JPWO2015030202A1 - Optical measuring apparatus, optical measuring method, and microscopic imaging system - Google Patents

Optical measuring apparatus, optical measuring method, and microscopic imaging system Download PDF

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Abstract

【課題】 光学測定において効果的にノイズを除去して微小な信号を感度よく検出する。【解決手段】 光学測定装置は、試料を励起するポンプ光を照射する第1光源と、前記励起された試料の変化を測定するプローブ光を照射する第2光源と、前記プローブ光を検出プローブ光と参照プローブ光に分割するビームスプリッタと、前記励起された試料を透過した前記検出プローブ光を受光する第1入力ポート、前記励起された試料を透過しない前記参照プローブ光を受光する第2入力ポート、及び前記検出プローブ光と前記参照プローブ光の差分を表わす電気信号を出力する出力端を有するバランス検出器と、前記バランス検出器の出力から所定のロックイン周波数で所望の信号を検出するロックイン増幅器と、を有する。PROBLEM TO BE SOLVED: To detect a minute signal with high sensitivity by effectively removing noise in optical measurement. An optical measurement apparatus includes a first light source that emits pump light that excites a sample, a second light source that emits probe light that measures changes in the excited sample, and probe light that detects the probe light. And a beam splitter that divides the reference probe light, a first input port that receives the detection probe light that has passed through the excited sample, and a second input port that receives the reference probe light that does not pass through the excited sample. And a balance detector having an output terminal for outputting an electric signal representing a difference between the detection probe light and the reference probe light, and a lock-in for detecting a desired signal at a predetermined lock-in frequency from the output of the balance detector. And an amplifier.

Description

本発明は、ポンプ光とプローブ光を用いて高感度、高解像の光学測定を行う光学測定技術と、これを利用した顕微イメージングシステムに関する。   The present invention relates to an optical measurement technique for performing optical measurement with high sensitivity and high resolution using pump light and probe light, and a microscopic imaging system using the optical measurement technique.

光学顕微鏡は、原子間力顕微鏡と異なり、非接触で対象物を観察することができる。また、電子顕微鏡と異なり、生体の活動を生きたまま観察することができる。   Unlike an atomic force microscope, an optical microscope can observe an object in a non-contact manner. In addition, unlike an electron microscope, living body activity can be observed alive.

光学測定のひとつに、ポンプ光とプローブ光を用いたポンプ−プローブ測定法がある。ポンプ光を試料に入射して試料中の分子を励起し、別のレーザー光(プローブ光)を試料に入射してその透過率(または反射率)の変化を検出する。ポンプ−プローブ測定法は、分子の光励起状態のダイナミクスを高い時間分解能で測定することができ、光学材料や生体試料などの測定に広く適用されている。   One optical measurement is a pump-probe measurement method using pump light and probe light. Pump light is incident on the sample to excite molecules in the sample, and another laser beam (probe light) is incident on the sample to detect a change in transmittance (or reflectance). The pump-probe measurement method can measure the dynamics of the photoexcited state of molecules with high time resolution, and is widely applied to the measurement of optical materials and biological samples.

ポンプ−プローブ測定を顕微鏡下のナノスケールの空間分解能で行なう測定が、ポンプ−プローブ顕微測定である。この方法では、ビーム位置を試料上で走査し、各点でデータを取得することでポンプ−プローブ信号の顕微イメージを得ることができる。   The measurement that performs the pump-probe measurement with the nanoscale spatial resolution under the microscope is the pump-probe microscopic measurement. In this method, a microscopic image of the pump-probe signal can be obtained by scanning the beam position on the sample and acquiring data at each point.

たとえば測定対象の分子が光を吸収する場合、その分子の誘導放出、励起状態吸収、励起に伴う基底状態にある分子の減少によるブリーチング、温度上昇による分子近傍の屈折率変化などがプローブ光の透過率変化に寄与する。このプローブ光強度の変化量は一分子あたり10-6から10-7である。光学顕微鏡の対物レンズを通したレーザービームの焦点面の体積は10-13cmであり、その中に存在する分子数は限られているため、ポンプ−プローブ顕微測定で得られる信号は非常に小さい。For example, when a molecule to be measured absorbs light, stimulated emission of the molecule, excited state absorption, bleaching due to the decrease of the molecule in the ground state due to excitation, changes in the refractive index near the molecule due to temperature rise, etc. Contributes to transmittance change. The amount of change in the probe light intensity is 10 −6 to 10 −7 per molecule. The volume of the focal plane of the laser beam that passes through the objective lens of the optical microscope is 10 −13 cm 3 , and the number of molecules present therein is limited. Therefore, the signal obtained by the pump-probe microscopic measurement is very high. small.

微弱な信号を測定する方法に、ロックイン検出法がある。この方法は、設定したある周波数(ロックイン周波数)の三角関数と信号の積をとり、その周波数の信号を低周波に変換したあと、ローパルフィルタによって信号成分を取り出す。この点で、ロックイン検出は実効的に狭帯域のバンドパスフィルタとして働く。すなわちロックイン周波数と異なる周波数で観測されるノイズを除去し、ロックイン周波数付近にある信号を検出することによって、信号対ノイズ比を向上させる。また、ローパルフィルタの時定数を長く取ることにより、帯域幅を狭め、ノイズをより効果的に除去することができる。ポンプ−プローブ測定法では主にポンプ光強度をロックイン周波数で変調し、ポンプ光照射によるプローブ光の変調を、ロックイン増幅器を用いて検出する。   There is a lock-in detection method as a method for measuring a weak signal. This method takes a product of a trigonometric function of a set frequency (lock-in frequency) and a signal, converts the signal of that frequency to a low frequency, and then extracts a signal component by a low-pass filter. In this respect, lock-in detection effectively acts as a narrowband bandpass filter. That is, noise observed at a frequency different from the lock-in frequency is removed, and a signal near the lock-in frequency is detected, thereby improving the signal-to-noise ratio. In addition, by taking a long time constant of the low-pass filter, the bandwidth can be narrowed and noise can be removed more effectively. In the pump-probe measurement method, the pump light intensity is mainly modulated by the lock-in frequency, and the modulation of the probe light by the pump light irradiation is detected using a lock-in amplifier.

しかしながら、ロックイン周波数付近で観測されるノイズは原理的に除去できない。また、ローパスフィルタの時定数を長くすると、信号の変化に対する応答が遅くなり、試料を走査しながら各点で測定して画像を得るために長時間の測定が必要となる。ノイズに埋もれたポンプ−プローブ顕微測定の微弱信号を検出するにはロックイン検出法に加えて、より根本的な対策が必要である。   However, noise observed near the lock-in frequency cannot be removed in principle. In addition, if the time constant of the low-pass filter is increased, the response to changes in the signal is delayed, and a long time measurement is required to obtain an image by measuring at each point while scanning the sample. In addition to the lock-in detection method, a more fundamental countermeasure is required to detect the weak signal of the pump-probe microscopic measurement buried in the noise.

ポンプ−プローブ法では、試料を透過させた後のプローブ光の微弱な変化を検出するためプローブ光強度の揺らぎの影響を除去することが信号対ノイズ比の向上に有効である。一般に、レーザーの光強度の揺らぎは低周波領域が支配的であり、高周波ほどその影響が少ない。このため、数メガヘルツ(MHz)から数十メガヘルツ(MHz)の高周波のロックイン周波数でポンプ−プローブ顕微測定を行ってノイズの影響を軽減することが提案されている(たとえば、非特許文献1及び2参照)。   In the pump-probe method, in order to detect a slight change in the probe light after passing through the sample, it is effective to improve the signal-to-noise ratio to remove the influence of the fluctuation of the probe light intensity. In general, the fluctuation of the laser light intensity is dominant in the low frequency region, and the influence is less at higher frequencies. For this reason, it has been proposed to reduce the influence of noise by performing pump-probe microscopic measurement at a high lock-in frequency of several megahertz (MHz) to several tens of megahertz (MHz) (for example, Non-Patent Document 1 and 2).

ロックイン周波数を高く設定して信号対ノイズ比を向上させる方法には、以下の問題点あるいは限界がある。
(1)ロックイン周波数(ポンプ光の変調周波数)に試料の分子の応答が追従しないと、検出信号は測定できない。例えば蛍光分子の誘導放出信号を測定する場合、ロックイン周波数の上限は蛍光寿命の値により決まる。さらに蛍光分子の三重項状態を考慮した場合、その寿命はマイクロ秒であるため、数MHz以上での光強度の変調は信号強度の低下を招く。そのため、生体の機能解析、医療や材料科学などの分野で必要とされる、反応中間体、三重項励起状態、ナノ構造体の熱拡散過程、高分子や蛋白質の構造変化などに起因するマイクロ秒からミリ秒の比較的遅い時間スケールの光励起ダイナミクスは測定できない。
(2)光源にパルス光を用いる場合、パルスの繰り返し周波数はロックイン周波数に比べて大きくなくてはならない。また、パルス間の強度の安定性が高い光源に限られるため、実際に用いることのできる光源の種類が制約される。現在、ポンプ−プローブ顕微鏡で用いられる光源は、主に近赤外の波長で数十MHzの繰り返し周波数を持つチタンサファイア発振器に限られており、特定の波長の光を得るには光パラメトリック増幅器等の波長変換のための大掛かりな装置が外部に必要となる。特に可視光全域の白色光源であるスーパーコンティニウム光はパルス間の強度揺らぎが大きいため、高周波ロックイン検出法でもノイズを除去することができない。
(3)半導体レーザーは小型、高効率で、近年さまざまな発振波長をもつ素子が開発されており、レーザー顕微鏡の連続発振光源として最適である。しかし、ノイズを低減するために光学系の戻り光の影響を抑える必要がある。また、動作電流や温度などの動作条件を安定化して、レーザー発振の縦モードが不安定に変動するモードホップを抑える必要がある。このような安定化機構を備えるにはコストがかかる。また、レーザー作用に本質的な量子雑音はギガヘルツ(GHz)帯で共鳴状のピークを持ち、半導体レーザーで量子雑音を抑制するには光フィードバックなど特別な機構が必要である。
The method for improving the signal-to-noise ratio by setting the lock-in frequency high has the following problems or limitations.
(1) The detection signal cannot be measured unless the response of the molecule of the sample follows the lock-in frequency (the modulation frequency of the pump light). For example, when measuring the stimulated emission signal of a fluorescent molecule, the upper limit of the lock-in frequency is determined by the value of the fluorescence lifetime. Further, when considering the triplet state of the fluorescent molecule, the lifetime is microseconds. Therefore, modulation of light intensity at several MHz or more causes a decrease in signal intensity. Therefore, microseconds caused by reaction intermediates, triplet excited states, thermal diffusion processes of nanostructures, structural changes of polymers and proteins, etc., which are required in the fields of biological function analysis, medicine and materials science, etc. The relatively slow time-scale photoexcitation dynamics of 1 to millisecond cannot be measured.
(2) When pulse light is used as the light source, the pulse repetition frequency must be larger than the lock-in frequency. Moreover, since it is limited to a light source with high intensity stability between pulses, the types of light sources that can actually be used are limited. At present, the light source used in the pump-probe microscope is mainly limited to a titanium sapphire oscillator having a repetition frequency of several tens of MHz in the near-infrared wavelength, and an optical parametric amplifier or the like is used to obtain light of a specific wavelength. A large-scale device for wavelength conversion is required outside. In particular, supercontinuum light, which is a white light source in the entire visible light region, has a large intensity fluctuation between pulses, and thus noise cannot be removed even by a high-frequency lock-in detection method.
(3) Semiconductor lasers are small and highly efficient, and devices having various oscillation wavelengths have been developed in recent years, and are optimal as continuous wave light sources for laser microscopes. However, it is necessary to suppress the influence of the return light of the optical system in order to reduce noise. In addition, it is necessary to stabilize operating conditions such as operating current and temperature to suppress mode hops in which the longitudinal mode of laser oscillation fluctuates in an unstable manner. Providing such a stabilization mechanism is costly. In addition, the quantum noise intrinsic to the laser action has a resonant peak in the gigahertz (GHz) band, and a special mechanism such as optical feedback is required to suppress the quantum noise with a semiconductor laser.

