JP2012237714A5 - - Google Patents

Description

レーザラマン分光法は、ポンプ光として単一波長のレーザ光を被検体試料に照射し、その試料からの散乱光を分光する分析方法である。この散乱光であるストークス光又はアンチストークス光の波数のポンプ光に対するシフト量は、その被検体試料の物質固有の分子振動モードに対応している、物質によって特定のスペクトルとして観察される。このため、ラマン分光法は、赤外分光法と並んで分子指紋領域の分光法として、物質の解析・評価、医療診断、新薬や食品などの有機物の開発に、広く用いられている。

また、非線形ラマン分光法は、前述した従来のレーザラマン分光法と同様にラマン散乱光を測定するものであるが、３次の非線形光学過程を利用している点が異なる。３次の非線形光学過程は、励起光であるポンプ光、プローブ光及びストークス光の３種の光を入射して、散乱される光を検出する方法であり、例えば、ＣＡＲＳ（Coherent anti-Stokes Raman Scattering；コヒーレント・アンチ・ストークス・ラマン散乱）、ＣＳＲＳ（Coherent Stokes Raman Scattering；コヒーレント・ストークスラマン散乱）、誘導ラマン損失分光、誘導ラマン利得分光などがある。

＜１．第１の実施の形態＞
［装置の全体構成］
先ず、本開示の第１の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図１は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態の非線形ラマン分光装置１は、ＣＡＲＳ分光装置であり、図１に示すように、光源部１０、ポンプ・プローブ光生成部２０、ストークス光生成部３０、光照射部４０及び計測部５０が設けられている。

なお、光源部１０から出射されるパルス光の波長は、これらに限定されるものではなく、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの場合、１０６４ｎｍ以外に、波長が１３１９ｎｍ、１１２２ｎｍ及び９４６ｎｍの光を発振することが可能である。また、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザの場合は、１０６４ｎｍ以外に、波長が１３４２ｎｍ及び９１４ｎｍの光を発振することが可能である。更に、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの場合は、波長１０５３ｎｍ又は１０４７ｎｍの光を、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの場合は、波長１０３０ｎｍの光を、それぞれ発振することができる。

ただし、パルス幅を０．２ｎｓ未満にすると、レーザの機構が複雑になり、高価なものとなる。一方、パルス幅が１０ｎｓを超えると、１ショットあたりのパルスエネルギーが大きくなりすぎて、具体的にはレーザ光のパルスエネルギーが５μＪ以上となり、光ファイバ端面の損傷が生じたり、ストークス光の性能が不安定になったりすることがある。また、当然のことながら、レーザ動作時の消費電力が増加する。なお、レーザ１１から出射されるパルス光のパルス幅は、０．４〜５ｎｓであることが好ましい。

なお、光路長調整機構は、図１に示す構成に限定されるものではなく、例えば、ミラー２２ａ〜２２ｄ，２３ａ，２３ｂの光学配置により、ポンプ光３の光路長を、ストークス光５の光路長と一致させることができれば、ミラー２４，２５ａ，２５ｂは不要となる。

［計測部５０］
計測部５０は、試料２から発せられたＣＡＲＳ光を測定するものであり、例えば、対物レンズ５１、ショートパスフィルタ５２及び分光器５３などが設けられている。ショートパスフィルタ５２は、ポンプ光３及びストークス光５を遮断し、ＣＡＲＳ光のみを通過させるものである。同時に、試料で発生した蛍光も、ポンプ光３の波長よりも長波長であるため、ポンプ光３及びストークス光５と同様に効率良く遮断することができる。

光照射部４０に導入されたポンプ光３及びストークス光５は、ノッチフィルタ４１においてポンプ光３が反射し、ストークス光５は透過する。なお、ノッチフィルタ４１の代わりに、ロングパスフィルタを使用することもできる。そして、ポンプ光３及びプローブ光５は、ビームエキスパンダ４２，４３において、対物レンズ４５の入射瞳径に合うようビーム径が拡大された後、対物レンズ４５を介して、試料２に照射される。図４は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、長さ６ｍのシングルモードファイバを使用して生成したストークス光と、ポンプ光のスペクトルを示す図である。

