JPWO2014125729A1 - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】相対的に出力の低い安価な超短パルスレーザを光源とし、ストークス光として光ソリトンを用いた、より簡便かつ高感度な測定装置及び測定方法を提案する。【解決手段】本開示の測定装置は、パルスレーザ光を所定の参照周波数により強度変調しつつストークス光を生成するストークス光生成部と、ポンプ光又はストークス光を時間遅延させる時間遅延部と、時間遅延量が制御されたポンプ光及びストークス光が照射された測定サンプルからの光をロックイン検出する検出部と、強度変調及び時間遅延量を制御しつつ、アンチストークス光に基づき所定の演算処理を実施する演算処理装置と備え、ストークス光生成部は、強度変調されたパルスレーザ光を非線形光ファイバに透過させることで、入射強度に応じた波長の光ソリトンパルスを生成させてストークス光とし、時間遅延部は、光ソリトンパルスの中心波長に応じてポンプ光又はストークス光を時間遅延させる。【選択図】図１

Description

本開示は、測定装置及び測定方法に関する。

振動分光学の応用を考える上で重要な振動スペクトル領域は、分子指紋領域と呼ばれる３００ｃｍ^−１〜３６００ｃｍ^−１の範囲にある。これらの波数領域に対応する振動スペクトルを測定する方法としては、赤外分光法及びラマン分光法が代表的であり、双方の測定法を利用することで、サンプルの分子振動に関する情報を相補的に得ることができる。ここで、例えば生体試料等のように、水を主成分として含有するサンプルの場合、赤外分光法では水に起因する振動スペクトルが観測されてしまうため、主にラマン分光法が用いられることが多い。

しかしながら、生体物質の分析、検査、診断において、生体物質のラマンスペクトルは一般に多くの分子官能基の振動スペクトルを含み、また、生体物質の自家蛍光も伴うことから、複雑でスペクトルが拡がり、官能基の帰属に困難を伴う場合も多い。更に、振動スペクトルの観測に用いられた光により、生体物質では、光による損傷が比較的容易に生じるため、このような光損傷を抑制するために高感度な検出が望まれている。

ラマン分光法の一種である非線形ラマン分光法として、コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＣＡＲＳ）分光法や、誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＲＳ）分光法等が存在する。これら非線型ラマン分光法では、サンプルの自家蛍光回避、高感度化、３次元空間分解能に対して優位性があるとして、生物顕微鏡または医療画像診断機器への応用の発展が著しい。

例えば、下記の非特許文献１では、ＣＡＲＳ分光法における非共鳴バックグランド除去を行い、高コントラストな画像取得を可能とする方法としてＦＭ−ＣＡＲＳ分光法が開示されている。このＦＭ−ＣＡＲＳ分光法では、分子振動に関連しない電子分極に起因する応答などの非共鳴バックグランドが、ポンプ光及びストークス光の波長に対してほぼ一定で依存しないことに着目したものであり、ストークス光のＦＭ変調に対してロックイン検出される信号が、非共鳴バックグランドを除去した分子振動の差分スペクトルにほぼ対応することを利用したものである。

ここで、非線形ラマン分光法に利用されてきた光源は、Ｔｉ：ＳａｐｐｈｉｒｅやＮｄ：ＹＶＯ_４等のレーザ結晶を用いたモード同期型超短パルスレーザや、これらのレーザ光源を励起光源に用いた波長連続可変可能な光パラメトリック発振器などのように、大掛かりで高価なものであった。

近年、このような光源に対し、Ｅｒ又はＹｂ等をドープした光ファイバを用いたファイバ型超短パルスレーザが開発され、市販されるようになってきた。また、これら光源でフォトニック結晶ファイバに代表される高非線形光ファイバを励起することにより、連続白色光（スーパーコンティニューム光）が比較的容易に発生可能になり、ＣＡＲＳ分光法におけるストークス光として用いた研究報告が多数出版されている。

例えば下記の特許文献１には、ファイバ中で光ソリトンを発生させ、光ソリトンの自己周波数シフト（Ｓｏｌｉｔｏｎ Ｓｅｌｆ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ）現象を利用して、光ソリトンの中心波長を励起光源の光強度により制御可能とした光源が開示されている。また、下記の非特許文献２では、上記のような基本ソリトン（光ソリトン）をストークス光として用いたＣＡＲＳ分光法が提案されている。

また、上記スーパーコンティニューム光をストークス光として利用するＣＡＲＳ分光法において、スペクトル分解能を向上させる技術として、下記の非特許文献３には、ポンプ光とストークス光のチャープレート（Δω／Δτ）を等しくする手法が提案されている。更に、上記のスペクトル分解能を向上させる技術を簡便化する手法として、下記の非特許文献４には、正分散媒体（光学ガラスブロック）を用いる手法が開示されている。

特許第４０６６１２０号

Ｆ．Ｇａｎｉｋｈａｎｏｖ，Ｃ．Ｅｖａｎｓ，Ｇ．Ｓａａｒ，Ｓ．Ｘｉｅ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．３１，２００６，ｐ．１８７２ Ｅ．Ｒ．Ａｎｄｒｅｓｅｎ，Ｖ．Ｂｉｒｋｅｄａｌ，Ｊ．Ｔｈｏｅｇｅｒｓｅｎ，Ｓ．Ｒ．Ｋｅｉｄｉｎｇ，"Ｔｕｎａｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｌｉｔｏｎ ｓｅｌｆ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ"，ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．３１，２００６，ｐ．１３２８ Ｔ．Ｈｅｌｌｅｒｅｒ，Ａ．Ｍ．Ｋ．Ｅｎｅｊｄｅｒ，ａｎｄ Ａ．Ｚｕｍｂｕｓｃｈ，"Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｏｃｕｓｉｎｇ：Ｈｉｇｈ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ｂｒｏａｄｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ"，ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ．８５，２００４，ｐ．２５ Ｉ．Ｒｏｃｈａ−Ｍｅｎｄｏｚａ，Ｗ．Ｌａｎｇｂｅｉｎ，ａｎｄ ．Ｂｏｒｒｉ，"Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ ｍｉｃｒｏｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｕｓｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｇｌａｓｓ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ"，ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ．９３，２００８，ｐ．２０１１０３ Ｊ．Ｚｈａｏ，Ｍ．Ｍ．Ｃａｒｒａｂｂａ，Ｆ．Ｓ．Ａｌｌｅｎ，"Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｓｈｉｆｔｅｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｒａｍａｎ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，Ｖｏｌ．５６，２００２，ｐ．８３４ Ｓ．Ｔ．ＭｃＣａｉｎ，Ｒ．Ｍ．Ｗｉｌｌｅｔｔ，Ｄ．Ｊ．Ｂｒａｄｙ，"Ｍｕｌｔｉ−ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１６，２００８，ｐ．１０９７５

しかしながら、上記非特許文献１に開示されているような非線形ラマン分光法の測定装置は、大きな光学定盤上に、超短パルスレーザ発生装置、光パラメトリック発振器、分光器、高感度低ノイズのＣＣＤ検出器をはじめとする高価な主要部品を展開し、精密な光路を実現することで構成される。そのため、これら構成部品の光学調整は、熟練を要する作業であった。また、一般に、生体試料等を測定対象とするユーザの汎用的な利用は、制限されかつ困難になる場合も多かった。

また、上記非特許文献２では、線幅の細いポンプ光を用いることで、アンチストークス光のスペクトル分解能２６ｃｍ^−１を得ている。しかしながら、この方法では、ポンプ光及びストークス光のパルス幅が大きく相違することになり、アンチストークス光の発生効率が下がることとなる。その結果、アンチストークス光に対応する大きな信号を得ることが困難となる。

そこで、本開示では、上記事情に鑑みて、ＣＡＲＳ分光法において、相対的に出力の低い安価な超短パルスレーザを光源とし、かつ、ストークス光として光ソリトンを用いた、より簡便かつ高感度な測定装置及び測定方法を提案する。

本開示によれば、測定サンプルの所定の分子振動を励起するポンプ光及びストークス光に用いられるパルスレーザ光を射出する光源部と、前記光源部により生成された前記パルスレーザ光を所定の参照周波数により強度変調しつつ、強度変調された前記パルスレーザ光を利用して所定波長のストークス光を生成するストークス光生成部と、前記光源部により生成された前記パルスレーザ光を利用したポンプ光、又は、前記ストークス光生成部により生成された前記ストークス光を所定時間遅延させる時間遅延部と、時間遅延量が制御された前記ポンプ光及び前記ストークス光が照射された前記測定サンプルを透過した透過光、又は、当該測定サンプルからの反射光をロックイン検出する検出部と、前記ストークス光生成部での前記強度変調及び前記時間遅延部での時間遅延量を制御しつつ、前記検出部によりロックイン検出されたアンチストークス光に基づいて所定の演算処理を実施する演算処理装置と、を備え、前記ストークス光生成部は、強度変調された前記パルスレーザ光を非線形光ファイバに透過させることで、当該非線形光ファイバに入射する前記パルスレーザ光の強度に応じた波長を有する光ソリトンパルスを生成させて前記ストークス光とし、前記時間遅延部は、前記光ソリトンパルスの中心波長に応じて、前記ポンプ光又は前記ストークス光を時間遅延させる、測定装置が提供される。

