JPWO2017158808A1

JPWO2017158808A1 - 光計測装置、光スペクトルフィルタ及び光スペクトルフィルタの製造方法

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Publication number: JPWO2017158808A1
Application number: JP2018505177A
Authority: JP
Inventors: 亮今井; 今井　　亮; 峯邑　浩行; 浩行峯邑; 渡辺　康一; 康一渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2018-07-26
Also published as: WO2017158808A1

Abstract

ＣＡＲＳ計測手法のうちストークス光のスペクトル制御を行う手法では、グレーティングと空間フィルタによりスペクトル制御部を構成するため、スペクトル制御部が大型となるほか精密な光学調整が必要となるなどの課題があった。そこで、本願では、所定の周期構造をもつ導波路型の波長フィルタを使用することで、小型な装置で簡易にスペクトル形状の制御を行うことを可能とした。尚、波長フィルタの形成に当たっては制御自由度の高いフェムト秒レーザによる加工を用いることとした。

Description

本発明は、広帯域光源を利用して、計測対象物を光計測する光計測装置、また、この光計測装置に用いられる光スペクトルフィルタ及びその製造方法に関する。

近年進歩が著しい生命科学、バイオテクノロジーの分野において、光学顕微鏡による測定手法は大きな位置を占めている。光学顕微鏡による測定では一例として細胞、組織等の形状が観察されるが、形状のみならず例えば組織、細胞に含まれる物質の種類を同定する手法も存在する。このように組織内部の物質を計測する手法として、近年コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（ＣＡＲＳ）顕微鏡が注目されている。ＣＡＲＳ顕微鏡は非線形光学過程により物質の振動準位に対応する散乱光のスペクトルから物質の同定を行う手法であり、非侵襲に計測対象の3次元物質分布を計測することが可能である。

ＣＡＲＳはラマン散乱の発展形である。ラマン散乱とは図１（ａ）に示したように入射した光１０１に対して基底状態と励起状態とのエネルギー差分波長が長波長側にシフトしたラマン散乱光１０２を放出する散乱過程である。観測されるラマン散乱光１０２の波長シフト量から物質の励起状態に関する情報を得ることができ、このラマン散乱光のスペクトル形状から物質を同定することができる。ＣＡＲＳ過程では図１（ｂ）に示したように、図１（ａ）の過程の後に励起状態から基底状態への遷移が追加される。ポンプ光１０３とストークス光１０４により励起状態へ遷移した後、プローブ光１０５を吸収、反ストークス光１０６を放出することで再度基底状態へ遷移する。発生した反ストークス光１０６はプローブ光１０５の波長から基底状態と励起状態のエネルギー差分波長が短波長側にシフトしており、この反ストークス光１０６の波長シフト量から物質の励起状態に関する情報を得ることができる。このＣＡＲＳ過程を用いた分光手法のうち、図２のエネルギー準位図に示すようにストークス光１０４として広帯域な光を利用するものはマルチプレックスＣＡＲＳと呼ばれる。ストークス光１０４が単一の波長である場合、ポンプ光１０３とのエネルギー差に対応する特定の状態しか励起することができず、発生する反ストークス光１０６もこの準位に対応する波長のみ発生する。一方、ストークス光１０４として広帯域光を使用する場合には、図２に示したように広帯域光のスペクトルの範囲内に存在する複数個の励起準位を一度に励起することができる。したがって発生する反ストークス光１０６はストークス光１０４のスペクトル幅に対応する範囲内に存在する励起状態の情報を含むことになる。したがって発生した反ストークス光１０６を分光することで、励起状態のエネルギー分布情報を得ることができ、単一波長のストークス光を用いたＣＡＲSと比較して多くの情報を一度に得ることができる。

図３にマルチプレックスＣＡＲＳ光学系の一例を示す。２０１は短パルスレーザ光源である。非線形光学過程であるＣＡＲＳ過程の効率を向上させるため、多くの場合光源としてはパルス幅nsオーダ以下のパルス光源が使用される。パルス光源から射出された光２０２はビームスプリッタ２０３により二つにわけられる。片側の光はその後ミラー２０４によって反射され、フォトニッククリスタルファイバ２０５によって広帯域光へ変換される。この変換された光は図２におけるストークス光１０４として作用する。もう片側のパスを通る光は図２におけるポンプ光１０３、プローブ光１０５として作用する。この２つの光はダイクロイックミラー２０６によって合波され、対物レンズ２０７によってサンプル２０８へ集光される。サンプルから発生する反ストークス光は後段の対物レンズ２０９によって平行光となり、残留したポンプ、プローブ、ストークス光を除去するフィルタ２１０を通過した後、分光器２１１によって分光される。この構成によって得られたＣＡＲＳスペクトルの形状からサンプル２０８中に存在する物質の種類やその比率に関する情報を得ることができる。

