JP2017003311A - ファイバレーザ、光学装置、および計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストかつコンパクトな構成で、安定性や計測再現性が高く広帯域の観察が可能な計測装置、及びその計測装置に用いる光学装置およびファイバレーザを提供する。【解決手段】互いに異なる波長を有する第１の光パルス列と第２の光パルス列とを試料（１１８）に照射して当該試料からの光を計測する計測装置（１００）に用いられる、第２の光パルス列として散逸ソリトンを発振するファイバレーザ（１０４）である。そして、第１の光パルス列に第２の光パルス列を同期させるように第２の光パルス列の位相を変調する位相変調手段（１１３）を有する。【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計測装置、及びその計測装置に用いる光源装置およびファイバレーザに関する。

コヒーレントラマン散乱（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＣＲＳ）を利用して生体内分子の３次元分布や体内組成を観察する顕微鏡等の計測装置が提案されている。ＣＲＳの中でも特に誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＲＳ）を利用した場合、スペクトル歪みを削減でき、定量的な観察が可能となる。

ＳＲＳを利用した計測装置では、互いに波長が異なる同期した２つの光パルス（２波長光パルス）を試料に同時に照射してＳＲＳを誘起する。これは、２波長光パルスの光周波数の差が試料の分子振動数と一致すると両光パルスの集光点にてＳＲＳが生じる現象を利用している。これにより、試料を透過した２波長光パルスのうち、光周波数が高い光パルスの強度が減少し（誘導ラマンロス）、光周波数が低い光パルスの強度が増大する（誘導ラマンゲイン）。この誘導ラマンロスまたは誘導ラマンゲイン（以下、ともにＳＲＳ信号という場合がある）を検出することによって、試料の分子の振動情報に基づいた分子振動イメージングを実現できる。

また、２波長光パルスの光周波数を変化させることで、光周波数に対するＳＲＳ信号の依存性（ラマンスペクトル）を計測でき、試料の組織構造や組成を特定できる。

特許文献１には、繰り返し周波数が２：１であるチタンサファイアレーザとＹｂファイバレーザを同期させて、試料へ同時に集光するＳＲＳ計測装置が開示されている。この構成によれば、広帯域なＹｂファイバレーザと可変波長選択フィルタを用いているため、広範囲のラマンスペクトルを取得できる。

非特許文献１には、１台のファイバレーザからの光を分岐し、一方の光パルス列について、高非線形ファイバを用いて波長帯域を拡大しＹｂファイバ光増幅器を用いて光を増幅することで、広範囲のラマン分光観察を行うことが開示されている。また、高非線形ファイバによって波長帯域を拡大する前に、ファイバレーザからの光を光増幅する必要がある旨が記載されている。

特願２０１１−５１８４６７号公報 米国特許８４１６８１７号

Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．８，ｐ．１５３―１５９，２０１４． Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ，Ｖｏｌ.２５，Ｎｏ．２，２００８． Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ.３４，Ｎｏ．５，２００９．

特許文献１で開示されたＹｂファイバレーザは、内部の光損失が大きく、また外乱の影響を受けやすい非線形偏波回転法を用いている。そのため、レーザから発振された光のパワーやスペクトルが変動し、計測装置における計測再現性や稼働安定性が低くなる。また、レーザからの光や可変波長選択フィルタを透過した光の強度が低いため、多段の光増幅器が必要となる。

また、非特許文献１で開示された計測装置では広帯域光生成のためにパルス圧縮機構、高非線形ファイバ、多段の高出力光増幅器等が必要であるため、装置の大型化、高コスト化、複雑化等の問題がある。

そこで、本発明は、低コストかつコンパクトな構成で、安定性や計測再現性が高く広帯域の観察が可能な計測装置、及びその計測装置に用いる光学装置およびファイバレーザを提供する。

本発明の一側面としてのファイバレーザは、互いに異なる波長を有する第１の光パルス列と第２の光パルス列とを試料に照射して当該試料からの光を計測する計測装置に用いられる、第２の光パルス列として散逸ソリトンを発振するファイバレーザである。そして、第１の光パルス列に第２の光パルス列を同期させるように第２の光パルス列の位相を変調する位相変調手段を有することを特徴とする。

本発明の別側面としての光学装置は、互いに異なる波長を有する２つの光パルス列を試料に照射して当該試料からの光を計測する計測装置に用いられる光学装置である。そして、第１の光パルス列を生成する第１の光源装置と、第１の光パルス列とは異なる波長を有する第２の光パルス列を生成する第２の光源装置と、第１の光パルス列および第２の光パルス列のパルスタイミングを検出するパルスタイミング検出手段と、上記パルスタイミングに基づいて、第１の光パルス列と第２の光パルス列とが同期するように第２の光源装置を制御する同期制御手段と、を有する。第２の光源装置は、第２の光パルス列として散逸ソリトンを発振するファイバレーザであり、第２の光パルス列の位相を変調する位相変調手段を有し、同期制御手段は、上記パルスタイミングに基づいて位相変調手段を制御することで、第１の光パルス列と第２の光パルス列とを同期させることを特徴とする。

本発明によれば、低コストかつコンパクトな構成で、安定性や計測再現性が高く広帯域の観察が可能な計測装置、及びその計測装置に用いる光学装置およびファイバレーザを提供することである。

本発明の実施例１から６におけるＳＲＳ顕微鏡の構成を示すブロック図である。 実施例１におけるＹｂファイバレーザの構成を示すブロック図である。 実施例１におけるＹｂファイバレーザの時間波形の一例を示す図である。 実施例１におけるＹｂファイバレーザの光スペクトルの一例を示す図である。 実施例１におけるＹｂファイバレーザの自己相関波形の一例を示す図である。 実施例１におけるパルス同期時の時間波形の一例を示す図である。 本発明の実施例２におけるＹｂファイバレーザの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３におけるＹｂファイバレーザの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例４におけるＹｂファイバレーザの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例５であるＹｂファイバレーザの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例６であるＹｂファイバレーザの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である誘導ラマン散乱による計測装置の構成を示す。

