JP2008225454A - レーザ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス圧縮器として使用される正分散素子における出力減衰を低減して、多光子励起効率を向上するとともに、正分散素子のサイズを低減して、顕微鏡本体への取り付けや収納を容易にすることができ、取り回しを容易にする。
【解決手段】超短パルスレーザ光を出射するレーザ光源２と、該レーザ光源２から出射された超短パルスレーザ光を伸長させるパルス伸長器４と、該パルス伸長器４により伸長された超短パルスレーザ光を伝播させる大口径のシングルモードファイバ８と、該シングルモードファイバ８により伝播されてきた超短パルスレーザ光を圧縮するパルス圧縮器１１と、該パルス圧縮器１１により圧縮された超短パルスレーザ光を標本Ａに照射する顕微鏡本体１２とを備えるレーザ顕微鏡１を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ顕微鏡に関するものである。

従来、平均出力数ｍＷ〜数百ｍＷ、パルス幅数十ｆｓ〜数百ｆｓの超短パルスレーザ光を対物レンズを介して標本に照射し、対物レンズの焦点面において多光子励起効果を発生させて多光子蛍光を観察する多光子励起方式のレーザ走査型顕微鏡が知られている。
このようなレーザ走査型顕微鏡においては、取り回しが容易で利便性が高い光ファイバを用いて光源からのレーザ光を導入することが望まれている。

ところが、光ファイバにフェムト秒オーダのパルス幅を有する超短パルスレーザ光を導入すると、ファイバ内部の光子密度が高くなることで非線形効果（自己位相変調：スペクトルの広がり）が誘発され、群速度分散と相俟って対物レンズの先端から射出される超短パルスレーザ光のパルス幅が太ってしまい、多光子励起効率が損なわれてしまうという不都合がある。

これを解決する手法として、超短パルスレーザ光を出射するレーザ光源と光ファイバとの間に負分散光学系を配置し、光ファイバと顕微鏡本体との間に正分散素子を配置したレーザ顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
このレーザ顕微鏡によれば、負分散光学系により予め超短パルスレーザ光のパルス幅を広げて光ファイバに入射させるので、光ファイバ内における非線形効果の発生を回避することができる。

そして、光ファイバの終端付近においては、超短パルスレーザ光のパルス幅の再圧縮が進行するので、それに伴う非線形効果の発生を回避するために、光ファイバの下流側に配置された正分散素子により正分散を付与し、正分散素子出射後のパルス幅を負分散光学系への入射前とほぼ同等にすることとしている。

特開２０００−２０６４１５号公報 米国特許第６２６９２０６号明細書

特許文献１および特許文献２のレーザ顕微鏡においては、光ファイバ内を伝播中に超短パルスレーザ光のパルス幅が伸びるのを防止するために、マルチモードファイバを使用することはできず、シングルモードファイバを使用する必要がある。シングルモードファイバのコア径は、一般に約数μｍと小さく、内部における非線形効果の発生を抑えるためには、負分散補償量を相当大きくしてファイバ入射ピーク強度を減少させ、かつ、ファイバ下流側に配置される正分散素子の正分散量を相当大きくする必要がある。

しかしながら、付与すべき正分散量が大き過ぎる場合には、正分散素子の厚さが厚くなり、正分散素子内における内部吸収により出力減衰が顕著になるため、標本内における多光子励起効果の効率が低下するという不都合がある。
また、正分散量が大き過ぎる場合には、正分散素子のサイズが大きくなり、顕微鏡本体への取り付けおよび収納が困難になるという不都合がある。顕微鏡本体の大型化が生ずる場合には、光ファイバを用いて顕微鏡本体の取り回しを向上する効果が薄れることになるという不都合もある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、正分散素子における出力減衰を低減して、多光子励起効率を向上するとともに、正分散素子のサイズを低減して、顕微鏡本体への取り付けや収納を容易にすることができ、取り回しを容易にすることができるレーザ顕微鏡を提供することを目的としている。

