JP2014072506A - レーザー装置および光音響装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡便な構成で、かつ、波長ずれや光路角度ずれをもたらす懸念の低い波長選択機構を有するレーザー装置を提供する。
【解決手段】出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、出力鏡と、固定された複数の反射面を有する反射手段とで形成される共振器と、共振器内の光軸に配置されるレーザー媒質と、レーザー媒質から光が発振して形成される光軸上の光路をいずれかの反射面を端部とする複数の光路に分岐させ、光軸外にあるときは光軸と同一の第一光路を形成し、光軸上にあるときは光軸の光を平行に移動させて分岐光路を形成する分岐手段と、分岐手段を光軸上と光軸外で移動させる移動手段を有し、反射面に応じて出力する光の波長が定められるレーザー装置を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長可変式のレーザー装置、および、該レーザー装置を利用した光音響装置に関する。
レーザー装置を用いた医療用の光音響トモグラフィー装置（ＰｈｏｔｏＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ装置：ＰＡＴ装置）の開発が進められている（非特許文献１）。かかるＰＡＴ装置を用いて、生体内部にある腫瘍周囲に集束する血管観察から腫瘍の有無を判断することや、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンのスペクトルの違いに基づき組織の機能解析を行うことが期待されている。
ＰＡＴ装置は、ナノ秒パルスレーザーを測定部位に照射して、光音響効果により発生する超音波（光音響波）を受信し、受信信号を解析することで画像を得る。生体内部では、照射したレーザー強度が生体内の拡散により減衰するため、特に乳房のように比較的深い生体部位から光音響波を取得する場合、パルス当りのエネルギー出力の高いレーザー光が必要とされる。
レーザー装置の中には、広い利得帯域を有するレーザー媒質であるチタンサファイアやアレキサンドライトを用いて波長を選択できるようにした、波長可変レーザー装置がある。波長可変レーザー装置から所望の波長のレーザーを発振させるために、一般的に、プリズム、回折格子あるいは複屈折板などの光学部材を利用した波長選択機構が利用される。上記光学部材を共振器内の光軸上に設置し機械的に移動させることにより発振波長を選択できる。
波長選択機構としてプリズムを用いる場合、プリズムの屈折率から考慮される波長ごとの光路角度ずれに対応して、共振器内で光束を共振させる。プリズム自身を共振器の反射鏡とするときは、共振器を構成する基板の面内方向で、プリズムを機械的に回転させる。一方、プリズムと別に反射鏡を利用するときは、プリズムを固定し、波長ごとの光路角度ずれに対応した位置にある反射鏡を機械的に回転させる。
波長選択機構として回折格子を用いる場合、プリズムの場合と同様に、発振波長に応じて反射鏡を機械的に回転させて波長選択を行う。
波長選択機構として複屈折板を用いる場合は、共振する光束の光軸が複屈折板の入射および射出面に対して一定角度を維持するように複屈折板を機械的に回転させることにより波長選択を行う。
また、共振器内部で同時に異なる２つの波長のレーザー光を発振させ、共振器外に波長選択フィルタを配置しておき、当該波長選択フィルタを光軸上に挿入させたり、光軸外に退出させたりすることにより、発振波長を選択する手法が開示されている（特許文献１）。
特開２００７-２４８３０４号公報
Ｓ． Ｍａｎｏｈａｒ ｅｔ ａｌ， Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＳＰＩＥ ｖｏｌ． ６４３７ ６４３７０２−１
ＰＡＴ装置で酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンのスペクトルの違いを検出するためには、少なくとも２波長のレーザー光を被検体に照射して、それぞれの波長で得られた光音響波に基づく信号の強度を比較する必要がある。測定される信号強度は、生体の状態や測定位置などの測定条件に影響を受けるため、各波長で得られる信号を比較する際には、波長以外の測定条件を一致させることが好ましい。そこで、波長を変更するのに要する時間はできるだけ短くして、生体の状態が変化しないうちに測定することが望まれる。
また、波長を変更するときに、光路角度ずれや発振波長ずれを抑制する必要がある。さらに、レーザー光の発振出力が一定であることや、それぞれの波長において、波長が一定であること（変動しないこと）も必要である。
また、ＰＡＴ装置は病院や検診施設等で利用されるので、そこに用いられるレーザー装置は、安定性が高く、光路角度ずれや発振波長ずれに伴う調整の必要性が少ないことが好ましい。
上記の要求を踏まえた上で、従来の波長可変レーザー装置をＰＡＴ装置に適用することを検討すると、以下の課題がある。