また、本開示によれば、測定サンプルの所定の分子振動を励起するポンプ光及びストークス光に用いられるパルスレーザ光を射出することと、生成された前記パルスレーザ光を所定の参照周波数により強度変調しつつ、強度変調された前記パルスレーザ光を利用して所定波長のストークス光を生成することと、生成された前記パルスレーザ光を利用したポンプ光、又は、生成された前記ストークス光を所定時間遅延させることと、時間遅延量が制御された前記ポンプ光及び前記ストークス光が照射された前記測定サンプルを透過した透過光、又は、当該測定サンプルからの反射光をロックイン検出することと、前記ストークス光を生成させる際の前記強度変調及び時間遅延させる際の時間遅延量を制御しつつ、前記検出部によりロックイン検出されたアンチストークス光に基づいて所定の演算処理を実施することと、を含み、前記ストークス光を発生させる際には、強度変調された前記パルスレーザ光を非線形光ファイバに透過させることで、当該非線形光ファイバに入射する前記パルスレーザ光の強度に応じた波長を有する光ソリトンパルスを生成させて、前記ストークス光とし、前記光ソリトンパルスの中心波長に応じて、前記ポンプ光又は前記ストークス光を時間遅延させる、測定方法が提供される。

本開示によれば、パルスレーザ光は所定の参照周波数により強度変調され、強度変調されたパルスレーザ光を非線形光ファイバに透過させることで、当該非線形光ファイバに入射するパルスレーザ光の強度に応じた波長を有する光ソリトンパルスを生成させて、ストークス光とする。また、ポンプ光又はストークス光は、光ソリトンパルスの中心波長に応じて時間遅延され、時間遅延量が制御されたポンプ光及びストークス光が照射された測定サンプルを透過した透過光、又は、当該測定サンプルからの反射光がロックイン検出される。

以上説明したように本開示によれば、ＣＡＲＳ分光法において、相対的に出力の低い安価な超短パルスレーザを光源とし、かつ、ストークス光として光ソリトンを用いた、より簡便かつ高感度な測定装置及び測定方法を実現することが可能となる。

本開示の第１の実施形態に係る測定装置の構成の一例を示したブロック図である。 同実施形態に係る測定装置が備える演算処理装置の構成の一例を示したブロック図である。 同実施形態に係る光強度変調器の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係る光強度変調器の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係る光強度変調器の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における光路図の一例を示した説明図である。 非線形光ファイバの群速度分散特性を示したグラフ図である。 非線形光ファイバへの光の入射強度と光ソリトンパルスの中心波長との関係の一例を示したグラフ図である。 ストークス光生成部で生成される光ソリトンパルスの一例について示したグラフ図である。 ストークス光生成部で生成される光ソリトンパルスの一例について示したグラフ図である。 ストークス光生成部で生成される光ソリトンパルスの一例について示したグラフ図である。 同実施形態に係る群速度分散制御部について説明するための説明図である。 光ソリトンパルスの波長と時間遅延量との関係の一例を示したグラフ図である。 非線形光ファイバへの光の入射強度と時間遅延量との関係の一例を示したグラフ図である。 本開示の実施形態に係る演算処理装置のハードウェア構成の一例を示したブロック図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は、以下の順序で行うものとする。
（１）第１の実施形態
（１−１）測定装置の構成について
（１−２）測定装置の光路図の一例について
（２）本開示の実施形態に係る演算処理装置のハードウェア構成について
（３）まとめ

（第１の実施形態）
＜測定装置の構成について＞
まず、図１を参照しながら、本開示の第１の実施形態に係る測定装置の構成の一例について、詳細に説明する。図１は、本開示の第１の実施形態に係る測定装置の構成の一例を示したブロック図である。

本実施形態に係る測定装置１０は、図１に示したように、超短パルスレーザ光源１０１、ストークス光生成部１０３、時間遅延回路１０５、試料測定部１０７、検出部１０９及び演算処理装置１１１を主に備える。

本開示で着目するＣＡＲＳ分光法では、ポンプ光（周波数：ω_ｐ）とストークス光（周波数：ω_ｓ）という２種類のパルス光が用いられる。光源部として機能する超短パルスレーザ光源１０１は、測定サンプルの所定の分子振動を励起するポンプ光及びストークス光に用いられるパルスレーザ光を射出する。本実施形態では、超短パルスレーザ光源１０１から射出されたパルスレーザ光は、ビームスプリッタ１２１へと導光され、２つの光路に分岐される。一方の光路は、ポンプ光用の光路であり、もう一方の光路は、ストークス光用の光路である。本実施形態では、ポンプ光用に分配されたパルスレーザ光は、そのままポンプ光として用いられる。

ＣＡＲＳ分光法では、ポンプ光及びストークス光の光ビート周波数が測定サンプルの特定の分子振動周波数（周波数：Ω）と等しいときに、測定サンプルからのアンチストークス光（ＡＳ光）の散乱強度が高くなり、得られる信号強度が増大する。

そこで、後述するストークス光生成部１０３によりストークス光パルスの中心波長を広帯域かつ高速に精密制御できるものであれば、ストークス光波長を任意に選択することが可能になり、本実施形態に係る測定装置は、分光スペクトル取得からイメージングまで広い用途に対応が可能となり、汎用化できる。

具体的には、本実施形態では、図１に示したように、ストークス光生成部１０３として光強度変調器１２３及びストークス光発生部１２５が設けられている。光強度変調器１２３は、ストークス光パルスの中心波長を広帯域かつ高速に精密制御するものである。この光強度変調器１２３については、以下で詳述する。また、本実施形態において、ストークス光発生部１２５は、高非線形光ファイバ、中でも、高非線形フォトニック結晶ファイバとその入出力結合（対物レンズ等）から構成される簡便なものである。

先述のような一般的なＣＡＲＳ分光法では、本実施形態における光強度変調器１２３及びストークス光発生部１２５を含めたものが、ポンプ光用超短パルス（モード同期）レーザに同期するもう１台の超短パルス（モード同期）レーザであったり、光パラメトリック発振器であったりした。しかしながら、これらの機器では、高速波長可変は不可能であった。例えば、２台の超短パルスレーザを用いる場合では、レーザ発振器内の波長選択素子は機械式である場合が多く、光パラメトリック発振器を用いる場合では、非線形光学結晶の温度位相整合又は角度位相整合条件に合わせてチューニングしなければならない。

これに対し、高非線形フォトニック結晶ファイバとして、非線形光学係数が高く、高非線形フォトニック結晶ファイバのゼロ分散波長をポンプ光の波長よりも少し短い波長の値になるようにすると、利用したいストークス光発生の波長領域において、高非線形フォトニック結晶ファイバが、異常分散領域で動作する。その結果、超短光パルスの自己位相変調効果とファイバの群速度分散とが釣り合うようにして、光ソリトンが発生することとなる。この光ソリトンの基本ソリトン中心波長は、自己周波数シフト現象（Ｓｏｌｉｔｏｎ Ｓｅｌｆ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ）により励起光パルスのピークパワーに依存する。自己周波数シフト現象の時間応答は非常に速く、例えば２ＭＨｚ程度まで（更には１ＧＨｚ程度まで）の高速な波長掃引・波長選択が可能となる。

そこで、本実施形態に係るストークス光生成部１０３では、光強度変調器１２３により、ビームスプリッタ１２１で分岐されたパルスビーム光の強度を制御するとともに、所定の参照周波数により周波数変調する。その上で、所望の中心波長の光ソリトンが発生するように強度が制御されたパルスビーム光を高非線形フォトニック結晶ファイバへ入射させることで、ＦＭ変調された、所望の波長を有するストークス光を生成することが可能となる。なお、このストークス光生成部１０３（特に、光強度変調器１２３）は、演算処理装置１１１によって強度が制御されている。

ここで、光強度変調器１２３における参照周波数は、例えば、１００ｋＨｚ以上とすることが好ましい。外来の電気的ノイズやシステムの機械的振動や揺らぎに依存するノイズ、光学系に混入する迷光ノイズ、レーザ光源のノイズ等の多くは、１００ｋＨｚ未満の周波数成分が多い。そこで、周波数変調に用いられる参照周波数を１００ｋＨｚ以上とすることで、上記のノイズを除去することが可能となり、信号雑音比を向上させることが可能となる。

また、本実施形態に係る測定装置１０では、時間遅延部として機能する時間遅延回路１０５により、ポンプ光、又は、ストークス光の少なくとも何れか一方を所定時間だけ遅延させる。この時間遅延回路は特に限定されるものではないが、例えば、ミラー等の各種光学部材や、ピエゾステージ等を組み合わせることで形成することができる。

図１に示した例では、時間遅延回路１０５は、ポンプ光の光路長を変えることで、ポンプ光を所定時間だけ遅延させて、ポンプ光及びストークス光のパルスの試料到達タイミングが一致するようにする。この時間遅延回路１０５は、演算処理装置１１１によって、ストークス光として用いられる光ソリトンパルスの中心波長に対応した光路長となるように制御される。

