JP2012208462A - 非線形光学装置、多光子顕微鏡および内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な補償機構を設けることなく、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れの影響を低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射できる、非線形光学装置を提供する。
【解決手段】非線形光学装置は、短光パルスを発生する短光パルス源１０と、短光パルス源から発生した短光パルスを対象物に伝送するための短光パルス伝送系２０とを備える。非線形光学装置内で発生する非線形光学効果が実質的に無く、該非線形光学装置内の群速度分散量が実質的に無く、短光パルス源から短光パルスが発生し、且つ、短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）λ_FWHM が、λ_１＜λ_FWHM＜λ_２を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、短光パルスを対象物に照射して、２次非線形光学効果を誘起する非線形光学装置およびこれを用いた多光子顕微鏡および内視鏡に関する。

近年、生物学、医学、医療、加工、計測などの様々な分野において、高ピークパワーを持ち、複数の波長成分を含むピコ秒以下の超短光パルスが利用されるようになってきている。特に、生物学分野や医学分野では、多光子蛍光顕微鏡、高調波顕微鏡などの非線形光学効果を利用した顕微鏡や、光応力波を用いた遺伝子導入装置、拡散光トモグラフィ装置などに、チタン：サファイヤレーザやファイバレーザなどの、超短光パルスを発生する光パルス源が活発に利用されている。

これらの分野で超短光パルスは、超短光パルスが照射される対象物において非線形光学効果を誘起することを目的として使用される。そして、対象物に照射される超短光パルスのピークパワーが高いほど、高い効率で非線形光学効果が誘起される。

一方、光パルス源にて生成される超短光パルスを対象物まで伝送する際には、通常レンズや光ファイバなどの短光パルス伝送系が用いられる。しかし、高ピークパワーの超短光パルスは、短光パルス伝送系を伝搬する過程において、短光パルス伝送系の群速度分散（Group-velocity dispersion:ＧＶＤ）効果や短光パルス伝送系中にて誘起される自己位相変調（Self-phase modulation：ＳＰＭ）効果などの非線形光学効果の影響を受けて、時間幅広がりや波形崩れが生じることが知られている。この光パルス時間幅の広がりや光パルス波形の崩れは、多くの応用で問題となる。

例えば、多光子蛍光顕微鏡などの非線形光学顕微鏡では、高いピークパワーの超短光パルスが要求されるが、光ファイバなどの短光パルス伝送系中にパルス時間幅が広がる、または、パルス波形が崩れると、それに伴って短光パルスのピークパワーが低下し、多光子励起の効率が落ちるため、顕微鏡画像の明度が低下するという問題点がある。

したがって、短光パルス伝送系中における光パルスの時間幅の広がりや波形崩れを、なるべく低減することが非常に重要である。

そこで、これらの短光パルス伝送系におけるＧＶＤ効果や非線形光学効果を低減する、もしくは、補償することが広く行なわれている。例えば、ＧＶＤ効果については、ＧＶＤの低い短光パルス伝送系を利用するか、短光パルス伝送系中にＧＶＤを補償する分散発生装置を含めるという対策がとられる。また、非線形光学効果は、短光パルス伝送系中に長尺な光ファイバを含む場合には非常に顕著になるため、特別な対策が必要になるが、その他の場合はほとんど問題にならない。

一方、高次のGVDである群速度分散スロープについても、これを補償するための機構が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この機構を短光パルス伝送系内などに設けることによって、群速度分散スロープの影響による短光パルス波形の崩れを補償することができる。

J.A.R.Williams, L.A.Everall, I.Bennion, "Fiber Bragg grating fabrication for dispersion slope compensation," IEEE Photon. Technol. Lett., 8, pp.1187-1189 (1996)

しかしながら、群速度分散スロープなどの高次分散を完全に補償する、もしくは無視できる程度に十分低減することは、現状では技術的に非常に難易度が高い。また、非特許文献１に記載のように、高次分散補償機構を設けると、短光パルス伝送系の複雑化及び高コスト化を招いてしまう。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、複雑な補償機構を設けることなく、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや、波形崩れの影響を低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射できる、非線形光学装置およびこれを用いた多光子顕微鏡および内視鏡を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る非線形光学装置の発明は、
対象物に短光パルスを照射して２次非線形光学効果を発生させる非線形光学装置であって、
短光パルスを発生する短光パルス源と、
該短光パルス源から発生した短光パルスを前記対象物に伝送するための短光パルス伝送系とを備え、
該非線形光学装置内で発生する非線形光学効果が実質的に無く、該非線形光学装置内の群速度分散量が実質的に無く、且つ、前記短光パルス源が発生する短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）λ_FWHM が、
λ_１＜λ_FWHM＜λ_２ （１）
を満たし、
ただし、

a，ｋ：パルス波形に依存して決定されるパラメータ
λc：パルスの中心波長
ｃ：光速
Ｄ_３ｄ：総群速度分散スロープ量
α＝０．５
であることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の非線形係数をγ、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質により伝送される前後の前記短光パルスのピークパワーのうちいずれか高い値をP_peak、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の物理長をＬ、非線形光学装置内の総群速度分散量をD_2d、非線形光学装置内の総群速度分散スロープ量をD_3d、前記短光パルスのスペクトル幅から算出されるフーリエ変換限界の時間幅において、前記短光パルスの出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間幅をＴ_０とするとき、

を満たすことを特徴とするものである。

ここで、フーリエ変換限界の短光パルスについて説明しておく。フーリエ変換限界パルスとは短光パルスにチャープがない状態であり、式(１２)で表される短光パルスの時間幅と周波数幅の積が最小になる短光パルスのことである。その最小値は短光パルスの波形に依存して変化し、パルス波形がガウシアン型の場合０．４４１となり、ハイパボリックセカント（ｓｅｃｈ）型の場合０．３１５となる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の非線形光学装置において、前記パラメータｋは、０．３５＜ｋ＜０．５５を満たすことを特徴とするものである。

パラメータｋはパルス波形によって変化し、パルス波形がガウシアン型の場合０．５３５となり、ハイパボリックセカント（ｓｅｃｈ）型の場合０．３７０となる。短光パルス源から出射される短光パルスの波形は、一般に完全なガウシアン波形やハイパボリックセカント波形になっていることは稀である。パラメータｋを０．３５＜ｋ＜０．５５とすることによって、これらのパルス波形の中間の波形をカバーすることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１−３のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、前記短光パルス源は、ほぼチャープしていない短光パルスを発生する短光パルス発生装置と、該短光パルス発生装置から発生した短光パルスにチャープを加えるチャープ付加装置とを備えることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１−４のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、前記短光パルス源は、スペクトル幅調整機構を備えていることを特徴とするものである。

これによって、短光パルスを照射する対象物において、非線形光学効果を効率良く発生させることができるように、非線形光学装置内の総群速度分散スロープから計算される最適なスペクトル幅を設定することができる。

請求項６に係る発明は、請求項１−５のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、前記短光パルス源は、０．５ｎｍ以上のスペクトル幅の短光パルスを発生することを特徴とするものである。

短光パルスのスペクトル幅が０．５ｎｍ以上であれば、対象物に照射される短光パルスが、高ピークパワーのパルスとなり、対象物内で高い２次非線形光学効果が生じることが期待できる。

請求項７に係る発明は、請求項１−６のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、前記短光パルス伝送系は、分散発生装置を備えることを特徴とするものである。

これによって、短光パルス伝送系などの非線形光学装置内で発生する群速度分散を補償し、短光パルスを照射する対象物に、ピークパワーの高い短光パルスを照射し、非線形光学効果を効率良く発生させることができる。

請求項８に係る発明は、請求項１−７のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、前記短光パルス伝送系は、中空コアフォトニック結晶ファイバを備えることを特徴とするものである。

請求項９に係る発明は、請求項８に記載の中空コアフォトニック結晶ファイバを備えた非線形光学装置において、前記短光パルス源は、中空コアフォトニック結晶ファイバの群速度分散がゼロである波長の短光パルスを出射することを特徴とするものである。

これによって、前記短光パルス伝送系の群速度分散を補償するような分散発生装置を備える必要がなくなり、装置構成が単純となる。

請求項１０に係る発明は、請求項８に記載の中空コアフォトニック結晶ファイバを備えた非線形光学装置において、前記短光パルス源は、非線形光学装置内の総群速度分散がゼロになる波長の短光パルスを出射することを特徴とするものである。

これによって、中空コアフォトニック結晶ファイバとその他の光学系（対物レンズなど）の群速度分散の総和がゼロになり、装置構成が単純となるとともに、短光パルスを照射する対象物に、ピークパワーの高い短光パルスを照射し、非線形光学効果を効率良く発生させることができる。

上記目的を達成する請求項１１に係る多光子顕微鏡の発明は、請求項１−１０のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とするものである。

上記目的を達成する請求項１２に係る内視鏡の発明は、請求項１−１１のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とするものである。

上記目的を達成する請求項１３に係る非線形光学装置の発明は、
対象物に短光パルスを照射して２次非線形光学効果を発生させる非線形光学装置であって、
短光パルスを発生する短光パルス源と、
該短光パルス源から発生した短光パルスを前記対象物に伝送するための短光パルス伝送系とを備え、
該非線形光学装置内で発生する非線形光学効果が実質的に無く、該非線形光学装置内の群速度分散量が実質的に無く、且つ、前記短光パルス源が発生する短光パルスのパルス時間幅（半値全幅）T_FWHMが、
Ｔ_１＜T_FWHM＜Ｔ_２ （１３）
を満たし、
ただし、