従来の、プリズムや回折格子を用いる波長可変機構では、ステージ等により反射鏡位置を回転制御する。ここで、もし反射鏡の回転位置ずれが起きると、発振波長が変動する。また、反射鏡のあおり角度がずれた場合は、アライメントずれにより発振出力が低下する。このため、波長を変更するたびに（例えば発振パルスごと）ステージ位置を精度よく移動させ、かつ、レーザー発振時にはその位置を安定的に静止させる必要がある。すなわち、波長の変更ごとにステージの回転と静止を繰り返すことになる。
しかし、駆動ステージに信頼性の高い部材を用いたとしても、繰り返し駆動に対する耐久性には限界がある。
一方、レーザーの出力安定性を確保するためには、レーザー使用環境における共振器の熱安定性を維持する事が不可欠である。一般的にレーザー基板にはアルミ基板が用いられるが、部材にアルミ以外の高耐久性部材を用いた場合、部材の違いにより熱膨張率が異なり、共振器全体の熱安定性維持に支障が生じる可能性がある。
複屈折板を用いる波長可変機構は、複数の複屈折板を組み合わせるため、サイズが大きくなる。波長可変機構においては、波長を変更するごとに複屈折板の回転と静止を繰り返すため、大きな複屈折板をその都度回転制御しなければならないという問題が生じる。このような問題は、特にレーザー光のパルスごとに波長を変える場合に顕著となり、パルスレーザーの周波数が上がるにつれて問題が大きくなる。もしも制御が困難になり、回転精度に劣化が生じると、選択する波長がずれてしまう。
上述の問題点を踏まえると、波長ずれや光路角度ずれをもたらす懸念の少ない波長可変機構が好ましい。
特許文献１にあるように、共振器外部の光軸上に波長選択フィルタを挿入および退出させることにより、発生した２波長のレーザー光のいずれかを選択する方法がある。このように共振器外で波長を選択すれば、光路ずれの問題はない。しかしながら、共振器内で２波長を同時発振する特別な構成が必要でありコスト面で不利となる。さらに、２波長のレーザー光を出力するにもかかわらず、フィルタを用いて一方の波長を遮蔽するため、エネルギー利用効率が低く、高出力を必要とする用途に不向きである。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便な構成で、かつ、波長ずれや光路角度ずれをもたらす懸念の低い波長選択機構を有するレーザー装置を提供することにある。
本発明は以下の構成を採用する。すなわち、
出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、
出力鏡と、固定された複数の反射面を有する反射手段とで形成される共振器と、
前記共振器内の光軸に配置されるレーザー媒質と、
前記レーザー媒質から光が発振して形成される前記光軸上の光路を、前記反射手段のいずれかの反射面を端部とする複数の光路に分岐させる分岐手段であって、前記光軸外の位置にあるときは、前記光軸と同一の光路である第一光路を形成し、前記光軸上の位置にあるときは、前記光軸の光を平行に移動させて分岐光路を形成する分岐手段と、
前記分岐手段を、前記光軸上の位置と前記光軸外の位置との間で移動させる移動手段と、
を有し、
前記反射面に応じて出力する光の波長が定められる
ことを特徴とするレーザー装置である。
本発明によれば、簡便な構成で、かつ、波長ずれや光路角度ずれをもたらす懸念の低い波長選択機構を有するレーザー装置を提供することができる。
本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。 分岐用光学部材の回転制御を示す構成図。 本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。 分岐用光学部材の移動制御を示す構成図。 分岐用光学部材の一形態を示す構成図。 分岐用光学部材の一形態を示す構成図。 本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。 反射手段の一形態を示す構成図。 本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。 波長検知手段の一実施形態を示す構成図。 波長検知手段の一実施形態を示す構成図。 熱レンズ補償方法を示す一実施形態を示す構成図。 本発明の光音響装置の一実施形態を示す構成図。
以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
本発明はまず、波長可変レーザー装置およびその制御方法として捉えることができる。そして本発明は、かかる波長可変レーザー装置を構成要素に含む光音響装置にも適用できる。すなわち、本発明の波長可変レーザー装置から被検体にレーザー光を照射し、被検体内の光吸収体から光音響効果により発生し伝播する光音響波を取得する、光音響装置である。このとき本発明にかかる波長可変レーザーを用いることにより、被検体に照射する光
の波長を簡便かつ安定性よく変更できるので、様々な、光吸収特性の異なる組織（光吸収体）の存在を特性情報として識別可能になる。
本発明で言う音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。光音響効果により発生した音響波のことを、光音響波または光超音波と呼ぶ。
