JP2006229080A - 超短パルスレーザ伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 グレーティングを使用した分散補償光学系において、グレーティングからの戻り光が光源に入射することが防止できる超短パルスレーザ伝達装置を提供する。
【解決手段】 超短パルスレーザ光を出射する光源３と、超短パルスレーザ光が入射されるグレーティング１９，２１を備えたパルス分散補償器９と、を有し、パルス分散補償器９から光源３へ向かう戻り光が、光源３に入射することを防止する入射防止部５を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超短パルスレーザ伝達装置に関する。

従来、レーザ顕微鏡として、超短パルスレーザ光を観察対象の標本に照射し、標本の多光子吸収による化学反応、または、蛍光を検出する、走査型の多光子励起のレーザ顕微鏡が知られている。
多光子励起現象は、単位面積、単位時間当たりの光子密度のｎ乗（２光子励起の場合はｎ＝２、３光子励起の場合はｎ＝３）に比例した確率で発生するため、多光子励起発生のための光源には、通常、サブピコ秒オーダーの超短パルスレーザ光が用いられている。

しかし、このようなサブピコ秒オーダーのパルスレーザ光は完全な単一波長光ではなく、レーザ光のパルス幅と相関を持つ波長幅を有する。一般的に、レーザ光が光学系を通過する場合、波長が短い程媒質中での速度は遅く、波長が長い程媒質中での速度は速くなる。従って、前述の様にレーザ光が波長幅を有していると、レーザ光が光学系を通過する際、波長によって通過時間に差が生じる事となり、その結果、光学系に入射する前のレーザ光のパルス幅に対し、光学系を通過した後のレーザ光のパルス幅が広がる、いわゆる正チャープが発生する。

上述の様に、多光子励起現象は光子密度に依存するため、チャープに起因する標本面に入射するレーザ光のパルス幅の広がりによって、多光子励起現象が発生する確率を低下させる結果、得られる蛍光が暗くなってしまう問題があった。
この問題を解決する手段として、チャープを調整する手段、いわゆる分散補償光学系を用いる事が知られている。分散補償光学系としては、プリズムペア、グレーティングペア、または、これらを組み合わせた光学系で構成されたものが知られている（非特許文献１および特許文献１，２参照）。
末田正、神谷武編集「超高速エレクトロニクス」培風館、１９９１年、ｐ．２９−３４ 特開平１０−６８８８９号公報 特開平１１−２１８４９０号公報

これらの分散補償光学系は、レーザ光の長波長成分を短波長成分より遅らせる、いわゆる負チャープを発生する役目を果たし、これにより、媒質通過後の正チャープを補正している。
具体的には、分散補償光学系としてグレーティングペアを使用する場合、グレーティングペアにレーザ光が入射すると、レーザ光が入射した１枚目のグレーティングにより角度分散を持つ−１次の回折光が発生する。その−１次の回折光は、例えば１枚目のグレーティングと平行に対向配置された２枚目のグレーティングに入射する事により、１枚目のグレーティングによる角度分散が補正され、負チャープのレーザ光が形成される。

しかしながら、グレーティングペアにレーザ光が入射されると、上述の−１次の回折光の他に、それとは別次数の回折光も発生する。各次数の回折光の回折角は、入射するレーザ光の波長に応じて変化するため、上記１枚目のグレーティングに入射するレーザ光の波長によっては、回折光が入射光軸に戻ってしまう場合がある。
この回折光（戻り光）は、レーザ光を出射するレーザ発振器に入射する場合があり、かかる場合には、レーザ発振器におけるレーザ発振の不安定化に繋がり、ひいてはレーザ発振器の故障原因になるという問題があった。

近年の走査型多光子励起レーザ顕微鏡の使用においては、レーザ光の波長を変化させる要望があるため、出射するレーザ光の波長を変化させられるレーザ光源を使用することが検討されている。しかし、レーザ光の波長が変化すると、グレーティングによる回折光の出射方向が変化し、ある波長のレーザ光においては、回折光はレーザ光源に入射しなくても、他の波長のレーザ光においては回折光がレーザ光源に入射するという問題があった。
なお、出射されるレーザ光の波長はレーザ発振器内の構成を変化させることにより、可変させることができる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、グレーティングを使用して負チャープを発生する分散補償光学系において、グレーティングからの戻り光が光源に入射することが防止できる超短パルスレーザ伝達装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、超短パルスレーザ光を出射する光源と、前記超短パルスレーザ光が入射されるグレーティングを備えたパルス分散補償器と、を有し、該パルス分散補償器から前記光源へ向かう戻り光が、前記光源に入射することを防止する入射防止部を備える超短パルスレーザ伝達装置を提供する。

本発明によれば、入射防止部が備えられているため、パルス分散補償器のグレーティングから光源へ向かう戻り光が入射防止部により遮断され、光源に入射することを防止できる。そのため、超短パルスレーザを出射する光源の故障を防止することができる。
また、パルス分散補償器にはグレーティングが備えられているため、グレーティングにより超短パルスレーザ光に負チャープを発生させることができる。

また、上記発明においては、前記入射防止部が、前記光源と前記パルス分散補償器の間の光路に挿入された整流素子であることが望ましい。
本発明によれば、整流素子を光源とパルス分散補償器との間に挿入することにより、光源からパルス分散補償器へ向かう超短パルスレーザ光およびパルス分散補償器から光源へ向かう戻り光が整流素子に入射される。整流素子は、パルス分散補償器へ向かう超短パルスレーザのみを透過し、光源へ向かう戻り光を遮るため、戻り光が光源に入射することを防止できる。

