JP5697699B2 - ラマン散乱計測装置およびラマン散乱計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、ラマン散乱を利用して分子振動イメージングを行うラマン散乱計測装置に関する。ラマン散乱計測装置は、顕微鏡や内視鏡等に好適である。

ラマン散乱原理を利用した計測装置としては、例えば非特許文献１，２にて提案された誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering：ＳＲＳ）計測装置がある。誘導ラマン散乱計測装置では、互いに波長が異なる２色の光パルスを試料に集光照射する。該２色の光パルスの振動数の差が試料の分子振動数と一致すると、集光点にて誘導ラマン散乱が生じ、試料を透過した２色の光パルスのうち振動数が高い方（すなわち波長が短い方）の強度が減少し、振動数が低い方（すなわち波長が長い方）の強度が増大するという現象が生じる。この強度変化を検出することで、試料の分子の振動情報を反映した分子振動イメージングが可能となる。

このような誘導ラマン散乱計測装置において、特定の波長のみを用いて特定の分子振動を検出するだけでなく、広い波長範囲の分子振動スペクトル（ラマンスペクトル）を検出することで、試料の識別能が向上すると期待される。

一方、発明者らは、非特許文献３において、広帯域ファイバーレーザーのスペクトルの一部を波長可変バンドパスフィルタにより抽出し、該抽出した光を２段の光増幅器によって増幅することで、波長を可変とした光パルスを発生させる構成を提案している。

誘導ラマン散乱顕微鏡の原理確認；嶽 文宏、小関泰之、伊東一良、Optics &Photonics Japan 2008，5pC12，2008年11月5日 Chiristian W. Freudiger, Wei Min, Brian G. Saar, Sijia Lu, Gary R. Holtom, Chengwei He, Jason C. Tsai, Jing X. Kang, X. Sunney Xie, "Label-Free Biomedical Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy" SCIENCE VOL322 19 DECEMBER 2008 pp. 1857-1861 Yasuyuki. Ozaki, Wataru Umemura, Kasuhiko Sumimura, Norihiko Nishizawa, Kiichi Fukui, Kazuyoshi Itoh "Stimulated Raman hyperspectral imaging based on spectral filtering of broadband fiber laser pulses" Opt. Lett. 37, 431 (2012)

しかしながら、非特許文献３にて提案された構成では、得られる光パルスの波長の範囲が制限されるという問題がある。図９には、非特許文献３で提案されている構成における構成要素（下段）と各構成要素から射出される光（上段）とを模式的に示している。光源としてのＹｂファイバーレーザー（ＹｂＦＬ）から射出されたレーザー光（上段にＦＬで示す）は、波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ）に導かれる。上段の図における横軸は波長λを、縦軸は強度Ｉを示す。波長可変バンドパスフィルタは、入射したレーザー光のうち、光パルスとして抽出すべき特定の波長の光（以下、抽出光といい、上段にＰＬＳで示す）を抽出する。抽出する波長を変化させる（スキャンする）ことで、光源の波長範囲に対応する波長範囲の抽出光が得られる。

波長可変バンドパスフィルタから射出した抽出光は、１段目の光増幅器（ＡＭＰ１）としてのＹｂ添加ファイバーアンプにて増幅される。ただし、この光増幅器では、抽出光が増幅されるだけでなく、該光増幅器内で発生した自然放出光も増幅される。つまり、１段目の光増幅器からの射出光には、増幅された抽出光だけでなく、増幅された自然放出光（amplified spontaneous emission light:以下、ＡＳＥ光という）も含まれる。ＡＳＥ光は、抽出光の波長に関係なく、広い波長範囲で発生し、そのピークは光増幅器のゲイン中心波長に現れる。このことは１段目の光増幅器からの射出光が入射する２段目の光増幅器（ＡＭＰ２）としてのＹｂ添加ファイバーアンプでも同じである。このため、２段目の増幅器からの射出光には、増幅された抽出光だけでなく、１段目の光増幅器で発生して２段目の光増幅器で増幅されたＡＳＥ光と２段目の光増幅器で発生したＡＳＥ光も含まれる。

図１０（ａ）には、波長可変バンドパスフィルタで抽出する波長（以下、抽出波長という）をスキャンしたときの１段目の光増幅器（ＡＭＰ１）からの射出光の強度変化を示している。横軸は抽出波長λを、縦軸は強度Ｉを示している。なお、抽出光の波長幅を考慮すると、正確には抽出波長λは抽出光の中心波長を意味するが、以下の説明では波長幅を問題にしないので、ここでは単に抽出波長としている。抽出光（ＰＬＳ）の強度は１段目の光増幅器の波長−ゲイン特性に応じて波長により変化する。一方、ＡＳＥ光は、抽出波長が変化しても、ＡＳＥ光の発生波長域全体での強度として一定の強度を持つ。

図１０（ｂ）には、図１０（ａ）に示した１段目の光増幅器（ＡＭＰ１）からの射出光が入射した２段目の光増幅器（ＡＭＰ２）の射出光を示している。２段目の光増幅器は、その増幅波長域内におけるできるだけ広い波長範囲で出力が一定となるようにゲインが飽和する状態で増幅を行う。ＡＳＥ１は１段目の光増幅器で発生して２段目の光増幅器で増幅されたＡＳＥ光の強度を示す。ＡＳＥ２は２段目の光増幅器で発生したＡＳＥ光の強度を示す。図１０（ａ）に示した抽出光強度の波長に対する変化に応じて、飽和レベルに対する抽出光とＡＳＥ光（ＡＳＥ１，ＡＳＥ２）の強度の割合は図１０（ｂ）に示すように抽出波長によって変化する。