ｋ：パルス波形に依存して決定されるパラメータ
Ｄ_３ｄ：総群速度分散スロープ量
α＝０．５
であることを特徴とするものである。

請求項１４に係る発明は、請求項１３に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の非線形係数をγ、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質により伝送される前後の前記短光パルスのピークパワーのうちいずれか高い値をP_peak、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の物理長をＬ、総群速度分散量をD_2d、総群速度分散スロープ量をD_3d、前記短光パルスの出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間幅をＴ_０とするとき、

を満たすことを特徴とするものである。

請求項１５に係る発明は、請求項１３または１４に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス源は、該短光パルス源が発生する短光パルスのスペクトル半値幅（半値全幅）をf_FWHMとするとき、

を満たす短光パルスを発生することを特徴とするものである。

請求項１６に係る発明は、請求項１３−１５のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、
前記パラメータｋは、０．３５＜ｋ＜０．５５を満たすことを特徴とするものである。

請求項１７に係る発明は、請求項１３−１６のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス源は、チャープした短光パルスを発生するチャープ光発生装置と、該チャープ光発生装置から発生した短光パルスのチャープを補償するチャープ補償装置とを備えることを特徴とするものである。

請求項１８に係る発明は、請求項１７に記載の非線形光学装置において、
前記チャープ補償装置は、回折格子を備えることを特徴とするものである。

請求項１９に係る発明は、請求項１７に記載の非線形光学装置において、
前記チャープ補償装置は、プリズムを備えることを特徴とするものである。

請求項２０に係る発明は、請求項１３−１９のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス伝送系は、群速度分散補償装置を備えることを特徴とするものである。

請求項２１に係る発明は、請求項２０に記載の非線形光学装置において、
前記群速度分散補償装置は、回折格子を備えることを特徴とするものである。

請求項２２に係る発明は、請求項２０に記載の非線形光学装置において、
前記群速度分散補償装置は、プリズムを備えることを特徴とする。

請求項２３に係る発明は、請求項１３−２２のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス伝送系は、中空コアフォトニック結晶ファイバを備えることを特徴とするものである。

請求項２４に係る発明は、請求項１３−２３に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス源は、１ピコ秒以下の時間幅の短光パルスを発生することを特徴とするものである。

短光パルスの時間幅が１ピコ秒以下であれば、高ピークパワーのパルスとなり、対象物内で高い２次非線形光学効果が生じることが期待できる。

上記目的を達成する請求項２５に係る多光子顕微鏡の発明は、
請求項１３−２４のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、
前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とするものである。

上記目的を達成する請求項２６に係る内視鏡の発明は、
請求項１３−２４のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、
前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とするものである。

本発明によれば、所定の条件下で、短光パルス源が発生する短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）λ_FWHMが所定の範囲（λ_１＜λ_FWHM＜λ_２）を満たすようにしたので、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れを低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射することができる。

本発明に係る非線形光学装置の基本構成を示すブロック図である。 非線形光学装置内の群速度分散スロープによる波形歪みを表した図である。 ２次非線光学形効果により発生する信号光量と短光パルス源から射出される短光パルスのスペクトル幅との関係を示すグラフである。 本発明の第１実施の形態に係る小型顕微鏡非線形光学装置の概略構成図である。 図４のマイクロヘッドの詳細な構成を示す図である。 第１実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量と短光パルス源から射出される光パルスのスペクトル幅との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施の形態に係る内視鏡非線形光学装置の概略構成図である。 本発明の第３実施の形態に係る顕微鏡非線形光学装置の概略構成図である。 図８の分散発生装置の一例を示す構成図である。 第３実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量と短光パルス源から射出される光パルスのスペクトル幅との関係を示すグラフである。 短光パルス源内にチャープ付加装置を含む場合の短光パルス源構成図である。 本発明の第４実施の形態に係る顕微鏡非線形光学装置の概略構成図である。 第４実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量と短光パルス源から射出される光パルスのスペクトル幅との関係を示すグラフである。 2次非線光学形効果により発生する信号光量と短光パルス源から射出される光パルスのパルス時間幅との関係を示すグラフである。 本発明の第５実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。 図１５の群速度分散補償装置の一例を示す構成図である。 第５実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量と短光パルス源から射出される光パルスのパルス時間幅との関係を示すグラフである。 本発明の第６実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。 第６実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量と短光パルス源から射出される光パルスのパルス時間幅との関係を示すグラフである。 本発明の第７実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。 本発明の第８実施の形態に係る内視鏡の概略構成図である。

本発明の実施形態の説明に先立ち、本願発明の基本的な構成と、理論的な根拠を説明する。

図１は、本発明に係る非線形光学装置の基本構成を示す図である。短光パルスを発生する短光パルス源１と、短光パルス源１から発生した短光パルスを短光パルス照射対象物（以下、対象物と呼ぶ）３まで伝送するための短光パルス伝送系２とを備える。ここで、非線形光学装置は、短光パルスを対象物３に照射することにより、２光子蛍光および第２高調波発生等の２次非線形光学効果を発生させる装置である。対象物３から発生した、２光子蛍光や第２高調波等の信号光は、例えば、図示しない検出部によって検出される。

ここで、短光パルス源１および短光パルス伝送系２より構成される光学系は、公知の方法により、非線形光学効果および総群速度分散が低減できるか、あるいは、補償されるように構成することができる。一方、総群速度分散スロープ量は、容易に補償又は低減できず、無視することができない。そのような場合、短光パルスの波形の変形や歪みは、主として群速度分散スロープの存在に起因して発生する。

非線形光学装置内の非線形光学効果および総群速度分散量は、上述の（９）および（１０）の各条件式を満たすことが好ましい。式（９）を満たす場合、非線形光学装置内の非線形光学効果は、無視できるほど小さい。式（１０）を満たす場合、非線形光学装置内の群速度分散量は、無視できるほど小さい。式（９）および式（１０）が満たされ、さらに、式（１１）を満たす場合、非線形光学装置内の群速度分散スロープは、無視できない。これらの条件式が満たされることによって、短光パルス光学系で発生する非線形光学効果と群速度分散とは、無視できるほど小さくなるので、群速度分散スロープの存在に起因する短光パルスの波形変化が顕著に現れる。

図２は非線形光学装置内の群速度分散スロープに起因する短光パルスの波形変化を表した図であり、図２Ａは短光パルス源１出射直後の時間波形を示し、図２Ｂは短光パルス伝送系２出射後の時間波形を示している。短光パルス伝送系を伝送後の短光パルス時間波形にリンギングが発生し波形が歪んでいることが見てとれる。このような波形歪みが発生すると、短光パルスのピークパワーが低下し、短光パルス照射対象物で発生する非線形光学効果の効率が低下してしまう。

上述のような条件下において、まず、短光パルス伝送系内の総群速度分散スロープ量を考慮しないで計算すると、短光パルスが照射される対象物において２次非線形光学効果により発生する信号の単位時間あたりの光量Ｆ_ｎｏＤ［Ｗ］は以下の式（２３）のように表される。（参考文献：Winfried Denk, James H. Strickler, Watt W. Webb, "Two-Photon Laser Scanning Fluorescence Microscopy", Science, 248, pp.73-76, 1990）

ここで、Ａは［１／Ｗ］の次元を持つ係数、Ｐ_ａｖｅは短光パルスの単位時間における平均パワー、ｆ_ｒｅｐは短光パルスの繰り返し周波数、ｃは光速、λ_ＦＷＨＭは短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）、ａは前記短光パルスのフーリエ変換限界を規定する時間幅と周波数（スペクトル）幅を掛け合わせたパラメータで、短光パルスの波形に依存して変化し、パルス波形がガウシアン型の場合０．４４１となり、ハイパボリックセカント（ｓｅｃｈ）型の場合０．３１５となる。

式（１５）を見ると、短光パルスのスペクトル幅λ_ＦＷＨＭが広いほど、短光パルスを照射する対象物における２次非線形光学効果により発生する信号の光量Ｆ_ｎｏＤが高いことがわかる。

しかし、一般にスペクトル幅が広くなると、群速度分散スロープに起因する短光パルスの波形歪みは大きくなることが知られている。

それは式（１１）からも見て取れる。式（１１）は総群速度分散スロープ量とスペクトル波形の比を表しており、この値が大きくなるほど群速度分散スロープに起因する短光パルスの波形歪みは大きくなる。

そして、式（１１）をスペクトル幅λ_ＦＷＨＭで表すと、以下のようになり、スペクトル幅が大きいほど式（１１）の値も大きくなることがわかる。

ここで、ｂはＴ_０とＴ_ＦＷＨＭを関係付けるパラメータであり、式（２５）のように定義され、パルス波形がガウシアン型の場合１．６６５、ハイパボリックセカント（ｓｅｃｈ）型の場合１．７６３となる。

よって、以上の議論により、非線形光学装置内の群速度分散スロープが存在する場合、短光パルスを照射する対象物に２次非線形光学効果を最も効率良く発生させる、最適な短光パルスのスペクトル幅が存在することがわかる。

しかし、そのような最適なスペクトル幅が存在し、その最適なスペクトル幅を具体的に導出した文献は見当たらない。本発明では、その最適なスペクトル幅を群速度分散スロープの関数として導出した。