さらに、上記発明においては、前記整流素子が、前記光源と前記パルス分散補償器の間の光路に挿入されたアイソレータであることが望ましい。
本発明によれば、アイソレータを光源とパルス分散補償器との間に挿入することにより、パルス分散補償器へ向かう超短パルスレーザ光のみが透過され、光源へ向かう戻り光が遮られるため、戻り光が光源に入射することを防止できる。
具体的には、光源側からアイソレータに入射された互いに直交する一方の直線偏光は、他方の直線偏光に偏光されてパルス分散補償器側へ出射される。パルス分散補償器側からアイソレータに入射された他方の直線偏光は、アイソレータにより光源に入射することが防止される。

上記発明においては、前記整流素子が、前記光源と前記パルス分散補償器の間の光路に挿入され互いに直交する直線偏光のうちの一方の直線偏光のみを透過する偏光素子とλ／４板とを有し、
前記偏光素子が、前記λ／４板の前記光源側に配置されていることが望ましい。
本発明によれば、偏光素子とλ／４板とを光源とパルス分散補償器との間に挿入することにより、パルス分散補償器へ向かう超短パルスレーザ光のみを透過し、光源へ向かう戻り光を遮るため、戻り光が光源に入射することを防止できる。
具体的には、偏光素子を透過した一方の直線偏光は、λ／４板の順に透過して一方回りの円偏光に偏光されて出射される。光源へ向かう戻り光は、反射により他方回りの円偏光に偏光され、λ／４板を透過する際に他方の直線偏光に偏光される。他方の直線偏光は偏光素子により、光源に入射することが防止される。

上記発明においては、前記入射防止部が、前記グレーティングを、入射する超短パルスレーザの光軸に対して傾けて配置することにより構成されていることが望ましい。
本発明によれば、前記入射防止部が、グレーティングを入射する超短パルスレーザの光軸に対して傾けて配置することにより構成されているため、グレーティングの回折光が上記光軸と同軸方向であって光源に向けて出射されることを防止できる。そのため、パルス分散補償器から光源へ向かう戻り光（回折光）が、光源に入射することを防止できる。

上記発明においては、前記入射防止部が、前記グレーティングを、前記光源から出射された超短パルスレーザの光軸を含み、かつ前記グレーティングに対して略垂直な面と前記グレーティングの面との交線と略平行な回転軸回りに回転可能に配置することにより構成されていることが望ましい。
本発明によれば、グレーティングを上記回転軸回りに回転させ傾けることにより、グレーティングから光源に向かう戻り光（回折光）の光軸の向きを変更させることができる。そのため、パルス分散補償器から光源へ向かう戻り光（回折光）が、光源に入射することを防止できる。

上記発明においては、前記入射防止部が、前記グレーティングを、前記グレーティングに入射される超短パルスレーザ光の光軸に対して略垂直な面と前記グレーティングの面との交線と略平行な回転軸回りに回転可能に配置することにより構成されていることが望ましい。
本発明によれば、グレーティングを上記回転軸回りに回転させ傾けることにより、グレーティングから光源に向かう戻り光（回折光）の光軸の向きを変更させることができる。そのため、パルス分散補償器から光源へ向かう戻り光（回折光）が、光源に入射することを防止できる。

上記発明においては前記入射防止部が、前記グレーティングのレーザ光入射面に複数本形成された溝の間隔を、以下の関係式を満たすように形成してなることが望ましい。
ｄ ＜ ｍλ／（２ｓｉｎα），
ｍ＝−２，または、ｍ＝２ ・・・（１）
ここで、dは前記グレーティングの溝間隔、mは次数（整数）、λは前記超短パルスレーザ光の波長、αは前記超短パルスレーザ光の前記グレーティングへの入射角である。

本発明によれば、グレーティングに形成された溝の本数が上記関係式（１）を満たしているため、グレーティングにより回折された多くの回折光の内、±２次以上の次数を持つ回折光（戻り光）が光源へ向かって進み、光源に入射することを防止できる。

本発明の超短パルスレーザ伝達装置によれば、入射防止部が備えられているため、パルス分散補償器から光源へ向かう戻り光が入射防止部により遮断され、光源に入射することを防止できるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明における超短パルスレーザ伝達装置に係る第１の実施形態について図１を参照して説明する。ここでは、本発明の超短パルスレーザ伝達装置を多光子励起走査型顕微鏡に用いる例に適用して説明する。
図１は、本実施形態における超短パルスレーザ伝達装置の概略構成を説明する全体図である。
なお、図１中のＺ軸は、超短パルスレーザ光の出射光軸と平行な軸であって、超短パルスレーザ光の出射方向（図１中右方向）が正方向となる軸であり、Ｘ軸は、紙面に含まれると共にＺ軸に対して垂直な軸であって、図１中の上方向が正方向となる軸であり、Ｙ軸はＺ−Ｘ平面に対して垂直な軸であって、手前方向が正方向となる軸である。

超短パルスレーザ伝達装置１は、図１に示すように、超短パルスレーザ光を出射する超短パルスレーザ光源（光源）３と、超短パルスレーザ光源３の下流側に配置されたアイソレータ（入射防止部、整流素子）５と、アイソレータ５の下流側に配置されたλ／２板７と、λ／２板７の下流側に配置された分散補償光学系（パルス分散補償器）９と、分散補償光学系９の下流側に配置された光軸調整光学系１１と、光軸調整光学系１１の下流側に配置された出力調整光学系１３およびビーム整形光学系１５と、から概略構成されている。また、超短パルスレーザ伝達装置１から出射された超短パルスレーザ光が導かれる多光子顕微鏡１７が配置されている。

超短パルスレーザ光源３としては、例えば、波長が約７００ｎｍから１０００ｎｍのＳ偏光（一方の直線偏光）の超短パルスレーザ光を発振するパルスレーザ発振器を用いることができ、より具体的には、モードロック型チタンサファイヤレーザを用いることができる。
アイソレータ２は、ファラデーローテータ（図示せず）とλ／４板（図示せず）を含む光学素子で構成されている。また、アイソレータ２は、超短パルスレーザ光源３側から入射されたＳ偏光をＰ偏光に偏光して分散補償光学系９側に出射し、分散補償光学系９側から入射される光は透過しないように構成されている。