一方、前述したように、１段目の光増幅器では抽出波長によらず一定のＡＳＥ光が発生している。よって、２段目の光増幅器の出力に含まれる抽出光に対するＡＳＥ光の割合は、光増幅器のゲイン中心波長域と比較してゲインが低い波長域の方が大きくなる。このため、図１０（ｃ）に示すように、２段目の光増幅器（ＡＭＰ２）からの射出光に含まれる抽出光の強度は、そのピークの両側の波長域において低くなる。したがって、試料に照射する有効な光パルスとして使用できる有効な抽出光の波長範囲としての有効波長範囲は、ピーク周辺の狭い波長範囲Ｗ′、すなわち２段目の光増幅器が本来有している増幅波長域よりもかなり狭い範囲となる。

本発明は、波長を変化させながら２段の増幅を行って試料に照射する光を得る場合に、該光の強度として十分な強度が得られる波長範囲を広くすることができるようにしたラマン散乱計測装置を提供する。

本発明の一側面としてのラマン散乱計測装置は、第１の光を生成する第１の光生成手段と、前記第１の光とは異なる波長を有する第２の光を生成する第２の光生成手段と、前記第１及び第２の光を試料に照射する光学系と、前記第１及び第２の光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手段と、を備え、前記第１の光生成手段は、抽出波長を含む波長範囲の光から該抽出波長を有する光を抽出する波長フィルタリングと、該波長フィルタリングにより抽出された光の増幅と、を行う波長増幅手段を有し、該波長増幅手段は、入射光に対する前記波長フィルタリングとしての第１のフィルタリングと、該第１のフィルタリングにより抽出された光に対する前記増幅としての第１の増幅と、該第１の増幅がなされた光に対する前記波長フィルタリングとしての第２のフィルタリングと、該第２のフィルタリングにより抽出された光に対する前記増幅としての第２の増幅と、を行う構成を含み、前記第１及び第２のフィルタリングを単一のバンドパスフィルタを用いて行い、前記バンドパスフィルタは、前記抽出波長を含む波長範囲の光を波長毎に分離する光分散素子と、前記抽出波長を含む波長範囲の光を前記光分散素子に導く導光光学系とを有し、前記光分散素子と前記導光光学系に含まれる光学素子との少なくとも一方を駆動して前記抽出波長を含む波長範囲の光の前記光分散素子への入射角を変化させ、前記光分散素子により分離された光の一部を抽出することにより、前記抽出波長を変化させ、前記光分散素子は、前記第１のフィルタリングにおいて光が前記光分散素子に入射するときの第１の入射位置と前記第２のフィルタリングにおいて光が前記光分散素子に入射するときの第２の入射位置との中間の位置を通る回転軸、または、前記第１及び第２の入射位置の両方を通る回転軸、を中心として回転可能であることを特徴とする。

本発明では、波長を変化させながら第１および第２の増幅（２段の増幅）を行って試料に照射するための光を得る場合に、第１の増幅において発生したＡＳＥ光を第２のフィルタリングにより除去した上で第２の増幅を行う。このため、第２の増幅がなされた後の該光の強度として十分な強度が得られる波長範囲を従来の構成に比べて広くすることができる。これにより、ラマン散乱計測装置による試料の識別能をより向上させることができる。しかも、第１及び第２のフィルタリングを単一のバンドパスフィルタを用いて行うことで、第１のフィルタリングでの抽出波長と第２のフィルタリングでの抽出波長とを常に一致させることができ、簡単な構成で上記効果をより確実に実現することができる。

本発明の実施例１であるＳＲＳ計測装置の構成を示すブロック図である。 実施例１のＳＲＳ計測装置の波長可変増幅部の概略構成と該構成の各段での出力を示す図。 上記波長可変増幅部で得られる出力を示す図。 実施例１のＳＲＳ計測装置で得られる計測結果の例を示す図。 上記波長可変増幅部の具体的構成を示す図。 上記波長可変増幅部の他の具体的構成を示す図。 実施例１における波長可変増幅部に用いられる波長可変バンドパスフィルタの構成を示す図。 本発明の実施例２であるＳＲＳ計測装置における波長可変増幅部の具体的構成を示す図。 従来のＳＲＳ計測装置の波長可変増幅部の概略構成と該構成の各段での出力を示す図。 従来の波長可変増幅部で得られる出力を示す図。

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計測装置（ＳＲＳ計測装置）の概略構成を示している。該ＳＲＳ計測装置１００は、顕微鏡や内視鏡を含む観察、測定および診断その他の用途を有する装置として用いることができる。

本実施例のＳＲＳ計測装置１００は、ストークス光となる第１のパルス光（第１の光）を生成する第１のパルス光生成部（第１の光生成手段）１と、ポンプ光となる第２のパルス光（第２の光）を生成する第２のパルス光生成部（第２の光生成手段）２とを有する。また、該計測装置１００は、第１および第２のパルス光生成部１，２に設けられた光源（これについては後述する）の発光タイミングを制御するための２光子吸収フォトダイオード（ＴＰＡ−ＰＤ）１５と同期制御部１６とを有する。