図１において、１０１はパルス発振チタンサファイアレーザ（以下、単にチタンサファイアレーザ又は第１の光源という）である。１０２，１０５はビームスプリッタであり、１０３，１０８，１１６はミラーである。１０４は、パルス発振Ｙｂファイバレーザ（以下、単にＹｂファイバレーザ又は第２の光源という）である。１０６は、可変波長選択フィルタである。１０７，１０９は、合波ダイクロイックミラーである。１１０は、対物レンズである。

１１１は、光のパルス列間のパルスタイミングのずれ（パルスタイミングの差）を検出するパルスタイミング検出部である。１１２は、パルスタイミングのずれをなくすようにＹｂファイバレーザ１０４の繰り返し周波数を調整するパルス同期制御回路である。１１３は、パルス同期制御回路１１２からの信号に応じてＹｂファイバレーザ１０４の位相を変調する（光学的な共振器長を変更する）位相変調部である。１１４は、光路長を変更することで透過する光を遅延させる遅延光路付加部である。１１５は、後述する試料に集光する位置を走査するための光偏向素子（走査装置）である。

１１７は第１の対物レンズであり、１２０は第２の対物レンズである。１１８は試料であり、１１９は試料駆動ステージ（試料移動手段）である。１２１は、検出光以外の光を取り除く非検出光カットフィルタである。１２２は光検出器（光検出手段）であり、１２３はロックインアンプ（検出回路）である。１２４は、コンピュータ（処理装置）である。なお、各構成部品を結ぶ太い直線は光路を示し、矢印付き直線は電気配線を示す。構成部品間を結ぶ細い線は、ファイバ素子である。

第１の光源１０１としてのチタンサファイアレーザは、発振する光パルスの波長を約７００〜１０００ｎｍの範囲で変更することができ、パルス幅をフェムト秒からピコ秒の間で変更することもできる。本実施例では、チタンサファイアレーザ１０１の発振波長を７９０ｎｍとし、Ｙｂファイバレーザ１０４と組み合わせて、ＣＨ伸縮振動領域（約２８００〜３１００ｃｍ^−１）で測定を行う。なお、第１の光源１０１としてチタンサファイアレーザ等の固体レーザの他、ファイバレーザや半導体レーザなど、用途に応じて適宜変更してもよい。パルス幅は、ラマンスペクトルの高分解能とＳＲＳ信号の高感度検出を両立させる観点から、１〜１０ｐｓ程度が望ましい。

第２の光源１０４としてのＹｂファイバレーザは、発振する光パルスの波長を約１０００〜１１００ｎｍの範囲で変更できる。本実施例では、Ｙｂファイバレーザ１０４からの光（以下、Ｙｂファイバレーザ光ともいう）を可変波長選択フィルタ１０６によってフィルタリングすることによって任意の波長を選択し、試料１１８に照射する光の波長を変更する。Ｙｂファイバレーザ光と、パルスごとに同期（以下、パルス同期という）されたチタンサファイアレーザ１０１からの光（以下、チタンサファイアレーザ光ともいう）を同時に試料１１８に照射することでラマンスペクトルを取得する。

本実施例では、ロックイン検出を高速化して検出感度を向上するため、チタンサファイアレーザ１０１の繰り返し周波数がＹｂファイバレーザ１０４の繰り返し周波数の２倍となるようにＹｂファイバレーザ１０４の共振器を構成する。しかし、これに限定せず、チタンサファイアレーザ１０１の繰り返し周波数がＹｂファイバレーザ１０４の繰り返し周波数の２以上の整数倍となるようにしてもよい。

可変波長選択フィルタ１０６は、Ｙｂファイバレーザ光のうち、特定波長の光のみを透過（通過）する。可変波長選択フィルタ１０６としては、回折格子とスリットの組み合わせ、音響光学可変波長選択フィルタ、導波路型回折格子、ＦＢＧ等を用いる。可変波長選択フィルタ１０６によって選択する波長幅は、チタンサファイアレーザ１０１と同様にパルス幅は１〜１０ｐｓが好ましいため、そのフーリエ変換限界パルス幅に近い、およそ０．１〜１ｎｍ程度とするとよい。

コンピュータ１２４は、可変波長選択フィルタ１０６を制御し、透過する波長を選択する。例えば、回折格子とスリットを可変波長選択フィルタ１０６として用いる場合には、可動ステージ上に設置したスリットの位置や掃引速度を制御する。

ビームスプリッタ１０２，１０５は、パルスタイミング検出用の光を分岐する。このビームスプリッタとして偏光依存型と偏光無依存型のどちらを用いてもよく、例えばハーフミラーを用いてもよい。また、光パワーの分岐比は１：１である必要はなく、パルスタイミング検出器１１１に到達する光がパルスタイミング検出可能な強度を有していればよい。偏光依存型のビームスプリッタを用いる場合、ビームスプリッタの前段にλ／２波長板を挿入し、これを回転することによって、ビームスプリッタにおける分岐比を連続的に変更できる。

パルスタイミング検出器１１１は、チタンサファイアレーザ１０１からの光パルス列とＹｂファイバレーザ１０４からの光パルス列のタイミングのずれ（相対時間差）を検出する。タイミングのずれを検出するには、同軸に合成（合波）した両光パルスを対物レンズ１１０でフォトダイオード上に集光し、フォトダイオードにおける二光子吸収強度を検出すればよい。フォトダイオードには、入射する両光パルスの波長に対する感度が低く、両光パルスの間で生じる二光子吸収に高い感度を有するものを用いるのが好ましい。例えば、ＧａＡｓＰ製の半導体からなるフォトダイオードは、波長が７９０ｎｍであるチタンサファイアレーザ光と１０３０ｎｍであるＹｂファイバレーザ光は感知しないが、両光パルスが同時に入射することで生じる二光子吸収を高い感度で検出することができる。パルスのタイミング検出には二光子吸収の他、和周波発生等の非線形結晶を用いる方法を用いてもよい。