＜実施形態１＞
以下、実施形態ごとに、レーザー装置の波長可変機構の構成を説明する。
（平行平板を用いる基本的な構成）
図１は本実施形態のレーザー共振器の構成図である。
励起光源１０１は、レーザー媒質１０２を励起するための光源である。出力鏡１０３、反射鏡１０４は、両者の間で反射する光の光軸を１０５とするレーザー共振器を構成する。平行平板１０６は、本実施形態における分岐用光学部材であり、光軸１０５上の位置（１０６ａ）と、光軸外の位置（１０６ｂ）の間を移動する。平行平板１０６が光軸上に挿入された際に生じる光路が分岐光路１０７である。反射鏡１０８は分岐光路１０７上に配置されており、出力鏡１０３との間で共振器を構成する。平行平板１０６を光軸外に退出させた場合の光路を第一光路１０９とする。ここでは、光軸１０５と第一光路１０９は同一の直線上に並ぶ。
出力鏡１０３には、所望の波長のレーザーを発振するために、発振波長における透過率を規定する誘電体膜が積層している。レーザー媒質１０２は、発振帯域の広い利得媒質からなり、例えば、チタンサファイア（Ｔｉ：ｓａ）、アレキサンドライトなどである。反射部は反射鏡１０４と反射鏡１０８の異なる反射部材を有し、それぞれ、レーザー媒質１０３の発振帯域内の所望の波長が反射するように配置され、それぞれの波長に好適な誘電体反射膜を備えている。この場合、複数の（２枚の）反射鏡がそれぞれ反射面となる。
本発明では、中心波長が所望の波長となるようにし、反射手段に応じて異なるスペクトル線幅を有する。高効率で大きなエネルギー出力を得ることを考慮すると一概に線幅を狭くすることを優先に考える必要はない。特に、光音響診断に搭載するレーザー装置においては、比較的広いスペクトル線幅のレーザー光であっても支障がない。
励起光源１０１としては、ランプや半導体レーザーによって励起されるレーザー光源や、ランプ等の光源を、用途に応じて使用することができる。たとえば、レーザー媒質にＴｉ：ｓａを用いる場合は、主に５００ｎｍ付近のレーザー光で励起する事が多く、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波である５３２ｎｍの波長のレーザー光を用いて励起する事が好ましい。レーザー媒質にアレキサンドライトを用いる場合は、ランプ励起が好ましい。また、光音響装置向けのパルスレーザー光を発振させるには、励起手段にフラッシュランプを利用し、出力鏡１０３とレーザー媒質１０２の間の光軸上に、ポッケルスセル等により構成される、不図示のＱスイッチ（Ｑ−ｓｗ）を配置すると良い。
平行平板１０６が光軸１０５の外に退出して位置１０６ｂにある場合の第一光路１０９（光軸１０５と同軸）と、平行平板１０６が光軸上に挿入されて位置１０６ａにある場合の分岐光路１０７を比較する。すると両者は平行であり、それぞれ反射鏡１０４と１０８に対応する。このように、平行平板１０６の光軸１０５上への挿入と、光軸１０５外への退出を切り替えることで、光路を変更し、発振波長を切り替えることができる。
平行平板１０６の材料は、屈折率が大きくレーザー損傷耐性の高いものが好ましく、石英などが好適である。平行平板１０６を透過する際に生じる損失を低減するために、平行
平板１０６は入射光に対してブリュースター角で配置する事が好ましい。なお、損失低減のために、入射面および射出面に誘電体反射防止膜を備える構成でも良い。
平行平板による光路の切り替えの可否は、挿入される平行平板１０６の光軸１０５上の位置や、平行平板１０６が光軸１０５上にどの程度の距離だけ挿入されるかに依存しない。すなわち、平行平板の挿入位置がわずかにずれた場合も、光路角度のずれが生じる可能性は低く、共振器のアライメントずれによる発振停止や発振出力低下などの悪影響が生じる可能性が低い。
挿入位置が多少ずれた場合であっても、反射鏡へ入射する光束の位置が若干変わるものの、レーザー媒質を通過する光束位置は変化しないため、レーザー出力等への影響は低い。言い換えると、挿入位置が多少ずれても、光路の角度ずれは生じず、分岐光路が第一光路に対して平行に維持される。さらに、反射鏡に付与された誘電体反射膜の特性が均一である場合、波長変動は生じないため発振波長ずれが生じる可能性も低い。
以上述べたように、分岐用光路部材に平行平板を用いることにより、安定した共振状態を維持したレーザー発振が可能となることが分かる。
（平行平板制御方法）
平行平板をパルスごとに制御して移動させることにより、パルスごとに異なる２波長で発振するレーザー装置を構成できる。図２には、平行平板を回転制御して光路切り替えを行う例を示す。光軸２０５、平行平板２０６、第一光路２０９，分岐光路２０７は、それぞれ図１のものに相当する。その他の構成要素は図１と同様である。ここでの平行平板２０６は、円形であり、回転軸を中心として一部が扇形状に欠けたものが好ましい。