なお、ポンプ−プローブ測定ではなく、気体試料のレーザー測定にバランス検出器を用いる構成が知られている(たとえば、特許文献1参照)。   In addition, the structure which uses a balance detector for the laser measurement of a gas sample instead of a pump-probe measurement is known (for example, refer patent document 1).

一方、通常の光学顕微鏡で観察できる構造の大きさは光の回折限界により決まり、波長の半分程度であるが、近年、光の回折限界を超えた様々な超解像光学顕微鏡が提案されている。1994年に提案されたSTED(stimulated emission depletion)顕微鏡では、励起された蛍光分子のうち焦点辺縁にある分子の発光を抑制するため、焦点面で円環状の強度分布をもつ一本のレーザー光(誘導放出光)を入射して超解像を実現する。STED顕微鏡では、回折限界値の4〜5倍程度(50nm以下)の解像度で生体試料の観察が可能であるが、効率的に誘導放出を引き起こすためには数100mW以上の高強度のレーザーが必要である。   On the other hand, the size of the structure that can be observed with a normal optical microscope is determined by the diffraction limit of light and is about half of the wavelength. Recently, various super-resolution optical microscopes that exceed the diffraction limit of light have been proposed. . In a STED (stimulated emission depletion) microscope proposed in 1994, a single laser beam having an annular intensity distribution at the focal plane is used to suppress emission of molecules at the focal edge of the excited fluorescent molecules. (Stimulated emission light) is incident to achieve super-resolution. With a STED microscope, it is possible to observe a biological sample with a resolution about 4 to 5 times the diffraction limit (50 nm or less), but a high-intensity laser of several hundred mW or more is necessary to efficiently induce stimulated emission. It is.

また、超短パルスレーザーを光源に用いて円環ビームと二光子励起法(蛍光顕微法、電流測定顕微法)を組み合わせてサイドローブを抑制し、解像度を向上する方法が報告されている(たとえば、非特許文献3及び4参照)。しかし、二光子励起では一光子励起の2倍の波長を有する近赤外の光源が必要となり、可視光源と比べ解像度向上に難がある上、高コストで実用化が困難である。   In addition, a method has been reported that uses an ultrashort pulse laser as a light source to combine a ring beam and two-photon excitation (fluorescence microscopy, current measurement microscopy) to suppress side lobes and improve resolution (for example, Non-Patent Documents 3 and 4). However, two-photon excitation requires a near-infrared light source having a wavelength twice that of one-photon excitation, making it difficult to improve resolution compared to a visible light source, and is difficult to put into practical use at high cost.

米国特許第5134276号明細書US Pat. No. 5,134,276

W. Min, S. Lu, S. Chong, R. Roy, G.R. Holtom, and X.S. Xie, “Imaging chromophores with undetectable fluorescence by stimulated emission microscopy”, Nature, 461, 1105-1109 (2009).W. Min, S. Lu, S. Chong, R. Roy, G.R.Holtom, and X.S.Xie, “Imaging chromophores with undetectable fluorescence by stimulated emission microscopy”, Nature, 461, 1105-1109 (2009). L. Tong, Y. Lie, B.D. Dolash, Y. Jung, M.N. Slipchenko, D.E. Bergstrom and J.X. Cheng, Nature nanotechnology 7 (1), 56-61 (2012)L. Tong, Y. Lie, B.D. Dolash, Y. Jung, M.N.Slipchenko, D.E.Bergstrom and J.X.Cheng, Nature nanotechnology 7 (1), 56-61 (2012) S. W. Hell, et al. “Annular aperture two-photon excitation microscopy”, Optics Communications 117 (1995), 20-24S. W. Hell, et al. “Annular aperture two-photon excitation microscopy”, Optics Communications 117 (1995), 20-24 K. A. Serrels, et al. “70 nm resolution in subsurface optical imaging of silicon integrated-circuit using pupil-funcion engineering“, Applied Phyusics Letter 94, 073113 (2009)K. A. Serrels, et al. “70 nm resolution in subsurface optical imaging of silicon integrated-circuit using pupil-funcion engineering“, Applied Phyusics Letter 94, 073113 (2009)

そこで、光源の種類を問わず、簡易な構造でノイズを低減し、高感度かつ高解像のポンプ−プローブ測定技術を提供することを課題とする。   Therefore, it is an object to provide a high-sensitivity and high-resolution pump-probe measurement technique that reduces noise with a simple structure regardless of the type of light source.

上記課題を解決するために、任意の光源からのポンプ光とプローブ光を用いる光学測定において、バランス型ホモダイン検出を行ったあとにロックイン検出することで、光励起に起因する微弱な信号を高感度で検出する。   In order to solve the above problems, in optical measurement using pump light and probe light from an arbitrary light source, it is highly sensitive to weak signals caused by light excitation by performing lock-in detection after performing balanced homodyne detection. Detect with.

また、ポンプ光とプローブ光を円環ビームとすることで、回折限界を超える高解像の測定を実現する。   In addition, high resolution measurement exceeding the diffraction limit is realized by making the pump light and the probe light into an annular beam.

具体的には、本発明のひとつの側面における光学測定装置は、
試料を励起するポンプ光を照射する第1光源と、
前記励起された試料の変化を測定するプローブ光を照射する第2光源と、
前記プローブ光を検出プローブ光と参照プローブ光に分割するビームスプリッタと、
前記励起された試料を透過した前記検出プローブ光を受光する第1入力ポートと、前記試料を透過しない前記参照プローブ光を受光する第2入力ポートと、前記検出プローブ光と前記参照プローブ光の差分を表わす電気信号を出力する出力端と、を有するバランス検出器と、
前記バランス検出器の出力から、所定のロックイン周波数で所望の信号を検出するロックイン増幅器と、
を有する。
Specifically, the optical measurement device according to one aspect of the present invention is:
A first light source that emits pump light for exciting the sample;
A second light source for irradiating probe light for measuring a change in the excited sample;
A beam splitter that divides the probe light into detection probe light and reference probe light;
A first input port that receives the detection probe light that has passed through the excited sample, a second input port that receives the reference probe light that does not pass through the sample, and a difference between the detection probe light and the reference probe light A balance detector having an output for outputting an electrical signal representing
A lock-in amplifier for detecting a desired signal at a predetermined lock-in frequency from the output of the balance detector;
Have

好ましい構成例として、プローブ光を第1変調周波数で変調し、ポンプ光を第2変調周波数で変調し、ロックイン増幅器は、第1変調周波数と第2変調周波数の差周波数の参照信号と、バランス検出器の出力とを入力として前記差周波数で前記信号をロックイン検出する。   As a preferred configuration example, the probe light is modulated at the first modulation frequency, the pump light is modulated at the second modulation frequency, and the lock-in amplifier is balanced with a reference signal having a difference frequency between the first modulation frequency and the second modulation frequency. The signal is locked in at the difference frequency with the output of the detector as an input.

別の好ましい構成例として、第1波長のポンプ光と、前記第1波長と異なる第2波長のプローブ光とを円環ビームに成形し、円環ビームに成形されたポンプ光とプローブ光を試料に入射して、試料を透過したプローブ光と試料を透過しない参照プローブ光とをバランス検出してから、前記所定のロックイン周波数で所望の信号をロックイン検出する。   As another preferred configuration example, pump light having a first wavelength and probe light having a second wavelength different from the first wavelength are formed into an annular beam, and the pump light and the probe light formed into the annular beam are sampled. And detecting a balance between the probe light transmitted through the sample and the reference probe light not transmitted through the sample, and then lock-in detection of a desired signal at the predetermined lock-in frequency.

光源の種類を問わずレーザーノイズを効率的に除去して、微小な光励起信号を感度よく検出することができる。さらに、ポンプ光とプローブ光に円環ビームを用いることで、回折限界を超える高解像の測定を実現することができる。   Laser noise can be efficiently removed regardless of the type of light source, and a minute photoexcitation signal can be detected with high sensitivity. Further, by using an annular beam for the pump light and the probe light, it is possible to realize high resolution measurement exceeding the diffraction limit.

第1実施形態の光学測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical measuring device of 1st Embodiment. 図1の装置に適用される光源の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the light source applied to the apparatus of FIG. 図1の装置に適用される光源の別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of the light source applied to the apparatus of FIG. バランス検出器によるノイズキャンセル効果を示す図である。It is a figure which shows the noise cancellation effect by a balance detector. バランス検出器によるノイズキャンセル効果を示す図である。It is a figure which shows the noise cancellation effect by a balance detector. 第1実施形態の光学測定装置によるポンプ−プローブ顕微画像を示す図である。It is a figure which shows the pump-probe microscopic image by the optical measuring device of 1st Embodiment. 第2実施形態の光学測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical measuring device of 2nd Embodiment. 円環ビームの焦点面での強度分布とポンプ−プローブ信号の点広がり関数を説明する図である。It is a figure explaining the intensity distribution in the focal plane of an annular beam, and the point spread function of a pump-probe signal. 第2実施形態のサイドローブ抑制効果を、ポンプ光による二光子励起の場合と比較して示す図である。It is a figure which shows the side lobe suppression effect of 2nd Embodiment compared with the case of the two-photon excitation by pump light. 金ナノ粒子のポンプ−プローブ顕微画像である。It is a pump-probe microscopic image of gold nanoparticles. 図10の画像の横方向(x方向)と縦方向(y方向)の断面強度を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional intensity | strength of the horizontal direction (x direction) and vertical direction (y direction) of the image of FIG. 円環ビームを用いたときの蛍光ビーズのポンプ−プローブ顕微画像を、円形ビームを用いたポンプ−プローブ顕微画像と比較して示す図である。It is a figure which compares the pump-probe microscopic image of the fluorescent bead when using an annular beam with the pump-probe microscopic image using a circular beam. 図12の蛍光ビーズを標識するナイルレッドの励起スペクトル及び蛍光スペクトルと、図12のI−I’ラインの断面強度を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional intensity | strength of the excitation spectrum and fluorescence spectrum of Nile red which label the fluorescent bead of FIG. 12, and the I-I 'line of FIG.