マルチプレックスＣＡＲＳ以外に物質の励起状態のエネルギー分布情報を得る方法としてはストークス光の波長を掃引する方法がある。ストークス光の波長を変えながらそのストークス光に対応する反ストークス光のパワーを計測することにより、マルチプレックスＣＡＲＳにおいて反ストークス光を分光する場合と同等の情報を得ることができる。この場合図３における分光器２１１ではなくフォトダイオード等の光ディテクタを使用することができるが、一方で反ストークス光の波長を掃引する機構が必要となる。波長掃引を行う場合には光パラメトリック発振器がよく用いられるが、それ以外にも掃引を行う方法がある。例えば非特許文献１では波長掃引機構をフォトニッククリスタルファイバにより発生した広帯域光から特定の成分をグレーティングと空間光変調器によって取り出す構成により実現している。この構成では単に１つの波長成分を取り出すだけでなく、スペクトル形状を任意の形に整形することができる。そこでストークス光のスペクトル形状を特定の物質の励起準位に対応する形状に整形することにより、分光器による分光や波長掃引を行わずとも物質選択的な測定を行うことが可能である。この方法は計測する物質の励起準位について事前に情報が必要であるものの、反ストークス光の分光を行う方法と比較して反ストークス光への変換効率が向上する、発生した反ストークス光を分光する必要がないためフォトマルチプライヤやアバランシェフォトダイオード等高感度なディテクタを使用可能である等のメリットがある。また信号雑音比の確保に必要なレーザ光量を抑えられる為、細胞のダメージを低減できるメリットもある。

J. Rehbinder et. al.、 "Multiplex coherent anti-Stokes Raman microscopy with tailored Stokes spectrum"、 Opt. Lett.、 Vol.35、 pp3721-3723

ＣＡＲＳには非特許文献１のようにストークス光として使用する広帯域光のスペクトル形状を制御する方法がある。この方法ではスペクトル形状を物質に応じて任意に変更する必要があるため、非特許文献１のようにプリズムやグレーティング等の分光素子により一度光を分光し、空間光変調器や空間フィルタによってスペクトル形状を調整したのち分光素子によって各波長成分を同一直線上に戻す構成がよく取られる。しかしこの方法は光を波長ごとに一度分離しまた元に戻すため精密な光学調整が必要となるほか、装置サイズが大きくなる課題もある。

そこで、本発明の目的は、小型であり、かつ精密な光学調整を要する空間的な波長分離過程を必要としないストークス光スペクトル変調型のＣＡＲＳ計測装置と、このＣＡＲＳ計測手法で使用されるストークス光を任意のスペクトル形状に整形可能な光スペクトルフィルタと、この光スペクトルフィルタの製造方法を提供することである。

上記目的は、ストークス光の光路中に、広帯域光の所定の波長領域のスペクトルを選択的に抽出する所定の周期構造を有する導波路型光フィルタを設けることによって達成される。以下、より具体的に説明する。

本発明のＣＡＲＳ装置の一形態を概略図として図４に示した。この構成では図３の構成に加えフォトニッククリスタルファイバ２０５の直後に光ファイバ４０１とサーキュレータ４０２、導波路型の光スペクトルフィルタ４０３が挿入される。この構成によりフォトニッククリスタルファイバ２０５で発生した広帯域光は光スペクトルフィルタ４０３へ導かれ、このフィルタにより反射された成分のみがサンプルへ照射される。光スペクトルフィルタはサンプル２０８のＣＡＲＳスペクトルとフォトニッククリスタルファイバ２０５で発生する広帯域光のスペクトルに対応した反射スペクトルが生じるように、所定の周期構造を持つように設計され、計測対象物における反ストークス光の発生に寄与する成分のみがサンプル２０８へ照射される。