図２（ａ）は、光軸２０５が平行平板２０６を通過しない場合を示し、その時の光路が第一光路２０９である。図２（ｂ）は、光軸２０５が平行平板２０６を通過する場合を示し、その時の光路が分岐光路２０７である。本図における分岐用光学部材は、一部が欠けた平行平板２０６であり、光軸２０５の上から離れた位置にある回転軸で面内回転する。図２（ａ）に示すように平行平板２０６が光軸２０５の外に退出する際は第一光路２０９（光軸２０５と同軸）を通りレーザー光が発振し、図２（ｂ）に示すように平行平板２０６が光軸２０５の上に挿入される際は分岐光路２０７を通りレーザー光が発振する。
（本実施形態の制御方法）
図１を用いて、本実施形態のレーザー発振制御について、１０Ｈｚの繰り返し周波数で発振するパルスレーザーの例を挙げて説明する。
まず、第１の波長のレーザー光が発振するように、平行平板を位置１０６ｂに退出させる。この時励起光源１０１からの光によりレーザー媒質１０２が励起され、光束が第一光路１０９を通り出力鏡１０３と反射鏡１０４の間で共振し、第１の波長のレーザー光が射出する。
レーザー光射出後、平行平板を位置１０６ａに移動させると、第２の波長のレーザー光が発振する。平行平板１０６の移動は、第一のレーザー光の発振が終了し第二の波長のレーザー光が発振する前に完了させる事が必要である。そのためには、平行平板の位置制御を、励起光をトリガーとして行うことが好適である。本実施形態では、パルスごとに発振波長を変えているが、任意の波長を連続させて発振させることも可能である。すなわち、分岐用光路部材である平行平板１０６の位置変更タイミングをプログラムすることにより、任意のパルス数ごとに波長を切り替えることができる。
＜実施形態２＞
（平行平板により３波長以上のレーザー光を発振させる構成）
図３Ａは本実施形態のレーザー共振器の構成図である。
本実施形態では、平行平板３０６を用いて３波長から所望の波長を選択できる。レーザー媒質を励起する励起光源３０１、レーザー媒質３０２、出力鏡３０３については、図１と同様の構成である。
本実施形態の平行平板３０６は、光束が透過する平行な平面の間隔が部位により異なる。このような特性は、２枚の平行平板をずらした状態でオプティカルコンタクトにより接着することで実現できる。平行平板３０６は、光軸３０５に対して、図３Ｂに示す３つの状態（位置）を取り得る。
すなわち、状態１（位置３０６ｂ）は、平行平板３０６が光軸３０５の外に退出した状態である。このとき、第一の波長を発振する光束が通過する第一光路３０９とその反射鏡３０４が共振器に含まれる。
状態２（位置３０６ａ）は、平行平板３０６の厚みが薄い部分を光束が通過する状態である。このとき、第二の波長を発振する光束が通過する第一分岐光路３０７とその反射鏡３０８が共振器に含まれる。
状態３（位置３０６ｃ）は、平行平板３０６の厚みの厚い部分を光束が通過する状態である。このとき、第三の波長を発振する光束が通過する第二分岐光路３１０とその反射鏡３１１により共振器が形成される。
このように、それぞれの光路において、異なる波長を反射する反射鏡を用意する事により、発振波長を選択することが可能となる。
本実施形態では３波長から発振波長を選択する例を示したが、さらに厚みの数を増やすことにより、４波長以上から選択することも可能である。
＜実施形態３＞
（楔形部材対を利用する平行ずれ量の増大方法）
本実施形態では、分岐用光学部材として楔形部材対を用いることにより、分岐光路の平行ずれ量を増大させる方法を説明する。図４において、光軸４０５、分岐光路４０７、第一光路４０９は、それぞれ図１のものと対応する。
実施形態１、２のように平行平板だけで平行ずれ量を大きくしようとすると、光束の屈折率が大きくなるように、平板厚みを厚くする必要がある。一方、本実施形態では、図４に示すように、２個の同形状の楔形部材を逆向きに配置した楔形部材対４０６を用いる。これにより、楔形部材対４０６を光軸４０５の外に退出させた際の第一光路４０９に対して、分岐光路４０７は平行を維持しつつ、大きな平行ずれ量を得ることができる。
このように、逆向きに配置された同形状の楔形部材対からなる分岐用光学部材によれば、光軸に対する分岐光路の平行ずれ量が大きくなるので、光路上に他の光学部材を設置することが容易になる。他の光学部材とは例えば、線幅を狭くするために挿入されるエタロン板や、熱レンズ効果対策として挿入されるテレスコープ等がある。
＜実施形態４＞
（平行平板を２個用いる平行ずれ量の増大方法）
本実施形態では、平行ずれ量を増やす別の方法について、図５を示して説明する。図中、光軸５０５、第一光路５０９、分岐光路５０７については、図１等と同様である。
本実施形態における分岐用光学部材は、可動な平行平板５０６に加え、第二平行平板５１２により構成される。第二平行平板５１２は、分岐光路５０７の光束上、かつ平行平板
５０６が光軸５０５の外に退出した状態における第一光路５０９の光束上からはずれた位置に固定される。
かかる構成により、分岐光路５０７をさらに平行にずらすことが可能となり、平行ずれ量の大きな分岐光路５１１を形成することができる。
＜実施形態５＞
（波長選択方法の一形態）
上記各実施形態では光路を平行にずらすための分岐用光学部材のバリエーションを挙げたが、ここでは、波長選択のための構成について説明する。
図６は本実施形態のレーザー共振器の構成図である。