図面を参照して、実施形態の光学測定の手法と構成を説明する。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態の光学測定装置1の概略構成図である。光学測定装置1は、ポンプ光源11と、プローブ光源12と、オートバランス検出器20と、ロックイン増幅器38を有する。ポンプ光源11は、試料10を光励起するためのポンプ光(L)を照射する。プローブ光源12は、光励起による試料10の透過率変化を検出するためのプローブ光(L)を照射する。ポンプ光とプローブ光は、空間モードを整え、且つビーム径を拡大するため、対物レンズとピンフォールで構成される空間フィルタ13、14にそれぞれ導かれる。プローブ光Lは、ビームスプリッタ15により分割される。
With reference to the drawings, an optical measurement technique and configuration according to the embodiment will be described.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical measurement apparatus 1 according to the first embodiment. The optical measuring device 1 includes a pump light source 11, a probe light source 12, an autobalance detector 20, and a lock-in amplifier 38. The pump light source 11 emits pump light (L 1 ) for photoexciting the sample 10. The probe light source 12 emits probe light (L 2 ) for detecting a change in transmittance of the sample 10 due to light excitation. The pump light and the probe light are respectively guided to spatial filters 13 and 14 including an objective lens and a pin fall in order to adjust the spatial mode and expand the beam diameter. The probe light L 2 is split by the beam splitter 15.

分割された一方のプローブ光は、参照光(L2ref)として、減光フィルタ17を通してオートバランス光検出器20の参照光検出ポート21に入射する。もう一方のプローブ光は検出光(L2det)として、ダイクロイックミラー18を介してポンプ光と空間的に重ね合わせられて、対物レンズ31を介して試料10に入射する。対象とする分子が光を吸収する場合、分子の誘導放出、励起状態吸収、励起に伴う基底状態の分子の減少によるブリーチングなどが検出プローブ光の透過率変化に寄与する。試料10からの透過光は集光レンズ32によりコリメートされる。One of the divided probe lights enters the reference light detection port 21 of the autobalance light detector 20 through the neutral density filter 17 as reference light (L 2ref ). The other probe light is spatially superimposed on the pump light as detection light (L 2det ) via the dichroic mirror 18 and enters the sample 10 via the objective lens 31. When the target molecule absorbs light, stimulated emission of the molecule, absorption of the excited state, bleaching due to a decrease in the ground state molecule accompanying excitation, and the like contribute to a change in transmittance of the detection probe light. The transmitted light from the sample 10 is collimated by the condenser lens 32.

試料10を透過した後のポンプ光と試料10から発生する蛍光は、色ガラスフィルターまたは狭帯域干渉フィルタ33によりブロックされ、検出情報をのせたプローブ光(検出信号光L2det)のみがオートバランス検出器20の信号光検出ポート22に入射する。参照光検出ポート21で、参照光L2refは図示しないフォトダイオードに入射し、電流に変換される。同様に、信号光検出ポート22で、検出信号光L2detは図示しない別のフォトダイオードに入射し、電流に変換される。The pump light after passing through the sample 10 and the fluorescence generated from the sample 10 are blocked by the color glass filter or the narrow band interference filter 33, and only the probe light (detection signal light L 2det ) carrying the detection information is autobalance detected. It enters the signal light detection port 22 of the device 20. At the reference light detection port 21, the reference light L2ref enters a photodiode (not shown) and is converted into a current. Similarly, at the signal light detection port 22, the detection signal light L2det is incident on another photodiode (not shown) and converted into a current.

オートバランス検出器20の内部で、参照光電流は2つに分割され、一方の参照光電流と検出信号光電流の間で引き算が行われる。参照光電流の分割比は、引き算後の電流のDC成分がゼロになるようにフィードバック制御される。参照光電流と検出信号光電流の引き算により、2つのチャンネル間のコモンモードノイズ(レーザーノイズ)はキャンセルされる。また、参照光電流の分割比を、引き算後のDC成分がゼロになるように制御することで、検出信号光と参照光の強度比のアンバランスをキャンセルすることができる。すなわち、ビーム走査中の透過光は、試料10の屈折率や定常吸収の不均一等に起因して変動し、検出信号光と参照光の強度比のアンバランスを引き起こすが、このアンバランスを分割比のフィードバック制御によりキャンセルすることができる。   Inside the autobalance detector 20, the reference photocurrent is divided into two, and subtraction is performed between one reference photocurrent and the detection signal photocurrent. The division ratio of the reference photocurrent is feedback controlled so that the DC component of the current after subtraction becomes zero. By subtracting the reference photocurrent and the detection signal photocurrent, common mode noise (laser noise) between the two channels is canceled. Further, by controlling the division ratio of the reference photocurrent so that the DC component after subtraction becomes zero, the imbalance between the intensity ratios of the detection signal light and the reference light can be canceled. That is, the transmitted light during beam scanning fluctuates due to the refractive index of the sample 10 and the nonuniformity of stationary absorption, etc., causing an imbalance in the intensity ratio between the detection signal light and the reference light. It can be canceled by ratio feedback control.

オートバランス検出器20からの出力は、ロックイン増幅器38に接続され、試料10の光励起に起因する情報を乗せた信号が検出される。試料10を可動ステージ35に取り付け、試料位置を走査して各点でデータを検出することで試料10のイメージを構築することができる。光学測定装置1は、走査を制御するために、コンピュータ36およびステージ制御器34を備える。コンピュータ36はロックイン増幅器38の汎用出力ポートまたはDA変換器37を介してステージ制御器34に接続され、可動ステージ35のアクチュエータ(不図示)を制御する。またコンピュータ36はロックイン増幅器38を制御して、測定データを収集する。   The output from the autobalance detector 20 is connected to a lock-in amplifier 38, and a signal carrying information resulting from photoexcitation of the sample 10 is detected. An image of the sample 10 can be constructed by attaching the sample 10 to the movable stage 35, scanning the sample position, and detecting data at each point. The optical measurement apparatus 1 includes a computer 36 and a stage controller 34 in order to control scanning. The computer 36 is connected to a stage controller 34 via a general-purpose output port of a lock-in amplifier 38 or a DA converter 37, and controls an actuator (not shown) of the movable stage 35. The computer 36 also controls the lock-in amplifier 38 to collect measurement data.

ロックイン増幅器38には、ロックイン参照信号が入力される。後述するように、実施形態のロックイン参照信号は、プローブ光の変調信号と、ポンプ光の変調信号の差周波成分(|ω1−ω2|)により生成される。オートバランス検出器20において、参照光電流の分割比のフィードバック制御回路の上限周波数は、試料走査速度(1ピクセルあたりの測定時間)より大きく、かつ、ロックイン増幅器38に入力されるロックイン参照信号の周波数より小さく設定される。これにより、オートバラインス検出器20にて、レーザーノイズと、試料スキャン中の検出信号光と参照光の強度比アンバランスを同時にキャンセルし、ロックイン増幅器38で光励起に起因するポンプ−プローブ信号のみを検出することができる。A lock-in reference signal is input to the lock-in amplifier 38. As will be described later, the lock-in reference signal of the embodiment is generated by the difference frequency component (| ω 1 −ω 2 |) of the modulation signal of the probe light and the modulation signal of the pump light. In the autobalance detector 20, the upper limit frequency of the feedback control circuit for the division ratio of the reference photocurrent is larger than the sample scanning speed (measurement time per pixel), and the lock-in reference signal input to the lock-in amplifier 38. It is set smaller than the frequency. As a result, the auto-balancing detector 20 simultaneously cancels the laser noise and the intensity ratio imbalance between the detection signal light and the reference light during the sample scan, and only the pump-probe signal caused by the optical excitation by the lock-in amplifier 38. Can be detected.

図2は、図1の光学測定装置1で用いられる光源システム2を示す。図2の例では、連続発振レーザーを用いてポンプ−プローブ顕微システムを実現する。   FIG. 2 shows a light source system 2 used in the optical measuring device 1 of FIG. In the example of FIG. 2, a pump-probe microscope system is realized using a continuous wave laser.

ポンプ光とプローブ光の光源として、波長の異なる2つの連続発振半導体レーザー74および64を用いる。ロックイン検出を行うために、半導体レーザー64の光強度を変調する信号発生器41と、半導体レーザー74の光強度を変調する信号発生器42が配置される。   Two continuous wave semiconductor lasers 74 and 64 having different wavelengths are used as light sources for pump light and probe light. In order to perform lock-in detection, a signal generator 41 that modulates the light intensity of the semiconductor laser 64 and a signal generator 42 that modulates the light intensity of the semiconductor laser 74 are arranged.

信号発生器41からの変調信号は、分配器43、増幅器62、バイアス・ティー63を通して半導体レーザー64に入力される。増幅器62、バイアス・ティー63および半導体レーザー64は、シールドケース61内に収容され、バイアス・ティー63にレーザー電源65が接続される。同様に、信号発生器42からの変調信号は、分配器44、増幅器72、バイアス・ティー73を通して半導体レーザー74に入力される。増幅器72、バイアス・ティー73および半導体レーザー74は、シールドケース71内に収容され、バイアス・ティー73にレーザー電源75が接続される。シールドケース61,71を用いることで、不要輻射による半導体レーザー64と半導体レーザー74の間の電気的干渉を抑える。   The modulation signal from the signal generator 41 is input to the semiconductor laser 64 through the distributor 43, the amplifier 62, and the bias tee 63. The amplifier 62, the bias tee 63 and the semiconductor laser 64 are accommodated in the shield case 61, and a laser power source 65 is connected to the bias tee 63. Similarly, the modulation signal from the signal generator 42 is input to the semiconductor laser 74 through the distributor 44, the amplifier 72, and the bias tee 73. The amplifier 72, the bias tee 73 and the semiconductor laser 74 are accommodated in the shield case 71, and a laser power source 75 is connected to the bias tee 73. By using the shield cases 61 and 71, electrical interference between the semiconductor laser 64 and the semiconductor laser 74 due to unnecessary radiation is suppressed.

信号発生器41で生成される変調信号に同期して、プローブ光用の半導体レーザー64を駆動するバイアス電流に、外部から変調信号が印加される。バイアス電流はレーザー電源65からバイアス・ティー63を介して半導体レーザー64に印加される。信号発生器42で生成される変調信号に同期して、ポンプ光用の半導体レーザー74を駆動するバイアス電流に、外部から変調信号が印加される。バイアス電流はレーザー電源75からバイアス・ティー73を介して供給される。この構成でキロヘルツ(kHz)からギガヘルツ(GHz)の広帯域にわたって変調することができる。   In synchronization with the modulation signal generated by the signal generator 41, the modulation signal is applied from the outside to the bias current that drives the semiconductor laser 64 for probe light. The bias current is applied from the laser power source 65 to the semiconductor laser 64 through the bias tee 63. In synchronization with the modulation signal generated by the signal generator 42, the modulation signal is applied from the outside to a bias current that drives the semiconductor laser 74 for pump light. The bias current is supplied from the laser power source 75 via the bias tee 73. With this configuration, modulation can be performed over a wide band from kilohertz (kHz) to gigahertz (GHz).