以下、非線形光学装置内に群速度分散スロープが存在するときの、短光パルスを照射する対象物における２次非線形光学効果の効率の導出について説明する。

短光パルス伝送系内における総群速度分散スロープ量を考慮すると、短光パルス波形の崩れによる影響で、信号光の光量Ｆ_ｎｏＤは、式（２３）に以下の式（２６）を乗じたものとなる。

ここで、kは短光パルスの波形により定まるパラメータであり、Ｄ_３ｄは総群速度分散スロープ量である。

また、ｋは総群速度分散スロープと短光パルスの波形とスペクトル幅とを変えて実験した結果、求められたパラメータであり、パルス波形がガウシアン型の場合０．５３５となり、ハイパボリックセカント（ｓｅｃｈ）型の場合０．３７０となる。もし、ガウシアン型とｓｅｃｈ型の中間のパルス波形の場合、これら２値の中間の値をとる。

すると、短光パルスが照射される対象物において２次非線形光学効果により発生する信号の光量Ｆは、式（２３）と式（２６）を掛け合わせた以下の式（２７）のように表される。

図３は、この式（２７）を短光パルスのスペクトル幅に関係するパラメータ（ａλ_ｃ ^２／ｃλ_ＦＷＨＭ）を横軸にとり、グラフに表したものである。

図３に示されるように、短光パルス伝送系内における総群速度分散スロープ量が無視できないほど大きい場合、対象物に短光パルスを照射して２次非線形光学効果により発生する信号の光量Fには、おおよそ最大（Ｆ_ＭＡＸ）となる短光パルスのスペクトル範囲λ_１＜λ_FWHM＜λ_２があり、そこから大きく外れると２次非線形光学効果により発生する信号の光量Fが著しく低下する。

ここで、２光子蛍光観察における蛍光強度や短光パルスを照射する対象物の熱損傷などを考慮すると、２次非線形光学効果により発生する光量が最も高い値（Ｆ_ＭＡＸ）から光量Ｆがその５０％（α＝０．５）に落ちるまでのスペクトル範囲（λ_１＜λ_ＦＷＨＭ＜λ_２）のλ_ＦＷＨＭを有する短光パルスを用いることが好ましい。更に、検出器の感度などを考えるとより好ましくはＦ_ＭＡＸの６０％以上、更には観察対象によっては７０％以上、また、微弱なシグナルを検出する場合は８０％以上となる範囲のλ_ＦＷＨＭが好ましい。

この最適な短光パルスのスペクトル幅λ_ＦＷＨＭの範囲λ_１、λ_２は以下の式（２）〜（８)から求められる。

a，ｋ：パルス波形に依存して決定されるパラメータ
λ_ｃ：パルスの中心波長
ｃ：光速
Ｄ_３ｄ：総群速度分散スロープ量
α＝０．５

ここで、ａは前述の通り、短光パルスの前記フーリエ変換限界を規定する時間幅と周波数（スペクトル）幅を掛け合わせたパラメータで、短光パルスの波形に依存して変化し、パルス波形がガウシアン型の場合０．４４１となり、ハイパボリックセカント（ｓｅｃｈ）型の場合０．３１５となる。

ｋは前述の通り、実験より求めた、短光パルスの波形に依存して変化するパラメータであり、パルス波形がガウシアン型の場合０．５３５となり、ハイパボリックセカント（ｓｅｃｈ）型の場合０．３７０となる。また、ガウシアン型とｓｅｃｈ型の中間のパルス波形の場合、a、ｋは、それぞれ上述の２値の中間の値をとる。

したがって、本発明の非線形光学装置は、群速度分散スロープを補償するための機構を設けなくとも、スペクトル幅λ_ＦＷＨＭが上記要件を満足するようにすれば、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れの影響を低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図４は、本発明の第１実施の形態に係る小型顕微鏡非線形光学装置１０の概略構成図である。本実施の形態は、顕微鏡を小型化したマイクロヘッド１４をマウスなどの実験小動物の頭部に固定して、麻酔をかけない状態でマウスの脳などの臓器を観察できるようにしたものである。

この小型顕微鏡非線形装置は、チャープしたガウシアン型短光パルスを発生する短光パルス源１１、レンズ１２、中空コアフォトニック結晶ファイバ１３、マイクロヘッド１４、マルチモード光ファイバ１５、レンズ１６、バリアフィルタ１７および検出器１８を含んで構成されている。

短光パルス源１１は、チャープした短光パルスを出射する短光パルス源であり、例えば、チタンサファイアレーザを用いた波長８００ｎｍの近赤外領域のガウシアン型短光パルスを発生する光源であり、平均パワーは２W、繰り返し周波数は８０MHｚ、時間幅（半値全幅）は３００ｆｓ、スペクトル幅（半値全幅）は７．８ｎｍで、チャープした短光パルスを出射する。

中空コアフォトニック結晶ファイバ１３は、８００ｎｍの波長の光に対して群速度分散はゼロである。しかし、レンズ１２などの光学系の群速度分散は存在するため、マウスなどの短光パルスを照射する観察対象１９上でほぼチャープのないパルスとなるように、あらかじめ短光パルス源１１内でチャープが付加されるように構成されている。

図４に示すように、短光パルス源１１を出射した短光パルスは、レンズ１２を用いて中空コアフォトニック結晶ファイバ１３に入射し、この中空コアフォトニック結晶ファイバ１３を通って、観察対象１９である例えばマウスの頭部に取付けられ固定されたマイクロヘッド１４に伝送される。

図５は、図４のマイクロヘッド１４の詳細な構成を示す図である。マイクロヘッド１４は、ピエゾＸＹスキャナ１４ａ、レンズ１４ｂ、分光ミラー１４ｃ、対物レンズ１４ｄ、バリアフィルタ１４ｅおよびレンズ１４ｆを含んで構成される。ピエゾＸＹスキャナ１４ａは、マイクロヘッド１４内へ導入された中空コアフォトニック結晶ファイバ１３の先端部と結合している。また、分光ミラー１４ｃは、短光パルスを透過させ、短光パルスの照射により観察対象物から発生する信号光を反射させるスペクトル特性を有する。中空コアフォトニック結晶ファイバ１３を出射した短光パルスは、レンズ１４ｂでコリメートされ、分光ミラー１４ｃを透過して対物レンズ１４ｄによりにより観察対象１９であるマウスの所望の位置を照射する。その際、ピエゾＸＹスキャナ１４ａを駆動することにより、観察対象１９上のパルス照射位置を順次走査させる。

例えば、観察対象１９がマウスの脳の場合、短光パルスの照射により発生した２光子蛍光や第二高調波等は、対物レンズ１４ｄを経て分光ミラー１４ｃで反射され、短光パルスによる迷光をカットするためのバリアフィルタ１４ｅを透過して、レンズ１４ｆにより集光されマルチモードファイバ１５に入射する。

その後、図４に示すように、信号光は口径の大きいマルチモードファイバ１５を通り、レンズ１６、バリアフィルタ１７を経て検出器１８によって検出される。検出器１８はピエゾＸＹスキャナ１４ａとともに図示しない画像処理装置に接続され、検出器１８で得られる信号光強度と観察対象１９上の短光パルス照射位置との情報に基づいて、２次元顕微鏡画像が形成される。

図６は、第１実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量Ｆと短光パルス源から射出される光パルスのａλ_ｃ ^２／ｃλ_ＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。そして、観察対象１９であるマウスに２次非線形光学効果を効率よく発生させるには、
０．０６５ ＜ ａλ_ｃ ^２／ｃλ_ＦＷＨＭ ＜ ０．４３４
を満たす短光パルスを照射するのが好ましい。ここから、最適な短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）の範囲を求めた結果、
λ_１＝ ２．２ｎｍ
λ_２＝ １４．５ｎｍ
となった。

よって、短光パルスを照射する観察対象に２次非線形光学効果を効率良く発生させるには、
２．２ｎｍ ＜ λ_ＦＷＨＭ ＜ １４．５ｎｍ
を満たすスペクトル幅の短光パルスを用いると良い。短光パルス源１１から発せられる短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）である７．８ｎｍは、この範囲内に属している。

また、短光パルス源１１を出射した直後の短光パルスは、
Ｔ_ＦＷＨＭ×ｆ_ＦＷＨＭ＝１．２
となっている。

これによって、中空コアフォトニック結晶ファイバ１３は、８００ｎｍの波長の光に対して群速度分散はゼロである。しかし、レンズ１２などの光学系の群速度分散は存在するため、マウスなどの短光パルスを照射する観察対象１９上でほぼチャープのないパルスとなるように、あらかじめ短光パルス源１１内でチャープが付加されるように構成されていることで、回折格子対などの分散補償器を新たに設ける必要がなくなる。

なお、本実施の形態では短光パルス源１１から出射される短光パルスは、チャープされている状態で出射されるとしたが、観察対象物上でほぼチャープのないパルスとなるように短光パルス伝送系が構成されていれば、短光パルス源１１で発生するパルスが、チャープのほとんどないフーリエ変換限界パルスとして出射されても同様の効果が得られる。

上記λ_ＦＷＨＭの好適な範囲の導出において、短光パルス源１１からはガウシアン型短光パルスが発生するとして、
ａ＝０．４４１
ｋ＝０．５３５
Ｄ_３ｄ＝０．００３ ｐｓ^３
α＝０．５
とし、これらのパラメータを式（２）から（８）に代入して求めた。