また、計測装置１００は、ハーフミラーＨＭと、遅延光路３と、第１のダイクロイックミラー（合波素子）ＤＭ１と、第２のダイクロイックミラーＤＭ２とを有する。さらに、該計測装置１００は、ＸＹスキャナ４と、照射光学系（レンズ）５と、集光光学系（レンズ）７と、色フィルタ８と、光検出素子（フォトダイオード）９と、ロックインアンプ１０と、演算器１８とを有する。照射光学系５と集光光学系７との間には、測定対象である試料６が配置される。

第１のパルス光生成部１は、第１の光源１１と、波長可変増幅部（波長可変増幅手段）２０とを有する。第１の光源１１は、パルス光を第１のパルス周期で繰り返し射出（発振）する光源であり、本実施例では、Ｙｂファイバーレーザー（ＹｂＦＬ）を用いている。第１の光源１１から射出されるパルス光は、例えば、中心波長として１０３０ｎｍを有し、繰り返し周波数ν_Ｓとして３８ＭＨｚを有する。第１の光源１１から射出されたパルス光は、第２のダイクロイックミラーＤＭ２により反射されて２光子吸収フォトダイオード１５に導かれる。

波長可変増幅部２０は、少なくとも１つの波長可変バンドパスフィルタと、少なくとも１つの光増幅器とを用いて構成されている。波長可変バンドパスフィルタは、抽出する光の波長（以下、抽出波長という）、つまりは抽出する光の振動数を変化させることができる。波長可変増幅部２０は、入射した光（抽出波長を含む波長範囲の光）から波長可変バンドパスフィルタの抽出波長に対応する波長を有する光（すなわち、抽出波長を有する光）を抽出するとともに該抽出波長を変化させる波長可変フィルタリングを行う。以下の説明では、この波長可変フィルタリングを、単にフィルタリングともいう。さらに、波長可変増幅部２０は、光増幅器を用いて、フィルタリングにより抽出された光の増幅を行う。これにより、波長可変増幅部２０（つまりは第１のパルス光生成部１）から、波長が可変であり、かつ増幅された第１のパルス光が射出される。波長可変増幅部２０の構成および機能については後に詳述する。第１のパルス光生成部１から射出された第１のパルス光は、第１のダイクロイックミラーＤＭ１に導かれる。

第２のパルス光生成部２は、第２の光源１２と、図示しない光増幅器とを有する。第２の光源１２は、パルス光を第２のパルス周期で繰り返し射出（発振）する光源であり、本実施例では、チタンサファイアレーザー（Ｔｉ−ＳＡＰＰＨＬ）を用いている。第２の光源１２から射出されるパルス光は、第１の光源１１から射出されるパルス光とは異なる中心波長として７９０ｎｍを有し、繰り返し周波数２ν_Ｓとして７６ＭＨｚを有する。不図示の光増幅器は、第２の光源１２から射出されたパルス光を増幅して射出する。

本実施例では、第１のパルス光の繰り返し周波数を、第２のパルス光の繰り返し周波数の二分の一としている。このため、第１のパルス光の各光パルスは、第２のパルス光の２つの光パルスに対して１つという同期したタイミングで生成される。なお、第１のパルス光の繰り返し周波数は、第２のパルス光の繰り返し周波数の二分の一に限られず、三分の一、四分の一等としてもよい。ただし、二分の一とする場合の方が、他の場合と比較して誘導ラマン散乱効果を引き起こす回数を多くすることができ、より高い精度で試料６の分子振動イメージを取得することができる。

第２のパルス光生成部２から射出された第２のパルス光の一部は、ハーフミラーＨＭにより反射され、第２のダイクロイックミラーＤＭ２を透過して２光子吸収フォトダイオード１５に導かれる。２光子吸収フォトダイオード１５は、入射した第１のパルス光と第２のパルス光とを光電変換し、これらパルス光のタイミング差を示す電圧信号を出力する。このタイミング差を示す電圧信号は、同期制御部１６に入力される。同期制御部１６は、入力された電圧信号が所定値で一定となるように（つまりは上述した同期タイミングが得られるように）、第１および第２の光源１１，１２の発光タイミングを制御する。

なお、本実施例では、第１および第２の光源１１，１２として、Ｙｂファイバーレーザー光源やチタンサファイヤレーザー光源を用いている。しかし、これら以外のレーザー光源、例えばＥｒファイバーレーザー光源を用いることも可能である。

また、本実施例では、第１のパルス光および第２のパルス光のうち繰り返し周波数が低い第１のパルス光をストークス光として用い、繰り返し周波数が高い第２のパルス光をポンプ光として用いる場合について説明する。しかし、繰り返し周波数が低い第１のパルス光をポンプ光として用い、繰り返し周波数が高い第２のパルス光をストークス光として用いてもよい。

遅延光路３は、４つのミラーにより構成され、ミラー間の間隔を変化させることで第２の光源１２から射出した第２のパルス光の光路長を変更する。この光路長の変更は、第１および第２のパルス光が試料６に同時に照射されるように行われる。第２のパルス光生成部２から射出された第２のパルス光は、第１のダイクロイックミラーＤＭ１に導かれ、ここで第１のパルス光生成部１から射出された第１のパルス光と同軸に合波（合成）される。合波されたパルス光は、ＸＹスキャナ４を介して照射光学系５により試料６に集光照射される。第１のダイクロイックミラーＤＭ１、ＸＹスキャナ４および照射光学系５により、第１のパルス光と第２のパルス光を合成して試料６に照射する光学系が構成される。

