JP2017116300A

JP2017116300A - 光パルス列同期装置、光学顕微鏡及び光パルス列同期方法

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Publication number: JP2017116300A
Application number: JP2015249093A
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Inventors: 小原　直樹; Naoki Obara; 直樹小原
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Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-29
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Abstract

【課題】２つの光パルスの同期を従来よりも安定的に行うことができる光パルス列同期装置を提供する。【解決手段】光パルス同期装置は、第１の波長を有する第１の光パルス列１０１を出力する第１の光源１と、第２の波長を有する第２の光パルス列１０２を出力する第２の光源２と、第１の光パルス列の波長を第３の波長に変更する波長変更手段３と、波長変更手段からの光パルス列を、第１の波長を有する第３の光パルス列１０３と第３の波長を有する第４の光パルス列１０４とに分離する第１の分離手段５と、第２の光パルス列を、第２の波長を有する第５の光パルス列１０５と第２の波長を有する第６の光パルス列１０６とに分離する第２の分離手段４と、第３の光パルス列と第５の光パルス列とを検出する検出手段９と、検出手段の検出結果に基づいて第１の光パルス列のパルス周期又は第２の光パルス列のパルス周期を変更する周期変更手段１１と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光パルス列同期装置、光学顕微鏡及び光パルス列同期方法に関する。

誘導ラマン散乱顕微鏡などの非線形光学現象を利用する光学顕微鏡では、２つのパルスレーザ（光源）が出射する光パルス列を、パルスのタイミングを一致させた状態、又はタイミングの差を一定に保った状態で試料に集光する必要がある。

特許文献１には、２光子吸収を検出する光検出器の出力をパルスタイミング差として検出し、検出値が設定値になるようにパルス周期を調整する誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：ＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）顕微鏡が記載されている。特許文献１では、光源としてのチタンサファイアレーザが射出する光パルス列の一部を分離し、別の光源（レーザ）が射出する光パルス列と同期するために利用している。

非特許文献１には、チタンサファイアレーザよりも安価でコンパクトなファイバレーザを光源として、エルビウムドープファイバレーザを利用することが記載されている。具体的には、非特許文献１には、エルビウムドープファイバレーザが生成する波長１５８０ｎｍの光パルス列を、第二高調波発生により波長７９０ｎｍの光パルス列に変換することが記載されている。

特許第５５０１３６０号

Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２０，１３９５８（２０１２）

しかしながら、チタンサファイアレーザは高出力で光パルス列の同期に十分な強度の光を用いることができるが、サイズが大きくなるという側面がある。また、非特許文献１に記載の方法で得られる波長７９０ｎｍの光は増幅することができないので、試料に対して十分な光を照射させるには同期に利用する光の強度が制限される。その結果、十分な強度の光を同期に利用できず、同期が不安定になる恐れがある。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、２つの光パルスの同期を従来よりも安定的に行うことができる光パルス列同期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光パルス列同期装置は、第１の波長を有する第１の光パルス列を出力する第１の光源と、第２の波長を有する第２の光パルス列を出力する第２の光源と、前記第１の光パルス列の波長を第３の波長に変更する波長変更手段と、前記波長変更手段からの光パルス列を、前記第１の波長を有する第３の光パルス列と前記第３の波長を有する第４の光パルス列とに分離する第１の分離手段と、前記第２の光パルス列を、前記第２の波長を有する第５の光パルス列と前記第２の波長を有する第６の光パルス列とに分離する第２の分離手段と、前記第１の分離手段からの前記第３の光パルス列と前記第２の分離手段からの前記第５の光パルス列とを検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記第１の光パルス列のパルス周期又は前記第２の光パルス列のパルス周期を変更する周期変更手段と、を有することを特徴とする。

本発明の一側面としての光パルス列同期装置によれば、２つの光パルスの同期を従来よりも安定的に行うことができる。

第１の実施形態における光学顕微鏡の構成を説明する図。光検出器における出力電圧と２つの光パルス列のそれぞれのパルスのタイミング差の関係を示す図。（ａ）第３の光パルス列と第５の光パルス列とが同期した場合の第３の光パルス列の強度の時間プロファイル。（ｂ）第３の光パルス列と第５の光パルス列とが同期した場合の第５の光パルス列の強度の時間プロファイル。第１の実施形態の光検出器における出力電圧とパルスのタイミング差の関係を示す図。（ａ）第４の光パルス列の強度の時間プロファイル。（ｂ）第６の光パルス列の強度の時間プロファイル。