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レーザ光源と、該レーザ光源から出射された超短パルスレーザ光を伸長させるパルス伸長器と、該パルス伸長器により伸長された超短パルスレーザ光を伝播させる大口径のシングルモードファイバと、該シングルモードファイバにより伝播されてきた超短パルスレーザ光を圧縮するパルス圧縮器と、該パルス圧縮器により圧縮された超短パルスレーザ光を標本に照射する顕微鏡本体とを備えるレーザ顕微鏡を提供する。

大口径のシングルモードファイバを採用することにより、シングルモードファイバ内における非線形効果の発生を増大させることなく、シングルモードファイバに入射させる超短パルスレーザ光のピーク強度を大きくすることができる。その結果、入射される超短パルスレーザ光のパルス幅を狭くすることができ、パルス伸長器およびパルス圧縮器による補償量を低減することができる。

すなわち、パルス圧縮器を小型化して光量ロスを低減し、標本における多光子励起光率を向上することができる。また、パルス圧縮器のサイズを小さくすることで、顕微鏡本体への取り付けや収納が容易となり、装置全体を小型化できるとともに、取り回しを向上することができる。

上記発明においては、前記シングルモードファイバが、フォトニッククリスタルファイバであり、前記レーザ光源が、近赤外域の超短パルスレーザ光を出射し、かつ、波長変更機能を有することとしてもよい。
このようにすることで、広波長帯域にわたり超短パルスレーザ光をシングルモード伝送することができる。したがって、超短パルスレーザ光の波長を変更しながら多光子蛍光を観察することができる。

また、上記発明においては、前記シングルモードファイバが次式により設定される最小有効コア径以上のコア径を有することとしてもよい。
Ｄ_ｍｉｎ＝２×√（Ａ_ｅｆｆ／π） （１）
Ａ_ｅｆｆ＝２π／λ×ｎ_２×Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}×Ｌ／ａ （２）
Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}＝２×√（ｌｎ２／π）×Ｐ_ａｖｅ／（Δｔ_ｉｎ×ν） （３）
Δｔ_ｉｎ≒Δｔ_ｏｕｔ×√｛１＋7.68×［（ＧＤＤ_ｆ＋ＧＤＤ_ｃ）／（Δｔ_ｏｕｔ ^２）］^２｝ (４)
ここで、Ｄ_ｍｉｎ：シングルモードファイバの最小有効コア径、Ａ_ｅｆｆ：実効コア断面積、λ：波長、ｎ_２：シングルモードファイバの非線形屈折率、ａ：定数、Ｌ：シングルモードファイバの長さ、Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}：Δｔ_ｏｕｔ以下のパルスを伝送可能な最大ファイバ入射ピーク強度、Ｐ_ａｖｅ：ファイバ出射端での平均出力、ν：繰り返し周波数、Δｔ_ｉｎ：ファイバ入射パルス幅、Δｔ_ｏｕｔ：顕微鏡本体内対物レンズ出射パルス幅、ＧＤＤ_ｆ：ファイバの群速度遅延分散、ＧＤＤ_ｃ：パルス圧縮器＋顕微鏡本体の群速度遅延分散である。
このようにすることで、標本において目的のパルス幅の超短パルスレーザ光を照射することができ、多光子励起効率の低下を防止することができる。

また、上記発明においては、前記シングルモードファイバが並列に複数備えられていることとしてもよい。
このようにすることで、シングルモードファイバ１本あたりに割り当てられる超短パルスレーザ光の入射ピーク強度を低減することができ、シングルモードファイバ内における非線形効果の発生をさらに抑制することができる。

また、上記発明においては、前記パルス伸長器が、例えば、グレーティング対で構成される負分散発生光学系からなることとしてもよい。
このようにすることで、簡易に負分散量を調節して、シングルモードファイバ内における非線形効果の発生を抑制することができる。

また、上記発明においては、前記顕微鏡本体が標本に対向する対物レンズを備え、前記パルス伸長器が、前記対物レンズの種類および／または超短パルスレーザ光の波長に応じて対物レンズ出射後のパルス幅が最小になるように負分散量を調節することとしてもよい。
このようにすることで、対物レンズの種類や超短パルスレーザ光の波長が変更されても、シングルモードファイバ内における非線形効果の発生を抑制することができる。

