculator 112 can also display a three-dimensional image of the SRS signal acquired by moving the sample 105 in the optical axis direction on a stage (not shown). The computer 112 can also display the Raman spectrum from the SRS signal acquired by changing the wavelength of at least one of the two pulse lasers.

第1および第2の光パルス列のパルスのタイミングが、図2(a),(b)で示されるように一致し、かつ試料105上の同一地点に集光させると、SRSによって試料105を透過した光パルスの光強度が変化する。具体的には、図2(a)におけるパルス1,3,5の光強度は小さくなり、パルス2,4の光強度は変化しない。検出した光強度の差がSRS信号に対応し、光ビームを集光させた地点に含まれる分子の情報が反映される。例えば、集光させた地点に含まれる分子振動の共振周波数と2つのレーザの光周波数の差(c/λ1−c/λ2)が一致したとき、SRS信号が大きくなる。なお、cは、光速を表している。2つのレーザの光周波数の差(c/λ1−c/λ2)を変化させながら、SRS信号を取得することでラマンスペクトルを取得できる。ラマンスペクトルから試料にどのような分子が含まれるか推定できる。したがって、SRS顕微鏡は、自発ラマンを利用した顕微鏡と同等のスペクトルを取得することができる。SRSの散乱効率は自発ラマン散乱の散乱効率より非常に大きいため、SRS顕微鏡は自発ラマン散乱を利用した顕微鏡より短い時間でラマンスペクトルを取得することが可能となる。本実施形態のSRS顕微鏡では、ラマンスペクトルを得るために2つのレーザの少なくとも一方の波長を変化させても、光パルス同期装置により安定に光パルス列を同期させることが可能である。   When the timings of the pulses of the first and second optical pulse trains coincide as shown in FIGS. 2A and 2B and are condensed at the same point on the sample 105, the sample 105 is transmitted through the SRS. The light intensity of the applied light pulse changes. Specifically, the light intensity of the pulses 1, 3, and 5 in FIG. 2 (a) decreases, and the light intensity of the pulses 2 and 4 does not change. The difference in the detected light intensity corresponds to the SRS signal, and the information on the molecules contained in the spot where the light beam is condensed is reflected. For example, the SRS signal becomes large when the resonance frequency (c / λ1−c / λ2) between the resonance frequencies of the molecular vibrations contained in the focused spot and the optical frequencies of the two lasers coincide. Note that c represents the speed of light. The Raman spectrum can be acquired by acquiring the SRS signal while changing the difference (c / λ1-c / λ2) between the optical frequencies of the two lasers. It can be estimated from the Raman spectrum what kind of molecules are contained in the sample. Therefore, the SRS microscope can acquire a spectrum equivalent to a microscope using spontaneous Raman. Since the scattering efficiency of SRS is much larger than that of spontaneous Raman scattering, the SRS microscope can acquire a Raman spectrum in a shorter time than a microscope using spontaneous Raman scattering. In the SRS microscope of the present embodiment, the optical pulse train can be stably synchronized by the optical pulse synchronizer even if the wavelength of at least one of the two lasers is changed in order to obtain a Raman spectrum.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.

10 光路長変調手段(変調手段)
16 光検出器(光検出手段)
17 同期検波回路(同期検出手段)
19 周波数調整手段(調整手段)
10 Optical path length modulation means (modulation means)
16 photodetector (light detection means)
17 Synchronous detection circuit (synchronous detection means)
19 Frequency adjustment means (adjustment means)

Claims (11)