（第１の実施形態）
本実施形態の光パルス列同期装置１５０（以下、「同期装置１５０」と呼ぶ）を用いた光学顕微鏡１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施形態の光学顕微鏡１００の構成を説明する図である。光学顕微鏡１００は、２つの光パルス列を試料に同時に照射し、試料で発生した非線形光学現象を計測する非線形光学顕微鏡である。非線形光学現象としては、誘導ラマン散乱等が挙げられる。

同期装置１５０は、第１の光源１、第２の光源２、波長変更素子３、第１の分離手段５、第２の分離手段４、ミラー６、第１の合波手段７、第１の光学系８、第１の検出手段（光検出器）９、制御回路１０、及び周期変更手段１１を有する。光学顕微鏡１００は、同期装置１５０、ミラー１２、第２の合波手段１３、走査手段１４、レンズ１５、１６、２１、第２の光学系１７、第３の光学系１９、フィルタ２０、第２の検出手段２２、変換回路２３、取得回路２４、及び処理手段２５を有する。

第１の光源１は、第１のパルス周期、第１の波長（λ１）の第１の光パルス列１０１を出力する。また、第２の光源２は、第２のパルス周期、第２の波長（λ２）の第２の光パルス列１０２を出力する。

本実施形態の光学顕微鏡１００は、第１の光源１からの第１の光パルス列１０１と第２の光源２からの第２の光パルス列１０２とを同期する構成を有する。ここで、本明細書における「同期」とは、第１の光パルス列１０１と第２の光パルス列１０２の射出のタイミング差を一定に維持することであると定義する。第２の光源２は、例えばモードロックレーザであり、第２のパルス周期を調整すべく共振器長を変化させることで、同期を実現する。

なお、光パルス列は異なる複数の周波数の光を含み、具体的には幅のある周波数帯域の光を含む。そのため、光パルス列における「波長」とは、光パルス列に含まれている幅のある周波数帯域の光の中心波長又はピーク波長等を指す。例えば、第１の光パルス列１０１はその中心波長又はピーク波長が第１の波長（λ１）であり、第２の光パルス列１０２はその中心波長又はピーク波長が第２の波長（λ２）である。

第１の光パルス列１０１と第２の光パルス列１０２とを同期することによって、波長変更手段３からの第４の光パルス列１０４と、ビームスプリッタ４からの第６の光パルス列１０６とが試料１８に照射されるタイミングを調整することが可能となる。なお、第４の光パルス列１０４は、波長変更手段３に光パルス列１０１を入射することで得られる第３の波長（λ３）の光パルス列である。第６の光パルス列１０６は、ビームスプリッタ４に光パルス列１０２を入射することで得られる第２の波長（λ２）の光パルス列である。以降の説明では、第４の光パルス列１０４と第６の光パルス列１０６とをまとめて「照射光」と呼ぶことがある。

波長変更手段３は、入射した第１の光パルス列１０１の波長（中心波長）を変更して、第１の光パルス列１０１とは異なる第２の波長（λ３）の第４の光パルス列１０４を発生させる。波長変更手段３として、高調波、和周波、差周波のいずれかを発生させるＰＰＬＮ（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ）、又はＯＰＡ（ｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃａｍｐｌｉｆｉｅｒ）等を利用する。

波長変更手段３は、光パルス列１０４に加えて、入射した第１の光パルス列１０１と同じ波長の第３の光パルス列１０３を射出する。これは、波長変更手段３の波長変更効率が一般的に数割であり、第１の光パルス列の一部しか波長変更されず、波長変更されなかった光として第３の光パルス列１０３が射出されるためである。

第１の分離手段５は、第３の光パルス列１０３と第４の光パルス列１０４とを分離する。本実施形態では、第１の分離手段５として、波長がλ１の第３の光パルス列１０３を透過させ、波長がλ３の第４の光パルス列１０４を反射するよう設計された誘電体多層膜を含むダイクロイックミラーを用いる。第３の光パルス列１０３は光パルス列同期に利用する。