パルス同期制御回路１１２は、パルスタイミング検出器１１１が出力する電気信号を受け、パルスタイミングのずれをなくするようにＹｂファイバレーザ１０４の繰り返し周波数を調整することで、パルス同期制御を行う。本実施例では、繰り返し周波数の調整するために、Ｙｂファイバレーザ１０４の位相を変調する（光学的に共振器長を変更する）。位相変調部１１３は、パルス同期制御回路１１２からの制御信号に応じてＹｂファイバレーザ１０４の位相を変調する。本実施例では、後述のファイバ型位相変調器２０８を位相変調部１１３として用いる。

遅延光路付加部１１４は、ビームスプリッタ１０２，１０５からパルスタイミング検出器１１１までの光路長と、ビームスプリッタ１０２，１０５から試料１１８までの光路長とを一致させる。これにより、パルス同期された光を試料１１８に照射できる。遅延光路付加部１１４には、手動又は自動で移動するステージとミラーとの組み合わせやファイバディレイライン等のディレイラインを用いることができる。また、ファイバレーザや光増幅器等のファイバ長調整や光学素子の配置方法によって光路長差を無視できる場合には遅延光路付加部１１４を設けなくてもよい。また、適宜その他の箇所へ移設、または増設してよい。

ミラー１０３および合波ダイクロイックミラー１０７（照射光学系）は、その姿勢を調整することでチタンサファイアレーザ光とＹｂファイバレーザ光を同軸に合波（合成）する。光偏向素子１１５は、合波された両光の射出角度を偏向することで、試料１１８上における集光点の走査を行う。本実施例では、光偏向素子１１５としては、ガルバノミラーを用いる。高速走査のためにレゾナントミラーやポリゴンミラーを用いてもよい。顕微鏡を構成する際には、ガルバノミラーを２個用いて２次元走査を行ってもよい。後述するように両光の集光点を試料１１８上で２次元的に走査することで、試料１１８の形状や組成に関する分子振動情報の２次元分布を画像（ＳＲＳ画像）として取得できる。

ミラー１１６（照射光学系）は、合波ダイクロイックミラー１０７で合波され、光偏向素子１１５を経たチタンサファイアレーザ光とＹｂファイバレーザ光を第１の対物レンズ１１７に導く。第１の対物レンズ１１７は、入射した両光を試料１１８上の同一スポットに集光する。試料１１８は、試料駆動ステージ１１９上に設置される。試料駆動ステージ１１９は、ＸＹＺ方向に駆動することで、集光点の走査領域に試料１１８を移動する。

第２の対物レンズ１２０は、試料１１８からの光を光検出器１２２に集光する。光偏向素子１１５で走査を行った場合でも、試料１１８上の光量分布を均一にし、画像周辺部での光量低下を防ぐために、光偏向素子１１５のガルバノミラー面と第１の対物レンズ１１７の入射瞳面とを共役関係とするリレーレンズ対（走査光学系）を挿入する。また、光検出器１２２において集光が不十分な場合、ノイズが生じる。このノイズを低減するために、第２の対物レンズ１２０の開口数（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）を第１の対物レンズ１１７のものよりも大きくして試料１１８からの散乱光を高効率に集光することが好ましい。

本実施例では、Ｙｂファイバレーザ１０４の繰り返し周波数で誘起された誘導ラマンロスを検出する。そのために、非検出光カットフィルタ１２１を、Ｙｂファイバレーザ１０４よりも繰り返し周波数の高いチタンサファイアレーザ１０１からのパルス光のみを透過するものとする。非検出光カットフィルタ１２１を透過した光パルスは、光検出器１２２で電気信号に変換される。本実施例では、非検出光カットフィルタ１２１としてバンドパスフィルタを用いる。

ロックインアンプ１２３は、光検出器１２２からの電気信号中から、Ｙｂファイバレーザ１０４からのパルス光の繰り返し周波数でＳＲＳ信号（誘導ラマンロス）をロックイン検出（同期検波）する。このため、ロックイン検出の参照信号にはＹｂファイバレーザ１０４のパルス光に同期した電気信号を用いる。この参照用の電気信号は、例えばＹｂファイバレーザ１０４の一部の光を分岐して受光することで得られた電気信号を用いる。また、一部の光を分岐せずにスペクトルフィルタ２０５の中心波長を所望の発振波長から少し長い波長で設計し、光軸に対し傾斜させて共振器内に配置することでフィルタ反射光を取り出すこともできる。この場合、Ｙｂファイバレーザ１０４の共振器内に新たに素子を配置する必要がない。

コンピュータ１２４は、ロックインアンプ１２３によってロックイン検出されたＳＲＳ信号を読み出す。また、コンピュータ１２４は、ＳＲＳ信号に対する信号処理を行って、上述の様に可変波長選択フィルタ１０６を制御することで透過光の各波長での試料１１８に関する分子振動情報を画像化したＳＲＳ画像データ（２次元画像データ）を生成する。そして、コンピュータ１２４は、これらＳＲＳ画像データをディスプレイに表示する。ＳＲＳ画像データを生成する際、光偏向素子１１５からの信号をデータ収録開始のトリガー信号として用いる。また、コンピュータ１２４は、試料駆動ステージ１１９を制御して、試料１１８における観察部位を３次元的に設定することができる。また、コンピュータ１２４は、得られた各波長のＳＲＳ画像データに対して主成分分析、独立成分分析等といったスペクトル分析手法を適用し、特徴的な成分に注目して疑似カラー化してディスプレイ上に表示してもよい。