ここで、ｋとＤ_３ｄとの導出過程を簡単に説明する。まず、ｋは短光パルスの波形に依存するパラメータであり、ｋ＝ｋ_１×ｋ_２のように２つに分けることができる。

短光パルスが群速度分散スロープで波形歪みを起こした場合、その波形歪みにより、短光パルスが照射される対象から２次非線形光学効果により発生する信号光量Ｆが減少する。ｋ_１はその減少に関する係数を表している。

具体的に説明すると、群速度分散スロープがない、もしくはほとんど無視できる場合は、短光パルスが照射される対象物において２次非線形光学効果により発生する信号の光量 Ｆ_ｎｏＤは上述のように式（２３）で表すことができた。

しかし、系内の群速度分散スロープ量が無視できない場合、式（２６）を式（２３）に乗じたものとなる。

この式（２６）を書き換えると、以下のようになる。

２次非線形光学効果により発生する信号の光量Ｆは、式（２３）に式（２８）を乗じたものとなる。したがって、式（２８）は、フーリエ変換限界におけるパルス時間幅（Ｔ_０）の異なる光源を用意し、Ｄ_３ｄの群速度分散スロープを持つ光学系に入射させ、２次非線形光学効果により発生する信号光量を見積もると、ｋ_１の増加とともに信号光量Ｆが減少することを示し、ｋ_１はこのときの係数を表しており、実験結果により求められた値である。この値は、ガウシアン型短光パルスでは、ｋ_１＝０．１１６となる。

また、ｋ_２は、短光パルス波形の半値全幅Ｔ_ＦＷＨＭと、信号強度が１／ｅになる幅Ｔ_０との比の３乗である。よって、

と表され、ガウシアン型パルスではｋ_２＝１．６６５^３となる。

したがって、ｋはｋ_１、ｋ_２を掛け合わせて０．５３５と算出される。

次に群速度分散スロープＤ_３ｄの値の導出方法を説明する。Ｄ_３ｄは、中空コアフォトニック結晶ファイバ１３から発生するＤ_３ｄ１のみを考えればよい。それは中空コアフォトニック結晶ファイバ１３から発生する群速度分散スロープと比較して、その他のレンズ３２などから発生する群速度分散スロープ量は非常に小さいため、無視することができるためである。また、短光パルス源１１の３次以上の高次位相スペクトル変化も無視することができる。

よって、長さ３ｍの中空コアフォトニック結晶ファイバ３３から発生するＤ_３ｄ１は、波長８００ｎｍでは
Ｄ_３ｄ１ ＝ ０．００３ ｐｓ^３
なので、総群速度分散スロープＤ_３ｄは、
Ｄ_３ｄ＝０．００３ ｐｓ^３
となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ガウシアン型の短光パルス源および短光パルス伝送系を備える非線形光学装置であって、非線形光学装置内で発生する非線形光学効果が実質的に無く、非線形光学装置内の群速度分散量が実質的に無く、且つ、前記短光パルス源が発生する短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）λ_FWHM が、式（２）〜（８）に基づいて求めた式（１）の範囲２．２ｎｍ ＜ λ_ＦＷＨＭ ＜ １４．５ｎｍを満たすので、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れを低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射することができる。

また、式（１９）、（２０）、（２１）の条件が満たされる場合、非線形光学装置内の非線形光学効果および群速度分散効果が無視できるほど小さいので、群速度分散スロープの存在に起因する短光パルスの波形変化が顕著に現れるので、上記時間幅の超短パルスを使用することが特に有効である。

また、中空コアフォトニック結晶ファイバ１３を備え、短光パルス源１１がこの中空コアフォトニック結晶ファイバ１３の群速度分散がゼロとなる波長の光を出射することによって、前記短光パルス伝送系の群速度分散を補償するような分散発生装置を備える必要がなくなり、装置構成が単純となる。

さらに、短光パルス源１１が、非線形光学装置内の総群速度分散がゼロになる波長の短光パルスを出射することによって、中空コアフォトニック結晶ファイバとその他の光学系（対物レンズなど）の群速度分散の総和がゼロになり、装置構成が単純となるとともに、短光パルスを照射する対象物に、ピークパワーの高い短光パルスを照射し、非線形光学効果を効率良く発生させることができる。

また、短光パルス源１１が発生する短光パルスのスペクトル幅が０．５ｎｍ以上なので、対象物に照射する短光パルスが、高ピークパワーのパルスとなり、対象物内で高い２次非線形光学効果が生じることが期待できる。

（第２実施の形態）
図７は、本発明の第２実施の形態に係る内視鏡非線形光学装置２０の概略構成図である。本実施の形態は、図４の第１実施の形態において、マイクロヘッド１４を硬性部２１として、これに接続される中空コアフォトニック結晶ファイバ１３とマルチモードファイバ１５とを１本に束ねて可撓性の挿入部２２とし、単独でもしくは既存の内視鏡の鉗子穴に挿入するなどして使用することにより、内視鏡非線形装置２０として使用するものである。これによって、内視鏡として利用しても、第１実施の形態と同様の効果が得られる。

（第３実施の形態）
図８は、本発明の第３実施の形態に係る顕微鏡非線形光学装置３０の概略構成図である。
この顕微鏡非線形光学装置３０は、ｓｅｃｈ型短光パルスを発生する短光パルス源３１、レンズ３２、中空コアフォトニック結晶ファイバ３３、レンズ３４、分散発生装置３５、ガルバノミラー３６，分光ミラー３７、対物レンズ３８、バリアフィルタ４１および検出器４２を含んで構成されている。

短光パルス源３１は、例えば、チタンサファイアレーザを用いた波長１０３０ｎｍの近赤外領域のｓｅｃｈ型短光パルスを発生する光源であり、平均パワーは０．５W、繰り返し周波数は８０MHｚ、時間幅（半値全幅）は３７０ｆｓ、スペクトル幅（半値全幅）は１１ｎｍで、チャープした短光パルスを出射する。

レンズ３２、中空コアフォトニック結晶ファイバ３３、レンズ３４、分散発生装置３５、ガルバノミラー３６，分光ミラー３７、対物レンズ３８は、短光パルス源３１を出射した短光パルスを観察対象の観察対象３９まで伝送する短光パルス伝送系を構成する。ここで、分光ミラー３７は、短光パルス源から伝送された短光パルスを反射させ、短光パルスの照射により観察対象から発生する信号光は透過させる周波数特性を有する、ダイクロイックミラーである。

分散発生装置３５は、短光パルス源３１の２次のスペクトル位相変化と、レンズ３２から観察対象３９までの光学系の総群速度分散とを補償する装置である。

図９は、回折格子を用いた公知の分散発生装置３５の詳細な構成を示す図である。分散発生装置３５は、回折格子３５ａ，３５ｄ、レンズ３５ｂ，３５ｃおよびミラー３５ｅ，３５ｆを含んで構成される。短光パルス源３１から射出されたチャープした短光パルスは、回折格子３５ａに入射し回折される際に、波長成分により角度分散が生じる。さらに、角度分散により広げられた短光パルスは、レンズ３５ｂ，３５ｃを経て回折格子３５ｄで再び回折され平行光になり、ミラー３５ｅにより反射される。反射された光は、回折格子３５ｄ、レンズ３５ｃ，３５ｂおよび回折格子３５ａを経由して、ミラー３５ｆで反射されて出射する。これにより発生する群速度分散により、短光パルス源３１の２次のスペクトル位相変化と、レンズ３２から観察対象３９までの光学系の総群速度分散が補償される。

分散発生装置３５は、回折格子を含むものに限られず、プリズム、ガラスブロック、チャープミラーなどを用いた波長分散を発生する装置であれば良い。

次に顕微鏡非線形光学装置の装置全体の作用について説明する。短光パルス源３１から射出された光はレンズ３２を経由して、中空コアフォトニック結晶ファイバ３３に入射する。中空コアフォトニック結晶ファイバ３３から出射した短光パルスは、レンズ３４でコリメートされ、分散発生装置３５に入射し分散を受ける。

分散発生装置３５から出射した短光パルスはガルバノミラー３６で順次反射され、分光ミラー３７で反射され、対物レンズ３８により集光されて観察対象３９の所望の観察位置を照射する。その際、ガルバノミラー３６を駆動することにより、観察対象３９上のパルス照射位置を順次走査させる。

ここで、観察対象３９は、マウスなどの実験小動物や人間の皮膚などであり、短光パルスの照射により、これら観察対象から２光子蛍光や第２高調波（ＳＨＧ）が発生する。

発生した２光子蛍光または第２高調波は、対物レンズ３８を経て分光ミラー３７を透過し、短光パルスによる迷光をカットするためのバリアフィルタ４１を透過して、信号光として検出器４２によって検出される。検出器４２はガルバノミラー３６とともに図示しない画像処理装置に接続され、検出器４２で得られる信号光強度と観察対象３９上の短光パルス照射位置の情報に基づいて、２次元顕微鏡画像が形成される。

以上のような構成により、短光パルス源３１および短光パルス伝送系内で非線形光学効果はほとんど生じず、また、短光パルス源３１の２次のスペクトル位相変化と、レンズ３２から観察対象３９までの光学系の総群速度分散は、分散発生装置３５によって補償される。

一方、中空コアフォトニック結晶ファイバ３３などで主に発生する群速度分散スロープは補償されていない。さらに好適には、式（１９）、（２０）、（２１）の条件が満たされる。そこで、式（２）および式（３）によりλ_１、λ_２を求め、式（１）に基づいて、好ましい短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）の範囲を求めることができる。