また、上記発明においては、前記顕微鏡本体が、標本から発生する蛍光を検出する光検出器を備え、前記パルス伸長器が、前記光検出器により検出される蛍光強度に応じて負分散量を調節することとしてもよい。
このようにすることで、目的の蛍光強度が得られるように負分散量を調節して、鮮明な多光子蛍光画像を取得することができる。

また、上記発明においては、前記レーザ光源と前記シングルモードファイバとの間に、レーザ光源の平均出力を調節する平均出力調整光学系を備え、前記パルス伸長器が、前記対物レンズの種類および／または超短パルスレーザ光の波長および／または前記平均出力に応じて対物レンズ出射後のパルス幅が最小になるように負分散量を調節することとしてもよい。
このようにすることで、平均出力調整光学系の作動により、レーザ光源の平均出力を調節し、かつ、標本にダメージを与えることなく、超短パルスレーザ光を照射することができる。

また、上記発明においては、前記シングルモードファイバが、無偏波型のシングルモードファイバであり、前記パルス圧縮器が、ＺｎＳｅ結晶のような等方性の高屈折率正分散材料により構成されていることとしてもよい。
このようにすることで、入手が比較的容易で安価に構成できる。また、パルス圧縮器の通過前後において光軸ずれを抑制することができる。

また、上記発明においては、前記シングルモードファイバが、偏波保持型のシングルモードファイバであり、前記パルス圧縮器が、ＺｎＳｅ結晶のような等方性の高屈折率正分散材料、音響光学素子あるいは電気光学素子のような異方性の高屈折率正分散材料またはグレーティング対を含む正分散発生光学系により構成されていることとしてもよい。
このようにすることで、パルス圧縮器の種類が多様になり、例えば、レーザ光特性を調整可能な光学系を使用することができる。

また、上記発明においては、前記パルス圧縮器が、対物レンズの種類および／または超短パルスレーザ光の波長に応じて対物レンズ出射後のパルス幅が最小となるように正分散量を調節することとしてもよい。
このようにすることで、対物レンズの種類や超短パルスレーザ光の波長が変更されても、シングルモードファイバ内における非線形効果の発生を抑制することができる。

また、上記発明においては、前記顕微鏡本体が、標本から発生する蛍光を検出する光検出器を備え、前記パルス圧縮器が、前記光検出器により検出される蛍光強度に応じて正分散量を調節することとしてもよい。
このようにすることで、目的の蛍光強度が得られるように正分散量を調節して、鮮明な多光子蛍光画像を取得することができる。

また、上記発明においては、レーザ光源とシングルモードファイバとの間にレーザ光源の平均出力を調節する平均出力調整光学系を備え、前記パルス圧縮器が、前記対物レンズの種類および／または超短パルスレーザ光の波長および／または前記平均出力に応じて対物レンズ出射後のパルス幅が最小になるように正分散量を調節することとしてもよい。
このようにすることで、平均出力調整光学系の作動により、レーザ光源の平均出力を調節し、かつ、標本にダメージを与えることなく、超短パルスレーザ光を照射することができる。

本発明によれば、パルス圧縮器として使用される正分散素子における出力減衰を低減して、多光子励起効率を向上することができる。また、本発明によれば正分散素子のサイズを低減して、顕微鏡本体への取り付けや収納を容易にすることができ、取り回しを容易にすることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るレーザ顕微鏡１について、図１および図２を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡１は、標本Ａにおいて多光子励起効果を発生させる多光子励起型のレーザ顕微鏡１であって、図１に示されるように、超短パルスレーザ光を出射するレーザ光源２側から順に、該レーザ光源２と、平均出力調整光学系３と、パルス伸長器４と、λ／４板５と、アライメント調整光学系６と、カップリング光学系７と、大口径のシングルモードファイバ８と、コリメート光学系９と、ビーム整形光学系１０と、パルス圧縮器１１と、顕微鏡本体１２とを備えている。