励起光源６０１、レーザー媒質６０２、出力鏡６０３、光軸６０５、平行平板６０６、平行平板６０６の移動により形成される第一光路６０９および分岐光路６０７については、上記各実施形態と同様である。
本実施形態では、反射鏡の代わりに、プリズム６０４および６０８が配置されている。プリズム６０４は第一光路６０７が選択されたときに、出射鏡６０３との間で共振器を形成する。一方プリズム６０８は分岐光路６０９に対応する。よって複数のプリズムがそれぞれ反射面を持つ。
実施形態１では、利得帯域の広いレーザー媒質において所望の波長のレーザーを発振させるために、反射鏡に所望の波長を反射させる誘電体反射膜を積層していた。一方、本実施形態では、反射鏡の代わりに、所望の波長が反射するように角度を決定したプリズムを配置する。ここで、光束に対してプリズムの入射面を擬ブリュースター角度とする。
そして、プリズムへと入射し、分散した光束のうち、所望の波長の光がプリズムの反射面に垂直に入射するように、プリズムを設置する。例えば一面が直角三角形であるリトロ分散プリズムを用いる場合は、発振波長に応じて直角三角形以外の角度を調整したプリズムを用意することにより、加工精度範囲内で正確なブリュースター角入射が可能となる。しかしながら、ブリュースター角近傍の角度で入射した場合でも反射率は小さいできるため、厳密にブリュースター角入射に合わせなくても損失を抑える効果が得られる。プリズムの反射面には発振する波長の反射率が高い誘電体反射膜を用意する。
反射手段にプリズムを用いる場合、誘電体反射膜を用いた反射鏡と比較すると、発振するスペクトル線幅を狭くすることが可能となる。
（変形例）
第一光路６０９と分岐光路６０７の光路の平行ずれ量が小さい場合は、それぞれの光路の端部に異なるプリズムを配置する代わりに、図７に示すように反射部に角度の異なる２面の反射面を有する反射用プリズム７０４を用いる事が可能である。図７では、発振させる波長において、プリズム７０４の屈折率から考慮される光路角度ずれに対応して、各波長の光束が反射して共振するようなプリズム７０４を用いる必要がある。
＜実施形態６＞
（波長選択方法の一形態）
図８は本実施形態のレーザー共振器の構成図である。
励起光源８０１、レーザー媒質８０２、出力鏡８０３、光軸８０５、分岐用光学部材である平行平板８０６については、上記各実施形態のものと同様である。
本実施形態では、平行平板８０６を光軸８０５上に挿入したとき（位置８０６ａ）、光束は分岐光路８０７を通り、出力鏡８０３と反射鏡８０８により共振器が形成される。一方、平行平板８０６を光軸８０５から退出させた場合（位置８０６ｂ）、光路は光軸８０５と一致し、光束は第一光路８０９を通り、出力鏡８０３と反射鏡８０４により共振器が形成される。
本実施形態では、特に、平行平板８０６と反射鏡８０４および反射鏡８０８の間に、光路変更用のプリズム８１０が配置されている。また、第一光路８０９と分岐光路８０７はそれぞれ、プリズム８１０の異なる面である第一の面、第二の面に入射し、同一の第三の面から射出する。
プリズム８１０は第一光路８０９及び分岐光路８０７の光束に対して擬ブリュースター角で設置する。擬ブリュースター角とすることで反射による損失を軽減する事が可能となるため、プリズム８１０の入射面及び射出面に誘電体膜を形成する必要はない。誘電体膜を付与する部材では部材端部の誘電体膜の特性に留意する必要があるが、本実施形態ではプリズム８１０に誘電体膜を付与する必要がないため、プリズム８１０の稜線近傍を利用できる利点がある。そのため、特に、平行平板８０６による光路の平行ずれ量が少ない場合に適する形態である。
また、反射鏡８０４と反射鏡８０８の設置位置を調整することにより、プリズム８１０で分散された波長のうち所望の波長のみを反射させることができる。よって、反射鏡に誘電体反射膜を付与する際には、選択する波長の反射率が高くなるようにすることが好ましい。
＜実施形態７＞
（波長検知を含む一実施形態）
上記各実施形態では、分岐用光学部材の位置を制御して、あらかじめ決められた波長が発振するように波長を選択している。すなわち、分岐用光学部材が波長変換機構である。このような波長変換機構においては、以下の構成を採用することにより、どの波長のレーザー光が発振しているかを検知する事が容易となる。
図９に、発振波長検知方法の一形態を示す。共振器の構成は図１と同様である。すなわち共振器は、励起光源９０１、レーザー媒質９０２、出力鏡９０３、反射鏡９０４または９０８、光軸９０５を含み、平行平板９０６の位置（９０６ａまたは９０６ｂ）に応じて分岐光路９０７と第一光路９０９の間で光路が選択される。
本実施形態では、反射鏡９０４および９０８それぞれの背部（光路から外れた位置）に、光検出器９１０および９１１を設置する。そして、光検出器が共振器からの漏れ光を検知する事により、第一光路９０９または分岐光路９０７のいずれを通る共振器においてレーザー発振しているかが分かる。また、レーザー制御部９１２は、平行平板９０６の位置や、励起光源９０１による光照射を制御可能な処理装置である。