以下、本実施例のＳＲＳ計測装置１００について、詳細に説明する。

本実施例のようなＳＲＳ計測装置では、本実施例のＹｂファイバレーザ１０４にあたる第２の光源からの光の一部をフィルタリングすることによって、試料に照射する光の波長を変更しラマンスペクトルを広帯域で取得する。広帯域のラマンスペクトルを得るためには、第２の光源を広帯域発振させることが必要となり、同時に、第２の光源を小型かつ低コストで安定な再現性の高いものとすることも必要となる。そこで、本実施例のＳＲＳ計測装置１００は、第２の光源（Ｙｂファイバレーザ１０４）として、特許文献２や非特許文献２で開示されているような散逸性ソリトンファイバレーザ（ｄｉｓｓｉｐａｔｉｖｅ−ｓｏｌｉｔｏｎ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ）を用いる。

特許文献１に開示されているような従来方式では、Ｙｂファイバレーザの出力が低いため、可変波長選択フィルタ１０６の透過光をファイバ光増幅器等によって所望のパワーまで光増幅して試料へ照射する必要があった。しかし、散逸性ソリトンファイバレーザを用いれば、非特許文献３に記載のように出射パワーを〜数Ｗまで高めることができるため、可変波長選択フィルタ１０６でのフィルタリング後の光増幅器等を減らすことや、ゲインを抑えることができる。すなわち、散逸性ソリトンファイバレーザによれば高出力で安定性の高いパルス光を得ることがでるため、多段の光増幅器や波長変換素子を用いる必要もないため、小型で安定なＳＲＳ計測装置の提供を可能にする。

ここで、散逸性ソリトンファイバレーザをＳＲＳ計測装置の第２の光源１０４として用いるためには、第１の光源にあたるチタンサファイアレーザ１０１と出力パルスを同期させなければならず、特許文献２や非特許文献２に開示されている構成では足りない。そこで、本実施例では、散逸性ソリトンファイバレーザの共振器内に、適式に光学的な共振器長を制御する手段（位相変調部）を導入する。

位相変調部の導入方法によっては、共振器内のパワー損失が大きくなり、安定性が失われ、パルス発振自体が困難となる可能性がある。また、ファイバ型位相変調器を用いる場合、入力側ファイバが偏波保持ファイバに限定される。そのため、非線形偏波回転法を援用する方式では、偏光状態を保持しない共振器に偏波保持ファイバを設けることとなり、発振が不安定となる可能性もある。また、通常、ファイバ型位相変調器の最大入力パワーは１００ｍＷ程度までとなっているため、散逸性ソリトンファイバレーザの利点である高出力性が失われてしまう。

以下、図２を用いて、本実施例におけるＹｂファイバレーザ１０４の構成について詳細に説明する。

本実施例におけるＹｂファイバレーザ１０４によれば、ファイバ型位相変調器の偏波保持ファイバの偏光特性や入力制限パワーの制約が散逸ソリトン（Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｖｅ ｓｏｌｉｔｏｎ）に与える悪影響を低減できる。

図２は、本実施例におけるＹｂファイバレーザ１０４の共振器の構成を示す。２０１はファイバコリメータであり、２０２および２０３はそれぞれλ／４板およびλ／２板（偏光制御素子）である。２０４は偏光ビームスプリッタ（アウトプットカプラ）であり、２０５はスペクトルフィルタである。２０６は偏光依存空間型のアイソレータであり、２０７は、偏波保持型ファイバコリメータである。２０８はファイバ型位相変調器（位相変調部）である。２０９はＹｂファイバ励起用半導体レーザ（ゲインファイバ励起用半導体レーザ）であり、２１０は波長分割多重ファイバカプラ（波長分割多重カプラ）である。２１１はＹｂファイバ（ゲインファイバ）である。２１２はピエゾステージであり、１１２は図１におけるパルス同期制御回路である。その他、素子間を繋ぐファイバは、いずれも光を単一のモードで伝送するシングルモード型である。また、これら共振器内の物質は、全て正常分散媒質である。

共振器内の光パルスの進行方向は、アイソレータ２０６の透過方向（図２中の矢印方向）となる。以降の素子配置の説明において、光路上のパルスの進行方向の上流を前段といい、下流を後段という。

ファイバ型位相変調器２０８は、入射側に不図示の偏波保持ファイバを有している。この偏波保持ファイバは、偏波保持型ファイバコリメータ２０７に付随するファイバと、高速軸および低速軸（偏光軸）を一致させて融着接続する。このとき、偏波保持型ファイバコリメータ２０７の光軸回りの設置角度を偏光軸が入射光の偏光と一致するように調整することで、ファイバ型位相変調器２０８の透過率が最大となる。すなわち、アイソレータ２０６の出射光の偏光と偏波保持型ファイバコリメータ２０７の偏光軸が一致するように調整することで、入射光の偏光状態を一定に保ちつつファイバコリメータ２０７からファイバ型位相変調器２０８までの光損失を最小化できる。また、本実施例では、アイソレータ２０６を偏波保持型ファイバコリメータ２０７の直前に配置するが、スペクトルフィルタ２０５を偏波保持型ファイバコリメータ２０７の直前に配置することとしてもよい。その場合、スペクトルフィルタ２０５の出射光の偏光と偏波保持型ファイバコリメータ２０７の偏光軸が一致するように設置角度を調整する。

ファイバコリメータ２０７の光軸回りの設置角度は、別途偏波保持ファイバコリメータの前にλ／２板を設置することで調整してもよい。このとき、アイソレータ２０６の偏光軸も偏光ビームスプリッタ２０４を透過した光の偏光軸と一致するように調整することで偏光ビームスプリッタ２０４からファイバ型位相変調器２０８までの偏光を一定に保つことができる。これによって、非線形偏波回転法によるパルスの生成において、偏光ビームスプリッタ２０４からファイバ型位相変調器２０８までの透過光の偏光状態の変化によって発振が不安定となることを防ぐことができる。