レーザ光源２は、例えば、波長帯域７００ｎｍ〜１０００ｎｍで波長変更可能な超短パルスレーザ光を出射するようになっている。
平均出力調整光学系３は、例えば、音響光学素子、電気光学素子、ＮＤフィルタあるいはλ／２板と偏光子との組み合わせにより構成されている。目標となる蛍光強度が得られるようにレーザ光源２から出射される超短パルスレーザ光の平均出力を調整するようになっている。

パルス伸長器４は、例えば、図１に示す例では、対向する一対のグレーティング４ａ，４ｂおよびミラー４ｃと、これらの駆動機構（図示略）とにより構成されている。レーザ光源２から出射される超短パルスレーザ光の波長、顕微鏡本体１２に備えられる対物レンズ１３の種類あるいは超短パルスレーザ光の平均出力に応じて、対物レンズ１３の先端から出射される超短パルスレーザ光が所定のパルス幅となるように、グレーティング４ａ，４ｂ対の間隔あるいはミラー４ｃの位置を矢印の方向に調節し、超短パルスレーザ光に付与する負分散量を調節するようになっている。

λ／４板５は、パルス伸長器４内のグレーティング４ａ，４ｂとの組み合わせで、超短パルスレーザ光が、シングルモードファイバ８の端面において反射してレーザ光源２側に戻るのを阻止するようになっている。
アライメント調整光学系６は、パルス伸長器４におけるグレーティング４ａ，４ｂ対およびミラー４ｃの移動により発生する光軸のシフトや傾きを補正するようになっている。

カップリング光学系７は、少なくとも１つのレンズを光軸方向に移動させることにより、パルス伸長器４におけるグレーティング４ａ，４ｂ対およびミラー４ｃの移動により発生する光路長の変動に応じて、超短パルスレーザ光のシングルモードファイバ８の端面への集光位置が光軸方向にずれないように調節することができるようになっている。

シングルモードファイバ８は、近赤外域対応のフォトニッククリスタルファイバであり、そのコア径は、次式により算出される径寸法以上に設定されている。
Ｄ_ｍｉｎ＝２×√（Ａ_ｅｆｆ／π） （１）
Ａ_ｅｆｆ＝２π／λ×ｎ_２×Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}×Ｌ／ａ （２）
Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}＝２×√（ｌｎ２／π）×Ｐ_ａｖｅ／（Δｔ_ｉｎ×ν） （３）
Δｔ_ｉｎ≒Δｔ_ｏｕｔ×√｛１＋7.68×［（ＧＤＤ_ｆ＋ＧＤＤ_ｃ）／（Δｔ_ｏｕｔ ^２）］^２｝ （４）

ここで、
Ｄ_ｍｉｎ：シングルモードファイバ８の最小有効コア径
Ａ_ｅｆｆ：実効コア断面積
λ：波長
ｎ_２：シングルモードファイバ８の非線形屈折率
ａ：定数
Ｌ：シングルモードファイバ８の長さ
Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}：Δｔ_ｏｕｔ以下のパルスを伝送可能な最大ファイバ入射ピーク強度
Ｐ_ａｖｅ：シングルモードファイバ８の出射端での平均出力
ν：繰り返し周波数
Δｔ_ｉｎ：シングルモードファイバ８への入射パルス幅
Δｔ_ｏｕｔ：対物レンズ１３の出射パルス幅
ＧＤＤ_ｆ：シングルモードファイバ８の群速度遅延分散
ＧＤＤ_ｃ：パルス圧縮器１１＋顕微鏡本体１２の群速度遅延分散である。