ここで、所定の周期構造とは、一定の周期で繰り返す屈折率変化のみを指すものではない。本発明における所定の周期構造は、以下の定義によるものとする。導波路構造の長手方向に対応する座標をzとし、導波路中心軸上での屈折率をn(z)とする。この屈折率n(z)のフーリエ変換をn(k)とする。ここで、kは波数である。このときn(k)の絶対値が0でなければ、λ=2πn’(k)/kに対応する波長λに対応する周期構造が導波路内部に存在するという。尚n’(k)は波数kに対応する導波路の有効屈折率である。

上記光スペクトルフィルタ４０３は光導波路の内部に屈折率変化領域を含むデバイスとして実現される。尚、本発明における光導波路とは、基盤の上もしくは内部に構成された導波路に加え光ファイバも含む。本発明の光スペクトルフィルタは導波路の長手方向に複数個の屈折率変化領域を持ち、この構造における回折現象を利用してその周期に対応する光波長の振幅を制御するものである。図５に光ファイバをベースとした本発明の光スペクトルフィルタの概念図を示した。光が伝搬するコアの部分に屈折率が変化した領域が特定の周期で形成されることにより、その周期に対応した波長を反射する光スペクトルフィルタとなる。この屈折率変化部が単一の周期で形成される場合、この光スペクトルフィルタは一般的なファイバブラッググレーティングと同等である。単一の励起状態の検出を行う場合には上記のような単一周期の構造を持つフィルタで十分である。しかしながらＣＡＲＳによって計測される物質の振動・回転励起状態の構造は一般的に単純ではなく、特にＣＡＲＳの主要な適用先である生体計測の場合には生体分子の形状が複雑である為に励起状態の構造も複雑となる。したがって多くの場合光スペクトルフィルタの応答は複数の波長に対して設計する必要があり、光スペクトルフィルタ内部の屈折率変化領域の構造も単純な周期構造とはならない。具体的には、例えば物質の各励起準位のエネルギー、状態密度、線幅等に対応し、屈折率変化構造の周期、屈折率変化量、構造全体の長さ等が設計される。

上記の様なスペクトルフィルタは屈折率変化領域の構造が複雑となるため、高い制御自由度を持つ屈折率変化誘導手法により形成される必要がある。このような手法として超短パルスレーザを用いた加工方法が挙げられる。これは石英ガラスへパルス幅が1ns以下となるような超短パルスレーザ光を照射することにより石英ガラスの屈折率が上昇することを利用するものである。レーザ光を対物レンズ等によって導波路部分へ集光することで屈折率変化部を形成する。

本発明によれば、ＣＡＲＳ計測におけるストークス光のスペクトル制限をコンパクトな構成で、簡便に行うことができる。特に光スペクトルフィルタの元となる導波路として光ファイバを使用する場合、図４のように広帯域光源に光スペクトルフィルタを結合することにより、非特許文献１に示されている従来例のような構成に必要である精密な光学調整なしにスペクトルフィルタの組み込みを行うことができる。またファイバを丸めて格納することにより装置サイズを小型とすることができる。

（ａ）ラマン散乱過程のエネルギー準位図、（ｂ）ＣＡＲＳ過程のエネルギー準位図マルチプレックスＣＡＲＳ過程を示すエネルギー準位図マルチプレックスＣＡＲＳ計測光学系の概略図本発明の光スペクトルフィルタを用いたＣＡＲＳ計測光学系の概略図光ファイバ中に形成した光スペクトルフィルタの模式図ファイバ型のスペクトルフィルタを組み込んだＣＡＲＳ計測光学系ファイバ型のスペクトルフィルタを並列に複数個組み込んだＣＡＲＳ計測光学系ファイバ型のスペクトルフィルタを組み込んだ反射型ＣＡＲＳ計測光学系光スペクトルフィルタによるストークス光のスペクトル制御の概念図ストークス光スペクトル形状を特定物質の応答に対して制御したＣＡＲＳ測定による物質の同定の概念図光スペクトルフィルタの応答と内部構造の例屈折率変化領域の点数に対する反射率の変化加工開始時と加工終了時の周期変化率に対する反射帯のスペクトル幅フェムト秒レーザ加工による屈折率変化領域の形成光スペクトルフィルタ形成装置の動作ファイバ型の光スペクトルフィルタを透過型構成で使用するＣＡＲＳ計測光学系の概略図光スペクトルフィルタの反射率を示す図