ポンプ光及びストークス光は、群速度分散制御部１２７によりチャープレート（Δω／Δｔ）が互いに等しくなるように群速度分散が制御された後（より詳細には、正のチャープ（アップチャープ）された後）、ダイクロイックミラー１２９で合波され、同一ビームとなって、試料測定部１０７に設置されたサンプル試料（測定サンプル）に照射される。

ＣＡＲＳ分光は３次の非線形光学過程を利用した分光であるため、入射光パルス強度は非常に高いものであることが望ましい。入射光パルス強度を高めるために、試料測定部１０７として、顕微鏡機能を有したものが用いられる。顕微鏡機能に設けられている対物レンズにより入射光パルスは絞られて、３次の非線形光学過程に十分な強度のパルス光がサンプル試料に照射される。なお、本実施形態に係る測定装置１０では、３次の非線形光学過程における位相整合条件は、集光ビーム光学系であることから自動的に満たされる。

ＣＡＲＳ分光スペクトルを取得するには、光ソリトンの波長掃引を所定の波長領域（例えば、分子指紋領域の少なくとも一部）に渡って行う。光ソリトンの波長掃引を行うためには、演算処理装置１１１により光強度変調器１２３を制御して、ストークス光発生部１２５に入射するパルスレーザ光の強度を例えば連続的に変化させる。

また、イメージングを行うには、光ソリトンの波長は特定の分子振動に対応するストークス光波長に固定した上で、試料測定部１０７に設けられた試料ステージを機械的に走査するか、又は、入射光ビーム及び出射光ビームをガルバノミラー等のビームスキャナーで走査することで測定サンプルのＸＹ走査等を行い、画像コントラストを取得する。イメージングを行う際、複数の分子振動（例えば２つの分子振動）に着目し、着目したスペクトルの比を画像コントラストとすべく、波長を複数（例えば２つ）選択してアンチストークス光を測定することも可能である。

試料測定部１０７からの出射ビームは、図１に示したように、検出部１０９へと導光される。この検出部１０９は、図１に示したように、ショートパスフィルタ１３１と、光検出部１３３と、ロックインアンプ１３５と、Ａ／Ｄ変換器１３７と、を備える。

ショートパスフィルタ１３１は、試料測定部１０７からの出射ビームのうち、アンチストークス光のみを透過させるフィルタである。アンチストークス光は、ポンプ光よりも短波長であるため、ポンプ光よりも長波長のスペクトルを有する自家蛍光をショートパスフィルタ１３１により１０^６：１程度の比で分離することが可能となる。これにより、試料測定部１０７に載置された測定サンプルからのアンチストークス光のみを、後述する光検出部１３３に導光することができる。

光検出部１３３は、ショートパスフィルタ１３１を透過した信号光を検出するデバイスである。光検出部１３３により、アンチストークス光の信号は光電流に変換されて、後述するロックインアンプ１３５へと出力される。このような光検出部１３３としては、例えば、Ｓｉフォトダイオードのようなフォトダイオードを利用することができる。また、ダイナミックレンジが十分に広く、変調周波数（参照周波数）に応答があるものであれば、光電子増倍管（ＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ：ＰＭＴ）や、アバランシェ・フォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ：ＡＰＤ）等を利用することも可能である。

ロックインアンプ１３５は、光検出部１３３から出力された光電流を利用し、ストークス光生成部１０３でレーザパルス光を強度変調する際に利用した参照周波数に基づいてロックイン検波を行う。ロックインアンプ１３５で用いられる参照周波数は、演算処理装置１１１によって制御されている。

一般に、ショット雑音や熱雑音は、信号の周波数に関係なく一定であり、信号の周波数帯域幅の平方根に比例する。従って、信号周波数がある決まった周波数で変動することが既知である場合、その周波数を中心とする狭帯域フィルタを用いることで、雑音を低減し高信号雑音比で信号取得が可能である。ロックイン検出法では、信号にある周波数の変調を与え、これと同じ参照周波数を乗算することで周波数２倍の交流成分と直流成分に変換し、高特性の低域透過フィルタを通して直流成分のみを取り出す方法である。これにより、ΔＩ／Ｉ〜１０^−６〜１０^−７程度という微弱な信号であっても、信号検出が可能となる。

ロックインアンプ１３５は、以上のような仕組みで、参照周波数に基づいて光検出部１３３から出力された光電流のロックイン検波を行い、光電流に重畳されているアンチストークス光信号を抽出する。ロックインアンプ１３５は、ロックイン検波により得られたアンチストークス光信号を、後述するＡ／Ｄ変換器１３７に出力する。Ａ／Ｄ変換器１３７は、ロックインアンプから出力されたアンチストークス光信号をＡ／Ｄ変換し、演算処理装置１１１に出力する。

また、近年では、数ＧＨｚ以上の周波数帯域を持つデジタルストレージオシロスコープやアナログ−デジタル変換器やＦＰＧＡボード等が市販されている。このようなデバイスを利用することで、光検出部１３３により検出された光電流を高速アナログ−デジタル変換することで信号処理として加算平均化を行い、高速フーリエ変換を行うことで、参照信号周波数成分のみを抽出することが可能となる。その結果、このようなデバイスを利用することにより、ロックイン検出と同等の機能を実現することが可能となる。

演算処理装置１１１は、ストークス光生成部１０３での強度変調及び時間遅延部１０５での時間遅延量を制御しつつ、検出部１０９によりロックイン検出されたアンチストークス光に基づいて所定の演算処理を実施する。換言すれば、演算処理装置１１１は、光強度変調器１２３、時間遅延回路１０５及びロックインアンプ１３５を制御しつつ、アンチストークス光に基づいて所定の演算処理を実施するものである。この演算処理装置１１１の詳細な機能については、以下で詳述する。

以上説明したように、本実施形態に係る測定装置１０では、高非線形フォトニック結晶ファイバへ入射させるパルス光の強度を例えば連続的に変化させることで、光ソリトンパルスの中心波長を微小変調（ＦＭ変調）させつつ、中心波長を掃引することができる。また、ストークス光として用いられる基本ソリトンパルス（光ソリトンパルス）の中心波長は、微小変調（ＦＭ変調）されているため、後述する検出部１０９でアンチストークス光信号を変調周波数（参照周波数）でロックイン検出することで、差分ラマンスペクトルと同等な非共鳴バックグラウンドを除去した信号を得ることができる。この場合、演算処理装置１１１は、波長掃引と時間遅延量とを同期させて制御する。その結果、本実施形態に係る測定装置１０を利用して、ＦＭ−ＣＡＲＳ分光スペクトルを取得することが可能となる。

また、本実施形態に係る測定装置１０では、高非線形フォトニック結晶ファイバへ入射させるパルス光の強度を固定することで、特定の分子振動に対応するように光ソリトンパルスの波長を選択することができる。ストークス光として用いられる基本ソリトンパルス（光ソリトンパルス）の中心波長は、微小変調（ＦＭ変調）されているため、後述する検出部１０９でアンチストークス光信号を変調周波数（参照周波数）でロックイン検出することで、選択した波長に対応する特定の分子振動スペクトルのコントラスト（画像コントラストイメージ）を得ることができる。その結果、本実施形態に係る測定装置１０を利用して、ＦＭ−ＣＡＲＳ分光イメージングを行うことが可能となる。この場合、上記の例とは異なり波長掃引を行わないため、より高速にイメージング画像を取得することが可能である。

また、ＦＭ−ＣＡＲＳ分光イメージングは、着目する複数の波長（例えば、２以上の波長）でのスペクトル強度の比を算出することで、画像コントラストを得るものである。ここで、波長の切り替えは、１画像毎、１ライン毎、又は、１画素毎等のように、自由に行うことが可能である。

例えば、生体試料等では、脂質に関するＣ−Ｈの伸縮振動、タンパク質のペプチド結合に関するアミド基、ジスフィルド結合（−Ｓ＝Ｓ−）等といった、様々なスペクトルが複雑かつ多数存在する。アンチストークス光信号は分子数に比例するため、単純にある特定のスペクトル強度を用いるだけでは、生体試料の生化学的又は生理学的機能との対応を取るのが困難な場合がある。このような場合、複数の官能基に着目し、そのスペクトル強度比に着目すると、物質密度分布（分子数分布）だけではなく、その他の重要な生体情報が得られることがある。

以上、図１を参照しながら、本実施形態に係る測定装置１０について、詳細に説明した。なお、上記説明では、検出部１０９が測定サンプルからの透過光を検出する場合について説明したが、検出部１０９は、測定サンプルからの反射光を検出してもよく、透過光及び反射光の双方を検出してもよい。

［演算処理装置の構成について］
続いて、図２を参照しながら、本実施形態に係る測定装置１０が備える演算処理装置１１１の構成について、詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る演算処理装置１１１の構成の一例を示したブロック図である。

本実施形態に係る演算処理装置１１１は、図２に示したように、測定制御部１５１と、データ取得部１５３と、演算処理部１５５と、表示制御部１５７と、記憶部１５９と、を主に備える。