＜２．第２の実施の形態＞
［装置の全体構成］
次に、本開示の第２の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図６は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図６においては、図１に示す第１の実施形態の非線形ラマン分光装置１の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図６に示すように、本実施形態の非線形ラマン分光装置６１は、ポンプ・プローブ光生成部７０の光路長調整機構が、ミラーによる反射ではなく、所定長の光ファイバ７３を通過させる構成となっている。具体的には、光源部１０から導入されたパルス光は、ミラー７１ａによりその光路が変更されて、光ファイバ７３に入射する。そして、光ファイバ７３を通過することによりその光路長が調整された後、ミラー７１ｂにより光路が変更されて、光照射部４０に出射される。

そして、レーザ１１ａから出射された短パルスレーザ光は、ストークス光生成部１３０に入射して、シングルモードファイバ３２により、連続白色光であるストークス光５に変換される。図１６は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、長さ１２ｍの偏波面保存シングルモードファイバを使用し、平均励起パワーが５０ｍＷのときのストークス光の強度分布を示す図である。図１６に示すように、長波長側に１００ｎｍ以上の平坦なストークス光強度分布が得られる。

そして、計測部１５０において、試料２から発せられたＣＡＲＳ光を検出し、ラマンスペクトルを得る。具体的には、試料２から発せられたＣＡＲＳ光を、対物レンズ５１で集光した後、ショートパスフィルタ５２で不要光を遮断した後、例えばマルチモード光ファイバ５４を介して、ＣＣＤなどの検出器５５を備える分光器５３に導入する。

＜６．第５の実施の形態＞
［装置の全体構成］
次に、本開示の第５の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図２２は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図２２においては、図２１に示す第４の実施形態の変形例の非線形ラマン分光装置２００の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

ここで、ＡＯＴＦ３５の指定波長へのアクセス時間は、およそ３０μｓであるから、ＣＣＤ検出器５５の蓄積時間を例えば３ｍｓとすると、十分な応答が可能である。なお、ＡＯＴＦ３５は、この場合、非回折ビームの全てがそのまま通過し、不要な波長成分のみが電気的に選択され、時分割で回折ビームとして排除される。一方、駆動ドライバによっては、時分割でなく、超音波振幅強度の変調により、指定の波長成分のパワーを排除する。これにより、波数２００〜３０００ｃｍ^―１において、平坦なストークス光強度分布を用いてＣＡＲＳ分光を行うことができる。

Claims (11)

1. 短パルスレーザ光を発生する２つの光源と、
   該光源の一方から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させるパルス制御部と、
   を有する非線形ラマン分光装置。
2. 前記２つの光源は、短パルスレーザ光を発生する第１の光源と、該第１の光源よりも長波長の短パルスレーザ光を発生する第２の光源であり、
   前記パルス制御部は、前記第２の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させる請求項１に記載の非線形ラマン分光装置。
3. 前記第１の光源から出射された短パルスレーザ光からストークス光が生成すると共に、前記第２の光源からの光をポンプ光兼プローブ光とし、
   前記パルス制御部により前記第２の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させることにより、前記ストークス光とポンプ光兼プローブ光とが同時に測定対象の試料に照射される請求項２に記載の非線形ラマン分光装置。
4. 前記第１の光源から出射された短パルスレーザ光から、連続白色光からなるストークス光を生成するシングルモードファイバを有する請求項２又は３に記載の非線形ラマン分光装置。
5. 前記パルス制御部は、前記第２の光源を電気的に制御することにより、短パルスレーザ光を時間遅延させる請求項２〜４のいずれか１項に記載の非線形ラマン分光装置。
6. ストークス光と、ポンプ光兼プローブ光とを合波した後で、これらの時間差を検出する検出部を有し、
   該検出部での検出結果が前記パルス制御部にフィードバックされる請求項１〜５のいずれか１項に記載の非線形ラマン分光装置。
7. 前記シングルモードファイバの後段に音響光学波長可変フィルタが配設されている請求項４に記載の非線形ラマン分光装置。
8. ストークス光の強度分布に応じて、波長選択時間又は前記音響光学可変フィルタの超音波強度を変調する請求項７に記載の非線形ラマン分光装置。
9. 前記音響光学可変フィルタにより、複数の分子振動スペクトルに対応する波長選択を行って、コヒーレント・アンチ・ストークス・ラマン散乱スペクトル強度を測定し、基準スペクトル強度に対する定量比を測定又はイメージングする請求項７又は８に記載の非線形ラマン分光装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の非線形ラマン分光装置を備えた顕微分光装置。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の非線形ラマン分光装置を備えた顕微分光イメージング装置。