分散補償光学系９は、Ｙ−Ｚ平面をＹ軸回り正方向に所定角度回転させた平面と略平行に配置された第１のグレーティング（グレーティング）１９と、第２のグレーティング（グレーティング）２１とから概略構成されている。
第１のグレーティング１９は、超短パルスレーザ光源３から出射された超短パルスレーザ光の入射角αが所定の角度となるように配置され、第２のグレーティング２１は、第１のグレーティング１９および第２のグレーティング２１に対する垂直方向へ平行移動可能に配置されている。
また、第１のグレーティング１９および第２のグレーティング２１は、Ｓ偏光配置に置かれている。

光軸調整光学系１１は、Ｙ−Ｚ平面をＹ軸回りに−４５°回転させた面と略平行に配置された第１の４５度全反射ミラー２３を備え、第１の４５度全反射ミラー２３は＋Ｚ軸方向に進む光を−Ｘ軸方向へ反射するように配置されている。また、第１の４５度全反射ミラー２３は、Ｘ軸方向へ平行移動可能に配置されている。
出力調整光学系１３としては、ＡＯＴＦ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｆｉｌｔｅｒ）や、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）等の音響光学素子や、電気光学素子、回転機構の付いた直線偏光板、減光率を制御できるＮＤフィルタ、絞り径を制御できる可変絞り等を用いることができる。
ビーム整形光学系１５には、ビームエクスパンダや、空間フィルタ等を用いることができる。

次に、上記の構成からなる超短パルスレーザ伝達装置１における作用について説明する。
まず、超短パルスレーザ光源３から、例えば、波長が約７００ｎｍから１０００ｎｍのＳ偏光の超短パルスレーザ光が出射される。Ｓ偏光の超短パルスレーザ光は、アイソレータ５によりＰ偏光に偏光されλ／２板７に向けて出射される。Ｐ偏光に変換された極短パルスレーザ光は、λ／２板７を通過する際にＳ偏光に偏光され、分散補償光学系９に向けて出射される。

分散補償光学系９に入射したＳ偏光の超短パルスレーザ光は、第１のグレーティング１９に入射する。第１のグレーティング１９に入射した超短パルスレーザ光は多くの次数に回折され、複数の回折光として出射される。
例えば、波長７００ｎｍの超短パルスレーザ光が入射角−６０°で、溝間隔１．６６７μｍを持つ第１のグレーティング１９に入射した場合、０次、−１次、−２次、−３次、−４次の回折光が発生する。

前記の第１のグレーティング１９に波長７２０ｎｍの光が入射した場合には、これらの回折光の内、−４次の回折光と第１のグレーティング１９の法線とのなす角と、超短パルスレーザ光の第１のグレーティング１９への入射角αとが近くなる。そのため、−４次の回折光は入射する超短パルスレーザ光の光軸とほぼ同軸で超短パルスレーザ光源３方向に進む戻り光となる。
あるいは、波長９６０ｎｍの光が入射した場合には、−３次の回折光と第１のグレーティング１９の法線とのなす角と、超短パルスレーザ光の第１のグレーティング１９への入射角αとが近くなる。そのため、−３次の回折光は入射する超短パルスレーザ光の光軸とほぼ同軸で超短パルスレーザ光源３方向に進む戻り光となる。

超短パルスレーザ光源３方向に進む戻り光は、λ／２板７に入射してＳ偏光からＰ偏光に偏光され、アイソレータ５に入射する。アイソレータ５は分散補償光学系９側から入射されたＰ偏光を透過せず除去するため、戻り光は超短パルスレーザ光源３まで到達しない。

第１のグレーティング１９により回折された複数の回折光の内、−１次の回折光は、第１のグレーティング１９に対して平行に配置された第２のグレーティング２１へ入射される。
第２のグレーティング２１に入射した−１次の回折光は、多くの次数に回折され、複数の回折光として出射される。第２のグレーティング２１により回折された−１次の回折光は、第１のグレーティング１９に入射する超短パルスレーザ光の光軸と平行方向に進み、負チャープを形成する。また、負チャープを形成する事で、パルス幅は伸長されている。

第２のグレーティング２１から出射された−１次の回折光であるレーザ光は、光軸調整光学系７内の第１の４５度全反射ミラー２３に入射し、−Ｘ軸方向へ向けて反射される。
第１の４５度全反射ミラー２３に反射されたレーザ光は、出力調整光学系１３に入射され、適正な出力に調整される。
出力調整光学系１３から出射されたレーザ光はビーム整形光学系１５に入射され、ビーム整形光学系１５において適正なビーム径、ビームダイバージェンスに補正される。そして最後に、ビーム整形光学系１５から出射されたレーザ光は、多光子顕微鏡１７に導入される。

上記の構成によれば、アイソレータ５を、超短パルスレーザ光源３と分散補償光学系９との間に挿入することにより、分散補償光学系９へ向かう超短パルスレーザ光のみが透過され、超短パルスレーザ光源３へ向かう戻り光が遮られるため、戻り光が超短パルスレーザ光源３に入射することを防止できる。

分散補償光学系９により負チャープを持つレーザ光を形成することで、パルスレーザ光が出力調整光学系１３、ビーム整形光学系１５および多光子顕微鏡１７の媒質を通過する際に発生する正チャープを補正できる。そのため、分散補償光学系４により伸長されたパルスレーザ光のパルス幅は正チャープにより圧縮され、多光子顕微鏡１７の標本到達時には超短パルスレーザ光となる。

また、分散補償光学系９の第２のグレーティング２１をその光入射面に対して略垂直方向に平行移動すると、第１のグレーティング１９と第２のグレーティング２１との間の光路長が変更され、分散補償光学系９から出射されるパルスレーザ光の負チャープの形成量が変更される。
そのため、第２のグレーティング２１の位置を制御することにより、分散補償光学系９によるパルスレーザ光の負チャープの形成量を制御できる。