試料６に照射されるパルス光において、第１および第２のパルス光の繰り返し周波数をそれぞれν_Ｓ，２ν_Ｓとするとき、時間１／（２ν_Ｓ）ごとに第１および第２のパルス光の両方と、第２のパルス光のみとが交互に試料６に照射される。そして、第１および第２のパルス光の振動数の差が試料６における被測定分子の分子振動数と一致した状態で第１および第２のパルス光の双方が試料６に照射されたとき（時間１／ν_Ｓごと）に誘導ラマン散乱が生じる。このため、第２のパルス光には周波数ν_Ｓの強度変調が生じる。

試料６から射出された、第１のパルス光と誘導ラマン散乱によって強度変調された第２のパルス光は、集光光学系７によって集光される。集光光学系７で集光された第１および第２のパルス光は色フィルタ８に入射し、ここで第２のパルス光のみが透過されて光検出素子９に入射する。

光検出素子９は、入射した第２のパルス光をその光強度に応じた電気信号に変換する。光検出素子９からの出力信号は、ロックインアンプ１０に入力される。ロックインアンプ１０は、第１のパルス光生成部１（第１の光源１１）からの第１のパルス光に同期した参照信号Ｒｅｆの周波数ν_Ｓをロックイン周波数として同期検波する。これにより、誘導ラマン散乱によって発生した光である第２のパルス光の強度変調成分のみがロックインアンプ１０により検出される。光検出素子９と、ロックインアンプ１０とにより検出手段が構成される。

ＸＹスキャナ４は、第１のダイクロイックミラーＤＭ１から射出されたパルス光の試料６に対する照射領域を２次元方向（Ｘ方向およびＹ方向）にスキャンする。これにより、ロックインアンプ１０からの出力を取り込んだ演算器１８は、試料６中の被測定分子の分子振動イメージを取得することができる。第１のパルス光の波長が変更（スキャン）されることで、第１のパルス光と第２のパルス光との振動数差を連続的に変えることができるので、連続した波長範囲でのラマンスペクトルが得られる。

次に、波長可変増幅部２０の基本的な構成とその機能について、図２および図３を用いて説明する。図２には、波長可変増幅部２０の基本的な構成要素（下段）と各構成要素からの射出光（上段）とを模式的に示している。

図２に示すように、第１の光源１１であるＹｂファイバーレーザー（ＹｂＦＬ）から射出された光源光としてのレーザー光（上段にＦＬで示す）は、波長可変増幅部２０にて第１のフィルタリングを行う第１の波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ１）に導かれる。図２中の上段の図における横軸は波長λを、縦軸は強度Ｉを示す。第１の波長可変バンドパスフィルタは、入射したレーザー光のうち、該第１の波長可変バンドパスフィルタの抽出波長に対応する波長を有する光（以下、抽出光といい、図の上段にＰＬＳで示す）を抽出する。そして、該第１の波長可変バンドパスフィルタの抽出波長を変化させる（スキャンする）ことで、光源光の波長範囲に対応する波長範囲の抽出光が得られる。

次に、図２に示すように、第１のフィルタリングにて得られた抽出光は、第１の増幅（１段目の増幅）を行う第１の光増幅器（ＡＭＰ１）としてのＹｂ添加ファイバーアンプにて増幅される。この光増幅器からは、先に述べたように、増幅された抽出光が射出されるだけでなく、該光増幅器内で発生したＡＳＥ光も射出される。

図３（ａ）には、第１の波長可変バンドパスフィルタでの抽出波長をスキャンして得られた抽出光が入射したときの第１の光増幅器からの射出光を示している。横軸は抽出波長λを、縦軸は強度Ｉを示している。抽出光（ＰＬＳ）の強度は１段目の光増幅器の波長−ゲイン特性に応じて波長により変化する。ＡＳＥ光は、抽出光の波長が変化しても、該ＡＳＥ光の発生波長域全体での強度として一定の強度を持つ。

さらに、図２に示すように、第１の光増幅器からの射出光は、第２のフィルタリングを行う第２の波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ２）に導かれる。ここで、第１のフィルタリング（第１の波長可変バンドパスフィルタ）での抽出波長と第２のフィルタリング（第２の波長可変バンドパスフィルタ）での抽出波長とは互いに一致していることが重要である。これにより、第１の光増幅器からの射出光からＡＳＥ光が除去され、第１のフィルタリングでの抽出波長と同じ波長を有して第１の光増幅器で増幅された抽出光のみが射出される。

図３（ｂ）には、第２の波長可変バンドパスフィルタの抽出波長をスキャンして得られる第２の波長可変バンドパスフィルタからの射出光を示している。第２の波長可変バンドパスフィルタの抽出波長は、そのスキャン中において常に、第１の波長可変バンドパスフィルタにてスキャンされる抽出波長と一致している。このため、図３（ａ）に示した第１の光増幅器からの射出光に含まれていた抽出光のみが、その強度がほとんど低下することなく第２の波長可変バンドパスフィルタから出力される。