本実施例においては光ファイバ中に形成した光スペクトルフィルタを用いたＣＡＲＳ計測光学系について説明する。

まず、光スペクトルフィルタを用いたＣＡＲＳ光学系の構成とその機能について説明する。パルスレーザ光源６０１から射出された短パルスレーザ光６０２はビームスプリッタ６０３によって２つに分けられる。ここで、短パルスレーザ光源６０１はチタンサファイアレーザやファイバレーザ、マイクロチップレーザなどであり、パルス幅はナノ秒以下であることが望ましい。どの光源を使用するかは測定対象の吸収帯域と各光源の発振波長の対応、光源のスペクトル幅のほか、光源の価格等も含めて総合的な観点から決定される。また、ピークパワーは非線形光学効果を誘起可能なキロワットオーダ以上が望ましい。そして、ビームの片側はミラー６０４により軌道を調整された後、対物レンズ６０５によってフォトニッククリスタルファイバ６０６へ入射する。フォトニッククリスタルファイバ６０６の作用により、短パルスレーザ光６０２は広帯域光へ変換される。変換された短パルスレーザ光は光ファイバ６０７と光サーキュレータ６０８によって光スペクトルフィルタ６１０へ入射され、光スペクトルフィルタ６１０によって反射した光のみが光サーキュレータ６０８によって光ファイバ６０７に戻される。光スペクトルフィルタ６１０はコネクタ６０９を介してサーキュレータ６０８につながれており、異なる反射スペクトルをもつフィルタを複数個用意し、コネクタ６０９でつなぎ換えを行うことによってストークス光のスペクトルを変更することができる。光ファイバ６０７から射出された光は対物レンズ６１１によりコリメートされ、反射ミラー６１２によって軌道が調整される。尚、この光学系によって生成される光がＣＡＲＳ過程においてストークス光として作用する。

一方ビームスプリッタ６０３によって分岐されたもう片方の光は対物レンズ６１３によって光ファイバ６１４へ入射される。光ファイバ６１４から射出された光は対物レンズ６１５によってコリメートされる。この経路を通った光がＣＡＲＳ過程においてポンプ、プローブ光として作用する。尚、ポンプ光、プローブ光、ストークス光の３つの光は同時にサンプルに照射される必要があるため、光ファイバ６１４の長さはフォトニッククリスタルファイバ６０６を通過する経路と光路長が一致するよう調整される。またこの実施例ではポンプ、プローブ光を光ファイバに通しているが、光ファイバを通さず空気中を伝搬させることによってタイミングの調整を行ってもよい。ポンプ、プローブ光とストークス光はダイクロイックミラー６１６によって同一直線上を進行するよう合波される。合波された光は対物レンズ６１７によって集光され、サンプル６１８へ照射される。サンプル６１８で発生したＣＡＲＳ光は対物レンズ６１９によって集められ、ショートパスフィルタ６２０によって残留しているポンプ、プローブ、ストークス光を除去した後分光器６２１によって分光が行われる。尚、ＣＡＲＳ光の分光は必ずしも行う必要はなく、分光器６２１の代わりにアバランシェフォトダイオードやフォトマルチプライヤ等の高感度ディテクタを使用してもよい。尚、図６では使用する光スペクトルフィルタを繋ぎ換えることでストークス光のスペクトルを変更する構成としたが、光スペクトルフィルタは図７のように並列に複数個つなげられてもよい。光スペクトルフィルタ７０８、７０９、７１０は光スイッチ７０１を介して並列に接続されている。尚、光スペクトルフィルタ７０８、７０９、７１０はサーキュレータ７０５、７０６、７０７を介して光ファイバ７０２、７０３、７０４と連結する。光スペクトルフィルタ７０５、７０６、７０７はそれぞれ別の反射スペクトルを持ち、フォトニッククリスタルファイバ６０６で発生した広帯域光がどの光ファイバに導入されるかは光スイッチ７０１が決定する。それぞれの光ファイバは出口で合波装置７１１に接続されており、全てのパスからの光が同一経路上に出力される。このような構成を取ることにより、検出する波長、物質に応じてスペクトル形状を切り替えることができる。

図６では透過型のＣＡＲS計測装置の例を示したが、図８に示した様な反射型の構成を取ってもよい。図８における装置構成において図６との相違点はポンプ光、プローブ光、ストークス光の集光に使用した対物レンズ６１７によって発生した反ストークス光を光入射方向と同じ方向で検出する点にある。反ストークス光はポンプ光より短波長を反射するダイクロイックミラー８０１によって反射され、ディテクタ８０２に入射する。