測定制御部１５１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、通信装置等により実現される。測定制御部１５１は、測定装置１０に設けられている各種ドライバ（図示せず。）等を制御することで、光強度変調器１２３における変調処理や、時間遅延回路１０５における時間遅延量や、ロックインアンプ１３５におけるロックイン検出を制御する。また、これらの制御以外にも、測定制御部１５１は、測定装置１０における測定処理全体を制御することが可能である。

なお、測定制御部１５１は、上記の各種制御を行う際に、後述する記憶部１５９等に格納されている各種のデータベースを参照することができる。また、測定制御部１５１は、非線形光ファイバ中の光の伝播速度に関するモデル計算結果等を利用して、上記の各種制御を行うことも可能である。

データ取得部１５３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。データ取得部１５３は、測定装置１０のＡ／Ｄ変換部１３７から出力されたデジタル信号のデータ（換言すれば、アンチストークス光に関する測定データ）を取得して、後述する演算処理部１５５に出力する。また、データ取得部１５３は、取得したデジタル信号を後述する表示制御部１５７に出力して、取得したデジタル信号をディスプレイ等の表示装置に出力させるようにしてもよい。更に、データ取得部１５３は、取得したデジタル信号データに、当該データを取得した日時等に関する時刻データを関連付けて、履歴情報として後述する記憶部１５９に格納してもよい。

演算処理部１５５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。演算処理部１５５は、データ取得部１５３が取得したデジタル信号のデータ（アンチストークス光に関するデータ）を利用して、所定の演算処理を実施する。これにより、演算処理部１５５は、ＦＭ−ＣＡＲＳ分光スペクトルや、ＦＭ−ＣＡＲＳ分光イメージング画像を生成することができる。

ここで、本実施形態に係る測定装置１０で生成されるＦＭ−ＣＡＲＳ分光スペクトルは、いわゆる差分ラマンスペクトルに対応する。従って、測定サンプルのラマンシフトを帰属する際には、得られたＦＭ−ＣＡＲＳ分光スペクトル（差分ラマンスペクトル）を利用することで、十分に行うことが可能である。

また、演算処理部１５５は、ＦＭ−ＣＡＲＳ分光スペクトルと、記憶部１５９等に格納されている各種のラマンスペクトルデータやデータベース等と、を利用して、得られたスペクトルの帰属を行うことも可能である。この際、演算処理部１５５は、公知の手法を利用して、差分スペクトルからラマンスペクトルを算出することが可能である。このような手法は特に限定されるものではないが、例えば、上記非特許文献５に開示されているようなフーリエデコンボリューション（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）を用いた手法や、上記非特許文献６に開示されているようなＥＭアルゴリズムを用いた手法等を利用することが可能である。

演算処理部１５５は、ＦＭ−ＣＡＲＳ分光スペクトルや、ＦＭ−ＣＡＲＳ分光イメージング画像を生成すると、生成したこれらのデータを、表示制御部１５７を介してユーザに視覚的に出力させる。また、演算処理部１５５は、生成したこれらのデータを、プリンタ等を介して出力したり、各種の記録媒体に電子データとして格納したりしてもよい。また、演算処理部１５５は、生成したこれらのデータに、当該データを生成した日時等に関する時刻データを関連付けて、履歴情報として後述する記憶部１５９に格納してもよい。

表示制御部１５７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置、通信装置等により実現される。表示制御部１５７は、演算処理装置１１１や演算処理装置１１１の外部に設けられたディスプレイ等の表示装置の表示内容を制御する。具体的には、表示制御部１５７は、演算処理部１５５におけるＣＡＲＳ分光処理結果を可視化して、ＣＡＲＳ分光スペクトルを表示画面に表示したり、コントラスト画像を表示画面に表示したりする際の表示制御を行う。これにより、測定装置１０のユーザ（操作者）は、着目している分子振動のＣＡＲＳ分光法による測定結果を、その場で容易に把握することができる。

記憶部１５９は、例えば、ＲＡＭやストレージ装置等により実現される。記憶部１５９には、測定制御部１５１が光強度変調器１２３や時間遅延回路１０５を制御する際に利用される各種のデータベースや、演算処理部１５５が実行する各種の演算処理に用いられるアプリケーションを含む各種のプログラムや、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、又は、各種のデータベース等が、適宜記録されてもよい。

この記憶部１５９は、測定制御部１５１、データ取得部１５３、演算処理部１５５、表示制御部１５７等の各処理部が、自由にアクセスし、データを書き込んだり読み出したりすることができる。

以上、本実施形態に係る演算処理装置１１１の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。

なお、上述のような本実施形態に係る演算処理装置の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。

［光強度変調器について］
次に、本実施形態に係る測定装置１０で用いられる光強度変調器１２３の一例について、詳細に説明する。

以上説明したように、本実施形態に係る測定装置１０では、ストークス光発生部１２５に入射するパルス光の強度を制御することで、ストークス光の中心波長を掃引したり選択したりする。本実施形態に係る測定装置１０では、パルス光の強度や変調の度合いを制御するために、本実施形態に係る光強度変調器１２３が用いられるが、かかる光強度変調器１２３として、例えば以下のような機器を用いることが可能である。

○光強度変調器の例−１
例えば、光強度変調器１２３として、音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＡＯＭ）又は電気光学変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＯＭ）を利用することが可能である。これら変調器は、ＡＯＭドライバやＥＯＭドライバ等のドライバを介して、演算処理装置１１１の測定制御部１５１により制御される。

光強度変調器１２３として音響光学変調器又は電気光学変調器を用いた場合、群速度分散は大きくなるが、１０〜１００ＭＨｚ程度までは高速変調が可能であり、ノイズの抑制はより効果的となる。この際、群速度分散は、プリズムペアやグレーティングペア等の公知の群速度分散補償ユニットを追加することで補償することが可能である。

また、これら音響光学変調器及び電気光学変調器は、駆動する電気信号により任意の光強度をランダムに選択することが可能であり、鋸波波形の駆動信号により波長掃引したり、所定波形の駆動信号により任意の波長を選択したりすることが、高速に実施可能である。ただし、これら音響光学変調器及び電気光学変調器に用いられる音響光学結晶や電気光学結晶の厚みは１ｃｍ以上あるのが一般的であり、また、正の波長分散も大きいため、超短パルスレーザ光源１０１から射出された超短パルス光のパルス幅を拡げてしまう。そのため、光源として利用する超短パルス光のパルス幅が例えば１００フェムト秒（ｆｓ）以下である場合には、群速度分散補正を行うことが望ましいことがある。この際には、使用する変調器の前後何れかに、プリズムペアやグレーティングペア等の公知の群速度分散補償ユニットを挿入することが望ましい。

○光強度変調器の例−２
次に、図３Ａ〜図４を参照しながら、光強度変調器１２３の他の一例について、詳細に説明する。図３Ａ〜図４は、本実施形態に係る光強度変調器の一例を説明するための説明図である。

本実施形態に係る光強度変調器１２３として、例えば図３Ａに示したような、周波数変調に用いられ、かつ、濃度が連続的に変化する濃淡パターンを備えた回転式の減光フィルタ（ＮＤフィルタ）を用いることが可能である。

図３Ａに示した光強度変調器では、濃度が連続的に変化するパターンを備えた回転式の波長掃引用減光フィルタ（図３Ａにおける濃淡パターン１）と、周波数変調のための濃淡パターンを備える回転式の周波数変調減光フィルタ（図３Ａにおける濃淡パターン２）と、が互いに重畳された（互いに掛けあわされた）濃淡パターン１×２が用いられる。

図３Ａに示した濃淡パターン１は濃度が連続的に変化しており、図３Ａの右側上段に示したグラフ図のように、濃淡パターン１が１周するごとに濃淡パターン１を透過する光の強度も連続的に変化することとなる。従って、この濃淡パターン１は、波長掃引用の濃淡パターンとして機能する。図３Ａの場合、濃淡パターンの連続可変濃度周期は１周であるが、１周回に複数（２回、４回等）の連続可変濃淡パターンを設けることで、モータの回転周波数を上げることなく波長掃引の速度を上げることができる。

図３Ａに示した濃淡パターン２は、光の透過率が相対的に高い部分と相対的に低い部分とが、交互に配設されている。この濃淡パターンは、いわゆる光チョッパと同様なパターンであり、変調度は、プレート上に蒸着する金属薄膜（アルミ：反射型、クロム：吸収型）の膜厚によって調整が可能である。図３Ａの右側下段に示したグラフ図のように、濃淡パターン２を透過する光の強度は、矩形状に変化することとなる。従って、この濃淡パターン２は周波数変調用の濃淡パターンとして機能し、回転周波数を調整することで、変調周波数の大きさを制御することができる。

図３Ａに示したような光強度変調器に入射させる超短パルス光のビーム直径は、アフォーカルな集光光学系により調整可能である。例えば、濃淡パターンの直径６６ｍｍの円周上にビームが導光されるものとし、モータの回転数を３０００ｒｐｍ（＝５０ｒｐｓ）、濃淡の周期を円周上０．１ｍｍとしたとき、光ビームの直径を０．１ｍｍとすると、変調周波数は６６×π×５０／０．１＝１００ｋＨｚとなる。