そして、図２に示すように、第２のフィルタリングにより得られた抽出光は、第２の増幅（２段目の増幅）を行う第２の光増幅器（ＡＭＰ２）としてのＹｂ添加ファイバーアンプにて増幅される。２段目の増幅では、図３（ｃ）に示すように、その増幅波長域内の広い波長範囲で光の強度が飽和レベルとなるように入射光の増幅が行われる。この光増幅器でも、ＡＳＥ光が発生するが、その強度は第１の光増幅器で発生したＡＳＥ光の強度と同等であり、第２の増幅がなされた抽出光の強度に比べて小さい。このため、図３（ｄ）にも示すように、第２の光増幅器からは、その増幅波長域内の広い波長範囲Ｗで出力がほぼ一定であり、かつ十分な強度を有する抽出光が得られる。つまり、図１０（ｃ）に示した従来（非特許文献３）の構成にて十分な強度を有する抽出光が得られる波長範囲Ｗ′よりも広い波長範囲Ｗで十分な強度を有する抽出光を得ることができる。

このように、本実施例では、波長を変化させながら第１および第２の増幅（２段の増幅）を行って試料に照射するための第１のパルス光を得る場合に、第１の増幅において発生したＡＳＥ光を第２のフィルタリングにより除去した上で第２の増幅を行う。このため、第２の増幅がなされた後の該第１のパルス光の十分な強度が得られる波長範囲を、従来の構成に比べて広くすることができる。

図４には、同じ試料に対して従来の構成を有するＳＲＳ計測装置によって得られるラマンスペクトルと本実施例のＳＲＳ計測装置によって得られるラマンスペクトルとの違いを模式的に示している。従来の構成を有するＳＲＳ計測装置では、ラマンスペクトルが得られる光波数（wavenumber）の範囲は図１０（ｃ）に示した抽出光の波長範囲Ｗ′に対応するＳＷ′である。この光波数範囲ＳＷ′では、その特徴を検出可能なラマンスペクトルとしては、試料に含まれる分子Ｍ１とＭ２のうちＭ１のラマンスペクトルのみである。つまり、光波数範囲ＳＷ′外に特徴部分を有する分子Ｍ２のラマンスペクトルを検出することが難しい。

これに対して、本実施例のＳＲＳ計測装置では、ラマンスペクトルが得られる光波数範囲は、図３（ｄ）に示した抽出光の波長範囲Ｗに対応してＳＷ′よりも広いＳＷである。この光波数範囲ＳＷでは、分子Ｍ１のラマンスペクトルに加えて、分子Ｍ２のラマンスペクトルの特徴も検出することが可能となる。このように、本実施例のＳＲＳ計測装置によれば、試料の識別能を従来の構成に比べてより向上させることができる。

図５には、先に説明した波長可変増幅部２０の機能を実現するためのより好ましい構成を示している。図２に示した波長可変増幅部２０を構成する第１の波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ１）、第１の増幅器（ＡＭＰ１）、第２の波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ２）および第２の増幅器（ＡＭＰ２）をそれぞれ別々の構成要素として用意してもよい。ただし、この場合、前述したように、第１の波長可変バンドパスフィルタの抽出波長と第２の波長可変バンドパスフィルタの抽出波長とを常に一致させながらスキャンすることが難しい場合がある。

このため、第１の波長可変バンドパスフィルタおよび第２の波長可変バンドパスフィルタとして、同じ１つの（つまりは単一の）波長可変バンドパスフィルタを用いることが望ましい。言い換えれば、波長可変バンドパスフィルタによる第１のフィルタリングにより抽出されて第１の増幅がなされた光を、該第１のフィルタリングに用いられた波長可変バンドパスフィルタに再び導いて第２のフィルタリングを行うことが望ましい。

図５において、第１の光源（ＹｂＦＬ）からのパルス光（直線偏光）は、λ／２板２１ａによりその偏光方向が９０度回転され、第１の偏光ビームスプリッタ２２ａを透過して波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ）４０に入射する。波長可変バンドパスフィルタ４０は、図２に示した第１および第２の波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ１，ＴＢＰＦ２）と同様に、入射光から抽出波長に対応する波長を有する光を抽出するとともに該抽出波長を変化させるフィルタリングを行う。波長可変バンドパスフィルタ４０は、第１の光源からのパルス光に対しては第１のフィルタリングを行って抽出光（以下、第１の抽出光という）を射出する。

波長可変バンドパスフィルタ４０から射出した第１の抽出光は、ミラー２３で反射されて第２の偏光ビームスプリッタ２２ｂを透過し、ファイバーコリメータ２４ａを介してＹｂ添加ファイバーアンプにより構成される第１の光増幅器（ＡＭＰ１）２５に入射する。第１の光増幅器２５は、入射した第１の抽出光に対して第１の増幅を行う。第１の光増幅器２５で増幅された第１の抽出光は、ファイバーコリメータ２４ｂを介してλ／２板２１ｂに入射する。そして、λ／２板２１ｂにより偏光方向が９０度回転された第１の抽出光は、第１の偏光ビームスプリッタ２２ａで反射されて再び波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ）４０に入射する。