本実施例における光スペクトルフィルタ６１０の機能を図９に示した。図９左に実線で示したものは図６のフォトニッククリスタルファイバ６０６によって発生した広帯域光スペクトルのイメージ図である。従来のマルチプレックスＣＡＲＳはこの広帯域光のスペクトルを特段制御することなくサンプルに入射する。この結果、例えば検出する物質の振動励起準位に対応するストークス光の波長が点線で囲んだ領域であった場合、点線の外部に位置する光は反ストークス光の発生に寄与しない。そこで図９に示したように光スペクトルフィルタによって点線外部の光をカットし、ＣＡＲＳ光の発生に寄与する成分のみを残すことによりサンプルに照射される光量を低減し、光によって生じる細胞へのダメージを低減することができる。このほかにも、スペクトルの形状を制御することにより、特定の物質に対して反ストークス光信号を取り出すようにすることができる。図１０にその概念図を示す。例えば計測する対象は物質Aであるとし、測定対象物体は物質A、B、Cのうちどれかであるとする。物質A、B、CはマルチプレックスＣＡＲＳで計測した場合、それぞれ図１０に示したようなスペクトルを持つ反ストークス光を発生させるとする。このとき、ストークス光として物質Ａのスペクトルに対応するスペクトル構造を持つ光を入射する場合、物質Ａ、Ｂ、Ｃではそれぞれ発生するＣＡＲＳ光のパワーが異なる。したがって反ストークス光のパワーを計測することで測定対象物の同定を行うことができる。ただし反ストークス光のパワーは物質の密度に依存しており、また例えば物質Ａと物質Ｂが近い形状のＣＡＲＳスペクトルを有する場合には判別が困難となる。このような場合には図７のような構成により、複数のスペクトル形状のストークス光に対して反ストークス光強度を計測すればよく、反ストークス光のパターンが増えれば情報量が増え、同定の精度を上げることができる。また図１０では切り出すスペクトルは特定の物質に対応したものとしたが、同定に有利な部分を切り出したり、反ストークス光スペクトル分布の分散を最大とするようなスペクトル形状に設定してもよい。図１０の例をとると、物質Ｃの検出を行う場合、短波長側のピーク２つは物質Ａ、物質Ｂとのスペクトルの重なりがあるが、最も長波長側のピークは重なりが無いため、この最も長波長側のピークに対応するようストークス光のスペクトルを設定することで検出精度を向上できる。

次に光スペクトルフィルタの具体的な構造の例について説明する。例えば図６の様な反射型フィルタを製造する場合、一例として図１１に示したように中心波長、ピーク反射率、スペクトル幅を設定した反射帯を複数個作ることによって、反射スペクトルを設計する。それぞれ図１１中の１、２、３のピークに対応する構造がファイバ中に形成される。尚、ＣＡＲＳ計測におけるポンプ光、プローブ光、ストークス光の照射タイミングが合致しなければならない要請から、初段で反射した光と最終段で反射した光の時間差がポンプ、プローブ光のパルス幅の範囲内に収まる必要がある。

反射帯の中心波長については加工領域の周期によって設計可能である。例えば反射帯の中心波長をλcに設定する場合、加工の周期Λは下記の式によって決定すればよい。

mλ_c＝n_effΛ
尚、n_eff は有効屈折率、mはグレーティングの次数である。反射帯の反射率については、例えば加工領域の全長によって設定することが可能である。図１２は加工点数と反射率の関係を計算したものである。計算は転送行列による多層膜のスペクトル計算を基本としており、材料の屈折率を導波路の有効屈折率で置き換えることで導波路内の周期構造のスペクトル計算を行う。したがって、計算においては放射モードは無視されている。尚、図１２はコア径1.8 μm、NA 0.2、屈折率変化量 0.2 %、周期1.65 μmの場合である。およそ100点から2000点の間で反射率が0から1へ変化しており、加工点数をこの範囲に設定することで任意の反射率を設定することが可能である。反射帯のスペクトル幅については、例えば加工領域の周期を徐徐に変化させることで設計することができる。図１３に図１２と同一条件で加工開始時と終了時の周期を線形に変化させた場合のスペクトル幅をプロットしたグラフを示す。このように加工領域の周期を変調することで、反射帯のスペクトル幅を変化させることができる。この場合、単位長さあたりの変調率が反射率を決定する。尚、スペクトルフィルタの設計方法についてはここに述べた方法に限定されるものではない。例えば反射率については周期構造の屈折率変化量によって調整されても良い。またスペクトルフィルタの構造についても図１１の様な各ピークに対応する周期構造の組み合わせに限定されるものではなく、設定すべきスペクトル形状に対して数値的な最適化手法によって設計されても良い。数値的な手法によって設計する場合、スペクトルフィルタは一般に単一の周期を持つ周期構造のような単純な形にはならない。