第２の分離手段４は、第２の光パルス列１０２を互いに同じ波長（第２の波長λ２）の第５の光パルス列１０５と第６の光パルス列１０６とに分離する。本実施形態では、第２の分離手段４は、第２の光パルス列１０２の一部（第５の光パルス列１０５）を紙面の右方向に反射し、残り（第６の光パルス列１０６）を紙面の下方向に透過するビームスプリッタである。第２の分離手段４は、一定の割合で入射光を反射させることができればよいため、ガラス平板を利用することができる。

また、所定の反射率となるようコーティングを施した平板、又は偏光ビームスプリッタを、第２の分離手段４として利用してもよい。偏光ビームスプリッタを利用する場合、第２の光パルス列１０２が、不図示の半波長板を介して偏光ビームスプリッタに入射するように構成してもよい。不図示の半波長板の光軸周りの角度を調整することで、第５の光パルス列１０５と第６の光パルス列１０６との強度比を変えることができる。

第５の光パルス列１０５は、ミラー６で反射した後、第１の合波手段７としてのダイクロイックミラーにより第３の光パルス列１０３と同軸に合波される。本実施形態の第１の合波手段７は、波長がλ１の第３の光パルス列１０３を透過させ、波長がλ２の第５の光パルス列１０５を反射するよう設計された誘電体多層膜である。

第１の光学系８は、合波した第３の光パルス列１０３と第５の光パルス列１０５とを、光検出器９に導く。本実施形態の第１の光学系８は、対物レンズを有するが、さらにミラー、レンズ等を適宜組み合わせてもよい。

光検出器９は、第３の光パルス列１０３と第５の光パルス列１０５とを検出する検出手段である。光検出器９は、フォトダイオードなどの受光素子と、受光素子の受光面で生じた電流を電圧に変換して出力する電気回路と、を有する。受光素子の受光面で２光子吸収によって発生する電流を大きくするため、第１の光学系８の対物レンズの開口数を０．５以上にすることが好ましい。

光検出器９の受光素子は、２光子吸収信号を得るために、第３の光パルス列１０３の光子エネルギーＥ１（Ｅ１∝１／λ１）と第５の光パルス列１０５の光子エネルギーＥ２（Ｅ２∝１／λ２）の和（Ｅ１＋Ｅ２）に対応した波長に感度を有する。すなわち、光検出器９の受光素子は、Ｅ１＋Ｅ２に対応した波長λ１・λ２／（λ１＋λ２）に感度を有する。例として、λ１が１５８０ナノメートル、λ２が１０３０ナノメートルである場合、６２４ナノメートルに光検出の感度があればよい。

図２は、光検出器９の検出結果としての出力電圧Ｖと、第３の光パルス列１０３のパルスが光検出器９の受光面に到着したタイミングから光パルス列１０５のパルスが同受光面に到達したタイミングを差し引いたタイミング差Δｔとの関係を示している。図２において、出力電圧Ｖを縦軸、タイミング差Δｔを横軸とした。

光検出器９の出力には、Ｅ１＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号以外に、Ｅ１＋Ｅ１及びＥ２＋Ｅ２のそれぞれに対応した２光子吸収信号が含まれる。そのため、Ｅ１＋Ｅ１及びＥ２＋Ｅ２のそれぞれに対応した２光子吸収信号が、Ｅ１＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号に付与される。

Ｅ１＋Ｅ１に対応した２光子吸収は、第１のパルス周期で発生する。また、Ｅ２＋Ｅ２に対応した２光子吸収は、第２のパルス周期で発生する。本実施形態では、光検出器９の出力電圧の帯域周波数を、第１のパルス周期及び第２のパルス周期のそれぞれに対応した周波数より小さく設定している。このため、Ｅ１＋Ｅ２及びＥ２＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号は、第１のパルス周期及び第２のパルス周期では変調しないＤＣ成分となる。

Ｅ１＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号は、第３の光パルス列１０３のパルスと第５の光パルス列１０５のパルスとのタイミングが一致した場合、つまり同時に光検出器９の受光面に到達した場合（Δｔ＝０）に発生する。２つのパルスのピーク強度が完全に一致した場合に、最大の信号が得られ、その信号は光パルス列１０３の強度と光パルス列１０５の強度の積に比例する。