これらの２つの濃淡パターンを重畳した（濃度を掛け合わせした）パターンの金属薄膜の蒸着を行えば、ＮＤフィルタとしては１枚（従ってモータも一つ）とすることが可能である。ＮＤフィルタのガラス基板としては、波長分散の少ない合成石英基板又は溶融石英基板を用いることが好ましく、板厚も１ｍｍ程度が好ましい。このようにすることで、音響光学変調器や電気光学変調器に比べ飛躍的にパルス拡がりの影響を受けずに済み、入射する超短パルスのパルス拡がりを無視できる程度に軽減することが可能になる。

また、図３Ａの変形例として、図３Ｂに示したように、濃淡パターン１を有するＮＤフィルタと、濃淡パターン２を有するＮＤフィルタと、をそれぞれ異なるモータに取り付け、タンデム（連続的）に構成しても良い。図３Ｂに示したような２つのモータを用いる方式を適用した場合、波長掃引用の濃淡パターン１を回転させず所望の濃度の部分に固定することで、ストークス光の波長を固定したＦＭ−ＣＡＲＳ分光スペクトルの測定や、ＦＭ−ＣＡＲＳ分光イメージング画像の生成を行うことが可能となる。

このようなＮＤフィルタを回転させるためのモータとしては、例えば、ステッピングモータ（低速回転用：例えば、＜３０００ｒｐｍ）やＤＣモータ（高速回転用：例えば、≧３０００ｒｐｍ）等を用途に応じて選択する。

例えば、図３Ａに示したような１つのモータを利用した光強度変調器の場合、高速回転可能なＤＣモータを採用することが好ましい。また、図３Ｂに示したような２つのモータを利用した光強度変調器の場合、例えば、波長掃引用の濃淡パターン１のモータに比較的低速であるが任意の回転位置にランダムアクセス可能なステッピングモータを採用し、また、周波数変調用の濃淡パターン２のモータに高速回転可能なＤＣモータを採用することで、更に変調周波数を上げることが可能となる。なお、２つのＮＤフィルタの回転の同期（分周、逓倍周も含めた同期）を取ることは、測定制御部１５１が、各々の光透過モニター信号又は回転センサの回転信号等を参照しながらモータドライバ等により制御することで、容易に実現可能である。しかしながら、本開示において、波長掃引の速度（周波数）と変調周波数とは桁違いに異なるため、必ずしも行わなくても良い。

図３Ａ及び図３Ｂに示したような光強度変調器を用いることで、図４に示したような、周波数変調及び強度変調されたパルスレーザ光を生成することが可能となる。

以上、図３Ａ〜図４を参照しながら、本実施形態に係る測定装置１０で用いられる光強度変調器１２３の一例について説明した。

＜測定装置の光路図の一例について＞
次に、図５〜図１１を参照しながら、本実施形態に係る測定装置１０の光路図の一例について、詳細に説明する。図５は、本実施形態に係る測定装置における光路図の一例を示した説明図である。図６は、非線形光ファイバの群速度分散特性を示したグラフ図である。図７は、非線形光ファイバへの光の入射強度と光ソリトンパルスの中心波長との関係の一例を示したグラフ図である。図８Ａ〜図８Ｃは、ストークス光生成部で生成される光ソリトンパルスの一例について示したグラフ図である。図９は、本実施形態に係る群速度分散制御部について説明するための説明図である。図１０は、光ソリトンパルスの波長と時間遅延量との関係の一例を示したグラフ図である。図１１は、非線形光ファイバへの光の入射強度と時間遅延量との関係の一例を示したグラフ図である。

［光学系の全体構成について］
図５に示した例では、超短パルスレーザ光源１０１として、ＴＯＰＴＩＣＡ社のファイバ型長短パルスレーザＦＦＳ−ＳＨＧを用い、直線偏光のパルスレーザ光を射出させた。このパルスレーザ光の中心波長は７８５ｎｍであり、パルス幅は１８０ｆｓであり、繰り返し周波数は８０ＭＨｚであり、最大平均パワーは１００ｍＷであった。

また、ビームスプリッタ１２１として、２分の１波長板（Ｈａｌｆ Ｗａｖｅ Ｐｌａｔｅ）ＨＷＰと、偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）ＰＢＳ１を用いて、ポンプ光用に１０ｍＷ、ストークス光用に残り９０ｍＷを分配した。

また、ストークス光生成部１０３として、音響光学素子ＡＯＭ（ＨＯＹＡ製Ａ−２００）又は図３Ａに示した自作の回転式ＮＤフィルタを利用した光強度変調器１２３と、フォトニック結晶ファイバＰＣＦを利用したストークス光発生部１２５と、を設けた。音響光学素子ＡＯＭを光強度変調器として用いる場合には、集光せず変調周波数２ＭＨｚで光強度変調を行った。なお、更に高速変調する場合には、ｆ２００程度のアフォーカル光学系の焦点位置に音響光学素子ＡＯＭを置くことで、１０ＭＨｚ程度まで変調が可能である。フォトニック結晶光ファイバＰＣＦとしては、ＮＫＴ社製ＮＬ−ＰＭ−７５０を５ｍ利用し、このフォトニック結晶光ファイバの両端には、ファイバ結合用の対物レンズ（ＮＡ０．６５）が設けられている。また、フォトニック結晶光ファイバＰＣＦの後段には、ポンプ光及びアンチストークス光等の不要な光を遮断し、ストークス光のみを透過するロングパスフィルタＬＰＦ（Ｓｅｍｒｏｃｋ社製ＬＰ０１−８０８）を設けた。また、フォトニック結晶光ファイバＰＣＦとロングパスフィルタＬＰＦとの間には一組のミラーＭを設け、ストークス光とポンプ光とを同軸とするためのアライメントが行えるようにした。

他方、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を透過したポンプ光は、後段に設けられた偏光ビームスプリッタＰＢＳ２で反射され、４分の１波長板（Ｑｕａｒｔｅｒ Ｗａｖｅ Ｐｌａｔｅ）ＱＷＰを通過後、機械式ステッピングモータリニアステージ、超音波モータリニアステージ又はピエゾステージ等の可動式ステージに載置されたミラーＭで反射されて、再び４分の１波長板ＱＷＰを通過し偏光ビームスプリッタＰＢＳ２を透過する。これら部分が、安定な時間遅延回路３として動作する。演算処理装置１１１の測定制御部１５１は、可動式ミラーＭの位置を制御することでポンプ光の時間遅延量を制御し、ポンプ光のパルスと、ストークス光のパルスとの間のタイミングを調整する。図５に示した例では、時間遅延回路１０５用の直線移動ステージとして、テクノハンズ社の超音波モータ駆動Ｘ軸ステージＸＥＴ７０−６／１６Ａを使用した。

また、ポンプ光及びストークス光の光路上には、群速度分散制御部１２７として、正の群速度分散を有する透明媒質である高分散ガラス（オハラ製Ｓ−ＮＰＨ３）を配置した。この群速度分散制御部１２７の機能については、以下で詳述する。

ストークス光とポンプ光の２つのパルスビームは、ダイクロイックロングパスフィルタ（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｌｏｎｇ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）ＤＬＰＦで合波され、ビームエキスパンダ（Ｂｅａｍ Ｅｘｐａｎｄｅｒ）ＢＥでビーム径が拡大された後に、試料測定部１０７として機能する顕微鏡ユニットに装着された、試料ステージ上の測定サンプルに照射される。ここで、ダイクロイックロングパスフィルタＤＬＰＦとしては、エドモンド社のダイクロイックロングパスフィルタ６９８９４−Ｌ（カットオン波長８００ｎｍ）を使用した。また、顕微鏡ユニットには、Ｎｉｋｏｎ社のＴＥ−２０００Ｕを使用し、試料ステージには、ＰＩ社の３次元ピエゾステージを搭載した。

測定サンプルから戻ってくるアンチストークス光は、ダイクロイックロングパスフィルタ（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｌｏｎｇ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）ＤＬＰＦで反射され、ショートパスフィルタ１３１（ＳＰＦ）を通過後集光されて、光検出部１３３として機能するアバランシェ・フォトダイオードＡＰＤに入射する。ここで、ダイクロイックロングパスフィルタとして、エドモンド社の６９８９３−Ｌ（カットオン波長７５０ｎｍ）を使用した。また、ショートパスフィルタ１３１（ＳＰＦ）として、Ｓｅｍｒｏｃｋ社のショートパスフィルタＳＰ０１−７８５ＲＵ（カットオフ波長７７９ｎｍ）を使用した。また、アバランシェ・フォトダイオードとし、浜松ホトニクス社のＡＰＤモジュールＣ４７７７を使用した。

アバランシェ・フォトダイオードＡＰＤで検知されたアンチストークス光の信号は、ロックインアンプ１３５へと出力される。このロックインアンプ１３５として、例えば、参照周波数が１００ｋＨｚ以下であればＮＦ回路ブロック社のＬＩ５６４０を使用可能であり、２ＭＨｚ以下であればＳｉｇｎａｌ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ社製ＤＳＰロックインアンプ７２８０型を使用可能であり、２ＭＨｚ以上であればＳｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｙｓｔｅｍ社製 ＳＲ８４４型ＤＳＰ２位相デジタルロックインアンプ等を使用可能である。