波長可変バンドパスフィルタ４０は、第１の増幅を経た第１の抽出光に対しては第２のフィルタリングを行って抽出光（以下、第２の抽出光という）を射出する。第２の抽出光は、ミラー２３で反射されて第２の偏光ビームスプリッタ２２ｂで反射し、ファイバーコリメータ２４ｃを介してＹｂ添加ファイバーアンプにより構成される第２の光増幅器（ＡＭＰ２）２６に入射する。第２の光増幅器２６は、入射した第２の抽出光に対して第２の増幅を行う。第２の光増幅器２６で増幅された第２の抽出光は、ファイバーコリメータ２４ｄを介して図１に示した第１のダイクロイックミラーＤＭ１に向かう。

このように、単一の波長可変バンドパスフィルタを用いて第１のフィルタリングと第２のフィルタリングを行うことで、第１のフィルタリングでの抽出波長と第２のフィルタリングでの抽出波長とを常に一致させながらスキャンすることができる。したがって、第１の波長可変バンドパスフィルタと第２の波長可変バンドパスフィルタとして別々の波長可変バンドパスフィルタを用いる場合に比べて、簡単な構成で波長可変増幅部２０に求められる機能を確実に実現することができる。

さらに、図６に示すように、波長可変バンドパスフィルタを１つにするだけでなく、第１の光増幅器および第２の光増幅器として、同じ１つの（つまりは単一の）光増幅器を用いてもよい。言い換えれば、光増幅器による第１の増幅がなされた光を、該第１の増幅に用いられた光増幅器に再び導いて第２の増幅を行うようにしてもよい。

図６において、第１の光源（ＹｂＦＬ）からのパルス光（直線偏光）は、λ／２板２１ａによりその偏光方向が９０度回転され、偏光ビームスプリッタ２２ｃを透過して波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ）４０に入射する。波長可変バンドパスフィルタ４０は、図５の構成にて説明した機能により、第１の光源からのパルス光に対しては第１のフィルタリングを行って第１の抽出光を射出する。

第１の抽出光は、ミラー２３で反射されてファイバーコリメータ２４ａを介してＹｂ添加ファイバーアンプにより構成される光増幅器（ＡＭＰ）２７に入射する。光増幅器２７は、第１の抽出光に対して第１の増幅を行う。光増幅器２７で増幅された第１の抽出光は、ファイバーコリメータ２４ｂを介してλ／２板２１ｂに入射する。そして、λ／２板２１ｂにより偏光方向が９０度回転された第１の抽出光は、偏光ビームスプリッタ２２ｃで反射されて再び波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ）４０に入射する。

波長可変バンドパスフィルタ４０は、第１の増幅を経た第１の抽出光に対しては第２のフィルタリングを行って第２の抽出光を射出する。第２の抽出光は、ミラー２３で反射され、ファイバーコリメータ２４ａを介して再び光増幅器（ＡＭＰ）２７に入射する。光増幅器２７は、第２の抽出光に対して第２の増幅を行う。そして、光増幅器２６で増幅された第２の抽出光は、ファイバーコリメータ２４ｂを介してλ／２板２１ｂに入射し、その偏光方向が９０度回転された後、偏光ビームスプリッタ２２ｃを透過して、図１に示した第１のダイクロイックミラーＤＭ１に向かう。

このように、単一の波長可変バンドパスフィルタと単一の光増幅器とを用いて第１のフィルタリング、第１の増幅、第２のフィルタリングおよび第２の増幅を行うことで、より簡単な構成で波長可変増幅部２０に求められる機能を確実に実現することができる。

次に、これまで説明した波長可変増幅部２０に用いられる波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ（１，２））の具体的な構成を、図７を用いて説明する。波長可変バンドパスフィルタは、可動光偏向素子１２２、第１のレンズ１２３および第２のレンズ１２４によって構成される導光光学系と、光分散素子１２５と、ハーフミラー１２１と、ファイバーコリメータ１２６とにより構成されている。第１および第２のレンズ１２３，１２４はそれぞれ、焦点距離ｆ１，ｆ２を有する。

第１の光源（ＹｂＦＬ）からのパルス光は、ハーフミラー１２１を通過して可動光偏向素子１２２に入射する。可動光偏向素子１２２は、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、リゾナントスキャナ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等、高速で回転または揺動可能であり、射出光（反射光）の向きを変えることができる光学素子である。駆動部１２８は、可動光偏向素子１２２を回転駆動するためのアクチュエータや電気回路を含む。

可動光偏向素子１２２で反射されたパルス光は、第１のレンズ１２３および第２のレンズ１２４を通過して光分散素子１２５に導かれる。可動光偏向素子１２２の光偏向作用によって、図中に実線および一点鎖線で示すように、光分散素子１２５に入射する光の入射角が変化する。

光分散素子１２５は、入射光を波長に応じて異なる方向に分離する素子であり、本実施例では、回折格子を用いている。回折格子における刻線が延びる方向（刻線方向）は、図７の紙面に垂直な方向である。回折格子の分散を利用して第１のパルス光のスペクトル幅を十分に狭くすることができる。

本実施例では、可動光偏向素子１２２と第１のレンズ１２３との間および第１のレンズ１２３とその後側焦点位置との間の距離が焦点距離ｆ１に一致する。また、第２のレンズ１２４とその前側焦点位置との間および第２のレンズ１２４と光分散素子１２５との間の距離が焦点距離ｆ２に一致する。これにより、４ｆ結像系が構成される。このため、可動光偏向素子１２２の光偏向作用にかかわらず、第１のパルス光が波長可変バンドパスフィルタを通過する時間は一定である。したがって、光分散素子１２５から射出するパルス光の波長が変化しても、第１のパルス光と第２のパルス光とが試料に照射されるタイミングがずれることはない。