図１０は、第３実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量Ｆと短光パルス源から射出される光パルスのａλ_ｃ ^２／ｃλ_ＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。このグラフに示すように、
０．０５ ＜ ａλ_ｃ ^２／ｃλ_ＦＷＨＭ ＜ ０．３３５
を満たす短光パルスが最適であり、ここから、最適な短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）の範囲を求めた結果、
λ_１＝３．３ ｎｍ
λ_２＝２２．３ ｎｍ
となった。

よって、短光パルスを照射する観察対象に２次の非線形光学効果を効率良く発生させるには、
３．３ｎｍ ＜ λ_ＦＷＨＭ ＜ ２２．３ｎｍ
を満たすスペクトル幅の短光パルスを用いると良い。

短光パルス源３１から発せられる短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）である１１ｎｍは、この範囲内に属している。

また、短光パルス源３１を出射した直後の短光パルスは、
Ｔ_ＦＷＨＭ×ｆ_ＦＷＨＭ＝１．１５
となっている。これによって、光源から出射した短光パルスのピークパワーが非常に高い場合、その後の光学素子（図示していないが、波長板など）の反射防止コートが焦げるなどの損傷が発生する場合がある。そのため、あらかじめ光源出射短光パルスにチャープを与えておき、ピークパワーを下げることで損傷の発生を抑えることができる。

本実施の形態も第１および第２実施の形態と同様に、短光パルス源から出射される短光パルスは、チャープされている状態で出射されるとしたが、チャープのほとんどないフーリエ変換限界パルスとして出射されても同様の効果が得られるため、短光パルス源から出射される短光パルスにチャープがほとんどなくても良い。

上記λ_ＦＷＨＭの好適な範囲の導出において、短光パルス源３１からはｓｅｃｈ型短光パルスが発生するとして、
ａ＝０．３１５
ｋ＝０．３７
Ｄ_３ｄ＝０．００２ ｐｓ^３
α＝０．５
とし、これらのパラメータを式（４）から（８）に代入して求めた。

ここで、第１実施の形態と同様に、ｋとＤ_３ｄとの導出過程を簡単に説明する。まず、ｋは短光パルスの波形に依存するパラメータであり、ｋ＝ｋ_１×ｋ_２のように２つに分けることができる。

フーリエ変換限界におけるパルス時間幅（Ｔ_０）の異なる光源を用意し、Ｄ_３ｄの群速度分散スロープを持つ光学系に入射させ、２次非線形光学効果により発生する信号光量を見積もると、ｋ_１の増加とともに信号光量Ｆが減少することを示し、ｋ_１はこのときの係数を表し、ｓｅｃｈ型短光パルスでは、ｋ_１＝０．０６７６となる。

また、ｋ_２は、短光パルス波形の半値全幅Ｔ_ＦＷＨＭと、信号強度が１／ｅになる幅Ｔ_０との比の３乗であり、

と表され、ｓｅｃｈ型パルスではｋ_２＝１．７６３^３となる。

したがって、ｋはｋ_１、ｋ_２を掛け合わせて０．３７と算出される。

次に群速度分散スロープＤ_３ｄの値の導出方法を説明する。Ｄ_３ｄは、中空コアフォトニック結晶ファイバ３３から発生するＤ_３ｄ１と、分散発生装置から発生するＤ_３ｄ２との和として計算した。これら中空コアフォトニック結晶ファイバなどから発生する群速度分散スロープと比較して、その他のレンズ３２などから発生する群速度分散スロープ量は非常に小さいため、無視することができる。また、短光パルス源の３次以上の高次位相スペクトル変化も無視することができる。

そして、中空コアフォトニック結晶ファイバ３３から発生するＤ_３ｄ１と、分散発生装置から発生するＤ_３ｄ２は、
Ｄ_３ｄ１ ＝ ０．００３ ｐｓ^３
Ｄ_３ｄ２ ＝ −０．００１ ｐｓ^３
であり、総群速度分散スロープＤ_３ｄは、
Ｄ_３ｄ＝０．００２ ｐｓ^３
である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ｓｅｃｈ型の短光パルス源および短光パルス伝送系を備える顕微鏡非線形光学装置であって、短光パルス源が発生する短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）が、式（２）〜（８）に基づいて求めた式（１）の範囲３．３ｎｍ＜λ_ＦＷＨＭ＜２２．３ｎｍを満たすようにしたので、群速度分散スロープによる短光パルスの波形崩れを低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射することができる。

また、式（１９）、（２０）、（２１）の条件が満たされる場合、非線形光学装置内の非線形光学効果および群速度分散効果が無視できるほど小さいので、群速度分散スロープの存在に起因する短光パルスの波形変化が顕著に現れ、上記スペクトル幅の短光パルスを使用することが特に有効である。

さらに、短光パルス源３１の２次のスペクトル位相変化と、レンズ３２から観察対象３９までの光学系の総群速度分散を補償する分散発生装置３５を設けたので、短光パルス伝送系などの非線形光学装置内で発生する群速度分散を補償し、短光パルスを照射する対象物に、ピークパワーの高い短光パルスを照射し、非線形光学効果を効率良く発生させることができる。

なお、短光パルス源３１はチャープした短光パルスを発生するが、図１１のようにほとんどチャープしていない短光パルスを発生する短光パルス発生装置３１ａと、該チャープしていない短光パルスに、チャープを与えるチャープ付加装置３１ｂとから構成しても良い。

また、図８のように、分散発生装置をレンズ３４直後に配置したが、これに限らず、短光パルス伝送系の任意の位置に配置することができる。

（第４実施の形態）
図１２は、本発明の第４実施の形態に係る顕微鏡非線形光学装置５０の概略構成図である。

この顕微鏡非線形光学装置は、ｓｅｃｈ型短光パルスを発生する短光パルス源５１、レンズ５２、中空コアフォトニック結晶ファイバ５３、レンズ５４、ガルバノミラー６１，分光ミラー６２、対物レンズ５５、バリアフィルタ６３および検出器６４を含んで構成されている。これらのうち、ガルバノミラー６１，分光ミラー６２、バリアフィルタ６３および検出器６４は、顕微鏡本体６０内に設けられている。

短光パルス源５１は、例えば、チタンサファイアレーザを用いた波長１０２０ｎｍの近赤外領域のｓｅｃｈ型短光パルスを発生する光源であり、平均パワーは０．６W、繰り返し周波数は８０MHｚ、時間幅（半値全幅）は１２０ｆｓ、スペクトル幅（半値全幅）は９ｎｍで、ほぼチャープの無い短光パルスを出射する。

更に、短光パルス源５１にはスペクトル幅を調整する図示しないスペクトル幅調整機構が備えられ、短光パルスを照射する対象物における非線形光学効果が最も効率よく発生するスペクトル幅に調整可能であり、非線形光学装置の群速度分散スロープから導出された最適なスペクトル幅９ｎｍに、あらかじめ調整してある。スペクトル幅調整機構としては、US7430071に記載されているようなPulse-Shaperなどがある。

レンズ５２、中空コアフォトニック結晶ファイバ５３、レンズ５４、ガルバノミラー６１，分光ミラー６２、対物レンズ５５は、短光パルス源５１を出射した短光パルスを観察対象５６である生体まで伝送する短光パルス伝送系を構成する。ここで、分光ミラー６２は、短光パルス源５１から伝送された短光パルスを反射させ、短光パルスの照射により観察対象５６から発生する信号光は透過させる周波数特性を有する、ダイクロイックミラーである。

次に顕微鏡非線形光学装置５０の装置全体の作用について説明する。短光パルス源５１から射出された光はレンズ５２を経由して、中空コアフォトニック結晶ファイバ５３に入射する。中空コアフォトニック結晶ファイバ５３から出射した短光パルスは、レンズ５４でコリメートされ、ガルバノミラー対６１で順次反射され、分光ミラー６２で反射され、対物レンズ５５により集光されて観察対象５６の所望の観察位置を照射する。その際、ガルバノミラー６１を駆動することにより、観察対象５６上のパルス照射位置を順次走査させる。

ここで、観察対象５６は、マウスなどの実験小動物や人間の皮膚などであり、短光パルスの照射により、これら観察対象から２光子蛍光や第２高調波（ＳＨＧ）が発生する。

発生した２光子蛍光または第２高調波は、対物レンズ５５を経て分光ミラー６２を透過し、短光パルスによる迷光をカットするためのバリアフィルタ６３を透過して、信号光として検出器６４によって検出される。

以上のような構成により、短光パルス源５１および短光パルス伝送系内で非線形光学効果はほとんど生じず、また、短光パルス源５１からはほとんどチャープのない短光パルスが出射される。

また、非線形光学装置５０内における群速度分散がほぼゼロになるように波長が選択されている。具体的には、対物レンズ５５などで発生する正の群速度分散量と、中空コアフォトニック結晶ファイバ５３で発生する負の群速度分散量の和がちょうどゼロになるような波長を選ぶことで達成される。

よって、中空コアフォトニック結晶ファイバ５３から発生する群速度分散Ｄ_２ｄ１と、対物レンズなどから発生するＤ_２ｄ２は、
Ｄ_２ｄ１ ＝ −０．０３ ｐｓ^２
Ｄ_２ｄ２ ＝ ０．０３ ｐｓ^２
であり、総群速度分散Ｄ_２ｄは、
Ｄ_２ｄ＝Ｄ_２ｄ１＋Ｄ_２ｄ２＝０．０ ｐｓ^２
であり、分散発生装置などの複雑な機構を設けることなく、非線形光学装置内の群速度分散量をゼロにすることができる。