また、ファイバ型位相変調器２０８をスペクトルフィルタ２０５の後段に配置するため、スペクトルフィルタ２０５の帯域制限によるパワー低下によって、ファイバ型位相変調器２０８への入射光のパワーを制約値以下にすることができる。さらに、ファイバ型位相変調器２０８をパワーの増幅が行われるＹｂファイバ２１１の前段に配置する。このように配置することにより、Ｙｂファイバレーザ１０４は、ファイバ型位相変調器２０８に適正なパワーの光パルスを入射しつつ高出力なパルスを発振させることが可能となる。ファイバ型位相変調器２０８での光損失は通常１〜３ｄＢ程度であるが、本構成により、Ｙｂファイバレーザ１０４の全体での光損失を小さくできる。

また、波長分割多重ファイバカプラ２１０は、Ｙｂファイバ２１１の前段に配置されることが好ましい。これによって、Ｙｂファイバレーザ１０４によるパルス発振に至る前のパルス発振調整における自然放出光発振状態で、ファイバ型位相変調器２０８に入射する光のパワーを抑えることができる。また、パルス発振調整では励起パワーをできるだけ低くした状態から調整し、パルス発振閾値以降に励起パワーを上げていくようにするとファイバ型位相変調器２０８へのダメージを抑えることができる。

また、ピエゾステージ２１２は、光軸方向に駆動することで共振器長を変化させる。ファイバ型位相変調器２０８よりも低速だが、共振器長の制御範囲が大きい。そのため、ピエゾステージ２１２とファイバ型位相変調器２０８との組み合わせで、高速で広い制御範囲で光学的な共振器長を制御できる位相変調部１１３を構成することができる。ピエゾステージ２１２はモーターステージ、ディレイラインを用いてもよい。

以下に、図２の構成を実際に構築し、パルス発振が可能であることを実験的に検証した結果を図３から図６に示す。

スペクトルフィルタ２０５には市販の１０３０ｎｍ帯で使用できるショートパスフィルタとロングパスフィルタを組み合わせて用いた。また、Ｙｂファイバ励起用半導体レーザには９７６ｎｍ発振、５００ｍＷ出力の市販レーザダイオードを用いた。

ここで、ＳＲＳ計測が可能なラマンスペクトル領域（波数域）は、以下の式（１）や式（２）により算出できる。式（１）は、ポンプ光の波長をλ１、ストークス光の波長をλ２とした場合におけるポンプ光とストークス光との波数差ｋ（ラマンシフト）を示している。さらに、式（２）は、ポンプ光およびストークス光の波長が可変な場合における、計測可能なラマンシフトの最大波数ｋｍａｘ、最小波数ｋｍｉｎを示している。ここで、ポンプ光の最大波長をｍａｘ（λ１）、最小波長をｍｉｎ（λ１）、ストークス光の最大波長をｍａｘ（λ２）、最小波長をｍｉｎ（λ２）としている。

本実施例では、ストークス光を生成するＹｂファイバレーザの帯域幅を１０ｎｍ以上、構成によっては３０ｎｍ以上に広帯域化することができる。Ｙｂファイバレーザ光の波長を１０３０ｎｍ、波長掃引幅を±１５ｎｍとし、ポンプ光であるチタンサファイアレーザ光の波長を７９０ｎｍとすると、式（２）より、ＳＲＳ計測が可能な波数域は最小２８０６ｃｍ^−１から最大３０８９ｃｍ^−１までとなる。これは、ＣＨ伸縮領域のほぼ全域でＳＲＳ計測を行うことができることを示している。そのため、本実施例では可変波長選択フィルタ１０６を高速に駆動することで、ＣＨ伸縮領域における高速ラマンスペクトル計測を実現できる。また、低速ではあるが、チタンサファイアレーザの発振波長の変更と組み合わせることで、５００ｃｍ^−１から３５００ｃｍ^−１の広範囲において約３００ｃｍ^−１ごとに高速ラマンスペクトル計測を実現できる。

図３は、パルス発振時の時間波形を示す。図３に示されているように、パルス発振は４０．２ＭＨｚとなった。また、出射パワーは励起用レーザダイオード出力最大で１２０ｍＷとなった。これは、散逸性ソリトンパルスレーザを用いない特許文献１の構成による実験値３０ｍＷよりも高出力である。

また、特許文献１の構成によるＹｂファイバレーザは、発振スタート時に位相変調器に対して外部信号入力を必要とするが、本実施例の構成では外部信号入力を用いることなくセルフスタート発振することも確認できた。

また、図４は本実施例のＹｂファイバレーザ１０４によって得られた光スペクトルを示しており、非特許文献２で示されている散逸ソリトン特有の両端にピークを有する広帯域な発振が確認できる。図５は、本実施例のＹｂファイバレーザ１０４における自己相関波形を示しており、サイドピーク等のないシングルパルス発振を確認できる。

図６は、図１の構成を用いて市販のファイバレーザ光源とのパルス同期を行った結果を示す。具体的には、図６は、市販のファイバレーザ光源（７９０ｎｍ、８０．４ＭＨｚ）の出力と、Ｙｂファイバレーザ１０４の出力とを別個のフォトディテクタで受光し、それらの出力をオシロスコープで同時に表示した際のディスプレイ画面を再現したものである。上段のパルス列は市販のファイバレーザ光源（７９０ｎｍ、８０．４ＭＨｚ）の出力を示し、下段のパルス列はＹｂファイバレーザ１０４の出力を示す。このように、オシロスコープのトリガーがかかった一方のパルス列に対し他方のパルス列が静止して表示され、２光源のパルス同期を確認できた。