なお、上述のように、第２のグレーティング２１がその略垂直方向に平行移動されると、第２のグレーティング２１から出射される−１次の回折光もＸ軸方向に移動する。
このとき同時に、光軸調整光学系１１の第１の４５度全反射ミラー２３は、この−１次の回折光の移動に応じてＸ軸方向に移動されるため、−１次の回折光は常に第１の４５度全反射ミラー２３の所定位置に入射されて、−Ｘ軸方向に反射される。その結果、分散補償光学系９から出射されるレーザ光の光軸の変位を補正し、光軸調整光学系１１から出射されるパルスレーザ光の光軸を常に同軸に保つことができる。

また、上述のように、第１のグレーティング５と第２のグレーティング６の間の光路長を変更した場合だけでなく、超短パルスレーザ光源３から出射されるレーザ光の波長が変わった場合にも、−１次の回折光が出射する方向が変化するため、分散補償光学系９から出射されるレーザ光の光軸がＸ軸方向に変位する。
かかる場合にも、光軸調整光学系１１から出射されるパルスレーザ光の光軸を常に同軸に保つことができる。

なお、上述のように、アイソレータ５と分散補償光学系９との間にλ／２板７を配置して、アイソレータ５から出射されたＰ偏光の光をλ／２板７によりＳ偏光に偏光してもよいし、λ／２板７の代わりに、４５度全反射ミラーを２枚配置することによりＰ偏光をＳ偏光に変換してもよい。
あるいは、上述のλ／２板７や４５度全反射ミラーを使用せずに、アイソレータ５から出射されたＰ偏光の光を、そのままＰ偏光配置に置かれた第１のグレーティング１９、および、第２のグレーティング２１に入射させてもよい。

また、上述のように、λ／２板７をアイソレータ２と第１のグレーティング５の間の光路に配置してもよいし、λ／２板７を超短パルスレーザ光源３とアイソレータ５の間の光路に配置するとともに、アイソレータ５を光路軸周りに９０度回転させてもよい。このように配置することにより、アイソレータ５から出射される光はＳ偏光となり、そのままＳ偏光配置の第１のグレーティング１９に入射させることが出来る。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図２を参照して説明する。
図２は、本実施形態における超短パルスレーザ伝達装置の概略構成を説明する全体図である。
本実施形態の超短パルスレーザ伝達装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、超短パルスレーザ光源と分散補償光学系との間に配置される構成要素が異なっている。よって、本実施形態においては、超短パルスレーザ光源と分散補償光学系との間に配置される構成要素のみを説明し、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

超短パルスレーザ伝達装置５１は、図２に示すように、超短パルスレーザ光を出射する超短パルスレーザ光源３と、超短パルスレーザ光源３の下流側に配置された偏光ビームスプリッタ（入射防止部、偏光素子）５５と、偏光ビームスプリッタ５５の下流側に配置されたλ／４板（入射防止部）５７と、λ／４板５７の下流側に配置された分散補償光学系９と、分散補償光学系９の下流側に配置された光軸調整光学系１１と、光軸調整光学系１１の下流側に配置された出力調整光学系１３およびビーム整形光学系１５と、から概略構成されている。また、超短パルスレーザ伝達装置５１から出射された超短パルスレーザ光が導かれる多光子顕微鏡１７が配置されている。

偏光ビームスプリッタ５５は、Ｓ偏光の光を透過するとともにＰ偏光の光を反射する偏光反射面５６を備え、偏光反射面５６は、Ｙ−Ｚ平面をＹ軸回りに−４５度回転させた面と略平行に配置されている。そのため、−Ｚ軸方向に進むＰ偏光が偏光ビームスプリッタ５５に入射すると、偏光反射面５６により＋Ｘ軸方向へ向けて反射される。
なお、偏光ビームスプリッタ５５代わりに、偏光フィルタや音響光学素子などの素子を用いてもよい。

次に、上記の構成からなる超短パルスレーザ伝達装置５１における作用について説明する。
まず、超短パルスレーザ光源３から出射されたＳ偏光の超短パルスレーザ光は、偏光ビームスプリッタ５５に入射する。Ｓ偏光の超短パルスレーザ光はそのまま偏光ビームスプリッタ５５を透過して、λ／４板５７に向けて出射される。λ／４板５７に入射したＳ偏光は、一方向回りの円偏光、例えば右回りの円偏光に偏光され、分散補償光学系９に向けて出射される。

分散補償光学系９に入射した右回りの円偏光の超短パルスレーザ光は、第１のグレーティング１９に入射する。第１のグレーティング１９に入射した超短パルスレーザ光は多くの次数に回折され、複数の回折光として出射される。
その内の所定次数の回折光が、所定波長のレーザ光の条件の下で、入射する超短パルスレーザ光の光軸とほぼ同軸で超短パルスレーザ光源３方向に進む戻り光となる。

超短パルスレーザ光源３方向に進む戻り光は、第１のグレーティング１９において回折された際に、他方向回りの円偏光、例えば左回りの円偏光となる。この左回りの円偏光である戻り光はλ／４板５７に入射され、Ｐ偏光に偏光されて偏光ビームスプリッタ５５に向けて出射される。
Ｐ偏光に偏光された戻り光は偏光ビームスプリッタ５５に入射され、偏光反射面５６により＋Ｘ軸方向に反射されて超短パルスレーザ光源３の出射光軸から除去される。
以後の分散補償光学系９より下流側の光学系の作用については、第１の実施形態(図１参照)と同じであるため、図２にその構成を示して説明を省略する。