なお、対物レンズ１３の出射パルス幅Δｔ_ｏｕｔについては、超短パルスレーザ光の使用目的に応じて設定することとする。本実施形態では、例えば、レーザ光源２のパルス幅の１〜３倍程度の範囲で設定する。また、定数ａについては、設定された出射パルス幅Δｔ_ｏｕｔの値をもとに、Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}を実験的に設定して求める。具体的には、一般に超短パルスレーザ光のファイバへの入射ピーク強度Ｐ_ｏが大きくなるほどファイバ内での非線形効果が顕著になってパルス幅Δｔ_ｏｕｔが伸びるため、超短パルスレーザ光をファイバに対して入射させる実験系を構築し、ファイバへの入射ピーク強度Ｐ_ｏを変化させたときのΔｔ_ｏｕｔの値を予め測定しておく。目標とするΔｔ_ｏｕｔが決まれば、実測されたＰ_ｏとΔｔ_ｏｕｔのプロットに基づいて、設定されたΔｔ_ｏｕｔに対応する入射ピーク強度Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}を求めることができる。
このようにして求められた入射ピーク強度Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}の値から、次式により定数ａを求めることができる。
γ＝（２π／λ）・（ｎ_２／Ａ_ｅｆｆ） （５）
Ｌ_ｎｌ＝１／（γ・Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}） （６）
ａ＝Ｌ／Ｌ_ｎｌ＝Ｌ・γ・Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ} （７）
ここで、
γ：非線形定数
Ｌ_ｎｌ：非線形長である。
上記実験系で使用した光ファイバの仕様に基づいて、シングルモードファイバ８の長さＬおよび式（５）により非線形定数γを求めることができる。これらの値と上記実験系で求められたＰ_{ｏ＿ｍａｘ}の値から、式（６），（７）により定数ａを求めることができる。
定数ａは、Δｔ_ｏｕｔが上述の設定値となるための条件であるため、得られた定数ａの値に対して式（５）から（７）が成立していれれば、Δｔ_ｏｕｔは設定した値に保たれる。よって、これらの関係式が成立する範囲で、Ｌ，γ，Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}は自由に変更できることとなり、例えばＡ_ｅｆｆを大きくすることにより、Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}を大きくすることができる。
シングルモードファイバ８による非線形効果が無視できる条件としては、式（２）および式（７）において最大ファイバ入射ピーク強度Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}を小さくする必要がある。しかし、最大ファイバ入射ピーク強度Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}を小さくする場合には、式（３）により、シングルモードファイバ８の出射端での平均出力Ｐ_ａｖｅを下げるかシングルモードファイバ８の入射パルス幅Δｔ_ｉｎを大きくする必要があり、いずれの場合も伝送可能な出力が低下してしまう。そこで、定数ａを設定し目的のパルス幅を得ることについて以下に述べる。定数ａの設定は、ａ≒１であれば非線形現象が誘発され、ａ＞１であれば非線形現象が顕著になり、ａ≪１であれば非線形現象を無視することができる。上述のように定数aが大きくなればＰ_{ｏ＿ｍａｘ}も大きくなることから、シングルモードファイバ８内における非線形効果の発生の許容範囲内において定数ａを１より大きく設定し、目的のパルス幅を得ることにより、伝送出力を向上させることができる。すなわち、シングルモードファイバ８内における非線形効果の発生をある程度許容することとして、伝送出力を向上することができる。

コリメート光学系９は、少なくとも１つのレンズを光軸方向に移動させることにより、シングルモードファイバ８の出射端から出射される超短パルスレーザ光を略平行光に変換するようになっている。
ビーム整形光学系１０は、少なくとも２つのレンズにより構成され、少なくとも１つのレンズを光軸方向に移動させることにより、超短パルスレーザ光のビーム径が対物レンズ１３の瞳を満たすように整形するようになっている。

パルス圧縮器１１は、シングルモードファイバ８を通過した超短パルスレーザ光に所定の正分散補償量を付与することで、パルス伸長器４に入射される時点における超短パルスレーザ光と同等のパルス幅を対物レンズ１３出射後に回復するようになっている。
具体的には、パルス圧縮器１１は、シングルモードファイバ８が、ランダム偏光型の場合には、等方性の高屈折率正分散材料を使用し、偏波保持型の場合には、その他に、音響光学素子や電気光学素子に代表される異方性の高屈折率正分散材料やグレーティング対等により構成されている。