また、ストークス光のスペクトル分布を測定したい場合には、Ｂ＆Ｋ ＴＥＫ社の小型スペクトロメータＢＢＲＣ６４２Ｅ等を用いることが可能である。

このような光学系により測定されたアンチストークス光をロックイン検出し、Ａ／Ｄ変換器１３７でデジタル信号とした後に、演算処理装置１１１により演算処理を行った。

なお、図５に示した光路で表される光学系は、いわゆる、Ｅｐｉ−ＣＡＲＳ分光の光学系となっているが、図１に示したような透過モード、即ち、Ｆｏｒｗａｒｄ−ＣＡＲＳ分光の光学系となっていてもよい。

［光ソリトンパルスについて］
図６は、ＮＫＴ社カタログデータに基づき作製した、フォトニック結晶ファイバＮＬ−ＰＭ−７５０の分散パラメータを示したグラフ図である。図６の横軸は、フォトニック結晶ファイバに入射する光の波長であり、縦軸は、分散パラメータ（Ｄパラメータ）である。図６に示したグラフ図は、ゼロ波長分散を波長７５０ｎｍに有する高非線形フォトニック結晶ファイバの代表的な分散特性を表している。このグラフ図から明らかなように、７５０ｎｍ以上の波長領域は、分散パラメータが正の値となる異常分散領域にあり、分散効果によるパルス拡がりと自己位相変調（ＳＰＭ）によるパルス圧縮が釣り合ったときに、光ソリトンが発生する。光ソリトンは、ファイバ伝搬中にパルス拡がりが起こらず、一定のパルス幅でファイバ中を進行する。この異常分散領域では、波長の短い成分が波長の長い成分より速く進む点で、注意が必要である。

光ファイバに入射する光のパワー（入射パワー）が高くなってくると、初期のパルス幅が２００ｆｓ以下と短く波長成分が数ｎｍ以上ある場合、ソリトンパルス内の短波長成分の誘導ラマン散乱により長波長成分が増幅され、光ソリトンの中心波長は長波長側にシフトする。この現象を、ソリトン自己周波数シフト（Ｓｏｌｉｔｏｎ Ｓｅｌｆ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ）という。このソリトン自己周波数シフトでは、ファイバ長が長くなるほど、また、入射ピークパワーが大きくなるほど、波長は長波長側にシフトする。

ここで、入射パワーが高くなると、スペクトル分布において、着目する基本ソリトン以外に、ポンプ光波長と基本ソリトンの中心波長との中間に、更に別のスペクトルピークが現れるようになる。これらのピークは、基本ソリトンよりも高次のソリトンである。このような高次のソリトンが発生する理由は、入射パワーが高くなることによって、基本ソリトン以外の高次のソリトンも発生しうるエネルギーが光ファイバ内に入射するためである。しかしながら、本発明者らによる検証の結果、これら高次のソリトンは、本実施形態において光ソリトンパルスとして利用される基本ソリトンに対し、スペクトルピークが少なくとも５０ｎｍ以上は離隔していることが明らかとなった。従って、本実施形態に係る測定装置１０では、基本ソリトンを選択的に利用することが可能である。

図７は、ストークス光発生部１２５に入射する（光強度変調器１２３通過後の）超短パルスレーザの平均パワー（１２種類）に対する、基本ソリトンの中心波長の関係を示したものである。図７から明らかなように、ストークス光発生部１２５に入射するパルスレーザの強度を制御することで、発生する基本ソリトンの中心波長を選択可能であることがわかる。

また、図８Ａ〜図８Ｃは、各々のストークス光ビームのスペクトル分布を示している。図８Ａ〜図８Ｃでは、ロングパスフィルタにより８００ｎｍ以下の波長のポンプ光の残留成分及びアンチストークス光成分は、全て遮断されている。図８Ａ〜図８Ｃから明らかなように、ストークス光発生部１２５に入射するパルスレーザの強度を制御することで、１２種類の中心波長を有する基本ソリトンが生成していることがわかる。なお、図８Ｂ及び図８Ｃにおいて、矢印で示したスペクトルピーク以外のピークが、高次のソリトンに対応したピークである。本発明者らによる検討の結果、基本ソリトンのスペクトル分布はほぼガウス分布で近似が可能であり、その半値全幅は、１２ｎｍ〜１８ｎｍであった。

基本ソリトン波は、ほぼフーリエ限界パルスとみなすことができる。フォトニック結晶ファイバ内のパルス伝搬が異常分散領域であることを考慮すると、中心波長が短い基本ソリトンの方が、中心波長の長い基本ソリトンに比べ伝搬速度が速い。従って、ポンプ光パルスに対する時間遅延量は、中心波長が短い基本ソリトンの方が多くなるように設定される。

［群速度分散制御部について］
本実施形態に係る群速度分散制御部１２７は、ポンプ光及びストークス光の群速度分散を補償し、ＣＡＲＳ分光（すなわち、アンチストークス光）のスペクトル分解能を向上させるために設けられるものである。ここで、群速度とは、パルス光の包絡線の伝播速度、すなわち、パルスのエネルギー塊の伝播速度であり、群速度分散とは、パルス光の拡がり表したものである。この群速度分散の補償処理は、上記非特許文献４に開示されている、Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｏｃｕｓｉｎｇ（スペクトル集束）という手法により実現される。図９は、Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｏｃｕｓｉｎｇの概念を説明するための説明図である。

本開示で着目しているＣＡＲＳ分光法では、その光源としてパルス光が用いられる。一つのパルスの包絡線内で変化している瞬間的な周波数（瞬間周波数）をω（ｔ）と表すとすると、その周波数は、基本周波数ω_０を利用して、ω（ｔ）＝ω_０＋２βｔと表すことができる。ここで、上記式において、パラメータβは、チャープパラメータと呼ばれるものである。また、図９では、横軸に時間ｔを取り、縦軸に周波数ωを取ることで、各パルス光がどのような特性を有しているかを示したものである。

まず、図９の左側に示した模式図に着目する。一般的なＣＡＲＳ分光法において、例えばポンプ光として、周波数方向よりも時間方向に広がりを持ったパルス光が用いられ、ストークス光として、時間方向よりも周波数方向に広がりを持ったパルス光が用いられたものとする。この場合、これら２つのパルス光は、チャープレートが互いに異なるため、光ビート周波数分布の瞬時半値幅である瞬時差分周波数（Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ：ＩＦＤ）は、周波数方向に広がることとなり、観測されるアンチストークス光も周波数方向に広がって、スペクトル分解能が低下することとなる。

一方、Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｏｃｕｓｉｎｇでは、ほぼフーリエ限界パルスに近いポンプ光とストークス光（本開示では基本ソリトン波）について、共に正の群速度分散を有する透明媒質（図５の例では高分散ガラス）を通過させることで、双方のパルスをチャープレート（Δω／Δｔ）が互いに等しくなるように正にチャープ（ｕｐ−ｃｈｉｒｐ）させる。ここで、正のチャープとは、一つのパルスの包絡線内において、パルスの前端では周波数が低く、パルスの後端では周波数が高くなる状態であり、上記式において、チャープパラメータβが正である場合に対応する。このようにチャープレートを制御することによって、図９の右側に示したように瞬時差分周波数ＩＦＤを狭くすることが可能となり、ＣＡＲＳ分光（つまりはアンチストークス光）のスペクトル分解能を向上させることができる。

図５に示した例では、ポンプ光のスペクトル半値全幅は５ｎｍ（波数に換算して、Δω＝１５４ｃｍ^−１）であり、パルス幅Δｔは１８０ｆｓである。一方、中心波長９００ｎｍのストークス光に対応する基本ソリトンのスペクトル幅は、図８Ｂから、２０ｎｍ（波数に換算してΔω＝４６２ｃｍ^−１）であり、パルス幅Δｔは約６０ｆｓである。

群速度分散は、図５に示した光路全体に対して、考慮するものである。ここで、図５に示した例では、主に、ビームエキスパンダＢＥと顕微鏡内の例えばＮＡ０．７５の対物レンズを考慮する。これらの正の群速度分散は、総和で、高分散ガラスＳ−ＮＰＨ３の長さに換算して約１ｃｍになる。

ポンプ光の光路中の高分散ガラスＳ−ＮＰＨ３の長さを６ｃｍとすると、通過後のパルス幅は４１０ｆｓとなり、ストークス光の光路中の高分散ガラスＳ−ＮＰＨ３の長さを８．８ｃｍとすると、通過後のパルス幅は１．２３ｐｓとなった。この際、チャープレートΔω／Δｔは共に等しく３８０ｃｍ^−１／ｐｓが実現され、各々のパルス幅は、それぞれ２．３倍、２１倍に引き伸ばされた。前述のように、アンチストークス光のスペクトル分解能は瞬時周波数差ＩＦＤで決まるが、本例の場合、スペクトル分解能は約２３ｃｍ^−１となった。一般的なＣＡＲＳ分光法において、ポンプ光のスペクトル幅で決まる１５４ｃｍ^−１のスペクトル分解能と比較すると、本例では、約１／７にスペクトル分解能が向上したこととなる。ここで、高分散ガラスブロックの長さを長くしていけば、パルス幅は長くなるとともに、チャープレートは小さくなり、スペクトル分解能は更に向上することとなる。