一方、中空コアフォトニック結晶ファイバ５３などで主に発生する群速度分散スロープは補償されていない。さらに好適には、式（１９）、（２０）、（２１）の条件が満たされる。そこで、式（２）および式（３）によりλ_１、λ_２を求め、式（１）に基づいて、好ましい短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）の範囲を求めることができる。

図１３は、第４実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量Ｆと短光パルス源から射出される光パルスのａλ_ｃ ^２／ｃλ_ＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。その結果、
０．０５８ ＜ ａλ_ｃ ^２／ｃλ_ＦＷＨＭ ＜ ０．３８４
を満たす短光パルスが最適であり、ここから、最適な短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）の範囲を求めた結果、
λ_１＝２．８ ｎｍ
λ_２＝１８．８ ｎｍ
となった。

よって、短光パルスを照射する観察対象に２次の非線形光学効果を効率良く発生させるには、
２．８ｎｍ ＜ λ_ＦＷＨＭ ＜ １８．８ｎｍ
を満たすスペクトル幅の短光パルスを用いると良い。

短光パルス源５１から発せられる短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）である９ｎｍは、この範囲内に属している。

また、短光パルス源５１を出射した直後の短光パルスは、Ｔ_ＦＷＨＭ×ｆ_ＦＷＨＭ＝０．３１５となっているが、このようにチャープのない短光パルスについても、第１〜第３実施の形態と同様に、最適なスペクトル幅が求められる。

上記λ_ＦＷＨＭの好適な範囲の導出において、短光パルス源５１からはｓｅｃｈ型短光パルスが発生するとして、
ａ＝０．３１５
ｋ＝０．３７
Ｄ_３ｄ＝０．００３ ｐｓ^３
α＝０．５
とし、第１実施の形態と同様にこれらのパラメータを式（４）から（８）に代入して求めた。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ｓｅｃｈ型の短光パルス源および短光パルス伝送系を備える顕微鏡非線形光学装置であって、短光パルス源が発生する短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）が、式（２）〜（８）に基づいて求めた式（１）の範囲２．８ｎｍ＜λ_ＦＷＨＭ＜１８．８ｎｍを満たすようにしたので、群速度分散スロープによる短光パルスの波形崩れを低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射することができる。

また、スペクトル幅調整機構を備えたので、非線形光学効果を効率良く発生させることができるように、非線形光学装置内の総群速度分散スロープから計算される最適なスペクトル幅を設定することができる。これによって、より高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射することができる。

以下の第５〜第８実施の形態では、短光パルス源１は、式（２２）を満たすフーリエ変換限界（以下、変換限界という）に近い短光パルスを発生するものとする。Ｔ_ＦＷＨＭ・ｆ_ＦＷＨＭが０．８８を超えると、短光パルスを照射する対象物からの2次の非線形光学効果による信号光が完全な変換限界の半分程度以下となる。

ここでＴ_ＦＷＨＭ・ｆ_ＦＷＨＭの計算は、以下の式を用いてスペクトル幅を波長幅に直すことによって計算することができる。

ここで、ｃは光速、λ_ｃは短光パルスの中心波長、λ_ＦＷＨＭは波長幅（半値全幅）である。

上述のような条件下において、まず、短光パルス伝送系内の総群速度分散スロープ量を考慮しないで計算すると、短光パルスが照射される対象物において２次非線形光学効果により発生する信号の光量Ｆ_ｎｏＤ［Ｗ］は、式（２３）の左側に示したように、以下の式（３１）のように表される。

ここで、Ａは［１／Ｗ］の次元を持つ係数、Ｐ_ａｖｅは短光パルスの単位時間における平均パワー、ｆ_ｒｅｐは短光パルスの繰り返し周波数、Ｔ_ＦＷＨＭは短光パルス時間幅（半値全幅）である。

式（３１）を見ると、短光パルス時間幅が短いほど、対象物における２次非線形光学効果により発生する信号の光量Ｆ_ｎｏＤが高いことがわかる。しかし、短光パルス伝送系内における総群速度分散スロープ量を考慮すると、短光パルス波形の崩れによる影響で、信号光の光量Ｆ_ｎｏＤは、式（３１）に以下の式（３２）を乗じたものとなる。

ここで、kは短光パルスの波形により定まるパラメータであり、Ｄ_３ｄは総群速度分散スロープ量である。

すると、短光パルスが照射される対象物において２次非線形光学効果により発生する信号の光量Ｆは、式（３１）と式（３２）を掛け合わせた以下の式（３３）のように表される。

図１４は、この式（３３）を横軸に短光パルス幅Ｔ_ＦＷＨＭをとりグラフに表したものである。図１４に示されるように、短光パルス伝送系内における総群速度分散スロープ量が無視できないほど大きい場合、対象物に短光パルスを照射して２次非線形光学効果により発生する信号の光量Fには、最大（Ｆ_ＭＡＸ）となる短光パルス時間幅があり、そこから大きく外れると２次非線形光学効果により発生する信号の光量Fが著しく低下する。

ここで、２光子蛍光観察における蛍光強度や短光パルスを照射する対象物の熱損傷などを考慮すると、２次非線形光学効果により発生する光量が最も高い値（Ｆ_ＭＡＸ）から光量Ｆがその５０％（α＝０．５）に落ちるまでの範囲（Ｔ_１＜Ｔ_ＦＷＨＭ＜Ｔ_２）のＴ_ＦＷＨＭを有する短光パルスを用いることが好ましい。更に、検出器の感度などを考えるとより好ましくはＦ_ＭＡＸの６０％以上、更には観察対象によっては７０％以上、また、微弱なシグナルを検出する場合は８０％以上となる範囲のＴ_ＦＷＨＭが好ましい。

この最適な短光パルス時間幅Ｔ_ＦＷＨＭの範囲Ｔ_１、Ｔ_２を式（３３）から求めると、上述の式（１４）および（１５）が得られる。

ここで、ｋは短光パルスの波形に依存して変化するパラメータであり、パルス波形がガウシアン型の場合０．５３５となり、ハイパボリックセカント（ｓｅｃｈ）型の場合０．３７０となる。また、ガウシアン型とｓｅｃｈ型の中間のパルス波形の場合、この２値の中間の値をとる。

したがって、本発明の非線形光学装置は、群速度分散スロープを補償するための機構を設けなくとも、パルス時間幅Ｔ_ＦＷＨＭが上記要件を満足するようにすれば、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れの影響を低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射できる。

以下、本発明の第５〜第８実施の形態について説明する。

（第５実施の形態）
図１５は、本発明の第５実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。

この多光子顕微鏡は、チャープのないｓｅｃｈ型短光パルスを発生する短光パルス源８１、群速度分散補償装置７１、ビームエキスパンダ７２、ガルバノミラー６１ａ，６１ｂ、分光ミラー６２、対物レンズ５５、バリアフィルタ６３および検出器６４を含んで構成されている。ここで、第４実施の形態と同様の構成には、同一の参照符号を付している。

短光パルス源８１は、例えば、チタンサファイアレーザを用いた波長９８０ｎｍの近赤外領域のsech型短光パルスを発生する光源であり、平均パワーは１W、繰り返し周波数は８０MHｚ、時間半値全幅は８０ｆｓ、スペクトル幅は１３ｎｍである。

群速度分散補償装置７１、ビームエキスパンダ７２、ガルバノミラー６１ａ，６１ｂ、分光ミラー６２、対物レンズ５５は、短光パルス源８１を出射した短光パルスを観察対象の観察対象５６まで伝送する短光パルス伝送系を構成する。

群速度分散補償装置７１は、短光パルス源８１から観察対象５６までの光学系の総群速度分散量を補償する装置である。群速度分散補償装置７１は、例えば、プリズムペアを使用したものが知られており、図１６に示すように、プリズム７１ａ，７１ｂおよびミラー７１ｃ，７１ｄにより構成される。プリズム７１ａ、７１ｂの間隔はおよそ７５ｃｍで、用いるプリズムは硝材ＳＦ５８で構成されたブリュースタープリズムである。

図１６の群速度分散補償装置７１の作用を簡単に説明すると、短光パルス源８１から射出された短光パルスは、プリズム７１ａに入射し、これを通過する際、ガラスの屈折率分散による角度分散が生じる。さらに、角度分散により広げられた短光パルスは、プリズム７１ｂを通過して平行になり、ミラー７１ｃにより反射される。反射された光は、プリズム７１ｂ、７１ａを通過しミラー７１ｄで反射されて出射する。これにより発生する負の群速度分散により、非線形光学装置内の群速度分散が補償される。

次に多光子顕微鏡の装置全体の作用について説明する。短光パルス源８１から射出された光は、群速度分散補償装置７１を経由して、レンズ７２ａおよび７２ｂより構成されるビームエキスパンダ７２によりビーム径が拡大される。ビームエキスパンダ７２を出射した短光パルスは、ガルバノミラー６１ａおよび６１ｂで順次反射され、分光ミラー６２で反射される。以降の顕微鏡本体６０内での作用は、第４実施の形態と同様である。

以上のような構成により、短光パルス源８１および短光パルス伝送系内で非線形光学効果はほとんど生じず、また、ビームエキスパンダ７２や対物レンズ５５等で発生する群速度分散は、群速度分散補償装置７１によって補償される。一方、群速度分散スロープは補償されていない。さらに、好適には、式（１９）、（２０）、（２１）の条件が満たされる。そこで、式（１４）および式（１５）によりＴ_１、Ｔ_２を求め、式（１３）に基づいて、好ましい短光パルスの時間幅（半値全幅）を求めることができる。