光検出器９からの検出結果としての出力電圧は、制御回路１０に入力される。制御回路１０は、光検出器９からの出力電圧Ｖに基づいて、光パルス列を同期させるための信号を周期変更手段１１へ出力する。具体的には、制御回路１０は、光検出器９の出力電圧が図２に示す目標値Ｖ_ｎ（Ｅ１＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号によって電圧が変化する範囲内の任意の電圧）となるように、パルスのタイミング差を調整する信号を周期変更手段１１へ出力する。

２光子吸収信号は、第１の光源１又は第２の光源２が出力する光の強度変化、及び光検出器９の受光面への集光状態によって変化する。そのため、安定的に光パルス列を同期させるには、光検出器９の出力電圧の目標値Ｖ_ｎ、すなわちタイミング差Δｔ_ｎにおける出力電圧を、Ｅ１＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号によって変化する電圧の中間値とすることが好ましい。

周期変更手段１１は、第２のパルス周期を変更する。周期変更手段１１は、位相変調器又はミラーを取り付けたステージを有し、位相変調器への電圧印加やステージ駆動により第２の光源２の共振器長を変更する。共振器長を変更することにより、第２のパルス周期が変更され、パルスタイミングを調整することができる。また、周期変更手段１１は、第２の光源２内ではなく、モードロックレーザである第１の光源１内に設置して、第１の光源１の共振器長を調整してもよい。

ここで、制御回路１０の機能に関して述べる。本実施形態では、制御回路１０は、図２のタイミング差Δｔ_ｎとなるよう、第２のパルス周期を制御する。光パルス列が同期している場合の、光検出器９の受光面における第３の光パルス列１０３及び第５の光パルス列１０５の強度（縦軸）と時間ｔ（横軸）との関係を、それぞれ図３（ａ）及び（ｂ）で示す。光パルス列が同期されている状態では、第３の光パルス列１０３のパルス３１の強度ピークと、第５の光パルス列１０５のパルス５１の強度ピークと、の間のタイミング差が、図２のタイミング差Δｔ_ｎと一致する。光パルス列の同期が継続的に実現すると、パルス３１に隣接したパルスに対しても、タイミング差Δｔ_ｎを持って、第５の光パルス列１０５のパルスが光検出器９の受光部に到達する。

図３において、第３の光パルス列１０３と第５の光パルス列１０５のパルス周期の比を１：２としたが、これに限らず、パルス周期の比がｍ：ｎでも適用することができる。ｍ、ｎは任意の正の整数である。

光検出器９の出力電圧が前述の目標値以上となった場合、図３で示した光パルス列が同期した状態と比べて、パルス３１とパルス５１とがより近接していることを意味する。よって、制御回路１０は、第５の光パルス列１０５のパルスが遅れるよう、すなわち第２のパルス周期を大きくするような（共振器長を長くするような）信号を周期変更手段１１へ出力する。

逆に、光検出器９の出力電圧が前述の目標値以下の場合、制御回路１０は、第３の光パルス列１０３のパルスに対して第５の光パルス列１０５のパルスが進むような信号を周期変更手段１１へ出力する。具体的には、制御回路１０は、第２のパルス周期を小さくするような（共振器長を短くするような）信号を周期変更手段１１へ出力する。なお、周期変更手段１１へ出力する信号は、図２において一点鎖線で示した領域近傍で制御が安定して行われるよう帯域と電圧の振幅を設定する。

上述の制御により、第３の光パルス列１０３のパルスと第５の光パルス列１０５のパルスとは、光検出器９の受光面上で一定のタイミング差が維持される。

ここで、第１の光源１の出力強度又は第２の光源２の出力強度が変化した際の振る舞いについて説明する。このとき、Ｅ１＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号が変化するだけでなく、ＤＣ成分であるＥ１＋Ｅ１、Ｅ２＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号も変化する。結果として、パルスのタイミング差Δｔが出力強度に応じて変化する。出力強度の変化が大きい場合は、あらかじめ設定していた光検出器９の目標値が、Ｅ１＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号の変化範囲外となり、光パルス列の同期自体が実現できなくなる。

本実施形態では、この課題を緩和するため、Ｅ１＋Ｅ１又はＥ２＋Ｅ２のいずれかに対応した２光子吸収信号を検出しないように、光検出器９の受光素子の材料のバンドギャップエネルギーＥｇを選択する。パルス列の同期を実現するため、バンドギャップエネルギーＥｇをＥ１＋Ｅ２以上（Ｅ１とＥ２との和以上）となるように、受光素子の材質及び波長（λ１及びλ２）を選択する。さらに、Ｅ１＋Ｅ１又はＥ２＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号を検出しないよう、受光素子の材質及び波長（λ１及びλ２）を選択して、バンドギャップエネルギーＥｇがＥ１＋Ｅ１（Ｅ１の２倍）又はＥ２＋Ｅ２（Ｅ２の２倍）より小さくすることが好ましい。