顕微鏡本体１２は、パルス圧縮器１１によりある程度回復されたパルス幅を有する超短パルスレーザ光を２次元的に走査するスキャナ１４と、瞳投影レンズ１５および結像レンズ１６と、結像レンズ１６により略平行光にされた超短パルスレーザ光を集光して標本Ａに照射する一方、標本Ａにおいて発生した多光子蛍光を集光する対物レンズ１３と、該対物レンズ１３により集光された多光子蛍光を超短パルスレーザ光の光路から分岐するダイクロイックミラー１７と、該ダイクロイックミラー１７により分岐された多光子蛍光を集光する集光レンズ１８と、集光された多光子蛍光を検出する光検出器１９と、該光検出器１９により検出された多光子蛍光に基づいて多光子蛍光画像を構築し表示する表示部２０とを備えている。

このように構成された本実施形態に係るレーザ顕微鏡１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡１によれば、レーザ光源２から出射された超短パルスレーザ光を平均出力調整光学系３に通過させることにより、超短パルスレーザ光の平均出力が調整される。平均出力調整光学系３がない場合においても、パルス伸長器４またはパルス圧縮器１１の分散補償量を調節することで、対物レンズ１３から出射される超短パルスレーザ光のピーク強度を可変することができ、それによって目的の蛍光強度を得ることも可能である。しかし、その場合には、平均出力が変わらないため、標本Ａにダメージ（焼け）が発生する可能性があるので好ましくない。本実施形態によれば、超短パルスレーザ光の平均出力を調整した上で目的の蛍光強度を得ることができ、標本Ａの健全性を維持しつつ蛍光観察を行うことができる。

平均出力を調整された超短パルスレーザ光は、パルス伸長器４を通過させられることにより、負の分散補償量を付与され、パルス幅を伸長させられる。そして、アライメント調整光学系６により、その光軸ずれを補正され、カップリング光学系７により、集光位置を調節されて、シングルモードファイバ８の端面に入射される。

本実施形態においては、シングルモードファイバ８が、上記式（１）に示される最小有効コア径以上のコア径を有しているので、シングルモードファイバ８に入射される超短パルスレーザ光のピーク強度を比較的大きくすることができる。そして、ピーク強度を大きくすることで、式（３）に示されるようにパルス幅を狭くすることができ、パルス伸長器４およびパルス圧縮器１１により付与する分散補償量を低減することができる。

すなわち、パルス圧縮器１１を小型化することができるとともに、該パルス圧縮器１１における光量ロスを低減することができ、標本Ａの対物レンズ１３の焦点面において多光子励起効率を向上することができる。また、シングルモードファイバ８による超短パルスレーザ光の伝送効率も向上することができる。さらに、パルス圧縮器１１を小型化することで、顕微鏡本体１２への搭載が容易になり、それによる顕微鏡本体１２の大型化を回避できる。したがって、取り回しが向上されるというシングルモードファイバ８による伝送のメリットを生かすことができる。

また、本実施形態においては、シングルモードファイバ８として近赤外域対応のフォトニッククリスタルファイバを使用しているので、広波長帯域でシングルモード伝送ができ、波長をスキャンした観察を簡易に行うことができる。
通常市販されているシングルモードファイバや偏波保持型のシングルモードファイバでは、レーザ光源２として使用されているモードロック型フェムト秒チタンサファイヤレーザの発振波長域（７００ｎｍ〜１０００ｎｍ）にわたるシングルモード伝送を保持することができない。このため、多光子励起による蛍光観察行う際に、蛍光色素の最適励起波長に応じてシングルモードファイバの種類も変更することが必要となる場合もあり、装置として構成が複雑になるという問題がある。

この場合において、シングルモードファイバ８としては、偏波保持型のフォトニッククリスタルファイバを使用することも可能だが、コア径が比較的小さいので、コア径の比較的大きなランダム偏光型フォトニッククリスタルファイバを使用することが好ましい。それに伴い、パルス圧縮器１１には、結晶軸に対して屈折率依存性のない等方性の高正分散材料（ＺｎＳｅ等）を使用することが望ましい。

なお、本実施形態においては、近赤外域において連続的に波長を変更することができるレーザ光源２を例示したが、これに代えて、図２に示されるように、異なる単一波長の複数のレーザ光源２ａ〜２ｃからの超短パルスレーザ光を合成ミラー２ｄ〜２ｆにより同一光路に合流させることとしてもよい。