光分散素子１２５から、射出したパルス光は、再び第２のレンズ１２４、第１のレンズ１２３および可動光偏向素子１２２を介してハーフミラー１２１で反射され、ファイバーコリメータ１２６に入射する。そして、光分散素子１２５にて波長に応じて異なる方向に分離された光のうち、入射方向に逆進する（リトロー反射される）成分のみがファイバーコリメータ１２６を介し、波長可変増幅部２０内の光増幅器（ＡＭＰ（１，２））に向かう。リトロー反射される光の成分（波長成分）は、光分散素子１２５へ入射する光の入射角によって変化するので、可動光偏向素子１２２を動かすことで抽出光の波長を変えることができる。

なお、波長可変増幅部２０内の光増幅器において、パルス光の波長に応じて群遅延の変動が問題となる場合には、第２のレンズ１２４と光分散素子１２５との間の距離を変化させることでこれを補償することも可能である。また、光増幅器を、そのゲインが飽和する状態で使用することで、パルス光の波長がスキャンされることによる該光増幅器からの出力の変動を抑制することができる。 また、図７に示した可動光偏向素子１２２に代えて、向きが固定されたミラーを用いる一方、光分散素子１２５を回転（揺動）させてもよい。この場合にも、可動光偏向素子１２２を回転駆動する場合と同様に、光分散素子１２５の回転により波長をスキャンすることができる。

このように、波長可変バンドパスフィルタとしては、光の入射角に応じて射出光の波長を変化させる光分散素子およびこれに光を導く導光光学系に含まれる光学素子のうち少なくとも一方の素子の傾きを変えることで入射角を変化させる構成を有すればよい。また、「少なくとも一方」は、光分散素子と光学素子の両方の傾きを変化させる場合も含む意味である。

なお、上記各実施例にて説明したパルス光の波長、繰り返し周波数等のパラメータは例に過ぎず、他のパラメータを用いてもよい。

また、上記各実施例では、光分散素子として回折格子を用いた場合について説明したが、回折格子以外の素子（例えば、プリズム）であっても、光の入射角に応じて射出光の波長を変化させるものであれば光分散素子として使用することが可能である。

次に、本発明の実施例２について図８を用いて説明する。図８（ａ）には、波長可変増幅部２０の構成として、図５および図６に示したものとは別の構成を示している。

図８（ａ）において、第１の光源（ＹｂＦＬ）からのパルス光は、図８（ｂ）に示すようにミラー１３１を介さずに（ミラー１３１の近傍を通って）、波長可変バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ）を構成する光分散素子としての回折格子１３２に入射する。回折格子１３２は、入射光を波長に応じて異なる方向に分離する。

回折格子１３２は、不図示の駆動部により回転中心軸１３２ａを中心として回転（揺動）が可能であり、その回転によって回折格子１３２に入射する光の入射角を変化させる。なお、回折格子１３２の刻線方向と回転中心軸１３２ａが延びる方向とは平行である。また、回折格子１３２の回転中心軸１３２ａは、刻線方向に対して直交する方向に延びる軸回りで、ミラー１３１（および後述するミラー１３３）に対して若干倒れている。これにより、回折格子１３２に対する入射光と射出光のうち一方を、ミラー１３１，１３３を介さずに通過させることができる。

回折格子１３２は、その回転と入射光を波長に応じて異なる方向に分離する作用とにより、入射光から抽出波長に対応する波長を有する光を抽出するとともに抽出波長を変化させるフィルタリングを行う。回折格子１３２（波長可変バンドパスフィルタ）は、第１の光源（ＹｂＦＬ）からのパルス光に対して第１のフィルタリングを行う。

第１のフィルタリングにより抽出された第１の抽出光は、ミラー１３１で反射し、ファイバーコリメータ２４ａを介して第１の光増幅器（ＡＭＰ１）２５に入射する。第１の光増幅器２５は、入射した第１の抽出光に対して第１の増幅を行う。第１の光増幅器２５と後述する第２の光増幅器２６はいずれも、Ｙｂ添加ファイバーアンプにより構成されている。

第１の光増幅器２５で増幅された第１の抽出光は、ファイバーコリメータ２４ｂを介してミラー１３３に入射し、ここで反射されて再び波長可変バンドパスフィルタの回折格子１３２に入射する。第１の抽出光は、第１の光源からのパルス光と平行に回折格子１３２に入射する。そして、回折格子１３２に対して第１の光源からのパルス光が入射したときと第１の抽出光が入射したときとで回折格子１３２の回転方向での向きが同じであることで、第１のフィルタリングと同じ抽出周波数で第１の抽出光に対して第２のフィルタリングが行われる。

第２のフィルタリングにより抽出された第２の抽出光は、ミラー１３１を介さずに（ミラー１３１の近傍を通って）、ファイバーコリメータ２４ｃを介して第２の光増幅器（ＡＭＰ２）２６に入射する。第２の光増幅器２６は、入射した第２の抽出光に対して第２の増幅を行う。第２の光増幅器２６で増幅された第２の抽出光は、ファイバーコリメータ２４ｄを介して図１に示した第１のダイクロイックミラーＤＭ１に向かう。