以上のように、ファイバ型位相変調器２０８をスペクトルフィルタ２０５とＹｂファイバ２１１の間に配置した本実施例の構成で、散逸ソリトンの発振が可能であり、かつ、位相変調により別光源とのパルス同期が可能であることを実験的に示すことができた。

本実施例では、光偏向素子１１５としてガルバノミラーを用いて試料１１８上で集光点の２次元走査を行う場合について説明した。しかし、１軸のガルバノミラーによる走査（ラインスキャン）と、その走査方向に直交する方向への試料駆動ステージ１１９の駆動とを組み合わせることで、試料１１８上の集光点の２次元走査を実現してもよい。また、試料駆動ステージ１１９のみを２次元面内で駆動するようにしてもよい。また、画像化する必要がないのであれば、光偏向素子１１５の走査を行わずに、試料１１８上の１点におけるラマンスペクトル計測を行えばよい。

本実施例では、チタンサファイアレーザ１０１の繰り返し周波数をＹｂファイバレーザ１０４の繰り返し周波数の２倍となるように構成したが、繰り返し周波数が同じ別の種類のレーザを用いてもよい。その場合、強度、波長および偏光状態のいずれかを外部入力信号によって変調する方法を用いて、任意の繰り返し周波数でチタンサファイアレーザ光またはＹｂファイバレーザ光を変調し、変調されていない光を変調周波数によってロックイン検出する。

また、本実施例ではＹｂファイバを用いるファイバレーザの構成例を示したが、所望の波長に応じて適宜、別のファイバへ変更することができる。例えば、Ｎｄファイバ（９００ｎｍ帯、または１０６０ｎｍ帯発振）、Ｐｒファイバ（１２８０ｎｍ帯）、Ｅｒファイバ（１５６０ｎｍ帯）、Ｔｍファイバ（１．９μｍ帯）等がある。また、希土類を添加するファイバはシリカファイバでなくフッ化物ファイバでもよい。

また、偏光制御素子２０２および２０３の代わりに可飽和吸収体を用いてもよい。

また、ＳＲＳ信号ではなくＣＡＲＳ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）信号を計測するように装置を構成してもよい。例えば、非検出光カットフィルタ１２１を、ＣＡＲＳ信号の波長帯のみを透過するフィルタへ変更することでＣＡＲＳ信号を検出できる。この場合、チタンサファイアレーザ１０１、Ｙｂファイバレーザ１０４の繰り返し周波数は同じでもよく、ロックインアンプ１２３はなくしてもよい。また、光検出器１２２には光電子増倍管を用いるとよい。

また、ＣＲＳ計測に限定せず、本実施例の手法によって、パルス同期した２光源を用いる多光子吸収、多光子蛍光を計測する光学装置や顕微鏡を構成してもよい。

本実施例によれば、小型安定で高出力なＹｂファイバレーザ、及びそれを用いることで、コンパクトな構成でありながら安定的に高速かつ高感度な計測を行える計測装置を実現することができる。

実施例１では、空間型の素子を用いる例を示したが、ファイバ素子のみで構成することもできる。本実施例におけるファイバ素子のみを用いた第２の光源１０４（Ｙｂファイバレーザ）の構成を、図７を用いて説明する。実施例１と共通する部分については説明を省略する。

７０１は偏光コントローラ（偏光制御素子）、７０２はファイバ型偏光ビームスプリッタ（偏光依存型アウトプットカプラ）、７０３は偏波保持ファイバコリメータ、７０４はファイバ型スペクトルフィルタを示す。また、７０５は偏波保持型のファイバアイソレータ、７０６はファイバディレイラインを示す。７０７から７１０は、実施例１の２０８から２１１と同様の構成である。素子間を繋ぐファイバは、いずれも光を単一のモードで伝送するシングルモード型である。また、これら共振器内の物質は、全て正常分散媒質である。

図７の構成の場合、偏光ビームスプリッタ７０２とＹｂファイバ２１１との間のファイバ素子の一部、またはその全てを偏波保持型で構成してもよい。

ファイバ型スペクトルフィルタ７０４には、例えば対向したファイバコリメータ対の間に波長フィルタを配置したフィルタモジュールやファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いる。ファイバディレイライン７０６には、例えば対向したファイバコリメータ対の一方に自動ステージを備えたモジュールを用いる。このようにファイバ素子で共振器を構成することで、さらに小型で安定なＹｂファイバレーザ、及びそれを用いた計測装置を実現できる。

実施例１では位相を変調するためにファイバ型位相変調器を用いたが、実施例３ではファイバ型位相変調器の代わりに空間型位相変調器を用いる。本実施例における第２の光源１０４（Ｙｂファイバレーザ）の構成を図８に示す。実施例１と共通する部分については説明を省略する。

上述の様に、本実施例では、実施例１のファイバ型位相変調器２０８の代わりに空間型位相変調器８０７を用いる。８０１から８０６は実施例１の２０１から２０６と同様の構成であり、８０８は実施例１の２０７と同様の構成であり、８０９から８１２は実施例１の２０９から２１２と同様の構成である。素子間を繋ぐファイバは、いずれも光を単一のモードで伝送するシングルモード型である。また、これら共振器内の物質は、全て正常分散媒質である。

空間型位相変調器の透過率は、通常、９５％以上となる。そのため、空間型位相変調器８０７を用いることで、共振器の光損失をより小さくすることができ、高出力で安定なＹｂファイバレーザ、及びそれを用いた計測装置を実現できる。

空間型位相変調器は、ファイバ型位相変調器に対して低速であるため、周波数の高いパルスタイミングずれ（ジッタ）に対する制御の追従性が低下し、タイミングジッタが増加する傾向にある。そこで、許容可能なジッタ量に応じて共振器構成を使い分ける。