次に光スペクトルフィルタの製造方法について説明する。本特許の手法では任意形状のスペクトルフィルタを形成する必要があるため、フェムト秒レーザ加工による屈折率変化を利用する方法が好適である。フェムト秒レーザ光を石英ガラスに照射することにより、屈折率を上昇させることができることが一般に知られている。したがって例えば図１４に示した様に光ファイバのコア部分にフェムト秒レーザ光を集光し、パルスレーザ光を照射しながら光ファイバを長手方向に動かすことにより、移動速度とレーザパルスの繰り返し周波数に応じた周期的な屈折率変調領域を形成することができる。ファイバと光スポットの相対速度により構造の周期が、光照射時間によって周期構造の全長が、相対速度の変化率によって周期構造の周期変化率が決定される。また照射光の強度はファイバ内部を機械的に破壊せず、屈折率変化のみを誘起する程度に調整される。各加工パラメータは制御装置と自動ステージ、光シャッタによって制御されており、形成する反射帯の中心波長、スペクトル幅、反射率等の光学応答から制御装置が具体的な制御パラメータの値を決定する。

図１４の装置の具体的な動作について図１５に示した。まずユーザーによって計測する対象が決定される（Ｓ１５０１）。次に、この対象に応じて観測すべきＣＡＲＳスペクトルが決定される（Ｓ１５０２）。このＣＡＲＳスペクトルは特定の物質のＣＡＲＳスペクトルであってもよいし、特定の励起準位に対応したスペクトルのみを抽出する様なものであってもよい。次に、このＣＡＲＳスペクトルに応じてストークス光のスペクトルが決定される（Ｓ１５０３）。ストークス光スペクトルは検出するＣＡＲＳスペクトルのラマンシフト量分，波長をポンプ光の波長から長波長側へ動かすことで決定する。その後、設計したストークス光スペクトルを実現する為のフィルタの応答が決定される（Ｓ１５０４）。フィルタ形状はＳ１５０３で決定したスペクトルをフォトニッククリスタルファイバで発生した広帯域光のスペクトルで割ることで決定される。このフィルタの応答に対して加工パワー、照射時間、ステージの移動速度等の加工条件が決定される（Ｓ１５０５）。この加工条件が各制御装置に送信され（Ｓ１５０６）、加工が行われる（Ｓ１５０７）。図１４に示したような複数個の反射帯を設定する場合には、全ての反射帯に対応する構造を作り終えるまでＳ１５０６とＳ１５０７が反復される（Ｓ１５０８）。

本実施例では、光スペクトルフィルタを透過配置で使用する場合の実施例について述べる。尚、実施例１と同様な内容については説明を省略する。

図１６における装置構成において実施例１との相違点はフォトニッククリスタルファイバ６０６に対し光スペクトルフィルタ１６０１が直列につながれている点である。この場合光スペクトルフィルタ１６０１を透過した光がストークス光として使用される。このような構成はフィルタを反射型で利用する場合と比較して特定の波長の成分をカットする等、広帯域光の大半を利用し、一部を捨てる様な場合に有利な構成となる。尚、実線部１６０２はシングルモードファイバであるが、このシングルモードファイバは装置構成として必ずしも必要ではない。またこの構成をとる場合、反射光が光源方向に戻るため光源の直後にアイソレータ１６０３等を入れることにより戻り光が光源内に入らないようにすることが望ましい。

スペクトルフィルタの設計については反射型とほぼ同等であるが、フィルタを透過した光を使用するため、カットする波長に対応する周期の構造を形成する点のみ実施例１と異なる。

本実施例においては光ファイバ中に形成した光スペクトルフィルタを用いたＣＡＲＳ計測光学系を利用して細胞内部の特定の物質を検出する方法について述べる。尚、実施例１、２と同様な内容については説明を省略する。

本実施例において、具体的には測定対象の内部に含まれるコラーゲンを検出する場合について説明を実施する。コラーゲンはたとえば軟骨細胞に多く含まれているが、その主要な構成成分の中にプロリンがある。このプロリンはラマンシフト８５６cm^-1にピークを持つことが知られており、本実施例ではこのピークを検出する。検出の際の装置構成としては、図６に示したものを使用する。尚、図６の装置構成の詳細については実施例１において説明済みのため、ここでは省略する。