分配器43から分岐されて出力と分配器44から分岐された出力は、ロックイン増幅器38のロックイン参照信号の生成のために用いられる。分配器43は、信号発生器41からの信号を、30dB減衰器45、増幅器47を通して周波数ミキサー49に接続する。分配器44は、信号発生器42からの信号を、30dB減衰器46、増幅器48を通して周波数ミキサー49に接続する。減衰器46は、信号発生器42によるω成分を減衰させて信号発生器41の変調信号(ω)に対する影響を除去する。減衰器45は、信号発生器41によるω成分を減衰させて信号発生器42の変調信号(ω)に対する影響を除去する。低周波フィルタ51により、周波数ミキサー49の出力から差周波成分(|ω−ω|)が取り出されロックイン増幅器38の参照信号入力ポート39に接続される。The output branched from the distributor 43 and the output branched from the distributor 44 are used for generating a lock-in reference signal of the lock-in amplifier 38. The distributor 43 connects the signal from the signal generator 41 to the frequency mixer 49 through the 30 dB attenuator 45 and the amplifier 47. The distributor 44 connects the signal from the signal generator 42 to the frequency mixer 49 through the 30 dB attenuator 46 and the amplifier 48. Attenuator 46 eliminates the effect on attenuates omega 2 components by signal generator 42 modulated signal of the signal generator 41 (ω 1). The attenuator 45 attenuates the ω 1 component by the signal generator 41 to remove the influence of the signal generator 42 on the modulation signal (ω 2 ). The low frequency filter 51 extracts the difference frequency component (| ω 1 −ω 2 |) from the output of the frequency mixer 49 and connects it to the reference signal input port 39 of the lock-in amplifier 38.

このように、プローブ光とポンプ光をそれぞれ異なる周波数(ω,ω)で変調し、試料10を透過後のプローブ光強度変化の差周波成分(|ω−ω|)をロックイン検出する。ポンプ光とともにプローブ光を変調することで、差周波を固定した状態でそれぞれの変調周波数を変えることができ、高速検出器や高速ロックイン増幅器を用いなくても、試料分子の応答を広い周波数領域にわたって測定することができる。またプローブ光を変調することで、発振縦モードをマルチモード化し、ノイズを軽減することができる。In this way, the probe light and the pump light are modulated with different frequencies (ω 1 , ω 2 ), and the difference frequency component (| ω 1 −ω 2 |) of the change in the probe light intensity after passing through the sample 10 is locked in. To detect. By modulating the probe light together with the pump light, each modulation frequency can be changed in a state where the difference frequency is fixed, and the response of the sample molecule can be widened without using a high-speed detector or high-speed lock-in amplifier. Can be measured over time. Further, by modulating the probe light, the oscillation longitudinal mode can be changed to a multimode and noise can be reduced.

図3は、図1の光学測定装置1で用いられる別の光源システム3の概略図である。図3の例では、スーパーコンティニウム光源81を使用する。スーパーコンティニウム光源81は、約450nmから2μmの広帯域の波長が得られる白色パルス光源81である。白色パルス光源81に含まれる赤外光は、赤外カットフィルタ82により除去される。また白色パルス光源81の偏光はランダムであるため、偏光プリズム83を用いて特定の直線偏光の光のみを取り出す。さらに、ダイクロイックミラー84を使って、505nm以上の波長の光を透過してプローブ光に用い、それ以下の波長の光を反射してポンプ光に用いる。   FIG. 3 is a schematic view of another light source system 3 used in the optical measurement apparatus 1 of FIG. In the example of FIG. 3, a supercontinuum light source 81 is used. The supercontinuum light source 81 is a white pulse light source 81 that can obtain a broad wavelength of about 450 nm to 2 μm. Infrared light contained in the white pulse light source 81 is removed by the infrared cut filter 82. Further, since the polarization of the white pulse light source 81 is random, the polarization prism 83 is used to extract only light of a specific linearly polarized light. Further, using the dichroic mirror 84, light having a wavelength of 505 nm or more is transmitted and used as probe light, and light having a wavelength shorter than that is reflected and used as pump light.

ダイクロイックミラー84の透過光は、干渉フィルタ85により特定の波長帯の光のみが選択されて、プローブ光として出射される。ダイクロイックミラー84の反射光は、ミラー86により光強度変調器87に導かれ、ポンプ光の光強度が変調される。光強度変調器87は、光強度変調制御器88を介して信号発生器89により制御される。信号発生器89から分配される信号が、ロックイン増幅器38のロックイン参照信号として用いられる。   As the transmitted light of the dichroic mirror 84, only light in a specific wavelength band is selected by the interference filter 85 and emitted as probe light. The reflected light of the dichroic mirror 84 is guided to the light intensity modulator 87 by the mirror 86, and the light intensity of the pump light is modulated. The light intensity modulator 87 is controlled by a signal generator 89 via a light intensity modulation controller 88. A signal distributed from the signal generator 89 is used as a lock-in reference signal of the lock-in amplifier 38.

図3の例では、白色パルス光源81、ダイクロイックミラー84、及び干渉フィルタ85でプローブ光源を構成する。また、白色パルス光源81、ダイクロイックミラー84及び光強度変調器87でポンプ光源を構成する。ロックイン参照信号は、ポンプ光の変調周波数を有する。   In the example of FIG. 3, the white light source 81, the dichroic mirror 84, and the interference filter 85 constitute a probe light source. The white light source 81, the dichroic mirror 84, and the light intensity modulator 87 constitute a pump light source. The lock-in reference signal has a modulation frequency of pump light.

図4は、図1の光学測定装置1に組み込まれたオートバランス検出器20のレーザーノイズのキャンセリング効果を示す。図4(A)は、図2の連続発振半導体レーザー64、74を含む光源システム2を用いたときのプローブ光のノイズスペクトルを、図4(B)は、図3のスーパーコンティニウム(白色パルス)光源81を含む光源システム3を用いたときのプローブ光のノイズスペクトルを示す。   FIG. 4 shows the laser noise canceling effect of the autobalance detector 20 incorporated in the optical measurement apparatus 1 of FIG. 4A shows the noise spectrum of the probe light when the light source system 2 including the continuous wave semiconductor lasers 64 and 74 shown in FIG. 2 is used. FIG. 4B shows the supercontinuum (white pulse shown in FIG. 3). ) A noise spectrum of probe light when the light source system 3 including the light source 81 is used.

図4(A)で、上側のスペクトルがバランス前のスペクトル、下側のスペクトルがバランス後のスペクトルである。連続発振半導体レーザー64として、発振波長が655nmの半導体レーザーを用い、オートバランス検出器20の信号光検出ポート22に入射するプローブ光の強度は640μWである。レーザーノイズは0から200kHzの領域で約20dB低減される。   In FIG. 4A, the upper spectrum is the spectrum before balance, and the lower spectrum is the spectrum after balance. A semiconductor laser having an oscillation wavelength of 655 nm is used as the continuous wave semiconductor laser 64, and the intensity of the probe light incident on the signal light detection port 22 of the autobalance detector 20 is 640 μW. Laser noise is reduced by about 20 dB in the 0 to 200 kHz region.

図4(B)で、上側のスペクトルがバランス前のスペクトル、下側のスペクトルがバランス後のスペクトルである。図3の干渉フィルタ85を用いて640±5nmの波長のプローブ光のみを検出している。スーパーコンティニウム光源81のパルスの繰り返し周波数は40MHzである。オートバランス検出器20の信号光検出ポート22に入射するプローブ光の強度は640μWである。スーパーコンティニウム光源81はパルス間の揺らぎが非常に大きい(最大20%(rms))不安定な光源であり、オートバランス検出器20を作動させない場合は、レーザーノイズは、−50dBm程度である。一方、オートバランス検出器20を作動させた場合、レーザーノイズは−85dBmにまで低減する。このときの光強度対雑音比は、最大でも10−6である。光励起によるプローブ信号の強度変化は一分子あたり10−7から10−6であり、ビーム焦点内の微小体積にある少数分子からの信号を測定することができる。ビーム走査中の透過率変動の影響も、オートバランス検出器20での自動調整機構(参照光電流の分割比のフィードバック制御)でキャンセルされ、光励起に起因した信号のみを高感度で検出できることがわかる。In FIG. 4B, the upper spectrum is the spectrum before balance, and the lower spectrum is the spectrum after balance. Only the probe light having a wavelength of 640 ± 5 nm is detected using the interference filter 85 of FIG. The pulse repetition frequency of the supercontinuum light source 81 is 40 MHz. The intensity of the probe light incident on the signal light detection port 22 of the autobalance detector 20 is 640 μW. The supercontinuum light source 81 is an unstable light source with extremely large fluctuations between pulses (maximum 20% (rms)). When the autobalance detector 20 is not operated, the laser noise is about −50 dBm. On the other hand, when the autobalance detector 20 is operated, the laser noise is reduced to -85 dBm. At this time, the light intensity-to-noise ratio is 10 −6 at the maximum. The intensity change of the probe signal by optical excitation is 10 −7 to 10 −6 per molecule, and the signal from a small number of molecules in a minute volume in the beam focus can be measured. The influence of transmittance fluctuation during beam scanning is also canceled by the automatic adjustment mechanism (feedback control of the division ratio of the reference photocurrent) in the autobalance detector 20, and it can be seen that only the signal resulting from photoexcitation can be detected with high sensitivity. .

図5は、実施形態の光学測定装置1を用いた試料10の測定結果である。図5(A)はオートバランス検出器20を動作させたときの顕微画像、図5(B)はオートバランス検出器20を動作させない場合の顕微画像である。図5(C)は、図5(A)と図5(B)のX−X’ラインに沿った信号強度を示す図である。   FIG. 5 is a measurement result of the sample 10 using the optical measurement apparatus 1 of the embodiment. 5A is a microscopic image when the autobalance detector 20 is operated, and FIG. 5B is a microscopic image when the autobalance detector 20 is not operated. FIG. 5C is a diagram illustrating the signal intensity along the line X-X ′ in FIGS. 5A and 5B.

試料10には、オートバランス処理の有無にかかわらず、650nmにピーク蛍光波長を持つCdSe/ZnS量子ドットで標識したマウスT細胞を用いた。光源として、図2に示した連続発振半導体レーザーを有するポンプ光源11とプローブ光源12を用いた。ポンプ光とプローブ光は、それぞれ488nmと660nmの発振波長を持つ。ポンプ光で量子ドットを光励起する。プローブ光の波長は量子ドットの蛍光スペクトルにオーバーラップしており、検出されるポンプ-プローブ信号は主に誘導放出に起因している。ポンプ光とプローブ光を、それぞれ3MHzと3.12MHzで変調し、ロックイン参照信号の周波数を二つの差周波(120kHz)に設定する。   Sample 10 used was a mouse T cell labeled with a CdSe / ZnS quantum dot having a peak fluorescence wavelength at 650 nm regardless of the presence or absence of autobalance treatment. As the light source, the pump light source 11 and the probe light source 12 having the continuous wave semiconductor laser shown in FIG. 2 were used. The pump light and the probe light have oscillation wavelengths of 488 nm and 660 nm, respectively. Quantum dots are photoexcited with pump light. The wavelength of the probe light overlaps with the fluorescence spectrum of the quantum dot, and the detected pump-probe signal is mainly due to stimulated emission. The pump light and the probe light are modulated at 3 MHz and 3.12 MHz, respectively, and the frequency of the lock-in reference signal is set to two difference frequencies (120 kHz).

試料10へ入射したポンプ光とプローブ光の出力は、それぞれ1mWと210μWである。ロックイン増幅器38の時定数は5ms、ピクセルサイズは0.4μm×0.4μm、画像サイズは20μm×20μmである。図5(B)でオートバランス検出器20を動作させない場合は、信号光ポート22の出力を直接ロックイン増幅器38に接続した。   The output of pump light and probe light incident on the sample 10 is 1 mW and 210 μW, respectively. The lock-in amplifier 38 has a time constant of 5 ms, a pixel size of 0.4 μm × 0.4 μm, and an image size of 20 μm × 20 μm. When the autobalance detector 20 is not operated in FIG. 5B, the output of the signal light port 22 is directly connected to the lock-in amplifier 38.