上記の構成によれば、偏光ビームスプリッタ５５とλ／４板５７とを光源と分散補償光学系９との間に挿入することにより、分散補償光学系９へ向かう超短パルスレーザ光のみを透過し、超短パルスレーザ光源３へ向かう戻り光を遮るため、戻り光が超短パルスレーザ光源３に入射することを防止できる。

なお、上述のように、超短パルスレーザ光源３とλ／４板５７の間に偏光ビームスプリッタ５５を配置してＰ偏光を除去してもよいし、偏光ビームスプリッタ５５を配置する代わりに、超短パルスレーザ光源３の内部にＳ偏光以外の偏光（例えばＰ偏光）の光を除去する光学系を配置してもよい。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図３から図５を参照して説明する。
図３は、本実施形態における超短パルスレーザ伝達装置の概略構成を説明する全体平面図である。図４は、図３の光軸調整光学系の構成を説明する側面図であり、図５は、図３の光軸調整光学系の構成を説明する正面図である。
本実施形態の超短パルスレーザ伝達装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、超短パルスレーザ光源と出力調整光学系との間に配置される構成要素が異なっている。よって、本実施形態においては、図３から図５を用いて超短パルスレーザ光源と出力調整光学系との間に配置される構成要素のみを説明し、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

超短パルスレーザ伝達装置１０１は、図３に示すように、超短パルスレーザ光を出射する超短パルスレーザ光源３と、超短パルスレーザ光源３の下流側に配置された分散補償光学系（パルス分散補償器）１０９と、分散補償光学系１０９の下流側に配置された光軸調整光学系１１１と、光軸調整光学系１１１の下流側に配置された出力調整光学系１３およびビーム整形光学系１５と、から概略構成されている。また、超短パルスレーザ伝達装置１０１から出射された超短パルスレーザ光が導かれる多光子顕微鏡１７が配置されている。

分散補償光学系１０９は、第１のグレーティング（グレーティング）１１９と、第１のグレーティング１９に対して略平行に配置された第２のグレーティング（グレーティング）１２１とから概略構成されている。
第１のグレーティング１１９および第２のグレーティング１２１は、Ｙ−Ｚ平面をＹ軸回り正方向に所定角度回転させた平面を、その平面とＺ−Ｘ平面との交線と略平行な回転軸Ｐ１回りに所定角度回転させた平面と略平行に配置されている。

第１のグレーティング１１９および第２のグレーティング１２１のレーザ光入射面（回折面）には、Ｚ軸に対して略垂直方向に延びる溝１２０が形成されている。
第１のグレーティング１１９および第２のグレーティング１２１は、言い換えると、Ｙ−Ｚ平面をＹ軸回り正方向に所定角度回転させた平面に対して略平行に配置された状態（第１および第２の実施形態における配置状態）から、溝１２０に対して略垂直な回転軸Ｐ１回りに所定角度回転された状態で配置されている。

また、第２のグレーティング１２１は、第１および第２の実施形態の第２のグレーティング２１と同様に、その光入射面に対して略垂直方向に平行移動可能に配置され、第２のグレーティング１２１の平行移動により分散補償光学系１０９によるパルスレーザ光の負チャープの形成量を制御するように構成されている。

光軸調整光学系１１１は、図３から図５に示すように、第１の４５度全反射ミラー１２３、第２の４５度全反射ミラー１２５、および、第３の４５度全反射ミラー１２７とから概略構成されている。
第１の４５度全反射ミラー１２３は、Ｘ−Ｙ平面をＹ軸回りに＋４５度回転させた平面と略平行に配置され、＋Ｚ軸方向に進む光を−Ｘ軸方向に反射するように配置された全反射ミラーである。また、第１の４５度全反射ミラー１２３は、Ｘ軸方向に平行移動可能に配置されている。
第２の４５度全反射ミラー１２５は、Ｙ−Ｚ平面をＺ軸回りに＋４５度回転させた平面と略平行に配置され、−Ｘ軸方向に進む光を＋Ｙ軸方向に反射するように配置された全反射ミラーである。また、第２の４５度全反射ミラー１２５は、Ｘ軸方向に平行移動可能に配置されている。
第３の４５度全反射ミラー１２７は、Ｘ−Ｙ平面をＸ軸回りに＋４５度回転させた平面と略平行に配置され、＋Ｙ軸方向に進む光を＋Ｚ軸方向に反射するように配置された全反射ミラーである。

次に、上記の構成からなる超短パルスレーザ伝達装置１０１における作用について説明する。
まず、超短パルスレーザ光源３から出射されたＳ偏光の超短パルスレーザ光は、分散補償光学系１０９の第１のグレーティング１１９に入射する。第１のグレーティング１１９は、回転軸Ｐ１回りに所定角度回転され傾いた状態に配置されているため、第１のグレーティング１１９から出射される各次数の回折光の光軸は、Ｚ−Ｘ平面に平行な面であって第１のグレーティング１１９に入射する超短パルスレーザ光の光軸を含む平面から外れる。
つまり、各次数の回折光は、第１のグレーティング１１９からＺ−Ｘ平面に対して所定の角度で交差する方向に出射される。なお、本実施形態においては、各次数の回折光が＋Ｙ軸方向に出射されている例に適用して説明する。
そのため、各次数の回折光のいずれかがＺ軸に略平行かつ−Ｚ軸方向に進むことがなくなり、超短パルスレーザ光源３に入射することを防止できる。

例えば、本実施形態を、超短パルスレーザ光源３の出射口径が直径５ミリメートル、超短パルスレーザ光源３と第１のグレーティング１１９との間の光路長が１メートルの場合に適用して説明すると、第１のグレーティング１１９からの戻り光の光軸が、超短パルスレーザ光源３の出射光軸に対して０．１４°以上の交差角を有していれば、戻り光は超短パルスレーザ光源３の出射口に入射しない。
したがって、かかる場合において、第１のグレーティング１１９は、−１次以外の次数の回折光（戻り光となる回折光）の回折角が超短パルスレーザ光源３の出射光軸に対して０．１４°以上の交差角を有するように、回転軸Ｐ１回りに回転配置されている。
なお、これらの値は、上述の値に限定されるものではなく、個々の実施形態によって異なる値を取りうるものである。