一方で、チャープレートの下限は、ピークパワーの低下、緩和時間、時間遅延量の増大、不要ソリトンとのオーバーラップ等で決まるものである。以下、これらの要因について、具体的に説明する。

チャープレートの下限に関与する各要因のうち、ピークパワーの低下が最も本質的な要因である。ＣＡＲＳ分光法は３次の非線形光学効果を利用しているため、ピークパワーの低下はアンチストークス光の信号強度の低下を招く。即ち、信号強度（同一入射パワーに対する検出感度）とスペクトル分解能とは、トレードオフの関係にある。

また、パルス幅が増大し分子振動の位相緩和時間よりも長くなると、分子振動の集団励起コヒーレンスの低下を引き起こし、アンチストークス光の信号強度が低下する。その結果、ＣＡＲＳ分光スペクトルのスペクトル形状に歪が生じ、スペクトル形状が変化してしまう。パルス幅が１ｐｓ〜数ｐｓ以上になると、スペクトル形状に対して重大な影響を与えてしまうため、チャープレート（Δω／Δｔ）の下限は、ピークパワーの低下と、緩和時間とで、およそ制限される。

また、時間遅延量に関しては、時間遅延回路１０５として設けられた直線移動ステージの性能に応じて決まるものであるが、３ｍｍの移動で２０ｐｓの時間遅延が得られ、実用上、市販されている公知の部品を利用することが可能である。

時間遅延量は、例えば図６に示したような高非線形フォトニック結晶ファイバの分散パラメータＤ、即ち、群速度分散特性より推定することが可能である。測定に利用する光ソリトンパルスの中心波長と時間遅延量との関係は、使用する高非線形フォトニック結晶ファイバに応じて、例えば図１０に示したように推定することができる。

また、不要ソリトンとのオーバーラップに関しては、例えば図８Ｂに示したような９５０ｎｍの基本ソリトンを例にとると、不要ソリトンは８５０ｎｍ近傍に現れていることがわかる。この基本ソリトンと不要ソリトンとの到達時間差は約２０ｐｓであり、不要ソリトンの方が伝搬速度は速く、基本ソリトンよりも先に到達している。従って、不要ソリトンと基本ソリトンとは、実用上十分に時間的に分離されていることがわかった。また、図８Ｂ及び図８Ｃに示したように、他の基本ソリトンについても、不要ソリトンとは実用上十分に時間的に分離されていることがわかった。

［光ソリトンパルスの中心波長と時間遅延量の制御について］
また、図７及び図１０に示した関係性を利用することで、ＰＣＦ励起光パワーと時間遅延量との関係を算出することができる。これにより、光強度変調器１２３の制御（すなわち、ＰＣＦに入射するレーザパルス光の入射強度の制御）と、時間遅延回路１０５における時間遅延量を制御する直線移動ステージの移動量との関係を、ルックアップテーブル等のような対照表として準備することができる。

ＰＣＦ励起パワー（光強度変調器１２３通過後の出力）と時間遅延量との関係のグラフ図を図１１に示すとともに、対照表の例を下記の表１に示す。このようなグラフ図や対照表を、データベースとして演算処理装置１１１の記憶部１５９に格納しておくことで、測定制御部１５１は、光強度変調器１２３及び時間遅延回路１０５の制御を行うことが可能である。

また、ＰＣＦ励起パワーと時間遅延量との対照表は、表１に示したような数値表としてではなく、このＰＣＦ励起パワー（光変調器通過後の出力）と時間遅延量の関係を多項式近似などの関数モデルとして表現したものであってもよい。このような関数モデルを記憶部１５９に格納した上で、測定制御部１５１が関数モデルに基づき数値演算を行い、実際の光強度変調器１２３及び時間遅延回路１０５の直線移動ステージを、Ａ／Ｄ変換器等を介して制御してもよい。

更に、測定制御部１５１は、関数モデルに基づくモデル計算だけでなく、非線形光ファイバ中の光の伝播速度に関する公知のモデル計算等を利用して、ＰＣＦ励起パワー及び時間遅延量の制御を行っても良い。

以上、本実施形態に係る測定装置１０について、図５〜図１１を参照しながら具体的に説明した。

（ハードウェア構成について）
次に、図１２を参照しながら、本開示の実施形態に係る演算処理装置１１１のハードウェア構成について、詳細に説明する。図１２は、本開示の実施形態に係る演算処理装置１１１のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。

演算処理装置１１１は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、演算処理装置１１１は、更に、ホストバス９０７と、ブリッジ９０９と、外部バス９１１と、インターフェース９１３と、入力装置９１５と、出力装置９１７と、ストレージ装置９１９と、ドライブ９２１と、接続ポート９２３と、通信装置９２５とを備える。

ＣＰＵ９０１は、演算処理装置および制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１９、またはリムーバブル記録媒体９２７に記録された各種プログラムに従って、演算処理装置１１１内の動作全般またはその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるホストバス９０７により相互に接続されている。

ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バス９１１に接続されている。

入力装置９１５は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチおよびレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、演算処理装置１１１の操作に対応した携帯電話やＰＤＡ等の外部接続機器９２９であってもよい。さらに、入力装置９１５は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。演算処理装置１１１のユーザは、この入力装置９１５を操作することにより、演算処理装置１１１に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。

出力装置９１７は、取得した情報をユーザに対して視覚的または聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置およびランプなどの表示装置や、スピーカおよびヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１７は、例えば、演算処理装置１１１が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理装置１１１が行った各種処理により得られた結果を、テキストまたはイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。

ストレージ装置９１９は、演算処理装置１１１の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、または光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１９は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、および外部から取得した各種データなどを格納する。

ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理装置１１１に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ−ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２７は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、または、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｍｏｒｙ ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｒｄ）または電子機器等であってもよい。

接続ポート９２３は、機器を演算処理装置１１１に直接接続するためのポートである。接続ポート９２３の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。接続ポート９２３の別の例として、ＲＳ−２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。この接続ポート９２３に外部接続機器９２９を接続することで、演算処理装置１１１は、外部接続機器９２９から直接各種データを取得したり、外部接続機器９２９に各種データを提供したりする。

通信装置９２５は、例えば、通信網９３１に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９２５は、例えば、有線または無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、またはＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９２５は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）用のルータ、または、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９２５は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９２５に接続される通信網９３１は、有線または無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信または衛星通信等であってもよい。

以上、本開示の実施形態に係る演算処理装置１１１の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。

（まとめ）
以上説明したように、本開示の実施形態によれば、高価なポリクロメータや高感度ＣＣＤ等を用いることなく、コンパクトで安価なファイバ型超短パルスレーザ光源や、安価なアバランシェ・フォトダイオードや光電子増倍管といった構成で、非共鳴バックグランドを除去した高感度化を実現するＦＭ−ＣＡＲＳ分光測定を、高性能を維持しながら実現することが可能である。

また、本開示の実施形態によれば、ＦＭ−ＣＡＲＳ分光スペクトル測定と、特定スペクトル又は複数のスペクトル強度間のレシオメトリー等による画像コントラストのイメージング取得を、同一の装置構成において計測制御ソフトウエアの変更を行うことで、瞬時に容易に切り替えが可能である。そのため、装置構成に無駄が少ない測定装置を実現することが可能である。

また、図３Ａ及び図３Ｂに示したような高速回転式ＮＤフィルタにより、波長掃引とＦＭ変調用の光強度変調を同時に容易に実現できる安価かつ小型の光強度変調器を実現することができる。この高速回転式ＮＤフィルタを光強度変調器として用いることで、超短パルスの群速度分散を最小限に抑制し、かつ、ストークス光パルスのパルス幅の拡がりを防止することができる。