図5(A)でオートバランス検出器20を動作させた場合は、細胞の表面に標識された量子ドットの鮮明なイメージが得られるが、図5(B)では、細胞を視覚的に認識することができない。図5(C)のX−X’断面の信号強度を比較すると、画像のバックグラウンドノイズは、オートバランス機能を用いた場合1.5×10−6(rms)であるのに対し、バランス機能を用いない場合は9.8×10−6(rms)である。このことから、特別な安定化機構を備えない連続発振半導体レーザーを光源に用いた場合でも、従来はバックグラウンドノイズに埋もれて検出できなかった微小な信号を高感度で検出できることがわかる。When the autobalance detector 20 is operated in FIG. 5 (A), a clear image of quantum dots labeled on the surface of the cell is obtained, but in FIG. 5 (B), the cell is visually recognized. I can't. Comparing the signal intensity of the XX ′ section in FIG. 5C, the background noise of the image is 1.5 × 10 −6 (rms) when the autobalance function is used, whereas the balance function When not used, it is 9.8 × 10 −6 (rms). From this, it can be seen that even when a continuous wave semiconductor laser not equipped with a special stabilization mechanism is used as a light source, a minute signal that has been buried in background noise and cannot be detected can be detected with high sensitivity.

図6は、光学測定装置1による顕微画像の空間分解能を評価するためのポンプ−プローブ画像である。実施形態のポンプ−プローブ光学測定装置1では、信号強度がポンプ光とプローブ光の積で決まる。この非線形特性により、二つのレーザービームが重なり合わさったとき、光強度の強い焦点中心部分にある分子からの信号が選択的に検出される。すなわち試料10からの検出領域を狭い範囲に限定することができ、光の回折限界を超えた超解像が実現できる。   FIG. 6 is a pump-probe image for evaluating the spatial resolution of the microscopic image obtained by the optical measurement apparatus 1. In the pump-probe optical measurement apparatus 1 of the embodiment, the signal intensity is determined by the product of the pump light and the probe light. Due to this non-linear characteristic, when two laser beams overlap each other, a signal from a molecule at a focal center portion where the light intensity is strong is selectively detected. That is, the detection area from the sample 10 can be limited to a narrow range, and super-resolution exceeding the diffraction limit of light can be realized.

実施形態の光学測定装置1の空間分解能を評価するために、非発光性の金ナノ粒子のポンプ−プローブ顕微画像を測定した。金ナノ粒子にレーザーを入射すると、プラズモン共鳴により光は吸収され、その際の基底状態の分布の減少がプローブ光の透過率を変化させる。試料10として、サイズが20nmの金ナノ粒子水溶液をガラス基板上に滴下し乾燥させた試料を用いて、ポンプ−プローブ顕微画像を取得した。   In order to evaluate the spatial resolution of the optical measurement apparatus 1 of the embodiment, a pump-probe microscopic image of non-luminous gold nanoparticles was measured. When a laser is incident on gold nanoparticles, light is absorbed by plasmon resonance, and the decrease in the distribution of the ground state at that time changes the transmittance of the probe light. A pump-probe microscopic image was obtained using a sample in which a gold nanoparticle aqueous solution having a size of 20 nm was dropped on a glass substrate and dried as the sample 10.

図6(A)は、試料10を光軸と垂直な面(x-y平面)に走査したときの画像、図6(B)は光軸に対して平行な面(x-z平面)に走査した時の(深さ方向の)画像である。図6(A)の矢印で示す明るい点が個々の金ナノ粒子であり、そのサイズは半値全幅で284nm±32nmである。回折理論により計算されるビーム径のサイズは、ポンプ光とプローブ光でそれぞれ313nm、341nmであるから、実施形態のポンプ−プローブ測定で超解像が実現されていることが確認される。   6A shows an image when the sample 10 is scanned on a plane (xy plane) perpendicular to the optical axis, and FIG. 6B shows a plane parallel to the optical axis (xz plane). It is an image (in the depth direction) when scanned. Bright points indicated by arrows in FIG. 6A are individual gold nanoparticles, and the size is 284 nm ± 32 nm in full width at half maximum. Since the beam diameter sizes calculated by the diffraction theory are 313 nm and 341 nm for the pump light and the probe light, respectively, it is confirmed that the super-resolution is realized by the pump-probe measurement of the embodiment.

一方、図6(B)から光軸方向(深さ方向)の分解能は1.1±0.1μmである。回折理論により計算される光軸方向のスポットサイズは、ポンプ光とプローブ光でそれぞれ1.08μm、1.18μmであり測定値とほぼ同等である。ビームのコリメート方法の改善、特に対物レンズの後焦点面でのビーム強度の均一性を向上させることで、面内方向の分解能のさらなる向上と、光軸方向(深さ方向)での超解像が得られると期待できる。   On the other hand, from FIG. 6B, the resolution in the optical axis direction (depth direction) is 1.1 ± 0.1 μm. The spot sizes in the optical axis direction calculated by the diffraction theory are 1.08 μm and 1.18 μm for the pump light and the probe light, respectively, which are almost equal to the measured values. Improved beam collimation method, especially improved uniformity of beam intensity at the back focal plane of the objective lens, further improving in-plane resolution and super-resolution in the optical axis direction (depth direction) Can be expected.

以上述べたように、オートバランス検出器を用いることで、汎用半導体レーザーや白色光源を用いた場合でも、レーザーノイズや光源のバックグラウンドノイズを相殺するとともに、試料や走査機構の不均一に起因する参照光と検出信号光の強度のアンバランスを低減する。この構成により、特別な光源や光源安定化機構を用いなくても、ポンプ−プローブ測定において微小な情報信号を高感度で取り出すことができる。   As described above, by using an autobalance detector, even when a general-purpose semiconductor laser or a white light source is used, the laser noise and the background noise of the light source are offset, and the sample and the scanning mechanism are caused to be uneven. The imbalance between the reference light and the detection signal light is reduced. With this configuration, a minute information signal can be extracted with high sensitivity in pump-probe measurement without using a special light source or light source stabilization mechanism.

さらに、ポンプ光とプローブ光の差周波を一定にして変調周波数を変えることで、広い周波数領域にわたって試料の応答を測定することができる。また、ポンプ光とプローブ光の差周波成分をロックイン参照信号とすることで、高周波ロックイン検出法に頼らずに低ノイズの信号を検出することができる。
<第2実施形態>
図7は、第2実施形態の光学測定装置101の概略構成図である。第2実施形態では、ポンプ光とプローブ光に円環ビームを用いて回折限界を超える高解像の測定を実現する。図7(A)に示すように、光学測定装置101は、試料130を光励起するポンプ光Lを照射する第1の光源111と、光励起による試料130の変化を検出するプローブ光Lを照射する第2の光源112と、バランス検出器123と、ロックイン増幅器124を含む。
Furthermore, the response of the sample can be measured over a wide frequency range by changing the modulation frequency while keeping the difference frequency between the pump light and the probe light constant. Further, by using the difference frequency component between the pump light and the probe light as the lock-in reference signal, a low-noise signal can be detected without depending on the high-frequency lock-in detection method.
Second Embodiment
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of the optical measurement apparatus 101 according to the second embodiment. In the second embodiment, high resolution measurement exceeding the diffraction limit is realized by using an annular beam for the pump light and the probe light. As shown in FIG. 7 (A), the optical measuring apparatus 101, the irradiation with the first light source 111 for irradiating pumping light L 1 to photoexcitation of the sample 130, the probe light L 2 which detect the change of the sample 130 by photoexcitation A second light source 112, a balance detector 123, and a lock-in amplifier 124.

第2実施形態では、ポンプ光Lの光源111として波長488nmの半導体レーザーを用い、プローブ光Lの光源112として波長640nmの半導体レーザーを用いる。光源111、112はともに可視光を出力する安価な連続波の半導体レーザーである。In the second embodiment, a semiconductor laser with a wavelength of 488nm as a light source 111 of the pump light L 1, a semiconductor laser with a wavelength of 640nm as a light source 112 of the probe light L 2. The light sources 111 and 112 are both inexpensive continuous wave semiconductor lasers that output visible light.

ポンプ光Lとプローブ光Lは、それぞれ空間フィルタ113、114を通過してその空間モードが整えられ、ダイクロイックミラー117で同軸に重ね合わせられる。ダイクロイックミラー117は、ポンプ光Lを全反射し、プローブ光Lを透過させる。ダイクロイックミラー117へ導かれるプローブ光Lの一部はビームスプリッタ115で分割され、参照光として、マルチモードファイバ(MMF)122を介してバランス検出器123の参照光ポート121bに入力される。The pump light L 1 and the probe light L 2 pass through the spatial filters 113 and 114, respectively, and their spatial modes are adjusted, and are superposed coaxially by the dichroic mirror 117. The dichroic mirror 117 totally reflects the pump light L 1 and transmits the probe light L 2 . A part of the probe light L 2 guided to the dichroic mirror 117 is split by the beam splitter 115 and input as reference light to the reference light port 121 b of the balance detector 123 via the multimode fiber (MMF) 122.

ダイクロイックミラー117で重畳されたポンプ光LとプローブLは、円環アパーチャを有するフィルタ120を通過する。フィルタ120は、円環ビームを生成するビーム成形器として機能する。第2実施形態では、図7(B)に示すように、反射防止コーティング付き円形ガラス板201に直径φが6mmの円形アルミシール202を張り付けて、環状部を有するフィルタ120を作製する。ポンプ光Lとプローブ光Lを通す環状部の厚さは、一例として1.2mmとする。円環ビームを生成するフィルタ120を、ダイクロイックミラー117と後述する対物レンズ128の間の光路上の任意の位置に挿入するのが望ましいが、ポンプ光Lとプローブ光Lのそれぞれを円環ビームに成形した後に同軸に重畳してもよい。The pump light L 1 and the probe L 2 superimposed by the dichroic mirror 117 pass through the filter 120 having an annular aperture. The filter 120 functions as a beam shaper that generates an annular beam. In the second embodiment, as shown in FIG. 7B, a circular aluminum seal 202 having a diameter φ of 6 mm is attached to a circular glass plate 201 with an antireflection coating, thereby producing a filter 120 having an annular portion. The thickness of the annular portion through which pump light L 1 and the probe light L 2 is a 1.2mm as one example. Although it is desirable to insert the filter 120 for generating an annular beam at an arbitrary position on the optical path between the dichroic mirror 117 and an objective lens 128 described later, the pump light L 1 and the probe light L 2 are respectively connected to the circular ring. After forming into a beam, it may be superimposed on the same axis.

フィルタ120で生成された円環ビームは、偏光ビームスプリッタ125を介して対物レンズ128に入射し、試料130へ導かれる。試料130を透過したポンプ−プローブ光は、コンデンサレンズ129で集光され、バンドパスフィルタ132およびレンズ133を介して、プローブ光Lのみがバランス検出器123の他方のポート121aに入射する。The annular beam generated by the filter 120 enters the objective lens 128 via the polarization beam splitter 125 and is guided to the sample 130. The pump-probe light transmitted through the sample 130 is collected by the condenser lens 129, and only the probe light L 2 is incident on the other port 121 a of the balance detector 123 via the band pass filter 132 and the lens 133.