発振する光束が通る共振器が決まれば発振波長が決まるため、分光器等の高価でかつ容積の大きな装置を用いることなく安価で小型な光検出器により発振波長検知が可能となる。そして、光検知信号を入力されたレーザー制御部９１２が、平行平板９０６の位置や励起光源９０１の光照射を制御して、発振波長変換を適切に行うことが可能となる。
＜実施形態８＞
（波長検知を含む一実施形態）
図１０に、実施形態７とは別の発振波長検知方法を示す。実施形態７と異なる点は、図
９の光検出器９１０および９１１に代えて、フォトカプラー１０１０を有する点である。
フォトカプラー１０１０は、平行平板１００６が、光軸１００５の外の位置１００６ｂにあるか否かを検出できる。平行平板の位置に応じてレーザー光の光路、さらには発振波長が決定されるので、フォトカプラー１０１０で平行平板の位置を検出すれば、結果として発振波長を検知できる。この構成により、分光器等の装置を用いることなく安価で小型なフォトカプラーにより発振波長検知が可能となる。
フォトカプラーは、光軸１００５の上に挿入された平行平板１００６の位置を検知するように配置しても構わない。図１０では並進制御される平行平板を示したが、図２のような扇形状平行平板を利用する場合、フォトカプラーで光軸１００５上に扇形状平行平板が挿入される位置を検出しても良い。フォトカプラーの検知信号を入力されたレーザー制御部１０１１が、平行平板１００６の位置や励起光源１００１の光照射を制御して、発振波長変換を適切に行うことが可能となる。
＜実施形態９＞
（熱レンズ補正を含む一実施形態）
レーザー装置にアレキサンドライトレーザーを用いる場合は、発振の上準位寿命が長いためフラッシュランプ励起が好適である。フラッシュランプは比較的安価な励起手段であり、かつ出力エネルギーの大きな用途に好適であるという長所がある。一方、発光スペクトル幅が広く励起による光利用変換効率が低いため、レーザー発振に不要な熱が生じる問題がある。レーザー媒質に吸収された熱はレーザー媒質内部に屈折率変化をもたらし、熱レンズ効果が生じる。レーザー媒質にアレキサンドライトを利用する場合、熱レンズ効果による線質の低下を軽減することが不可欠である。
熱レンズ効果対策のための一般的かつ簡便な方法として、反射鏡の反射面に曲率を付与する方法がある。しかしながら、熱レンズはフラッシュランプによる励起エネルギーに依存するため、励起エネルギーに応じたレンズパワーを有する曲率に変える必要がある。そのため、波長ごとにランプエネルギーが変える場合は、一つの反射鏡で対応することはできない。
図１１に、熱レンズの影響を低減するための一形態を示す。共振器の構成は図１とほぼ同様である。すなわち、共振器は励起光源１１０１、レーザー媒質１１０２、出力鏡１１０８、反射鏡１１０４、出力鏡１１０３と反射鏡１１０４を共振器とする光軸１１０５を有する。平行平板１１０６が光軸１１０５に挿入された際の光路が分岐光路１１０７であり、反射鏡１１０８に光が導かれる。平行平板１１０６を光軸から退出させた場合の光路が第一光路１１０９であり、反射鏡１１０４に光が導かれる。図１との相違点は反射鏡１１０４および１１０８の形状と機能である。
このとき、フラッシュランプの励起出力は波長ごとに決めておく。そして、反射鏡１１０４と反射鏡１１０８には、その励起出力に対応した熱レンズの影響を相殺するように、異なる曲率を付与する。このように本実施形態によれば、反射鏡を用いて波長を選択する際に、熱レンズ効果を容易に相殺することが可能となる。
＜実施形態１０＞
（レーザー装置を用いた光音響装置）
上記各実施形態では、波長可変レーザー装置において、波長ずれや光路角度ずれを長期間に渡り考慮しなくても済むような、安定的に波長選択を行える構成を示した。
本実施形態では、かかるレーザー装置をＰＡＴ装置に適用した例を説明する。これによ
り、２波長以上の波長を用いる測定が精度よく行える。特に、血液中のヘモグロビンの酸素飽和度を求めることで生体内の機能情報を抽出することが可能となる。酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸収係数は８００ｎｍ付近で交差するため、８００ｎｍ前後の波長領域を照射可能なレーザー装置が好適である。そして、本発明のレーザー装置であれば、パルスごとに必要な波長の光を照射できるので、体動などの影響が抑制された精度良い酸素飽和度分布の検出が可能となる。
本実施形態では、具体的には以下のようなＰＡＴ装置を例示する。
まず、超音波素子とレーザー照射部が一体化したプローブを、固定した被検体上で走査する固定型ＰＡＴ装置が挙げられる。本発明のレーザー装置であればパルスごとに波長を切り替えられるので、プローブの走査速度を速めた場合でも、ほぼ同じ位置から、異なる波長の光に基づく光音響波を取得することができ、診断の迅速化が可能となる。また、ほぼ同じ時刻に、同じ位置から、異なる波長の光に基づく光音響波を取得することができるため、呼吸などによる測定位置ずれの影響を軽減できる。すなわち、２波長の照射光による受信信号を高精度に比較する事が可能となる。