スペクトルフィルタを形成するに当たっては、まず光源波長の情報が必要である。ここでは光源としてマイクロチップレーザを使用することとし、その波長は１０６４ nmであるとする。このときラマンシフト量８５６cm^-1に対応するストークス光波長は１１７１nmとなる。したがってプロリンの検出を行うに当たってはストークス光から１１７１nmの波長を取り出すようなフィルタを形成すればよい。尚、論文等で公開されているプロリンのCARSスペクトルを参照し、この実施例ではピークの値８５６cm^-1から±１０cm^-1を検出することとした。これは中心波長１１７１nmに対して±１nmの範囲の光を取り出すことに相当する。

次に上記１１７１nm±１nmを取り出す本発明のスペクトルフィルタについて説明する。本実施例においてはコア径1.8 μm、NA 0.2の光ファイバを想定する。実施例１と同じく屈折率変化量は0.2%とした。上記の想定においては波長１１７１nmに対応する周期は３次のグレーティングとする場合1.22 μmである。図１７に周期1.22μm、屈折率変化領域数10000点、始点と終点での周期変化率0.22 %の場合の光スペクトルフィルタの反射率を実施例１と同じ計算によってプロットしたグラフを示す。１１７１nmを中心に±約1 nmの幅で９５％以上の反射率が実現されている。したがって上記のような周期構造をもつスペクトルフィルタを形成することにより、プロリンの８５６cm^-1のピークを検出可能であることがわかる。

図１７に示したような応答を持つスペクトルフィルタを図６の構成で使用することによって、プロリンの検出を行うことができる。尚、本実施例においては単一の物質に対応するピークのみを抽出しているため、図６の構成中の６２１としては分光器を使用する必要はなく、フォトダイオード等波長分離を行わない素子で十分である。図６中６１８のサンプルを移動させつつ６１２の検出器で検出される光強度をプロットすることでサンプル内部のプロリンの分布を取得することが可能である。

１０１入射した光
１０２ラマン散乱光
１０３ポンプ光
１０４ストークス光
１０５プローブ光
１０６反ストークス光
２０１短パルスレーザ光源
２０２パルス光源から射出された光
２０３ビームスプリッタ
２０４ミラー
２０５フォトニッククリスタルファイバ
２０６ダイクロイックミラー
２０７対物レンズ
２０８サンプル
２０９対物レンズ
２１０フィルタ
２１１分光器
４０１光ファイバ
４０２サーキュレータ
４０３光スペクトルフィルタ
６０１パルスレーザ光源
６０２短パルスレーザ光
６０３ビームスプリッタ
６０４ミラー
６０５対物レンズ
６０６フォトニッククリスタルファイバ
６０７光ファイバ
６０８光サーキュレータ
６０９コネクタ
６１０光スペクトルフィルタ
６１１対物レンズ
６１２反射ミラー
６１３対物レンズ
６１４光ファイバ
６１５対物レンズ
６１６ダイクロイックミラー
６１７対物レンズ
６１８サンプル
６１９対物レンズ
６２０ショートパスフィルタ
６２１分光器
７０１光スイッチ
７０２、７０３、７０４光ファイバ
７０５、７０６、７０７サーキュレータ
７０８、７０９、７１０光スペクトルフィルタ
７１１合波装置
８０１ダイクロイックミラー
８０２ディテクタ
１６０１スペクトルフィルタ
１６０２シングルモードファイバ
１６０３アイソレータ