バランス検出器123は、レーザーノイズをキャンセルし、ショット雑音限界の高感度で測定するために、第1実施形態で用いたのと同様のオートバランス検出器であるのが望ましい。バランス検出器123では、ポート121bに入力される参照光(プローブ光の一部)と、ポート121aに入力される試料130透過後の検出光が、それぞれ電流に変換される。参照光電流は2つに分割され、一方の参照光電流と検出光電流の引き算が行われる。参照光電流の分割比は、引き算後の電流のDC成分がゼロになるようにフィードバック制御される。参照光電流と検出信号光電流の引き算により、2つのチャンネル間のコモンモードノイズ(レーザーノイズ)はキャンセルされて、ポンプ光Lの励起によって試料130に生じた変化の成分が出力される。参照光電流の分割比を、引き算後のDC成分がゼロになるように制御することで、検出信号光と参照光の強度比のアンバランスをキャンセルすることができる。ビーム走査中の透過光は、試料130の屈折率や定常吸収の不均一等に起因して変動し、検出光と参照光の強度比のアンバランスを引き起こすが、このアンバランスを分割比のフィードバック制御によりキャンセルすることができる。The balance detector 123 is preferably an autobalance detector similar to that used in the first embodiment in order to cancel laser noise and measure with high sensitivity at the shot noise limit. In the balance detector 123, the reference light (part of the probe light) input to the port 121b and the detection light after passing through the sample 130 input to the port 121a are converted into currents, respectively. The reference photocurrent is divided into two, and one of the reference photocurrent and the detected photocurrent is subtracted. The division ratio of the reference photocurrent is feedback controlled so that the DC component of the current after subtraction becomes zero. The subtraction of the reference beam current and the detection signal photocurrent, common mode noise (laser noise) between the two channels is canceled, the component of the change that occurred in the sample 130 is output by the excitation of the pump light L 1. By controlling the division ratio of the reference photocurrent so that the DC component after subtraction becomes zero, it is possible to cancel the imbalance between the intensity ratios of the detection signal light and the reference light. The transmitted light during beam scanning fluctuates due to the refractive index of the sample 130, the nonuniformity of stationary absorption, etc., and causes an unbalance of the intensity ratio of the detection light and the reference light. It can be canceled by control.

バランス検出器123の出力は、ロックイン増幅器124の入力に接続される。ポンプ光Lとプローブ光Lの強度は、それぞれω、ωで変調されており、ポンプ−プローブ信号である透過光の差周波成分|ω−ω|が、ロックイン増幅器124によりヘテロダイン的に検出される。本実施形態ではωを1MHz、ωを1.015MHzとする。光源111および112に用いられるレーザダイオードへの注入電流を変調することで、光源111の光強度と光源112の光強度を変調する。The output of the balance detector 123 is connected to the input of the lock-in amplifier 124. The intensities of the pump light L 1 and the probe light L 2 are modulated by ω 1 and ω 2 , respectively, and the difference frequency component | ω 1 −ω 2 | of the transmitted light that is the pump-probe signal is the lock-in amplifier 124. Is detected in a heterodyne manner. In this embodiment, ω 1 is 1 MHz and ω 2 is 1.015 MHz. By modulating the injection current to the laser diode used for the light sources 111 and 112, the light intensity of the light source 111 and the light intensity of the light source 112 are modulated.

ロックイン増幅器124で検出されるのは、周波数|ω−ω|のビート信号である。このビート信号、すなわちポンプ−プローブ信号は、試料130でのポンプフィールドとプローブフィールドの相互作用によって生成され、試料130における光励起に起因する情報を乗せている。ロックイン検出に用いられる参照信号は、光源111の強度変調に用いた変調周波数ωと、光源112の強度変調に用いた変調周波数ωの差周波から生成される信号である。The lock-in amplifier 124 detects a beat signal having a frequency | ω 1 −ω 2 |. This beat signal, i.e., the pump-probe signal, is generated by the interaction between the pump field and the probe field in the sample 130, and carries information resulting from photoexcitation in the sample 130. The reference signal used for lock-in detection is a signal generated from the difference frequency between the modulation frequency ω 1 used for intensity modulation of the light source 111 and the modulation frequency ω 2 used for intensity modulation of the light source 112.

試料130をピエゾステージ131に固定し、試料130を走査しながら各点でのポンプ−プローブ信号を検出・収集し、図示しない演算装置(図1の制御コンピュータ37参照)でマッピング等の処理を行うことで、顕微画像を得ることができる。試料位置を確認するためにCMOSカメラ126が用いられ、バンドバスフィルタ127によりCMOSカメラ126へプローブ光Lだけが入射される。The sample 130 is fixed to the piezo stage 131, and the pump-probe signal at each point is detected and collected while scanning the sample 130, and processing such as mapping is performed by an arithmetic device (not shown) (see the control computer 37 in FIG. 1). Thus, a microscopic image can be obtained. A CMOS camera 126 is used to confirm the sample position, and only the probe light L 2 is incident on the CMOS camera 126 by the band-pass filter 127.

図8と図9を参照して、動作原理を説明する。図8(A)は円環ビームの模式図、図8(B)は焦点面での強度分布とポンプ−プローブ信号の点広がり関数(PSF:point spreading function)を示す図である。   The operation principle will be described with reference to FIGS. FIG. 8A is a schematic diagram of an annular beam, and FIG. 8B is a diagram showing an intensity distribution at a focal plane and a point spreading function (PSF) of a pump-probe signal.

光学顕微鏡の空間解像度は、光ビームが対物レンズに入射したときの焦点面でのスポットサイズ(回折限界値)で決まり、その強度分布は入射ビームの形状に依存する。円環ビームが対物レンズ128に入射すると、焦点面での光強度分布の主ピークは、通常の円形ビームの場合と比べて鋭くなるが、主ピーク周辺に現れるサイドローブも強くなる。この現象は、図8(B)の太い実線(円環ポンプ光)と破線(円環プローブ光)で示されるとおりである。発明者らは、このサイドローブからの寄与を抑えることで、空間解像度を向上させることができることに思い至った。   The spatial resolution of the optical microscope is determined by the spot size (diffraction limit value) at the focal plane when the light beam is incident on the objective lens, and its intensity distribution depends on the shape of the incident beam. When the annular beam is incident on the objective lens 128, the main peak of the light intensity distribution at the focal plane becomes sharper than in the case of a normal circular beam, but the side lobes appearing around the main peak also become strong. This phenomenon is as shown by the thick solid line (ring pump light) and the broken line (ring probe light) in FIG. The inventors have thought that the spatial resolution can be improved by suppressing the contribution from the side lobes.

図8(A)において、ポンプ光Lとプローブ光Lの瞳面での円環の外径をD、内径をεD、レンズの焦点距離をfとする。このとき、焦点面での動径方向rの強度分布はスカラー回折理論から式(1)及び式(2)で与えられる。In FIG. 8 (A), D the outer diameter of the ring in a pupil plane of the pump light L 1 and the probe light L 2, .epsilon.d an inner diameter, the focal length of the lens and f. At this time, the intensity distribution in the radial direction r at the focal plane is given by equations (1) and (2) from the scalar diffraction theory.

ここで、I(r)は円形ビーム(ε=0)を入射したときの焦点での強度分布であり、ベッセル関数J(x)を使って、式(3)で表現される。 Here, I c (r) is an intensity distribution at the focal point when a circular beam (ε = 0) is incident, and is expressed by Expression (3) using the Bessel function J 1 (x).

式(2)のNAはレンズの開口数であり、試料30中の屈折率をnとすると、NA=nD/fで与えられる。λは入射光の波長である。 NA in the formula (2) is the numerical aperture of the lens, and is given by NA = nD / f where n is the refractive index in the sample 30. λ is the wavelength of incident light.

一方、ポンプ−プローブ信号のPSFは、ポンプ光とプローブ光の強度分布の積となる。図8(B)では、ポンプ光Lとプローブ光Lの波長をそれぞれ488nmと660nm、NA=0.95に設定し、円形ビームの場合(ε=0)と円環ビームの場合(ε=0.8)の双方について、焦点面での強度分布とPSFをシミュレーションしている。On the other hand, the PSF of the pump-probe signal is the product of the intensity distribution of the pump light and the probe light. In FIG. 8B, the wavelengths of the pump light L 1 and the probe light L 2 are set to 488 nm and 660 nm and NA = 0.95, respectively, for the circular beam (ε = 0) and the circular beam (ε = 0.8), the intensity distribution in the focal plane and the PSF are simulated.

個別の円環ビームに着目すると、中心部の主ピークは円形ビームの場合と比較して鋭くなるが、サイドローブも同時に大きくなる。その強度比SLR(side lobe ratio)は約15%であり、通常の蛍光顕微鏡ではこのサイドローブが像の解像度に悪影響をもたらす。   When attention is paid to individual circular beams, the main peak at the center is sharper than in the case of a circular beam, but the side lobes are also increased at the same time. The intensity ratio SLR (side lobe ratio) is about 15%, and this side lobe adversely affects image resolution in a normal fluorescent microscope.

これに対し、ポンプ−プローブ信号のPSF(図8(B)の太い一点鎖線)は2つのビームの強度の積であるため、強度の強い部分が支配的になってSLRが1%に減少し、かつ主ピークはさらに鋭くなる。その半値全幅は164nmであり、円形プローブビームの回折限界値0.51λ/NA=344nmと比べて1/2.1倍となる。また、円形ビームの場合のポンプ−プローブPSF(図8(B)の細い点線)の半値全幅の212nmと比べて、1/1.3倍となり、解像度は向上する。   On the other hand, since the PSF of the pump-probe signal (thick one-dot chain line in FIG. 8B) is the product of the intensity of the two beams, the strong part is dominant and the SLR is reduced to 1%. And the main peak becomes sharper. The full width at half maximum is 164 nm, which is 1 / 2.1 times that of the diffraction limit value 0.51λ / NA = 344 nm of the circular probe beam. In addition, in the case of a circular beam, the full width at half maximum of the pump-probe PSF (thin dotted line in FIG. 8B) is 212 nm, which is 1 / 1.3 times, and the resolution is improved.

なお、円環ポンプ光Lと円環プローブ光Lの波長をそれぞれ500nmと640nmにしたときの分解能は110nm、400nmと520nmにしたときの分解能は90nmにまで向上する。実施形態の光学測定方法は、観察対象に応じて、最適な波長を選択することができ、測定の自由度が高い。The resolution when the wavelengths of the annular pump light L 1 and the annular probe light L 2 are 500 nm and 640 nm, respectively, is improved to 110 nm, and when the wavelengths are 400 nm and 520 nm, the resolution is improved to 90 nm. The optical measurement method of the embodiment can select an optimum wavelength according to an observation target, and has a high degree of freedom in measurement.