また、従来の超音波診断装置に光音響波取得機能を付与したハンドヘルド型ＰＡＴ装置も考案されている。ハンドヘルド装置の場合、使用する医療従事者が任意の場所、任意のタイミングでＰＡＴプローブを走査する。ハンドヘルド型ＰＡＴ装置でも、上記固定型ＰＡＴ装置と同様に、パルスごとの波長制御が可能となるため、測定の迅速化や精度向上の点で有用である。
波長選択に伴う発振安定性の高い本発明のレーザー装置を搭載するＰＡＴ装置では、繰り返し周波数が高まった場合においても、不安定化に対する考慮が不要であり、パルスごとに安定した発振が可能となる。数パルスまたは数十パルスごとに波長を切り替えるような場合にも、発振安定性に問題がないため多くの使い方が可能となる。
＜実施例＞
以下に医療用ＰＡＴ装置に本発明のレーザー装置を適用した実施例を示す。
図１２は、医療用ＰＡＴ装置１２００に組み込まれたレーザー装置の概略図を示す。本レーザー装置は、アレキサンドライト結晶をレーザー媒質とし、波長８００ｎｍと７５５ｎｍのレーザー発振が可能である。励起光は繰り返し周波数１０Ｈｚで駆動する。
レーザー装置部分の構成は以下の通りである。励起チャンバー１２１０内に、アレキサンドライトを励起するフラッシュランプ１２０１とアレキサンドライト結晶１２０２が配置される。平行平板１２０６は厚さ３０ｍｍの合成石英であり、両面は光学研磨され平坦度λ/２０、平行度１秒以下とした。平行平板１２０６は、発振するレーザー光路に対し
てブリュースター角となるように配置される。出力鏡１２０３には、波長８００ｎｍと波長７５５ｎｍが透過率４０％となる誘電体膜が付与される。反射鏡１２０４には、中心波長８００ｎｍの光を高反射する誘電体反射膜が、反射鏡１２０８には、中心波長７５５ｎｍの光を高反射する誘電体反射膜が付与される。出力鏡１２０３と励起チャンバー１２１０の間の光軸１２０５の上には、ポッケルスセルから成るＱスイッチ１２１１が配置される。
平行平板１２０６が光軸１２０５の上から退出した状態（位置１２０６ｂ）では、光束は光軸１２０５と共通の第一光路１２０９を通る。このとき波長８００ｎｍの光が発振する。一方、平行平板１２０６が光軸１２０５に挿入された状態（位置１２０６ａ）では、光束は分岐光路１２０７を通る。このとき波長７５５ｎｍの光が発振する。平行平板１２０６を挿入した際の分岐光路１２０７は第一光路１２０９に対して平行であり、反射鏡１２０４と反射鏡１２０８の反射面は光軸に１２０５に対して直角である。
（工程１：波長８００ｎｍの第一パルス発振）
まず、平行平板が位置１２０６ｂにある状態でフラッシュランプを発光させ、発光をトリガーとして出力エネルギーが最大となるタイミングである１５０μｓ後にＱスイッチ１２１１によりレーザーを発振させる。すると、出力鏡１２０３と反射鏡１２０４間で共振した光束が、発振波長８００ｎｍ、パルス幅５０ｎｓ、出力１５０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、スペクトル線幅８ｎｍ（半値全幅）で放射される。
（工程２：波長７５５ｎｍの第二パルス発振）
続いて、平行平板を並進制御して位置１２０６ａに移動させる。そして、フラッシュランプを発光させる。ランプの繰り替えし周波数は１０Ｈｚである。発光をトリガーとして１５０μｓ後にＱスイッチによりレーザーを発振させる。すると、光束が、分岐光路１２０７を通り出力鏡１２０３と反射鏡１２０８からなる共振器で共振する。発振するレーザー光は、発振波長７５５ｎｍ、パルス幅５０ｎｓ、出力２００ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、スペクトル線幅８ｎｍ（半値全幅）である。
続いて工程１に戻り、再度波長８００ｎｍのパルスを発振する。このようなシーケンスによって異なる２つの波長をパルスごとに交互に発振させたところ、それぞれの波長にて上記特性の安定した発振が得られた。
出力エネルギーのエネルギーばらつきを測定したところ、各波長において１％ＲＭＳであり、平行平板を移動させずに測定した各波長での安定性と同じであった。発振波長を分光器で測定したところ波長変動は観測されず、分光器分解能１ｎｍでは測定できない安定性を示した。本レーザーは、波長変換機構に発振特性への影響の少ない平行平板を用いているため、長期安定性に優れており共振器にアライメントずれ等が生じる可能性が非常に低い。また、エネルギー損傷閾値の高い光学部品で形成されており、共振器内部での各光学部品での光エネルギー損失も低い。故に、高効率で高い出力エネルギーの照射が可能となった。
本実施例のレーザー装置は、上記の共振器を除振機構の付いたキャスター付きのレーザー筐体に入れて構成される。そして、かかるレーザー装置を、生体等の被検体を固定する機構や、固定された被検体上で走査可能なプローブ等と合わせて、固定型ＰＡＴ装置を作製した。ＰＡＴ装置はまた、プローブで取得した光音響波に基づいて被検体内の特性情報を生成する情報処理装置も備える。
固定型ＰＡＴ装置により、酸化型ヘモグロビンおよび還元型ヘモグロビンを模倣した血管を有する生体模倣サンプルの比較的広い測定範囲を走査した。このとき、パルスごとに８００ｎｍと７５５ｎｍを切り替えて測定し、各波長特有の機能情報を取得した。その結果、位置ずれや測定時間ずれによる取得信号への影響が少なく高精度の機能情報を得ることができた。すなわち、本発明のレーザー装置を用いることで、病院内において安定的に稼働するＰＡＴ装置を作成できることが示された。