図１７は、第５実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量Ｆと短光パルス源から射出される光パルスのパルス時間幅Ｔ_ＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。最適な短光パルス時間幅（半値全幅）の範囲を求めた結果、
Ｔ_１＝１２［ｆｓ］
Ｔ_２＝８３［ｆｓ］
となった。

よって、短光パルスを照射する観察対象に２次の非線形光学効果を効率良く発生させるには、
１２［ｆｓ］＜Ｔ_ＦＷＨＭ＜８３［ｆｓ］
を満たす時間幅の短光パルスを用いると良い。短光パルス源８１から発せられる短光パルス時間幅（半値全幅）である８０［ｆｓ］は、この範囲内に属している。

また、短光パルス源８１を出射した直後の短光パルスは、Ｔ_ＦＷＨＭ×ｆ_ＦＷＨＭ＝０．３３となり、式（２２）の条件を満たしている。

上記Ｔ_ＦＷＨＭの好適な範囲の導出において、短光パルス源８１からはｓｅｃｈ型短光パルスが発生するとして、
ｋ＝０．３７
Ｄ_３ｄ＝０．００００３［ｐｓ^３］
α＝０．５
とした。

ここで、Ｄ_３ｄは、ビームエキスパンダ７２などのレンズから発生するＤ_３ｄ１と、群速度分散補償装置（プリズム対）から発生するＤ_３ｄ２との和として計算した。前者は、使用しているレンズ材料屈折率の波長依存性を表すセルマイヤー方程式から求め、後者は、論文（R.L.Fork, O.E.Martinez, and J.p.Gordon, “Negative dispersion using pairs of prisms,” Opt. Lett., 9, pp.150 (1984)）に掲載のプリズム対からの群速度分散スロープを見積もる式から計算した。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ｓｅｃｈ型の短光パルス源および短光パルス伝送系を備える非線形光学装置であって、装置内で発生する群速度分散スロープにより生じる短光パルスの変形による広がりが、装置内で発生する非線形光学効果と群速度分散とにより生じる短光パルスの変形による広がりよりも大きく、且つ、短光パルス源が発生する短光パルスの時間幅（半値全幅）が、１２＜［ｆｓ］Ｔ_ＦＷＨＭ＜８３［ｆｓ］を満たすようにしたので、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れを低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射することができる。

また、式（１９）、（２０）、（２１）の条件が満たされる場合、非線形光学装置内の非線形光学効果および群速度分散効果が無視できるほど小さいので、群速度分散スロープの存在に起因する短光パルスの波形変化が顕著に現れるので、上記時間幅の超短パルスを使用することが特に有効である。

なお、群速度分散補償装置は、短光パルス源の直後に配置したが、これに限られず、総群速度分散を補償するために、短光パルス伝送系の任意の位置に配置することができる。また、群速度分散補償装置は、プリズム対を使ったものに限られず、回折格子対を用いたもの（第３実施の形態の分散発生装置と同様のもの）など、群速度分散を補償する種々の装置を利用することができる。

（第６実施の形態）
図１８は、本発明の第６実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。本実施の形態は、既存の多光子顕微鏡に本発明を適用したものである。

この多光子顕微鏡は、チャープのないガウシアン型短光パルスを発生する短光パルス源８２、レンズ５２、中空コアフォトニック結晶ファイバ５３、レンズ５４および既存の顕微鏡装置６０を含んで構成されている。

短光パルス源８２は、例えば、チタンサファイアレーザを用いた波長９８０ｎｍの近赤外領域のガウシアン型短光パルスを発生する光源であり、平均パワーは１W、繰り返し周波数は８０MHｚ、パルス時間半値全幅は１４８ｆｓ、スペクトル幅は１５ｎｍである。

短光パルス源８２を出射した短光パルスは、レンズ５２を用いて長さ３ｍの中空コアフォトニック結晶ファイバ５３に入射し、この中空コアフォトニック結晶ファイバ５３を通った後、レンズ５４を用いて平行ビームとして顕微鏡装置６０に供給される。一般に中空コアフォトニック結晶ファイバの群速度分散量と群速度分散スロープ量とは非常に大きいが、伝送される光の波長を選択することよって、群速度分散量をゼロにすることができる。本実施の形態の中空コアフォトニック結晶ファイバ５３は、短光パルス源８２の発生する短光パルスの波長９８０ｎｍで、群速度分散量がゼロになるものを用いる。

顕微鏡本体６０は、ガルバノミラー対６１、分光ミラー６２、対物レンズ５５、バリアフィルタ６３および検出器６３を含んで構成されている。ここで、ガルバノミラー対は、観察対象５６を走査するための２組のガルバノミラーであり、第５実施の形態における２つのガルバノミラー６１ａおよび６１ｂと同様の構成、作用を有している。また、顕微鏡本体６０内のその他の構成も、第４および第５実施の形態と同様であるので、同様の構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

なお、レンズ５２、中空コアフォトニック結晶ファイバ５３、レンズ５４、ガルバノミラー対６１、分光ミラー６２、対物レンズ５５は、短光パルス伝送系を構成する。

以上のような構成によって、短光パルス光源８２と顕微鏡装置６０との間を、中空コアフォトニック結晶ファイバ５３で接続するようにしたので、顕微鏡装置６０から離れた場所に短光パルス源８２を配置することができる。また、このような配置にすることで、短光パルス源８２からの短光パルスを、空間を伝播させ顕微鏡本体６０に導入する第５実施の形態のような場合と比べ、短光パルス源８２を動かしても、アライメントをし直す必要がないので、使い勝手が非常に良くなる。

また、以上のような構成によれば、短光パルス源８２および短光パルス伝送系内で非線形光学効果はほとんど生じず、また、中空コアフォトニック結晶ファイバ５３内では群速度分散は発生しない一方、大きな群速度分散スロープが発生している。この際、好適には、式（１９）、（２０）、（２１）の条件が満たされる。そこで、式（１４）および式（１５）から求めたＴ_１、Ｔ_２に基づいて、式（１３）から好ましい短光パルスの時間幅（半値全幅）を求めることができる。

図１９は、第６実施の形態における、２次非線形光学効果により発生する信号光量Ｆと、短光パルス源から射出される光パルスのパルス時間幅Ｔ_ＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。最適な短光パルス時間幅（半値全幅）の範囲を求めた結果、
Ｔ_１＝６５［ｆｓ］
Ｔ_２＝４３４［ｆｓ］
となった。

よって、短光パルスを照射する観察対象に２次の非線形光学効果を発生させるには、
６５［ｆｓ］＜Ｔ_ＦＷＨＭ＜４３４［ｆｓ］
を満たす時間幅の短光パルスを用いると良い。更には最も好ましい短光パルス時間幅（半値全幅）は１４８［ｆｓ］であり、本実施の形態の短光パルス源８２から発せられる短光パルス時間幅（半値全幅）は、最適な値となっていることがわかる。

また、短光パルス源８２出射直後の短光パルスは、Ｔ_ＦＷＨＭ×ｆ_ＦＷＨＭ＝０．７となり、式（２２）の条件を満たしている。

上記Ｔ_ＦＷＨＭの好適な範囲の導出において、短光パルス源からはガウシアン型短光パルスが発生するとして、
ｋ＝０．５３５
Ｄ_３ｄ＝０．００３［ｐｓ^３］
α＝０．５
とした。

ここで、群速度分散スロープＤ_３ｄは、中空コアフォトニック結晶ファイバのゼロ分散波長における分散スロープＤ（約４．４［ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ］）を用い、中空コアフォトニック結晶ファイバの長さＬ＝３ｍとして、公知の算出式（３４）

により算出した。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ガウシアン型の短光パルス源および短光パルス伝送系より構成される非線形光学装置であって、装置内で発生する群速度分散スロープにより生じる短光パルスの変形による広がりが、装置内で発生する非線形光学効果と群速度分散とにより生じる短光パルスの変形による広がりよりも大きく、且つ、短光パルス源が発生する短光パルスの時間幅を、６５［ｆｓ］＜Ｔ_ＦＷＨＭ＜４３４［ｆｓ］を満たすようにしたので、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れを低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射することができる。

また、式（１９）、（２０）、（２１）の条件が満たされる場合、非線形光学装置内の非線形光学効果および群速度分散効果が無視できるほど小さいので、群速度分散スロープの存在に起因する短光パルスの波形変化が顕著に現れるので、上記時間幅の短光パルスを使用することが特に有効である。

なお、本実施の形態では、群速度分散のない中空コアフォトニック結晶ファイバを用いたので、第５実施の形態と異なり、群速度分散補償装置を用いない構成とした。仮に、顕微鏡装置の観察対象までの光学系で対物レンズ等により無視できない大きさの群速度分散が発生する場合は、これを補償するために群速度分散補償装置を短光パルス伝送系内に設けても良い。

（第７実施の形態）
図２０は、本発明の第７実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。本実施の形態は、中空コアフォトニック結晶ファイバの先端に顕微鏡を小型化したマイクロヘッドを配置し、マウスなどの実験小動物の頭部に固定して、麻酔をかけない状態でマウスの脳などの臓器を観察できるようにしたものである。

この多光子顕微鏡は、チャープ光発生源８３、チャープ補償装置７５、レンズ１２、中空コアフォトニック結晶ファイバ１３、マイクロヘッド１４、マルチモード光ファイバ１５、レンズ１６、バリアフィルタ１７および検出器１８を含んで構成されている。