また、パルス伸長器４としては、一対のグレーティング４ａ，４ｂを有するものを例示したが、これに代えて、プリズム対を有するものを採用してもよい。
また、λ／４板５を配置して、シングルモードファイバ８の端面において反射した超短パルスレーザ光がレーザ光源２に戻るのを防止したが、これに代えて、アイソレータ、シングルモードファイバ８端面の斜め研磨あるいはシングルモードファイバ８端面の反射防止コーティングを採用してもよい。

また、パルス圧縮器１１としては、超短パルスレーザ光の波長、対物レンズ１３の種類、入射平均出力に応じて、対物レンズ１３から出射される超短パルスレーザ光が所定のパルス幅となるように、パルス伸長器４と合わせて結晶長を可変にしてもよい。可変値は、パルス伸長器４のそれと合わせて予め記憶しておくことにすればよい。また、取得される蛍光強度が最大となるようにパルス圧縮器１１の分散補償量か結晶長を微調整してもよい。結晶長を調整する手段としては、図３に示されるようなレボルバー式にして結晶長の異なるＺｎＳｅ結晶（高屈折率正分散材料）１１ａ，１１ｂを切り替えることが挙げられる。図３（ａ）はシングルパス方式、図３（ｂ）はマルチパス方式である。図中、符号１１ｃはミラーである。また、図３（ｃ）に示されるように、プリスム方式を採用してもよい。

また、本実施形態においては、単一のシングルモードファイバ８を用いて超短パルスレーザ光を伝送することとしたが、これに代えて、図４に示されるように、アライメント調整光学系６から出射された超短パルスレーザ光を複数の光路に分岐して、それぞれの光路に配置したシングルモードファイバ８ａにより伝送した後、同一光路に合流することとしてもよい。図中、符号８ｂはダイクロイックミラー、符号８ｃはミラー、符号７ａはカップリング光学系、符号９ａはコリメート光学系である。
また、図５に示されるように、ファイババンドル８Ａをほぐして複数のコア８ｄから出射される超短パルスレーザ光を同一光路に合流することとしてもよい。

このようにすることで、１本のシングルモードファイバ８に割り当てられる超短パルスレーザ光の入射ピーク強度を抑えることができ、シングルモードファイバ８内における非線形効果を抑制できる。したがって、パルス伸長器４およびパルス圧縮器１１をさらに小型に構成することができるという利点がある。

本発明の一実施形態に係るレーザ顕微鏡の全体構成を示すブロック図である。 図１のレーザ顕微鏡のレーザ光源の変形例を示す図である。 図１のレーザ顕微鏡のパルス圧縮器の例を示す図である。 図１のレーザ顕微鏡のシングルモードファイバの変形例を示す図である。 図１のレーザ顕微鏡のシングルモードファイバの他の変形例を示す図である。

符号の説明

Ａ 標本
１ レーザ顕微鏡
２ レーザ光源
３ 平均出力調整光学系
４ パルス伸長器
４ａ，４ｂ グレーティング
８，８Ａ，８ａ シングルモードファイバ
１１ パルス圧縮器
１１ａ，１１ｂ ＺｎＳｅ結晶（高屈折率正分散材料）
１２ 顕微鏡本体
１３ 対物レンズ
１９ 光検出器

Claims (13)