第１のグレーティング１１９により回折された多くの次数の光の内、−１次の回折光は、第２のグレーティング１２１へ入射され、第２のグレーティング１２１により更に回折される。
第２のグレーティング１２１の回折光の内の−１次の回折光は、第１のグレーティング１１９に入射するレーザ光の光軸と平行方向（Ｚ軸と平行方向）に進み、光軸調整光学系１１１に入射される。

光軸調整光学系１１１に入射されたレーザ光は、図３および図５に示すように、第１の４５度全反射ミラー１２３に入射され、−Ｘ軸方向に向けて反射され第２の４５度全反射ミラー１２５に入射される。第２の４５度全反射ミラー１２５に入射されたレーザ光は、図４および図５に示すように、＋Ｙ軸方向に向けて反射され第３の４５度全反射ミラー１０に入射される。第３の４５度全反射ミラー１０に入射されたレーザ光は、図３および図４に示すように、＋Ｚ軸方向に向けて反射され出力調整光学系１３に向けて出射される。

ここで、パルスレーザ光の負チャープの形成量を制御（変更）するために、第２のグレーティング１２１が、例えば、第１のグレーティング１１９から離れる方向に平行移動されると、図３および図４中の点線で示すように、第２のグレーティング１２１から出射される−１次の回折光の光軸が＋Ｘ軸方向に平行移動するとともに、＋Ｙ軸方向に平行移動する。

かかる場合には、第１の４５度全反射ミラー１２３が、図３および図５に示すように、第２のグレーティング１２１の移動量に応じて＋Ｘ軸方向に移動され、上記回折光の光軸の＋Ｘ軸方向への平行移動が吸収されるとともに、第１の４５度全反射ミラー１２３から−Ｘ軸方向に出射されるレーザ光の光軸のＺ軸方向への平行移動が防止される。

第２の４５度全反射ミラー１２５に入射されるレーザ光の光軸は、図４および図５に示すように、上記回折光の光軸の＋Ｙ軸方向への平行移動のため、＋Ｙ軸方向に平行移動している。第２の４５度全反射ミラー１２５は、第２のグレーティング１２１の移動量に応じて＋Ｘ軸方向に移動され、上記回折光の光軸の＋Ｙ軸方向への平行移動が吸収されるとともに、第２の４５度全反射ミラー１２５から＋Ｙ軸方向に出射されるレーザ光の光軸のＸ軸方向への平行移動が防止される。

以後の光軸調整光学系１１１より下流側の光学系の作用については、第１の実施形態(図１参照)と同じであるため、図３および図４にその構成を示して説明を省略する。

上記の構成によれば、第１のグレーティング１１９および第２のグレーティング１２１を回転軸Ｐ１回りに回転させて傾けることにより、第１のグレーティング１１９から超短パルスレーザ光源３に向かう戻り光（回折光）の光軸の向きを変更させることができる。そのため、分散補償光学系１０９から超短パルスレーザ光源３へ向かう戻り光（回折光）が、超短パルスレーザ光源３に入射することを防止できる。

なお、上述のように、第１のグレーティング１１９および第２のグレーティング１２１を、それぞれ個々に回転軸Ｐ１回りに回転させ傾けて配置してもよいし、第１のグレーティング１１９および第２のグレーティング１２１を、一体に回転軸Ｐ１回りに回転させ傾けて配置してもよく、同様の効果が得られる。

なお、上述のように光軸調整光学系１１１を３枚の４５度全反射ミラー１２３，１２５，１２７から構成してもよいし、２枚の全反射ミラーから構成してもよいし、その他の光学素子を用いてもよい。分散補償光学系１０９から出射されるレーザ光の移動を吸収し、多光子顕微鏡１７の所定位置に向けてレーザ光を出射できる光学系であればよく、特に限定するものでない。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について図６を参照して説明する。
図６は、本実施形態における超短パルスレーザ伝達装置の概略構成を説明する全体平面図である。
本実施形態の超短パルスレーザ伝達装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、超短パルスレーザ光源と出力調整光学系との間に配置される構成要素が異なっている。よって、本実施形態においては、図６を用いて超短パルスレーザ光源と出力調整光学系との間に配置される構成要素のみを説明し、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

超短パルスレーザ伝達装置１５１は、図６に示すように、超短パルスレーザ光を出射する超短パルスレーザ光源３と、超短パルスレーザ光源３の下流側に配置された分散補償光学系（パルス分散補償器）１５９と、分散補償光学系１５９の下流側に配置された光軸調整光学系１１と、光軸調整光学系１１の下流側に配置された出力調整光学系１３およびビーム整形光学系１５と、から概略構成されている。また、超短パルスレーザ伝達装置１５１から出射された超短パルスレーザ光が導かれる多光子顕微鏡１７が配置されている。

分散補償光学系１５９は、第１のグレーティング（グレーティング）１６９と、第１のグレーティング１９に対して平行に配置された第２のグレーティング（グレーティング）１７１とから概略構成されている。
第１のグレーティング１６９および第２のグレーティング１７１は、Ｙ−Ｚ平面をＹ軸回り正方向に所定角度回転させた平面と平行に配置され、Ｙ軸と平行であって、第１のグレーティング１６９および第２のグレーティング１７１の中心を通過する回転軸Ｐ２回りに回転自在に配置されている。