例として、λ１が１５８０ナノメートル（Ｅ１〜０．８ｅＶ）、λ２が１０３０ナノメートル（Ｅ２〜１．２ｅＶ）である場合、光検出器９の受光素子としてＧａＡｓＰフォトダイオード（Ｅｇ〜２．０ｅＶ）を利用すればこの条件を満たす。

図４は、バンドギャップエネルギーＥｇがＥ１＋Ｅ１より大きくなるように設定した場合の、光検出器９の出力電圧Ｖとパルスのタイミング差Δｔとの関係を示している。図４において、縦軸を出力電圧Ｖ、横軸とタイミング差Δｔとしている。第１の光源１の出力強度が変化した場合、Ｅ１＋Ｅ２に対応した２光子吸収信号は変化によりパルスのタイミング差が変化するが、Ｅ１＋Ｅ１に対応した出力電圧Ｖがゼロで一定であるため、パルス列の同期をより安定化することができる。

特許文献１や非特許文献１は、パルス列同期に利用する光の波長が７９０ｎｍ程度と１０３０ｎｍ程度、受光素子がＧａＡｓＰフォトダイオードであるため、上記の関係を満たさない。さらに、波長変更素子からの光のうち試料に導く光の一部を光パルス列の同期のために分岐して検出している。本実施形態の光学顕微鏡１００は、波長変更されなかった十分な強度を有する光を光パルス列同期に利用するため、試料１８に照射する光の強度を従来よりも向上できる。また、波長変更素子３で波長変更されなかった光による２光子吸収信号の発生を低減する構成とすることができ、より安定に光パルス列の同期を行うことができる。

光検出器９は、非線形結晶と、非線形結晶に第３の光パルス列１０３及び第５の光パルス列１０５が入射することにより発生した和周波光を検出するフォトマル（光電子増倍管）と、を有する構成としてもよい。非線形結晶としては、例えばバリウムボーレート結晶等を用いる。Ｅ１＋Ｅ２に対応した波長λ１・λ２／（λ１＋λ２）が発生するよう非線形結晶のカット角度及び配置角度を調整する。λ１及びλ２の光は誘電体多層膜などで構成するフィルタにより波長λ１・λ２／（λ１＋λ２）の光と分離することで、波長λ１・λ２／（λ１＋λ２）のみをフォトマルで検出する。この場合、Ｅ１＋Ｅ１又はＥ２＋Ｅ２の成分はほとんど生じないため、光パルス列をより安定して同期できる。和周波光に限らず、非線形結晶に第３の光パルス列１０３及び第５の光パルス列１０５が入射することにより発生した差周波光を検出する構成とすることもできる。

従来技術では、試料１８に照射する照射光の一部を光パルス列の同期に利用していたため、同期に利用する２つの光パルス列の光強度を十分に大きくできず、同期が不安定になるおそれがあった。これに対し、本実施形態の同期装置１５０では、同期に用いる光パルス列として波長変更素子３で波長変更されなかった光パルスを用いるため、試料１８に照射する照射光の強度を制限せず、十分な光量の光パルス列を同期に用いることができる。

本実施形態の光学顕微鏡１００は、走査型顕微鏡の構成を有している。ミラー１２で反射した第４の光パルス列１０４及び第２の分離手段４を透過した第６の光パルス列１０６は、第２の合波手段１３としてのダイクロイックミラーにより同軸に合波された後、走査手段１４に入射する。

走査手段１４は、照射光の試料１８内（試料１８の表面を含む）での集光点（スポット）の位置を変更することにより、照射光により試料１８を走査するためのビームスキャナである。具体的には、走査手段１４は、走査手段１４から射出する照射光の方向を変更して（偏向して）、第２の光学系１７に対する照射光の入射角を変更する光偏向素子を含む。走査手段１４は、例えばガルバノスキャナとレゾナントスキャナとを有する。簡略化のため、図１では走査手段１４内の２つのミラーは図１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フレーム程度取得することができる。