チャープ光発生源８３は、チャープしたパルスを射出する短光パルス光源であり、該チャープ光発生源８３の後段に配置されたチャープ補償装置７５は、そのチャープを補償するためのプリチャーパである。本実施の形態では、短光パルス源は、チャープ光発生源８３とチャープ補償装置７５とを含んで構成される。

チャープ補償装置７５は、例えば、図９の分散発生装置３５と同様に構成することができる。短光パルス源８３およびチャープ補償装置７５は、組み合わされて、チャープのない変換限界に近い短光パルスを発生する短光パルス源を構成する。その他の構成、作用は、第１実施の形態と同様なので、同一の構成には同一の参照符号を付して説明を省略する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、チャープしたパルスを発生するチャープ光発生源とチャープを補償するチャープ補償装置とを含んでチャープの無い短光パルス源を構成したので、所定の条件を満たす場合、この光源を用いて第５および第６実施の形態による非線形光学装置と同様の効果がえられる。

なお、チャープ補償装置としては、回折格子対を用いるものに限られない。第５実施の形態で、分散補償装置に使用したプリズム対を用いた装置と同様な構成の装置など、チャープした短光パルス源のチャープを補償する装置であれば、種々の装置を利用することが可能である。

（第８実施の形態）
図２１は、本発明の第８実施の形態に係る内視鏡の概略構成図である。本実施の形態は、図２０の第７実施の形態において、マイクロヘッド１４を硬性部２１として、これに接続される中空コアフォトニック結晶ファイバとマルチモードファイバとを１本に束ねて可撓性の挿入部２２とし、単独でもしくは既存の内視鏡の鉗子穴に挿入するなどして使用することにより、内視鏡非線形システム２０として使用するものである。これによって、内視鏡として利用しても、第７実施の形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、上記各実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、本発明の利用分野は、顕微鏡や内視鏡に限られず、２光子過程による２次の非線形光学効果を利用するものであれば、例えば材料の加工等の種々の分野にも適用可能である。また、上記第１〜第８の実施形態では、ｓｅｃｈ型またはガウシアン型の短光パルス源を用いたが、本発明が利用できる短光パルス源はこれに限られず、他の種々の光源を利用することが可能である。その場合、短光パルスの波形により、短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）または時間幅（半値全幅）の算出に用いたパラメータｋが異なる。特に、ガウシアン型とｓｅｃｈ型との中間に位置するようなパルス波形を有する場合、ｋの値もガウシアン型とｓｅｃｈ型との中間、すなわち、０．３５＜ｋ＜０．５５の範囲にある。このような波形の短光パルスに対しても、本発明の効果が有効に得られる。

１ 短光パルス源
２ 短光パルス伝送系
３ 短光パルス照射対象物
１０ 小型顕微鏡非線形光学装置
１１ 短光パルス源（ガウシアン型チャープ有り）
１２，１６，３２，３４，５２，５４ レンズ
１３，３３，５３ 中空コアフォトニック結晶ファイバ
１４ マイクロヘッド
１５ マルチモードファイバ
１７，４１，６３ バリアフィルタ
１８，４２，６４ 検出器
１９，３９，５６ 観察対象
２０ 内視鏡非線形光学装置
２１ 硬性部
２２ 挿入部
３１ 短光パルス源（ｓｅｃｈ型チャープ有り）
３０ 顕微鏡非線形光学装置
３５ 分散発生装置
３６，６１ ガルバノミラー対
３７ 分光ミラー
３８ 対物レンズ
５０ 顕微鏡非線形光学装置
５１ 短光パルス源（ｓｅｃｈ型チャープ無し）
５５ 対物レンズ
６０ 顕微鏡本体
６２ 分光ミラー
７１ 群速度分散補償装置
７１ａ，７１ｄ ミラー
７１ｂ，７１ｃ プリズム
７２ ビームエキスパンダ
７２ａ，７２ｂ レンズ
７５ チャープ補償装置
８１ 短光パルス源（ｓｅｃｈ型チャープ無し）
８２ 短光パルス源（ガウシアン型チャープ無し）
８３ チャープ光発生源

Claims (26)

1. 対象物に短光パルスを照射して２次非線形光学効果を発生させる非線形光学装置であって、
   短光パルスを発生する短光パルス源と、
   該短光パルス源から発生した短光パルスを前記対象物に伝送するための短光パルス伝送系とを備え、
   該非線形光学装置内で発生する非線形光学効果が実質的に無く、該非線形光学装置内の群速度分散量が実質的に無く、且つ、前記短光パルス源が発生する短光パルスのスペクトル幅（半値全幅）λ_FWHM が、
   λ_１＜λ_FWHM＜λ_２ （１）
   を満たし、
   ただし、
   

   

   a，ｋ：パルス波形に依存して決定されるパラメータ
   λc：パルスの中心波長
   ｃ：光速
   Ｄ_３ｄ：総群速度分散スロープ量
   α＝０．５
   であることを特徴とする非線形光学装置。
2. 前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の非線形係数をγ、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質により伝送される前後の前記短光パルスのピークパワーのうちいずれか高い値をP_peak、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の物理長をＬ、総群速度分散量をD_2d、総群速度分散スロープ量をD_3d、前記短光パルスのスペクトル幅から算出されるフーリエ変換限界の時間幅において、前記短光パルスの出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間幅をＴ_０とするとき、
   

   

   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の非線形光学装置。
3. 前記パラメータｋは、０．３５＜ｋ＜０．５５を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の非線形光学装置。
4. 前記短光パルス源は、ほぼチャープしていない短光パルスを発生する短光パルス発生装置と、該短光パルス発生装置から発生した短光パルスにチャープを加えるチャープ付加装置とを備えることを特徴とする請求項１−３のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
5. 前記短光パルス源は、スペクトル幅調整機構を備えていることを特徴とする請求項１−４のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
6. 前記短光パルス源は、０．５ｎｍ以上のスペクトル幅の短光パルスを発生することを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
7. 前記短光パルス伝送系は、分散発生装置を備えることを特徴とする請求項１−６のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
8. 前記短光パルス伝送系は、中空コアフォトニック結晶ファイバを備えることを特徴とする請求項１−７のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
9. 前記短光パルス源は、中空コアフォトニック結晶ファイバの群速度分散がゼロである波長の短光パルスを出射することを特徴とする請求項８に記載の非線形光学装置。
10. 前記短光パルス源は、非線形光学装置内の総群速度分散がゼロになる波長の短光パルスを出射することを特徴とする請求項８に記載の非線形光学装置。
11. 請求項１−１０のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とする多光子顕微鏡。
12. 請求項１−１０のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とする内視鏡。
13. 対象物に短光パルスを照射して２次非線形光学効果を発生させる非線形光学装置であって、
    短光パルスを発生する短光パルス源と、
    該短光パルス源から発生した短光パルスを前記対象物に伝送するための短光パルス伝送系とを備え、
    該非線形光学装置内で発生する非線形光学効果が実質的に無く、該非線形光学装置内の群速度分散量が実質的に無く、且つ、前記短光パルス源が発生する短光パルスのパルス時間幅（半値全幅）T_FWHM が、
    Ｔ_１＜T_FWHM＜Ｔ_２ （１３）
    を満たし、
    ただし、
    

    

    ｋ：パルス波形に依存して決定されるパラメータ
    Ｄ_３ｄ：総群速度分散スロープ量
    α＝０．５
    であることを特徴とする非線形光学装置。
14. 前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の非線形係数をγ、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質により伝送される前後の前記短光パルスのピークパワーのうちいずれか高い値をP_peak、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の物理長をＬ、総群速度分散量をD_2d、総群速度分散スロープ量をD_3d、前記短光パルスの出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間幅をＴ_０とするとき、
    

    

    を満たすことを特徴とする請求項１３に記載の非線形光学装置。
15. 前記短光パルス源は、該短光パルス源が発生する短光パルスのスペクトル半値幅（半値全幅）をf_FWHMとするとき、
    

    

    を満たす短光パルスを発生することを特徴とする請求項１３または１４に記載の非線形光学装置。
16. 前記パラメータｋは、０．３５＜ｋ＜０．５５を満たすことを特徴とする請求項１３−１５のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
17. 前記短光パルス源は、チャープした短光パルスを発生するチャープ光発生装置と、該チャープ光発生装置から発生した短光パルスのチャープを補償するチャープ補償装置とを備えることを特徴とする請求項１３−１６のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
18. 前記チャープ補償装置は、回折格子を備えることを特徴とする請求項１７に記載の非線形光学装置。
19. 前記チャープ補償装置は、プリズムを備えることを特徴とする請求項１７に記載の非線形光学装置。
20. 前記短光パルス伝送系は、群速度分散補償装置を備えることを特徴とする請求項１３−１９のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
21. 前記群速度分散補償装置は、回折格子を備えることを特徴とする請求項２０に記載の非線形光学装置。
22. 前記群速度分散補償装置は、プリズムを備えることを特徴とする請求項２０に記載の非線形光学装置。
23. 前記短光パルス伝送系は、中空コアフォトニック結晶ファイバを備えることを特徴とする請求項１３−２２のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
24. 前記短光パルス源は、１ピコ秒以下の時間幅の短光パルスを発生することを特徴とする請求項１３−２３に記載の非線形光学装置。
25. 請求項１３−２４のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、
    前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とする多光子顕微鏡。
26. 請求項１３−２４のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、
    前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とする内視鏡。
    
    

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