実施例４では実施例３と同様に、位相変調部１１３の光損失を最小限に抑える構成とする。本実施例の第２の光源１０４（Ｙｂファイバレーザ）の構成を、図９を用いて説明する。実施例１と共通する部分については説明を省略する。

本実施例では、ファイバ型位相変調器２０８の代わりにピエゾチューブ９０８を用いる。９０１から９０７は実施例１の２０１から２０７と同様の構成であり、９０９から９１２は実施例１の２０９から２１２と同様の構成である。素子間を繋ぐファイバは、いずれも光を単一のモードで伝送するシングルモード型である。これら共振器内の物質は、全て正常分散媒質である。

ピエゾチューブ９０８には、Ｙｂファイバレーザ１０４を構成するファイバの一部が素線の状態で接着されている。ピエゾチューブ９０８は電圧を印加されることで径方向に伸縮することができるため、接着されたファイバの長さを微小に変化させることができる。これにより、共振器長を微小範囲で調節することができる。

本実施例の構成は、ピエゾチューブ９０８をファイバに接着するのみであり、光ファイバの曲げ曲率が小さくなりすぎない限り、原理的に光損失が発生しない。従って、高出力で安定なＹｂファイバレーザおよび計測装置を実現できる。また、ピエゾチューブ９０８の代わりに、他のピエゾアクチュエータを用いてもよい。例えば１軸方向に伸縮するピエゾステージ上にファイバを接着する構成としてもよい。

実施例３における空間型位相変調器と同様に、ピエゾアクチュエータはファイバ型位相変調器に対して低速であるため、周波数の高いパルスタイミングずれ（ジッタ）に対する制御の追従性が低下し、タイミングジッタが増加する傾向にある。そこで、許容可能なジッタ量に応じて共振器構成を使い分ける。

本実施例によれば、共振器の光損失をより小さくすることができ、高出力で安定化したＹｂファイバレーザ、及びそれを用いた計測装置を実現できる。

実施例５では、発振を安定化するために、第２の光源１０４（Ｙｂファイバレーザ）に共振器内のパワーを検出し、そのパワーを一定にようにフィードバック制御を行う構成を含む。以下において、本実施例の第２の光源１０４の構成を、図１０を用いて説明する。実施例１と共通する部分については説明を省略する。

１００１から１０１２は、実施例１の２０１から２１２と同様の構成である。素子間を繋ぐファイバは、いずれも光を単一のモードで伝送するシングルモード型である。また、これら共振器内の物質は、全て正常分散媒質である。

本実施例では、波長分割多重ファイバカプラ１０１０及びＹｂファイバ１０１１に偏波保持型のものを用いる。１０１３は偏波保持型のファイバカプラ（光分岐手段）、１０１４はフォトディテクタ（センサ）、１０１５はフィードバック回路、１０１６はロータリーステージ（自動回転ステージ）である。

ファイバカプラ１０１３は、Ｙｂファイバ１０１１からの光を分岐する光分岐手段である。分岐する光は共振器内のパワーを計測するためだけのものであるため、共振器内の透過成分の１％以下でよい。フォトディテクタ１０１４は、分岐された光のパワー（強度）を検出する。フィードバック回路１０１５（フィードバック制御手段）は、ロータリーステージ１０１６へフィードバック信号を送出する。ロータリーステージ１０１６は、フィードバック回路１０１５からのフィードバック信号を受けて、λ／２板の角度を回転させる。これにより、フォトディテクタ１０１４で検出されるパワー（光強度）が一定となるようにアウトプットカプラにおける分岐比を調節する。その結果、偏波保持型でないファイバへの入力パワーを一定にし、外乱による共振器内部における偏光の乱れによる発振の不安定化を抑制できるため、より安定な発振を実現することができる。

フィードバック回路１０１５は、励起用レーザダイオード１００９へフィードバック信号を送出し、その励起パワーを制御することによってフォトディテクタ１０１４の出力を一定化してもよい。また、共振器内部のパワーを監視するための光分岐手段の挿入位置は、Ｙｂファイバ１０１１の直後に限らず、例えばアイソレータ１１０６とファイバコリメータ１１０７の間やファイバ型位相変調器１１０８の直後でもよい。その場合は光分岐のためにガラスウィンドウ等のビームサンプラを用いるとよい。

本実施例によれば、外乱の影響を低減し、第２の光源の出力を安定化させることができる。そのため、それを用いた計測装置による計測もより安定的に行うことができる。

実施例６では、実施例５と異なる構成により発振を安定化させる。以下において、本実施例の第２の光源１０４の構成を、図１１を用いて説明する。実施例１や実施例５と共通する部分については説明を省略する。

１１０１から１１１２は、実施例１における２０１から２１２と同様の構成である。素子間を繋ぐファイバは、いずれも光を単一のモードで伝送するシングルモード型である。また、これら共振器内の物質は、全て正常分散媒質である。

本実施例では、点線部以外のファイバ素子およびファイバを全て偏波保持型で構成する。１１１３は、防振素子であり、偏波保持型でないファイバ部を振動等の外乱から遮断する。１１１３には除震台、並びに除震性能の高いブレッドボード及び筺体を用いる。１１１４は、偏波保持型でないファイバ部の温度一定にする温度制御素子であり、ペルチェ素子や空調ファンを用いる。この構成によれば、防振素子１１１３および温度制御素子１１１４によって共振器内で外乱の影響を受けやすいファイバ部の出力を安定にすることができるので偏光の変動が抑制される。そのため、第２の光源１０４（Ｙｂファイバレーザ）の発振を安定化することができ、それを用いた計測装置による計測もより安定的に行うことができる。