次に、上記の構成からなる超短パルスレーザ伝達装置１５１における作用について説明する。
まず、超短パルスレーザ光源３から出射されたＳ偏光の超短パルスレーザ光は、分散補償光学系１５９の第１のグレーティング１６９に入射する。第１のグレーティング１６９に入射されたレーザ光は多くの次数に回折され、その内の−１次の回折光は第１のグレーティング１６９の回折面と平行を成す様に傾けて配置された第２のグレーティング１７１へ入射する。
第２のグレーティング１７１に入射されたレーザ光は更に回折され、複数の回折光の内の−１次の回折光は、第１のグレーティング１６９に入射するレーザ光の光軸と平行方向（Ｚ軸と平行方向）に進み、光軸調整光学系１１に入射される。

以後の分散補償光学系１５９より下流側の光学系の作用については、第１の実施形態(図１参照)と同じであるため、図６にその構成を示して説明を省略する。

ここで、後述する条件を満たす場合には、他の次数の回折光のうちの所定次数の回折光が超短パルスレーザ光源３の出射光軸とほぼ同軸で−Ｚ方向に進むため、第１のグレーティング１６９の回転軸Ｐ２回りに回転させて傾け、上記所定次数の回折光の光軸を超短パルスレーザ光源３の出射光軸からずらす。

この時、第１のグレーティング１６９から第２のグレーティング１７１へ入射する−１次の回折光の入射角も変化する。そのため、第２のグレーティング１７１も同時に回転軸Ｐ２回りに回転させて傾け、第２のグレーティング１７１から出射される−１次の回折光の光軸をＺ軸に対して略平行に保っている。
第２のグレーティング１７１から出射される−１次の回折光はＺ軸に対して略平行に保たれているが、Ｘ軸方向に平行移動する。そのため、第１の実施形態と同様に、第１の４５度全反射ミラー２３をＸ軸方向に移動させることで、光軸の移動を補正している。

前述の所定次数の回折光が超短パルスレーザ光源３の出射光軸とほぼ同軸で−Ｚ方向に進む条件とは、以下の各パラメータが関係式（２）を満たす条件である。
λ＝（２ｄ・ｓｉｎα）／ｍ ・・・（２）
ただし、ｄは第１のグレーティング１６９の溝間隔、ｍは回折光の次数（整数）、λはグレーティング１６９に入射するレーザ光の波長、αは第１のグレーティング１６９へ入射するレーザ光の入射角である。

また、超短パルスレーザ光源３から出射される超短パルスレーザ光の波長λは、多光子顕微鏡１７による測定要求に応じて変更されるため、波長λが変更されるたびに上述の各パラメータが関係式（２）を満たすか否か確認される。

上記の構成によれば、第１のグレーティング１６９を回転軸Ｐ２回りに回転させ傾けることにより、第１のグレーティング１６９から超短パルスレーザ光源３に向かう戻り光（回折光）の光軸の向きを変更させることができる。そのため、分散補償光学系１５９から超短パルスレーザ光源３へ向かう戻り光（回折光）が、超短パルスレーザ光源３に入射することを防止できる。

なお、上述のように、第１のグレーティング１６９および第２のグレーティング１７１を、それぞれ個々に、回転軸Ｐ２回りに回転自在に配置してもよいし、第１のグレーティング１６９および第２のグレーティング１７１を、一体として、第１のグレーティング１６９の回転軸Ｐ２回りに回転自在に配置してもよく、同様の効果が得られる。

〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態について図７を参照して説明する。
図７は、本実施形態における超短パルスレーザ伝達装置の概略構成を説明する全体平面図である。
本実施形態の超短パルスレーザ伝達装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、超短パルスレーザ光源と光軸調整光学系との間に配置される構成要素が異なっている。よって、本実施形態においては、図７を用いて超短パルスレーザ光源と光軸調整光学系との間に配置される構成要素のみを説明し、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

超短パルスレーザ伝達装置２０１は、図７に示すように、超短パルスレーザ光を出射する超短パルスレーザ光源３と、超短パルスレーザ光源３の下流側に配置された分散補償光学系（パルス分散補償器）２０９と、分散補償光学系２０９の下流側に配置された光軸調整光学系１１と、光軸調整光学系１１の下流側に配置された出力調整光学系１３およびビーム整形光学系１５と、から概略構成されている。

分散補償光学系２０９は、第１のグレーティング（グレーティング）２１９と、第１のグレーティング２１９に対して平行に配置された第２のグレーティング（グレーティング）２２１とから概略構成され、第１のグレーティング２１９および第２のグレーティング２２１は、Ｙ−Ｚ平面をＹ軸回り正方向に所定角度回転させた平面と平行に配置されている。

また、第１のグレーティング２１９および第２のグレーティング２２１のレーザ光入射面には、以下の関係式を満たす本数の溝（図示せず）が形成されている。
ｄ ＜ ｍλ／（２ｓｉｎα） ｍ＝−２、または、ｍ＝２ ・・・（１）
ただし、ｄはグレーティング２１９，２２１の溝間隔、ｍは回折光の次数（整数）、λはグレーティング２１９，２２１に入射するレーザ光の波長、αはグレーティング２１９，２２１へ入射するレーザ光の入射角である。

次に、上記の構成からなる超短パルスレーザ伝達装置２０１における作用について説明する。
まず、超短パルスレーザ光源３から出射されたＳ偏光の超短パルスレーザ光は、分散補償光学系２０９の第１のグレーティング２１９に入射する。第１のグレーティング２１９に入射されたレーザ光は多くの次数に回折され、−１次の回折光は第２のグレーティング２２１に向けて出射される。
第２のグレーティング２２１に入射されたレーザ光は更に回折され、複数の回折光の内の−１次の回折光は、第１のグレーティング２１９に入射するレーザ光の光軸と平行方向（Ｚ軸と平行方向）に進み、光軸調整光学系１１に入射される。

また、第１のグレーティング２１９により回折された多くの回折光の内、±２次以上の次数を持つ回折光は、第１のグレーティング２１９に形成された溝の本数が関係式（１）を満たしているため、超短パルスレーザ光源３の出射光軸とほぼ同軸で−Ｚ方向に進むことが防止される。