１０１：励起光源、１０２：レーザー媒質、１０３：出力鏡、１０４，１０８：反射鏡、１０５：光軸、１０６：平行平板、１０７：分岐光路、１０９：第一光路

Claims (15)

  1. 出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、
    出力鏡と、固定された複数の反射面を有する反射手段とで形成される共振器と、
    前記共振器内の光軸に配置されるレーザー媒質と、
    前記レーザー媒質から光が発振して形成される前記光軸上の光路を、前記反射手段のいずれかの反射面を端部とする複数の光路に分岐させる分岐手段であって、前記光軸外の位置にあるときは、前記光軸と同一の光路である第一光路を形成し、前記光軸上の位置にあるときは、前記光軸の光を平行に移動させて分岐光路を形成する分岐手段と、
    前記分岐手段を、前記光軸上の位置と前記光軸外の位置との間で移動させる移動手段と、
    を有し、
    前記反射面に応じて出力する光の波長が定められる
    ことを特徴とするレーザー装置。
  2. 前記分岐手段は平行平板であり、屈折により前記光軸上の光路を平行に移動させる
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
  3. 前記移動手段は、前記平行平板を並進制御して移動させる
    ことを特徴とする請求項２に記載のレーザー装置。
  4. 前記移動手段は、前記平行平板を回転制御して移動させる
    ことを特徴とする請求項２に記載のレーザー装置。
  5. 前記分岐手段は、厚みの異なる複数の平板を含む部材であり、厚みに応じて前記光の平行ずれ量が異なる複数の分岐光路を形成し、
    前記反射手段は、それぞれの分岐光路に応じた反射面を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
  6. 前記分岐手段は、逆向きに配置された同形状の楔形部材対である
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
  7. 前記分岐手段は、当該分岐手段が前記光軸上の位置にあるときに形成される光路上に固定された平行平板をさらに有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
  8. 前記反射手段は、前記複数の反射面ごとに、当該反射面に対応する波長の光を反射させる誘電体反射膜を備える
    ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザー装置。
  9. 前記反射手段の反射面はそれぞれ、対応する波長に応じて熱レンズ効果を軽減するための曲率を付与されている
    ことを特徴とする請求項８に記載のレーザー装置。
  10. 前記反射手段は、前記複数の光路ごとに配置された、当該分岐光路に対応する波長の光を反射させるプリズムである。
    ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザー装置。
  11. 前記反射手段は、前記複数の光路にそれぞれ対応する、角度の異なる反射面を備えるプリズムである
    ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザー装置。
  12. 前記分岐手段と前記反射手段の間に、前記第一光路からの光が入射する第一の面、前記分岐光路からの光が入射する第二の面、ならびに、前記第一の面および前記第二の面から入射した光が出射する第三の面を含む光路変更用のプリズムをさらに有し、前記第三の面から出射した光はそれぞれ、前記反射手段の異なる反射面に入射する
    ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザー装置。
  13. 前記反射手段のそれぞれの反射面からの漏れ光を検出する光検出器をさらに有し、光を検出した反射面に対応する波長に基づいて光照射を制御する
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
  14. 前記分岐手段が光軸外の位置にあるかどうかを検出するフォトカプラーをさらに有し、検出した前記分岐手段の位置に応じて定められる波長に基づいて光照射を制御する
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
  15. 請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のレーザー装置と、
    前記レーザー装置から被検体に光が照射されたときに発生する光音響波に基づいて被検体内の特性情報を生成する情報処理装置と、
    を有することを特徴とする光音響装置。
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