JP2011175093A - レーザ顕微鏡装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】2つの異なる周波数を有するパルスレーザ光を導光する2つの光路6,7と、2つの光路6,7を導光されてきたパルスレーザ光を合波するレーザコンバイナ8と、レーザコンバイナ8により合波されたパルスレーザ光を標本S上で走査するスキャナ12と、標本Sからの光を検出する光検出器16と、2つの光路6,7の一方に設けられ、一方の光路を導光されてきたパルスレーザ光を、標本S内の特定の分子振動の周波数と同じ周波数で繰返されるパルス列に変換するパルス列変換装置30とを備えるレーザ顕微鏡装置1を採用する。
【選択図】図1
Description
本発明は、2つの異なる周波数を有するパルスレーザ光を導光する2つの光路と、該2つの光路を導光されてきたパルスレーザ光を同軸に合波する合波手段と、該合波手段により合波されたパルスレーザ光を標本上で走査する走査手段と、前記標本からの光を検出する光検出手段と、前記2つの光路の一方に設けられ、該一方の光路を導光されてきたパルスレーザ光を、前記標本内の特定の分子振動の周波数と同じ周波数で繰り返されるパルス列に変換するパルス列変換手段とを備えるレーザ顕微鏡装置を採用する。
このようにすることで、分岐部に導光されるパルスレーザ光の周波数成分を時間軸上に分散させることができる。このため、例えばフェムト秒レーザ光のように比較的広い周波数スペクトル帯域を有するパルスレーザ光であっても、時間軸上の各時刻において、比較的狭い周波数スペクトル帯域を有するパルスレーザ光にすることができる。これにより、分岐部に導光されるパルスレーザ光の周波数スペクトル帯域に関わらず、2つの光路に分岐されたパルスレーザ光を干渉させて、標本内の特定の分子振動の周波数に一致した周波数で繰り返されるパルス列に変換することができる。また、分岐部に導光されるパルスレーザ光の周波数分散量を調節することで、パルス列の繰り返し周波数を変化・調整させることができる。
このようにすることで、波長選択手段により、パルス列により励起された標本の分子振動によって偏光が変化した標本からの光のみを選択的に透過させ、分子の電子応答や配向変化などの分子振動以外の要因によって偏光が変化した標本からの光を遮断することができ、鮮明な標本のイメージを生成することができる。
このλ/4波長板を調節することで、他方の光路をパルスレーザ光が導光された結果、パルスレーザ光が経由する光学素子が有する複屈折性によって、標本面において楕円偏光となったパルスレーザ光を、直線偏光に変換することができる。これにより、パルス列により誘発された標本の分子運動によって偏光方向が変化した標本からの光のみを光検出器で検出することができ、標本のイメージのコントラストを向上することができる。
このようにすることで、ポンプパルス列を直線偏光から円偏光に変化させることができ、パルス列に誘起される標本中の分子の電子分極に起因する標本からの光(非共鳴成分)を抑制し、パルス列で励起された標本の分子振動に起因する標本からの光(共鳴成分)のみを検出することができ、鮮明な標本のイメージを生成することができる。
本発明の第1の実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1について、図1から図12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装置1は、図1に示されるように、レーザ光源装置2と、レーザ光源装置2からのレーザ光を標本Sに照射して標本Sを観察するための顕微鏡本体3とを備えている。
周波数調節装置9は、例えば、所定の周波数帯域を透過するバンドパスフィルタを備えている(図示略)。
分岐合波器32は、パルスレーザ光L2’を光路長が互いに異なる2つの光路35,36に分岐する分岐部32aと、分岐部32aにより分岐された2つの光路35,36を導光されてきたパルスレーザ光を合波する合波部32bとを備えている。
図2に示すように、周波数調節装置31の入射側(フィルタ11と周波数調節装置31との間)の一点を地点P、周波数調節装置31と分岐合波器32との間の一点を地点Q、分岐合波器32の出射側(分岐合波器32とレーザコンバイナ8との間)の一点を地点Rとする。これら地点P,Q,Rの各地点におけるパルスレーザ光の周波数の時間分布が、図3(a)〜図3(c)にそれぞれ示されている。
また、パルス列の時間波形|E|2は以下のように表わされる。
レーザ光源4を作動させてパルスレーザ光を出射させると、レーザ光源4から発せられたパルスレーザ光は、ビームスプリッタ5により2つの光路6,7に分岐される。ここで、図1の地点Aにおけるパルスレーザ光は、図5に示すように、時間幅の狭い(周波数幅の広い)フェムト秒パルスレーザ光である。
顕微鏡本体3に入射したパルスレーザ光L6は、スキャナ12によって2次元的に走査された後、レンズ群20と集光レンズ13を介して標本S面上に集光される。標本Sを通過したパルスレーザ光L1’(プローブパルス列)は、標本Sを挟んで集光レンズ13とは反対側に配置された集光レンズ15によって集光され、フィルタ14により不要成分(ポンプパルス列L5)が除去された後に、光検出器16により検出される。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1の第1の変形例について以下に説明する。