例えば、超短パルスレーザ光源３から出射される超短パルスレーザ光の波長が７００ｎｍであって、第１のグレーティング２１９への入射角が−６０°とした場合には、関係式（１）を満たす溝間隔dは、０．８０８μｍと算出される。

上記の構成によれば、第１のグレーティング２１９に形成された溝の本数が上記関係式（１）を満たしているため、第１のグレーティング２１９により回折された多くの回折光の内、±２次以上の次数を持つ回折光（戻り光）が超短パルスレーザ光源３へ向かって進み、超短パルスレーザ光源３に入射することを防止できる。

なお、上述のように、超短パルスレーザ伝達装置２０１として、超短パルスレーザ光源３、分散補償光学系２０９、光軸調整光学系１１、出力調整光学系１３、ビーム整形光学系１５および多光子顕微鏡１７のみから構成されていてもよいし、超短パルスレーザ光源３と多光子顕微鏡１７の間の光路に、正チャープを生じる光学系を配置してもよい。
当該光学系を配置することにより、例えば、関係式（１）を満たす溝本数を有する第１のグレーティング２１９および第２のグレーティング２２１による負チャープが、多光子顕微鏡１３内の標本面での正チャープを除去する以上に補償し過ぎる場合、当該光学系により補償量を調整することができる。当該光学系としては、ガラス材、プラスチック材、半導体結晶等の光学素子、音響光学素子、電気光学素子、シングルモードファイバ等の光学デバイス、グレーティングペア、プリズムペアを含むパルス分散補償器等を例示できる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、分散補償光学系として２枚のグレーティングを用いてレーザ光を２回回折して負チャープを形成する実施形態に適用して説明したが、２枚のグレーティングを用いた分散補償光学系に限られることなく、グレーティング１枚と全反射ミラー２枚を用いてレーザ光を２回回折させて負チャープを形成する分散補償光学系や、グレーティング１枚と全反射ミラー４枚、または、グレーティング２枚と全反射ミラー１枚、または、グレーティング４枚を用いてレーザを４回回折させて負チャープを形成する分散補償光学系などに適用することもできる。
また、分散補償光学系として、グレーティングペアおよびプリズムペアを組み合わせたものに適用することもできる。

本発明に係る超短パルスレーザ伝達装置の第１の実施形態概略構成を説明する全体図である。 本発明に係る超短パルスレーザ伝達装置の第２の実施形態概略構成を説明する全体図である。 本発明に係る超短パルスレーザ伝達装置の第３の実施形態概略構成を説明する全体図である。 図３の光軸調整光学系の構成を説明する側面図である。 図３の光軸調整光学系の構成を説明する正面図である。 本発明に係る超短パルスレーザ伝達装置の第４の実施形態概略構成を説明する全体図である。 本発明に係る超短パルスレーザ伝達装置の第５の実施形態概略構成を説明する全体図である。

符号の説明

１，５１，１０１，１５１，２０１ 超短パルスレーザ伝達装置
３ 超短パルスレーザ光源（光源）
５ アイソレータ（入射防止部、整流素子）
９，１０９，１５９，２０９ 分散補償光学系（パルス分散補償器）
１９，１１９，１６９，２１９ 第１のグレーティング（グレーティング）
２１，１２１，１７１，２２１ 第２のグレーティング（グレーティング）
５５ 偏光ビームスプリッタ（入射防止部、偏光素子）
５７ λ／４板（入射防止部）
Ｐ１，Ｐ２ 回転軸

Claims (8)

1. 超短パルスレーザ光を出射する光源と、
   前記超短パルスレーザ光が入射されるグレーティングを備えたパルス分散補償器と、
   を有し、
   該パルス分散補償器から前記光源へ向かう戻り光が、前記光源に入射することを防止する入射防止部を備える超短パルスレーザ伝達装置。
2. 前記入射防止部が、前記光源と前記パルス分散補償器の間の光路に挿入された整流素子である請求項１記載の超短パルスレーザ伝達装置。
3. 前記整流素子が、前記光源と前記パルス分散補償器の間の光路に挿入されたアイソレータである請求項２記載の超短パルスレーザ伝達装置。
4. 前記整流素子が、前記光源と前記パルス分散補償器の間の光路に挿入され互いに直交する直線偏光のうちの一方の直線偏光のみを透過する偏光素子とλ／４板とを有し、
   前記偏光素子が、前記λ／４板の前記光源側に配置されている請求項２記載の超短パルスレーザ伝達装置。
5. 前記入射防止部が、前記グレーティングを、入射する超短パルスレーザの光軸に対して傾けて配置することにより構成されている請求項１記載の超短パルスレーザ伝達装置。
6. 前記入射防止部が、前記グレーティングを、前記光源から出射された超短パルスレーザの光軸を含み、かつ前記グレーティングに対して略垂直な面と前記グレーティングの面との交線と略平行な回転軸回りに回転可能に配置することにより構成されている請求項５記載の超短パルスレーザ伝達装置。
7. 前記入射防止部が、前記グレーティングを、前記グレーティングに入射される超短パルスレーザ光の光軸に対して略垂直な面と前記グレーティングの面との交線と略平行な回転軸回りに回転可能に配置することにより構成されている請求項５記載の超短パルスレーザ伝達装置。
8. 前記入射防止部が、前記グレーティングのレーザ光入射面に複数本形成された溝の間隔を、以下の関係式を満たすように形成してなる請求項１記載の超短パルスレーザ伝達装置。
   ｄ ＜ ｍλ／（２ｓｉｎα），
   ｍ＝−２，または、ｍ＝２ ・・・（１）
   ここで、dは前記グレーティングの溝間隔、mは次数（整数）、λは前記超短パルスレーザ光の波長、αは前記超短パルスレーザ光の前記グレーティングへの入射角である。

Images