各実施例では、試料を透過した光に対する計測を行う構成例を示した。しかし、厚みのある試料を計測するために、試料からの後方散乱光に対する計測を行う構成に変更してもよい。また、試料へ光を照射する部分をプローブ化して、誘導ラマン散乱計測装置の１つである内視鏡を構成してもよい。また、各実施例の構成を、適宜、組み合わせてもよい。

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。

パルス同期した２光源を用いて、多光子吸収や多光子蛍光を計測する計測装置、例えば、広い波長帯域で物質の形状観察や組成特定が可能な光学装置、及びこれを用いた顕微鏡等を提供することができる。

１００ ＳＲＳ計測装置
１０４ Ｙｂファイバレーザ
１１３ 位相変調部
１１８ 試料

Claims (15)

1. 互いに異なる波長を有する第１の光パルス列と第２の光パルス列とを試料に照射して当該試料からの光を計測する計測装置に用いられる、前記第２の光パルス列として散逸ソリトンを発振するファイバレーザであって、
   前記第１の光パルス列に前記第２の光パルス列を同期させるように前記第２の光パルス列の位相を変調する位相変調手段を有することを特徴とするファイバレーザ。
2. 該ファイバレーザの共振器の光路上に、前記位相変調手段と、スペクトルフィルタと、ゲインファイバとを有し、
   前記位相変調手段は、光路上の前記スペクトルフィルタと前記ゲインファイバの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ。
3. 前記位相変調手段は、ファイバ型位相変調器であることを特徴とする請求項１又は２に記載のファイバレーザ。
4. 該ファイバレーザの共振器の光路上に、前記位相変調手段と、アイソレータと、スペクトルフィルタと、偏波保持ファイバコリメータとを有し、
   前記偏波保持ファイバコリメータは、前記アイソレータまたは前記スペクトルフィルタからの出射光の偏光と前記偏波保持ファイバコリメータの偏光軸とが一致するように配置されること、を特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載のファイバレーザ。
5. 該ファイバレーザの共振器の光路上に、前記位相変調手段と、偏波保持ファイバコリメータと、前記偏波保持ファイバコリメータに入射する光の偏光を前記偏波保持ファイバコリメータの偏光軸と一致させるλ／２板と、を有することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載のファイバレーザ。
6. 該ファイバレーザの共振器の光路上に、前記位相変調手段と、偏波保持ファイバコリメータとを有し、
   前記ファイバ型位相変調器は、前記偏波保持ファイバコリメータと偏光軸を一致させた状態で融着接続されていることを特徴とする請求項３に記載のファイバレーザ。
7. 前記位相変調手段は、前記ファイバレーザのファイバの一部を接着したピエゾアクチュエータであり、前記ピエゾアクチュエータに電圧を印加することで接着されたファイバの長さを変化させることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項に記載のファイバレーザ。
8. 該ファイバレーザの共振器の光路上に、前記位相変調手段と、ゲインファイバと、前記共振器の外に散逸ソリトンを出力するアウトプットカプラとを有し、
   前記アウトプットカプラは、偏光依存型であり、
   前記アウトプットカプラと前記ゲインファイバとの間のファイバ素子の少なくとも一部は、偏波保持型であることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１項に記載のファイバレーザ。
9. 該ファイバレーザの共振器の光路上に、前記位相変調手段と、偏光制御素子と、ゲインファイバと、前記共振器の光路上の光の強度を検出する検出手段とを有し、
   前記検出手段からの出力に基づいて該出力が一定となるように、前記ゲインファイバを励起する半導体レーザのパワー、または前記偏光制御素子を制御するフィードバック制御手段を更に備えること、を有することを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１項に記載のファイバレーザ。
10. 該ファイバレーザの共振器の光路上に、前記位相変調手段と、ゲインファイバと、前記共振器の外に散逸ソリトンを出力するアウトプットカプラとを有し、
    前記アウトプットカプラから前記ゲインファイバまでの全てのファイバ素子は、偏波保持型で構成され、
    偏波保持型でないファイバ素子の温度を一定にする温度制御素子と、前記偏波保持型でないファイバ素子を外部の振動から遮断する防振素子と、の少なくとも一方を更に備えることを特徴とする請求項１から９のうちいずれか１項に記載のファイバレーザ。
11. 前記位相変調手段は、更に光軸方向に駆動するピエゾステージ若しくはモーターステージ、又はディレイラインを含むことを特徴とする請求項１から１０のうちいずれか１項に記載のファイバレーザ。
12. 互いに異なる波長を有する２つの光パルス列を試料に照射して当該試料からの光を計測する計測装置に用いられる光学装置であって、
    第１の光パルス列を生成する第１の光源装置と、
    前記第１の光パルス列とは異なる波長を有する第２の光パルス列を生成する第２の光源装置と、
    前記第１の光パルス列及び前記第２の光パルス列のパルスタイミングを検出するパルスタイミング検出手段と、
    前記パルスタイミングに基づいて、前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とが同期するように前記第２の光源装置を制御する同期制御手段と、を有し、
    前記第２の光源装置は、前記第２の光パルス列として散逸ソリトンを発振するファイバレーザであり、前記第２の光パルス列の位相を変調する位相変調手段を有し、
    前記同期制御手段は、前記パルスタイミングに基づいて前記位相変調手段を制御することで、前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを同期させることを特徴とする光学装置。
13. 前記第２の光源装置から出力された前記第２の光パルス列をフィルタリングして、波長を選択する可変波長選択フィルタを更に有することを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
14. 請求項１２又は１３に記載の光学装置と、
    前記光学装置からの互いに同期した前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列を前記試料に照射し、前記試料からの光を測定する計測する計測手段と、
    を有する計測装置。
15. 前記計測手段は、前記第１および第２の光パルス列を試料に照射することで生じた誘導ラマン散乱により変調された光の強度を測定することを特徴とする請求項１４に記載の計測装置。