走査手段１４で偏向された照射光は、レンズ１５、１６を介して第２の光学系１７に入射する。走査手段１４と第２の光学系１７の入射瞳とが共役となるようにレンズ１５、１６を配置することで、走査手段１４で光ビームを偏向しても、遮光により光量が変化することなく試料１８に集光する。

第２の光学系１７は、照射光を試料１６に導く照射光学系である。第２の光学系１７は、対物レンズを有し、更にミラー等を有していてもよい。レンズ１５、１６による光学系の倍率は、第２の光学系１７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、第２の光学系１７により集光する光スポットサイズを最小化させ非線形光学現象による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非線形光学現象による信号が大きくなるので、信号対雑音比も向上する。第２の光学系１７は、信号を検出する空間分解能と信号対雑音比の観点から、大きい開口数（ＮＡ）の対物レンズを有することが望ましい。

試料１８は、図示していないカバーガラスやスライドガラスにより挟まれている。走査手段１４による光ビームの偏向により、試料１８に集光した光スポットにより２次元走査される。光学顕微鏡１００は、非線形光学現象による信号を用いて、試料の２次元画像を取得することができる。得られる信号は、集光した光スポットで生じるため、不図示のステージにより試料１８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。

第３の光学系１９は、試料１８を透過し非線形光学現象によって強度変調をうけた光を採光する。試料１８からの光をなるべく多く受け取るべく、第２の光学系１７のＮＡと同等以上のＮＡを有する。第３の光学系１９を射出した光は、フィルタ２０、レンズ２１を介して、第２の検出手段２２の受光素子の受光面に照射される。

フィルタ２０は、非線形光学現象を得るために必要な波長帯域の光のみを透過させるように設計した誘電体多層膜である。第２の検出手段２２は、フィルタ２０を透過した波長に感度を持つ受光素子を有する。変換回路２３は、第２の検出手段２２で発生した電流信号を電圧として出力する電気回路である。取得回路２４は、バンドパスフィルタやロックインアンプであり、非線形光学現象による信号を大きな信号対雑音比で取得するための電気回路である。

処理手段２５は、走査手段１４の制御信号を利用し、取得回路２４の出力（非線形光学現象による信号）を用いて、資料１８の２次元画像のデータを取得する。処理手段２５で取得した二次元画像のデータは、不図示の表示部で表示される。処理手段２５をコンピュータとした場合は、コンピュータの画面に表示してもよい。また、処理手段２５は、不図示のステージで試料１８を光軸方向に移動させて取得した信号を用いて、３次元画像のデータを取得することもできる。また、処理手段２５は、第１の光源１及び第２の光源２のそれぞれから出力される光パルス列の少なくとも一方の波長を変化させて取得した信号をスペクトルとして表示することもできる。

以上、本実施形態の同期装置１５０及び光パルス列同期方法によれば、２つの光パルスの同期を従来よりも安定的に行うことができる。また、同期装置１５０を有する光学顕微鏡１００によれば、２つの光パルス列の同期が従来よりも安定的に行われ、また、波長変更素子３からの第４の光パルス列１０４を同期のために分離することなく照射光として用いることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態の光学顕微鏡１００を誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：ＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）顕微鏡として用いる例について述べる。

ＳＲＳは、非線形光学現象の一つであり、波長が異なる２つの光パルス（２波長光パルス）を試料に同時に照射することで誘起する。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、それら光パルスの集光点にてＳＲＳが生じる。試料を透過した２波長光パルスのうち、波長が短い光パルス（ポンプ光）の強度が減少し（誘導ラマンロス）、波長が長い光パルス（ストークス光）の強度が増大する（誘導ラマンゲイン）。この強度変化は、２波長光パルスのそれぞれの強度の積に比例する。

本実施形態では、継続してＳＲＳを発生させるために、波長が異なる２つの光パルス列を同期させる。すなわち、試料１８に照射する第４の光パルス列１０４の波長λ３と第６の光パルス列１０６の波長λ２とが異なり、第４の光パルス列１０４と第６の光パルス列１０６とが試料１８に同時に照射されるように同期する。