本変形例に係る周波数調節装置9は、プローブパルス列の周波数分散を調節するものである。この場合において、分散調節装置9を通過するパルスレーザ光L1には、所定の周波数分散量が与えられる。その結果、図10に示すように、プローブパルス列(パルスレーザ光)L1’の時間幅は広がる。プローブパルス列L1’の時間幅を、ポンプパルス列(パルスレーザ光)L5の時間幅に近づくように周波数分散を調節し、ポンプパルス列L5とプローブパルス列L1’の時間的な重なりを大きくすることで、インパルシブ誘導ラマン散乱に起因したプローブパルス列L1’の強度変化を効率化することができる。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1の第2の変形例について以下に説明する。
図12に示すように、本変形例に係るレーザ顕微鏡装置101は、図1に示す構成要素に加えて、光路6に配置された強度変調素子(強度変調手段)41と、光検出器16の感度を調節するロックインアンプ(感度調節手段)42とを備えている。
ロックインアンプ42は、強度変調素子41に同期して、光検出器16における強度変調素子41により強度の変調された注目成分の検出感度を調節するようになっている。
なお、本変形例に係るレーザ顕微鏡装置101において、強度変調素子41を光路7に配置して、パルスレーザ光L2’の注目成分の強度を変調することとしてもよい。
次に、本発明の第2の実施形態に係るレーザ顕微鏡装置102について、主に図13から図21を参照して説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置102が第1の実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1と異なる点は、プローブ光自体の強度変化ではなく、ポンプパルス列によって励起される標本中の特定の分子振動に起因する、標本における過渡的な屈折率変化(ラマン誘起カー効果)の異方性によって生ずる、プローブ光の偏光の変化を検出する点である。以下、本実施形態のレーザ顕微鏡装置102について、第1の実施形態に係るレーザ顕微鏡装置1と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
顕微鏡本体63は、図1に示す顕微鏡本体3の構成要素に加えて、標本Sと光検出器16との間に設けられた偏光素子(第2の偏光素子)52を備えている。
レーザ光源4を作動させてパルスレーザ光を出射させると、レーザ光源4から発せられたパルスレーザ光は、ビームスプリッタ5により2つの光路6,7に分岐される。
光路6に分岐されたパルスレーザ光L1の一部は、光路6上に配置されている周波数調節装置9(バンドパスフィルタ)によって選択される(パルスレーザ光L1’)。このパルスレーザ光L1’はプローブパルス列として用いられ、そのエネルギー幅が10から数10波数程度であって、かつ時間幅が数ピコ秒から10ピコ秒程度の光パルスである。
図16において、パルスレーザ光L5(ポンプパルス列)の強度の時間プロファイルを細い実線で、パルスレーザ光L1’の強度の時間プロファイルを点線で示す。パルスレーザ光L5は、一定の繰り返し周波数を有する光パルスの繰り返し列であり、その光パルス列の繰り返し周波数がωであるとする。一方、パルスレーザ光L1’は、その時間幅が数ピコ秒から10ピコ秒程度であって、パルスレーザ光L5における光パルスの繰り返しの持続時間程度もしくはそれ以上である。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置102の第1の変形例について以下に説明する。
図22に示すように、本変形例に係るレーザ顕微鏡装置103は、図13に示す構成要素に加えて、光路7にλ/4波長板71を備えている。
Harvey AB. Chemical Applications of Nonlinear Raman Spectroscopy, Academic Press: New York, 1981.)。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡装置102の第2の変形例について以下に説明する。
図26に示すように、本変形例に係るレーザ顕微鏡装置104は、図22に示す構成要素に加えて、標本Sの後段に、λ/4波長板75と、偏光素子(分岐手段)76と、光検出器(第1の検出器)16aおよび光検出器(第2の検出器)16bと、差分算出部77とを備えている。
ポンプパルス列の非照射時には、図27(a)に示すように、標本Sを透過するプローブパルス列は直線偏光である。このプローブパルス列は、λ/4波長板75を通過することで、図27(b)に示すように、円偏光に変換される。円偏光に変換されたプローブパルス列は、偏光素子76により互いに直交する偏光を有する成分に分岐され、各成分が光検出器16aおよび光検出器16bに検出される。この場合、差分算出部77により算出される各成分の差分は、図27(c)に示すように零となる。