1. 超短パルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
   該レーザ光源から出射された超短パルスレーザ光を伸長させるパルス伸長器と、
   該パルス伸長器により伸長された超短パルスレーザ光を伝播させる大口径のシングルモードファイバと、
   該シングルモードファイバにより伝播されてきた超短パルスレーザ光を圧縮するパルス圧縮器と、
   該パルス圧縮器により圧縮された超短パルスレーザ光を標本に照射する顕微鏡本体とを備えるレーザ顕微鏡。
2. 前記シングルモードファイバが、フォトニッククリスタルファイバであり、
   前記レーザ光源が、近赤外域の超短パルスレーザ光を出射し、かつ、波長可変機能を有する請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
3. 前記シングルモードファイバが、次式により設定される最小有効コア径以上のコア径を有する請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
   Ｄ_ｍｉｎ＝２×√（Ａ_ｅｆｆ／π） （１）
   Ａ_ｅｆｆ＝２π／λ×ｎ_２×Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}×Ｌ／ａ （２）
   Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}＝２×√（ｌｎ２／π）×Ｐ_ａｖｅ／（Δｔ_ｉｎ×ν） （３）
   Δｔ_ｉｎ≒Δｔ_ｏｕｔ×√｛１＋7.68×［（ＧＤＤ_ｆ＋ＧＤＤ_ｃ）／（Δｔ_ｏｕｔ ^２）］^２｝ （４）
   ここで、
   Ｄ_ｍｉｎ：シングルモードファイバの最小有効コア径
   Ａ_ｅｆｆ：実効コア断面積
   λ：波長
   ｎ_２：シングルモードファイバの非線形屈折率
   ａ：定数
   Ｌ：シングルモードファイバの長さ
   Ｐ_{ｏ＿ｍａｘ}：Δｔ_ｏｕｔ以下のパルスを伝送可能な最大ファイバ入射ピーク強度
   Ｐ_ａｖｅ：ファイバ出射端での平均出力
   ν：繰り返し周波数
   Δｔ_ｉｎ：ファイバ入射パルス幅
   Δｔ_ｏｕｔ：顕微鏡本体内対物レンズ出射パルス幅
   ＧＤＤ_ｆ：ファイバの群速度遅延分散
   ＧＤＤ_ｃ：パルス圧縮器＋顕微鏡本体の群速度遅延分散
4. 前記シングルモードファイバが並列に複数備えられている請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
5. 前記パルス伸長器が、負分散発生光学系からなる請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
6. 前記顕微鏡本体が標本に対向する対物レンズを備え、
   前記パルス伸長器が、前記対物レンズの種類および／または超短パルスレーザ光の波長に応じて対物レンズ出射後のパルス幅が最小になるように負分散量を調節する請求項５に記載のレーザ顕微鏡。
7. 前記顕微鏡本体が、標本から発生する蛍光を検出する光検出器を備え、
   前記パルス伸長器が、前記光検出器により検出される蛍光強度に応じて負分散量を調節する請求項６に記載のレーザ顕微鏡。
8. 前記レーザ光源と前記シングルモードファイバとの間に、レーザ光源の平均出力を調節する平均出力調整光学系を備え、
   前記パルス伸長器が、前記対物レンズの種類および／または超短パルスレーザ光の波長および／または前記平均出力に応じて対物レンズ出射後のパルス幅が最小になるように負分散量を調節する請求項５に記載のレーザ顕微鏡。
9. 前記シングルモードファイバが、無偏波型のシングルモードファイバであり、
   前記パルス圧縮器が、ＺｎＳｅ結晶のような等方性の高屈折率正分散材料により構成されている請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
10. 前記シングルモードファイバが、偏波保持型のシングルモードファイバであり、
    前記パルス圧縮器が、ＺｎＳｅ結晶のような等方性の高屈折率正分散材料、音響光学素子あるいは電気光学素子のような異方性の高屈折率正分散材料またはグレーティング対を含む正分散発生光学系により構成されている請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
11. 前記パルス圧縮器が、対物レンズの種類および／または超短パルスレーザ光の波長に応じて対物レンズ出射後のパルス幅が最小となるように正分散量を調節する請求項９または請求項１０に記載のレーザ顕微鏡。
12. 前記顕微鏡本体が、標本から発生する蛍光を検出する光検出器を備え、
    前記パルス圧縮器が、前記光検出器により検出される蛍光強度に応じて正分散量を調節する請求項１１に記載のレーザ顕微鏡。
13. レーザ光源とシングルモードファイバとの間にレーザ光源の平均出力を調節する平均出力調整光学系を備え、
    前記パルス圧縮器が、前記対物レンズの種類および／または超短パルスレーザ光の波長および／または前記平均出力に応じて対物レンズ出射後のパルス幅が最小になるように正分散量を調節する請求項９または請求項１０に記載のレーザ顕微鏡。
    

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