図9は、二色のポンプ光及びプローブ光を用いたときの効果を説明する模式図である。図9(A)に示すように、ポンプ−プローブ法では、観測される信号はポンプ光Lとプローブ光Lとの強度の積に比例し、強度の強い主ピークの中心部分に存在する分子から優先的に信号が検出される。また、サイドローブピークの位置は波長に依存するため、波長の異なる2色をポンプ光Lとプローブ光Lに用いることで、異なる位置にサイドローブが現れる。ポンプ光Lとプローブ光Lの波長を異ならせた場合(たとえばポンプ光Lの波長を488nm、プローブ光Lの波長を660nm)、2つの円環ビームを重ね合わせたときのサイドローブの寄与を、単一波長の場合と比べて約半分に抑制できる。FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the effects when two-color pump light and probe light are used. As shown in FIG. 9A, in the pump-probe method, the observed signal is proportional to the product of the intensities of the pump light L 1 and the probe light L 2, and exists in the central portion of the main peak having a high intensity. A signal is detected preferentially from the molecule. Since the position of the side lobe peak depends on the wavelength, side lobes appear at different positions by using two colors having different wavelengths for the pump light L 1 and the probe light L 2 . When the wavelengths of the pump light L 1 and the probe light L 2 are different (for example, the wavelength of the pump light L 1 is 488 nm and the wavelength of the probe light L 2 is 660 nm), the side lobe when the two annular beams are overlapped Can be reduced to about half compared to the case of a single wavelength.

これに対し、図9(B)の従来の二光子励起測定法では、二光子を励起するポンプ光が照射され、同じ位置に現れるサイドローブピークが乗算されるため、SLRは2.3%になる。そもそも二光子励起法は、近赤外波長の超短パルス(フェムト秒〜ピコ秒)の照射による蛍光検出であることから、本発明とは構成も測定原理も異なる。二光子励起法は、チタンサファイヤレーザー等の高価で高い技術を持つ技術者によるメンテナンスの必要な光源を要し、解像度は可視光光源より低く実用化、商業化が困難である。   On the other hand, in the conventional two-photon excitation measurement method of FIG. 9B, the pump light that excites two-photons is irradiated and multiplied by the sidelobe peak that appears at the same position, so the SLR is 2.3%. Become. In the first place, the two-photon excitation method is fluorescence detection by irradiation with an ultrashort pulse (femtosecond to picosecond) with a near infrared wavelength, and therefore the configuration and measurement principle are different from those of the present invention. The two-photon excitation method requires a light source requiring maintenance by an expensive and highly technical engineer such as a titanium sapphire laser, and the resolution is lower than that of a visible light source, making it difficult to put into practical use and commercialization.

第2実施形態では、波長の異なる可視領域の円環ビームを用いてポンプ−プローブ信号を観測することで、低コストかつ簡易な構成で、焦点面でのサイドローブの影響を1/10以下に抑制し、解像度を約2倍に向上する。   In the second embodiment, the effect of the side lobe on the focal plane is reduced to 1/10 or less with a low-cost and simple configuration by observing the pump-probe signal using an annular beam in a visible region having different wavelengths. Suppress and improve resolution about 2 times.

図10および図11は、第2実施形態の測定例1を示す。測定例1では、図7の光学測定装置101で試料中の金ナノ粒子を観察する。図10(A)は、ガラス基板上に分散させた金ナノ粒子のポンプ−プローブ顕微画像、図10(B)は円環のポンプ−プローブビームを入射したときの単一の金ナノ粒子の顕微画像、図10(C)は、円形のポンプ−プローブビームを入射したときの単一の金ナノ粒子の顕微画像である。   10 and 11 show a measurement example 1 of the second embodiment. In Measurement Example 1, gold nanoparticles in the sample are observed with the optical measurement device 101 in FIG. FIG. 10A is a pump-probe microscopic image of gold nanoparticles dispersed on a glass substrate, and FIG. 10B is a microscopic image of a single gold nanoparticle when an annular pump-probe beam is incident. FIG. 10C is a microscopic image of a single gold nanoparticle when a circular pump-probe beam is incident.

試料として、20μmの厚さのポリビニルアルコール(PVA)中に、金ナノ粒子を3次元的に分散させものを用意する。円環のポンプ−プローブ光をスキャンした平面の近傍に位置する金ナノ粒子ほど、ポンプ−プローブ信号の強度が強くなる。   As a sample, a material in which gold nanoparticles are three-dimensionally dispersed in 20 μm thick polyvinyl alcohol (PVA) is prepared. The gold nanoparticle located near the plane scanned with the annular pump-probe light has a stronger pump-probe signal intensity.

金ナノ粒子は、サイズ20nmでポンプ光Lの波長(488nm)でプラズモン共鳴により光を吸収する。このとき、金ナノ粒子近傍の温度上昇にともなう屈折率の微小な変化が、プローブ光Lを散乱・屈折させて光透過率の変化を引き起こし、ポンプ−プローブ信号に寄与する。Gold nanoparticles have a size of 20 nm and absorb light by plasmon resonance at the wavelength of the pump light L 1 (488 nm). At this time, very small changes in refractive index due to temperature rise of the gold nanoparticles vicinity, the probe light L 2 by refraction scattering causes a change in light transmission, the pump - which contributes to the probe signal.

試料に入射するポンプ光の強度は0.7mW、プローブ光の強度は0.3mWである。ロックイン増幅器の時定数は0.5ms、1ピクセル当たりの滞在時間は1ms、画像の解像度は300×300ピクセルである。   The intensity of the pump light incident on the sample is 0.7 mW, and the intensity of the probe light is 0.3 mW. The lock-in amplifier has a time constant of 0.5 ms, a dwell time per pixel of 1 ms, and an image resolution of 300 × 300 pixels.

図10(B)の円環ビームによる1個の金ナノ粒子のポンプ−プローブ顕微画像と、図10(C)の円形ビームによる1個の金ナノ粒子のポンプ−プローブ顕微画像を比較すると、バランス検出後のロックイン検出により、図10(C)でも金ナノ粒子を明確に観察することができるが、図10(B)で円環ビームを用いることにより、金ナノ粒子の輪郭がより鮮明になっている。これは、異なる波長の円環ビームの重ね合わせにより主ピークが鋭くなる一方で、サイドローブが相殺され、解像度とコントラストの両方が向上するためである。   When the pump-probe microscopic image of one gold nanoparticle with an annular beam in FIG. 10B is compared with the pump-probe microscopic image of one gold nanoparticle with a circular beam in FIG. By detecting lock-in after detection, the gold nanoparticles can be clearly observed in FIG. 10C, but by using an annular beam in FIG. 10B, the outline of the gold nanoparticles becomes clearer. It has become. This is because the main peak becomes sharper due to the superposition of the annular beams having different wavelengths, while the side lobes are canceled out, and both the resolution and the contrast are improved.

図11(A)は、図10(B)と図10(C)の顕微画像の横方向(x方向)の断面強度を、図11(B)は、図10(B)と図10(C)の顕微画像の縦方向(y方向または入射光の偏光方向)の断面強度を示す。黒丸は、円環ビームを用いた場合(図10(B))の断面強度、三角マークは、円形ビームを用いた場合(図10(C))の断面強度である。データ点をつなぐ実線はガウシアンフィットを示す。   11A shows the cross-sectional strength in the horizontal direction (x direction) of the microscopic images of FIGS. 10B and 10C, and FIG. 11B shows the cross-sectional strength in FIGS. 10B and 10C. ) Shows the cross-sectional intensity in the vertical direction (y direction or polarization direction of incident light) of the microscopic image. A black circle is a cross-sectional intensity when an annular beam is used (FIG. 10B), and a triangular mark is a cross-sectional intensity when a circular beam is used (FIG. 10C). A solid line connecting the data points indicates a Gaussian fit.

開口数が1に近い収束ビームのため、x方向での解像度が、y方向(入射光の偏光方向)と比べて、約5%高い。ガウス関数を使ったフィッティングから、図11(A)では、円環ポンプ−プローブビームを用いた場合の半値全幅は、162±4nm、円形ポンプ−プローブビームを用いた場合の半値全幅は、232±3nmである。図11(B)では、円環ポンプ−プローブビームを用いた場合の半値全幅は、196±6nm、円形ポンプ−プローブビームを用いた場合の半値全幅は、245±7nmである。この測定結果によると、バランス型ホモダイン検出後のロックイン検出により、円形ポンプ−プローブビームでも十分に高い解像度が得られるが、円環ビームを用いることで円形ビームよりも解像度がさらに20〜30%向上する。この値は、上述の理論計算とほぼ一致する。   Since the convergent beam has a numerical aperture close to 1, the resolution in the x direction is about 5% higher than that in the y direction (the polarization direction of incident light). From the fitting using the Gaussian function, in FIG. 11A, the full width at half maximum when the annular pump-probe beam is used is 162 ± 4 nm, and the full width at half maximum when the circular pump-probe beam is used is 232 ±. 3 nm. In FIG. 11B, the full width at half maximum when an annular pump-probe beam is used is 196 ± 6 nm, and the full width at half maximum when a circular pump-probe beam is used is 245 ± 7 nm. According to this measurement result, a sufficiently high resolution can be obtained even with a circular pump-probe beam by lock-in detection after balanced homodyne detection, but the resolution is further 20-30% higher than that of a circular beam by using an annular beam. improves. This value almost coincides with the above theoretical calculation.

また、プローブ光の回折限界値(焦点面でのスポットサイズの半値全幅)は344nmであるため、第2実施形態のように円環ポンプ−プローブビームを用いることで、通常の走査型光学顕微鏡の約2倍、解像度が向上する。   Further, since the diffraction limit value of the probe light (full width at half maximum of the spot size at the focal plane) is 344 nm, an annular pump-probe beam is used as in the second embodiment, so that an ordinary scanning optical microscope can be used. The resolution is improved about twice.

図12および図13は、第2実施形態の測定例2を示す。測定例2では、図7の光学測定装置101で試料中の蛍光ビーズを観察する。図12(A)は、円環ビームを入射した場合のガラス基板上に分散させた蛍光ビーズのポンプ−プローブ顕微画像、図12(B)は、比較例として、ガラス基板上の同じ領域に円形ビームを入射した場合の蛍光ビーズのポンプ−プローブ顕微画像である。   12 and 13 show a measurement example 2 of the second embodiment. In Measurement Example 2, fluorescent beads in the sample are observed with the optical measurement apparatus 101 in FIG. FIG. 12A shows a pump-probe microscopic image of fluorescent beads dispersed on a glass substrate when an annular beam is incident, and FIG. 12B shows a circular shape in the same region on the glass substrate as a comparative example. It is a pump-probe microscopic image of a fluorescent bead when a beam is incident.

蛍光ビーズのサイズは1μmであり、600nmに蛍光スペクトルピークをもつナイルレッドで標識されている。ナイルレッドの励起スペクトルは、図13(A)の左側のカーブ、蛍光スペクトルは図13(A)の右側のカーブである。図13(A)に示すように、プローブ光の波長は蛍光スペクトルの長波長側と重なっている。この場合、誘導放出利得によるプローブ光の強度変化が主としてポンプ−プローブ信号に寄与する。   The size of the fluorescent beads is 1 μm, and it is labeled with Nile red having a fluorescent spectrum peak at 600 nm. The excitation spectrum of Nile Red is the left curve in FIG. 13A, and the fluorescence spectrum is the right curve in FIG. As shown in FIG. 13A, the wavelength of the probe light overlaps the long wavelength side of the fluorescence spectrum. In this case, the change in the intensity of the probe light due to the stimulated emission gain mainly contributes to the pump-probe signal.