一方ビームスプリッタ６０３によって分岐されたもう片方の光は対物レンズ６１３によって光ファイバ６１４へ入射される。光ファイバ６１４から射出された光は対物レンズ６１５によってコリメートされる。この経路を通った光がＣＡＲＳ過程においてポンプ、プローブ光として作用する。尚、ポンプ光、プローブ光、ストークス光の３つの光は同時にサンプルに照射される必要があるため、光ファイバ６１４の長さはフォトニッククリスタルファイバ６０６を通過する経路と光路長が一致するよう調整される。またこの実施例ではポンプ、プローブ光を光ファイバに通しているが、光ファイバを通さず空気中を伝搬させることによってタイミングの調整を行ってもよい。ポンプ、プローブ光とストークス光はダイクロイックミラー６１６によって同一直線上を進行するよう合波される。合波された光は対物レンズ６１７によって集光され、サンプル６１８へ照射される。サンプル６１８で発生したＣＡＲＳ光は対物レンズ６１９によって集められ、ショートパスフィルタ６２０によって残留しているポンプ、プローブ、ストークス光を除去した後分光器６２１によって分光が行われる。尚、ＣＡＲＳ光の分光は必ずしも行う必要はなく、分光器６２１の代わりにアバランシェフォトダイオードやフォトマルチプライヤ等の高感度ディテクタを使用してもよい。尚、図６では使用する光スペクトルフィルタを繋ぎ換えることでストークス光のスペクトルを変更する構成としたが、光スペクトルフィルタは図７のように並列に複数個つなげられてもよい。光スペクトルフィルタ７０８、７０９、７１０は光スイッチ７０１を介して並列に接続されている。尚、光スペクトルフィルタ７０８、７０９、７１０はサーキュレータ７０５、７０６、７０７を介して光ファイバ７０２、７０３、７０４と連結する。光スペクトルフィルタ７０８、７０９、７１０はそれぞれ別の反射スペクトルを持ち、フォトニッククリスタルファイバ６０６で発生した広帯域光がどの光ファイバに導入されるかは光スイッチ７０１が決定する。それぞれの光ファイバは出口で合波装置７１１に接続されており、全てのパスからの光が同一経路上に出力される。このような構成を取ることにより、検出する波長、物質に応じてスペクトル形状を切り替えることができる。

Claims

短パルスレーザ光源と、
前記短パルスレーザ光源から射出されるレーザ光を第一のレーザ光と第二のレーザ光に分岐する分岐部と、
前記第二のレーザ光を広帯域光に変換する波長変換素子と、
発生した前記広帯域光の所定の波長領域のスペクトルを選択的に抽出する所定の周期構造を有する導波路型光フィルタと、
前記第一のレーザ光と前記導波路型フィルタを通過した第二のレーザ光を合波する合波部と、
前記合波部で合波された光を計測対象に集光する集光光学系と、
前記計測対象で発生した反ストークス光を検出する検出器と、
を有することを特徴とする光計測装置。
前記導波路型光フィルタが光ファイバ中に形成された屈折率変化領域として実現されていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
前記所定の周期構造は、複数種類の周期的な構造を有することを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
前記導波路型フィルタを通過した第二のレーザ光は、前記導波路型フィルタからの戻り光であることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
前記導波路型フィルタを通過した第二のレーザ光は、前記導波路型フィルタからの透過光であることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
前記導波路型光フィルタは、それぞれの検出波長に対応して複数個並列に備え付けられており、前記複数個の導波路型光フィルタを選択する光スイッチを、さらに有することを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
前記導波路型光フィルタは、それぞれの検出波長に対応して複数個直列に繋げられていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
複数の計測対象を含む測定対象物をＣＡＲＳ光により計測する為に用いられる光を伝搬する光導波路に設けられる光スペクトルフィルタであって、
前記光スペクトルフィルタは、前記複数の計測対象それぞれに対応した、長手方向に対して屈折率が変化する複数種類の周期構造を有することを特徴とする光スペクトルフィルタ。
前記複数種類の周期構造は、周期、屈折率変化量の少なくとも何れかが互いに異なることを特徴とする請求項８記載の光スペクトルフィルタ。
前記複数種類の周期構造のうち少なくとも1つは、パターンの周期が徐々に変化することを特徴とする請求項８記載の光スペクトルフィルタ。
前記光スペクトルフィルタは、前記複数の計測対象それぞれの検出波長に対応して複数個設けられることを特徴とする請求項８記載の光スペクトルフィルタ。
ＣＡＲＳ光の計測スペクトルに基づいて、スペクトルフィルタを設計するステップと、
前記設計に基づいて、光導波路のパターンを加工する加工条件を決定するステップと、
前記加工条件に基づいて、短パルスレーザ光を光導波路に照射し、屈折率変化部を形成するステップと
を有することを特徴とする光スペクトルフィルタの製造方法。
前記スペクトルフィルタは複数種類あり、前記複数書類のスペクトルフィルタそれぞれに対応する前記屈折率変化部を形成することを特徴とする請求項１２記載の光スペクトルフィルタの製造方法。
前記加工条件は、前記照射光と前記導波路の相対速度、前記照射光の強度、照射時間の少なくとも何れかであることを特徴とする請求項１２記載の光スペクトルフィルタの製造方法。