第1の繰り返し周波数で生成される第1の光パルスと第2の繰り返し周波数で生成される第2の光パルスとを同期する光パルス同期装置であって、
前記第1および第2の光パルスの少なくとも一方の光路長を変調周波数で変化させる変調手段と、
前記第1および第2の光パルスを受光して第1の信号を出力する光検出手段と、
前記変調周波数の信号および前記第1の信号に基づいて第2の信号を出力する同期検出手段と、
前記第2の信号に応じて前記第1および第2の繰り返し周波数の少なくとも一方を調整する調整手段と、を有することを特徴とする光パルス同期装置。
An optical pulse synchronizer that synchronizes a first optical pulse generated at a first repetition frequency and a second optical pulse generated at a second repetition frequency,
Modulation means for changing an optical path length of at least one of the first and second optical pulses at a modulation frequency;
Light detecting means for receiving the first and second light pulses and outputting a first signal;
Synchronization detecting means for outputting a second signal based on the signal of the modulation frequency and the first signal;
And an adjusting means for adjusting at least one of the first and second repetition frequencies according to the second signal.
前記第1の信号は、前記第1および第2の光パルスを受光するときのそれぞれのパルスのタイミング差に応じた信号であることを特徴とする請求項1に記載の光パルス同期装置。   2. The optical pulse synchronizer according to claim 1, wherein the first signal is a signal corresponding to a timing difference between the first and second optical pulses when the first and second optical pulses are received. 前記第1および第2の光パルスが通過する光ファイバを更に有することを特徴とする請求項1または2に記載の光パルス同期装置。   The optical pulse synchronizer according to claim 1, further comprising an optical fiber through which the first and second optical pulses pass. 前記変調手段は、前記光ファイバを伸縮させる電歪素子を含むことを特徴とする請求項3に記載の光パルス同期装置。   4. The optical pulse synchronizer according to claim 3, wherein the modulation means includes an electrostrictive element that expands and contracts the optical fiber. 前記第1および第2の光パルスを反射させる反射部材を更に有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光パルス同期装置。   5. The optical pulse synchronizer according to claim 1, further comprising a reflection member that reflects the first and second optical pulses. 6. 前記変調手段は、前記反射部材を移動させる駆動手段を含むことを特徴とする請求項5に記載の光パルス同期装置。   6. The optical pulse synchronizer according to claim 5, wherein the modulation means includes drive means for moving the reflecting member. 前記光検出手段は、前記第1および第2の光パルス列を受光するフォトダイオードを有し、
該フォトダイオードは、2光子吸収により生じる電流を検出することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光パルス同期装置。
The light detection means includes a photodiode for receiving the first and second optical pulse trains,
7. The optical pulse synchronizer according to claim 1, wherein the photodiode detects a current generated by two-photon absorption.
前記第1の光パルスを射出する第1の光生成手段と、
前記第2の光パルスを射出する第2の光生成手段と、
請求項1から7のいずれか1項に記載の光パルス同期装置と、を備えることを特徴とする照明装置。
First light generating means for emitting the first light pulse;
Second light generating means for emitting the second light pulse;
An illuminating device comprising: the optical pulse synchronizer according to claim 1.
請求項8に記載の照明装置と、
前記第1および第2の光パルスを試料に照射する光学系と、を備えることを特徴とする光学顕微鏡。
A lighting device according to claim 8;
And an optical system for irradiating the sample with the first and second light pulses.
前記第1および第2の光パルスが前記試料に照射されることで生じるラマン散乱により強度変調された光を検出する検出系を備えることを特徴とする請求項9に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 9, further comprising: a detection system that detects light whose intensity is modulated by Raman scattering generated when the first and second light pulses are applied to the sample. 第1の繰り返し周波数で生成される第1の光パルスと第2の繰り返し周波数で生成される第2の光パルスとを同期する光パルスの同期方法であって、
前記第1および第2の光パルスの少なくとも一方の光路長を変調周波数で変化させる変調工程と、
前記第1および第2の光パルスを受光して第1の信号を出力する光検出工程と、
前記変調周波数の信号および前記第1の信号に基づいて第2の信号を出力する同期検出工程と、
前記第2の信号に応じて前記第1および第2の繰り返し周波数の少なくとも一方を調整する調整工程と、を有することを特徴とする光パルスの同期方法。
An optical pulse synchronization method for synchronizing a first optical pulse generated at a first repetition frequency and a second optical pulse generated at a second repetition frequency,
A modulation step of changing an optical path length of at least one of the first and second optical pulses at a modulation frequency;
A light detection step of receiving the first and second light pulses and outputting a first signal;
A synchronization detection step of outputting a second signal based on the signal of the modulation frequency and the first signal;
And an adjusting step of adjusting at least one of the first and second repetition frequencies in accordance with the second signal.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007278768A (en) * 2006-04-04 2007-10-25 Toshiba Corp Microscope device
US8629980B2 (en) * 2009-06-03 2014-01-14 Canon Kabushiki Kaisha Optical microscope and optical instrumentation
JP5623652B2 (en) * 2011-03-04 2014-11-12 キヤノン株式会社 Raman scattering measuring apparatus and stimulated Raman scattering detection method
JP6008299B2 (en) * 2011-09-30 2016-10-19 学校法人東京理科大学 Optical interferometer, information acquisition apparatus, and information acquisition method
US10608400B2 (en) * 2011-10-04 2020-03-31 Cornell University Fiber source of synchronized picosecond pulses for coherent Raman microscopy and other applications

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