図13(B)は、図12(A)と図12(B)のI−I’ラインでの断面強度を示す図である。黒丸が図12(A)の円環ビームを用いた場合のポンプ−プローブ信号強度、三角マークが図12(B)の円形ビームを用いた場合のポンプ−プローブ信号強度である。バランス型ホモダイン検出後にロックイン検出することで、円形ビームでも十分に鋭いスペクトルが得られるが、円環ビームを用いることで、立ち上がりがさらにシャープになっている。円環ビームを用いた場合、円形ビームを用いる場合と比較して解像度がさらに向上することがわかる。   FIG. 13B is a diagram showing the cross-sectional strength along the line I-I ′ in FIGS. 12A and 12B. Black circles indicate the pump-probe signal intensity when the circular beam of FIG. 12A is used, and triangular marks indicate the pump-probe signal intensity when the circular beam of FIG. 12B is used. By detecting lock-in after balanced homodyne detection, a sufficiently sharp spectrum can be obtained even with a circular beam, but by using an annular beam, the rise is further sharpened. It can be seen that when the annular beam is used, the resolution is further improved as compared with the case where the circular beam is used.

測定例1、2の結果から、第2実施形態の光学測定方法は、金ナノ粒子のような非蛍光性物質にも、蛍光性物質にも適用可能であることがわかる。可視領域でのレーザー光を用いて非接触で微小な状態変化を測定できることから、生体内の観察、測定にも適用することができる。   From the results of Measurement Examples 1 and 2, it can be seen that the optical measurement method of the second embodiment can be applied to non-fluorescent materials such as gold nanoparticles and fluorescent materials. Since a minute state change can be measured in a non-contact manner using laser light in the visible region, it can also be applied to in vivo observation and measurement.

第2実施形態の構成、手法は、2色のレーザー光を試料に入射し、試料からのポンプ−プローブ信号を測定することで、収束円環ビームの焦点近傍のサイドローブを抑制して、解像度を向上することができる。ビーム位置を走査しながらイメージング測定を行うことで、空間解像度を通常の光学顕微鏡と比べて2倍に向上することができる。   In the configuration and method of the second embodiment, two colors of laser light are incident on the sample, and the pump-probe signal from the sample is measured to suppress the side lobe near the focal point of the convergent ring beam, thereby reducing the resolution. Can be improved. By performing imaging measurement while scanning the beam position, the spatial resolution can be improved by a factor of two compared to a normal optical microscope.

バランス型ホモダイン検出後のロックイン検出により低ノイズ、高感度の測定ができることは第1実施形態と同様である。また、第1実施形態、第2実施形態を通して、近赤外領域より短波長の2色の光を用いるので、低コスト、省スペースで維持管理の容易な連続発振半導体レーザーを光源として利用できる。第2実施形態では、さらに以下の利点を有する。
(1)超超解像イメージを得るための複雑な画像演算処理が不要なためアーティファクトを軽減できる。
(2)特別な蛍光色素を必要とせず、公知の超解像法では測定困難な金属ナノ粒子のような弱蛍光・非蛍光性の物質でも測定可能である。
(3)光励起分子のダイナミクス(電子エネルギー緩和、光励起キャリアの再結合、熱拡散など)の超解像測定が可能である。
Similar to the first embodiment, low-noise and high-sensitivity measurement can be performed by lock-in detection after balanced homodyne detection. In addition, since light of two colors having a shorter wavelength than the near-infrared region is used through the first and second embodiments, a continuous-wave semiconductor laser that is low-cost, space-saving and easy to maintain can be used as a light source. The second embodiment further has the following advantages.
(1) Artifacts can be reduced because complex image calculation processing for obtaining a super-super resolution image is not required.
(2) A special fluorescent dye is not required, and even weak fluorescent and non-fluorescent substances such as metal nanoparticles that are difficult to measure by a known super-resolution method can be measured.
(3) Super-resolution measurement of dynamics of photoexcited molecules (electron energy relaxation, recombination of photoexcited carriers, thermal diffusion, etc.) is possible.

本出願は、2013年8月30日に出願された日本国特許出願第2013−178953号、及び2014年6月24日に出願された日本国特許出願第2014−128920号に基づきその優先権を主張するものであり、同日本国特許出願の全内容を参照することにより本願に援用する。   This application has priority based on Japanese Patent Application No. 2013-17895 filed on August 30, 2013 and Japanese Patent Application No. 2014-128920 filed on June 24, 2014. It is claimed and incorporated herein by reference in its entirety.

1,101 光学測定装置
2、3 光源システム
10、130 試料
11、111 ポンプ光源(第1光源)
12、112 プローブ光源(第2光源)
20、123 バランス検出器
21、121b 参照光検出ポート
22、121a 信号光検出ポート
38、124 ロックイン増幅器
120 円環アパーチャを有するフィルタ(ビーム成形器)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Optical measuring apparatus 2, 3 Light source system 10, 130 Sample 11, 111 Pump light source (1st light source)
12, 112 Probe light source (second light source)
20, 123 Balance detector 21, 121b Reference light detection port 22, 121a Signal light detection port 38, 124 Lock-in amplifier 120 Filter (ring shaper) having an annular aperture

Claims (10)

試料を励起するポンプ光を照射する第1光源と、
前記励起された試料の変化を測定するプローブ光を照射する第2光源と、
前記プローブ光を検出プローブ光と参照プローブ光に分割するビームスプリッタと、
前記励起された試料を透過した前記検出プローブ光を受光する第1入力ポートと、前記励起された試料を透過しない前記参照プローブ光を受光する第2入力ポートと、前記検出プローブ光と前記参照プローブ光の差分を表わす電気信号を出力する出力端と、を有するバランス検出器と、
前記バランス検出器の出力から、所定のロックイン周波数で所望の信号を検出するロックイン増幅器と、
を有する光学測定装置。
A first light source that emits pump light for exciting the sample;
A second light source for irradiating probe light for measuring a change in the excited sample;
A beam splitter that divides the probe light into detection probe light and reference probe light;
A first input port for receiving the detection probe light transmitted through the excited sample; a second input port for receiving the reference probe light not transmitted through the excited sample; the detection probe light and the reference probe; A balance detector having an output terminal for outputting an electric signal representing a difference in light;
A lock-in amplifier for detecting a desired signal at a predetermined lock-in frequency from the output of the balance detector;
An optical measuring device.
前記プローブ光は、第1変調周波数で変調されており、
前記ポンプ光は、第2変調周波数で変調されており、
前記ロックイン増幅器は、前記第1変調周波数と前記第2変調周波数の差周波数の参照信号と、前記バランス検出器の出力とを入力として、前記差周波数で前記信号をロックイン検出することを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。
The probe light is modulated at a first modulation frequency;
The pump light is modulated at a second modulation frequency;
The lock-in amplifier receives the reference signal of the difference frequency between the first modulation frequency and the second modulation frequency and the output of the balance detector as inputs, and locks in the signal at the difference frequency. The optical measuring device according to claim 1.
前記第2光源は白色光源から所定の波長の光を選択して前記プローブ光として照射し、
前記第1光源は、前記白色光源から前記所定の波長以外の光を選択して前記ポンプ光として照射し、
前記ロックイン増幅器は、前記ポンプ光の強度を変調する光強度変調信号の変調周波数の参照信号と、前記バランス検出器の出力とを入力として、前記変調周波数で前記信号をロックイン検出することを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。
The second light source selects light of a predetermined wavelength from a white light source and irradiates it as the probe light,
The first light source selects light other than the predetermined wavelength from the white light source and irradiates it as the pump light,
The lock-in amplifier receives a reference signal of a modulation frequency of a light intensity modulation signal that modulates the intensity of the pump light and an output of the balance detector, and detects the lock-in at the modulation frequency. The optical measuring device according to claim 1, wherein
前記バランス検出器は、前記参照プローブ光を光電変換して得られる参照光電流を所定の分割比で分割し、前記分割された一方の電流成分と、前記検出プローブ光を光電変換して得られる検出光電流との差分を電圧信号に変換して出力し、
前記所定の分割比は、前記電圧信号に含まれる直流成分が最小となるようにフィードバック制御されることを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。
The balance detector is obtained by dividing a reference photocurrent obtained by photoelectrically converting the reference probe light by a predetermined division ratio, and photoelectrically converting the divided one current component and the detection probe light. Convert the difference from the detected photocurrent into a voltage signal and output it,
The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the predetermined division ratio is feedback controlled so that a direct current component included in the voltage signal is minimized.
前記フィードバック制御の上限周波数は、前記ポンプ光と前記検出プローブ光で前記試料を走査する速度よりも大きく、前記ロックイン増幅器の前記ロックイン周波数よりも小さいことを特徴とする請求項4に記載の光学測定装置。   The upper limit frequency of the feedback control is larger than a speed at which the sample is scanned with the pump light and the detection probe light, and smaller than the lock-in frequency of the lock-in amplifier. Optical measuring device. 前記ポンプ光と前記プローブ光を円環ビームに成形するビーム成形器と、
前記円環ビームに成形された前記ポンプ光と前記プローブ光を前記試料に入射させる第1光学系と、
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。
A beam shaper for shaping the pump light and the probe light into an annular beam;
A first optical system for causing the pump light and the probe light formed into the annular beam to enter the sample;
The optical measuring device according to claim 1, further comprising:
前記ポンプ光と前記プローブ光を同軸に重畳する第2光学系、
をさらに有し、
前記ビーム成形器は、前記第1光学系と前記第2光学系の間に挿入されることを特徴とする請求項6に記載の光学測定装置。
A second optical system for coaxially superimposing the pump light and the probe light;
Further comprising
The optical measurement apparatus according to claim 6, wherein the beam shaper is inserted between the first optical system and the second optical system.
前記第1光源及び前記第2光源は、近赤外領域よりも短波長の可視領域のレーザー光を出射する半導体レーザーであることを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。   The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the first light source and the second light source are semiconductor lasers that emit laser light in a visible region having a shorter wavelength than the near infrared region. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の光学測定装置と、
前記ポンプ光及び前記プローブ光に対して前記試料を相対的に走査する走査機構と、
前記ロックイン増幅器により前記試料上の各走査点で検出された前記信号を収集し、処理する演算処理部と、
を有することを特徴とする顕微イメージングシステム。
The optical measuring device according to any one of claims 1 to 8,
A scanning mechanism for scanning the sample relative to the pump light and the probe light;
An arithmetic processing unit that collects and processes the signals detected at each scanning point on the sample by the lock-in amplifier;
A microscopic imaging system characterized by comprising:
ポンプ光で試料を照射して前記試料を励起し、
プローブ光を検出プローブ光と参照プローブ光に分割して、前記検出プローブ光で、前記ポンプ光の照射と同時に前記試料を照射し、
前記試料を透過した検出プローブ光をバランス検出器の第1入力ポートで受光し、
前記試料を透過しない前記参照プローブ光を前記バランス検出器の第2入力ポートで受光し、
前記バランス検出器から、前記検出プローブ光と前記参照プローブ光の差分を表わす電気信号を出力し、
前記バランス検出器の出力から、所定のロックイン周波数で所望の信号を検出する、
ステップを含むことを特徴とする光学測定方法。
Irradiate the sample with pump light to excite the sample,
Dividing probe light into detection probe light and reference probe light, irradiating the sample simultaneously with the irradiation of the pump light with the detection probe light,
The detection probe light transmitted through the sample is received by the first input port of the balance detector,
Receiving the reference probe light that does not pass through the sample at a second input port of the balance detector;
From the balance detector, an electrical signal representing a difference between the detection probe light and the reference probe light is output,
Detecting a desired signal at a predetermined lock-in frequency from the output of the balance detector;
An optical measurement method comprising steps.
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