なお、本変形例に係るレーザ顕微鏡装置104において、λ/4波長板71のない構成としてもよく、またλ/4波長板71を挿脱可能な構成としてもよい。
例えば、周波数調節装置9および周波数調節装置31として、プリズム対とミラーとを備えて、周波数分散量を連続的に変更可能なものを例示したが、これに代えて、周波数分散量が固定のもの、それらを複数用意し、段階的に切り替える方式のものや、光路上に挿脱されてパルスレーザ光に与える分散量を切り替える方式のものを採用してもよい。
L1,L2,L2’,L2’’,L3,L4,L6 パルスレーザ光
L1’ パルスレーザ光(プローブ光)
L5 パルスレーザ光(ポンプ光、パルス列)
1,101,102,103,104 レーザ顕微鏡装置
2,62 レーザ光源装置
3,63 顕微鏡本体
4 レーザ光源
5 ビームスプリッタ(分岐手段)
6,7 光路
8 レーザコンバイナ(合波手段)
9 周波数調節装置(周波数分散量調節手段)
10 フォトニッククリスタルファイバ(周波数変換手段)
11 フィルタ
12 スキャナ(走査手段)
13 集光レンズ(照射手段)
14 フィルタ
14’周波数選択装置(周波数選択手段)
16 光検出器(光検出手段)
16a 光検出器(第1の検出器)
16b 光検出器(第2の検出器)
30 パルス列変換装置(パルス列変換手段)
31 周波数調節装置(周波数分散調節手段)
32 分岐合波器
32a 分岐部
32b 合波部
33,34 反射器
35,36 光路
41 強度変調素子(強度変調手段)
42 ロックインアンプ(感度調節手段)
51 偏光素子(第1の偏光素子)
52 偏光素子(第2の偏光素子)
53 偏光素子(第3の偏光素子)
54 λ/4波長板
71 λ/4波長板
75 λ/4波長板
76 偏光素子(分岐手段)
77 差分算出部
Claims (10)
- 2つの異なる周波数を有するパルスレーザ光を導光する2つの光路と、
該2つの光路を導光されてきたパルスレーザ光を同軸に合波する合波手段と、
該合波手段により合波されたパルスレーザ光を標本上で走査する走査手段と、
前記標本からの光を検出する光検出手段と、
前記2つの光路の一方に設けられ、該一方の光路を導光されてきたパルスレーザ光を、前記標本内の特定の分子振動の周波数と同じ周波数で繰り返されるパルス列に変換するパルス列変換手段と
を備えるレーザ顕微鏡装置。 - 前記パルス列変換手段が、
前記一方の光路を導光されてきたパルスレーザ光を光路長が互いに異なる2つの光路に分岐する分岐部と、
該分岐部により分岐された2つの光路を導光されてきたパルスレーザ光を合波する合波部と
を備える請求項1に記載のレーザ顕微鏡装置。 - 前記パルス列変換手段が、
前記分岐部に導光されるパルスレーザ光の周波数分散量を調節する周波数分散量調節手段を備える請求項2に記載のレーザ顕微鏡装置。 - パルスレーザ光を射出するレーザ光源と、
該レーザ光源から射出されたパルスレーザ光を前記2つの光路に分岐する分岐手段と、
前記2つの光路の少なくとも一方に設けられ、前記2つの光路を導光されてきたパルスレーザ光の周波数を互いに異なる周波数に変換する周波数変換手段と、
前記2つの光路の少なくとも一方に設けられ、前記2つのパルスレーザ光の周波数分散および/または周波数帯域を調節する周波数調節手段と
を備える請求項1に記載のレーザ顕微鏡装置。 - 前記2つの光路の少なくとも一方に設けられ、導光されるパルスレーザ光の注目成分の強度を変調する強度変調手段と、
該強度変調手段に同期して、前記光検出手段における前記強度変調手段により強度の変調された注目成分の検出感度を調節する感度調節手段と
を備える請求項1に記載のレーザ顕微鏡装置。 - 前記2つの光路のうち他方の光路に設けられ、該他方の光路を導光されるパルスレーザ光の偏光方向を設定する第1の偏光素子と、
前記標本と前記光検出手段との間に設けられ、前記第1の偏光素子の偏光軸に直交する方向に偏光軸が設定された第2の偏光素子と、
前記2つの光路のうち一方の光路に設けられ、前記第1の偏光素子の偏光軸に対して0°から90°の範囲の方向に偏光軸が設定された第3の偏光素子と
を備える請求項1に記載のレーザ顕微鏡装置。 - 前記第2の偏光素子と前記光検出手段との間に設けられ、選択された波長成分のみを透過させる波長選択手段を備える請求項6に記載のレーザ顕微鏡装置。
- 前記第1の偏光素子と前記合波手段との間にλ/4波長板を備える請求項6に記載のレーザ顕微鏡装置。
- 前記第3の偏光素子と前記合波手段との間にλ/4波長板を備える請求項6に記載のレーザ顕微鏡装置。
- 前記光検出手段が、互いに直交する成分を検出する第1の検出器と第2の検出器とを有し、
前記標本と前記光検出手段との間に設けられたλ/4波長板と、
該λ/4波長板を透過した光を互いに直交する成分に分岐する分岐手段と、
前記第1の検出器により検出された成分と前記第2の検出器により検出された成分との差分を算出する差分算出部と
を備える請求項6に記載のレーザ顕微鏡装置。
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