本実施例では、回折格子１３２に第１の光源からのパルス光と第１の増幅後の第１の抽出光とが入射するが、それらの入射位置は互いに異なる。そして、回折格子１３２の回転中心軸１３２ａは、これらの入射位置の中間（中央）の位置を通るように設定されている。これにより、回折格子１３２の回転方向での向きを変えても、波長可変増幅部２０からの第１のパルス光の射出タイミングを変化させないようにすることできる。

なお、図８（ｃ）に示すように、回折格子１３２の回転中心軸１３２ａを、該回折格子１３２に対する第１の光源からのパルス光の入射位置と第１の増幅後の第１の抽出光の入射位置とを通るように設定してもよい。この構成でも、回折格子１３２の回転方向での向きを変えても、波長可変増幅部２０からの第１のパルス光の射出タイミングを変化させないようにすることできる。

本実施例でも、同じ１つの（つまりは単一の）波長可変バンドパスフィルタを用いて第１のフィルタリングと第２のフィルタリングを行うことで、第１のフィルタリングでの抽出光周期数と第２のフィルタリングでの抽出波長とを常に一致させながらスキャンすることができる。したがって、第１の波長可変バンドパスフィルタと第２の波長可変バンドパスフィルタとを別々の波長可変バンドパスフィルタを用いる場合に比べて、容易な構成で波長可変増幅部２０に求められる機能を確実に実現することができる。

上記各実施例では、２段の増幅を行う場合について説明したが、本発明は少なくとも２段の増幅（例えば、３段）を行う場合であれば適用可能である。

上記各実施例では、ラマン散乱のうち、特に誘導ラマン散乱を利用した計測装置について説明したが、誘導ラマン散乱以外のラマン散乱を利用した計測装置にも、各実施例にて説明した構成を応用することができる。

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。例えば、実施例１に係る波長可変バンドパスフィルタおいて、ハーフミラー１２１の代わりに全反射ミラーを用いてもよい。この場合、図８（ｂ）に示した構成と同様に、第１の光源（ＹｂＦＬ）からのパルス光は全反射ミラーを介さずに通過し、光分散素子１２５からの抽出光は全反射ミラーで反射するようにすることで、ハーフミラーを用いる場合よりも光量損失を軽減することができる。

試料に対する良好な識別能を有するラマン散乱計測装置を提供することができる。

１ 第１のパルス光生成部
２ 第２のパルス光生成部
６ 試料
９ 光検出素子
１０ ロックインアンプ
２０ 波長可変増幅部

Claims (7)

1. 第１の光を生成する第１の光生成手段と、
   前記第１の光とは異なる波長を有する第２の光を生成する第２の光生成手段と、
   前記第１及び第２の光を試料に照射する光学系と、
   前記第１及び第２の光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手段と、を備え、
   前記第１の光生成手段は、抽出波長を含む波長範囲の光から該抽出波長を有する光を抽出する波長フィルタリングと、該波長フィルタリングにより抽出された光の増幅と、を行う波長増幅手段を有し、
   該波長増幅手段は、
   入射光に対する前記波長フィルタリングとしての第１のフィルタリングと、
   該第１のフィルタリングにより抽出された光に対する前記増幅としての第１の増幅と、
   該第１の増幅がなされた光に対する前記波長フィルタリングとしての第２のフィルタリングと、
   該第２のフィルタリングにより抽出された光に対する前記増幅としての第２の増幅と、を行う構成を含み、
   前記第１及び第２のフィルタリングを単一のバンドパスフィルタを用いて行い、
   前記バンドパスフィルタは、
   前記抽出波長を含む波長範囲の光を波長毎に分離する光分散素子と、前記抽出波長を含む波長範囲の光を前記光分散素子に導く導光光学系とを有し、
   前記光分散素子と前記導光光学系に含まれる光学素子との少なくとも一方を駆動して前記抽出波長を含む波長範囲の光の前記光分散素子への入射角を変化させ、前記光分散素子により分離された光の一部を抽出することにより、前記抽出波長を変化させ、
   前記光分散素子は、前記第１のフィルタリングにおいて光が前記光分散素子に入射するときの第１の入射位置と前記第２のフィルタリングにおいて光が前記光分散素子に入射するときの第２の入射位置との中間の位置を通る回転軸、または、前記第１及び第２の入射位置の両方を通る回転軸、を中心として回転可能であることを特徴とするラマン散乱計測装置。
2. 前記波長増幅手段は、前記第２の増幅によって、前記第２のフィルタリングにより抽出された光の強度が飽和レベルに達するように増幅を行う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の増幅がなされた光の強度は、前記抽出波長に応じて異なることを特徴とする請求項１または２に記載のラマン散乱計測装置。
4. 前記第１のフィルタリングにおける前記抽出波長と、前記第２のフィルタリングにおける前記抽出波長と、は互いに一致していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のラマン散乱計測装置。
5. 前記波長増幅手段は、前記第１のフィルタリングにおける前記抽出波長と、前記第２のフィルタリングにおける前記抽出波長と、を互いに一致させながら変化させることを特徴とする請求項４に記載のラマン散乱計測装置。
6. 前記波長増幅手段は、前記第１及び第２の増幅を単一の光増幅器を用いて行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のラマン散乱計測装置。
7. 前記第１の光生成手段はファイバーレーザーを有し、前記波長増幅手段はファイバーアンプを有す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。