後述するラマンスペクトルの分解能の低下を低減しつつＳＲＳによる強度変化を大きくするため、第１の光源１及び第２の光源２として、光パルスの時間幅が１〜１０ピコ秒の短パルスレーザを利用するのが望ましい。ＳＲＳ信号の検出を効率よく行うため、第１の光源１と第２の光源２のそれぞれが生成する第１の光パルス列１０１及び第２の光パルス列１０２のパルス周期を１：２とする。ここでは、第１の光源１として、中心波長１５８０ナノメートル、パルス周期１２．５ナノ秒の光パルス列を出力するエルビウムドープファイバレーザを利用する。第２の光源２としては、中心波長１０３０ナノメートル、パルス周期２５ナノ秒の光パルス列を出力するイッテルビウムドープファイバレーザを利用する。

波長変更手段３は、第４の光パルス列１０４として第２高調波（波長７９０ｎｍ）を発生させるＰＰＬＮと、第２高調波を効率よく発生させるために入射光をＰＰＬＮに集光させるレンズと、ＰＰＬＮを透過した光を平行光にするレンズと、を有する。

第４の光パルス列１０４及び第６の光パルス列１０６が試料１８に照射されるタイミングが一致し（図５）、且つ試料１８上の同一の集光点（スポット）に集光されると、試料１８を透過したパルスの光強度がＳＲＳによって変化する。図５（ａ）におけるパルス４１、４３、４５の強度は小さくなり、パルス４２とパルス４４の強度は変化しない。フィルタ２０は、７９０ｎｍの光を透過し１０３０ｎｍの光を遮断する。第２の検出手段２２の受光素子は、７９０ナノメータの光に感度を持つシリコンフォトダイオードで、遮断周波数が４０ＭＨｚ（パルス周期２５ナノ秒に対応）以上であるものを利用する。

第２の検出手段２２で検出したい隣接パルスの強度差は微小であるため、取得回路２４として変換回路２３の出力から４０ＭＨｚ成分の振幅を抽出し電圧として出力する電気回路（ミキサ回路又はロックインアンプ）を利用する。

第２の検出手段２２で検出した隣接パルスの強度の差がＳＲＳ信号に対応し、第４の光パルス列１０４及び第６の光パルス列１０６を集光させたスポットに含まれる分子の情報が反映される。例えば、スポットに含まれる分子振動の共振周波数と、第１の光源１の光周波数と第２の光源２の光周波数との差（ｃ／λ１−ｃ／λ２）が一致すると、ＳＲＳ信号が大きくなる。なお、ｃは光速である。

第１の光源１の光周波数と第２の光源２の光周波数との差（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。ラマンスペクトルを得るためは第１の光源１及び第２の光源２の少なくとも一方の波長を変化させる。取得したラマンスペクトルから、試料１８にどのような分子が含まれるか推定できる。ＳＲＳ顕微鏡は、自発ラマン散乱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できる。

以上、本実施形態の同期装置１５０及び光パルス列同期方法によれば、２つの光パルスの同期を従来よりも安定的に行うことができる。また、同期装置１５０を有する光学顕微鏡１００をＳＲＳ顕微鏡として用いた場合、２つの光パルスの同期が従来よりも安定的に行われ、また、波長変更素子３からの第４の光パルス列１０４を同期のために分離することなく照射光として用いることができる。

ＳＲＳ顕微鏡では、２つの光パルス列のタイミング差が変化するとＳＲＳ信号が変化する。それに対し、本実施形態の同期装置１５０によれば、２つの光パルス列のタイミング差によるＳＲＳ信号の変化をより少なくできる。また、本発明により、光パルス列の同期をより継続させることができ、より継続したＳＲＳ信号の取得ができる。

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。

例えば、ＣＡＲＳ（ｃｏｈｅｒｅｎｔａｎｔｉ−ＳｔｏｋｅｓＲａｍａｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）など、ＳＲＳ以外の非線形光学現象を用いた光学顕微鏡にも使用できる。また、ＣＲＳ計測に限定せず、多光子吸収、多光子蛍光を計測する光学装置、顕微鏡を構成してもよい。

また、上述の各実施形態では、ガルバノミラーを用いて試料１０８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、走査手段の構成はこれに限らず、１軸のガルバノミラーによる走査と、その走査方向の直交方向に駆動する試料を支持するステージ１０９の駆動とを組み合わせて２次元走査を行ってもよい。また、ステージ１０９のみを２次元面内で駆動してもよい。また、画像化する必要がなければ、光偏向素子１０５を走査せずに、試料１０８上の１点におけるラマンスペクトル計測を行えばよい。