また、本開示の実施形態に係る測定装置１０では、アンチストークス光の一括スペクトル測定を行うマルチプレックス−ＣＡＲＳ分光法と比較して、サンプルへのレーザ光の入射パワーは約半分に制限できるため、生体サンプルに対して低侵襲な計測が可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
測定サンプルの所定の分子振動を励起するポンプ光及びストークス光に用いられるパルスレーザ光を射出する光源部と、
前記光源部により生成された前記パルスレーザ光を所定の参照周波数により強度変調しつつ、強度変調された前記パルスレーザ光を利用して所定波長のストークス光を生成するストークス光生成部と、
前記光源部により生成された前記パルスレーザ光を利用したポンプ光、又は、前記ストークス光生成部により生成された前記ストークス光を所定時間遅延させる時間遅延部と、
時間遅延量が制御された前記ポンプ光及び前記ストークス光が照射された前記測定サンプルを透過した透過光、又は、当該測定サンプルからの反射光をロックイン検出する検出部と、
前記ストークス光生成部での前記強度変調及び前記時間遅延部での時間遅延量を制御しつつ、前記検出部によりロックイン検出されたアンチストークス光に基づいて所定の演算処理を実施する演算処理装置と、
を備え、
前記ストークス光生成部は、強度変調された前記パルスレーザ光を非線形光ファイバに透過させることで、当該非線形光ファイバに入射する前記パルスレーザ光の強度に応じた波長を有する光ソリトンパルスを生成させて前記ストークス光とし、
前記時間遅延部は、前記光ソリトンパルスの中心波長に応じて、前記ポンプ光又は前記ストークス光を時間遅延させる、測定装置。
（２）
前記演算処理装置は、前記非線形光ファイバに入射するパルスレーザ光の強度、及び、前記時間遅延量を、モデル計算結果、又は、所定のデータベースに基づき制御する、（１）に記載の測定装置。
（３）
前記演算処理装置は、前記非線形光ファイバに入射するパルスレーザ光の強度を変化させて、前記ストークス光の波長を所定の波長範囲内で掃引させる、（１）又は（２）に記載の測定装置。
（４）
前記演算処理装置は、前記非線形光ファイバに入射するパルスレーザ光の強度を所定の強度に固定させて、所定波長の前記ストークス光を生成させる、（１）又は（２）に記載の測定装置。
（５）
前記演算処理装置では、前記所定波長のストークス光として、２以上の波長の前記ストークス光が設定されており、
前記演算処理装置は、
前記２以上の波長のストークス光と前記ポンプ光とから、前記測定サンプルにおける互いに異なる２以上の分子振動モード間での前記アンチストークス光の強度比を算出し、
算出した前記強度比を利用して、画像コントラストイメージを生成する、（１）〜（４）の何れか１つに記載の測定装置。
（６）
前記ストークス光生成部は、濃度が連続的に変化するパターンを備えた回転式の波長掃引用減光フィルタと、周波数変調のための濃淡パターンを備える回転式の周波数変調減光フィルタとが、互いに異なる回転数で回転し、かつ、前記波長掃引用減光フィルタ及び前記周波数変調減光フィルタが連続的に構成されている光変調ユニットを有する、（１）〜（５）の何れか１つに記載の測定装置。
（７）
前記ストークス光生成部は、周波数変調に用いられ、かつ、濃度が連続的に変化する濃淡パターンを備えた回転式の減光フィルタを有する、（１）〜（５）の何れか１つに記載の測定装置。
（８）
前記ストークス光生成部は、音響光学変調器又は電気光学変調器を有しており、当該音響光学変調器又は電気光学変調器により、前記強度変調を行い、
前記演算処理装置は、前記参照周波数を１００ｋＨｚ以上に制御する、（１）〜（５）の何れか１つに記載の測定装置。
（９）
測定サンプルの所定の分子振動を励起するポンプ光及びストークス光に用いられるパルスレーザ光を射出することと、
生成された前記パルスレーザ光を所定の参照周波数により強度変調しつつ、強度変調された前記パルスレーザ光を利用して所定波長のストークス光を生成することと、
生成された前記パルスレーザ光を利用したポンプ光、又は、生成された前記ストークス光を所定時間遅延させることと、
時間遅延量が制御された前記ポンプ光及び前記ストークス光が照射された前記測定サンプルを透過した透過光、又は、当該測定サンプルからの反射光をロックイン検出することと、
前記ストークス光を生成させる際の前記強度変調及び時間遅延させる際の時間遅延量を制御しつつ、前記検出部によりロックイン検出されたアンチストークス光に基づいて所定の演算処理を実施することと、
を含み、
前記ストークス光を発生させる際には、強度変調された前記パルスレーザ光を非線形光ファイバに透過させることで、当該非線形光ファイバに入射する前記パルスレーザ光の強度に応じた波長を有する光ソリトンパルスを生成させて、前記ストークス光とし、
前記光ソリトンパルスの中心波長に応じて、前記ポンプ光又は前記ストークス光を時間遅延させる、測定方法。

１０ 測定装置
１０１ 超短パルスレーザ光源
１０３ ストークス光生成部
１０５ 時間遅延回路
１０７ 試料測定部
１０９ 検出部
１１１ 演算処理装置
１２１ ビームスプリッタ
１２３ 光強度変調器
１２５ ストークス光発生部
１２７ 群速度分散制御部
１２９ ダイクロイックミラー
１３１ ショートパスフィルタ
１３３ 光検出部
１３５ ロックインアンプ
１３７ Ａ／Ｄ変換器
１５１ 測定制御部
１５３ データ取得部
１５５ 演算処理部
１５７ 表示制御部
１５９ 記憶部

Claims (9)

1. 測定サンプルの所定の分子振動を励起するポンプ光及びストークス光に用いられるパルスレーザ光を射出する光源部と、
   前記光源部により生成された前記パルスレーザ光を所定の参照周波数により強度変調しつつ、強度変調された前記パルスレーザ光を利用して所定波長のストークス光を生成するストークス光生成部と、
   前記光源部により生成された前記パルスレーザ光を利用したポンプ光、又は、前記ストークス光生成部により生成された前記ストークス光を所定時間遅延させる時間遅延部と、
   時間遅延量が制御された前記ポンプ光及び前記ストークス光が照射された前記測定サンプルを透過した透過光、又は、当該測定サンプルからの反射光をロックイン検出する検出部と、
   前記ストークス光生成部での前記強度変調及び前記時間遅延部での時間遅延量を制御しつつ、前記検出部によりロックイン検出されたアンチストークス光に基づいて所定の演算処理を実施する演算処理装置と、
   を備え、
   前記ストークス光生成部は、強度変調された前記パルスレーザ光を非線形光ファイバに透過させることで、当該非線形光ファイバに入射する前記パルスレーザ光の強度に応じた波長を有する光ソリトンパルスを生成させて前記ストークス光とし、
   前記時間遅延部は、前記光ソリトンパルスの中心波長に応じて、前記ポンプ光又は前記ストークス光を時間遅延させる、測定装置。
2. 前記演算処理装置は、前記非線形光ファイバに入射するパルスレーザ光の強度及び前記時間遅延量を、モデル計算結果、又は、所定のデータベースに基づき制御する、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記演算処理装置は、前記非線形光ファイバに入射するパルスレーザ光の強度を変化させて、前記ストークス光の波長を所定の波長範囲内で掃引させる、請求項２に記載の測定装置。
4. 前記演算処理装置は、前記非線形光ファイバに入射するパルスレーザ光の強度を所定の強度に固定させて、所定波長の前記ストークス光を生成させる、請求項２に記載の測定装置。
5. 前記演算処理装置では、前記所定波長のストークス光として、２以上の波長の前記ストークス光が設定されており、
   前記演算処理装置は、
   前記２以上の波長のストークス光と前記ポンプ光とから、前記測定サンプルにおける互いに異なる２以上の分子振動モード間での前記アンチストークス光の強度比を算出し、
   算出した前記強度比を利用して、画像コントラストイメージを生成する、請求項２に記載の測定装置。
6. 前記ストークス光生成部は、濃度が連続的に変化するパターンを備えた回転式の波長掃引用減光フィルタと、周波数変調のための濃淡パターンを備える回転式の周波数変調減光フィルタとが、互いに異なる回転数で回転し、かつ、前記波長掃引用減光フィルタ及び前記周波数変調減光フィルタが連続的に構成されている光変調ユニットを有する、請求項２に記載の測定装置。
7. 前記ストークス光生成部は、周波数変調に用いられ、かつ、濃度が連続的に変化する濃淡パターンを備えた回転式の減光フィルタを有する、請求項２に記載の測定装置。
8. 前記ストークス光生成部は、音響光学変調器又は電気光学変調器を有しており、当該音響光学変調器又は電気光学変調器により、前記強度変調を行い、
   前記演算処理装置は、前記参照周波数を１００ｋＨｚ以上に制御する、請求項２に記載の測定装置。
9. 測定サンプルの所定の分子振動を励起するポンプ光及びストークス光に用いられるパルスレーザ光を射出することと、
   生成された前記パルスレーザ光を所定の参照周波数により強度変調しつつ、強度変調された前記パルスレーザ光を利用して所定波長のストークス光を生成することと、
   生成された前記パルスレーザ光を利用したポンプ光、又は、生成された前記ストークス光を所定時間遅延させることと、
   時間遅延量が制御された前記ポンプ光及び前記ストークス光が照射された前記測定サンプルを透過した透過光、又は、当該測定サンプルからの反射光をロックイン検出することと、
   前記ストークス光を生成させる際の前記強度変調及び時間遅延させる際の時間遅延量を制御しつつ、前記検出部によりロックイン検出されたアンチストークス光に基づいて所定の演算処理を実施することと、
   を含み、
   前記ストークス光を発生させる際には、強度変調された前記パルスレーザ光を非線形光ファイバに透過させることで、当該非線形光ファイバに入射する前記パルスレーザ光の強度に応じた波長を有する光ソリトンパルスを生成させて、前記ストークス光とし、
   前記光ソリトンパルスの中心波長に応じて、前記ポンプ光又は前記ストークス光を時間遅延させる、測定方法。

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