さらに、顕微鏡１００を用いた測定において、照射光の一方の繰り返し周波数を他方の繰り返し周波数の２倍となるように構成したり、又は繰り返し周波数を同じに構成したりしてもよい。繰り返し周波数を同じにする場合、強度、波長及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Ｅｒファイバレーザ光の第２高調波又はＹｂファイバレーザ光を変調する。そして、変調されていない方の光を、変調周波数においてロックイン検出することが好ましい。

上述の各実施形態では、試料１８を透過した光に対する計測を行う構成を説明したが、厚みのある試料１８を計測するために、試料１８で後方散乱した散乱光に対する計測を行う構成にしてもよい。その場合、第２の光学系１７が第３の光学系１９としても機能する。すなわち、試料１８で後方散乱した散乱光は、第２の光学系１７で採光された後、所定の位置に配置されている分岐手段で照射光の光路から分離され、第２の検出手段２２で検出される。

また、試料１８に光を導く各構成の一部又は全部をプローブ化して、ラマン散乱観察装置の１形態である内視鏡を構成してもよい。

１第１の光源
２第２の光源
３波長変更手段
４第２の分離手段
５第１の分離手段
９検出手段
１１周期変更手段

Claims

第１の波長を有する第１の光パルス列を出力する第１の光源と、
第２の波長を有する第２の光パルス列を出力する第２の光源と、
前記第１の光パルス列の波長を第３の波長に変更する波長変更手段と、
前記波長変更手段からの光パルス列を、前記第１の波長を有する第３の光パルス列と前記第３の波長を有する第４の光パルス列とに分離する第１の分離手段と、
前記第２の光パルス列を、前記第２の波長を有する第５の光パルス列と前記第２の波長を有する第６の光パルス列とに分離する第２の分離手段と、
前記第１の分離手段からの前記第３の光パルス列と前記第２の分離手段からの前記第５の光パルス列とを検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記第１の光パルス列のパルス周期又は前記第２の光パルス列のパルス周期を変更する周期変更手段と、を有する
ことを特徴とする光パルス列同期装置。
前記検出手段は、前記第３の光パルス列が前記検出手段に入射するタイミングと前記第５の光パルス列が前記検出手段に入射するタイミングとの差に応じた信号を出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡。
前記検出手段は、前記第３の光パルス列と前記第５の光パルス列とを受光する受光面において２光子吸収により電流を発生する受光素子を有し、前記電流に応じた信号を出力する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学顕微鏡。
前記受光素子のバンドギャップエネルギーＥｇは、前記第１の波長に対応した第１の光子エネルギーと前記第２の波長に対応した第２の光子エネルギーとの和以上であり、且つ前記第１の光子エネルギーの２倍より小さい又は前記第２の光子エネルギーの２倍より小さい
ことを特徴とする請求項３に記載の光学顕微鏡。
前記周期変更手段は、前記第１の光源の共振器長を変更することにより前記第１の光パルス列のパルス周期を変更する、又は、前記第２の光源の共振器長を変更することにより前記第２の光パルス列のパルス周期を変更する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学顕微鏡。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパルス列同期装置と、
前記パルス列同期装置からの前記第４の光パルス列と前記第２の分離手段からの前記第６の光パルス列とを試料に照射する照射光学系と、
前記試料からの光を検出する検出手段と、を有する
ことを特徴とする光学顕微鏡。
第１の波長を有する第１の光パルス列と第２の波長を有する第２の光パルス列とを同期する光パルス列同期方法であって、
前記第１の光パルス列の一部の波長を第３の波長に変更するステップと、
前記波長変更ステップからの光パルス列を、前記第１の波長を有する第３の光パルス列と第３の波長を有する第４の光パルス列とに分離する第１の分離ステップと、
前記第２の光パルス列を、前記第２の波長を有する第５の光パルス列と前記第２の波長を有する第６の光パルス列とに分離する第２の分離ステップと、
前記第１の分離ステップで分離された前記第３の光パルス列と前記第２の分離ステップで分離された前記第５の光パルス列とを検出する検出ステップと、
前記検出ステップでの検出結果に基づいて、前記第１の光パルス列のパルス周期又は前記第２の光パルス列のパルス周期を変更する周期変更ステップと、を有する
ことを特徴とする光パルス列同期方法。